ch03电网调度控制中心自动化系统.doc

第三章 电网调度控制中心调度自动化系统§1 概述一、调度自动化系统的功能层次1、数据采集和管理系统DAM2、数据采集和监控系统SCADA3、数据采集/监视控制/自动发电控制/经济调度SCADA+AGC/EDC4、能量管理系统EMS不同等级的调度中心根据自身的调度权限选择合适的功能层次。比如网调使用EMS，省调使用EMS 或 SCADA+AGC/EDC，地调使用SCADA。二、子系统的划分1、通信子系统。是调度自动化的系统的基础，是数据采集和控制命令下达的通道。2、主计算机系统。提供调度自动化数据处理的硬软件平台，保证调度自动化系统的可靠、高效运行。3、人机界面。调度人员与调度自动化系统交互的基本平台。调度人员从人机界面获得运行信息和分析结果，通过人机界面下达调度命令。4、应用软件。保存和处理整个电力系统的实时运行数据，是电力系统在计算机中的完整数字模型。并在此基础上实现电力系统的运行分析。三、评价指标设置在电网调度控制中心的调度自动化系统是整个电网调度管理的心脏部分，其任务是收集来自电网生产与传输过程中的数据和信息，加以分析和显示，调度人员利用这些信息指挥电网生产和运行。对调度自动化系统的设计有以下指标。1、数据合格率通信信道传输差错少，数据采集准确。按国家标准：信道比特差错率1×104 遥信正确率99遥测准确率982、系统响应时间系统响应时间定义为：从请求功能的瞬间到输出可用结果的时间。常用的指标有：遥信变位传送至主站3s重要遥测越限传送至主站3s遥控遥调命令下送至子站3s有实时数据画面整幅调出时间5s画面刷新周期5s3、系统可用率系统可用率定义为：可用率（总的时间停用时间）/总的时间。系统总的可用率要求99，关键元件99.8。为保证达到要求的可用率，元件配置必须考虑冗余。4、系统可维护性系统能够进行维护和更新而不影响系统的正常运转。这要求系统的硬件、软件设计上有良好的可扩展性和模块化。§2 调度自动化系统的硬件结构一、集中式早期的结构形式。有一台或互为备用的24台主机完成所有的采集、通信、处理功能。对主机要求很高，当时一般采用小型机如PDP-11、VAX机实现。后来为减少主机的负担，将通信控制机分离出来。下面是一个例子：缺点显而易见，主机负担过重，系统可靠性不高。二、分布式分布式结构采用网络多处理机连接在一起，各处理机分担EMS不同的功能，并共享输入输出处理器及外部设备。 双网连接起来的6个子系统组成的分布系统：(1)存储子系统 采用2台工作站配以大容量外存，作为文件服务器使用(2)SCADA子系统 由3台工作站(2台运行、l台备用)和连接远程终端的调制解调器组成，完成数据收集与控制功能(3)通信子系统由2台工作站组成，完成计算机网络及与外系统计算机的连接功能，进行相互通信。(4)开发子系统由带有4个x终端显示器的工作站构成，用于数据库和画面的开发和维护工作(5)高级应用子系统由3台工作站组成，全部用于运行高级应用软件，任何一台发生故障可由其它两台接替。(6)人机交互子系统 由若干台工作站组成，每一工作站由一个键盘和一台或多台监视器组成，它们安装在调度室供调度员使用。§3 调度自动化系统的系统软件调度自动化系统的软件包括系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、开发支持环境和数据库管理系统。应用软件在调度自动化系统中特指为实现调度自动化功能设计的应用程序。1、操作系统操作系统主要专门用于计算机资源的控制和管理，使整个计算机系统向用户提供各种服务。操作系统至少完成以下功能：(1)处理机管理(2)任务调度(3)存储管理(4)设备管理(5)文件管理(6)时钟管理(7)系统自诊断调度自动化应用中，由于调度任务实时性强，所以需要良好实时特性的实时操作系统。实时操作系统比普通操作系统有如下特点：(1)强有力的实时处理能力和事件响应能力(2)完善的中断处理系统和高的中断响应能力(3)系统运行的高可靠性(4)具有充分的信息保护、容错及系统自恢复的特点常用的操作系统(1)UNIX最早的PDP-11机早期VAX机上的openVMS现在流行的硬件平台上SUNSolarisALPHA(DEC,COMPAQ,HP) OSF/1,Digital Unix,TRU64 UnixIBMAIXHPHP-UX(2)WindowsWindowsNT,Windows2000 server,Windows2003 server由于PC机本身的硬件能力限制和Windows缺少UNIX大量长期的运行经验，目前只在地调以下的调度自动化系统中应用。linux由于缺少大厂家的技术保障，一般不在调度自动化系统应用。2、开发支持环境（1）程序开发语言的翻译和连接程序调度自动化中常用的开发语言有C/C+和FORTRAN，C+由于编写大型的调度自动化系统的控制，人机界面等部分，C用于实时性要求高的场合如通信部分，FORTRAN用于编写各种高级应用的算法。其他语言如PASCAL，BASIC等由于语言能力有限，至多只用于界面的编写。JAVA运行速度太慢，不能用于调度自动化中，目前只能用于电力信息网络发布。UNIX系统提供cc,CC,cxx,f77,f90等编译器和ld32,ld64连接器，GNU提供gcc编译器，可以用来开发应用程序。Windows系统开发须使用Microsoft提供Visual C+集成环境或DEC提供的Visual Fortran进行开发。（2）其他服务程序程序库程序：make,ar调试程序:dbx,gdb及各厂家提供的图形化调试工具编辑程序：vi,emacs等3、数据库管理系统数据库是有组织地服务于某一中心目的的数据集合。数据库管理系统是管理数据库地软件。它负责数据的存储、安全性、完整性、并发性、恢复和访问。应用于调度自动化系统的数据库管理系统必须具备以下条件:(1)提供标准的SQL 访问语言，支持异构数据库之间的互联和互操作(2)支持多种数据结构和数据类型（包括用户自定义类型）(3)提供通用的数据库模式定义方式(4)提供分布式的体系结构和访问机制，并实现物理存储位置的独立性和透明性(5)提供通用的、标准的数据库应用编程接口(6)提供面向逻辑地址和物理地址的快速访问机制(7)提供灵活的并发访问机制，提高数据库的访问效率(8)按照用户的要求执行有关数据输入保护(9)提供用户可定义的事件触发和处理功能(10)支持数据库的并发访问，保证数据的安全性、一致性和完整性(11)数据库的快速拷贝和备份功能(12)提供数据库的故障恢复和重启动能力(13)提供灵活的数据库编辑器、浏览器和其他工具。目前大型的商用数据库软件均能满足以上要求。在UNIX下有ORACLE，SYBASE,DB2,INFORMIX等，在Windows下还有Microsoft SQL Server。§4 调度自动化系统的人机界面调度自动化系统使运行人员的责任从收集和查看数据转变为分析数据并进行运行决策。运行人员掌握电力系统运行信息并发布运行决策的途径是调度自动化系统提供的人机界面。人机界面的基本设备包括模拟屏、图形显示设备、用户控制台、报警设备、打印设备。一、模拟屏模拟屏利用单线图表示整个电力系统的全貌。在屏上用灯光信号显示接线图中主要设备的状态，如断路器、发电机。用表计显示主要量测量的数值，如系统频率，系统出力、交换功率等。模拟屏一般不作交互操作，只作信息显示用。通常装设在控制室面向运行人员一面的墙壁上。它的优点是能够宏观地显示系统全网的状态，缺点是占地面积较大。二、图形显示设备通常是大屏幕显示器。利用该显示设备可完成以下功能：1、显示电力系统实时运行状态的系统接线图，潮流图，每个厂站的电气接线图，在图中以不同的颜色元件的电压等级、断路器、刀闸的状态，主要元件的运行参数（频率、电压、功率、电流）。用闪烁表示元件状态的变化或运行参数的异常。2、以表格形式显示系统的运行数据，比如全网所有发电机出力、全网各关口交换功率值等。3、以曲线或棒图显示数值和趋势，比如全网发电出力曲线、全网负荷曲线等。4、用文字显示各类报警信息。5、用文字或表格方式显示各类事故记录。6、显示调度自动化系统本身的配置三、用户控制台控制设备包括键盘和鼠标。二者同图形显示设备结合，可完成1、在接线图中选择设备，发送控制命令，如分合断路器、变压器档位调整、发电机出力调整等。2、调阅不同的画面，选择接线图中显示不同的数据内容。四、报警设备常见报警设备有计算机扬声器、警铃和警笛。前二者用于报告一般警告信息，警笛用于报告重要故障。五、打印设备打印设备用于提供电力系统运行状态的永久记录，一般打印运行记录，事故记录，有选择的系统状态报告，统计和运行报表。也可在运行人员要求下进行召唤打印。§5 调度自动化系统的应用软件1、对应用软件的要求（1）可移植性可移植性指自动化软件在尽量少改动的情况下，可以移植到其他硬件和操作系统的平台上运行。（2）可重用性可重用性是指自动化软件能够尽可能地用于许多调度中心。可重用性地难度在于不同电力企业的运行方式，计算方法都不尽相同，因而无法采用相同的算法，只能在软件的体系结构上保持一种可重用性。（3）数据存储电网调度自动化系统应存储以下数据(1)电网数据模型，包括所有电网元件，当前状态，电网的拓扑联系(2)事件数据，以年月日时间顺序记录电网运行数据(3)归档数据，包括长间隔的测量数据和用于运行计划和电网设计的数据（4）系统的外部参数配置系统正常运行所必须的一些配置条件不是固定在程序中，而是可以通过外部的文件或数据库加以定义，这样当系统发生变更的时候无需修改程序本身。（5）数据管理当电网发生变更时，调度自动化系统也要进行相应的变更配置，在变更过程中必须保持数据的完整性和准确性，并且不影响系统当前条件下的正常运行。2、一次软件一次处理只对数据进行采集、显示、判断、记录。(1)图形输出显示电网全貌，每变电站的主接线图，同时在图中显示运行参数和开关刀闸状态，显示其他图形如调度自动化系统结构图，远动通道图，保护配置图，自动装置配置图，运行曲线等。(2)控制操作在接线图上进行操作，包括断合开关刀闸，置整定值，调节变压器档位等。操作时要考虑防误操作。(3)监视状态处理循环启动收集遥信数据，收到报文后进行状态记录和事件记录。状态反映到接线图上，遥信变位进行记录，重要事件（如保护动作，开关处于非常态位置等）报警。(4)测量值处理循环启动收集遥测数据，检测数据可用性，进行状态记录和事件记录，数据反映到接线图上，每隔一定时间间隔记录运行数据，判断越限并报警，求取时间平均值。(5)计数值处理循环启动收集脉冲计数数据（电度），累加电度并进行记录。(6)注释对发生的事件和状态变化，除进行记录外还需为每条记录增加文本注释。(7)日记录每天产生发电、用电、重要事件等的运行报表。(8)制定短期文件以较小时间间隔（如5s）保存短时间（5min1h）的运行数据，以备系统发生故障时进行分析。(9)制定长期文件以较大时间间隔（如5min）保存长时间的电网运行数据并产生报表（日报、月报、年报），这些数据应归档长期保存供负荷预测、运行方式计划、电网发展规划使用。3、二次处理软件二次处理软件指在一次软件处理的数据基础上进行计算和分析以全面掌握电力系统的运行状态，并对可能发生的故障作出应对措施。(1)网络拓扑根据电网的连接描述，结合采集的开关、刀闸位置信息确定电网的当前拓扑。拓扑的目的包括：a、检验站间的闭锁条件b、检验电网作业各区的隔离和接地条件c、确定有直接电气联系的网区d、确定同一电压等级下同时供电的网区或故障时的孤立网区e、为厂站图着色(2)状态估计由于传送到调度中心的数据具有差错性，所以采集得到的数据并不一定准确反映电网的真实状况。另一方面，对于有n个节点的电网，需要2n个状态变量描述电网的状态，而传送到调度中心的测量量远远多于2n个，因此可以利用所有的测量量构成一组超过2n的矛盾方程组，获得使这组方程最接近0解的一组状态值作为反映系统真实情况的状态值。这个过程成为状态估计。状态估计得出的电力系统状态变量作为所有二次处理软件的计算输入。(3)在线潮流电力系统中功率的分布称为潮流。潮流是调度员掌握电网运行工况的基本因素。潮流计算的基本任务是在给定电网拓扑和导纳以及全部节点的注入条件下，确定各支路的功率。在线潮流的特殊性在于它直接从状态估计的结果中获取当前系统的真实数据。它帮助调度员判断采取某一调度措施后对系统会产生何种影响。(4)最优潮流最优潮流的目的是寻求一组系统控制变量（如发电机出力），使得在满足系统负荷需要及系统运行约束的条件下，使系统运行经济效益最高。一般的目标函数为发电费用最小或线路有功损耗最小。(5)负荷预测负荷预测分短期、中期和长期预报。长期预报时间一般为520年，主要用于电力系统规划，中期预报以月为单位，主要用于安排年度运行方式和检修计划，短期预报以小时或天为单位，用于安排日发电计划。调度自动化系统中一般只使用短期负荷预测。负荷预测的计算条件是历史的日负荷记录。一般的预测方法有外推法、模式识别法、时间序列法、Kalman滤波法等。(6)发电计划和电网交换计划发电计划以负荷预测值加上备用容量作为输入条件，考虑机组容量、发电能力、经济性、水火联合调度等条件作出全网机组的出力安排。考虑联络线传输容量，稳定性，损耗，经济性等因素确定交换计划。(7) 自动功率调整当系统负荷发生波动时，自动进行功率调整以保持联络线交换功率基本不变或电网频率基本不变。AGC是高级调度自动化系统的一项重要功能。(8)预想故障分析 所谓预想故障分析指的是针对预先设定的电力系统元件(如线路、变压器、发电机、负荷和母线等)的故障及其组合，确定他们对电力系统安全运行产生的影响 预想故障分析的主要功能： 按调度员的需要方便地设定预想故障； 快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害程度； 准确分析严重故障后的系统状态，并能方便而直观展示结果为了分析故障后的系统状态，目前主要有2种方法：静态稳定分析和直接法稳定分析。(9)调度员培训模拟 调度员培训模拟器为运行和调度人员提供了与实际系统完全相同的运行环境，各级调度员不仅可以利用培训模拟器实习正常和故障情况下的操作任务，而且可以在实时方式的基础上预演将要执行的操作，在观察系统状况和实施控制措施的同时，能够高度逼待添加的隐藏文字内容2真地体验到系统的变化情况§6支撑平台及体系结构开放化和标准化一、开放系统1、定义(1)IEEE P 1003工作小组制定的POSIX l00 30标准中，对开放系统的定义： 一个开放系统具有这样的能力，使其能运行在多厂家的计算机系统上；实现与其它开放系统的互操作(包括远程应用)；为用户接口提供一致的工作方式。 这一定义强调多厂家系统的集成和用户接口标准化。(2)IEEE能量控制中心工作小组对开放的EMS的定义： 对现存EMS系统提供全部更换或部分扩充的能力，而不必依赖某一厂家 这一定义强调可用多厂家产品的同时，还强调了对现有EMS的继承性(3)美国电力科学研究院(EPRI)对开放系统的定义 开放系统在接口、服务程序和信息格式等方面为用户提供满意的功能规范，以利于应用软件工程化2、开放系统的特点(1)工作站为基本单元计算机性能价格比优越，系统可以灵活组成(2)冗余配置各子系统性能要求不一致，高级应用软件要求最高，各子系统配置冗余度也不相同。(3)硬件可以采用多家的产品 这是开放系统最基本的要求，硬件层次上容易实现开放性(4)严格遵守工业标准 不同厂商的系统要做到开放必须在软件上遵循下列标准：操作系统接口标准；图形界面标准；数据库访问标准；网络通信标准；语言标准；文件标准。一个EMS符合这些标准，则在系统中任一部件或子系统更换时，就不致引起整个系统的变动，而整个系统更换时，应用软件也不受影响。a、操作系统接口IEEE对操作系统本身未做规定，只规定了接口标准POSIX，并且尚未全部通过。各大计算机厂商都表示将遵守POSIX接口标准，但由于接口本身尚未确定，所以要做到真正的开放性系统还有一定的距离。以现在采用最广泛的UNIX操作系统来说就有20余种产品，实现可移植性尚为时过早，一个EMS只能选用其中的一种。b、图形用户界面接口目前没有正式的国际标准，但存在着事实上的工业标准，也即从用户广泛使用中推荐产生出来的标准。主要由2个部分组成，即窗口标准X-Window和建立在其上的用户界面。MIT推出的X-Window是公认的，图形用户接口却主要有2种，即OSF的Motif和X-Open的Open Look，现在已经统一为公共桌面环境CDE。c、数据库接口除了规定用SQL和DIAS访问数据外，IEEE并未对数据库本身做出规定，EMS厂商都是自己开发实时数据库管理系统，为了更好地处理历史数据，不少EMS厂商采用了实时数据库管理系统和商用数据库管理系统相结合的方式，如WSL采用INGRES，CAE采用Sybase，EMPROSE采用Oracle等。d、网络通信接口目前，新开发的EMS在局域网上以OSI和TCP/IP为通信接口标准，广域网上以X.25为通信标准，这没有争议。但是随着技术的发展和FDDI的广泛采用，可能会由FDDI和TOKEN RING取代以太网，由ISDN和FRAME RELAY取代X.25广域网。另一种传输速率可达上千兆位的ATM也正在发展中，ATM将更好地支持多媒体传输，使各级电力公司的自动化系统更形成一体。e、开放式综合自动化系统软件平台表1国际开放系统组织推荐的开放环境规范Table 1The open environment standard recommended byInternational Open System Organization环境规范OSF-AES(应用环境规范)X/Open-XPG3(可移植性指南)操作系统POSIXISO 9945-1IEEE 1003.1ISO 9945-2IEEE 1003.2POSIXISO 9945-1IEEE 1003.1ISO 9945-2IEEE 1003.2用户接口X Window OSF/MotifX Window网络TCP/IPOSIXTI(X/Open传输接口)XTI(X/Open传输接口)数据管理SQL ISO 9074SQL ISO 9074ISAM3、实现开放系统的步骤： (1)硬件系统标准化 这可以分为三步：单一厂家的单一硬件和单一操作系统。单一厂家提供共用操作系统的计算机，应用程序可以在该厂该系列的不同型号计算机上移植；多厂家共用一个操作系统，应用程序在通用操作系统的范围内可移植到不同厂家的计算机上 (2)操作系统标准化 不同操作系统标准化，使应用程序的移植不受操作系统的限制 (3)软件平台标准化 各厂家的支持平台标准化，应用软件可以在不同厂家的平台上工作 (4)应用软件接口标准化 各应用软件在数据达到统一标准后，不同厂家的应用软件可以组装到一起或者相互换用，达到真正的开放。 二、IEC61970标准IEC 61970系列，使EMS的应用软件组件化和开放化，能即插即用和互联互通，降低了系统集成成本和保护用户资源。 对电力系统自动化而言，组件化不仅需要提供组件间交互的互操作机制（组件执行容器，如（CORBA环境），而且需要定义组件间交互的公用信息模型（common information model，简称CIM）和组件接口规范（component interface specification简称CIS）。IEC 61970标准系列分导则、术语、CIM和两种级别的 CIS共 5个部分。CIM定义了覆盖各个应用的面向对象的电力系统模型，是IE C 619 70标准的灵魂。C IS部分定义了 A PI函数的规范，级别 1仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术，级别2是级别 1对应到 CORBA和 XM L等具体的计算机技术的接口描述。导则部分主要提出了一个用来描绘控制中心EMSAPI问题的参考模型,其中应用的组件化有两种方法,一是彻底用组件构造,二是对原来的应用加封套。术语部分列出了标准中用到的术语和定义。CIM分为3个部分,301是CIM的基本部分,302是CIM用于能量计划、检修和财务的部分,303是CIM用于SCADA的部分(这里的SCADA应用与我们当前系统的SCADA的含义不完全一样)。CIM是IEC61970标准的基础,由相互关联或继承的类组成,是面向对象的电力系统数据模型。CIM由包组成,包是将相关模型元件人为分组的方法。301包括Core,Topology,Wires,Outage,Protection,Meas,LoadModel,Generation和Domain共9个包。核心包(Core)定义了厂站类Substation、电压等级类VoltageLevel等许多应用公用的模型;拓扑包(Topology)定义连接节点ConnectivityNode和拓扑岛TopologicalIsland等拓扑关系模型;电线包(Wires)定义断路器Breaker、隔离刀闸Disconnector等网络分析应用需要的模型;停运包(Outage)建立了当前及计划网络结构的信息模型;保护包(Protection)建立了用于培训仿真的保护设备的模型;量测包(Meas)定义了各应用之间交换变化测量数据如测点Measurement和限值Limitset等描述;负荷模型包(LoadModel)定义了负荷预测用的负荷模型;发电包(Generation)分成生产包(Production)和发电动态特性包(GenerationDynamics)两个子包,前者定义了用于AGC等应用的发电机模型,后者定义了用于DTS的原动机和锅炉等模型;域包(Domain)是量与单位的数据字典,定义了可能被其他任何包中任何类使用的属性(特性)的数据类型。CIM中每一个包都是一组类的集合,每个类包括类的属性和与此类有关系的类,比如Wires包中的断路器类Breaker类,其属性有ampRating和inTransitTime两个,与此类有关系的类有保护装置类ProtectionEquipment和RecloseSequence,事实上,Breaker类还有断路器名称属性name等从其父类switch继承,switch再从其父类继承,依次类推直到Core包中的Naming类。在CIM中有3种类之间的关系:聚合、继承和简单关联。聚合是一种整体和局部特殊的关联;继承关系是隐式表示的,简单关联和聚合是要显式表示的,如在资源描述框架中用对象引用来表示,继承不仅包括上面的属性,而且包括继承类的关联关系;简单关联是CIM中最多的一种关联,它表示类和类之间要相互作用,比如上述Breaker与ProtectionEquipment是一种简单关联,保护动作要跳闸开关。CIS分两个级别:级别1仅对接口做一般性描述,不涉及具体的计算机技术,401是CIS的总体框架说明,402之后与原来的计划的目录变化较大,其余的内容包括非实时的数据访问CDA用OMG的DAF（数据访问工具）和CCAPI的GID（通用接口定义）CDA,实时数据的访问用OPC（过程控制OLE）的OPCDA快速数据访问,历史数据用OPC的OPCHAD访问历史数据,其他的CIS还包括互操作实验的成果即模型交换(模型合并、更新等),以及针对各个应用的CIS;级别2将CIS映射到CORBA和XML等具体的计算机技术,501是CIM模型从UML转换成XMLRDF格式,用于模型的语法校验,502是CDA映射到CORBA,503是互操作实验的CIMXML数据交换格式。由表1可知,CIS部分很多处于准备阶段,甚至还没有工作组草案。因此,要把精力集中在CIM上,CIS可以先自行研究并保持关注和跟踪。根据体系结构的评价标准,从横向平面的角度,新一代系统的体系结构应采用面向对象的技术将各种应用按组件接口规范,例如CORBA(公用对象请求代理体系结构)进行封装,形成可以即插即用的组件,用代理技术使组件在不同的软硬件系统上分布化,从而构成一种基于对象请求代理(ORB)互操作机制的分布式对象结构。在纵向上，系统体系结构包括一下层次：1、硬件2、操作系统3、分布式环境CORBA使得在异构平台上可建立分布式应用4、数据库环境：包括电网描述数据库、调度自动化系统运行参数数据库和实时运行数据库5、应用软件，包括SCADA、EMS的各种应用功能，如显示，制表，分析等。不同厂商的数据库环境和应用软件按照IEC61970的CIM和CIS接口规范实现互操作和可插拔的目标。