電力自動化常用理論

電力自動化基本理論華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院羅毅

思考1、如何選擇監(jiān)控變量？2、如何確定監(jiān)控周期？3、如何實(shí)現(xiàn)信息采集？4、如何選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？5、如何提高系統(tǒng)可靠性？一、分層原理層：按縱向劃分的結(jié)構(gòu)上相對獨(dú)立、功能上也相對獨(dú)立的部分一個復(fù)雜系統(tǒng)按縱向可以劃分成很多層：第N+1層第N層第N-1層分層原理要求：各層結(jié)構(gòu)上相對獨(dú)立、功能上也相對獨(dú)立層與層之間的接口應(yīng)該盡可能簡單、接口信息量應(yīng)該盡可能小下層為上層提供服務(wù)上層在下層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高級的功能分層原理層與模塊：模塊是同一層中（橫向）結(jié)構(gòu)和功能相對獨(dú)立的部分每一層可以劃分成多個模塊模塊劃分原則：各模塊結(jié)構(gòu)上相對獨(dú)立、功能上也相對獨(dú)立；模塊間的接口應(yīng)該盡可能簡單、接口信息量應(yīng)該盡可能小分層原理電力系統(tǒng)為什么要采用分層監(jiān)視與控制？復(fù)雜大系統(tǒng)有功功率和無功功率動態(tài)平衡

PG

PLD+PfQGQLD+Q

不可能在同一地點(diǎn)對電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視控制，也不可能在同一時間對整個電力系統(tǒng)的自動化同時建設(shè)電力系統(tǒng)分層調(diào)度國家調(diào)度中心大區(qū)電網(wǎng)調(diào)度中心省調(diào)度中心地區(qū)調(diào)度所縣級調(diào)度所超大型電廠大型電廠、核電廠中型電廠地方小電廠500kV變電站220kV變電站110kV變電站負(fù)荷中心電力系統(tǒng)信息的分層傳輸元件狀態(tài)只傳輸給相關(guān)管轄的調(diào)度一個廠站的運(yùn)行狀態(tài)可能傳送給多個調(diào)度，例如網(wǎng)架上的變電站，但是根據(jù)分層調(diào)度原則傳送給多個調(diào)度的信息不應(yīng)該相同不加選擇地傳輸電力系統(tǒng)的信息只會造成信息風(fēng)暴，加重調(diào)度主站處理信息的負(fù)擔(dān)，可能干擾運(yùn)行人員的正確判斷，威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行變電站自動化系統(tǒng)IEC標(biāo)準(zhǔn)模型表用變壓器TC38開關(guān)柜變壓器TC17、14表用變壓器TC38開關(guān)柜變壓器TC17、14設(shè)備控制表計(jì)TC57保護(hù)擾動記錄TC59保護(hù)TC95IEC系列有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本結(jié)構(gòu)擾動功能環(huán)境條件TC57網(wǎng)絡(luò)控制中心遙控技術(shù)服務(wù)Level2變電站層Level1間隔層Level0過程層614545732變電站自動化系統(tǒng)IEC標(biāo)準(zhǔn)模型的7個接口I1：保護(hù)設(shè)備與變電站當(dāng)?shù)刂髡窘涌贗2：保護(hù)設(shè)備之間接口I3：保護(hù)設(shè)備與控制設(shè)備之間接口I4：表用變壓器與保護(hù)、監(jiān)控設(shè)備接口I5：斷路器、變壓器與保護(hù)、監(jiān)控設(shè)備接口I6：監(jiān)控設(shè)備與變電站當(dāng)?shù)刂髡窘涌贗7：技術(shù)服務(wù)典型的分層變變電站自動化化系統(tǒng)OSI/RM物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)輸層對話層表示層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)輸層對話層表示層應(yīng)用層主機(jī)A主機(jī)B二、分布式系系統(tǒng)分布式系統(tǒng)還還沒有統(tǒng)一的的定義Enslow對分布式系統(tǒng)統(tǒng)的定義：分布式系統(tǒng)＝＝分布式硬件件＋分布式控制制＋分布式數(shù)據(jù)據(jù)Enslow的分布式系統(tǒng)統(tǒng)模型H5H4H3H2H1硬件分散C1C2C3C4C5C6控制分散D1D2D3D4D5D6數(shù)據(jù)分散分布式系統(tǒng)允允許區(qū)域硬件分散性H1：只有一個控控制單元的單單個CPUH2：有多個ALU的單個CPU，只有一個控控制單元H3：分開的專用用功能單元，，比如帶一個個浮點(diǎn)協(xié)處理理器的CPUH4：帶多個CPU的多處理機(jī)，，但只有一個個單獨(dú)的I/O系統(tǒng)和一個全全局存貯器H5：帶多個CPU的多計(jì)算機(jī)，，多個I/O系統(tǒng)和多個本本地存貯器控制分散性C1：單個固定控控制點(diǎn)。（可可能有多個CPU）C2：單個動態(tài)控控制點(diǎn)。控制制器在多個CPU間切換C3：固定的主/從結(jié)構(gòu)C4：動態(tài)的主/從結(jié)構(gòu)C5：使用同一控控制器副本的的多個同類控控制點(diǎn)C6：使用不同控控制器的多個個異類控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)分散性D1：集中式數(shù)據(jù)據(jù)D2：含有單一集集中式目錄并并且沒有本地地目錄的分布布式文件D3：每個站點(diǎn)都都有復(fù)制數(shù)據(jù)據(jù)D4：有一個主結(jié)結(jié)構(gòu)的分區(qū)數(shù)數(shù)據(jù)庫，主結(jié)結(jié)構(gòu)保存所有有文件的一個個完全副本D5：有一個主結(jié)結(jié)構(gòu)的分區(qū)數(shù)數(shù)據(jù)庫，主結(jié)結(jié)構(gòu)僅保存一一個完整的目目錄D6：無主結(jié)構(gòu)文文件或目錄的的分區(qū)數(shù)據(jù)庫庫集中、分布、、分散？通俗地講，如如果一個自動動化系統(tǒng)的部部件局限在一一個地方，它它就是集中的；如果其部件件在不同的地地方，它就是是分散的；當(dāng)一個分散散式系統(tǒng)不存存在或僅存在在有限的協(xié)作作時，它是網(wǎng)絡(luò)的；當(dāng)一個分散散式系統(tǒng)存在在緊密協(xié)作時時，它是分布的分布式系統(tǒng)的的屬性任意數(shù)目的進(jìn)進(jìn)程任意數(shù)目的自自治處理單元元通過消息傳遞遞的通信進(jìn)程協(xié)作通信延遲資源故障獨(dú)立立故障化解網(wǎng)絡(luò)與分布計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不不一定是分布布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)可可以建立在計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上上三、PCM數(shù)字化方法四、采樣定理理一個頻帶限制制在（0,fH）Hz內(nèi)的時間連續(xù)續(xù)信號m(t)，如果以1/2fH秒的時間間隔隔對它進(jìn)行等等間隔采樣，則m(t)可被所得到的的采樣值ms(t)完全確定，即即如果將ms(t)通過截止頻率率為fH的低通濾波器器，低通濾波波器的輸出就就是m(t)。采樣定理更一般地，對對于帶寬為B帶通信號m(t)，其最高頻率率為fH，一般fH不一定為B的整數(shù)倍，即即fH=nB+kB0<k<1式中n是小于fH/B的最大整數(shù)。。為使等間隔隔采樣值ms(t)完全確定m(t)，最小采樣頻頻率為fs=2B+2(fH-nB)/n=2B(1+k/n)采樣定理應(yīng)用用之一：確定定監(jiān)視周期根據(jù)變電站運(yùn)運(yùn)行要求，可可以確定很多多被監(jiān)視量。。但是，不同同的被監(jiān)視量量有不同的變變化周期，即即使是同一被被監(jiān)視量，在在不同的條件件下也會有不不同的變化周周期，有的變變化迅速，有有的變化緩慢慢。例如，如果被被監(jiān)視量是穩(wěn)穩(wěn)態(tài)電流（有有效值），其其變化周期一一般是秒級的的；但是，如如果被監(jiān)視量量是故障時暫暫態(tài)電流，其其變化周期將將是毫秒級的的；如果被監(jiān)監(jiān)視量是雷電電流，則其變變化周期是微微秒級。采樣定理應(yīng)用用之一：確定定監(jiān)視周期監(jiān)控終端監(jiān)視視的量：穩(wěn)態(tài)態(tài)量、暫態(tài)量量。穩(wěn)態(tài)量的的變化緩慢，，暫態(tài)量變化化迅速監(jiān)視周期：若若在監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)的輸出設(shè)備備上觀察到的的等間隔采樣樣值序列能夠夠在給定的誤誤差范圍內(nèi)確確定被監(jiān)視量量，則該采樣樣值序列的最最大時間間隔隔稱為被監(jiān)視視量的監(jiān)視周周期實(shí)時性：監(jiān)視視周期的要求求采樣定理應(yīng)用用之二：時分分多路復(fù)用在不同的時間間片傳輸不同同信號的采樣樣值信號f1信號f2信號f1信號f2信道中采樣定理應(yīng)用用之三：E1信道話路E1復(fù)接PDHSDH“話路”的基本本概念PCM的概念是法國國工程師AlecReeres于1937年提出，它由由采樣、量化化和編碼三個個步驟組成。。模擬話音經(jīng)防防混疊的低通通濾波器限帶帶（300-3400Hz），然后以8kHz頻率將其采樣樣、量化和編編碼成二進(jìn)制制數(shù)碼。對于于電話通道，，規(guī)定其采用用值編碼為8位，共有256個量化級。這這樣每個數(shù)字字話路的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)速率為64kbit/s“話路”的基本本概念盡管現(xiàn)在通過過壓縮編碼，，可以使在可可接收的信噪噪比的前提下下一路電話信信號的通信速速率降低到16kbit/s、8kbit/s，但是人們?nèi)匀匀涣?xí)慣上將將64kbit/s稱為一個話路路帶寬，簡稱稱一個“話路路”。n個64kbit/s的話路可以合合并成一個更更大帶寬的信信道，稱為n×64kbit/s信道E1的基本概念采用與歐洲標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相同的的PCM30/32路的幀結(jié)構(gòu)（（稱為E1基群）幀長度Ts＝1/8kHz=125s。一幀分為32個時隙，其中中30個時隙供30個用戶（即30個話路）使用用，即TS1-TS15和TS17-TS32為用戶時隙。。TS0是幀同步時隙隙，TS16是信令時隙E1遵守G.703（ITU-T的分層數(shù)字接接口標(biāo)準(zhǔn)之一一），參見見《電力遙視系統(tǒng)統(tǒng)的理論與實(shí)實(shí)踐》PCM30/32系統(tǒng)位速率為為RBP＝fs×N×n=8000×8×32=2048kbit/s區(qū)別T1采用PCM24路的幀結(jié)構(gòu)（（稱為T1基群）位速率為RBP＝fs×N×n=8000×8×24=1544kbit/s我國采用E1而不采用T1采用數(shù)字復(fù)接接器技術(shù)，可可以把基群復(fù)復(fù)接成為二次次群，將二次次群復(fù)接成為為三次群，將將三次群復(fù)接接成為四次群群，將四次群群復(fù)接成為STM-1，(CCITT推薦)TDM制數(shù)字復(fù)接系系列地區(qū)單位基群二次群三次群四次群STM-1STM-4STM-16北美日本kbit/s1544631244736或32064274176或97723155.52Mbit/s622.08Mbit/s2488.32Mbit/s路數(shù)2496672或4804032或1440歐洲中國kbit/s2048844834368139264路數(shù)301204801920復(fù)接四次和四次以以下的高次群群，都是采用用準(zhǔn)同步方式式進(jìn)行復(fù)接的的，稱為準(zhǔn)同同步數(shù)字序列列（PDH）STM-1以上的高次群群，都是采用用同步方式進(jìn)進(jìn)行復(fù)接的，，稱為同步數(shù)數(shù)字序列（SDH）電力系統(tǒng)中采采用的STM-1有PDH體系，也有SDH體系。相關(guān)技術(shù)參見見《電力遙視系統(tǒng)統(tǒng)的理論與實(shí)實(shí)踐》一書五、有效信息息流數(shù)據(jù)是對客觀物體體的直接描述述或測量信息則是錯綜復(fù)雜雜的耦合數(shù)據(jù)據(jù)之間的聯(lián)系系知識表達(dá)了結(jié)構(gòu)化化的信息之間間的綜合關(guān)系系智能是獲取知識和和使用知識的的能力測度信息流定義信息流S為一個按照時時間遞增順序序排列的無窮窮<信息，時間，，生存周期>序列：S={<s1，t1，T1>，<s2，t2，T2>，……，<si，ti，Ti>，……}其中si是時刻ti的信息序列元元素Ti是si的生存周期即信息si產(chǎn)生于ti時刻，其生存存時間為[ti，ti+Ti]。信息流的處理理信息流的有效效性生存周期滿足足采樣定理要要求同一信息流對對一個業(yè)務(wù)功功能是有效的的，但是對另另一個業(yè)務(wù)功功能可能是無無效的例如，同樣是是一臺換流變變壓器故障跳跳閘信息，不不同的用戶關(guān)關(guān)注其不同的的側(cè)面，運(yùn)行行人員關(guān)注是是否是永久性性故障引起的的跳閘、跳閘閘對直流輸送送功率的影響響、對直流系系統(tǒng)運(yùn)行方式式的影響等；；檢修人員關(guān)關(guān)心引起跳閘閘故障的原因因和部位確定被監(jiān)視量量：有效信息息流早期方法：根根據(jù)狀態(tài)可觀觀測性確定＋＋經(jīng)驗(yàn)正在過渡：確定有效信息息流確定被監(jiān)控控量信息流的特征征：QOS要求（特別是是時效性）、、異步性、不不確定性確定被監(jiān)視量量：有效信息息流有效信息流：：滿足生產(chǎn)需需求的信息流流。例：繪出所有有效效信息流后就就可以確定被被監(jiān)視量六、滑動時變變監(jiān)控窗口滑動時變監(jiān)控控窗口WSCADA[t-T：t]是一種離散滑滑動時間窗口口，完成一次次監(jiān)控過程所所需的監(jiān)控信信息來自窗口口WSCADA[t-T：t]所對應(yīng)應(yīng)的信信息流流；在在進(jìn)行行下一一次監(jiān)監(jiān)控過過程時時，時時間窗窗口向向后滑滑動T，即時時間窗窗為WSCADA[t＋T-T：t＋T]。關(guān)于T和T存在非非常復(fù)復(fù)雜的的技術(shù)術(shù)問題題監(jiān)控窗窗口的的設(shè)置置滿足足采樣樣定理理、有有效信信息流流要求求滑動時時變監(jiān)監(jiān)控窗窗口七、冗冗余容容錯技技術(shù)容錯就就是容容忍錯錯誤，，是指指系統(tǒng)統(tǒng)（或或設(shè)備備）的的一個個或多多個關(guān)關(guān)鍵部部件發(fā)發(fā)生故故障時時，能能夠自自動地地進(jìn)行行檢測測、診診斷，，并采采取相相應(yīng)的的措施施，保保證系系統(tǒng)（（或設(shè)設(shè)備））維持持其規(guī)規(guī)定功功能，，或用用犧牲牲性能能來保保證系系統(tǒng)（（或設(shè)設(shè)備））在可可接受受范圍圍內(nèi)繼繼續(xù)工工作容錯通通常采采用冗冗余的的方法法來實(shí)實(shí)現(xiàn)。。即通通過冗冗余配配置硬硬件、、軟件件、時時間、、信息息等來來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)容錯錯，故故稱為為冗余余容錯錯，冗冗余容容錯方方式相相應(yīng)地地也稱稱為硬件冗冗余容容錯、軟件件冗余余容錯錯、時時間冗冗余容容錯、、信息冗冗余容容錯等冗余容容錯技技術(shù)由于采采用冗冗余技技術(shù)，，必然然增加加設(shè)計(jì)計(jì)、制制造困困難和和提高高初始始成本本。但但應(yīng)該該看到到，由由于停停機(jī)