電力系統(tǒng)調(diào)自動化

電力系統(tǒng)調(diào)自動化第1頁/共94頁電力系統(tǒng)調(diào)度自動化最好的類比：城市道路交通系統(tǒng)及其調(diào)度自動化；石油管道系統(tǒng)及其調(diào)度自動化；醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)；公安報警系統(tǒng)；題目解析第2頁/共94頁第3頁/共94頁第4頁/共94頁第5頁/共94頁第6頁/共94頁第7頁/共94頁美國加州電力調(diào)度大廳第8頁/共94頁我國某電廠調(diào)度室第9頁/共94頁第10頁/共94頁第11頁/共94頁第12頁/共94頁第13頁/共94頁第14頁/共94頁定義定義：利用現(xiàn)代計算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對于物理電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、分析和控制。能量管理系統(tǒng)(EnergyManagementSystem-EMS)：屬于計算機(jī)系統(tǒng)、二次系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)構(gòu)成；幾個類比：人體的神經(jīng)系統(tǒng)、個人電腦、比爾蓋茨的家庭管理系統(tǒng)第15頁/共94頁第16頁/共94頁專著推薦張伯明，相年德，鄧佑滿.《電力系統(tǒng)調(diào)度自動化》.清華大學(xué)電機(jī)系講義，2000王士政.《電網(wǎng)調(diào)度自動化與配網(wǎng)自動化技術(shù)》北京：中國水利水電出版社,2003年周杰娜.現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)度自動化.北京:中國電力出版社.2005年第17頁/共94頁本課程內(nèi)容上篇：SCADA系統(tǒng)（EMS的硬件系統(tǒng)和低級軟件）40％SupervisoryControlAndDataAcquisition下篇：PAS系統(tǒng)（EMS的高級軟件系統(tǒng)）60％Power-systemAnalysisSystem第18頁/共94頁何為系統(tǒng)？緊密耦合與松散耦合；最復(fù)雜的人造系統(tǒng)：電力系統(tǒng)。最復(fù)雜的自然系統(tǒng)：人自身。電力系統(tǒng)崩潰《＝＝》心臟停止跳動！何為電力系統(tǒng)？發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷第19頁/共94頁

物理電網(wǎng)發(fā)電用電輸電變電配電數(shù)字電網(wǎng)第20頁/共94頁內(nèi)容序論：調(diào)度自動化的定義、內(nèi)容、歷史與現(xiàn)狀上篇：SCADA系統(tǒng)下篇：PAS展望：基于PMU/WAMS的新一代調(diào)度自動化第21頁/共94頁電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的發(fā)展歷程電話調(diào)度階段遠(yuǎn)動調(diào)度階段計算機(jī)調(diào)度階段集中式系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)；開放型系統(tǒng)；基于PMU/WAMS的動態(tài)系統(tǒng)；第22頁/共94頁電話調(diào)度速度慢、同時性差；信息量少、片面；依賴運(yùn)行人員的經(jīng)驗；直到今天，電話是無法取代的；第23頁/共94頁遠(yuǎn)動調(diào)度階段四遙（廠站）：千里眼：遙測、遙信；千里手：遙調(diào)、遙控；系統(tǒng)模擬屏（調(diào)度中心）植物電力系統(tǒng)，沒有大腦的電力系統(tǒng)第24頁/共94頁計算機(jī)調(diào)度計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)分析中的應(yīng)用；1965年前后，北美發(fā)生了大停電事故；現(xiàn)代調(diào)度自動化之父：Dyliaco；通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展；第25頁/共94頁電力系統(tǒng)的分層分級調(diào)度國調(diào)：三峽電廠與跨網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線網(wǎng)調(diào)：網(wǎng)調(diào)電廠與省間聯(lián)絡(luò)線省調(diào)：省調(diào)電廠與省內(nèi)220KV以上電網(wǎng)地調(diào)：地方電源和地區(qū)110KV及其以下電網(wǎng)縣調(diào)：農(nóng)村電網(wǎng)第26頁/共94頁調(diào)度自動化的三大任務(wù)保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全保證供電質(zhì)量保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性第27頁/共94頁安全性防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定、崩潰、大停電；保證工作人員的人生安全；保證電力設(shè)備的安全；外部系統(tǒng)的影響：惡劣氣候等；自身系統(tǒng)的隱患：指揮倒閘操作；進(jìn)行事故處理；第28頁/共94頁合格性電能質(zhì)量三個指標(biāo)：頻率有功功率的平衡；負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電計劃、AGC、卸負(fù)荷電壓無功功率的平衡；AVC、電容電抗器投切波形第29頁/共94頁經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)調(diào)度；環(huán)保調(diào)度；降低網(wǎng)損；水火電協(xié)調(diào)；電力市場化改革：電能交易、報價與出清、輔助服務(wù)獲取與回報；第30頁/共94頁調(diào)度自動化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)信息收集和執(zhí)行子系統(tǒng)；信息傳輸子系統(tǒng)；信息處理子系統(tǒng)；人機(jī)聯(lián)系子系統(tǒng)；第31頁/共94頁上篇：

數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)

SCADA第32頁/共94頁SCADA的基本功能數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)預(yù)處理信息顯示和報警調(diào)度員遙控遙調(diào)操作信息統(tǒng)計、存儲和打印事故追憶和事件順序記錄狀態(tài)監(jiān)視和控制第33頁/共94頁一、實時信息的采集遠(yuǎn)動：四遙（遠(yuǎn)程監(jiān)控）遙測：（遠(yuǎn)程測量）遙信：（遠(yuǎn)程信號）遙控：（遠(yuǎn)程切換）遙調(diào)：（遠(yuǎn)程整定）第34頁/共94頁二、實時信息的傳輸過程第35頁/共94頁第36頁/共94頁第37頁/共94頁第38頁/共94頁第39頁/共94頁第40頁/共94頁第41頁/共94頁下篇：

高級應(yīng)用軟件系統(tǒng)

（PAS）第42頁/共94頁第43頁/共94頁P(yáng)AS軟件功能結(jié)構(gòu)框圖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)估計在線潮流靜態(tài)安全分析動態(tài)安全分析安全約束調(diào)度自動發(fā)電控制自動電壓控制負(fù)荷預(yù)測優(yōu)化控制靈敏度分析調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)生數(shù)據(jù)熟數(shù)據(jù)機(jī)組組合第44頁/共94頁兩種模式實時模式研究模式第45頁/共94頁一、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龆x：根據(jù)開關(guān)的開合狀態(tài)（遙信信息）和電網(wǎng)一次接線圖來確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系，即節(jié)點－支路連通關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)建模：建立和修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫；網(wǎng)絡(luò)模型分為物理模型和計算模型；節(jié)點模型數(shù)據(jù)母線模型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?6頁/共94頁基本算法廠站母線分析和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析島分析；采用“堆棧原理”－后進(jìn)先出的搜索邏輯第47頁/共94頁二、狀態(tài)估計(StateEstimation)何為“狀態(tài)”？電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可用各母線的電壓幅值和相角來表示。狀態(tài)由誰決定？1，元件的電氣參數(shù)；2，各元件之間的聯(lián)結(jié)情況；3，邊界條件：發(fā)電和負(fù)荷的狀況；第48頁/共94頁量測系統(tǒng)可觀測性分析的拓?fù)浞椒ê螢椤翱捎^測性”？量測系統(tǒng)分析的步驟先用支路潮流量測形成可觀測島；再用可用注入量測擴(kuò)大可觀測島；注入量測的可用性及其判斷法輻射島準(zhǔn)則遞歸搜索法環(huán)形島準(zhǔn)則第49頁/共94頁為什么要進(jìn)行狀態(tài)估計？數(shù)據(jù)不齊全；不良數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；何為“狀態(tài)估計”？去偽存真、去粗取精、填平補(bǔ)齊。

是一種數(shù)學(xué)濾波方法，用量測信息的冗余度來提高數(shù)據(jù)精度，自動排除隨機(jī)干擾所引起的錯誤信息，估計出系統(tǒng)的狀態(tài)。第50頁/共94頁狀態(tài)估計四步曲建立數(shù)學(xué)模型狀態(tài)估計計算不良數(shù)據(jù)的檢測壞數(shù)據(jù)的辨識第51頁/共94頁狀態(tài)估計問題的數(shù)學(xué)描述量測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：量測方程量測量向量，m維狀態(tài)向量，n維量誤差向量，m維基于基爾霍夫定律和歐姆定律的量測函數(shù)方程，m維有m-n個多余方程第52頁/共94頁我院衛(wèi)志農(nóng)教授長期從事該領(lǐng)域的研究第53頁/共94頁第54頁/共94頁第55頁/共94頁三、負(fù)荷預(yù)測根據(jù)運(yùn)用的目的和預(yù)測時間不同，可分為：長期負(fù)荷預(yù)測：月、年短期負(fù)荷預(yù)測：24小時超短期負(fù)荷預(yù)測：幾分鐘到1小時負(fù)荷數(shù)據(jù)由三種分量疊加構(gòu)成：長期趨勢分量周期性分量隨機(jī)性分量系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測和母線負(fù)荷預(yù)測第56頁/共94頁影響系統(tǒng)負(fù)荷的因素系統(tǒng)負(fù)荷的構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)荷的時間變化規(guī)律氣象變化對系統(tǒng)負(fù)荷的影響系統(tǒng)負(fù)荷的隨機(jī)波動性第57頁/共94頁負(fù)荷預(yù)測的數(shù)學(xué)方法指數(shù)平滑法平均值外推法將過去一段時間的歷史數(shù)據(jù)取平均，作為未來負(fù)荷的預(yù)測值。同上，但是對過去的歷史數(shù)據(jù)給予不同的權(quán)重，對近期的數(shù)據(jù)給予較大的權(quán)重。第58頁/共94頁回歸分析法假定一種負(fù)荷模型，利用歷史數(shù)據(jù)來確定模型中的參數(shù)，然后用此模型進(jìn)行預(yù)報。一元線性回歸多元線性回歸為模型參數(shù)為誤差值使誤差平方和最小第59頁/共94頁時間序列分析法把隨時間變化的負(fù)荷數(shù)據(jù)看作一組隨機(jī)的時間序列。第60頁/共94頁相似日法第61頁/共94頁負(fù)荷模型的辨識問題鞠平教授是國內(nèi)該領(lǐng)域的權(quán)威第62頁/共94頁第63頁/共94頁自動發(fā)電控制AGC電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整負(fù)荷的頻率特性發(fā)電機(jī)的功頻特性電力系統(tǒng)的頻率特性調(diào)速器的局部控制特性屬于發(fā)電機(jī)的一個自有屬性AGC是電力系統(tǒng)頻率的二次調(diào)整調(diào)度中心的集中控制、遠(yuǎn)動控制閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)基于頻率積差和調(diào)頻功率比例系數(shù)第64頁/共94頁AGC缺點：積差信號總是滯后于系統(tǒng)頻率的瞬間變化，因此不能保證瞬時頻率在規(guī)定范圍之內(nèi)。復(fù)合調(diào)節(jié)方案：第65頁/共94頁互聯(lián)電力系統(tǒng)的自動調(diào)頻區(qū)域控制誤差A(yù)reaControlError-ACE網(wǎng)調(diào)考核省調(diào)AGC是否合格的指標(biāo)北美電力系統(tǒng)可靠性委員會NERC提出的評價標(biāo)準(zhǔn)CPS1和CPS2第66頁/共94頁AGC定頻控制方式定交換功率控制方式定頻定交換功率控制方式自動修正時差控制方式第67頁/共94頁安全約束調(diào)度SCD支路熱約束；斷面穩(wěn)定約束；基于靈敏度的發(fā)電功率分配第68頁/共94頁經(jīng)濟(jì)調(diào)度(EconomicDispatch)基于機(jī)組發(fā)電成本特性的發(fā)電功率分配火電機(jī)組的煤耗率目標(biāo)函數(shù)約束條件拉格朗日函數(shù)為：第69頁/共94頁等耗量微增率準(zhǔn)則計及網(wǎng)損的等耗量微增率準(zhǔn)則第70頁/共94頁機(jī)組組合（UnitCommitment-UC）次日火電機(jī)組的開停機(jī)計劃0-1整數(shù)規(guī)劃問題電力市場環(huán)境下由交易計劃軟件取代兩類算法：進(jìn)化基因類算法和拉格朗日松弛法第71頁/共94頁自動電壓控制AVC閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)端電壓的自動調(diào)節(jié)：就地控制二級電壓控制：AVC，集中控制三級電壓控制：網(wǎng)損最小最優(yōu)潮流問題我院丁曉群教授是國內(nèi)該領(lǐng)域的專家，在中國的市場占有率很高。第72頁/共94頁在線潮流（調(diào)度員潮流）潮流計算在電力系統(tǒng)分析中的重要地位計算機(jī)技術(shù)與電力系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)完美結(jié)合稀疏技術(shù)（稀疏矩陣技術(shù)和稀疏矢量技術(shù)）節(jié)點最優(yōu)排序技術(shù)約束處理技術(shù)大量控制元件動作的模擬潮流計算本是一門專門的課程本專業(yè)研究生的必備知識（必修課）這是本課程的重中之重。第73頁/共94頁何謂潮流計算？潮流計算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)運(yùn)行條件節(jié)點電壓支路潮流發(fā)電和負(fù)荷已知求得到從而得到滿足關(guān)系稱為潮流方程也就是基爾霍夫定律1導(dǎo)出潮流方程式2求解潮流方程的數(shù)值方法3編程中的稀疏技術(shù)應(yīng)用第74頁/共94頁潮流方程式的推導(dǎo)假設(shè)條件：三相平衡，可用單相代替節(jié)點－支路關(guān)聯(lián)矩陣節(jié)點導(dǎo)納矩陣（是一個復(fù)數(shù)、對稱、非奇異、稀疏、對角元占優(yōu)、方矩陣）電力網(wǎng)絡(luò)的基本數(shù)學(xué)模型復(fù)數(shù)方程組代數(shù)方程組第75頁/共94頁非線性代數(shù)方程組的牛頓解法轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組的迭代求解計算中初值的選取問題計算能否收斂的問題圖示說明第76頁/共94頁線性代數(shù)方程組的計算機(jī)解算方法高斯消元法因子表求逆法第77頁/共94頁稀疏技術(shù)稀疏矩陣元素的存放最優(yōu)消去順序問題因子表的稀疏存放第78頁/共94頁牛頓法迭代流程圖形成導(dǎo)納矩陣最優(yōu)消去順序賦初值i=1形成雅克比矩陣形成右端列向量因子化前代回代計算更新滿足收斂判據(jù)嗎？ENDStarti=i+1yesno循環(huán)體預(yù)處理第79頁/共94頁快速解耦法潮流計算動機(jī)：當(dāng)時（1960～1980年間）計算機(jī)發(fā)展水平低，內(nèi)存小、機(jī)時長，需要改進(jìn)；繼續(xù)挖掘電力系統(tǒng)自身具有的特性；節(jié)點有功注入功率的變化，主要與有關(guān)節(jié)點的電壓相位變化相關(guān)；節(jié)點無功注入功率的變化，主要與有關(guān)節(jié)點的電壓幅值變化相關(guān)；支路電納遠(yuǎn)大于電導(dǎo)（即電阻遠(yuǎn)小于電抗）第80頁/共94頁靜態(tài)安全分析N-1（或N-m）分析：預(yù)想故障的篩選分析支路過電流檢查節(jié)點電壓越限檢查校正控制預(yù)