电力自动化常用理论

电力自动化基本理论华中科技大学电气与电子工程学院罗毅

思考1、如何选择监控变量？2、如何确定监控周期？3、如何实现信息采集？4、如何选择系统结构？5、如何提高系统可靠性？一、分层原理层：按纵向划分的结构上相对独立、功能上也相对独立的部分一个复杂系统按纵向可以划分成很多层：第N+1层第N层第N-1层分层原理要求：各层结构上相对独立、功能上也相对独立层与层之间的接口应该尽可能简单、接口信息量应该尽可能小下层为上层提供服务上层在下层的基础上实现更高级的功能分层原理层与模块：模块是同一层中（横向）结构和功能相对独立的部分每一层可以划分成多个模块模块划分原则：各模块结构上相对独立、功能上也相对独立；模块间的接口应该尽可能简单、接口信息量应该尽可能小分层原理电力系统为什么要采用分层监视与控制？复杂大系统有功功率和无功功率动态平衡

PG

PLD+PfQGQLD+Q

不可能在同一地点对电力系统进行监视控制，也不可能在同一时间对整个电力系统的自动化同时建设电力系统分层调度国家调度中心大区电网调度中心省调度中心地区调度所县级调度所超大型电厂大型电厂、核电厂中型电厂地方小电厂500kV变电站220kV变电站110kV变电站负荷中心电力系统信息的分层传输元件状态只传输给相关管辖的调度一个厂站的运行状态可能传送给多个调度，例如网架上的变电站，但是根据分层调度原则传送给多个调度的信息不应该相同不加选择地传输电力系统的信息只会造成信息风暴，加重调度主站处理信息的负担，可能干扰运行人员的正确判断，威胁电力系统的安全运行变电站自动化系统IEC标准模型表用变压器TC38开关柜变压器TC17、14表用变压器TC38开关柜变压器TC17、14设备控制表计TC57保护扰动记录TC59保护TC95IEC系列有关标准基本结构扰动功能环境条件TC57网络控制中心遥控技术服务Level2变电站层Level1间隔层Level0过程层614545732变电站自动化系统IEC标准模型的7个接口I1：保护设备与变电站当地主站接口I2：保护设备之间接口I3：保护设备与控制设备之间接口I4：表用变压器与保护、监控设备接口I5：断路器、变压器与保护、监控设备接口I6：监控设备与变电站当地主站接口I7：技术服务典型的分层变变电站自动化化系统OSI/RM物理层物理层数据链路层网络层运输层对话层表示层应用层数据链路层网络层运输层对话层表示层应用层主机A主机B二、分布式系系统分布式系统还还没有统一的的定义Enslow对分布式系统统的定义：分布式系统＝＝分布式硬件件＋分布式控制制＋分布式数据据Enslow的分布式系统统模型H5H4H3H2H1硬件分散C1C2C3C4C5C6控制分散D1D2D3D4D5D6数据分散分布式系统允允许区域硬件分散性H1：只有一个控控制单元的单单个CPUH2：有多个ALU的单个CPU，只有一个控控制单元H3：分开的专用用功能单元，，比如带一个个浮点协处理理器的CPUH4：带多个CPU的多处理机，，但只有一个个单独的I/O系统和一个全全局存贮器H5：带多个CPU的多计算机，，多个I/O系统和多个本本地存贮器控制分散性C1：单个固定控控制点。（可可能有多个CPU）C2：单个动态控控制点。控制制器在多个CPU间切换C3：固定的主/从结构C4：动态的主/从结构C5：使用同一控控制器副本的的多个同类控控制点C6：使用不同控控制器的多个个异类控制点点数据分散性D1：集中式数据据D2：含有单一集集中式目录并并且没有本地地目录的分布布式文件D3：每个站点都都有复制数据据D4：有一个主结结构的分区数数据库，主结结构保存所有有文件的一个个完全副本D5：有一个主结结构的分区数数据库，主结结构仅保存一一个完整的目目录D6：无主结构文文件或目录的的分区数据库库集中、分布、、分散？通俗地讲，如如果一个自动动化系统的部部件局限在一一个地方，它它就是集中的；如果其部件件在不同的地地方，它就是是分散的；当一个分散散式系统不存存在或仅存在在有限的协作作时，它是网络的；当一个分散散式系统存在在紧密协作时时，它是分布的分布式系统的的属性任意数目的进进程任意数目的自自治处理单元元通过消息传递递的通信进程协作通信延迟资源故障独立立故障化解网络与分布计算机网络不不一定是分布布式系统分布式系统可可以建立在计计算机网络上上三、PCM数字化方法四、采样定理理一个频带限制制在（0,fH）Hz内的时间连续续信号m(t)，如果以1/2fH秒的时间间隔隔对它进行等等间隔采样，则m(t)可被所得到的的采样值ms(t)完全确定，即即如果将ms(t)通过截止频率率为fH的低通滤波器器，低通滤波波器的输出就就是m(t)。采样定理更一般地，对对于带宽为B带通信号m(t)，其最高频率率为fH，一般fH不一定为B的整数倍，即即fH=nB+kB0<k<1式中n是小于fH/B的最大整数。。为使等间隔隔采样值ms(t)完全确定m(t)，最小采样频频率为fs=2B+2(fH-nB)/n=2B(1+k/n)采样定理应用用之一：确定定监视周期根据变电站运运行要求，可可以确定很多多被监视量。。但是，不同同的被监视量量有不同的变变化周期，即即使是同一被被监视量，在在不同的条件件下也会有不不同的变化周周期，有的变变化迅速，有有的变化缓慢慢。例如，如果被被监视量是稳稳态电流（有有效值），其其变化周期一一般是秒级的的；但是，如如果被监视量量是故障时暂暂态电流，其其变化周期将将是毫秒级的的；如果被监监视量是雷电电流，则其变变化周期是微微秒级。采样定理应用用之一：确定定监视周期监控终端监视视的量：稳态态量、暂态量量。稳态量的的变化缓慢，，暂态量变化化迅速监视周期：若若在监控系统统的输出设备备上观察到的的等间隔采样样值序列能够够在给定的误误差范围内确确定被监视量量，则该采样样值序列的最最大时间间隔隔称为被监视视量的监视周周期实时性：监视视周期的要求求采样定理应用用之二：时分分多路复用在不同的时间间片传输不同同信号的采样样值信号f1信号f2信号f1信号f2信道中采样定理应用用之三：E1信道话路E1复接PDHSDH“话路”的基本本概念PCM的概念是法国国工程师AlecReeres于1937年提出，它由由采样、量化化和编码三个个步骤组成。。模拟话音经防防混叠的低通通滤波器限带带（300-3400Hz），然后以8kHz频率将其采样样、量化和编编码成二进制制数码。对于于电话通道，，规定其采用用值编码为8位，共有256个量化级。这这样每个数字字话路的标准准速率为64kbit/s“话路”的基本本概念尽管现在通过过压缩编码，，可以使在可可接收的信噪噪比的前提下下一路电话信信号的通信速速率降低到16kbit/s、8kbit/s，但是人们仍仍然习惯上将将64kbit/s称为一个话路路带宽，简称称一个“话路路”。n个64kbit/s的话路可以合合并成一个更更大带宽的信信道，称为n×64kbit/s信道E1的基本概念采用与欧洲标标准相同的的PCM30/32路的帧结构（（称为E1基群）帧长度Ts＝1/8kHz=125s。一帧分为32个时隙，其中中30个时隙供30个用户（即30个话路）使用用，即TS1-TS15和TS17-TS32为用户时隙。。TS0是帧同步时隙隙，TS16是信令时隙E1遵守G.703（ITU-T的分层数字接接口标准之一一），参见见《电力遥视系统统的理论与实实践》PCM30/32系统位速率为为RBP＝fs×N×n=8000×8×32=2048kbit/s区别T1采用PCM24路的帧结构（（称为T1基群）位速率为RBP＝fs×N×n=8000×8×24=1544kbit/s我国采用E1而不采用T1采用数字复接接器技术，可可以把基群复复接成为二次次群，将二次次群复接成为为三次群，将将三次群复接接成为四次群群，将四次群群复接成为STM-1，(CCITT推荐)TDM制数字复接系系列地区单位基群二次群三次群四次群STM-1STM-4STM-16北美日本kbit/s1544631244736或32064274176或97723155.52Mbit/s622.08Mbit/s2488.32Mbit/s路数2496672或4804032或1440欧洲中国kbit/s2048844834368139264路数301204801920复接四次和四次以以下的高次群群，都是采用用准同步方式式进行复接的的，称为准同同步数字序列列（PDH）STM-1以上的高次群群，都是采用用同步方式进进行复接的，，称为同步数数字序列（SDH）电力系统中采采用的STM-1有PDH体系，也有SDH体系。相关技术参见见《电力遥视系统统的理论与实实践》一书五、有效信息息流数据是对客观物体体的直接描述述或测量信息则是错综复杂杂的耦合数据据之间的联系系知识表达了结构化化的信息之间间的综合关系系智能是获取知识和和使用知识的的能力测度信息流定义信息流S为一个按照时时间递增顺序序排列的无穷穷<信息，时间，，生存周期>序列：S={<s1，t1，T1>，<s2，t2，T2>，……，<si，ti，Ti>，……}其中si是时刻ti的信息序列元元素Ti是si的生存周期即信息si产生于ti时刻，其生存存时间为[ti，ti+Ti]。信息流的处理理信息流的有效效性生存周期满足足采样定理要要求同一信息流对对一个业务功功能是有效的的，但是对另另一个业务功功能可能是无无效的例如，同样是是一台换流变变压器故障跳跳闸信息，不不同的用户关关注其不同的的侧面，运行行人员关注是是否是永久性性故障引起的的跳闸、跳闸闸对直流输送送功率的影响响、对直流系系统运行方式式的影响等；；检修人员关关心引起跳闸闸故障的原因因和部位确定被监视量量：有效信息息流早期方法：根根据状态可观观测性确定＋＋经验正在过渡：确定有效信息息流确定被监控控量信息流的特征征：QOS要求（特别是是时效性）、、异步性、不不确定性确定被监视量量：有效信息息流有效信息流：：满足生产需需求的信息流流。例：绘出所有有效效信息流后就就可以确定被被监视量六、滑动时变变监控窗口滑动时变监控控窗口WSCADA[t-T：t]是一种离散滑滑动时间窗口口，完成一次次监控过程所所需的监控信信息来自窗口口WSCADA[t-T：t]所对应应的信信息流流；在在进行行下一一次监监控过过程时时，时时间窗窗口向向后滑滑动T，即时时间窗窗为WSCADA[t＋T-T：t＋T]。关于T和T存在非非常复复杂的的技术术问题题监控窗窗口的的设置置满足足采样样定理理、有有效信信息流流要求求滑动时时变监监控窗窗口七、冗冗余容容错技技术容错就就是容容忍错错误，，是指指系统统（或或设备备）的的一个个或多多个关关键部部件发发生故故障时时，能能够自自动地地进行行检测测、诊诊断，，并采采取相相应的的措施施，保保证系系统（（或设设备））维持持其规规定功功能，，或用用牺牲牲性能能来保保证系系统（（或设设备））在可可接受受范围围内继继续工工作容错通通常采采用冗冗余的的方法法来实实现。。即通通过冗冗余配配置硬硬件、、软件件、时时间、、信息息等来来实现现容错错，故故称为为冗余余容错错，冗冗余容容错方方式相相应地地也称称为硬件冗冗余容容错、软件件冗余余容错错、时时间冗冗余容容错、、信息冗冗余容容错等冗余容容错技技术由于采采用冗冗余技技术，，必然然增加加设计计、制制造困困难和和提高高初始始成本本。但但应该该看到到，由由于停停机