電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室智能化改造的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

惠州學(xué)院電子科學(xué)系　方文田　遲正剛

電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室智能化改造的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

惠州學(xué)院電子科學(xué)系方文田遲正剛

為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)改造。以C#為開發(fā)工具，完善了原有SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的全面運(yùn)行監(jiān)控；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在線潮流分析模塊，為操作人員的調(diào)度控制提供依據(jù)。該設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)分析等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了較好的效果。

電力系統(tǒng)；SCADA；在線潮流分析；C#

0　引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的壓力也越來(lái)越大，對(duì)此，各國(guó)紛紛提出了各自的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略。調(diào)度是電網(wǎng)運(yùn)行的中樞，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)作為電網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，例如普遍采取了可視化等先進(jìn)的技術(shù)手段，并正在向調(diào)度智能化發(fā)展。其中，狹義的智能調(diào)度指調(diào)度人員的輔助決策系統(tǒng)，而廣義的智能調(diào)度包括調(diào)度各應(yīng)用業(yè)務(wù)的智能化。［1-3］

然而，我國(guó)高等院校電氣工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備的技術(shù)更新卻相對(duì)緩慢，與快速發(fā)展的智能電網(wǎng)技術(shù)明顯脫節(jié)，對(duì)于正在向應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型的新建地方本科院校而言，其培養(yǎng)目標(biāo)正在從重視理論素養(yǎng)向重視技術(shù)能力轉(zhuǎn)變，而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備明顯制約了學(xué)生技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)研發(fā)能力的培養(yǎng)。

我?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由3套發(fā)電廠實(shí)驗(yàn)臺(tái)和1套電網(wǎng)調(diào)度實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成，并以市電網(wǎng)作為無(wú)窮大電源，通過(guò)中間開關(guān)站和單回、雙回線路的組合，可模擬多種電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)已經(jīng)配備了基本的SCADA系統(tǒng)功能，但是，不夠完善，尤其缺乏與智能調(diào)度匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。但是，該系統(tǒng)具有靈活性和開放性的優(yōu)點(diǎn)，為后期的開發(fā)提供了極大的便利。

本項(xiàng)目研究針對(duì)現(xiàn)有電力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)SCADA系統(tǒng)做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠更好地為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供支持，并在此基礎(chǔ)上開

發(fā)了在線潮流分析模塊，從而可以為后期智能調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1　SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力實(shí)驗(yàn)裝置原有的監(jiān)控系統(tǒng)采用了分層分布式系統(tǒng)配置，如圖1所示。其中，上位機(jī)和現(xiàn)地控制單元（LCU）之間采用RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與各開關(guān)站的智能儀表、控制執(zhí)行單元（PLC）相聯(lián)，可通過(guò)局域網(wǎng)與遠(yuǎn)方調(diào)度通訊。該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的開放性，為后期的二次開發(fā)提供了方便。

基于上述硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用C#語(yǔ)言重新開發(fā)了該電力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。主要分為三個(gè)部分，分別為信息采集，信息處理，信息顯示。

圖1　電力實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

1.1信息采集

信息采集部分的工作流程為：（1）主機(jī)根據(jù)通信格式依次向各個(gè)微機(jī)（下位機(jī)）發(fā)送查詢報(bào)文，并對(duì)斷路器發(fā)出開合控制信號(hào)。（2）等待數(shù)據(jù)返回，一旦有數(shù)據(jù)返回則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)，并更新數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

1.2信息處理

信息處理部分的工作流程為：（1）校驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)異常則忽略這次數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)解碼，對(duì)數(shù)據(jù)按照通信規(guī)則進(jìn)行解碼，得到系統(tǒng)的各個(gè)參量。（3）數(shù)據(jù)合理性檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)參量進(jìn)行合理性檢測(cè)，忽略與實(shí)際相差太大的數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)存入數(shù)據(jù)區(qū)。

1.3信息顯示

信息顯示部分由頁(yè)面定時(shí)器完成對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)的更新顯示，包括線路參數(shù)，發(fā)電機(jī)參數(shù)，負(fù)荷參數(shù)。

1.4SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

本系統(tǒng)采用面對(duì)對(duì)象的C#編程語(yǔ)言，人機(jī)界面交互具有很好的友好性跟開放性。主界面顯示電力系統(tǒng)框架，開關(guān)站狀態(tài)，潮流分布以及報(bào)警信息，分界面可以查詢每條線路和負(fù)荷的參數(shù)，包括電壓，電流，有功功率，無(wú)功功率，相角和功率因數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行周期為0.8秒，很好的完成了信息的采集與顯示任務(wù)，為潮流分析做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，程序流程圖如圖2所示。

圖2　SCADA系統(tǒng)軟件流程圖

2　在線潮流分析模塊設(shè)計(jì)

2.1潮流計(jì)算的意義

（1）在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，通過(guò)潮流計(jì)算，合理構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，確定無(wú)功補(bǔ)償方案，選擇電氣設(shè)備。（2）發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中運(yùn)行的薄環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)的解決方案。（3）在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，用于確定運(yùn)行方式，為調(diào)壓計(jì)算，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算提供必要的數(shù)據(jù)。

（4）預(yù)想事故對(duì)電力系統(tǒng)的影響，做出預(yù)想的調(diào)整方案。

2.2拓?fù)浞治鏊惴?/p>

電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算是以導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的，電力系統(tǒng)線路的變化，直接導(dǎo)致導(dǎo)納矩陣的變化。如果系統(tǒng)不能準(zhǔn)確識(shí)別線路的變化，必然導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果的錯(cuò)誤。所以拓?fù)浞治鍪浅绷饔?jì)算的基礎(chǔ)。拓?fù)浞治龅淖饔迷谟跍?zhǔn)確識(shí)別線路的狀態(tài)，自動(dòng)劃分節(jié)點(diǎn)，從而形成導(dǎo)納矩陣。本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)通過(guò)讀取按鈕的開合狀態(tài)，判斷線路，發(fā)電機(jī)和負(fù)荷投入與否。接著把節(jié)點(diǎn)分成PV，PQ和平衡節(jié)點(diǎn)三類，通過(guò)查詢數(shù)據(jù)區(qū)表格，確定節(jié)點(diǎn)之間線路的導(dǎo)納，從而更新導(dǎo)納矩陣。

2.3潮流計(jì)算程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的潮流計(jì)算采用PQ分解法，過(guò)程主要分為四個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分，矩陣構(gòu)建部分，潮流計(jì)算部分，及數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警部分。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分主要通過(guò)從SCADA系統(tǒng)獲得電力系統(tǒng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及負(fù)荷和發(fā)電機(jī)組的投入情況，再由潮流計(jì)算交互界面對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼案鞴?jié)點(diǎn)信息做出修改，最后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)區(qū)。矩陣構(gòu)建階段則是根據(jù)從數(shù)據(jù)區(qū)讀取的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒋_定矩陣維數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的導(dǎo)納矩陣及其他輔助運(yùn)算矩陣。潮流計(jì)算部分這是按照2.2部分所介紹的過(guò)程進(jìn)行潮流計(jì)算。最后通過(guò)人機(jī)交互界面把運(yùn)算結(jié)果輸出到界面，并且給出可能的線路過(guò)載預(yù)警。系統(tǒng)流程如圖3所示：

圖3　潮流計(jì)算程序流程圖

3　調(diào)試與算例

3.1軟件系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)具有Windows應(yīng)用軟件風(fēng)格，充分發(fā)揮了Windows環(huán)境下圖形用戶界面的優(yōu)勢(shì)。操作人員可以十分直觀的面對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互。通過(guò)按鈕可以操作線路，負(fù)荷的接入與退出。通過(guò)分界面查詢線路和負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)信息。通過(guò)圖形和顏色變化可以直觀的反映線路狀態(tài)及功率流向。如果有發(fā)電機(jī)接入系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的圖標(biāo)顏色會(huì)改變，并且可以通過(guò)點(diǎn)擊圖標(biāo)查看發(fā)電機(jī)參數(shù)及狀態(tài)。通過(guò)潮流分析的按鈕可以進(jìn)入潮流計(jì)算界面。

圖4　電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2算例

假設(shè)一種情況，發(fā)電機(jī)A站通過(guò)雙回路環(huán)網(wǎng)向負(fù)荷D站供電，現(xiàn)要求在滿足負(fù)荷D站的供電要求且不能向無(wú)窮大電源（實(shí)際情況下相當(dāng)于外部電網(wǎng)）索取功率的情況下，發(fā)電機(jī)A站應(yīng)該輸出多少有功功率。發(fā)電機(jī)母線及無(wú)窮大電源電壓均設(shè)置為380V，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示，負(fù)荷端變壓器容量為2.5KV/A，變比為380V/380V，阻抗標(biāo)幺值為13%，負(fù)荷D站額定功率約為735W。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后發(fā)出潮流計(jì)算命令，經(jīng)過(guò)幾次逼近計(jì)算，可以得到當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出有功功率大約為800W的時(shí)候可以滿足負(fù)荷要求，此時(shí)負(fù)荷A站電壓約為374V，符合供電要求，潮流方向如圖4所示，由此可得發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率除了可以滿足負(fù)荷的需求，而且可以向無(wú)窮大電源輸送功率。實(shí)際運(yùn)行情況通過(guò)SCADA系統(tǒng)可測(cè)得結(jié)果基本與潮流分析結(jié)果一致。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5　在線潮流分析界面

4　結(jié)語(yǔ)

基于我校電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了智能調(diào)度的初步研發(fā)，設(shè)計(jì)了SCADA系統(tǒng)與在線潮流分析模塊，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)思路和調(diào)試算例介紹，清晰地展現(xiàn)了系統(tǒng)的性能。該SCADA系統(tǒng)可以對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行更為全面的監(jiān)測(cè)控制，同時(shí)為在線潮流分析提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，再由潮流分析系統(tǒng)給出合適的調(diào)度方案供調(diào)度人員參考。本設(shè)計(jì)不僅提升了現(xiàn)有電力實(shí)驗(yàn)裝備的技術(shù)水平，同時(shí)也完善了實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)管理手段，在電力系統(tǒng)分析等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中取得了較好的效果。

本設(shè)計(jì)采用通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，便于系統(tǒng)的升級(jí)和優(yōu)化。因此，本設(shè)計(jì)一方面為智能調(diào)度其它功能模塊的研發(fā)提供開發(fā)思路，可以直接培養(yǎng)項(xiàng)目參與者的技術(shù)研發(fā)能力。另一方面，其研發(fā)成果的推廣應(yīng)用對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力也是一個(gè)很好的嘗試。

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遲正剛【通訊作者】（1965—），男，山東青島人，副教授，主要從事電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)方面的教學(xué)與科研工作。

Design and realization of intellectualized reformation for power system laboratory

FANG Wen-tian，CHI Zheng-gang
（Electronic Science Department，Huizhou University，Huizhou 51007，China）

In order to cultivate qualified and practical talents，the existing experimental facilities of electric power system was investigated and developed.The primary database was improved and the operation of the electric power system was monitored overall based on C#.The onlinepower-flow-analysis model was accomplished，providing the basis of electrical control for operators.This design has been applied successfully on the experimental and teaching section of electric power system analysis.

power system；SCADA；online power flow analysis；C#

方文田（1995—），男，廣東揭陽(yáng)人，大學(xué)本科在讀，主要研究方向：電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)。