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1、电力系统规划与可靠性,电气工程学院电力信息与控制研究所张莲梅,武汉大学电气工程及其自动化专业选修课,(第7专题：电力系统自动化规划),电力系统自动化规划,概述电力通信系统规划电网调度自动化系统规划变电站自动化系统规划配电自动化系统规划,概述,电力系统自动化的组成电力系统自动化规划的意义电力系统自动化规划的原则电力系统自动化规划的步骤,电力系统自动化的组成,【现代电力系统自动化】：由电厂自动化、电网调度自动化、变电站自动化、配电自动化等部分组成。它是信息技术、通信技术、计算机及网路和自动控制等技术在电力系统中的综合应用。【电网调度自动化】：通过设置在各电厂和变电站的远动终端（RTU）采集电网运行
2、的实时信息，通过信道传输到设置在各调度中心的主站上（MS），主站根据收集到的全局信息，对电网的运行状态进行安全分析、负荷预测以及自动发电控制、经济调度控制等。,2023/5/28,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所43,4,电力系统自动化的组成,变电站自动化：将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现全变电站的主要设备和输、配电线路的自动测量、监控和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能，又称变电站综合自动化。配电自动化：指一种可以在远方以实时方式监视、协调和操作配
3、电设备的自动化系统，主要是指配电变电站自动化和馈线自动化。配电自动化包括配电网数据采集和监控（SCADA）、配电地理信息系统（GIS）和需求管理（DSM）几个部分。,电力系统自动化规划的意义,电力系统自动化规划是电力自动化系统设计和实施的前提和依据，在进行电力自动化系统建设之前做好自动化系统的规划工作将大大提高电力自动化系统的可用性和扩展性，使系统具有较高的投人产出比和性能价格比。,电力系统自动化规划的原则,【改造和发展规划相协调】电力系统自动化的规划不可单纯为自动化而自动化，必须与电力一次网络和设备的改造和发展规划相协调，实现整体投资的技术经济综合优化。【处理好局部与整体、近期与远期的关系】
4、电力系统自动化规划应该处理好局部与整体、近期与远期的关系，分阶段投资和实施，分层次推广，并使分阶段建设的各电力自动化子系统协调发展，最终形成一个相互匹配的电力自动化系统。【数据结构和接口规范】电力系统自动化规划应该纳入电力系统规划和电力企业信息整体规划当中，应按照国际标准数据结构和接口规范规划，既要考虑信息共享，又要具有网络安全防护措施，保障系统的信息安全。,电力系统自动化规划的原则,【利用现有资源】最大限度地利用现有电力自动化系统和电力设施资源。非标准系统可通过必要转换接人标准系统，延长可用期限。应尽量选用模块化设计产品，便于功能扩展和技术升级，满足系统发展要求，避免重复投资。【因地制宜灵活
5、配置】电力自动化通信系统的实施应该因地制宜，考虑多种通信方式的综合应用，发挥光纤、无线、专线电缆、载波等多种通信方式的各自优点，灵活配置。【综合考虑经济效益和社会效益】电力系统自动化规划应综合考虑经济效益和社会效益，从提高供电安全性、可靠性和节能降耗，减少运行维护费用和工作量，提高电力企业工作效率和管理水平的角度出发，定量分析投资效益。,电力系统自动化规划的步骤,电力自动化现状与一次系统发展需求分析。确定电力自动化系统的建设目标。电力通信系统规划。电力自动化系统结构规划。电力自动化终端规划。电力自动化主站系统规划。电力自动化方案预算与经济性评估。,电力通信系统规划,输电网通信规划配电网通信规划
6、,输电网通信规划,输电网通信规划：一般指从发电厂、变电站到调度中心的长距离通信规划，主要纳入现有的国家电力数据网络（SPDnet）建设和规划体系中。SPDnet数据网络设计的原则：选择高可靠性、高带宽的通信方式和传输通道，建立高性能、综合多种业务的网络平台，提供实时数据通信业务、非实时数据通信业务、视频及多媒体通信业务。应具有高度灵活性，能支持多种协议，提供各种不同接口，以满足目前及未来的网络需求。应具有良好的可扩展性，网络设备应能支持网络的平滑扩容，保证在网络的增长过程中，网上业务不会受到影响。,输电网通信规划,应具有高度的可靠性、安全性及可保证的服务质量，以满足电力系统实时调度、报价结算等
7、特殊业务的需求。应具有按业务、部门等组建虚拟专用网的能力，以满足不同业务的需要，提供业务及用户群问的隔离，保证安全性，并为现有网络的接入提供方便。必须采用符合国际标准的协议和接口，满足与其他网络的互联要求。应具有较完善的网络管理功能，宜采用统一的网络管理平台，以简化管理程序，提高网络运行管理水平。应采用成熟、先进的网络技术，以保证网络的稳定、可靠运行。,输电网通信规划,SPDnet数据网络的基本组网技术：数字数据网(Digital Data Network，DDN)采用标准G.703接口和动态带宽分配（可选）；分组交换采用标准x.25和帧中继技术；路由器采用OSPF和IP路由协议。数字数据网：
8、利用数字信道提供半永久性连接的电路，传输数据信号的数字通信网络，通过该网络向用户提供全程端对端数字数据业务。它是全透明网，可支持任何协议。它以同步方式传输数据，采用PCM数字信道传输方式，传输速率每话路64kb/s，组网方式采用网状拓扑结构，网内任何两节点间中继阻断时，业务可自动迂回，不会中断。数字数据网是采用数字交叉连接和数字复用技术组成的提供高速数据传输业务的网络，是一个传输速率高、质量好、网络时延小、全透明、高流量、网管简便的理想的数字数据网。,X.25分组交换技术：组网纠、检错能力强，但网络传输速度不高，处理延时大，纠、检错过程复杂。SPDnet在初期基于当时通道条件的限制，才选用X.
9、25分组交换网。帧中继技术（framerelay）：采用与X.25相同的统计复用技术，但简化了X.25技术复杂的传输确认与纠错的过程，把重传功能推向网络外部的智能化外部终端，提高了传输速度，降低了端到端的延时，很好地满足了数据用户高速及突发性强的特点。ATM技术：采用异步时分复用的方法，将信息流分成固定长度的信元，进行高速交换。由于ATM采用统计复用技术，可以动态分配带宽，对于具有突发性特点的数据业务来说极为有利，同时ATM以固定长度的信元传送用户业务，又可以保证对延时敏感的用户的需求。,输电网通信规划,SPDnet中的各级网络互联：一是网、省、地区调度主控端到被控端变电站、电厂RTU（Rem
10、ote Terminal Unit）的通信；二是网、省、调度间的计算机系统及到部分厂站计算机系统的互连。RTU与调度端的连接：路由器方式。RTU通过协议转换器将所用协议转换至TCP/IP及标准的网络用户层协议，经串口或厂、站局域网与路由器连接，通过V3.5接口接入当地的ATM设备。局域网方式。RTU通过协议转换器将所用协议转换至TCP/IP及标准的网络用户层协议，接入厂、站局域网，通过局域网接口接入当地的ATM设备。RTU通过V2.4接口接入当地的ATM设备，在调度端系统通过其前置机以V2.4接口接入节点机。,输电网通信规划,网络安全问题：根据电力系统各业务部门上下级联系较多，有很多内部信息交
11、流要求安全、保密、不同业务部门横向联系较少的特点，数据网络应提供虚拟专用网络服务，使各部门可在此数据通信网络上建立自己的虚拟专用网（VPN）。不同种类的应用、网络也应根据各自的需要建立各自的VPN，以免彼此间的影响，实现各自的网络性能要求。VPN功能应允许单个物理网同时分化成多个逻辑网络，每个逻辑网络拥有自己的逻辑子网号，子网间完全分开，以确保相互之间安全隔离。,输电网通信规划,配电网通信规划,配电网通信规划：一般指城市的配电站或配电终端设备到配电调度中心的通信规划。由于配电设备分布广，通信节点数量大，而节点间数据通信量小，通信线路布线困难（如架空线入地引起），城市高楼造成无线电波绕射困难等特
12、点，配电网通信网络的设计和规划难度高，必须因地制宜地考虑多种通信方式的综合应用，发挥各种通信方式的优点，综合配置配电网通信系统。配电网中可采用的通信方式：载波通信。以与要传输的信息路径相同的配电线路为传输媒介，通过结合滤波设备，将要传输的数据等低频低电压信号转变为能在高压线路上传输的高压高频信号，在线路上传输并在接收端将信号还原的通信方式。这种方式投资费用低，组网灵活，实时性强，但线路电磁干扰大，可靠新较低。,光纤通信。以光波为载体，以光纤为传输介质的通信方式。这种方式传输容量大，损耗小，可靠性高，无噪声影响。脉动控制技术。工作原理类似于载波通信，也是将高频信号注入到电力传输线上，只是其对信息
13、的调制方式是通过让脉动有或无来实现的。这种通信方式采用频率较低，一般为100500Hz，易受到系统谐波的影响，因此选择频率时要注意避开系统谐波频率。工频控制。也是利用电力传输线作为信号传输途径的一种双向通信技术，工作原理是利用电压过零的时机进行信号调制。与脉动控制技术相比，设备更简单，投资更节省。电缆通信。使用专用的或公用的通信电缆为设备之间的信道，是一种质量高的信息传送方式，但其中间转接站多，投资费用较大。,配电网通信规划,电话专线。电话线已被电力公司广泛应用于SCADA和继电保护中，长期的实践证明它是一种发展成熟的通信方式。利用电话线通信比较适合配电自动化系统，其通信可以达到较高的波特率，
14、而且容易实现双向通信。但电话专线的租用费用往往比较高，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠运行。现场总线。连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，支持双向、多节点、总线式的全数字通信。RS485串行总线。一种改进的串行接口标准，可采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。无线通信。通过无线电波传输信号的通信方式，其建设成本、运行费用低，但受天气及其他地理环境因素影响。,配电网通信规划,配电网通信系统规划设计的原则：在配电网通信系统的规划中，配电自动化系统通信要具有较高的可靠件和抗干扰性，通信系统中的各种通信介质和通信设备要能够适应各种运行
15、条件，具有很好的防潮、防雨、防晒措施，还要能够承受高电压、大电流、雷击等干扰。配电网通信系统速率的选择应该根据配电自动化的不同应用功能选择相匹配的通信速率。配电网通信系统应根据监控系统的需要来决定是否需要双向通信能力。对于要实现开关的状态采集控制的场合要求配电通信系统支持双向通信能力；对于仅需要采集测量而不需要控制构场合则单向通信即可。,配电网通信规划,配电网通信系统既要考虑通信设备的初始投资费用又要考虑到通信系统的运行费用。配电网通信系统具有不受停电影响的适应性和故障恢复能力，即使在停电地区内通信仍能正常通信812h。配电网通信系统应该安装调试简捷，使用与维护方便。配电网通信系统应便于扩展，
16、满足通信系统的节点随网架结构变化和用户设备增加的扩展性能。配电网通信的规划需要进行以下工作：确定通信网络总体结构。选择不同层次的通信方式。确定通信终端基本功能及性能要求。确定通信规约。,配电网通信规划,电网调度自动化系统规划,SCADA系统规划能量管理系统（EMS）规划,我国的电网调度体系采取统一调度和分级管理模式，电网调度机构主要分为五级：国家调度机构（简称国调），跨省、自治区、直辖市调度机构（简称网调），省、自治区、直辖市级调度机构（简称省调），省辖市级调度机构（简称地调），县级调度机构（简称县调）。有效的电网调度自动化系统可以帮助调度员正确地了解电网的信息并做出正确的控制与决策，保证电力
17、系统能够运行在正常状态。电网调度自动化系统的规划主要分为监视控制与数据采集（SCADA）系统规划和能量管理系统（EMS）规划两个部分。,电网调度自动化系统规划,SCADA系统规划,SCADA系统规划包括终端设备与主站系统配置与规划两个方面。终端设备主要有厂站的RTU、PMU（Phasor Measurement Unit）以及变电站自动化系统中的测控单元。SCADA的终端设备配置与规划原则:PMU最优配置原则。出于成本的考虑，不可能在系统所有的节点上都安装PMU，关于PMU的安装地点和个数的问题，以保证系统结构完全可观测性和最大测量数据冗余度为约束，以配置PMU数目最小为目标。RTU配置原则。
18、增强状态估计的运行可靠性，即在运行方式不断变化和量测故障的条件下，能跟踪分析估计精度和检查量测系统的可观测性及不良数据的可辨识性。,SCADA系统信息模型应该遵循IEC61970的公共信息模型（Common Information Model，CIM）设计规范，历史数据库原则上应该采用大型商用数据库软件，实时数据库应支持标准的SQL等访问方式。SCADA主站系统硬件及软件的配置应考虑冗余配置，充分考虑系统可用性和可靠性的设计要求，采用双以太网、双服务器的处理方式，网络协议采用标准的协议等。SCADA主站系统与其他系统进行接口设计时，既要考虑信息共享，又要考虑到网络安全解决方案，遵循电监会发布的
19、电力二次系统安全防护规定。,SCADA系统规划,能量管理系统（EMS）规划,能量管理系统（EMS）应用软件可以分为能量管理、网络分析和调度员培训模拟三个方面，这些软件都可以按实时模式和研究模式两种模式工作。其软件规划配置如下：能量管理方面。能量管理方面的软件利用电力系统总体信息（频率、机组功率、联络线功率）进行调度决策，主要目标是提高控制质量和改善运行的经济型。能量管理软件从SCADA系统去频率和功率等实时数据，向SCADA系统传送机组控制信息。能量管理方面软件可以配置自动发电控制（AGC）、系统负荷预测、发电计划（也称火电调度计划）、机组经济组合（机组启停计划）、水电计划（水火电协调计划）、
20、交换功率计划、燃料调度计划。,网络分析方面。网络分析方面的软件利用电力系统全面信息（母线电压和相位）进行分析和决策，主要目标是提高运行的安全性，使EMS的决策能做到安全性与经济性的统一。网络分析软件从SCADA系统取实时测量值和开关状态信息，向SCADA传送测量质量信息；网络分析软件从能量管理软件取负荷预报值和发电计划值，传递网损修正值和机组安全限值。网络分析软件可以配置状态估计、母线负荷预报、潮流计算、预想事故分析、安全约束调度、最优潮流、短路电流计算、电压稳定性分析、暂态分析。调度员模拟培训。调度员模拟培训可以由研究方式或实时方式为出发点，按规定教案培训调度员，也可以做分析工具使用。,能量
21、管理系统（EMS）规划,主要内容：变电站自动化系统的基本要求变电站自动化系统的功能配置,变电站自动化系统规划,变电站自动化系统应能全面代替常规的二次设备，应集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布式的系统中。变电站微机保护的软、硬件设置既要与监控系统相对独立，又要相互协调。微机保护应具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或RTU提供保护动作信息或保护定值等信息。变电站自动化系统的功能和配置，应满足无人值班的总体要求。要有可靠、先进的通信网络和合理的通信协议。,变电站自动化系统的基本要求,必须保证变电站自动化系统具有高可靠性和强抗干扰能力。系统的可扩展性和适应性要好。系
22、统的标准化程度和开放性能要好。数据共享应该是综合自动化系统发展的趋势，必须充分利用数字通信的优势，实现数据共享，才能简化自动化系统的结构，减少设备的重复，降低造价。变电站自动化系统的研究和开发工作，必须统一规划，统一指挥。,变电站自动化系统的基本要求,变电站自动化系统的功能归纳起来可分为控制、监视功能，自动控制功能，测量表计功能，继电保护功能，与继电保护有关的功能，接口功能，系统功能七大功能，主要体现在下述五个子系统：监控子系统的功能数据采集。包括模拟量、开关量的采集和电能计量。事故顺序记录SOE（Sequence of Events）和事故追忆。故障录波和测距。控制及安全操作闭锁。运行监视与
23、人机联系。安全监视和报警。,变电站自动化系统的功能配置,打印功能。数据处理与记录功能。谐波分析与监视。微机保护子系统。应包括全变电站主要设备和输电线路的全套保护。具体有：高压输电线路的主保护和后备保护、主变压器的主保护和后备保护、无功补偿电容器组（电压等级高的变电站还包括电抗器组）的保护、母线保护、配电线路的保护及不完全接地系统的单相接地选线等。电压、无功综合控制子系统。变电站自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压和频率是电能质量的重要指标，故电压、无功综合控制也是变电站自动化系统的一个重要组成部分。,变电站自动化系统的功能配置,其它自动装置功能低频减负荷控制。
24、当电力系统因事故导致有功功率缺额而引起系统频率下降时，低频减负荷装置应能及时自动断开一部分负荷，防止频率进一步降低，以保证电力系统稳定运行和重要负荷的正常工作。备用电源自动投入控制。当工作电源因故障不能及时供电时，自动装置应能迅速将备用电源自动投入使用或将用户切换到备用电源上去。小电流接地选线控制。小电流接地选线系统中有线路发生单相接地时，接地保护应能正确地选出接地线路（或母线）及接地相，并予以报警。,变电站自动化系统的功能配置,远动及数据通信变电站自动化系统的现场级间的通信。主要解决自动化系统内部个子系统与上位机（监控主机及远动主机RTU）和个子系统间的数据通信和消息交换问题，通信范围是变电
25、站内部。变电站自动化系统与上级调度的通信。变电站自动化系统必须兼有RTU的全部功能，应该能将所采集的模拟量和开关信息量，以及事件顺序记录等于调度有关的信息远传至调度端；同时应该能接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令，完成新型RTU等全部四遥功能。,变电站自动化系统的功能配置,配电自动化系统规划,配电自动化系统的功能配置配电终端布点规划配电监控主站系统规划馈线自动化规划,根据配电系统自动化规划设计导则，配电自动化系统的主要功能应包括：调度自动化系统，变电站、配电所自动化，馈线自动化（FA），自动制图/设备管理/地理信息系统（AM/FM/GIS）,用电管理自动化，配电系统运行管理自动化，
26、配电网分析软件（DPAS），与其它系统的接口等八个部分。配电调度自动化系统。主要包括配电调度监控和数据采集系统（SCADA），配电网电压管理系统，配电网故障诊断和断电管理系统。变电站、开闭所（配电所）自动化。指与配电自动化系统相关联的变电站、开闭所自动化系统。,配电自动化系统的功能配置,馈线自动化。包括馈线故障自动隔离和恢复供电系统、馈线数据检测和电压、无功控制系统。自动制图/设备管理/地理信息系统。主要目的是形成以地理背景为依托的分布概念和基础信息（电网资料）分层管理的基础数据库，既能方便的查询和管理，又能为电网运行管理提供一个有效的、能操作的具有地理信息的网络模型。用户管理自动化。主要包括
27、有客户信息系统、负荷管理系统、计量计费系统、用电营业管理系统和用户故障报修系统。配电工作管理系统。主要进行日常的配电网运行管理、工程设计、施工计划、档案和统计等项目工作管理，并延伸出其它的辅助应用。配电网分析软件。主要进行网络结线分析、配电网潮流分析、短路电流计算、负荷模型的建立和校核、配网状态估计、配网负荷预测、网路安全分析、网络结构优化和重构及配电网电压调整和无功优化。,配电自动化系统的功能配置,配电自动化系统远方终端有馈线自动化终端装置FTU、配电变压器终端装置TTU、配电所/开闭所远方终端DTU三种类型。馈线自动化终端装置FTU是指具有自动或远程操作功能的配电网远程终端；配电变压器终端
28、装置TTU用于配电变压器的检测和控制，具有对配电变压器的各种运行参数的监视、测量及控制等功能；配电所/开闭所远方终端DTU用于配电网中开闭所和配电所设备的监控，并具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测等功能。配电终端布点配置技术原则：基于配电网当前一次设备和网架的现状，循序渐进地分阶段规划配置配电远方终端。,配电终端布点规划,配电远方终端信息量的配置和规划中，要考虑配电网信息化集成及配电网优化运行的需求，考虑系统的规模效益。配电远方终端的信息处理中，要考虑信息的可用性与实用性，根据信息量的使用需求设计信息的采集频率和实时性。配电远方终端的信息系统设计，要考虑系统建设的实用性和经济性，不仅考虑建设成
29、本，也要考虑运行维护成本。充分利用原有配电自动化系统的设备资源，原则上应该继承使用。原有终端设备可以通过原系统的二级主站或原主站的前置机接入新的配电监控主站DSCADA，实现遥信、遥测、遥控的功能。,配电终端布点规划,配电主站系统的规划需要进行配电自动化系统的信息量分析、确定配电自动化及管理系统的体系结构、确定配电自动化主站系统配置、确定配电自动化子站系统硬件及软件配置等几个方面的工作。配电主站系统配置技术原则如下：DSCADA系统的数据处理中，要考虑配电网信息的海量特点、海量数据的压缩分类处理以及根据应用需求快速获取信息能力的角度设计DSCADA模式。满足供电企业信息化与数字化要求，结合企业
30、的信息系统规划，确定DSCADA系统的采集与控制方案。设计好配电主站系统与相关系统的边界与接口。,配电监控主站系统规划,配电自动化主站系统在结构上应遵循分层、分布式体系结构的设计思想，根据信息量的实际要求，决定是否设立配电子站层，完成通信的分布式网络，形成集中转发的作用。配电高级应用软件配置规划。配电网应用分析软件的功能配置，应突出配电网经济运行和节能降耗实用性计算；配电网应用分析软件的实现，要充分利用DSCADA系统的采集数据以及相关系统的集成数据，并对这些数据进行相容性分析；配电网应用分析软件要具备通过公共信息模型（CIM）和组件接口规范（CIS）的集成能力。,配电监控主站系统规划,馈线自
31、动化FA配置技术原则如下：根据供电可靠性的需要及一次设备的现状，规划实施不同层次的FA配置模式。FA的配置模式和规划，要从狭路开关设备当前实际情况出发，要根据实际线路的供电可靠性要求选择相适应的合理模式。FA的设计模式，要从简化信息路径和适应线路拓补更改的角度设计更加可靠的简化模式。,馈线自动化规划,电力系统自动化规划,【思考题】电力系统自动化系统由那些部分组成？简要介绍SPDnet数据网络的基本组网技术。配电网通信可采用那些通信方式？变电站自动化系统应具备哪些功能？配电自动化系统应具备哪些功能？,电力系统自动化规划,【参考文献】程浩忠电力系统规划北京：中国电力出版社，2008张永健电网监控与调度自动化（第二版）北京：中国电力出版社，2007龚静配电网综合自动化技术北京：机械工业出版社，2008,
