现代电力系统调自动化

现代电力系统调自动化第1页/共200页

期末测试题电力系统运行状态一般分为哪几种？各种状态下应分别采用哪些安全控制措施？等值网络法的核心思想是什么？如何求取等值网络？等值网络法和直流潮流法、P-Q分解法都用于电力系统安全分析，它们各有什么侧重点？根据你的理解，构想一个电力系统调度自动化系统的基本框架，并简述其功能。P135例5.1中，当总负荷为650MW时，试确定发电厂间功率的经济分配（不考虑线损）。第2页/共200页

期末测试题电力系统运行状态一般分为哪几种？各种状态下应分别采用哪些安全控制措施？等值网络法的核心思想是什么？如何求取等值网络？等值网络法和直流潮流法、P-Q分解法都用于电力系统安全分析，它们各有什么侧重点？根据你的理解，构想一个电力系统调度自动化系统的基本框架，并简述其功能。P135例5.1中，当总负荷为650MW时，试确定发电厂间功率的经济分配（不考虑线损）。第3页/共200页

为了保证电力系统运行的安全性、可靠性，保证供电质量，提高电力系统运行的经济性，必须及时正确获得电力系统的实时信息，完整掌握电力系统的实时运行状态，部分或完全地实现调度自动化。经验型调度→分析型调度本课程主要介绍电力系统调度自动化系统的基本要求和构成，以及其基本理论和方法。第4页/共200页第1章绪论1.1电力系统的运行状态和调度控制的基本内容

为了调度控制电力系统，需要对电力系统的运行状态进行分类，并了解在不同运行状态下应如何对电力系统实行控制。

1.1.1电力系统的运行状态等式约束条件：第5页/共200页不等式约束条件第6页/共200页电力系统的运行状态(1)正常运行状态

(4)系统崩溃状态(2)警戒状态(5)恢复状态(3)紧急状态第7页/共200页图1.1电力系统运行状态示意图第8页/共200页

电力系统运行的不同状态下应注意什么问题？（多目标优化）电力系统分层调度有什么优点？第9页/共200页图1.2电力系统故障后系统崩溃过程的例子第10页/共200页

1.1.2电力系统调度控制的基本内容

调度控制的目标：1、满足用户供电需要，包括供电的数量和质量（电压和频率）；2、系统安全性，保证连续的系统功能；3、最小成本（发电和输电）4、环境保护（对环境和生态的影响最小）5、节约燃料和其它资源。

电力系统调度控制是一个随电力系统状态变化的多目标优化问题。第11页/共200页

电力系统调度控制是在电力系统的不同状态下为达到相应的运行目标而进行的工作，基本内容分为三方面：

1、短期运行计划

2、瞬时运行

3、运行报表及事故处理第12页/共200页

1.2电力系统监控及调度自动化系统的发展为了合理监控和协调日益扩大的电力系统的运行方式和处理影响整个系统正常运行的事故和异常情况,人们在形成电力系统的最早阶段，就注意到电力系统的远程监控问题，并提出必须设立电力系统的调度控制中心。能量管理系统EMS:SCADA系统（监视控制和数据收集系统）

AGC(自动发电控制)

网络分析第13页/共200页

1.3电力系统调度自动化系统的基本结构

1.3.1电力系统的分层调度从理论上讲，可以对电力系统实行集中调度控制，也可以实行分层调度控制。分层分级调度控制的优点：1)便于协调调度控制2)便于提高系统运行的可靠性3)提高实时响应的速度4)灵活性增强5)提高投资效率第14页/共200页1.3.2调度自动化系统的基本结构(1)信息收集和执行子系统(2)信息传输子系统(3)信息处理子系统(4)人机联系子系统第15页/共200页图1.3电力系统调度控制自动化系统的基本结构第16页/共200页

信息处理子系统完成的基本功能：

1)实时信息处理

2)离线分析

3)电能质量的分析计算

4)经济调度计算

5)运行状态安全性的分析和校正第17页/共200页第2章电力系统调度控制自动化系统2.1电力系统的信息收集和执行系统

在一个现代化的电力系统中，为了能正确和及时地掌握每时每刻都在变化着的电力系统运行情况，控制和协调电力系统的运行方式，处理影响整个电力系统正常运行的事故和异常情况，保证电力系统的安全和经济运行，必须具备一个完善的电力系统信息收集和执行系统，将分散在几十公里、几百公里以至上千公里以外的各发电厂和变电所的大量表征电力系统运行状态的信息，迅速、正确、可靠地送到调度控制中心，同时将控制中心的控制和调节命令传送到各发电厂和变电所，实现对电力系统的自动监视和控制。第18页/共200页2.1.1电力系统实时信息的种类和采集方法电力系统调度需要采集的信息有：1)远程测量信息

(遥测Telemetering)2)远程信号信息

(遥信Teleindication，Telesignal)第19页/共200页第20页/共200页图2.1遥测、遥信原理图第21页/共200页电力系统运行中主要的控制和调节信息有：1)远程切换

(遥控，Teleswitching)信息2)远程整定

(遥调，Teleadjusting)信息第22页/共200页第23页/共200页图2.2遥调、遥控原理图第24页/共200页

2.1.2电力系统远动装置的配置与功能(1)电力系统远动简介

1)硬件远动装置的构成及工作原理

2)微机远动的构成

3)远动信息的传输方式第25页/共200页

图2.3微机运动原理框图第26页/共200页(2)远动装置的配置及其功能

1)远动主控机(调度端机)2)远动终端机(厂站端机)3)远动转发机①梯级水电厂②火电厂群③枢纽变电站各厂、站与调度所间的信息交换,要由远动装置通过各种信道(或信息传输媒介)组成的信息传输系统来完成。第27页/共200页图2.4梯级水电厂调度所远动转发机配置示意图第28页/共200页图2.5枢纽变电站TFS配置示意图第29页/共200页2.2电力系统的信息传输系统2.2.1信息传输系统的主要质量标准

(1)可用率(可靠性)(2)误码率(准确性)(3)传输速度(实时性)第30页/共200页

2.2.2实时信息的编码

电力系统采集到的量测信息，通常都经变送器变换成了标准直流电压信号。通过采样开关对各收集到的量测量和信号按规定的次序逐个采样。第31页/共200页(1)实时信息抗干扰编码(2)信息的表达形式和信息传输的同步有两种不同的同步方式：

1)非同步方式

2)同步方式第32页/共200页图2.6传输信息的例子（a）非同步方式（b）同步方式第33页/共200页

2.2.3调制和解调

1)振幅调制

2)频率调制

3)相位调制第34页/共200页图2.7调制方式第35页/共200页

2.2.4远动信息传输通道(1)信道媒介目前电力系统调度自动化系统使用的信道媒介有以下几种：

1)远动与载波电话复用电力载波信道(载波)2)无线信道(微波)3)光纤通信

4)架空明线或电缆传输远动信息第36页/共200页图2.8远动与载波电话复用电力载波的信息传输系统图第37页/共200页图2.9微波信息传输系统的构成示意图第38页/共200页图2.10光纤通信系统的基本构成示意图第39页/共200页图2.11对光源调制的示意图第40页/共200页第41页/共200页(2)信道的工作方式

单工、半双工、双工第42页/共200页图2.12信道工作方式（a)单工(b)半双工(c)双工第43页/共200页(3)信息传输网络的基本类型远动通信网络有如图2.13所示的以下几种基本类型：

1)点对点配置

2)多路点对点配置

3)多点星形配置

4)多点共线配置

5)多点环形配置第44页/共200页第45页/共200页

(4)通信规约

1)CDT方式通信规约

2)Polling方式通信规约第46页/共200页第47页/共200页2.3电力系统的信息处理系统现代电力系统往往跨几个省、市，具有成百上千个发电厂和负荷点，为了实现自动监视和控制功能需进行大量的数据处理，要作复杂的电力系统运行状态分析计算和逻辑判断，然后将结果提供给运行人员作最后的决策，并对操作控制做出反应。第48页/共200页

2.3.1设计调度自动化计算机系统应考虑的原则

1)可靠性

2)可用性

3)可维护性

4)可扩充性

5)高速性第49页/共200页第50页/共200页2.3.2实时调度计算机系统的硬件配置根据需要调度控制的对象及控制功能的要求不同，实时调度计算机系统的硬件配置也不同。一般有下列几种配置形式：

1)无备用的单机系统

2)双(多)重化系统

3)分布式系统第51页/共200页图2.18单机系统的不同设计方法第52页/共200页图2.19典型的调度计算机双机系统第53页/共200页图2.20分布式系统配置第54页/共200页

2.3.3调度计算机系统的基本硬件配置1)中央处理器：中央处理器CPU是计算机的控制中心。2)内存：微机内存基本配置现已达128MB，还可扩充到256MB以上；中、小型机内存可达几百MB。3)外存：外存主要用于存储操作系统、应用程序、历史文件、数据库等。4)输入/输出(I/O)设备：包括CRT、键盘、打印机、大屏幕显示器、大屏幕投影仪、绘图仪、音响设备及各模拟量、数字量和开关量等的输入输出装置、计算机间接口、主机与通讯网接口、计算机与远动接口等。第55页/共200页2.3.4调度计算机系统的基本软件

实时调度计算机系统的软件有以下特点:

1)软件系统庞大复杂，执行速度要求很高。

2)一般采用分时操作系统,例如VMS各任务有自己的优先级，分时地被执行。

3)有很强的人机联系能力。

4)控制功能可以不断改进和增加，可修改原有程序或增加新程序而不影响其他程序。第56页/共200页软件分三类：

(1)系统软件

(2)支撑软件

(3)应用软件按计算用输入数据的性质及计算结果的适应性,应用程序可分为三类：

1)动态程序

2)准动态程序

3)静态程序第57页/共200页(4)电力系统高级管理与分析软件主要有以下几种：1)管理信息系统(MIS—ManagementInformationSystem)2)能量管理系统(EMS—EnergyManagementSystem)3)调度员培训仿真系统(DTS—DispatcherTrainingSimulator)第58页/共200页2.4人机联系系统电力系统采用调度自动化系统后，要求调度人员利用这一系统全面、深入和及时地掌握电力系统的运行状况，做出正确的决策和发出各种控制命令，以保证电力系统的安全和经济运行。第59页/共200页

2.4.1调度员控制台

调度员控制台是调度人员对电力系统进行监视和控制的交互型人机联系设备。(1)屏幕显示器(2)操作键盘(3)屏幕游标定位部件(4)音响报警装置(5)语音输入输出装置第60页/共200页2.4.2调度员工作站2.4.3模拟屏2.4.4记录设备

1)趋势记录仪

2)绘图仪

3)画面拷贝机第61页/共200页2.5

SCADA系统2.5.1SCADA系统的基本功能(1)数据采集(2)数据预处理

1)测量合理性校验

2)遥测值变化率合理性校验

3)测值的平滑滤波

4)开关变位可信性校验第62页/共200页(3)信息显示和报警对电力系统监视的内容一般有：①电能质量监视②安全限制监视③开关状态监视④停电监视⑤计划执行情况监视⑥设备状态监视⑦保护和自动装置监视第63页/共200页图2.21CRT显示的系统接线图第64页/共200页(4)调度员遥控摇调操作(5)信息统计、储存和打印(6)事故追忆和事故顺序记录(7)调度控制系统的状态监视和控制第65页/共200页

2.5.2SCADA系统的运行原理

(1)查询问答方式

(2)数据输入

(3)控制输出

(4)数据库

(5)人机接口

(6)外部接口第66页/共200页图2.22当前电力系统的数据采集与通讯的工作模式第67页/共200页

电力系统调度自动化系统应包含哪些部分？具体含义是什么？谈一下你对微机远动系统的认识？第68页/共200页第3章电力系统状态估计3.1概述在电力系统信息的收集和传输过程中，由于测量装置、各种变换设备和传送设备的误差，或故障失灵，以及在传送过程中的各种外界干扰，使未经处理的原始数据具有不同程度的误差和不可靠性。第69页/共200页状态估计一般可分为如下四个步骤：

1)假设数学模型

2)状态向量的估计计算

3)检测

4)识别第70页/共200页图3.1状态估计的步骤第71页/共200页

3.2电力系统运行状态的表征与可观察性3.3最小二乘估计3.4静态最小二乘估计的改进3.5支路潮流状态估计法3.6电力系统的递推状态估计3.7不良数据的检测3.8不良数据的残差搜索辨识法3.9不良数据的估计辨识法3.10电力系统网络拓扑的实时分析3.11网络结构辨识的基本概念第72页/共200页

3.2电力系统运行状态的表征与可观察性

电力系统的运行状态可以用节点电压模值、电压相角、线路有功与无功潮流、节点有功与无功注入等物理量来表示。第73页/共200页第74页/共200页第75页/共200页图3.2π形线路元件模型图第76页/共200页

用测量量来估计系统状态存在若干不正确或不准确的因素，概括有以下内容：

1)数学模型不完善

2)测量系统的系统误差

3)随机误差第77页/共200页

第78页/共200页3.3最小二乘估计前面已经提及，所谓静态估计就是用一定的统计学准则，通过测量向量z求出状态向量x,且使之尽量接近其真值x。第79页/共200页第80页/共200页第81页/共200页第82页/共200页

图3.3加权最小二乘估计框图第83页/共200页图3.4节点注入对H阵影响示意图第84页/共200页图3.5信息矩阵的结构示意图第85页/共200页

3.4静态最小二乘估计的改进

3.4.1快速解耦状态估计第86页/共200页第87页/共200页3.4.2

正交变换法第88页/共200页第89页/共200页图3.8s1、s2向量及其正交向量s3示意图第90页/共200页图3.9含误差时向量s1、s2的交叉图第91页/共200页3.5支路潮流状态估计法由J.F.Dopazo等人提出的支路潮流状态估计法，是早期应用于美国AEP电力公司的一种较为成功的算法。第92页/共200页图3.10输电线与变压器等值电路第93页/共200页第94页/共200页第95页/共200页3.6电力系统的递推状态估计前面几节讨论的是属于静态估计的方法。第96页/共200页第97页/共200页第98页/共200页3.7不良数据的检测电力系统的测量信息如果误差不大，测量系统的配置恰当，则用以上所介绍的状态估计方法可以得到满意的实时数据库。3.7.1J(x)检测法3.7.2加权残差检测法3.7.3标准化残差检测法第99页/共200页第100页/共200页第101页/共200页第102页/共200页第103页/共200页3.8不良数据的残差搜索辨识法通常对不良数据辨识的基本思路是：在检测出不良数据后，应进一步设法找出这个不良数据并在测量向量中将其排除，然后重新进行状态估计。1)加权残差搜索法。2)标准化残差搜索法。第104页/共200页图3.13残差搜索辨识法程序流程框图第105页/共200页3.9不良数据的估计辨识法不良数据的估计辨识是我国发展起来的一种新方法，这种方法具有较好的辨识多个不良数据的功能，实时性也较好，因此近年来已得到了进一步的发展。第106页/共200页第107页/共200页

3.10电力系统网络拓扑的实时分析

电力系统运行的在线分析计算中许多程序都是以节点导纳矩阵为基础的。节点导纳矩阵随网络的结线而变化。

第108页/共200页3.10.1厂站的结线分析图3.14厂站接线图与相应的网络图第109页/共200页

3.10.2

网络接线分析第110页/共200页3.11网络结构辨识的基本概念进行网络结构分析需将网络图用数学方式来描写，通常用各种矩阵来表示。

1)邻接矩阵

2)关联矩阵

3)关联矩阵第111页/共200页第112页/共200页第113页/共200页

电力系统调度自动化系统应包含哪些部分？具体含义是什么？谈一下你对微机远动系统的认识？简述SCADA系统的基本功能及其运行原理。第114页/共200页

什么是电力系统状态估计？为什么要进行电力系统状态估计电力系统状态估计分为哪几个步骤？不良数据的检测和辨识主要有有哪些方法？第115页/共200页第4章电力系统的安全分析和控制4.1概述在电力系统中任一地点发生故障，均将在不同程度上影响整个电力系统的正常运行。第116页/共200页

1)电力系统规划设计方面的因素2)电力系统设备元件上的问题3)继电保护方面的问题4)电力系统运行的通讯和信息收集系统5)运行人员的作用6)运行计划管理上的问题第117页/共200页第118页/共200页第119页/共200页4.2电力系统运行状态的安全分析电力系统事故的发生可能是突然的(如雷击)，也可能是较缓慢的。为了使电力系统的运行置于自动装置的控制下，应尽可能对系统运行状态的发展作出合理的预测。第120页/共200页

4.2.1安全分析的功能及内容

(1)故障定义

(2)故障筛选

(3)故障分析

图4.1安全分析程序总框图第121页/共200页4.2.2

电力系统静态安全分析(1)静态安全分析的内容

1)计算电力系统中由于有功不平衡而引起的频率变化第122页/共200页

第123页/共200页2)校核在断开线路或发电机时电力系统元件是否过负荷、母线电压是否越限第124页/共200页(2)直流潮流法1)直流潮流法的原理图4.2直流潮流等值电路(a)交流等值电路(b)直流等值电路第125页/共200页图4.3直流潮流法网络图第126页/共200页2)断开一条支路后的安全分析第127页/共200页第128页/共200页(3)P-Q分解法

1)P-Q分解法潮流计算第129页/共200页第130页/共200页2)P-Q分解法安全分析第131页/共200页(4)等值网络法第132页/共200页图4.5外部系统等值网络第133页/共200页

电网运行以什么为主要目标？图4.5等值发电机和等值负荷如何求得？校正电源有何作用？等值网络法与直流潮流法、P-Q分解法各有什么用途？为什么要求取等值网络？静态安全分析和动态安全分析各研究什么内容？第134页/共200页

4.2.3电力系统动态安全分析动态安全分析是分析电力系统出现预想故障时是否会失去稳定。第135页/共200页(1)李雅普诺夫方法(2)模式识别法模式识别的具体工作大致可以分为以下几个步骤：①确立样本②求取特征量③确定判别式④样本集测试第136页/共200页图4.6电力系统及其特征量平面示意图第137页/共200页4.3电力系统安全控制对策对预想事故进行安全评定时，当发现系统处于正常不安全状态，就须要采取控制措施使系统恢复到正常安全状态，这称为安全性提高，也称为安全性控制。

4.3.1灵敏度矩阵第138页/共200页4.3.2校正控制的数学模型

(1)有功过负荷的调整

(2)过电流的调整

(3)节点过电压的调整第139页/共200页第140页/共200页4.3.3

控制变量变化量Δu的求解4.3.4线性规划的数学模型第141页/共200页4.3.5电力系统安全控制对策

(1)电力系统有功安全校正对策分析第142页/共200页(2)电力系统无功安全校正对策分析第143页/共200页4.3.6

电力系统最优潮流简介第144页/共200页1)全系统发电燃料总耗量(或总费用)2)有功网损第145页/共200页第146页/共200页

4.4电力系统的安全控制

4.4.1电力系统正常运行状态的安全控制电力系统正常运行时的控制分为常规调度控制和安全控制。第147页/共200页4.4.2电力系统紧急状态的安全控制电力系统紧急状态是电力系统受到大干扰后出现的异常运行状态。

(1)电力系统频率的紧急控制图4.9频率变化曲线第148页/共200页图4.8电力系统紧急状态自动控制示意图第149页/共200页(2)电力系统电压的紧急控制(3)线路或变压器断开和过负荷(4)稳定控制

1)切除部分机组图4.10双回线联接的系统示意图第150页/共200页图4.11快速切除机组示意图第151页/共200页图4.12联跳切机时等效发电机的功能特性曲线第152页/共200页2)电气制动图4.13电气制动示意图第153页/共200页图4.14电气制动的作用第154页/共200页3)快速关闭汽门4)自动重合闸5)采用快速励磁系统6)汽轮机的旁路阀门控制7)串联电容器的切换8)调节直流输电的功率9)切除部分负荷10)再同步控制11)解列第155页/共200页4.4.3电力系统恢复状态的安全控制

通过紧急状态的安全控制，事故已被抑制，系统已稳定下来，这时电力系统处于恢复状态。但是，系统中的很多元件(发电机、线路和负荷)被断开。第156页/共200页

恢复状态控制应包括以下几个方面:

1)确定系统的实时状态

2)维持现有系统的正常运行

3)恢复因事故被断开的设备的运行

4)重新并列被解列的系统第157页/共200页第158页/共200页第159页/共200页图4.15恢复状态控制流程图示例第160页/共200页

电力系统安全控制包含哪几方面的内容？电力系统频率的紧急控制应采取哪些措施？举例说明电力系统发生故障时为什么会出现振荡？紧急状态下常用的稳定控制措施有哪些？举例说明电气制动的原理。举例说明什么是就地联跳切机和远方切机。第161页/共200页第5章电力系统经济运行和电能质量的控制5.1

电力系统自动调频的任务及调整准则这一节将着重从电力系统调度和运行的角度来讨论电力系统调频的任务及调整准则。第162页/共200页第163页/共200页图5.1电力系统负荷变化第164页/共200页图5.2电力系统负荷综合的频率静态特性第165页/共200页图5.3联合系统第166页/共200页5.2

电力系统的自动调频方法和自动发电控制对于现代电力系统仅靠手动调频是很难维持电力系统的频率在允许范围内的。5.2.1电力系统自动调频的方法(1)积差调节法的原理第167页/共200页图5.4积差调频过程第168页/共200页

说明积差调频法的原理。什么是电力系统经济运行？在例5.1题目中，当总负荷为600MW和450MW时，试分别确定发电厂间功率的经济分配（不考虑线损）。第169页/共200页第170页/共200页5.2.2

自动发电控制(1)自动发电控(2)AGC的控制方式第171页/共200页(3)AGC对机组的功率分配(4)AGC的实现第172页/共200页图5.5自动发电控制总体结构示意图第173页/共200页5.3电力系统的经济运行电力系统经济运行的目的是在给定的系统运行方式下，以保证整个系统安全可靠和电能质量符合标准为前提，在系统中并列运行的机组间合理地分配出力，使全电力系统达到最大的经济性(如发电成本为最小)。5.3.1火电厂间有功功率的经济分配在电力系统中，当机组的总容量大于负荷功率时，应如何分配各机组的出力，使在满足一定的约束条件下(如每台机组的极限功率)发电成本为最小。第174页/共200页第175页/共200页5.3.2水、火电厂间有功功率负荷的经济分配第176页/共200页第177页/共200页5.4电力系统无功功率及电压的控制压值也是供电质量的重要指标之一。电压及无功功率的自动调节，应当完成的任务是：1)根据供电的要求，保证用户的供电电压在允许范围之内；第178页/共200页2)有效地利用无功电源及调压措施，使无功功率尽可能就地平衡，合理分配，以减少因远距离输送无功功率而引起的线路损耗(某些情况下，远距离输送无功功率，甚至在技术上是不能实现的)；3)根据电力系统远距离输电稳定性的要求，应保持枢纽点电压在规定水平。图5.6输电系统图第179页/共200页第180页/共200页第181页/共200页1)电力系统内各重要枢纽点的电压在预先给定的容许变化范围之内，即2)在被控制的电力系统内使线损达到最小,即3)可用的电压一无功功率调节设备的状态在运行的许可范围之内，即第182页/共200页第183页/共200页第6章能量管理系统简介6.1

概述SCADA系统为及时准确地获取电力系统的实时信息并对电力系统运行状态进行实时监控提供了可能。6.1.1EMS的技术发展6.2EMS的设计、开发与应用第184页/共200页图6.1能量管理系统与配电管理系统第185页/共200页图6