《数字化电力系统》学习指导

《数字化电力系统》课程学习指导资料

第一部分课程学习目的及总体要求

一、课程的学习目的

《数字化电力系统》是一门理论与实践并重的课程。它是电力系统自动化、计算机技术、

通信技术等多门学科发展的产物，因此，学习《数字化可力系统》课程，对学生了解和关注

这些学科的基本处理方法和最新研究动态，具有非常重要的指导意义。学生在本课程的学习

过程中，首先会接触到很多与电力系统自动化、面向对象程序设计和标准建模语言UML的术

语和基本处理方法，在此基础上再进行最新前沿技术的7解，并能最终以此指导自己进行数

字化电力系统的相关应用。学生通过本课程的学习，能够对本专业中很多相关技术的基本处

理方法、发展动态进行很好的掌握和了解，并能指导他们结合自己的兴趣爱好进行今后学习、

研究方向的选择。

二、课程的总体要求

面向对象的电力系统自动化技术是一个与实践和应用结合非常紧密的学科，其中使用和

关注的很多技术都是具有前沿水平的，因此从理解到掌握都会具有一定难度，需要学生们认

真学习和多上网杳阅资料加以理解，并会安排一定数量的练习题来配合学习。面向对象的电

力系统自动化课程内容包括：数字化电力系统及电力系统自动化的概述、电力系统自动化内

容及功能；电力系统面向对象信息建模；电网调度自动化系统；变电站自动化系统：配电自

动化系统；电力系统信息集成等。

第二部分课程学习的基本要求及重点难点内容分析

第一章绪论

电力系统的安全运行是国民经济发展的基础，随着目力系统和用电需求的迅速发展和扩

大，对电力系统自动化功能和性能的要求越来越高。面向对象技术的发展使得可以从本质上

全面完整地建立电力系统信息模型，以满足电力系统的整体应用，并可以针对新的应月需求

不断扩展，实现不同电力自动化监控和信息化应用系统信息集成。目前的电力系统正朝着高

度自动化、智能化、集成化和网络化的数字化电力系统方向迅速发展。本章主要介绍了电力

系统自动化的地位、作用以及组成和内容，使学生对本课程情况有•个基本了解。

1、本章学习要求

(I)应熟悉的内容

电力系统自动化以及数字化电力系统的基本概念，电力系统自动化的地位和作用。

(2)应掌握的内容

深刻理解有关电力系统自动化的基本概念：大停电、现代电力系统自动化、数字化电力

系统等；熟练掌握电力系统各运行状态和系统自动化内容及其功能。

2、本章重点难点分析

(1)重点

本章主要介绍了电力系统自动化的基本概念，包括大停电，现代电力系统自动化和数字

化电力系统，电力系统自动化安全运行的重要意义和电力系统自动化内容及其功能等，对于

学习整个课程是非常重要的。

(2)难点

本章的难点就在于准确理解电力系统运行各状态及其转化以及能用电力系统自动化的总

体结构分析电力系统中各个不同部分的作用和地位。

通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。

(1)用自己的话总结电力系统安全运行的重要意义？

(2)列出电力系统运行中的各种状态并绘出状态转化图。

(3)现代电力系统有哪几个环节？其中输电、变电和配电环节的自动化系统有哪些功能？

第二章电力系统面向对象信息建模

针对电力系统物理特性的数学描述建立电力系统数学模型，是对电力系统进行分析的基

础。同样对于电力系统监控也需要从电力系统现实模型进行抽象，建立系统的信息模型。本

章主要介绍了电力系统的客观世界现实模型向计算机世界的信息模型转换和抽象的过程，电

力系统面向对象信息建模是对电力系统自动化系统进行设计和规划的基础以及电力系统的公

共信息模型CIMo

1、本章学习要求

（I）应熟悉的内容

要求了解公共信息模型，面向对象的分析与设计和标准语言UML,理解领域模型、用例

模型和设计模型的概念，面向对象的分析与可视化，UML模型图。能理解电网现实模型与信

息模型、电网监控模型以及公共信息模型CIM及相关类图.

（2）应掌握的内容

学会用面向对象技术的知识分析与电力系统相关的问题。深刻理解领域模型、用例模型

和设计模型及面向对象分析可视化分析电力系统物理模型的基本技术，掌握CIM总体结构及

各包的作用。

2、本章重点难点分析

（1）重点

本章是本课程重点章节之一。主要介绍电力系统面向对象建模的若干问题，包括：面向

对象技术、电网现实模型与信息模型以及公共信息模型CIM等问题。对于其中的面向对象分

析技术、现实模型抽象为信息模型以及公共信息模型CIM,需要熟练掌握建模原理和方法。

（2）难点

利用面向对象技术分析知识，将电力系统现实模型抽象为信息模型，需要特别通过例题

加以理解。

通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。

（1）什么是面向对象技术和公共信息模型？

（2）简述领域模型、用例模型和设计模型及各自的异同，

（3）求出图2-6变压器物理模型的抽象模型与CIM模型。

(4)什么是概念类、软件类和实现类。

3、本章典型例题分析

例题1已知变压器的物理模型为(书中图2-6)：

第一步：对变压器物理模型进行抽象(抓住事物本质)描述。

电力变压器(Transformer)是电力系统(PowerSystem)中的一种设备，它具有(Has)绕组

(TransformerWinding),绕组(TransformerWinding)具有(Has)分接头(Tap(：hanger),绕组

(TransfonnerWinding)还需要进行(Test)绕组测试(WindingTest)”。

第二步：依据第一步抽象描述，画出变乐器的抽象模型(如卜图)。

PowerSystem

A

第三步：运用面向对象的技术来分析。

1)电力变压器为电力系统设备(Equipment)的一个组成部分，而电力系统设备又统称为电

力系统资源。根据面向对象技术泛化关系，电力变压器(Powebransforrher)是Equipmen:的特

殊子类，电力系统设备本身又是电力系统资源(PowerSystemResource)的特殊子类；

2)同样，分接头(Tapchangcr)也是电力系统资源的一个特殊子类，绕组本身具有导电的

特性，可以看成是导电设备(ConductingEquipment)的特殊子类。

3)电力系统资源的属性和角色都可被它的子类继承，依据标准建模语言，在图中它用一

个箭头从特殊类指向普遍类，允许PowerTransformer类从Equipment和PowerSystemResource

继承属性。

同时，模型中使用聚集类型的关系，使用菱形符号从部分类指向整体类。一个

PowerTansformer可以有(或包含)一个或多个TransformerWinding,但是一个

TransfonncrWinding仅属于一个PowefTransfoirncr(或是PowerTransformcr的一个成员)。

变压器模型的建立用了关联关系，一个Transformerwinding对象可以对0、1或多个WindingTest

对象测试(TestedFrom)。

通过面向对象的分析，建立电力变压器的相关电力系统CIM模型如下图所示。

说明：对于电力系统进行信息建模，除了需要描述电力设备本身的特性外，还需要描述

电力设备之间的连接关系。

第三章电网调度自动化系统

本章在电网监控信息模型的基础上，研究了调度自动化系统的领域模型、SCADA系统功

能及调度自动化主站系统体系结构及相关子系统的技术实现。

1、本章学习要求

（1）应熟悉的内容

国家电网调度体系和SCADA系统功能。

（2）应掌握的内容

电网调度自动化的领域模型、用例分析模型和实现机制。运用模型去分析电网调度自动

化的相关技术和SCADA的设计步骤。

2、本章重点难点分析

（1）重点

本章是本课程重点章节之一。主要介绍了电网调度自动化系统的领域模型、用例模型、

实现机制以及系统的软件、硬件组成等问题。重点掌握利用面向对象分析思想去分析电网调

度自动化系统及其子系统。

（2）难点

通过用例图、顺序图、活动图以及配置图等面向对象的分析方法对SCADA系统功能及其

相关子系统如：支撑平台、前置机系统、数据库系统、SCADA处理系统和主站系统维护的相

关技术的功能分析与实现技术进行了分析。本章介绍的SCADA处理技术也是后面几章的技术

基础。

（1）远动终端与调度中心远距离传输的“四遥”功能（遥测、遥信、遥控和遥调）

（2）使用用例模型去分析SCADA及其各项模块功能一一数据处理、数据采集、控制与调节

和人一机联系。

（3）电网调度自动化的实现机制，SCADA数据处理系统中SCADA数据更新顺序。

（4）数据库存储机制和数据库访问以及支撑平台。

3、本章典型例题分析

例题1：经模/数转换器的转换精度12位，双极性输出，被测电流的满量程为1500A和

150A时，求标度变换系数K。

解：双极性输出模/数变换后，当被测值与满量程相等时，转换结果为11位全1码，满量程

结果为11111111111B=2047o

被测电流的满量程为1500A时

K=S/D=1500/2047=0.732779677=0.101110111001011B

被测电流的满最程为150A时，

K=S/D=150/2047=0.0732779677=0.00()10()1011OB

为保证有效位数，标度变换系数放大10倍飞

例题2：在例1基础上，今测得模/数值为06F6H,被测电流的满量程为1500A和150A

时，分别计算其对应的被测电流值。

解：首先将所测值转换为十进制值

06F6H->00110111IO11OB->1782D

满量程为1500A时，被测电流值二1782K=1782X0.732779677F305.8132(A)

满晟程为150A时，被测电流值=1782K=1782X0.0732779677F30.58132(A)

例题3：电网调度自动化SCADA系统内部需要建立电力系统模型对电力系统的物理特性

进行描述和建模，SCADA系统的功能模块为：报警系统、人一机接口(调度员界面)、数据

采集、处理、控制与调节等。

针对上述SCADA功能描述，建立SCADA用例模型。

解：第一步：确定角色(执行者)

所谓的角色是指所有存在于系统外部并与系统进行交互的人或其他系统。通俗地讲，角

色就是我们所要定义系统的使用者。寻找参与者可以从以下问题入手：

有哪些人会使用这个系统？

系统需要从哪些人或其它系统中获得数据？

系统会为哪些人或其它系统提供数据？

系统会与哪些其它系统相关联？

系统是由哪些人来维护和管理的？

而这里的“系统”便是SCADA,而“人”或“其它系统”即为角色。分析SCADA系统,

则“调度员”会使用该系统，该系统实现数据采集、数据处理功能需要“遥测接口”提供数

据，而该系统要实现调节与控制功能，则将向“遥控接口”提供数据。因而“调度员”、“遥

测接口”和“遥控接口”是SCADA系统的角色。当然，角色是由系统的边界所决定的，这

里我们所要定义的系统边界仅限于SCADA系统本身。

第二步：确定用例

找到角色之后，我们就可以根据角色来确定系统的用例，主要是看各角色需要系统提供

什么样的服务，或者说角色是如何使用系统的。寻找用例可以从以下问题入手(针对每一个

角色)：

角色为什么要使用该系统？

角色是否会在系统中创建、修改、删除、访问、存储数据？如果是的话，角色又是如何

来完成这些操作的？

角色是否会将外部的某些事件通知给该系统？

系统是否会将内部的某些事件通知该角色？

SCADA要实现显示告警功能，需要使用“人机交互服务”，同时SCADA需要向遥控接

口发送“控制与调节”事件，角色是通过“数据采集服务”和“数据处理服务”而实现SCADA

数据处理和采集功能。因此，“控制与调节”、“数据采集服务”和“数据处理服务”是SCADA

用例，

第三步：确定用例、角色之间的关系

在一般的用例图中，只表述角色和用例之间的关系，即它们之间的通讯关联。除此之外,

还需要描述角色与角色之间的泛化(generalization)用例和用例之间的包含(include)、扩展

(extend)和泛化(generalization)关系。

第四步：给出用例模型

图3-3SCADA用例模型

需要说明的是：存在特殊的用例，如电力系统模型，以上只是给出主要建模步骤，针对

不同的系统，需要具体分析。

第四章变电站自动化系统

本章从电网的分层管理控制结构出发，首先介绍了远动终端装置的主要功能和常规变电

站的主要功能以及典型结构；通过对传统变电站自动化系统的结构形式从集中式、集中与分

布相结合方式到完全分散式的演变过程，以及存在问题的探讨，引出了面向对象设计思想以

及一次设备的整体化设计；然后着重分析/IEC61850的核心思想、建模方法、通信方法以及

工程方法；最后，对数字化变电站的关键技术和典型结构进行了分析。

1、本章学习要求

（1）应熟悉的内容

电网的分层控制管理结构和远动终端装置的功能。

掌握：常规变电站自动化系统的组成、功能、类型以及通信网络和系统（IEC）。

应用：基于变电站自动化系统和IEC的面向对象建模。

（2）应掌握的内容

通过本章的学习，首先要求掌握常规变电站自动化系统的组成、功能、类型以及通信网

络和系统；然后应该理解IEC6I850的核心思想、建模方法、通信方法以及工程方法；最后应

掌握当前数字化变电站所采用的关键技术和典型结构.

2、本章重点难点分析

（1）重点

本章是本课程重点章节之一。主要介绍了常规变电站的主要功能以及典型结构；然后着

重分析/IEC61850的核心思想、建模方法、通信方法以及工程方法；最后，对数字化变电站

的关键技术和典型结构进行分析。

（2）难点

本章难点是IEC6I850核心思想、建模、通信方法以及工程方法在变电站中的应用与体现,

以及数字化变电站的各个关键技术。

通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。

（1）简述常规变电站自动化系统的发展阶段。

（2）变电站有载调压和无功功率补偿容量这两种调压的区别是什么。

（3）简述变电站的各种自动化系统结构形式。

（4）当前常规变电站存在哪些问题？

（5）IEC61850的核心思想是什么？

（6）IEC61850抽象通信服务的基本通信模式有哪些？功能如何？

（7）数字化变电站有哪些关键技术？

（8）数字化变电站在发展过程中出现了哪此典型的结构？

第五章配电自动化系统

配电系统是电力系统向用户供电的最后一个环节。本章在介绍配电自动化系统的领域模

型的基础上，探讨了配电自动化的功能及配电自动化的月例分析模型，以及实现机制和系统

配置。其中，介绍了有别亍传统的配电自动化系统与相关系统的接口的点对点方式，宣点研

究了基于IEC61968的信息交换方法以及综合数据平台的数据集成方法。

1、本章学习要求

(1)应熟悉的内容

配电自动化系统的基本结构。

(2)应掌握的内容

通过本章的学习，要求学生熟练掌握配电自动化系统领域模型和用例模型的分析以及实

现机制；掌握基于IEC61968的信息交换方法以及综合数据平台的数据集成方法，能应用面向

对象方法分析配电自动化系统以及系统故障分析。

2、本章重点难点分析

(1)重点

本章是本课程重点章节之一。主要介绍了介绍配电自动化系统的领域模型、用例分析模

型，以及配电自动化系统的实现机制和系统配置。其中，介绍了有别于传统的配电自动化系

统与相关系统的接口的点对点方式，研究了基于IEC61968的信息交换方法以及综合数据平台

的数据集成方法等问题。

(2)难点

本章难点是配电自动化系统的用例分析模型、实现机制以及基于IEC61968的信息交换方

法以及综合数据平台的数据集成方法等问题。

通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。

(1)简述配电自动化领域模型中实时监控处理与准实时监控处理及其功能。

(2)给出DSCADA准实时监测处理的用例模型并描述其主要用例的功能。

(3)配电自动化系统与调度自动化系统不同的实现机制体现在哪些方面？

(4)什么是接口、本体和元数据？

(5)IEC61968接口的消息有哪些组成和实现方式？

第六章电力系统信息集成

电力企业通过信息集成建设来实现信息在企业内甚至企业间的快速流动和共享，集成策

略也在信息化实践中由“点对点集成”发展到“基于总线的集成”。本章从电力企业内部”系

统条块分割、数据孤岛”的信息现状出发，介绍了电力企业中的集成需求、电力企业集成技

术的发展历程以及如何基于标准进行信息集成。

1、本章学习要求

(1)应熟悉的内容

学生通过本章的学习，应了解电力系统信息集成的基本概念、信息集成的需求与信息流。

(2)应掌握的内容

通过本章的学习，应掌握系统信息集成的方法、策略、标准。要求学生熟练掌握常见的

信息集成的组件接口规范CIS；能初步能运用系统集成方法分析电力企业实例。

2、本章重点难点分析

(1)重点

本章主要介绍了系统信息集成的方法、策略、标准和信息集成的组件接口规范CIS(如

IECTC57视图、CIS数据模型、公共服务CS和通用数据访问GDA)；能初步能运用系统集成

方法分析电力企业实例。

(2)难点

本章难点在于如何基于标准进行系统信息集成。

3、本章典型例题分析

例题1

以某电力公司为例，说明电力企业信息集成的步骤与效果。

(1)系统分析

在激烈的市场竞争环境下，每个公司都在思考如何来提高整个企业的运行效率、为客户

提供更优质的服务。该电力公司希望首先通过加速企业内信息流动的速率来提高人员生产力、

快速满足客户的需求，即在企.业内实现信息的全局共享和实时获取。

该公司位于生产管理大区的应用系统包括：

1)SCADA/EMS、电能量采集与计费系统、继电保护与故障信息系统、配网生产管理

系统、生产管理系统等，这些系统的数据模型不同而且只提供私有的接口方式。

2)该电力公司以公共信息模型CIM作为电力企业应用集成的数据模式，在信息的横向

共享上实现SCADA/EMS系统、生产管理系统、电能量采集系统、继电保护与故障信息系统、

配电生产管理系统、时间序列数据库等应用系统的集成。

3）根据二次安全防护的要求，在这些待集成的应用系统中，SCADA/EMS系统位于生

产控制区，电能量采集与计费系统、继电保护与故障信息系统位于生产控制区，配网生产管

理系统、生产管理系统位于管理信息区，在生产控制区和管理信息区需要装设物理隔离装置,

因此在集成中需要考虑跨越安全区的信息共享问题。

（2）规划信息集成平台的体系结构

下图为一般集成平台的体系结构：

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，"控制区，新应晨1:、新应用/

正向物理装置

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EMS:\水调

I：F级机构的

集成平台、

某电力公司的电力企'也集成平台系统体系结构

1）集成平台描述：

整个平台分为集成内平台和集成外平台。

集成内平台位于生产控制区，实现SCADA/EMS、电能量采集与计费系统、继电保护与

故障信息系统的集成；

集成外平台位于管理信息M,负责集成配网生产管理系统、生产管理系统等管理信息区

应用系统。内平台和外平台之间保持数据的一致性，并分别在生产控制区和管理信息区为第

三方应用提供统一的模型服务、图形服务、业务服务。信息展示服务则已开放的图形格式为

基础，以WEB方式展示集成平台上的综合信息。

2）在纵向的信息共享上。

集成平台可以与上下级机构的集成总线进行遵循CIM的信息交换。

（3）信息集成平台的信息交换分析

集成平台上交换的信息分两大类为领域对象和图形市象。

领域对象可以是电网的逻辑信息和资产台账信息、二次设备信息、工作单等管理文档信

息，也可能是电力客户的信息等。

图形对象则定义了有关领域对象的表示，如开关、变压器、地理静态背景、用户交互元

素等。图形对象也可以定义用户交互，例如，当有鼠标辱件发生系统应如何响应。在该集成

平台上电力企业领域对象的交换可通过IEC61970组件接口规范定义的标准组件接口进行交

换，也可以通过CIMXML（可扩展标记语言）文件的方式进行交换；图形对象的交换则是通过

SVG（可伸缩的矢量图形）文件的方式进行交换，图形对象对领域数据的引用、表现逻辑或层的

引用，可使用SVG的Metadata元素来表示。

（4）信息的集成

1）SCADA/EMS系统信息流分析。

SCADA/EMS系统保持着准确的电网结构信息和电网的实时运行信息，需要为其他应用系

统提供电网模型拓扑信息、一次接线图信息以及电网的实时运行状态信息。

构建电网模型层次结构图（正^^57PhysicalView）。

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