應(yīng)用于SCADA的開關(guān)安全檢查系統(tǒng)研究

張單　嚴(yán)正　葉聰杰

摘 要：為了使調(diào)度員基于SCADA系統(tǒng)的開關(guān)操作更加安全，處理故障時(shí)更加及時(shí)準(zhǔn)確，效率更加高效，開關(guān)安全檢查系統(tǒng)是最好的選擇，它利用SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)態(tài)的潮流計(jì)算和故障分析等高級(jí)應(yīng)用，將開關(guān)操作之后的潮流狀況，可能發(fā)生的故障嚴(yán)重程度等呈現(xiàn)在調(diào)度員實(shí)際操作之前，讓其操作有據(jù)可依，從而整體提高電網(wǎng)調(diào)度的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；開關(guān)安全檢查；潮流計(jì)算；故障分析

引言

傳統(tǒng)的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System， 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）系統(tǒng)作用在于監(jiān)控電力網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行狀況，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及電網(wǎng)運(yùn)行的安全分析和故障處理[1]。但隨著電網(wǎng)運(yùn)行條件的日趨復(fù)雜，面對(duì)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)的繁瑣操作甚至是電網(wǎng)故障時(shí)快速涌來的繼電保護(hù)跳閘，自動(dòng)裝置動(dòng)作，傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足調(diào)度操作對(duì)安全性的高度要求。尤其在發(fā)生事故的情況下，調(diào)度員的誤操作甚至是不及時(shí)的調(diào)度操作都可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成難以估量的損失。所以調(diào)度員需要一種不同于專家系統(tǒng)[2]的開關(guān)安全檢查系統(tǒng)（Security Checked Switching，以下簡(jiǎn)稱SCS系統(tǒng)）。SCS系統(tǒng)可以幫助調(diào)度員在操作開關(guān)之前就確認(rèn)此開關(guān)操作之后的潮流改變，故障處理等電網(wǎng)狀況，充分利用了SCADA資源并減輕了調(diào)度員工作負(fù)擔(dān)的同時(shí)可以保證電網(wǎng)調(diào)度操作的及時(shí)性，安全性。

1 基于SCADA的SCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前看來，調(diào)度工作最為依賴的是電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)[3]。電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)依據(jù)不同的功能需求，會(huì)分為SCADA， PAS（Power Application System）高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)， AGC（Automatic Generation Control）自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)和DTS（Dispatcher Training Sim-ulator）調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)這幾個(gè)子系統(tǒng)。

如圖1所示，SCS系統(tǒng)是以SCADA系統(tǒng)為支撐平臺(tái)，與SCADA共享一次設(shè)備模型并整合了PAS中潮流計(jì)算和N-1故障分析功能[4]。

不同于專家系統(tǒng)，SCS系統(tǒng)不需要有別于其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，完全做到了和SCADA及PAS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。SCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于SCADA一次設(shè)備模型數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)態(tài)高級(jí)應(yīng)用。數(shù)據(jù)的同步是調(diào)度員操作SCS系統(tǒng)檢測(cè)開關(guān)時(shí)觸發(fā)的，保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)有效性。SCS系統(tǒng)支持調(diào)度員并行操作，并且所有的操作遵從排隊(duì)機(jī)制。調(diào)度員的操作在最新的數(shù)據(jù)上經(jīng)過SCS系統(tǒng)的計(jì)算后，通過報(bào)告性質(zhì)展示給調(diào)度員。

有別于傳統(tǒng)的SCADA報(bào)表功能，SCS的潮流計(jì)算結(jié)果和故障分析結(jié)果可直接顯示在SCADA的操作界面上。這個(gè)簡(jiǎn)明便捷的設(shè)計(jì)也是基于SCS系統(tǒng)的便于調(diào)度人員操作的應(yīng)用需求。

2 SCS系統(tǒng)對(duì)SCADA的操作優(yōu)化

調(diào)度員基于SCADA的操作大多是依靠調(diào)度規(guī)范以及自身的操作經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的。假如面對(duì)電網(wǎng)故障造成的繼電保護(hù)動(dòng)作、自動(dòng)裝置動(dòng)作、設(shè)備過負(fù)荷以及頻率、電壓越線等大量的故障信息時(shí)，調(diào)度人員很難快速的定位故障并進(jìn)行處理。假如此時(shí)使用實(shí)時(shí)態(tài)的PAS系統(tǒng)和DTS系統(tǒng)中的潮流計(jì)算等應(yīng)用再進(jìn)行故障恢復(fù)的模擬[5]，會(huì)錯(cuò)過最為有利的處理故障時(shí)機(jī)，處理不當(dāng)甚至?xí)o電網(wǎng)造成難以挽回的損失。

SCS系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時(shí)會(huì)體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)易的操作可模擬出接下來調(diào)度員在SCADA上的各種操作，再將模擬操作結(jié)果準(zhǔn)備無誤地展現(xiàn)在SCADA的界面之上。并且這個(gè)模擬估算的結(jié)果具有非常高的準(zhǔn)確性。

例如：線路故障造成線路兩側(cè)開關(guān)跳閘，此時(shí)假如調(diào)度員貿(mào)然將跳閘開關(guān)合閘很有可能造成故障的擴(kuò)大。但在SCADA界面點(diǎn)擊此跳閘開關(guān)，選擇SCS系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)，所有該開關(guān)合閘后的電網(wǎng)潮流改變信息會(huì)全部顯示在調(diào)度員面前。

調(diào)度員就可以根據(jù)SCS系統(tǒng)所展示的計(jì)算結(jié)果，選擇是否需要合閘。這為調(diào)度員提供了快速并準(zhǔn)確處理故障的信息，減輕了調(diào)度員的工作負(fù)擔(dān)并有效地提高了調(diào)度質(zhì)量。

3 SCS系統(tǒng)功能

SCS系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：基本電網(wǎng)潮流預(yù)先估算以及N-1故障分析。除此以外還有人性化的排隊(duì)機(jī)制和獨(dú)立的報(bào)表頁面。

3.1 潮流預(yù)先估算

潮流預(yù)先估算是SCS系統(tǒng)的核心部分，也是難點(diǎn)之一。如何才能在SCADA平臺(tái)上得到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)潮流，如何保證潮流的預(yù)估準(zhǔn)確，潮流預(yù)估后又該將哪些潮流信息提供給調(diào)度員，這些都是SCS系統(tǒng)需要解決的難題。

首先為了得到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)潮流值，架設(shè)在SCADA平臺(tái)上的SCS系統(tǒng)與實(shí)時(shí)態(tài)的潮流計(jì)算系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互。在每次SCS潮流預(yù)估計(jì)算前，都會(huì)獲得全部實(shí)時(shí)態(tài)的潮流斷面，在此基礎(chǔ)上的潮流計(jì)算才有參考的價(jià)值。其次，為了可以將調(diào)度操作之后的潮流在調(diào)度之前就準(zhǔn)確的預(yù)先估算出來，SCS除了利用SCADA提供的一次設(shè)備模型信息外，在每次SCS操作之時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)抓取在操作之前的電網(wǎng)狀況并針對(duì)想要進(jìn)行操作的開關(guān)刀閘，估算此開關(guān)操作之后的最新潮流狀況，估算潮流使用實(shí)時(shí)態(tài)潮流計(jì)算程序以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果與之前潮流對(duì)比后將電網(wǎng)狀況的改變?cè)敿?xì)的顯示出來。顯示的結(jié)果有：電氣島數(shù)量改變，連接、斷開發(fā)電機(jī)數(shù)量改變，連接、斷開線路數(shù)量改變，發(fā)電出力改變，負(fù)荷改變，電容器、電抗器投切數(shù)量，開關(guān)跳閘、合閘數(shù)量，電壓幅值及相角越線改變[6]和頻率越線改變。以上對(duì)比結(jié)果通常就是調(diào)度員在調(diào)度中心最為關(guān)心的電網(wǎng)潮流信息。

需要單獨(dú)說明的是，SCS系統(tǒng)此功能不僅僅只對(duì)單一開關(guān)起作用，可以同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)開關(guān)來檢測(cè)多個(gè)開關(guān)，同時(shí)改變開合狀態(tài)時(shí)電網(wǎng)潮流的變化。

3.2 N-1故障分析

依據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》和《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，電網(wǎng)可靠性可按照N-k法則進(jìn)行檢驗(yàn)。由此，SCS系統(tǒng)整合了PAS中N-1故障分析的功能。N-1故障分析指的是電網(wǎng)在收到單一擾動(dòng)后在不采取任何保護(hù)措施下對(duì)其他設(shè)備過負(fù)荷能力的檢測(cè)。此功能在SCS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，使得SCS的計(jì)算結(jié)果更為豐富，除了以上潮流估算提供給調(diào)度員的信息外，故障分析功能還將電網(wǎng)擾動(dòng)帶來的故障危害加深，電壓波動(dòng)甚至是電網(wǎng)崩潰告知調(diào)度人員，以幫助調(diào)度員確認(rèn)此擾動(dòng)的嚴(yán)重程度與電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)程度。但是N-1故障分析功能目前暫時(shí)不能適用于同一時(shí)刻的多個(gè)開關(guān)的故障分析，這也將是以后SCS系統(tǒng)的一個(gè)研究方向。

3.3 排隊(duì)機(jī)制

考慮到同時(shí)操作SCADA的調(diào)度人員會(huì)有多人的情況，SCS引入了排隊(duì)機(jī)制。即多個(gè)調(diào)度員可以同時(shí)給SCS系統(tǒng)的不同電網(wǎng)設(shè)備下達(dá)潮流計(jì)算和故障分析命令，按照命令下達(dá)的先后進(jìn)行排隊(duì)，依次將結(jié)果展示在所下達(dá)命令的操作屏上。另外，區(qū)別于SCADA界面的操作結(jié)果顯示，SCS系統(tǒng)引入了單獨(dú)的系統(tǒng)報(bào)表頁面。報(bào)表頁面會(huì)按照時(shí)間順序依次記錄下潮流計(jì)算和故障分析的引入點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果方便調(diào)度員來考察歷史數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用案例

4.1 案例一

如圖2所示，發(fā)電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)G1和G2分別經(jīng)變壓器XF1和XF2接在110kV分段母線上面，其中發(fā)電機(jī)斷路器1002和母聯(lián)斷路器1105處于斷開狀態(tài)，其余斷路器皆處于閉合狀態(tài)，發(fā)電機(jī)G2處于停運(yùn)狀態(tài)。

此時(shí)發(fā)電機(jī)G2投入運(yùn)行后，需要并入電網(wǎng)中。通常情況下調(diào)度員會(huì)憑借多年累積的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行1002的合閘工作，但是貿(mào)然的合閘動(dòng)作帶來的后果仍然是未知的。使用SCS系統(tǒng)就可以方便的預(yù)測(cè)到合閘使發(fā)電機(jī)G2并入電網(wǎng)后帶來的潮流變化。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4.2 案例二

假設(shè)案例二是在案例一的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行操作。發(fā)電機(jī)G2投入使用并且并入電網(wǎng)后，同時(shí)斷開斷路器1104，閉合斷路器1105。

這屬于較為常見的線路檢修前的廠站內(nèi)倒閘操作，可是這次較為復(fù)雜的操作可以更好的體現(xiàn)SCS的優(yōu)勢(shì)所在。

在一條線路檢修的情況下，將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的出力通過一條線路送入電網(wǎng)，假如沒有事先調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力的話很可能會(huì)造成線路的越線甚至是繼電保護(hù)動(dòng)作。

由表2的SCS計(jì)算所得出的結(jié)果可見，和我們預(yù)期的結(jié)果吻合，這次廠內(nèi)的倒閘操作導(dǎo)致了線路Line 1的電流越線。在一目了然的SCS預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果前，站內(nèi)的操作員或者調(diào)度員就可以采取相應(yīng)措施來避免類似的異?；蛘吖收习l(fā)生。

4.3 案例三

如圖3，終端220kV變電站，低壓側(cè)35kV母線上接有C1，C2和C3三組電容器組，其中C1和C2處于運(yùn)行中，C3處于熱備用狀態(tài)。

此時(shí)需要將C3投入運(yùn)行，在真正進(jìn)行合閘之前，用SCS做斷路器3503合閘的安全檢測(cè)。

根據(jù)SCS的計(jì)算結(jié)果，將電容器組C3通過合閘3503投入使用后使35kV母線電壓過高，并且觸發(fā)了母線的過電壓保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作從而使斷路器3501，3502和3503跳閘。根據(jù)SCS的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，調(diào)度員可以避免觸發(fā)繼電保護(hù)，破壞電網(wǎng)穩(wěn)定。此案例在繼電保護(hù)方面強(qiáng)調(diào)了SCS對(duì)穩(wěn)定電網(wǎng)調(diào)度操作的優(yōu)勢(shì)所在。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)束語

準(zhǔn)確掌握潮流的變化和及時(shí)正確地處理故障是電網(wǎng)調(diào)度最為重要的。文章引入了開關(guān)安全檢查系統(tǒng)（SCS系統(tǒng)），通過對(duì)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，功能介紹和其對(duì)SCADA操作的優(yōu)化展現(xiàn)了SCS系統(tǒng)的使用和可拓展價(jià)值。SCS系統(tǒng)可以幫助調(diào)度員進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的處理故障，避免在調(diào)度過程中出現(xiàn)因開關(guān)操作造成電網(wǎng)損失，另外故障分析功能可以在分析電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)起到一定的輔助功能。SCS功能充分利用了SCADA功能與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，整合了PAS系統(tǒng)中的高級(jí)應(yīng)用，相信它可以為電網(wǎng)的發(fā)展提供更加良好的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]顧雪平，劉道兵，孫海新，等.面向SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷信息的獲取[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（6）：64-70.

[2]趙偉，白曉民，丁劍，等.基于協(xié)同式專家系統(tǒng)及多智能體技術(shù)的電網(wǎng)故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（20）：1-8.

[3]張智.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（11）：58-62.

[4]汪洋，夏清，康重慶.考慮電網(wǎng)N-1閉環(huán)安全校核的最優(yōu)安全發(fā)電計(jì)劃[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（10）：39-45.

[5]谷毅，趙玉柱，張國威.我國DTS技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（13）：60-65.

[6]張明，穆世霞，張秀娥，等.調(diào)度自動(dòng)化混仿培訓(xùn)系統(tǒng)的模擬遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（10）：49-53.