电力行业信息化改造（四）(曹伟 曲萍)

图13:故障判断和短路电流计算（含通讯）系统模拟图（资料来源曹伟）

A、 B两点为母线上两点，当在C处发生接地故障，A变电站的RTU&PM将计算得的和； B变电站的RTU&PM将计算得的和送给主站的前置系统，前置系统处理后，一方面送给MPA和MPB，另外还送给后台（数据包括，，）。

其基本计算公式为：

当在计算和时，时间为通道传输的时间提供方便（一般为0.00几秒）。

保护的算法处理：（设有一条Sin曲线通过此两点）

采样值为：

计算初相角： ， 其为初相角，为采样角。

接地的阻抗角也可以利用此方法计算出来：

阻抗为：

阻抗角为：

前置系统把这些计算好数据送给子站（RTU&PM）和后台监控，便于数据调用、分析处理和历史数据的保存。主站将分析的结果发送给RTU便于进行各种操作。

具有等值网络时短路电流的计算（以两相短路为例）：

边界条件：

由上式得

注：上式中电流、电压都为向量。

在SCADA系统的短路计算的方式停留在人工的输入短路线路的过渡电阻，一般情况下，故障的位置也必须输入（线路电阻一般在5~9Ω），如果短路的过渡电阻为100Ω以上时，可以不计线路阻抗。短路电流的大小取决于过渡电阻，一般SCADA系统的通道数据采样时5S左右，如果使用通道的系统有功、系统无功、系统母线电压来计算短路时的过渡电阻，是无法计算的（5S以后的一切故障都切除了），所以在无故障测距装置时，仅仅是人工输入短路时过渡电阻的方法。

SCADA系统的数据分析、计算的内层是系统的网络分析，系统网络分析包括网络等值、短路电流计算、潮流优化（含无功自动补偿）、自动发电控制等内容。内层的网络分析不同于表层的数据采集和数据处理，因表层的数据处理是对数据传输协议的解释和进行数据的重整，例如：某一子站（有时也叫岛）传输一数据，主站可对数据进行核实，是否为请求信号（在协议中定义有服务性原语，表明该数据的位置、表示状况和内容）或其它什么信号，主站进行判定后给予接受到该内容的答复；而内层数据处理要更加复杂，其数据的量是接受到所有岛的数据进行分配、结合、统计、计算和存储，而后在应用层中与表层数据进行交换，表层数据分析数据类型进行数据操作。

2.3.2.2．3网络等值与拓扑NT(Network Topology)

网络等值的计算是根据电力线路的参数和变压器的参数计算而得的，其中包括线路电容的计算（线路有无架空线、有无用分裂导线、分裂导线的类型、地理环境因数）。雷曝日的多少和断路器的熔断能力是等值网络提供给电力系统潮流计算的一部分数据，同时也把这些数据提供给智能保护装置开放和闭锁断路器控制回路和专家系统让其正确预想事故分析和母线电压变化趋势分析。

网络拓扑和状态估计是EMS应用软件的基础，当系统运行时，网络拓扑和状态估计对于EMS应用软件来说，都是在日常地运行。在进行调度员潮流计算和网络拓扑的同时，EMS的另一相功能—网络等值--也必须在系统中处理完成，网络等值是一个在正常运行时为一定值，而在系统发生故障时为一个动态网络，因为在系统发生如接地、相间短路和断线等故障时系统网络阻抗是在动态变化的。

网络等值的解决是在电力系统原始物理模型的基础上增加故障点和断面，根据故障点和断面的不同，选取不同阻抗变化系数和处理方式，而后运算得出系统的等值网络。

在网络等值的基础上，由故障测距装置判断和测量出故障点和接地阻抗，并根据电压等级计算出稳态时的短路电流，同时根据重合闸装置动作情况和电气量的相应变化来判断暂态时系统的短路电流的冲击系数，并和微机保护的采样所得的暂态系数相比较（可把相差的数据量存入专家系统）。<注：关于故障测距和接地电阻的测量与计算参考后面 designtimesp=22354 designtimesp=25689 designtimesp=2789>

电力系统在正常情况下，网络等值是不存在什么实际的用途，但在系统不正常运行时的等值网络是系统分析问题的基础。在厂站端的故障测距和录波装置，提供实时数据和系统样本数据，主站端进行分析和计算、统计、判断，从而得出系统的故障状况和可能的发展趋势，这种趋势的分析主要在系统的实时数据传到之后就进行的，无时间延续和进行不完整的数据分析等情况。

有些监控系统在系统发生短路时需要计算系统的潮流，因为在系统发生短路的百分之几秒内，同母线的系统不会受到冲击，当同母线相邻线路受到短路电流冲击时，重合闸动作，所以同母线的相邻线路的系统潮流仅是在重合闸动作以后才开始计算系统分配的潮流。

潮流计算与环网或星形网络的配电系统有直接的联系，一般情况目前真正意义上去做环网配电系统的潮流计算及优化还处于研究和实验化阶段，现多以辐射网和梳状电网为主，对于环网仍然没有什么好的方法去解决它。

对于潮流优化的计算方法和过程，在总结和实践中得到如下过程：

电力系统发生故障时，系统的故障测距装置进行短路点的故障测量（指短路故障），（测量系统此时的系统有功，同时也可测量系统的短路点电压）分析故障类型，计算短路电流，计算潮流和进行潮流优化--分配无功缺额、明确无功流向和分配系统有功，同时排除故障，稳定系统运行。

电力系统正常运行时，明确电流和有功的流向和大小，明确系统有无无功缺额，分析潮流变化方向，使系统经济运行。

电力系统发生纵向故障时，有明确变化趋势的是系统的电压（PT上的磁饱和快，故测量侧电压变化比较敏感，其信息较易捕捉），根据电压的变化确定是纵向故障，排除故障，防止系统振荡。

2.3.2.2．4负荷预测STLF (Short_Term Load Forecasting)

2.2.2.2．4．1概述

发电的负荷预测可与发电机机组的组合、水电计划、火电计划和交换计划等放在同一个模块里进行软件设计。发电机机组的组合主要应用于发电系统的出力；水电计划、火电计划主要应用整个电力系统的调峰、调频和调整无功（同时水电还应考虑水量的丰、枯）；交换计划是编制次日满足系统功率的发电计划，以便有计划的发电或停机。

负荷预测可分为系统负荷预测和母线负荷预测，其负荷预测在应用上是按照周期来划分的，可从几分钟、几个小时、几天到几个月、几年。系统负荷预测用来进行系统安全监测和负荷控制、编制运行计划、安排检修计划等；母线负荷预测本质上是指在某个特定的时刻在母线上流的系统的功率，这些数值也可以作为系统运行的故障数据，也可在某些时候代替实时数据的错误值来进行数据总加。

电力系统的负荷预测分为长期负荷预测、中期负荷预测、短期负荷预测和超短期负荷等四种。由于系统的负荷预测在电力系统占有较大的比重，所以，近几年的有关系统的负荷预测的理论应运而生，如，系统量化法（回归分析、方差分析、主成分分析）但大多数的理论仍是建立在纯数理统计的基础上，同时样本量需求大。

随着现代智能计算方法的大量产生。例如：模糊数学在预测中的使用、专家系统、神经网络分析、灰色理论、人工智能等；另外，随着现代控制理论的深入研究和在工业自动化领域中的广泛应用，计算机系统的发展和相关软件的涌现，电力系统的负荷预测无论是在预测的精度上还是预测的方法，都作了很大的提高。

作为计算机软件的编制者，对于电力系统的短期和超短期负荷预测，采用了灰色理论作为负荷预测的主体理论，采用神经网络的进行误差修正。

灰色理论的负荷预测是采用双灰色理论的预测值的修正项，神经网络的反馈修正项，作为系统预测的主体数据，神经网络的误差反馈作为预测数据误差反馈的修正项。

2.3.2.2．4．2灰色理论

灰色理论是相对于白色理论和黑色理论而提出来的，白色理论就是线性的或非线性的函数关系，但其关系已经可数学表达式表示出来；黑色理论是已知输入量，求输出量（无数学的函数关系）；灰色理论等同于黑色理论的已知输入量和部分数学关系，但关系并不十分明朗。

灰色理论的目的是减少预测点样本空间，减少预测点对数据量的要求和统计，主要是在统计的结果上，寻求一种近似线性或一种非线性统计步骤，减少样本量和计算量。但对其它的预测方法，上述目的是建立在牺牲预测精度的基础上，而灰色理论则并非如此。

2.3.2.2.4.3神经网络预测

对于电力的天气情况，温度的高低、雨雪量的多少、什么时候的雨雪、气压高低、工农业用电比例、节假日等等，是灰色理论预测的一个弱点，需增加一个神经网络的反馈来实现误差的修正。
预测数据的控制流程：

图14：负荷预测控制流程图（资料来源曹伟）

初始的原始数据所得预测数据为初始预测数据，通过系数关联得到的预测数据为灰色理论预测的结果数据，往往以灰色理论预测的数据，上述的结果数据便作为输出数据，但为了提高预测精度和考虑天气情况对负荷的影响，必须增加相关天气的数据处理，用神经网络理论来处理相关天气或以模糊数学的理论该点的系数或反馈。

原始数据采用灰色预测得到初始的数据，由昨日的预测数据和昨日的实际数据求得初始预测的两种及以上方法的精度关联系数，求得关联后的预测数据，此数据作为误差的考核的对象。引入天气和温度的相关系数，因为天气和温度的系数是一个模糊的概念，故可处理成整数“1”左右的浮点数，在一天内的24个小时，每隔一小时计算一个点；温度的概念同天气的概念，但温度在一天中，气象预报可以预报出一天的最高温度和最低温度（其时间可以由常规时间确定）。

2.3.2.2.4.2.4 软件的数据访问和预测的实现

做好Load Forecasting （一天以外的）对整个系统安全运行有直接的利益，目前供电系统对各个供电系统提出了负荷预测的具体要求，一般要求不能超越±2%，对于系统含有发电部分的供电系统，做好负荷预测和计划负荷是经济调度的基础。

软件的数据访问分为实时数据访问和历史数据访问。对于短期负荷预测和长期负荷预测宜采用历史数据访问模式，对于超短期负荷预测，则应采用实时数据访问模式。

由于数据的快速访问和反馈的及时处理，在程度上，负荷预测的工作量相对减少，响应速度相对加快，超短期负荷预测的精度在逐渐提高。

Data Modify (数据的修正)

电力系统的计划值的负荷预测和实际运行的值的比较而得出的差值已经作为一个衡量供电和计划用电的一个指数，根据各个供电部门的不同反映，其误差不应该大于2个的百分点，计划值曲线在±2%的实际的曲线上下摆动对于县市一级的供电部门在很大程度上是不太现实的，所以供电部门的这一种电量的考核方式是不科学的。

2.3.2.2.5潮流优化OPF(Optimal Power Flow)

最优潮流计算的目的是使系统静稳条件得以优化，运行的电力系统是动态的，计算机系统和网络通过调节控制变量的目标函数和满足电力系统对控制变量、状态变量及变量函数的限制。目标函数的叙述形式：电力系统总的发电成本；电力系统总的功耗；控制系统的偏移。目标函数的约束条件：潮流恒等式约束（线路、母线）；系统有功无功约束（包括交换功率）；电压约束（包括电压调节）；无功补偿约束；系统旋转设备的限制；系统频率限制。目标函数的控制变量为：发电机有功无功的输出；移相器的角度；发电机电压；有载调压的接头；无功电源（调相机、电容器、电抗器等）。

在EMS中无功优化属于潮流控制的一部分，但有些情况无功优化的设计是在最优潮流计算完成以后进行无功优化的，这样固然可以，但很多情况下，有功和无功的平衡不在同一个时间段内进行，破坏了系统稳定，所以很容易引起振荡。在软件设计的时候，应把无功优化和有功优化放在同一个处理函数中处理它。

从过程控制图上可以看出目标函数和系统的数据调用是系统的EMS软件潮流优化设计的中心，如何确定目标函数和数据设备是设计潮流优化程序首要条件。

AGC是发电模块的发电自动化核心，同时也是计划发电调节的辅助自动调节，AGC的功能模块是对含有调峰电厂和调频电厂的供电系统很有作用。对于电力系统其调峰电厂和调频电厂无非是提高电力系统稳定、经济运行的可能性，发电模块的AGC 和供配电模块的无功自动补偿、电压自动补偿是电力系统实现经济运行必要前提。

图15：潮流优化的过程控制图（资料来源曹伟）

输配电类的系统运行形式的优化可分为电压优化和电流优化。在输配电的系统中电流和电压是相对于其他形式的量较为重要，其三相电压和电流关系和值是系统的遥测量。作为上送数据的核心。也只有在电厂等电力部门才采集其它形式的量，如温度、压力、水位等。

在发电系统实行自动调节控制的基础下，输配电系统的经济运行才得以更好地解决，输配电系统的EMS是电力系统EMS 的最终实现模块，但也是电力系统实现EMS初始应解决的条件。

EMS 的系统软件是电力系统的整体运行、通讯、保护、调度等各个模块的自动化系统的综合应用。

电力系统的潮流优化的实质是在大系统情况下实施整体控制，正确地判定系统的潮流方向，然后进行电气量的选取，得出目标函数和各个约束条件，求取系统电气量的差值，进行反馈控制。可参考下面的一组计及安全的机组出力各约束条件。

功率平衡约束（条件）：

旋转备用约束（条件）：

机组出力上、下限约束（条件）：

机组最小运行/停运时间约束（条件）：

机组输出功率速度限制（条件）：

线路容量约束（条件）；

上式中分别表示第台机组在时段的输出功率、允许备用容量、运行状态和到时段之前机组已经连续运行的时间、连续停运的时间；分别表示第台机组输出功率的上下限；表示时段系统的旋转备用；分别表示第台机组最小运行/停运时间，输出爬升/下降速度；为选取的时段长度；为时段的线损；为时段允许载流量；第个节点时段的注入功率；为线路节点关系矩阵的元素；分别表示研究系统的组合数、时段数、传输线路数和系统节点数。

对于电厂各台机组的组合，各个约束条件地相互作用和对目标函数作用，从各个约束条件产生的潮流计算的方法，例如，上式的相互制约的约束条件：

图16:约束条件相互作用关系图（资料来源曹伟）

电力行业信息化改造（八）(曹伟 曲萍)

 电力行业信息化改造（七）(曹伟 曲萍)

 电力行业信息化改造（六）(曹伟 曲萍)

 电力行业信息化改造（五）(曹伟 曲萍)

电力行业信息化改造（三）(曹伟 曲萍)

 电力行业信息化改造（二）(曹伟 曲萍)

    电力行业信息化改造（一）(曹伟 曲萍)

本文由作者向AMT提供
作者联系方式：errorcao@hotmail.com

责编：曹伟

微信扫一扫实时了解行业动态

微信扫一扫分享本文给好友