（电气工程专业论文）包钢电网电力监控和事故恢复系统的设计研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电力监控系统作为电气运行的基础，其高效性、可靠性越来越受到更为广泛的 重视。包头钢铁厂是我国的重要钢铁基地，其供电水平的高低直接影响到公司的安 全生产。为了进一步做好安全供电工作，不断提高电力自动化管理水平，对包钢进 行了电力监控系统改造，并针对钢厂生产的特殊性，对包钢的事故恢复系统进行了 设计研究。 本文参考了国内外电力监控系统的优点，详细探讨了它的各种功能，并针对其 典型功能进行了设计研究，实际运行效果表明，其功能完全能满足包钢日常运行维 护的需要，且使包钢电网的管理水平上了一个新台阶。文中还对当前国内外的事故 恢复系统进行了研究，提出了适合包钢电网的基于边缘开关刀闸组的搜索模型，并 据此展开研究，分析了孤岛问题，过载问题，静态安全问题，为下一步该系统的实 施提供了理论基础。 关键词：电力监控，事故恢复，调度自动化，配电网 a b s t r a c t a st h eb a s i sf o re l e c t r i c a lo p e r a t i o n ，h i g h p e r f o n n a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a l p o w e rs u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e mh a v ep a ym o r ea t t e n t i o n b a o t o ui r o na n ds t e e l c o m p a n yi sm a j o ri r o na n ds t e e lb a s ei nc h i n a ，t h el e v e lo fi t sp o w e rs u p p l yh a v ea d i r e c ti m p a c to n p r o d u c t i o ns a f e t y i no r d e rt of u r r t h e ri m p r o v ep o w e rs u p p l ys e c u r i t y ， c o n t i n u et oi m p r o v ea u t o m a t i o nl e v e l ，t h ee i e c t r i c a lp o w e rs u p en ，i s i o na n dc o n t r o l s y s t e mh a v e b e e nr e f o r m e d ， a n dt h e s y s t e mo ft h ea c c i d e n tr e s t o r a t i o nh a s b e e n s t u d i e d t h ea r t i c l eh a sm a d er e f e r e n c eo ft h em e r i t so fe l e c t r i c a lp o w e rs u p e r v i s i o na n d c o n t r o l s y s t e ma t h o m ea n da b r o a d ， e x p l o r e dt h ev a r i o u sf u n c t i o n ， s t u d i e da i l d d e s i g n e dt y p i c a lf e a t u r e s t h ea c t u a lo p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u l lf u n c t i o n a l i t y m e e tt h en e e d so fd a y t o d a y o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ， a n dt h e p o w e rg r i d m a n a g e m e n th a sb e e nt oan e wl e v e l i nb a o t o ui r o na n ds t e e lc o m p a n y i na d d i t i o n ，t h e a c c i d e n tr e s t o r a t i o ns y s t e mh a sb e e ns t u d i e di nt h ea i r t i c l e ，p u tf o r w a r df o rs e a r c h i n g m o d e io nt h ee d g eo ft h es w i t c hs w i t c hg r o u pi np o w e rg i r do fb a o t o ui r o na n ds t e e l c o m p a n y b a s e do nt h es t u d y ，t h ea n i c l ea n a l y s i e do fi s l a n dp r o b l e m ，o v e r l o a dp r o b l e m 觚ds t a t i cs e c u r i t yw h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st oi m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m f e n gt i a n g a n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h e n gs i q i n ga n dz h a n gj i a x i n g k e y w o r d ： p o w e rs u p e r v i s i o na n dc o n t r o l ，f a u l tr e s t o r a t i o n ，s c h e d u l i n ga u t o m a t i o n ， d i s t r i b u t i o nn e t w o r k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢电网电力监控和事故恢复系 统的设计研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：日期：以佃 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： 日 期：日 期：华! ：z ： 华北电力人学_ t 程硕士学位论文 第1 章引言 1 1 电力监控和事故决策系统研究的意义 随着社会发展和科技进步，人们对电能的依赖性日趋增强，电力系统与人们的 日常生活更加息息相关，其安全生产和稳定运行愈来愈重要，保证电力系统安全稳 定运行，提高供电可靠性和电能质量越来越受到人们的重视【l 】。 1 9 9 4 年2 月2 4 日广西来宾电厂发生配电系统故障，波及广西2 2 0 k v 和5 0 0 k v 系统， 造成广西部分地区与主网解列，5 0 0 k v 系统与广东解列；1 9 9 6 年8 月1 1 日，美国西部 9 个州停电，影响4 0 0 万人，一些地区停电时间长达1 0 个小时；2 0 0 3 年0 8 月1 6 同美国 东北部及加拿大南部大停电，使北美5 0 0 0 万人陷入黑暗，经济损失约6 0 亿美元，纽 约断电2 9 个小时后才恢复供电。这些事例充分说明：故障后及时、准确地进行故障 处理非常重要，力争使故障后的停电范围尽可能减小，停电时间尽可能缩短，以便 把停电损失降到最小。 随着包钢生产规模的扩大，包钢生产的电力负荷也同时增大。在包钢现有的配 电网中，2 2 0 k v 网架与蒙西电网相连，1 1 0 k v 网架是内部的主干网，已形成了分布在 全包钢内部的3 5 k v 、l o k v 为配网的接线结构。电网的负荷近7 0 万k w ，加之电网内 部发电机，实现供配电的灵活性，使网络结构日益复杂。与电力系统的地区级电网 相比，毫不逊色。现有2 2 0 k v 站两座，110 k v 站1 0 座，配网站近6 0 座，与包钢1 0 0 0 万吨钢铁产能相配套。 包钢内部高压配电网的主要特点如下： ( 1 ) 为提高供电可靠性，配电网一般闭环结构，开环运行，通过热备用开关连 接，配电网在结构上一般呈现为辐射型。 ( 2 ) 高压配电网以1lo k v 和3 5 k v 线路为主，电网网络结构延伸到1 0 k v 母线， 一般不包括l o k v 负荷出线。 ( 3 ) 配电系统的电气设备数量多，如自动重合闸、备自投、电容器、电抗器等。 ( 4 ) 配电网的分析一般不考虑电力系统的暂态稳定问题和负荷的动态特性。 ( 5 ) 配电网中包含一些自备电厂，但是这些电厂的出力一般十分小，电源主要 是从外网输入。 ( 6 ) 运行方式变换后，不能以合环方式长期运行。 针对上述情况，如何提高事故情况下恢复电力负荷的速度，减小事故带来的影 响，实现电力调度的效率，是近几年包钢内部电网建设的主题，在此前提下，进一 步发展在事故情况下自动调度事故恢复系统就显得犹为紧迫。随着电网调度自动化 - 1 华北电力人学：i ：程硕士学位论文 水平的提高，新技术的采用，大量的信息使调度员的调度指挥更准确全面。同时， 在电网事故状态下，数以百计的报警信息经过s c a d a 系统显示给调度员，调度员不 可能在很短的时间内对这些信息进行分析处理，如确定故障设备和制定恢复方案等， 总之，事故后调度员的反应速度越来越不能满足电网运行的需要。因此开发一套在 线运行的故障决策系统，在故障时为调度人员提供准确及时的辅助决策，在日常工 作期间为调度人员提供一个反事故演习的训练环境，已成为完善电网调度自动化的 一项重要任务，对整个包钢电网的发展具有重要的意义。 1 2 电网调度决策支持系统简介 本文将要开发的包钢电网电力监控和事故恢复系统是电网调度决策支持系统的 一个组成部分，因此这里先将电网调度决策支持系统作以简介。 1 2 1 概述 电网调度决策支持系统是建立在s c a d a e m s 系统基础之上的更为高级的电力 系统决策支持软件，是对s c a d a e m s 的进一步发展和扩充，是为电网调度提供更 为全面和智能化决策的大型系统软件。其功能主要是利用电力系统中所测量到的各 种实时信息，以及系统静态参数信息，在实时态和研究态模式下，对电力系统的各 种运行状态进行分析，帮助调度员了解和掌握电力系统的运行状态，提供针对电网 系统、数据、参数、信息等故障进行当前运行状态的分析决策，保证电网的安全稳 定运行，并提高电网运行的经济性能1 2 j 。 具体就是在系统正常运行时不断进行安全和经济性的评估，给出评估结果报告； 系统中发生故障时，决策系统将根据上传的报警信息进行故障诊断，在判断故障元 件的同时，一并对故障涉及到的开关和保护的动作情况进行评价；接下来决策系统 将进行故障恢复决策，给出恢复策略；当系统中有操作任务时，决策系统根据调度 员的操作任务自动开具调度操作票。可见，电网调度决策支持系统能处理比现有e m s 范围广得多的运行状态，能为调度员提供更为丰富和智能化的决策支持。 1 2 2 组成 电网调度决策支持系统的整体结构示意图如图1 1 所示，区别于现有s c a d a 系 统的是它还要采集故障信息系统上传的故障信息，为故障诊断和故障恢复软件提供 数据支持【3 1 。 电网调度决策支持系统由以下部分组成： 2 。 华北电力入学工程硕七学位论文 指挥系统协调 丁丁可丁 e m s 应用软件扩展e m s 软件 丁丁丁丁 数据统一平台 丁丁丁丁 s c a d a 数据库故障信息系统 图1 1 决策支持系统整体结构示意图 ( 1 ) 统一的数据平台，包括s c a d a 和故障信息系统。 ( 2 ) 变电站继电保护信息管理系统。 ( 3 ) 稳态分析系统，包括网络拓扑、状态估计、调度员潮流、静态安全分析、 无功优化、负荷预计。 ( 4 ) 智能调度操作票。 ( 5 ) 故障分析，包括故障诊断、故障恢复和故障操作票。 ( 6 ) 指挥系统。 ( 7 ) 报表。 其中：s c a d a 和稳态分析是目前e m s 具备的功能，其它部分为新增模块。 1 2 3 整体结构 电网调度决策支持系统包括以下6 个子系统【4 巧】： ( 1 ) 数据库管理子系统 管理来自实时s c a d a 系统的数据、故障信息系统的数据和历史库数据，是网络 分析系统软件和调度管理的源数据。 ( 2 ) s c a d a 和故障信息子系统 完成数据的收集、监视、控制、故障记录、报表统计和计算功能，它是调度自 动化系统的基本构成部分。 ( 3 ) 变电所继电保护信息管理系统 完成故障相关的保护、录波等二次装置的数据的收集、监视、报表统计和分析 功能，它是故障诊断、故障恢复和故障操作指导软件的基础数据源。 气 华北电力人学j r 程硕士学位论文 ( 4 ) 高级应用软件子系统 完成运行系统的分析、计算和优化功能，是提高电力系统运行的安全性和经济 性的一系列软件功能模块的总称。 ( 5 ) 网络通讯子系统 完成网络的连接，管理和数据流的传输任务，遵循标准的网络传输协议。 ( 6 ) 管理，维护子系统 承担网络的日常管理、维护任务，保证各级网络的正常运行。 1 3 电网电力监控和事故恢复研究综述 1 3 1 电力自动化系统简介 电力调度变电站电站自动化系统的发展经历了7 0 年代基于专用计算机和专用 操作系统的s c a d a 系统( 第一代) 、8 0 年代基于通用计算机( v a x 系列v m s 或 p c d o s ) 的e m s ( 能量管理系统，第二代) 和9 0 年代于基r i s c u n i x ( 或p c w i n d o w s ) 的开放分布式e m s d m s ( 能量管理配电管理系统，第三代) 共3 个阶段。目前电力 系统调度变电站电站自动化支撑平台的基本组成部分已经形成国家标准。 最早开发的通用组态软件是d o s 环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机 界面( h m i ) 、图库、绘图工具箱等基本功能。随着w i n d o w s 的广泛应用，w i n d o w s 环境下的组态软件成为主流。与d o s 环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图 形功能有了很大的增强。u n i x 在多任务、实时性，联网方面的处理能力优于w i n d o w s 系列，虽然它在图形界面、即插即用、i o 设备驱动数量方面不及w i n d o w s ，但这些 缺点已经得到很大改进。目前在我国电力的电力自动化系统中各工控机、服务器使 用的操作系统相当复杂，从w i n d o w s n t 、w i n d o w s 2 0 0 0 到s u ns o l a r i s 、c o m p a q t r u 6 4 u n i x 。而随着l i n u x 操作系统的r 益成熟，在未来的一段时间内电力自动化将 是u n i x ，w i n d o w s 、l i n u x 三大主流操作系统长期并存的局面。随着电力生产与调 度的网络化，针对发供电企业电力调度等重要部门的黑客攻击也时刻威胁着电网的 安全，这也是有些核心部门采用u n i x 高端系统的原因。针对不同的操作系统开发相 关的变电站监控软件将是未来面临的一个问题。 1 3 2 电网事故恢复简介 1 3 2 1 电网事故恢复的定义 关于电网事故恢复的定义，各种文献大体上已经形成了统一的认识，但目前还 没有完全一致。普遍的认为，电网事故恢复是指在电网发生故障后，在其它程序或 4 华北电力犬学工程硕士学位论文 模块己经进行了故障定位，确立故障设备的基础上，所进行的一系列恢复和处理措 施；另外有一些文献将故障的定位，即故障设备的确立，也归于故障恢复的内容。 本文所设计和实现的电网电力监控和事故恢复系统是电网故障分析决策系统的 一个组成部分，它和电网故障诊断、电网故障操作票共同组成电网故障分析决策系 统。其中故障的定位工作由电网故障诊断模块专门负责，而本文的电网故障恢复系 统在电网故障诊断模块之后运行。因此，本文的电网故障恢复是指故障发生后，在 电网故障诊断模块已经确立故障设备的基础上，经过故障隔离、过载处理、孤岛处 理等一系列的处理步骤恢复系统的正常供电服务并保证系统的各运行元件处于可以 长久运行状态的过程。 1 3 2 2 配电网和输电网故障恢复策略的差异 由于配电网和输电网的结构和用途不同，二者故障恢复的策略也存在着较大的 差异。 ( 1 ) 配电网通常是环网结构，开环运行，即其馈线具有辐射状的特点。因此当 配电网中发生永久性故障引起停电时，开关的动作结果将配电网分割成带电区和停 电区。停电区又分为故障停电区和非故障停电区。故障恢复的任务是隔离故障区， 在不对电网的结构作重大改变并能满足约束条件的前提下对网络进行调整，以带电 区域为电源，最大限度地恢复对非故障停电区的供电。制定配电网故障恢复策略时 所需考虑的约束条件有负荷之间的平衡，线路、变压器的容量限制，保持辐射状网 络防止合环运行等。本文所研究的电网即属于高压配电网。 ( 2 ) 输电网故障恢复过程由于涉及发电、输电和配电等各个环节，考虑因素和 调控环节非常繁杂，与配电网的故障恢复相比难度比较大。而且当系统发生严重故 障时，可能出现电网的解列，故障恢复过程中有可能涉及各子系统的并列，这就需 要在解列和并列的过程中需要监视电网的频率，考虑并网冲击电流的大小、操作后 各子系统的稳定性及震荡情况。对于全网停电或一个区域内的全部停电则要采用黑 启动方案。由于上述原因，以及目前的自动化水平的限制，输电网故障恢复研究非 常困难，国内外在这方面深入的研究都还比较少，能够应用于实际系统的成果更是 少见。 1 3 3 电网故障恢复算法概述 故障恢复的目标是在允许的操作条件和电气约束下，尽可能多的恢复非故障失 电区域的供电。从本质上讲配电网的故障恢复是一个复杂的多目标、多约束、多时 段的组合非线性优化问题，最终得到的解是一系列开关刀闸动作组合。故障恢复系 统的改进算法不断被人们提出，目前国内外求解故障恢复问题主要有以下几个方面 5 华北电力大学工程硕十学位论文 的恢复技术和算法： 1 3 3 1 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能领域里最成熟的一门学科，一度成为国 际性的热点。电力系统故障恢复问题需要依靠调度员的经验和启发式规则来解决， 很难用数学模型来表示，这是专家系统的优势所在。故障前电网结构、电气元件状 态和故障数据是专家系统的输入数据。推理机根据输入数据判断故障，在知识库中 找到此类故障并执行相应的恢复算法。学习机用来自学习新的故障类型和恢复策略， 以处理知识库中没有的故障类型。人机界面将专家系统、s c a d a 系统和客户相连。 专家系统的不足之处是： ( 1 ) 建立并维护一个完备的知识库难度很大，所以知识库是应用瓶颈； ( 2 ) 随着系统的复杂性增加，知识库中的规则数量会急剧增加，从而影响了运 行速度； ( 3 ) 学习能力弱，对于知识库中不存在的新型故障，系统应变能力差。 ( 4 ) 容错性不高，对干扰信息和错误信息的应对能力差。 1 3 3 。2 模糊理论 模糊理论，将经典集合理论模糊化，逐步发展成为一套完整的推理体系。模糊 理论具有以下优点： ( 1 ) 适于分析不确定问题； ( 2 ) 用语言变量表述专家的经验，更容易被理解； ( 3 ) 可以获得更多不同优先级别的解。 模糊理论己经在电力系统故障恢复的很多领域中得到了广泛的应用，例如，通 常的故障恢复目标都希望尽可能多地恢复负荷，尽可能少地操作开关，这些表达都 是不精确、模糊的，模糊p e t r i 网用模糊集合规定了故障恢复的目标，并为p e t r i 网建 立了专用的并行规则模糊触发方式，以处理并行推理中的优先性问题。 总而言之，模糊理论擅长改善其他人工智能方法的容错性能，但如何确定隶属 度函数，以及如何在网络结构变化后修改隶属度函数，都是值得继续研究的问题。 1 3 3 3 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一类自适应的随机优化技术，它通过模拟生物 进化和遗传变异，来求解大规模优化组合问题的全局解或局部最优解。遗传算法在 求解组合优化问题时呈现良好的性能，并能够较好的处理非线性、非连续问题，在 处理故障恢复时，能方便的处理多重故障情况。 遗传算法已经在电力系统故障恢复中得到了应用，将遗传算法同专家系统相结 合，提出了高压配电网的故障恢复方法。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 遗传算法没有传统算法中复杂的数学过程，因此适应能力强，容易应付问题中 可能出现变化的约束条件和目标。但是建立数学模型的准确性决定了遗传算法的有 效性，交叉和变异操作对最后的结论有很大的影响，如何确定相应参数需要进一步 研究。 1 3 3 4p e t rj 网及面向对象的p e t ri 网 p e t r i 网( p e t r in e t ) 作为一个图形化的数学模型工具，首先是由c a r lp e t r i 在1 9 5 0 年提出的。经过了4 0 多年的发展，己经成为具有严密数学基础和多种抽象层次的通 用网论，在自动控制及信息处理等各项科学领域得到了广泛的应用【6 1 。 采用p e t r i 网技术来解决故障恢复问题具有一系列优势： ( 1 ) p e t r i 网的图形化描述使复杂的恢复过程易于描述； ( 2 ) 故障恢复问题通常表现出并发特性，p e t r i 网具有处理并发问题的能力，在 p e t r i 网的初始状态中往往存在多个令牌，且某些迁移点有可能被同时激活，所以令 牌可能同时在不同的路径下传送，这类似于并行推理过程，可同时得到数个求解路 径； ( 3 ) p e t r i 网可方便地分析系统在特定初始条件下的可达性、安全性及冲突等问 题； ( 4 ) 可使用赋时p e t r i 网扩展原网络，计及故障恢复过程中的时间因素。 因此，p e t r i 网适用于求解多重故障网络备用容量不足条件下的故障恢复问题。 该算法的缺点是与网络的结构关系紧密，一旦网络结构发生变化算法必须重新修改。 而且建模时面临“状态组合爆炸”问题，网络规模随着系统维数的升高呈指数级增 长，从而使系统分析难度大为增加。 1 3 3 5 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f l c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是人工智能领域除专家系统外的又一 重要分支，其特点是采用神经元及它们之间的有向权重连接来隐含待处理问题的知 识，善于处理复杂问题，并具有自学习能力，因此在电力系统内已经得到很多应用， 各神经元处理信息具有相对独立性，以便并行处理。此外，人工神经网络还具有冗 余性，即使有某个神经元失效，也不会影响到整个网络的工作性能【_ 7 1 。 人工神经网络应用到故障恢复中，利用神经网络的非线性拟合能力来响应负荷 模式和系统拓扑间的非线性关系，避免传统算法中评价线路状态的重复计算。采用 了多层前馈神经网络，将停电区的支路负荷和主馈线冗余容量为输入信号，输出节 点给出馈线开关和支路开关的状态，得到相应的恢复方案。 1 3 3 6 整数规划法 整数规划法也可被用来实现故障恢复，它将待解的问题用标准的数学形式表达 7 一 华北电力大学工稃硕士学位论文 成目标函数和不等式约束条件来进行数学求解。这种算法在处理多约束目标函数、 求取近似全局最优解等方面表现出了一定的优越性，当目标函数存在最优解时，就 一定能找到。但是这种方法实际应用会遇到困难，因为系统复杂时，在建立理想的 目标函数和求取全局最优解等方面存在一定的困难，而且随着停电区域的扩大，这 种算法的计算时间会大大延长。 也有很多人为了解决整数规划法在故障恢复问题上遇到的困难，提出了许多改 进的算法。 1 3 3 7 启发式搜索 对于故障恢复在实际系统中的应用，启发式搜索往往可以获得较好的效果，有 很多文献采用此类算法解决实际问题。启发式搜索是受启发式规则引导的搜索模式， 依靠专门的信息来简化搜索，提高效率。同时评价函数用来评价搜索空间，实现优 先搜索。大多数启发式搜索的故障恢复方法都是基于开关的操作，用启发式规则来 定义专门的运行标准，检验大量的候选解。 己经有很多网络搜索技术用来帮助搜索求解。启发式搜索应用广泛，通常采用 最优算法与规则相结合，使用最少的开关操作为最优解，从而减少操作时间。启发 式规则是纲要性的，不同于其它人工智能方法的知识库中的规则，不受系统结构的 约束。但是基于现场经验和技术分析的启发式规则大大决定该算法的效率，并且不 能保证每次都能得到最优解。 1 3 3 8 其它算法 近年来不断有人探索通过新方法来解决故障恢复问题，例如：变电站智能顺序 切换操作和配电系统供电恢复的新方法；应用条件概率法中有限随机处理方法；通 过在搜索过程中对节点未来状态的预测而取得概率的结果，结合直接推理和直接搜 索的方法，提高了效率：提出用大量母线代理体和一个协调代理体组成的多代理模 型来处理故障恢复问题的方法等【8 。9 】。 另外目前已经出现了多种算法相结合的趋势，如模糊理论同p e t r i 网方法相结合， 遗传算法同专家系统相结合，整数规划法同专家系统相结合，启发式搜索与模糊理 论相结合等，甚至还建立了故障恢复算法集合模糊专家系统，结合了各种算法的数 据和方法，其中各种算法具有不同的隶属度函数和统一的调用方式。为了进一步提 高恢复效率，缩短恢复时间，如何采用并行式处理手段，开发出更加全面可靠的综 合智能技术也将是新的研究方向。 1 3 4 电力监控和故障恢复应用现状 以往对电力监控和故障恢复的研究主要集中在3 5 k v 和1 0 k v 的低压配电网，对地 8 华北电力大学：j ：程硕士学位论文 区级电网故障恢复研究并不多见。而且文献所阐述的大多数研究方法都只停留在理 论层面，只限于对算法的探索和探讨，能够达到实用化程度的成型软件非常少，能 够实际应用的算法也只限于专家系统。做为唯一个现有文献中成型的高压配电网的 故障恢复软件，采用数据库技术、可视化技术和面向对象的方法，实现了故障恢复 系统的图形化，具有一定的实用性。其主要存在以下几点不足： ( 1 ) 只能作为一个独立的系统离线运行，无法实时启动，这样不但不利于现场 的使用，而且也降低了其在事故后的辅助决策作用。 ( 2 ) 仅能出示总体的恢复方案，无法给出调度员下令时的具体内容。 ( 3 ) 采用专门绘图及同时形成数据库，这样当网架结构变化时需要对图形和数 据库进行较大的维护。 另外由于以前调度自动化系统信息不完整，能够真正实现在线应用故障恢复系 统更是少之又少，并未见有文章记载。 1 3 。5 在线应用的电力监控和故障恢复系统要求 考虑到在线故障恢复的诸多特殊性，经个人总结，能够在线应用的电网故障恢 复系统必须满足以下要求： ( 1 ) 运行速度快。 在线运行故障恢复要求实时性，所以首先必须解决实时监控以及故障恢复的计 算速度问题。 ( 2 ) 数据维护量小，电网结构变化时，不需做特殊的数据维护。 这就要求它必须与现有e m s 高层应用软件共用相同格式和内容的静态数据和实 时数据。传统的专家系统虽然也有应用于实际运行的先例，但此类方法常需要构建 庞大的知识库，在网架结构发生变化时，要做大量的数据维护，也不适用于在线运 行。 ( 3 ) 所得故障恢复方案符合调度运行规程和操作习惯，安全合理，确实符合现 场实际情况及操作要求。 很多算法目前都只能停留在理论研究层面，或者在与其它实用算法相结合中起 辅助性作用，如模糊理论、数学规划类方法( 整数规划法等) 、现代优化类方法( 遗 传算法等) 、p e t r i 网等，这些理论研究中常提出很多不实用的指标，导致了最终恢 复结果与现场实际操作情况不相符。 1 4 本文主要工作 本文针对包钢电网实际情况，研究包钢电网的电力监控系统，并在电力监控的 9 - 华北电力人学：= 程硕士学位论文 基础上获取系统运行信息，针对包钢电网研究在线运行的企业电网故障恢复系统， 本系统同故障诊断程序、电网静态安全分析程序及故障操作票程序相结合使用，承 接故障诊断程序或电网静态安全分析程序启动运行，在故障恢复后还可以启动故障 操作票程序并为其提供恢复方案。 本文所做的工作可归纳为以下几点： ( 1 ) 设计电力监控系统，完成故障恢复的网络模型和知识表示，提出了一种基 于开关刀闸组的搜索方法，提高了搜索速度和准确性，可以满足在线运行的要求， 而且简化了编程过程，可操作性强。 ( 2 ) 建立了基于e m s 数据的快速推理故障恢复模型，不必再对故障恢复程序做 单独的数据维护：通过网络搜索动态生成系统内各设备的网络连接关系，当系统网 架结构发生变化时免于数据维护，增强了程序的通用性和可移植性；数据结构中对 常用的开关刀闸和元件引入了整形的数字量作为索引来记录其所在的位置，很大程 度上提高了搜索速度。 ( 3 ) 研究电力监控系统数据采集和通信规约，完善了故障恢复步骤，除传统的 故障隔离、孤岛处理和过载处理以外，还增加了各自投拒动处理、各自投投入校验、 母线故障时的倒母线处理、等值负荷处理、t 接线运行方式的调整等功能模块，并 考虑了大量调整运行方式的实际情况，使恢复方案确实符合现场实际情况及操作要 求，具有可用性，真正对调度运行起到辅助决策作用。而且还将传统的故障隔离分 割为电气隔离和物理隔离，缩短了恢复供电时间，使恢复步骤更加合理。 ( 4 ) 设计包钢电网s c a d a 系统，对其具体功能进行了研究。对数据采集、数 据处理、报警系统、历史数据处理、控制操作和事故追忆等功能进行了分析研究。 实时数据库管理系统设计采用面向对象设计，能很好地满足电力系统实时性的要求。 ( 5 ) 从现场实际需要出发，实现了电力监控和故障恢复系统程序的接口，故障 恢复系统通过通信从电力监控系统获取系统运行信息，在系统故障时，做出正确的 决策，提高供电可靠性。结合包钢实际情况设计的电力监控系统已在包钢顺利投产， 运行良好。本文所设计的包钢事故恢复系统部分功能已经编好程序，并以事故实例 做了仿真测试。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 第2 章基于在线应用的事故恢复理论研究 在前文中已经提出，能够在线应用的电网电力监控和事故恢复系统必须满足以 下要求： ( 1 ) 运行速度快： ( 2 ) 数据维护量小，电网结构变化时，不需做特殊的数据维护； ( 3 ) 所得故障恢复方案符合调度运行规程和操作习惯，安全合理，确实符合现 场实际情况及操作要求。 下面就从以上几个方面研究和解决事故恢复在线应用问题。 2 1 电力系统自动化 电力自动化系统是当代大电网运行不可缺少的手段。随着电网的扩大和互联以 及计算机及网络技术的发展，传统的集中式系统己经被多机网络化开放式、分布式 系统所取代。电力体制改革、全国大联网、电力市场的丌展和深化，对电力自动化 系统提出了更高的要求。 电力系统自动化是应用控制技术、计算机信息处理技术和通信技术，通过计算 机软、硬件或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高电力系统运行、管理水平 的一种自动化系统。它的提出来源于在变电站中得以广泛使用的智能电子设备 ( i e d i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ) 智能设备不仅实现了现场控制智能化，同时也 把现场的生产数据数字化，通过本身的计算机数据通信接口，可提供变电站运行、 维护所需要的大量数据。 电力综合自动化是将电力所有二次设备( 包括控制、信号、测量、保护、自动 装置及远动装置等) 利用计算机控制技术、现代通信技术、网络数据库技术等，经 过功能组合和优化设计，对电力系统执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合 性的自动化系统l l 引。 电力综合自动化系统包括两层含义： 其一，功能综合化。原有微机监控、微机继电保护和微机运动装置由于历史原 因是分开设置的，互不相关，自动、保护、远动自成体系。这种结构存在着设备重 复设置，不能充分发挥微机作用及设备间互联复杂等缺点，因此，电力原有二次系 统亟待优化。随着微机技术和信息传输技术的进一步发展，当今的l e d 设备己经能 将监测、保护、控制等功能综合在起，实现软、硬件功能模块化，可使用户根据 电力系统具体情况灵活配置，达到最优组合，这就是功能综合化的基本含义。 华北电力火学ji ：程硕十学位论文 其二，管理综合化。i e d 的普遍使用提供了大量电力系统运行维护需要的数据， 利用这些数据可以计算出变电站的最优运行状态，并自动调整变电站的运行状态。 所以，在这个意义上，综合自动化已不仅是一个技术问题，而更成为一个管理问题。 s c a d e m s ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l 锄dd a t aa c q u i s i t i o n e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ， 数据采集与监控能量管理系统) 系统的提出正是为了解决电力系统综合管理的问 题，它利用现场总线技术和现代通信技术，将各i e d 设备连网，通过专门的网关通 信处理机，收集现场生产数据上传或下发控制命令。同时，利用计算机局域网( l a n ) 、 数据库( d a t a b a s e ) 、i n t e m e t 等技术，将生产信息送入数据库。进行有效管理，以 实现实时监视、优化计算、报表、信息发布等多项功能。 从上述叙述可以看出，s c a d a 系统是变电站综合自动化系统核心，它负责将整 个系统连接成为一个整体，将大量杂乱无序的电力系统网络中的数据组织起来进行 处理从而给出清晰有序的数据，同时该系统也担负着与上级调度进行数据交换的任 务。 2 2 事故恢复模型 2 2 。1 基于边缘开关刀闸组的搜索模型 在线运行要求很强的实时性，为了解决故障恢复在线运行的运算速度问题，本 文提出了一种基于边缘丌关刀闸组的路径搜索策略，提高了搜索效率和准确性，使 程序运行速度大为加快，这是普通搜索方法所不能企及的。另外此方法使恢复过程 更加明确，简化了编程，实用性很强i i 卜j 。 首先需要定义以下几个基本概念： 定义l ：将两个相邻供电设备之间的开关刀闸组合定义为一个开关刀闸组，这里 所讲的开关刀闸组是广义的，可以包含下列几种形式： ( i ) 如果一个开关两侧都有刀闸，则由“刀闸+ 开关+ 刀闸 构成开关刀闸组， 这种开关刀闸组在系统中最为多见； ( 2 ) 如果一个开关只有一侧有刀闸，则由“刀闸十开关或“开关+ 刀闸”构 成开关刀闸组型；在本文中的故障恢复系统的数据平台上，小车开关都等效成了这 种模型； ( 3 ) 如果一个开关两侧都无刀闸，则由该开关独自构成开关刀闸组； ( 4 ) 如果两个设备之间只有刀闸连接，则由该刀闸独自构成开关刀闸组，桥型 接线或角形接线时都会出现这种情况。 定义2 ：如果开关刀闸组中所有开关和刀闸都为闭合状态，则定义此开关刀闸组 为“闭合状态；只要丌关刀闸组中有断开状态的开关或者刀闸，就定义此开关刀 一1 2 一 华北电力大学丁程硕士学位论文 闸组为“断开 状态。 定义3 ：将子系统之间“断开 状态的开关刀闸组，定义为边缘开关刀闸组。 有了这些定义，于是可将整个电网抽象成以下数学模型，如图2 1 所示： 图2 1 电网抽象数学模型 即：电网各带电子系统+ 各不带电的子系统+ 边缘开关刀闸组 可见，边缘开关刀闸组相当于各个子系统间的备用通路。如果某边缘开关刀闸 组状态由“断开”变为“闭合”，那么它连接的两个子系统将合并成一个新的子系。 边缘开关刀闸组n m 连接着子系统m 和子系统n ，呈“断开”状，当其状态变为“闭合” 后，子系统m 边缘开关刀闸组m n 统态和子系统n 合并为新的子系统k 。在新的子系统k 中，原有的子系统n 和m 的内部连通性没有改变，与其它子系统的连接关系也没有改 变，这时开关刀闸组m n 成为新子系统k 中的一个闭合开关刀闸组。 在此模型的基础上，可对故障恢复中的各项任务进行路径搜索。例如搜索负荷 孤岛的一条恢复路径的问题，可描述为：从失电负荷所在的子系统出发，通过边缘 开关刀闸组，搜到该孤岛所有相邻子系统，该处搜索采用宽度优先的搜索策略，如 果相邻子系统不带电，则通过该不带电子系统继续搜索，直至搜到带电子系统为止。 这个过程中通往某带闭合边缘开关刀闸组m n 新子系统k 。 电力系统的各个边缘开关刀闸组的组合就是该负荷孤岛的一条恢复路径。仍以 图2 1 为例进行详细说明：假设子系统1 为故障后产生的失电孤岛，子系统3 原来即为 不带电子系统，子系统2 和子系统4 为带电子系统。程序从子系统l 出发进行搜索，可 以搜索到两个相邻的子系统2 和3 ，因为子系统2 带电，所以边缘开关刀闸组a 为一条 恢复路径：因为子系统3 不带电，所以继续搜索子系统3 的相邻子系统2 和4 ，子系统2 和4 均带电，因此边缘开关刀闸组b + c ，b + d 各为一条恢复路径，注意这时要防止 从子系统3 沿边缘开关刀闸组b 往回搜索到子系统l ，这样程序会陷入死循环。搜索 完毕，得到三条恢复路径分别为：边缘开关刀闸a ， b + c ，b + d 。然后再通过潮流 校验等手段对各条恢复路径进行评价，最终选出最优路径对子系统l 进行恢复供电。 由以上的搜索过程可以看出，通过边缘丌关刀闸组的方法可以搜索到系统内为 一l3 一 华北电力人学一i ：程硕士学位论文 失电孤岛恢复供电的所有恢复路径，而且方便、快捷、可操作性强，简化了编成过 程，避免了通常的搜索过程中许多重复的匹配和搜索过程。 在本文的电网故障恢复系统中还有多处用到基于开关的刀闸组的搜索方法，如 故障隔离，孤岛处理，过载处理，调整系统运行方式等，只是有时需要搜索闭合的 开关刀闸组，有时需要搜索断开的开关刀闸组，总之原理相同，不再赘述。 2 2 2 数据结构 下面将开关刀闸组的数据结构做简单介绍，表2 1 列出了开关刀闸组的数据结 构，其中开关刀闸和始末端元件全部采用其代码在开关刀闸表中的数组序号记录， 主要是为了搜索时快捷。当双母线接线时，每条出线分别可以连在两条母线上，程 序中将这种情况当成两个开关刀闸组处理，但二者又有关联，故用“n t y p e ”标记此 类开关刀闸组。 表2 1 开关刀闸组的数据结构 数据类型字段名描述 整型 n b r e a k n u m 丌关在开关刀闸表中的数组序号 整型n s t a i r t s t c h 始端刀闸在开关刀闸表中的数组序号 整型 n e n d s t c h 末端刀闸在开关刀闸表中的数组序号 整型 n s t a r r t e l e 开关刀闸组始端元件在元件属性表中的数组序号 整型 n e n d e l e 开关刀闸组末端元件在元件属性表中的数组序号 整型数组 n k s t a t 【3 】始端刀闸、开关，口末端刀闸的状态 标志：1 ，表示一般的开关刀闸组；l ，表示该开关刀 闸组还有一个并列的非故障开关刀闸组( 双母线) ； 整型 n t y p e2 ，表示该开关刀闸组还有一个并列的故障开关刀闸 组( 双母接线) ，合上本开关刀闸组前要拉开故障刀 闸 2 3 快速推理事故恢复模型 故障恢复若要在线运行，必须尽量减小数据维护量，而且当网架结构变化时( 如 系统会经常改造，增加新的线路或变电站) ，应该使故障恢复系统不需做特殊的数 据维护。本文的故障恢复程序为了解决这一问题，采用了基于e m s 数据的快速推理 故障恢复模型，和e m s 软件共用实时库和历史库，不必再对故障恢复程序做单独的 维护【1 4 。6 】；程序每次在运行时动态生成系统内各设备的网络连接关系，实现了当系 统网架结构发生变化时免于数据维护，同时增强了程序的通用性和可移植性；数据 结构中对常用的开关刀闸和元件引入了整形的数字量作为索引来记录其在各自表中 华北电力大学j f ：程硕士学位论文 所在的位置，想要寻找该开关刀闸或元件时可以直接到索引位置取用，而不必再到 开关刀闸表中逐一匹配，由于此类工作在搜索过程中需要频繁进行，因此这在很大 程度上提高了程序运行的速度。 2 3 1 电气设备的知识表示 图2 2 电网网络层次结构 地区电网的层次结构可以划分如图2 2 所示，地区电网中包含若干个子系统，每 个子系统中又可能包含若干个由线路连接的变电站，每个变电站中又都是由母线、 变压器、开关刀闸、出线、电抗器、电容器、p t 等设备组成，它们属性各不相同， 分别以静态信息的形式存储于e m s 静态数据库中。我们可以把各种电气设备抽象为 开关刀闸、元件、支路三种类型来表示，其中开关刀闸具有闭合、断开两种状态， 元件相当于电气设备的端点，母线、负荷设备本身即为一个元件，线路为一条支路， 支路具有阻抗，各种电气设备具体等值情况如表2 2 所示。 表2 2 电气设备的等值特性 开关或刀闸开关或刀闸即可看成一个开关刀闸两端连接两个元件 母线母线本身可看成一个元件 负荷、电源点 负荷、发电机作为注入量，可看成一个元件 双绕组变压器一条支路，两端各连接一个元件 这样整个电网可分为开关刀闸、元件和支路，开关刀闸具有闭合与断开两种状 态，所以它可以决定其两端元件的连通性，进而最终决定整个网络的连通性。开关 一1 5 华北电力大学丁程硕十学位论文 刀闸状态的变化可能引起电网开环或合环、解列或并列等，使电网运行方式发生变 化。 2