（电力系统及其自动化专业论文）馈线裕度分析系统原理及其实现.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 为解决有些地方近几年变电站的建设速度相对滞后，造成有电供不 上的问题以及由于负荷布局不合理，导致馈线负荷严重不平衡，给当地 供电企业带来巨大的供电压力的问题，本文提出了一种全新的思维方式 一一馈线的均衡用电，其核心思想是负荷转移。通过优选馈线负荷预测 算法和馈线负荷安全控制和裕度计算算法，本文结合地方供电企业实际， 采用立足于配网自动化系统，整合电力负荷管理系统和配网信息系统的 方法，实现馈线的负荷转移和负荷转供的最优化方案，开发了馈线裕度 分析系统，较好的解决了上述问题，为科学的进行馈线增容和提高供电 企业经济效益提供有力的支撑。 关键词：均衡用电，馈线负荷预测，裕度分析，负荷转移 a b s t r a c t t oa l l e v i a t et h el a r g ep o w e rs u p p l yp r e s s u r eo fl o c a lp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e c a u s e db yi n s u f f i c i e n te l e c t r i c i t ys u p p l yo w i n gt oc o m p a r a t i v el a go ft r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nc o n s t r u c t i o na n ds e v e r ei m b a l a _ r l c eo ff e e d e rl o a dd u et ou n r e a s o n a b l el o a d l a y o u t ，t h i sp a p e rp r e s e n tan e ww a y b a l a n c e de l e c t r i c i t yc o n s u m eo ff e e d e r , w b j c hm a i ni d e a li sl o a dt r a n s f e r w i t ht h eu s a g eo ff e e d e r1 0 a df o r e c a s ta l g o r i t h m f e e d e rl o a ds e c u r i t yc o n t r o la n da b u n d a n td e g r e ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dam o s tp r o p e rp l a no ff e e d e rl o a dt r a n s f e rw h i c hc o m b i n e st h ep r a c t i c eo f l o c a lp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e ，t a k e sd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma sab a s i s ，a n d i n t e g r a t e st h ee l e c t r i c i t yl o a dm a n a g es y s t e ma n dd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m a l s oi td e v e l o p saf e e d e ra b u n d a n td e g r e ec a l c u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a ns o l v et h e p r o b l e m s m e n t i o n e da b o v ea n dg i v eas t r o n gs u p p o r tt oi n c r e a s ef e e d e rc a p a c i t y s c i e n t i f i c a l l ya n di m p r o v ee c o n o m yo f p o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e l u ob i n ( p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i z i k e yw o r d s ：b a l a n c e de l e c t r i c i t yc o n s u m e ，f e e d e rl o a d e rf o r e c a s t ，a b u n d a n t d e g r e ea n a l y z e ，l o a dt r a n s f e r 华北电力大学工程硕士专业学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文馈线裕度分析系统原理及其 实现，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妻塞式 日期：2 丝丛垒! 尸 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：逝新签名：丫 e l 期：迎幺笪! ，罗日期：趔：! 留 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题的意义和目的 随着国民经济的高速发展，社会用电量随之成倍增长，有些地区用电增长率 超过2 0 ，要求扩容和新增用户比例大幅度上升。由于有些地方近几年变电站 的建设速度相对滞后，造成有电供不上或由于地域问题，工厂布局不合理，工厂 集中的地方，负荷压力相当沉重，这种不平衡，给当地供电企业带来巨大的供电 压力，地方经济增长与供电要求形成了尖锐矛盾。如果采用增建变电站来缓解这 种压力，明显周期过长，投资也大，远水解不了近渴。即使变电站都建起来，还 存在馈线用电效率和能耗问题。 该课题的目的就是探讨能否开发出一种既能简便有效解决当前问题，又能在 将来电力企业中，能够广泛推广使用的新技术。其意义在于，该课题提出了一种 全新的思维方式馈线的均衡用电。其核心思想负荷转移。它不同于负荷 管理中的削峰填谷或移峰填谷，后者立足于用电安全考虑，前者立足于用电效益 和降低能耗，为提高供电企业经济效益提供一种决策辅助手段。因此该课题对供 电企业而言，具有重大的现实意义和深远发展意义。 1 2 国内外研究现状 电力负荷管理系统在国内已有较多的研发及应用，众多科研院所和企业已相 继开发出集负荷监测、控制、管理和服务于一体，实现在线式配置功能、浏览功 能、查询功能、现损统计、负荷统计、负荷预测等功能的电力负荷管理系统，且 g p r s 远程通讯手段已在现有电力负荷管理系统中得到应用。但目前的电力负荷 管理系统未见馈线裕度的分析和决策方面的研究报道。 有关集配电管理系统( d m s ) ，配电自动化系统( d a ) ，需求侧管理系统( d s m ) 的配网自动化系统( d a s ) 国内也有较多研究及应用报道。由于此类系统的工作 侧重点是对整条线路或是在一个线路分支上进行处理，没有相应得负荷预测、单 点负荷控制功能，控制手段较为单一，无法实现目前所提倡的“限电不拉路”的 华北电力大学工程硕士专业学位论文 控制方式，同时不具有制定科学方案供系统操作人员参考使用，实现负荷转移的 功能，也无法提供馈线增容的基础数据。 国外对此的研究多集中在模型和算法上，实际系统的开发应用少见报道。 1 3 论文的主要研究内容及其学术价值 馈线容量的设计，通常按用户申报的容量以及再考虑一定的安全系数而定。 然而用户的用电量及负荷变动极大，供电企业对此信息很难掌握，有的馈线用电 利用率2 5 都不到，产生大马拉小车现象，造成了资源严重浪费，造成关口计 量严重失准，同时造成变电站变损大大增加。有的馈线用电负荷接近临界点，造 成馈线安全、无功补偿和馈线调压压力大大增加，同时造成馈线线损大大提高。 如何在确保用电安全的情况下，充分提高馈线用电利用率，是本课题重点研究和 解决的问题。 1 3 1 研究内容 本论文研究的主要内容主要包括： 夺如何将相关馈线上所有用户的用电信息准确上传，要求： a 实时性相关馈线上所有用户的用电信息上传时间必须能够在5 分钟 数日内可调。 & 可靠性相关馈线上所有用户的用电信息上传不允许有丢失，如果有 丢失，系统应能自动或人工补采。 c 完整性相关馈线上所有用户的用电信息必须无遗漏，否则将产生伪 数据。 夺如何进行馈线负荷预测算法的选择，要求： 算法简单、可靠，精度高，误差可控。 夺如何进行馈线负荷安全控制和裕度算法的选择，要求： 可靠性应达到9 9 以上。 夺 后台软件的设计应要求： a 软件的先进性； b 软件的安全性； 华北电力大学工程硕士专业学位论文 c 软件的稳定性； d 软件的可维护性； e 软件的可扩充性； f 软件的易用性。 1 3 2 学术价值 本课题研究的学术价值在于： a 首次将负荷预测与预度分析结合起来研究和分析，为后来者将进行的各种预 度分析提供了有益的借鉴。 b 提供了一种系统分析的概念，既对电力企业中各独立的系统进行一次有益的 综合尝试。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作包括： a 裕度分析原理和方法：优选馈线负荷预测算法，描述了系统馈线分析中馈线 选择的原则和实现。 b 系统分析：从整体的角度描述的系统的数据处理过程，以数据流为主线， 描述了系统中各个独立的模块的划分。 c 系统方案：从整体的角度，说明方案具体的设计思路和性能要求 d 硬件终端：对数据传输采用的方式和硬件加以详细的说明 e 软件程序：对数据的处理过程以及采用的算法加以描述 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章裕度分析原理和方法 2 1 变压器裕度分析 馈线裕度分析首先是建立在馈线上每一户用户的裕度分析上，从对每一户的 用电特征分析才能进一步分析整条馈线的情况。 进行馈线用量和功率走势分析首先要进行馈线负荷预测。目前电力系统常用 的某些预测方法如回归分析、神经网络法等，若样本较大，则计算复杂，不易应 用：若样本较小，常造成较大误差，使预测目标失效。灰色g m ( 1 ，1 ) 预测模 型是灰色系统理论的重要组成部分，它主要适用于预测时间短、数据资料少、波 动不大的系统对象，只需很少的几个数据即可建立模型进行预测，可以很好地解 决由于数据少而导致的精确度不高的问题。但由于g m ( 1 ，1 ) 模型的解为指数 型曲线，其预测的几何图形是一条较平滑曲线，对波动性较大的高峰负荷数据列 拟和较差，预测精度较低。马尔可夫转移矩阵适用于波动性较大的数据列预测问 题，但它要求研究对象具有平稳过程等特点，所以可将二者结合起来，形成灰色 马尔可夫预测模型，对随机波动性较大的数据列进行预测， 基于以上分析，建模的基本思路是：先建立灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，求出其 、 预测曲线罗( t ) ，再以平滑的预测曲线f ( t ) 为基准，划分若干动态的状态区间，计 算出马尔可夫转移矩阵预测未来状态，从而得出预测值区间，取区间中点，最终 得到精度较高的预测值。 2 1 1g m ( 1 ，1 ) 模型 ( 1 ) 给定原始时间序列，并记作x o = ( x o ( 1 ) ，x 。( 2 ) ，x o ( n ) ) ； ( 2 ) 对原始时间数列作一次累加生成的序列： c x o ( t ) = x o ( n ) ，t = 1 2 n n 2 l ( 3 ) 构造累加矩阵b 与常数项i n k y 。 4 ( 2 一1 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 b = 一三( x m ( 1 ) + x ( 2 ) ) 一昙( x m ( 2 ) + x m ( 3 ) ) 一圭( 川n - 1 ) “1 ) ( n ) ) l y 。= ( x o ( 2 ) ，x o ( 3 ) ，x ( o ( n ) ) ；建立相应的微分方程模型为 掣+ a x n ) ： 百+ 引”。 ( 4 ) 用最d , - - 乘法求解灰参数a 三= ： = c b 7 b ，。一1 3 t ，v 。 口= ll = i 廿廿l 。 ( 5 ) 该模型的时间响应函数为 ( 6 ) 累减还原得到 ( t + 1 ) ：( 。一- 1 ) ( x ( 0 ) ( 1 ) 一拿) 。一； x ( t + ) = ( e 一。一1 ) ( x ( o ( 1 ) 一芒) e 一。 则g m ( 1 ，1 ) 模型预测曲线为 y ( t ) ；x o ( t + 1 ) 2 1 2 状态划分 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) “ 以y ( r ) 曲线为基准，根据具体情况划分与y ( t ) 曲线平行的若干条形区域 每个条形区域构成一个状态，其中任一状态区间q 表达为： q 。= 【q “，q 。】 式中：q 1 ，= y ( t ) + a ；q 2 ，= y ( t ) + b ，a j ，b ，可由用户根据具体情况自行确定 由于y ( t ) 是时间的函数，i n n q 。q ：也随时序变化，即状态q 具有动态性。 |口 + a 扣 p | ( 口 一 )0 o x ( | i d + 0 x 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 1 3 马尔可夫预测模型 ( 1 ) 马尔口 夫链 设有随机过程 x 。，n t ) ( ，表示时刻的集合) 和离散的状态集 i = i 。，i l ，i ：，) ，若对任意的整数，7 五条件概率满足： p x = i 。+ ix o = i o , x 1 = i i j 一，x 。= i 。) = p x = in + lx 。= i 。 ( 2 9 ) 则称为马尔可夫链，并记： 瑶。= p x = j lx 。= i ) ( i ，j i ) ( 2 1 0 ) 表示在时刻7 系统处于状态f 的条件下，在时刻m + k 下系统处于状态下的概率。 将彤依次排序，可得矩阵， p ( 。) = 蜡 p ： = 嘴 ( 2 一1 1 ) 称为马尔可夫链的膏步转移概率矩阵，其中：”= 1 ( 2 ) 转移概率计算 数据序列由状态以经过七步转移到够的概率称为止步转移概率，记为碟。 掣= 芒 治 式中：m 为状态如经过七步转移到町状态的次数；m 。为状态以出现的次数。 由于数据序列最后的状态转向不明确，故计算m 。时要去掉数据序列中保最 耒的七个数据。 2 1 4 编制状态预测计算表 系统各状态转移的统计规律在状态转移概率矩阵中得到了反映，通过考察状 态转移概率矩阵，可预测系统未来的发展变化。预测时需要先列出预测表，表的 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 编制方法是：选取离预测时刻最近的_ ，个时刻，按离预测时刻的远近，转移步数 分别定为1 ，2 ，。7 ，在转移步数所对应的转移矩阵中，取起始状态对应的行向 量组成新的概率矩阵，对新概率矩阵的列向量求和，其和最大的列向量的状态即 为待预测状态。 2 2 馈线选择 2 2 1 馈线选择原则 馈线选择的好坏，关系到馈线裕度决策的效果，因此在选择馈线时应注意以 下一些问题： a 馈线裕度决策系统，要求馈线上所有用户的信息资料均能够实时、同步上传 至主站进行分析，最好使用g p r s 或c d m a 以及光纤进行数据传输，因此，安 装使用之前，应明确各点的信息场强是否满足通讯要求，简单做法使用手机 屏幕上场强指示数来进行简单判别，若不足者，应及时联系移动或联通进行 解决。如若用户点已装上其它采集终端，如2 3 0 m 负控、配变综合测试仪等， 则应充分利用其数据库里的数据，配合其它终端数据进行分析。 b 馈线的负荷容量的选择。原则上馈线容量的大小不影响馈线裕度的分析和决 策。当馈线处于重载时( 已达到设计容量的9 0 以上) ，系统可提示相关部 门。适当减负，选一些用户移向轻载馈线。当馈线处于轻载时( 低于设计容 量的2 0 ) ，则馈线可以通过人工进行决策，通过其它馈线引入一些负荷。 c 馈线上安全控制用户的选择。由于馈线裕度决策系统设计环节上，采用了安 全保障措施，即当馈线负荷突然超出系统预设的安全阈值时，则系统预先设 置的安全用户上，就会产生报警( 声、光以及中文短信) ，提前通知用户将 进行断电处理，系统自动切断该用户的用电，以保证馈线安全运行。因此事 先应选择宾馆、饭店以及一些非重要用户，签好合同，进行安全控制，在主 站软件中，于紧急预案模块处理。 2 2 2 馈线裕度决策系统馈线选择表 本文研究设计了馈线裕度决策系统馈线选择表，如下 蝼v琳铷搐蠼尽qn摧 器畚巡鞋咚坦斟噬爿世：。藩婢罾 钵 蕾删 制 嘛 槎 御 址 - e - e -廿- e -廿- - 2 -导- e -岳- e - e -导 争导廿 - e - 淫 澳蜒 妊 芝 掰 懈锵秣 礤 景 曩最景 蜊 ， 错 媒 5 b b 5 b 蜊蜊 瓣 蜒 蜒瓣瓣 _ g 蜒 u 悄蜊蜊媒 蜊 蜊懈悄揣懈槲懈懈 蜊媒槲 啻届曩曩曩最甘甘 目r曩曩目r曩r 蜊 滥3 榔 逝 譬毒 兽 世 娄3 脚 需 掣器 如鎏 ml 陋阳陋 衄 陋陋阳 | 陋阳 阳 i n 陋 陋 嘣 裳鑫 m 副 脚 糕 粥 箨 妄、 n 剥 - ；鞯 卜 盆 一 n 吝 暖 崩崮制 臼赫 赫 h釉 磷 驿 搭 屠 丧素凼凶 制 制 餐 丑、 逭墩 翻蚓 捌 ， 兰 制制 挤 甍 已 掣砖 驰妪 窭噬恻 h 一 导 莴 苎 龌刭哩 暑 嚣蝣 卜冰泳 长鞋 一 悄*撩 甚 螺蜒蜒齄鞋世鹫垤泳泳尉引 m匠 蟹 删*长一蒜，苌起 叫 桨蜊鲻扭 酹 翻一 悄铷搐容器：惴 $求越难檗目锹遐爿l申：。挺艄ei嚼 能智犁扑爿巾书唇舌!h精k长导菩s 咖 肄 黯 幽 制 皿l ； 错 导 址- e -哥- e -导 - e -导 导导导- e -导 - e -哥 哥廿- e f 世 聚淫 搂 懈槲 蜊 嚣晨 ， ， 悄 g 85g 8 84 j ； 蜒浮揆 蜒 8 b聚 蜒 蜒 摧搿 螺鼎 摧僻槲 螺浆 ； 蝴蜊球 姑懈粥 量 曩量最rr曩量曩 嚣最 景曩 甘rr 创 出 抽 4 i 半 答刨 兽 越 出 螺 脚 幅 脚器 陋婆 陋陋 1 阳 陋 缸k阳陋m陋 1 旬 霹 丝矮 邑 斗 哥 哥 粼 槲 堪 暑、 、 、 、 咖 畸1 到 山 懈 基 求 掣 自 旧 鞋 亚剞盛 式 忙 如 l耘 j ! ! 曼口 杠 鼎 _ 口 。l 粕 坪 h酹 螯冬 三 魁 趣 聋 丑、 导- 髓舡迟 un 吕 扭 l域 提 4 鹾 口 埔 毫窭 缸 划挂 缸 哥爿 扑 牛同 羹 匈 非 础泳器群h备 摆捎*哥 墩 媒 舞 芑 捌v 爿e =擞 弓帮搂丢鳝米登蟠 三裹 摹辎 教长 珏 利 _邕 避 抓 鞋 u蜒 程1 1 1避 避 鼍 i i 似袋掣孙爿咿r器稚h扑k式壬爿斟 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 1 系统工作原理 第三章系统分析 以下是整个系统的数据的整体流程 图3 1 整体流程图 流程说明： 采集终端根据设定，将定时间点采集到的数据，通过g p r s 传送到数据 处理主站。主站接收到数据之后，根据终端对应的馈线，计算出此馈线当前的负 载。根据馈线所属的变电站站或者变压器计算出此馈线当前的裕量。 如果某条馈线超过裕量，系统将根据一定的算法( 见第二章) ，提出配线调 整工单，通过配网系统的调度，使馈线得到很好的保护。同时提高了资源的使用 效率。 3 。2 系统的结构组成 通过，上图的分析，此系统从数据的角度，可以分为。数据传输层，数据处 理层，业务支撑层。 其各个部分的内容如图所示 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图3 2 系统结构图 数据采集：终端传感器读取馈线的电流电压数据 3 3 系统关键数据流分析说明 3 3 1 馈线数据处理层 如下图所示 统计分将 煮诩 最壤警台 鬻置段髓 拄 华北电力大学工程硕士专业学位论文 髂稿牲螽定褒 燧髓用户擞卯 冀赞辩 用户时虑杞浸 3 3 1 1 数据描述 街警纪澈- 终端糟肇祀最 憾缱扶蠢鳃辆媸钱嚣裳分析 图3 3 馈线数据处理流程 表3 i 数据字典 名称筒述来源去向流量组成 终端按照设定 主站2 4 电流+ 电压 终端时的的冻结时间终端 服务爨 有功+ 无功 点记录 长度，每小时 采集 器天 正向+ 反向电能示值 数据i k b 终端告警信息( 缺相不 采集到的数据平衡过载参数变更 解析 条 跳闸) 终端采集对电主站不确 告警记 表及本身发生 终端 服务定时间+ 终端编号+ 告警类 可记录的异常器 1 0 型+ 告警内容+ 现场情况 求 采集 时，提供的信告警爨采集 息处理天 主站由定 馈线状 终端采集的正终端服务时器馈线负载+ 馈线裕量+ 馈 态分析 常信息+ 馈线采集+器计算线当前最大复载+ 各个 与用户及开关数据馈线1 次开关对应负载+ 各用户 记录 的信息库信息小当前负载 解析时 配线 为数 编号+ 名称+ 终端号+ 变 馈线用角户与馈线的系统压器编号+ 所属馈线+ 所 户资料对应关系系统 据库 属馈线开关+ 用户类型+ 录入 记录 用户级别+ 联系方式 馈线开 描述用户和馈配线数据 用户编号+ 关资料线对应的开关管理库记馈线编号+ 譬 华北电力大学工程硕士专业学位论文 关系系统 录或 开关名称+ 者由开关编号+ 配线 调整 工单 录入 3 3 1 2 加工描述 表3 2 加工描述表 名称激发条件优先级输入输出 加工描述 解析后 1 接收终端发送来的 接收到格 正常的 报文 通讯数式正确的 高 通讯 终端采 2 按照协议解析指定 据解析终端通信报文 集信息 的报文 和终端 3 根据各个报文内容 报文 的不同，将不同类别 报警信 息 的信息存放到指定 的表中 1 判断是否存在新的 终端记录 2 判断是否存在新的 馈线变更资料 馈线数时钟触发时间 馈线状 3 按照馈线的属性和 据分析1 5 分钟 高态信息 用户之间的关系计 到算馈线负载和馈线 记录 容量 4 根据馈线负载和容 量按照一定的规则 选择需要发出的配 电调整工单 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 2 2 用户和馈线对应处理层 3 3 2 1 数据描述 图3 4 用户和馈线对应处理流程图 表3 3 数据字典 名称简述来源去向流量组成 在配电系统对 配电系 馈线号+ 开关编号+ 开关 馈线变 馈线进行调整 统，可 馈线对应的用户资料十变更 了之后，提供 能是定 变更 方式+ 修改工单号+ 修改 更记录 时倒入 处理 时间给本系统的馈 界面 线调整记录如果是因为本系统的 录入 馈线变 系统处理的一 馈线变数据 时间+ 修改内容十责任人 种安全措施， 更历史更处理 库 + 对应工单 能够根据 馈线当 描述馈线当前 馈线变数据 能够承受的最馈线+ 容量+ 裕度 前容量 更处理 鏖 大负载 馈线分 同线数据处 析状态 理层馈线状态 分析记录为 记录 单条记录 馈线开记录了用户和 开关负数据 开关号十用户终端号+ 用 关状态馈线之间的对 载运算库 户最大负载量t 开关最 之资料应关系大负载量 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 3 2 2 加工描述 表3 4 加工描述表 激发条优先 名称输入输出 加工描述 件级 1 本系统定时或者由人 工在前台录入馈线变 更记录 馈线开 存在裤馈线变 变更2 系统根据变更的内容 关状态 线用户 高 更记录 日志+修改对应的资料，同时 资料的用户变 开关创建修改日志 变更变更3 系统发现开关资料发 变更更记录 记录生变更，修改对应的开 关资料 4 调用单个馈线状态分 析过程 1 根据输入的馈线变更 记录和开关记录获得 以及用户变更记录获 得开关和用户之间的 开关负 馈线+ 开开关对应关系 载运算 同上 关号+ 用状态2 根据开关和用户之间 户名称记录的对应关系，计算出此 开关对应的容量和裕 量 3 将此信息保存到数据 库中 馈线开 关状态 变更 堕个 1 根据输入的馈线号，查 馈线状 在开关 馈线号 馈线 询获得此馈线对应的 资料用状态 当前开关状态和用户 态分析码记录 户资料分析 发生变记录 2 根据上述记录计算此 更时调 馈线对应的馈线状态 用 3 3 3 馈线配线处理层 此过程为配线分析的扩展处理描述 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 3 3 1 数据描述 图3 5 馈线配线处理流程 表3 5 数据字典 名称简述来源去向流量组成 描述馈线需要 馈线调 馈线 馈线调调整的开关状方案 馈线号+ 开关列表+ 开关 整方案态，调整目的 整方案 确定 列表状态+ 调整时间+ 调 及预期的结果 处理整目的+ 预测处理结果 处理 馈线调 正式确定的配 馈线方 配线 馈线号+ 开关列表+ 开关 线调整方案 列表状态+ 调整时间+ 调 整工单案确定系统 整目的 馈线开 馈线和用户之 配线系数据 开关+ 当前所属馈线+ 历 间的关系的物史所属馈线+ 开关下用 关资料统 麈 理装置属性户列表+ 开关状态资料 同线数据处 馈线状理层馈线状态 态分析分析记录为 单条记录 3 3 3 2 加工描述 表3 6 加工描述表 名称激发条件优先级 输入输出加工描述 定时触发最新按照 简单的排序操作，按照裕 馈线当馈线的馈馈线 量的百分比，分为超过百 负载资料调整线状裕量 分比和没有超过百分比的 排序后奄瓿态资进行 的数据到 料+ 开排序 数据处理 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 达后处理关资 料 1 根据本文第五章确定 的算法获得馈线的裕 根据量预测 馈线 分离相关2 对裕量预测的计算获 调整馈线负载 的馈性，确得，将来稳定运行最小 方案 排序 线排定的的调整方案按照简单 序数馈线的互补算法，将最小裕 处理 据调整度的馈线与最大裕度 方案馈线集进行计算获得 平衡的规则方案 调整 1 对于需要调整的裕度 馈线 馈线调整 之后处理，列出几个列表和 的馈 原则 方案 方案处理方案 线分2 用户根据自己的选择 确定析图 察看调整前后的图表 人工确定 表工 分析 苴 3 决定是否出工单 工单 目前暂定 为人工干 具体的操作流程需要同其 处理 他的系统接口进行讨论 预 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 。1 系统方案比较 4 1 1 通讯方案选择 第四章系统方案 t o k v 馈线上大多数用户所处环境复杂，用户信息的实时性和可靠性以及安 全性是选择系统的关键，因此系统的设计目标就是保证用电管理部门能够实时、 准确、可靠地采集到馈线上任一用户或全体用户的信息数据，其次是系统便于供 电企业的管理和维护，再以此为基础扩展其它功能。 目前供电企业针对大用户专用变压器的监控或控制一般采用负控2 3 0 m 系统 或者g p r s 现场管理终端，对于公用变安装了部分的配变检测设备。由于馈线上 这些设备的安装数量有限，无法了解所有所有用户的用电情况。因此需要在没有 安装设备的公用变或者专用变上加装g p r s 现场管理终端。之所以采用g p r s 来传 输数据主要基于以下几点： a 网络现状 6 p r s 是支撑中国移动无线数据网络的主流技术，几乎覆盖全国各地，无论 在繁华的闹市，还是在僻静的边远地区，都能方便的接入g p r s 网络，对于供电企 业来说组网特别方便。 b 终端速度 g p r s 目前网络支持c s 一2 编码，r l c 层每信道速率1 3 4 k b p s 。无线上网卡和 通讯模块一般是c l a s s i o 或c l a s s l 2 ，捆绑4 个信道，实际应用带宽大约在1 0 一7 0 k b s 网络升级后，将支持c s4 编码，可以捆绑8 个信道，每信道r l c 层速 率将达2 1 4 k b p s 。对于一支持8 信道的终端来说，最高速率可选l7 12 k b p s 而 2 3 0 m 终端最高速率只达2 4 0 0 b p s ，可见g p r s 终端数据传输速度是2 3 0 m 终端的几 十倍。应用厂家若掌握不好通讯技术，容易出现丢包和掉线现象。 c 容量 g p r s 基站小区中，可以设置最多8 个固定数据信道( 专做数据用) ，动态信 道( 用完即释放) 视载频容量而定。如某小区信道有4 5 个，一般话音占用1 0 道( 用完即释放) 视载频容量而定。如某小区信道有4 5 个，一般话音占用1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 个，则剩余3 5 个信道可用。而且g p r s 业务属分组业务，用户仅在数据传输时才 占信道，同时小区的每信道最多达8 个用户复用，可以充分保证大量用户同时在 线，说明g p r s 终端通讯除了专门的数据通道外，还可占用语音通道( 动态信道) 。 d g p r s 、2 3 0 m 无线、光纤、电话线通讯方式的比对 表4 1 通讯方式比较表 比较内容 g p r s 2 3 0 m 光纤 p s t n 通讯通道分组交换 无线频点交换 以太网 电路交换 基站建设 n o y e sn on o 低 a 某基站的故障 系统安全性 高 将使所有接力基极高 一 向 站瘫痪。b 防非 法攻击能力弱。 通讯费用一般低无一般 通讯覆盖面广 窄 极窄较广 受限 受限 受限 ( 随终端的增加( 要专门拉 终端扩展数量 无限 ( 要申请拉 主站设各要不断 线，极不方 线) 增加) 便) 同频干扰无 有 无无 自 投资成本 低 可 极高 低 高 双向传输，终 端主动实时 低 向主站传送 单向传输，只能 低各种异常信 由主站l 对1 召 息，主站也能最高单向传输。拨 工作效率测终端，主站无 号通讯1 对1控制终端各 法实时知道终端 种动作。主站 所发生的各种异 召测 和终端可1 对 常情况 多同时进行 数据交换。 综合考虑，采用g p r s d 通讯方式来进行馈线裕度分析。 4 1 2 通讯协议比较 在i n t e n e t 所使用的各种协议中，最重要和最著名的协议是传输控制协议 1 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 t c p 和用户数据u d p 。两种协议对比如下： a u d p 的报文长度小于t c p ( u d p 首部为8 字节，t c p 首部为2 0 字节) ，因此在 频繁传输短数据和不重要的报文应用中，u d p 的流量会小于t c p ，但是u d p 不能保证传输的可靠性，因此需要在应用协议中提供其它可靠性保证机制。 因此若在系统中使用u d p 进行网络通讯，则要用短信发送来祢补可靠性失缺， 反过来又造成通讯费用大量增加( 大于使用t c p 协议的费用) ，同时实时性 很差。 b t c p 是面向连接的，因此t c p 能够实时监测至大部分应用连接的断开，从而 能更快的重新连接，保证实时在线。由于绝大部分g p r s 网关的u d p 端口的 生存时间要小于t c p 连接，为了保证与服务器的实时连接，u d p 需要更短的 心跳周期，从而产生更多的通信流量和服务器负荷。 c u d p 是无连接的数据传输协议，它向服务用户提供不可靠的数据路服务，将 可靠性问题则交给应用程序解决。由于u d p 是对i p 协议集的扩充，即依赖 于i p 协议传送报文的，所以它所提供的服务可能会出现报文的丢失、重复 及失序等现象。但是u d p 协议是一种简单的协议机制，通信开销小，效率比 较高，因此，比较适合于面向请求应答式的交互型应用，也可应用于对可 靠性要求不高，但要求网络的延迟较小的场合，如话音和视频数据的传输。 d 目前大部分网络安全应用都是基于t c p 的，因此从网络安全的角度出发，使 用t c p 将更为合适些。 综合所述，在系统网络通讯协议中，我们选择了t c p 通讯协议。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 2 系统数据传输工作原理 4 3 系统主要功能 4 3 1 数据采集 图4 1 系统数据传输原理图 可按预先设定时间间隔自动或被动抄收终端或电表各种信息。同时整合目前 馈线上安装的负控2 3 0 m 设备和配变监测数据，实现采集整条馈线所有用户的要 求。采集的数据主要为( 电流、电压、电量、功率、需量、各种告警信息等) 。 数据采集的频率可以设置，如瞬时量1 5 分钟一次、电能量1 小时一次、需量一 天一次，终端会根据系统设定的情况，准时的将各种信息抄送上来。 4 3 2 负荷预测功能 可以根据采集到的用户信息，通过灰色马尔可夫预测模型预测该馈线下一个 华北电力大学工程硕士专业学位论文 时间点的负荷情况。负荷预测计算时间间隔可设置( 默认每6 0 分钟计算次) 。 4 3 3 负荷调度决策 系统根据馈线负载情况及下一个时间点的负荷预测，制定科学的负荷调度方 案。在接线拓扑图上显示出来。 4 3 4 配电显示功能( 高级功能) 将系统制定的负荷调度方案在配电g i s 上显示出来，让操作人员有个直观的 了解。 4 3 5 负荷控制 当本馈线负载很重又无法通过相邻馈线调控负载的情况下，通过对馈线上用 户的负荷控制，达到降低馈线负载的目的。 4 3 6 “增容”决策 馈线处于中负载或者尚有安全“增容”潜力的时候，可以在该馈线上增加新 用户或者为用户增容。 4 4 系统技术要求 4 2 技术要求表 内容指标备注 模拟量测量综合误差 1 5 指电压、电流 数据完整率 9 8 系 遥控正确率 9 9 9 9 统 可 主站年可用率19 9 5 靠 终端年可用率29 9 5 性 终端平均无故障工作时间 2 1 0 4 h ( m t b f ) 系统故障恢复时间2 小时 华北电力大学工程硕士专业学位论文 系 统 实 时 性 主站巡检终端重要信息( 重要 状态信息及总加功率和电能 量) 时间 6 0 0 台终端( 每信道) 系统控制操作响应时间 遥控命令下达至收到终端 确认的时间 系统对客户侧事件的响应时间 3 0 m i n 数据应用浏览响应时间 1 0 s 注： 主站年可用率= ( 主站设备可用时间全年日历时间) x1 0 0 终端年可用率= ( 全年日历小时数x 终端数一每台终端故障及停用小时数) ( 全年日历小时数x 终端数) x1 0 0 其中： 主站设备：包括服务器、网络、专用通信设备和电源； 设备可用时间= 全年日历时间一设备故障及维修( 包括计划检修) 时间； 设备年可用率= 设备可用时间( 小时) 全年日历时间( 小时) 。 4 5 系统其它要求 4 5 1 系统安全性能 a 密码锁定 密码输入出错三次，该项操作冻结2 4 小时( 并上传错误信息备案) 。 b 专用i p 口 系统只能设置专用i p 口，所有通讯只能通过该i p 口，经移动专网或公 网与采集终端进行通讯连接j 不允许通过自制设备直接进行数据传输。 c 系统不允许远程修改采集终端和电能表数据库。 4 5 2 远程维护 a 可通过专用i p 口远程更新多功能电表设置的时段( 需对应开放表计相 关调整时段功能) ： b 可通过专用i p 口远程校对多功能电表的时钟( 需对应开放表计时钟相 关调整功能) ； c 可通过专用i p 口远程更新采集终端的各种配置和软件； d 可通过专用i p 口远程控制采集终端的复位。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 5 3 可靠性和稳定性 a 主站与某采集终端通讯失败后，在“- - 4 , 时”内可自动进行补抄，累计 补抄1 0 次应能成功；并能自动进行原因判别。 b ，主站可召抄采集终端4 5 天内所冻结的任意时段的各种数据。 c 主站对各种异常数据可自动判别原因。 4 5 4 事件e l 志 系统操作应有日志记录。记录定义的所有操作过程，包括操作时间、操作名 称及操作人员。 4 5 5 自诊断功能 可进行设备自检，发现设备( 包括通信、时钟) 异常，应有记录和远程报警。 4 5 6 短信功能 可通过主站向用户和相关人员发送中文短信。 a 当系统受人为入侵时，立即向系统管理员发送中文短信； b 当用户功率超负荷时，立即向用户相关人员发送中文短信： c 当用户异常用电时，立即向供电部门相关人员发送中文短信 d 供电企业相关通知用中文短信及时通知用户。 4 5 7 与其它系统的接口 由于本系统离不开负荷管理系统的电表数据、配网管理系统的开关状态数 据，因此需要做好与这两个系统的数据接口，如果需要将决策方案显示到配电 g i s 上，还需要做与配电g i s 的接口 华北电力大学工程硕士专业学位论文 5 1 终端技术要求 第五章硬件终端 表5 1 终端技术要求表 项目 y z g 一2 0 0 0 r s - 4 8 5 接口1 路 采集周期1 分钟、2 4 小时设制，最小间隔1 分钟 电表规约d l t 6 4 5 、威胜、浙江、福建等多种规约 面板显示1 2 8 1 2 8 单色l c d 时钟精度 1s d 对时精度 5 s 主站规约国网或浙江标准 报警 将“断相”、“反极性”等数十种异常用电现象实时上报 配 主站 远程升级具备 数据传输接口本地维护红外线 存储窑量 2 “1 6 m bf l a s h 可选 工作电源 3 1o o v 或3 2 2 0 3 8 0 v 2 0 工作环境相对湿度9 5 ，温度一3 5 + 7 0 置 功耗 3 5 w 结构壁挂式；2 8 0 m mx1 8 0 r a mx8 5 m m 遥控遥信接口1 路告警，4 路遥控，5 a a c 2 2 0 v ，2 路遥信。 7 2 v 7 0 0 m a h ，发送状态连续工作0 5 h ，正常工作8 h ， 后备电池 待机1 个月 交流采样 精度等级：有功：1 0 级：无功：2 0 级 参比电压：3 x l o o v ，3 x 2 2 0 v 3 8 0 v ，3 相3 线或3 相4 线 电压测量范围：u n 3 0 u n 电流测量范围：互感器接入式：1 5 ( 6 ) a 、5 ( 6 ) a 、5 ( 2 0 ) a 。 启动电流：0 2 i n 华北电力大学工程硕士专业学位论文 5 2 终端原理概述 图5 1 终端硬件框架图 其中， g r 4 7 为g p r s 模块，通过串口与主处理器( l p c 2 2 1 4 ) 通信。 o b u s 为维护串行总线，主处理器通过o b u s 与显示板、红外接口和维护串口 通信。其中，显示板负责液晶显示和按键处理；红外接口和维护串口都为维护接 口，手抄器可以通过红外或者维护串口与终端通信，p c 维护程序可以通过维护 串口与终端通信。 主处理器通过数据和地址总线访问s r a m 、f l a s h 和并串转换芯片 ( x r l 6 l 2 7 5 1 ) 。 i b u s 为内部通信用的高速串行总线，主处理器通过i b u s 与各个协处理器通 信。系统采用分布式处理结构，主处理器与各个协处理器协同处理，保证了系统 的高效性和稳定性。 电源管理及系统监控模块负责系统电源的管理和监控主处理器的运行。当主 处理器超时未与之通信时，模块会将主处理器复位，保证系统的稳定运行；当系 统掉电时，模块仍然运行( 低功耗模式) 并监测门禁开关的变化，当门禁开关发 生变化时，模块将使系统上电，产生门禁状态变化将报警，并且主动上报给服务 器。 交流采样模块负责采样线路的电压和电流，并计算出电能量、功率、功率因 数、需量等数据。 开关管理模块负责遥控开关的控制、遥信开关状态的读取以及脉冲量的采 华北电力大学工程硕士专业学位论文 集。 c t 检测模块根据主处理器的命令来进行检测电流互感器的状态：短路、开 路和正常。 w d t ( 外部看门狗) 芯片负责监测各个协处理器的稳定运行，进一步保证系 统的稳定性。 5 3 终端与电能表接口 5 3 1 采用r s 4 8 5 标准串行电气接口 a 驱动与接收端耐静电放电( e s d ) 8 k v ( 人体模式) 。 b 共模输入电压：一7 + 1 2 v 。 c 差模输入电压：大于0 2 v 。 d 驱动输出电压：在负载阻抗5 4 q 时，最大5 v ，最小1 5 v 。 e 三态方式输出。 f 半双工通信方式。 g 驱动能力为3 2 个同类接口。 h 在传输速率为1 2 0 0 b p s 条件下，有效传输距离不小于1 2 0 0 m 。 i 总线是无源的，由采集终端提供隔离电源。 5 3 2 采用脉冲接口 脉冲输入需求： a 输入路数：2 路 b 脉冲宽度：6 0 l o o m s c 脉冲电平：i o v + 2 v ( 有脉冲) ，0 8 v ( 无脉冲) d 输入方式：无源脉冲 e 测量内容：有功功率、有功分时电量、有功最大需量、无功功率、无功 分时电量、功率因数等 f 测量精度：脉冲输入累计误差应不大于1 个脉冲。 终端可以采集各种输出型式的电能表脉冲，包括有无功脉冲独立输出、有无 功脉冲共用c 端输出、有无功脉冲共用e 端输出和继电器型输出。若脉冲同时并 华北电力大学工程硕士专业学位论