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调度自动化系统
四川大学网络教育学院
本科生(业余)课程设计
题目调度自动化系统体系结构设计
办学学院四川大学电气信息学院
教学部汕头经济管理干部学校
专业电气工程及其自动化
年级09春
指导教师魏振波
学生姓名徐礼标
学号DH1091U2033
2011年3月12日
调度自动化系统体系结构设计
摘要
随着国民经济的发展,人民生活水平的提高,电能的需要也在不断地增加,发电设备也相应增多,电网结构和运行方式也越来越复杂,人们对电能质量的要求也越来越高。
为了保证用户的用电,必须对电网进行管理和控制。
目前调度自动化系统已成为保证现代化大电网安全、稳定、可靠、经济运行不可缺少的重要技术手段。
电力系统运行管理和调度的任务很复杂,但简单说来,就是:
①尽量维持电力系统的正常运行,安全是电力系统的头等大事,系统一旦发生事故,其危害是难以估计的,因此,努力维持电力系统的正常运行是首要任务;②为用户提供高质量的电能,反映电能质量的三个参数就是电压、频率和波形。
这三个参数必须在规定范围内,才能保证电能的质量。
稳定电压的关键是调节系统中无功功率的平衡,频率的变化,是整个系统有功功率的平衡问题,波形是由发电机决定的;③保证电力系统运行的经济性,使发电成本最经济。
本次调度自动化体系结构课程设计在滕欢老师的指引下,充分展现学生通过课堂学习对调度自动化系统体系功能的理解,达到增进知识、提高实际工作能力的目的。
关键词:
调度自动化;体系结构;设计
第一章绪论
1.1前言
电力系统是一个分布面广、设备量大、信息参数多的系统,发电厂发出电能供给用户,必须经几级变压器变压才能传输。
各级电压通过输电线路向用户供电,电压从低到高,再从高到低,以利于能量的传送。
电压的变换,形成不同的电压级别,形成一个个不同电压级别的变电站,变电站之间是输电线,因而形成了复杂的电力网拓扑结构。
电网调度正是按照电网的这种拓扑结构进行管理和调度的。
一般情况下,电网按电压级别设置调度中心,电压级别越高,调度中心的级别也越高。
整个系统是一个宝塔型的网络图。
分级调度可以简化网络的拓扑结构,使信息的传送变得更加合理,从而大大节省通信设备,并提高了系统运行的稳定性。
为了实施《电力法》明确电力生产和电网运行应当遵循安全、优质、经济的原则。
因此,电网调度自动化系统的首要任务是保障电网安全、稳定、正常运行和对电力用户安全可靠供电。
针对目前电力系统自动化的需求和特点,并且考虑到电力系统自动化未来的发展,而开发研制的一套自动化综合监控系统。
调度机构要预先通过大量的计算分析,制定对付意外事故的安全措施,装设安全自动装置和继电保护设备,做好事故预想和处理预案,防范于未然。
一旦电网发生故障,调度就要按地区电网实际情况并参考处理预案,迅速、准确地控制故障范围,保证电网正常运行,并避免对电力用户供电造成影响;遇到严重事故时,为保证主网安全和大多数用户的正常供电,调度将根据具体情况采取紧急措施,改变发输电系统的运行方式,或临时中断对部分用户的供电。
故障消除后,调度要迅速、有序地尽快恢复供电,尽量减少用户停电时间。
调度自动化系统的另一重要任务是,保证电能质量,保持频率、电压、波形合格。
这就必须时刻保持发电和用电的瞬时平衡。
由于电能不易大量贮存,而用户的用电是随机的,要时刻保持供需平衡,就要求调度必须提前预计社会用电需求,并依此进行事前的电力电量平衡,编制不同时段的调度计划和统一安排电力设施的检修和备用。
在实际运行过程中调度一方面要依靠先进的调度自动化通信系统,密切监视发电厂、变电站的运行工况和电网安全水平,迅速处理时刻变化的大量运行信息,正确下达调度指令;另一方面要实时调整发电出力以跟踪负荷变化,满足用电需求。
在实际的调度过程中,还需要综合考虑国家能源政策和环保政策,以及电源分布、负荷需求、电网结构以及防汛、环保等因素,按照公平、公正的原则合理安排发电,实现发电资源的优化利用,以提高国家电力能源利用效益。
本次调度自动化体系结构设计,将以调度自动化课程设计要求为基础,在指导教师的指引下,充分展现学生通过课堂学习对调度自动化系统体系功能的理解,达到增进知识、提高实际工作能力的目的。
电网调度自动化设计必须在一次系统设计和调度管理范围划分原则明确的前提下进行。
经审查的一次系统设计是电网调度自动化设计的依据和基础,一次系统设计明确了电网的规模、网络地理分布、主接线、典型运行方式、电气计算结论及负荷性质等,为分析电网特点提供了条件,以便于确定调度自动化系统功能及信息采集内容。
电网调度自动化是为电网调度管理服务的,因此调度自动化系统设计应与调度管理体制相一致。
现代化电网调度自动化系统应与统一调度分级管理相适应。
这样可节省通道和提高投资效益。
在实现电网分层控制时各级调度应组成信息交换网,信息一般采用逐级传送方式。
本次调度自动化系统体系结构毕业设计不涉及调度管理体制方面的内容,仅从技术的角度进行考虑,以毕业设计任务书作为设计依据,电网网络接线示意图如下:
1.3设计目标
本次调度自动化系统体系结构设计本着学以致用、加深《电力系统调度自动化》知识的理解和结合学生工作实践经验的原则,在指导老师的引导下,达到以下设计目标:
⑴、充分理解现代调度自动化系统包括的含义;
⑵、熟悉调度自动化系统的功能;
⑶、熟悉并巩固变电站主接线图的设计方法和相关规范;
⑷、掌握调度自动化系统的设计原则;
⑸、掌握电力系统中调度自动化基准厂站选择的方法和原则;
⑹、掌握调度信息的组织和信息量的估算;
⑺、掌握调度中心主站计算机系统的结构;
⑻、掌握调度自动化系统应该达到的技术指标;
⑼、掌握电网结构分析的基本知识。
1.4设计原则
本次电网调度自动化系统体系结构设计必须遵循以下原则(本次毕业设计侧重系统的体系结构):
(一)实用性和通用性原则:
系统完全适用于现代化电力管理的需要,功能强大、稳定可靠。
系统还具有友好的用户界面和强大的联机帮助功能,以帮助系统用户方便地使用系统。
(二)先进性及主流技术原则:
系统整体上从资源配置(包括系统结构、硬件设置、网络通讯)到功能设置都采用90年代最先进的主流计算机技术,保证系统在国内外同行业中以及在未来的5年间具有领先水平,并具有一定的超前性和较长的产品生命周期。
(三)可靠性及安全性原则:
可靠性是电力调度自动化系统的基本准则。
作为这样的系统应能满足各种业务环境和经受各种外界干扰的考验,能坚持长期可靠的运行。
系统的各项资源包括硬件设备、软件系统、通讯等可靠性要高,工作稳定,便于维护;同时在出现硬故障和软故障时,有可靠的恢复手段,具有强大的容错能力。
系统必须要有优良的安全保密措施,具有权限及级别控制、口令保护、信息密级制度,对电脑病毒的防毒及免疫能力。
(四)技术成熟性原则:
系统采用当今现成的经受严格测试和运行考验的先进、成熟的计算机硬件及外围设备、已在线运行的SCADA软件和商业软件,使之建成后就能很快地投入使用,提高工作效率。
(五)扩展性和可伸缩性:
我国目前电力行业正经历着前所未有的发展和变化。
因此系统也能反映这个变化并能适应变化。
系统能较好地适应随电力业务的开展而来的扩展,系统的模块化结构和参数化程度高,能根据业务的需要,具有较好地增加和裁减的能力,可按实际情况灵活地配置系统,使系统发挥出最高的效率;这种扩展不仅表现在系统的体系结构上,还表现在软件组态设计上。
并且这种扩展是方便和经济的。
系统的总体结构合理,设计容量适度,可扩展性能好。
(六)用户投资保护及平滑性原则
系统在考虑其先进性的同时,软硬件资源及网络通信的配置应根据电力发展的总体规划及步骤,合理选型,分期投入,充分继承和保护前期的投资和软件成果。
第二章需求分析设计
2.1电网结构
根据调度自动化毕业设计任务书的电网接线图所示,该网络11个110/10kV变电站和2个220/110/10kV枢纽变电站构成,该电网有如下结构特点:
⑴、电网由17条110KV输电线路构成主干网架,经过11个110/10KV变电站和和2个220/110/10KV枢纽变电站实现网内互联;
⑵、电网可实现7个环网运行方式,电网整体输电可靠性较高;
⑶、220/110/10KV枢纽变电站既作为110KV输电线路的骨干节点,又作为5个环网运行的枢纽开关站,在本电网中占有相当重要的地位,同时又可作为向更高一级电网过渡的连接节点;
⑷、电网调度监控中心位于其中1个110/10KV变电站;
其中变电站A、B是220/110/10KV变电站,变电站C是监控中心,变电站D的出线数最多,而变电站M是终端变电站。
电网结构分析如下:
2.2调度自动化系统功能
把发电厂,变电站和地区调度中心的计算机以及省网调度中心的计算机,通过各种通信手段联接起来。
用来优化的方法和技术对整个电力系统进行调度和理构成了现代的调度自动化系统。
2.2.1现代的调度自动化系统包括三种含义:
采集和变换信息、通信设备传送信息和调度中心使用信息。
调度自动化系统收集、处理电网运行实时信息,通过人机联系系统把电网运行状况集中而有选择的显示出来进行监控。
调度人员可以借此统观全局,集中全力指挥全网安全、经济和优质运行。
调度自动化系统安全监控功能的实现,同时极大地提高电网安全运行水平,提高电网事故的处理效率,减少停电损失。
各类地调在考虑调度自动化系统时,应使其具有数据采集和监控(SCADA)的功能,但在具体实施过程中应根据调度职责范围、调度自动化现状、基础设备自动化条件,按照由低至高、由易到难的原则恰当确定总体功能。
各类地调应该逐步实现遥控和遥调功能,有条件时可建设无人值班遥控变电站。
但遥控、遥调功能实现取决于调度的需要、良好的一次设备、高可靠性的远动终端和通道等因素,其中良好一次设备和通道对于众多地调来说不是短期内可以解决的。
各类地调应本着稳妥可靠的方针,经过试点逐步的实现遥控、遥调的功能。
调度自动化系统的功能,分为以下四级:
⑴、直接控制,用于减少停电事故;
⑵、优化控制,用于提高技术经济效益;
⑶、适应控制,使系统具有事故适应能力;
⑷、综合控制,对系统进行全面管理,提高经济效益。
系统的功能级别越高,电力系统运行特性和经济效益也愈高;对信息的传送和处理能力的要求也愈高。
要设计、监理好一个调度自动化系统,并要使它的功能充分发挥出来,使一项非常重要的任务,需要对电力系统的运行特性和要求有清晰的了解,又要在信息的传送、处理和计算机的应用方面,综合地规划和设计。
电力调度自动化系统在电力系统的运行生产中,起着举足轻重的作用,正确地对电网的调度自动化系统进行设计,将使电能的生产、传送、分配和使用获得最大的技术经济效益,并为电力系统的发展提供重要的数据和依据。
随着ERP不断发展,电力调度自动化系统与ERP之间的联系越来越紧密,形成能量管理系统EMS,它包括SCADA、发电计划、发电控制、网络分析和调度员培训仿真系统等丰富的电力生产软件管理功能。
2.2.2为了保证系统正常必须有一个完善的管理手段,对各个调度控制台及类人员赋予不同使用范围及使用权限。
一般根据业务需要至少应有3个等级,如:
1)操作员级:
可以进行全部操作。
2)调度员级:
级系统受理外的其他操作。
3)其他运行管理人员级:
只能调看画面,修改相关表格。
2.2.3其它一些重要功能
1、状态估计SE(StateEstimator)
状态估计就是根据有冗余的测量值,对实际网络的状态进行计算、估计,分析得出电力系统的准确信息,产生“可靠的数据集”。
2、安全分析CA(ContingencyAnalysis)
安全分析可分为静态安全分析和动态安全分析两类:
⑴静态安全分析
一个正常运行着的电网常常存在着许多潜在的危险因素,静态安全分析的方法就是对电网的一组可能发生的事故进行假想的在线的计算机分析,校核这些事故后,电力系统稳态运行方式的安全性,从而判断当前的运行状态是否有足够的安全储备。
当发现当前的运行方式的安全储备不够时,就要修改当前运行方式,使电力系统总是在最有足够的安全储备的方式下运行。
⑵动态安全分析
动态安全分析就是校核电力系统是否会因为一个突然发生的事故而导致系统失去稳定,这个问题显然是十分重要。
校核因假想事故后,电力系统能否保持稳定的稳定计算,计算量大,探索一种快稳的稳定判别方法,以满足实施预防性控制的实时性要求至关重要。
3、调度员模拟培训DTS(DispatcherTrainingSimulator)
调度员模拟培训DTS系统的主要作用:
⑴让调度员熟悉本系统的运行特点,熟悉控制系统设备和电力系统应用软件的使用。
⑵培养调度员处理紧急事件的能力。
⑶试验和评价新的运行方式和控制方法。
2.2.4调度自动化系统结构
以计算机为核心的电网调度自动化系统,按其功能,可以划分为四个子系统,
2.2.4.1信息采集和命令执行子系统
传统的信息采集和命令执行子系统,就是指安装在发电厂和变电站的远动终端,包括RTU屏、遥信采集屏、变送器屏和遥控执行屏等。
它与安装在当地的当地计算机监控系统合称为调度自动化系统的子站系统。
远动终端主要的功能就是四遥功能:
1、遥测功能:
采集发电厂和变电站运行的实时数据:
如发电机有功出力、无功补偿,变压器有功和无功负荷,母线电压,系统潮流,线路电流等。
如通过直流或交流采样变送器,将电压互感器和电流互感器转换的二次电压、电流,经A/D转换为数字量,并计算出有功、无功等。
2、遥信功能:
采集电力系统中继电保护的保护动作信号,变压器、线路的断路器信号、隔离刀闸信号等。
3、遥控功能:
执行调度端调度员从主站发出的命令,完成对断路器、隔离刀闸的分闸和合闸操作等。
4、遥调功能:
执行调度员对主变分接头的上升或下降操作,及调整发电机的有功出力和频率或发电机无功出力和电压。
信息采集合执行子系统还有一些功能:
如遥脉功能、事件顺序记录等。
2.2.4.2信息传输子系统
由于电网调度自动化系统中的调度主站和厂站端的远动终端之间一般都有着较远的一段距离,因而需要一个用于传输远动信息的通讯系统,即信息传输子系统。
信息传输子系统,按其信道的制式不同,可分为模拟信道和数字信道两类。
对于模拟信道,如电力线路载波信道、模拟微波信道等,远动终端输出的数字信号必须通过调制(数字调频、数字调相)后,才能在信道上传输。
模拟信道的质量,直接影响到数据的传输,模拟信道的质量指标可以用信噪比等来表征,信噪比的大小直接影响到远动数据的误码率。
对于数字信道,如数字微波信道、光纤信道等,远动信号一般都是低速的,必须经过数字复接设备,才能上高速的数字信道。
2.2.4.3信息收集、处理和控制子系统
大型的电力系统往往跨几个省、市,拥有许多发电厂和大量不同电压等级的变电站,为了实现对整个电网的监视和控制,需要收集分散在各个发电厂和变电站的实时信息,并对这些信息进行分析和处理,将数据及分析处理结果,显示给调度员或输出命令下行控制,调度端需安装信息收集、处理和控制系统。
2.2.4.4人机联系子系统
电网调度自动化技术的发展,并没有使人的作用有所削弱,恰恰相反,高度自动化的发展要求调度人员在先进的自动化系统的协助下,充分、深入和及时的掌握电力系统的实时运行状态,做出正确的决策和采取相应的措施,使电力系统更加安全、经济运行。
为了有效的达到上述目的,应该使被控制的电力设备及其控制系统(调度自动化系统)与调度人员构成一整体:
从电力系统接收的信息,经计算机的加工处理后,经各种显示装置,如模拟屏、显示器等,反映给调度人员;调度人员根据这些信息,做出决策后,通过键盘、鼠标操作等手段,对电力系统进行监视、控制,这就是人机联系。
系统越复杂、规模越大,对人机联系子系统的要求就越高。
2.3系统性能指标:
调度自动化系统的性能指标能保证给操作员的操作以快速的响应,系统有充分的备用能力来应付电力系统的突发事件和紧急状态,即对大批信息和数据的处理能力。
系统性能包括:
●系统可用性
●系统可靠性
●系统实时响应性
●系统资源
●系统性能监视
●系统容量指标
2.3.1.系统可用性
(1)系统冗余
主站相关设备,采用冗余配置以消除单一设备故障导致的重要功能的丧失。
冗余配置的各子系统具有如下特点:
●在任何时刻保证冗余配置的计算机之间可完全相互切换,担当主机或备机运行;
●保持主、备机之间数据的一致性,使备机可随时接替主机投入在线运行;
●备用机采用最近的实时数据断面,接替主机运行;
●容余配置的计算机,切换方式分手动和自动;
●冗余配置的计算机间实现无扰动切换,热备用机接替主机的换时间小于2S;
●一般备用机接替主机的切换时间小于10S。
(2)可用性
系统在完成重要功能(SCADA、历史数据存储、通信、网络分析)的前提下,满足以下性能指标:
--计算机年可用率不小于99.98%
--计算机的运行寿命大于10年
(3)系统启动
系统启动提供冷启,再启和热启方式。
☐冷启
当需要使系统启动并初始化时,执行冷启,装入定义数据结构的初始数据。
☐再启
可手动或自动执行再启,再启动终止所有正在执行程序,清除所有挂起的系统请求。
☐热启
根据请求执行热启,热启使系统返回最近的运行状态。
☐加电
当电源故障,再加电恢复系统运行时,磁盘中保持的最近数据断面,作为系统初始化条件。
2.3.2.系统可靠性指标
●主站系统平均无故障运行时间(MTBF):
25000小时
●系统可利用率:
>99.99%
●远动系统遥测误差不大于±1.5%
●遥测量越死区传送整定最小值为额定值的0%-5%,可调
●主站对遥信量处理的正确率为100%
●SOE系统分辨率小于20ms,站内分辨率DTU/FTU5ms
●遥控/遥调正确率:
100%
2.3.3.系统响应时间指标
●数字量变化传送2s
●模拟量越死区传送时间3s
●控制命令传送3s(包括校验-返回-执行)
●调用画面响应时间(从按键到显示完整个画面)90%的画面2s,其它4s
●画面数据响应时间:
5s(1s~10s可调)
●模拟量和数字量的扫描周期2s(2s~10s可调)
●脉冲计数量采集周期15分(5*NN=1~12可调)
●应用数据库刷新周期5s~60s可调
●模拟屏刷新周期2s~10s可调开关变位到报警信息推出时间4s
●自动化系统时间与标准时间误差2ms/天
●系统切换时间10s
●子系统切换时间2s
●主备机切换时间20s
●事故推画面时间:
2s
●具有周期计算功能计算收敛时间:
<3s
●收敛功率迭代误差:
<0.001(标幺值)
●收敛电压迭代误差:
<0.00001(标幺值)
●故障隔离:
<30s
●非故障区恢复供电:
<1min
2.3.4.系统资源
(1)CPU负载
配网自动化系统的硬、软件正常运行,各项规定的功能正常运行,测试时间为1小时。
在电力系统正常运行情况下:
●各服务器在任意5分钟内,CPU平均负荷小于20%
●各MMI工作站在任意5分钟内,CPU平均负荷小于30%
●数据采集装置在任意5分钟内,CPU平均负荷小于30%
●在任意5分钟内,局域网的平均负荷小于20%
●在任意1分钟内,局域网的平均负荷小于15%
在电力系统紧急运行情况下:
●各服务器在任意1分钟内,CPU平均负荷小于40%
●各MMI工作站在任意1分钟内,CPU平均负荷小于50%
●数据采集装置在任意1分钟内,CPU平均负荷小于45%
(2)存储容量
不论每台计算机自有还是系统共享的存储设备,其存储容量除满足CPU平均负荷率和SCADA功能要求外,磁盘容量留有50%的备用容量,以利系统扩充。
2.3.5.系统性能监视
本系统提供如下系统监视手段和内容:
●提供表格、饼图等表现方式统计系统性能
●CPU负荷
●网络负载
●进程资源
●磁盘占用情况
2.3.6.系统容量指标
●可接入的工作站数:
>20台
●历史数据保存周期:
≥3年
●系统最大可接入厂站数:
256
●可接入的数字量:
用户可自定义
●可接入的模拟量:
用户可自定义
●可接入的脉冲量:
用户可自定义
●遥控量:
用户可自定义
●遥调量:
用户可自定义
●转发量:
用户可自定义
●计算量:
用户可自定义
●事故追忆量:
用户可自定义
第三章厂站体系结构设计
3.1基准厂站布置
基准厂站的选择按照冗余度高、校核厂站数少的原则进行选择,随着无人值班变电站的普及和调度自动化系统对厂站信息可靠性要求的不断提高,一般要求冗余度r≥2,平均冗余度r->2,以满足提高可靠性的需求。
本设计中基准厂站的选择以满足调度自动化系统(ADS)的平均冗余度不小于2,且每个厂站的冗余度均不小于2为前提,按照枢纽站选为基准厂站、出线多的厂站选为基准厂站、重要厂站选为基准厂站等选择基准站的原则进行选择,并对以下的选择方案进行比较:
为了保证每个厂站的冗余度均不小于2,则与终端站连接的厂站必须选为基准厂站,因此变电站D必须选为基准站。
基准厂站方案对比选择见下表:
方案编号
1
2
3
校核站
A、B、C、D、G
B、D、K、G
A、B、C、D
冗
余
度
A
3
2
2
B
3
2
3
C
4
4
4
D
4
2
3
E
3
3
3
F
4
3
3
G
2
2
2
H
2
2
2
I
3
3
3
J
3
3
2
K
2
2
2
L
2
2
2
M
2
2
2
平均冗余度(r-)
2.77
2.46
2.54
选择结果
基准站较多,淘汰
备选
备选
根据上表所示基准厂站选择方案比较结果分析,三个方案均达到了冗余度r≥2,平均冗余度r->2的可靠性需求,但根据最优方案判据,选择基准厂站数量少的方案,因此首先淘汰方案1,方案2与方案3比较而言,所选的基准厂站数量一致,但方案2的平均冗余度比方案3略小,且方案3把监控中心站C作为基准厂站,而方案2则把监控中心站C作为一般厂站,因此,方案3比方案2好,本设计选用方案3作为基准站的选择方案。
3.2基准厂站的主接线图
按照上节基准厂站布置选择的结果,方案3作为基准厂站的布置方案,为了巩固课堂学习知识的理解和应用,结合本次毕业设计的目的和要求,即基准变电站A和电气主接线结构最复杂非基准变电站C作为电气主接线设计和遥测、遥信信息表设计的代表变电站,达到增进相关知识学习和强化记忆的目的(为便于叙述,在以下的篇幅中将上述两站统称为基准站A和基准站C)。
根据毕业设计任务书内容所示,A、C两站的主接线基本情况如下表:
序号
项目
变电站A
变电站C
1
220KV出线路数
2回
/
2
110KV出线路数
6(预留2回)
6(预留2回)
3
10KV出线路数
8回
8回
4
主变压器台数
2
2
5
备注
220KV变电站
监控中心
第四章状态信息及其组织设计
4.1.状态信息
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