第七节EMS的网络分析系统功能 1)由于开关变位可能使母线所对应的计算节点数发生变化,也可能引起电力网 络开环、闭环等接线方式的变化 2)正确的网络拓扑分析是建立在正确遥信的基础上的。 3) SCADA系统因为设计因素和大量随机因素,不可避免地存在很多错误信息, 因而检测、辨识和修正网络结构的错误也是实时信息处理的重要内容。 网络接线分析 网络接线分析就是根据开关状态和网络元件状态由电网的节点模型产生电 网的母线模型的过程 网络接线分析主要用于实时网络状态分析、调度员潮流、预想事故分析和调 度员培训模拟系统等方面。它可以处理任何形式的实际电气接线成为计算模型 并且网络接线分析还应该有良好的显示功能,对运行和操作人员提供实时可靠的 接线内容。 在EMS系统中,对网络接线分析软件的设计要求是 可靠性:对任何形式的实际电气接线(例如带旁路的双母线配置、倍 半开关接线方式、环形网络结构等)均能正确处理为计算模型,无一例外。 2、方便性:对使用人员来说希望尽量直观而简单,例如对不带电的网络 用暗色表示,带电部分用明亮的颜色表示。而且能随负荷的大小改变其明亮 程度;对一个设备(机组、负荷、变压器和线路)来说不一定操作一个一个 的开关去开断它,只规定切除或恢复此设备,即表示有关开关的操作:随着 开关的动作母线在变化,希望编出的母线号对各厂站基本固定,对分裂出的 线分配新的编号,当再合并时能消去新编号,而不消去旧编号。即经过 系列开关操作后开关回到原来状态时,网络接线(母线编号)也能恢复原状。 快速性:接线分析是各种运行方式的出发点,希望尽可能快速,接线 分析过程属于搜索排队法,其运算次数随搜索元件数平方增长,故缩小搜索 范围是技术关键,事实上一个开关的动作不会影响别的厂站的接线,而且进 步分析可发现在一个厂站内不会影响其他电压等级的接线 近年来, SCADA也采用简单的网络接线分析给网络着色。接线分析的原理 并不深奥,运用的是“堆栈”原理或者说是“老鼠钻迷宫的方法。”网络接线分 析可以分为以下两个方面和步骤。 1、厂站母线分析:根据开关的开/合状态和元件的退出/恢复状态,分析 某一厂站的某一电压等级内的结点由闭合开关连接成多少个母线,其结果是将厂 站划分成多个母线。 2、系统网络分析:分析由电网中的母线和闭合的支路构成多少个子电网, 每个子电网是有电气联系的母线的集合,计算中以此为单位划分网络方程组。 电力系统状态估计和不良数据的检测辨识 1)考察任何目标的运动状态,如果已知其运动规律,则可以根据理想的 运动方程从状态初值推算出任意时刻的状态。这种方法是确定性的, 不存在任何估计问题。 2)如果考虑到一些不可预测的随机因素的存在,则这种方程是无法精确 求解的。即使采取了各种近似处理,其计算结构必然会出现某种程度 的偏差而得不到实际状态(或称为状态真值)。我们把这种环境叫做 噪声环境。 3)在实际应用中我们还是常常遇到一种对运动目标的参数进行观测(或
第七节 EMS 的网络分析系统功能 1）由于开关变位可能使母线所对应的计算节点数发生变化，也可能引起电力网 络开环、闭环等接线方式的变化。 2）正确的网络拓扑分析是建立在正确遥信的基础上的。 3）SCADA 系统因为设计因素和大量随机因素，不可避免地存在很多错误信息， 因而检测、辨识和修正网络结构的错误也是实时信息处理的重要内容。 一、 网络接线分析 网络接线分析就是根据开关状态和网络元件状态由电网的节点模型产生电 网的母线模型的过程。 网络接线分析主要用于实时网络状态分析、调度员潮流、预想事故分析和调 度员培训模拟系统等方面。它可以处理任何形式的实际电气接线成为计算模型， 并且网络接线分析还应该有良好的显示功能，对运行和操作人员提供实时可靠的 接线内容。 在 EMS 系统中，对网络接线分析软件的设计要求是： 1、 可靠性：对任何形式的实际电气接线（例如带旁路的双母线配置、倍 半开关接线方式、环形网络结构等）均能正确处理为计算模型，无一例外。 2、 方便性：对使用人员来说希望尽量直观而简单，例如对不带电的网络 用暗色表示，带电部分用明亮的颜色表示。而且能随负荷的大小改变其明亮 程度；对一个设备（机组、负荷、变压器和线路）来说不一定操作一个一个 的开关去开断它，只规定切除或恢复此设备，即表示有关开关的操作；随着 开关的动作母线在变化，希望编出的母线号对各厂站基本固定，对分裂出的 母线分配新的编号，当再合并时能消去新编号，而不消去旧编号。即经过一 系列开关操作后开关回到原来状态时，网络接线（母线编号）也能恢复原状。 3、 快速性：接线分析是各种运行方式的出发点，希望尽可能快速，接线 分析过程属于搜索排队法，其运算次数随搜索元件数平方增长，故缩小搜索 范围是技术关键，事实上一个开关的动作不会影响别的厂站的接线，而且进 一步分析可发现在一个厂站内不会影响其他电压等级的接线。 近年来，SCADA 也采用简单的网络接线分析给网络着色。接线分析的原理 并不深奥，运用的是“堆栈”原理或者说是“老鼠钻迷宫的方法。”网络接线分 析可以分为以下两个方面和步骤。 1、 厂站母线分析：根据开关的开／合状态和元件的退出／恢复状态，分析 某一厂站的某一电压等级内的结点由闭合开关连接成多少个母线，其结果是将厂 站划分成多个母线。 2、 系统网络分析：分析由电网中的母线和闭合的支路构成多少个子电网， 每个子电网是有电气联系的母线的集合，计算中以此为单位划分网络方程组。 二、 电力系统状态估计和不良数据的检测辨识 1）考察任何目标的运动状态，如果已知其运动规律，则可以根据理想的 运动方程从状态初值推算出任意时刻的状态。这种方法是确定性的， 不存在任何估计问题。 2）如果考虑到一些不可预测的随机因素的存在，则这种方程是无法精确 求解的。即使采取了各种近似处理，其计算结构必然会出现某种程度 的偏差而得不到实际状态（或称为状态真值）。我们把这种环境叫做 噪声环境。 3）在实际应用中我们还是常常遇到一种对运动目标的参数进行观测（或
测量)以确定其状态的情况。假如测量系统是理想的,所测量得到的 相量是理想的,可以用来确定状态的真值 4)但是实际的测量系统是有随机误差的,并不能通过直接的测量方程直 接求出状态真值。因此,由于噪声及随即测量误差的介入,无论是理 想的运动方程或测量方程均不能求出精确的状态向量。 5)只有通过统计学的方法加以处理以求出对状态向量的估计值,这种方 法称为状态估计。 6)状态估计可以分为两种。按照运动方程与以某时刻的测量数据作为初 值进行下一个时刻状态量的估计,叫做动态估计;仅仅根据某时刻测 量数据,确定该时刻的状态量的估计,叫做静态估计。 7)电力系统的实时信息是通过 SCADA系统传送到调度中心的,由于远 动装置的误差和各个环节造成的误差,使这些数据存在不同程度上的 误差和不可靠性。同时,在测量装置的种类和数量上的限制,往往不 能得到完整的、足够的电力系统分析所需要的数据。 8)在解决上述问题时,除了要改善测量和传输系统外,可以通过数学处 理的方法来提髙测量数据的完整性和可靠性。因此,状态估计就是要 求能在测量量有误差的情况下,通过计算以得到可靠的并且为数最少 的状态变量值。 9)状态估计采用的 SCADA实时数据中,可能会因为各种各样的原因, 存在不良数据。和状态估计协同工作的是不良数据的检测与辨识。在 进行状态估计前,应该将这些不良数据剔除。 0)为了进一步明确状态估计的概念,把状态估计与常规潮流计算进 行比较 潮流计算一般是根据给定的n个节点的注入量或电压模值求解n个节点的复数电 压。方程式的数目等于未知数的数目。一般用牛顿一拉夫逊法求解2n个非线性 方程组。 在状态估计中,测量向量的维数一般大于未知状态向量的维数,亦即方程式的个 数多于未知数的个数。其中,测量向量的值可以是节点电压、节点注入功率、线 路潮流等测量量的任意组合。一般按估计原理的处理方法来求解方程组的。 测量噪声 点注入量 潮流计算 N节点电压M维测量量 估计算法 节点电压 图5-18状态估计和潮流计算两种方法的比较图 (a)潮流计算:(b)状态估计 从图中可见,状态估计的实质是在量测类型和数量上扩大的“潮流计算”。 而常规潮流则是限定量测类型的节点注入功率或电压幅值条件下的狭义潮流。即 是状态估计算法中m=n的情况 不良数据是指误差大于某一个标准(例如3~10倍方差)的测量数据。在状 态估计中,只有排除了在量测量中的不良数据后,才能真正的进行状态估计。 对 SCADA的原始测量数据的状态估计结构进行检查,判断是否存在不良数
测量）以确定其状态的情况。假如测量系统是理想的，所测量得到的 相量是理想的，可以用来确定状态的真值。 4）但是实际的测量系统是有随机误差的，并不能通过直接的测量方程直 接求出状态真值。因此，由于噪声及随即测量误差的介入，无论是理 想的运动方程或测量方程均不能求出精确的状态向量。 5）只有通过统计学的方法加以处理以求出对状态向量的估计值，这种方 法称为状态估计。 6）状态估计可以分为两种。按照运动方程与以某时刻的测量数据作为初 值进行下一个时刻状态量的估计，叫做动态估计；仅仅根据某时刻测 量数据，确定该时刻的状态量的估计，叫做静态估计。 7）电力系统的实时信息是通过 SCADA 系统传送到调度中心的，由于远 动装置的误差和各个环节造成的误差，使这些数据存在不同程度上的 误差和不可靠性。同时，在测量装置的种类和数量上的限制，往往不 能得到完整的、足够的电力系统分析所需要的数据。 8）在解决上述问题时，除了要改善测量和传输系统外，可以通过数学处 理的方法来提高测量数据的完整性和可靠性。因此，状态估计就是要 求能在测量量有误差的情况下，通过计算以得到可靠的并且为数最少 的状态变量值。 9）状态估计采用的 SCADA 实时数据中，可能会因为各种各样的原因， 存在不良数据。和状态估计协同工作的是不良数据的检测与辨识。在 进行状态估计前，应该将这些不良数据剔除。 10） 为了进一步明确状态估计的概念，把状态估计与常规潮流计算进 行比较。 潮流计算一般是根据给定的n个节点的注入量或电压模值求解n个节点的复数电 压。方程式的数目等于未知数的数目。一般用牛顿－拉夫逊法求解 2n 个非线性 方程组。 在状态估计中，测量向量的维数一般大于未知状态向量的维数，亦即方程式的个 数多于未知数的个数。其中，测量向量的值可以是节点电压、节点注入功率、线 路潮流等测量量的任意组合。一般按估计原理的处理方法来求解方程组的。 从图中可见，状态估计的实质是在量测类型和数量上扩大的“潮流计算”。 而常规潮流则是限定量测类型的节点注入功率或电压幅值条件下的狭义潮流。即 是状态估计算法中 m＝n 的情况。 不良数据是指误差大于某一个标准（例如 3～10 倍方差）的测量数据。在状 态估计中，只有排除了在量测量中的不良数据后，才能真正的进行状态估计。 对 SCADA 的原始测量数据的状态估计结构进行检查，判断是否存在不良数 图 5-18 状态估计和潮流计算两种方法的比较图 (a)潮流计算；(b)状态估计 N节点注入量 潮流计算 N节点电压 网络参数 (a) 测量噪声 M维测量量 估计算法 N节点电压 网络参数 (b)
据并指出具体可疑数据的过程称为不良数据检测。 对检测的可疑数据验证真正不良数据的过程称为不良数据的辨识。 不良数据可以分为两类:一类是稳定的错数(属于设备和维修问题),这类 错误随着状态估计使用时间的加长和维护工作的完善,将逐渐减少。另外一类是 在每次的采样周期内随机出现的错误数据,这类错误是因为量测系统和传送系统 质量以及受到的干扰造成的。 要实现系统状态估计不良数据的检测和辨识,量测系统要具备两个条件: 1、要求量测量的总数m大于待求的状态量数n。要求有足够的冗余度 2、量测量的分布要均匀。即这些量测量的量测方程能覆盖住全网,每一个 状态量还有余度。 要掌握全电力系统的运行情况,总是希望能有足够多的测量信息通过远动装 置送到调度中心。但从经济的角度来考虑,只能将某些必不可少的数据通过远动 装置送到调度中心。通常称能足够表征电力系统所需要的最小数目的变量为电力 系统的状态变量。状态估计辨识不良数据的能力来自于量测系统的冗余度,能够 估计出全部状态量的量测系统具有可观测性,而去掉不良数据仍保持可观测性的 量测系统具有可辨识性。电力系统远动装置的工作情况是经常变化的,当远动信 息量严重不足时,可观测性和可辨识性满足不了要求,往往采用预测型和计划型 伪测量量来补充 电力系统网络安全分析和安全约束调度 1)安全分析属于电力EMS中的安全监视功能 2)对安全的广义解释是保持不间断的供电,亦即不失去负荷 3)在实用中可以更确切地用正常供电情况下,是否能保持潮流和电 压模值在允许限值范围以内来表 )可以用两个约束条件来说明,一个是等约束条件:各用户的有功 和无功负荷与系统发出的有功和无功负荷应该相等。另外一个是 不等约束条件:在具有合格电能质量的条件下,有关设备的运行 状态(节点的电压、支路有功、支路无功)应处于其运行限值的 范围内。 5)EMS的最大作用不在于实时处理电力系统事故,而是在于预防事 故的发生 6)一般来说,电力系统实际运行通常包含有四个运行状态 7)对于正常状态的电力系统又可以分为安全正常状态和非安全正 常状态两类。从电力系统运行的角度来看,处于正常状态的系统 当发生故障时,系统可能仍然处在安全状态;由于网络结构的变 化,电力系统也可能出现输电线路过负荷、电压数值越限、系统 失去稳定等情况 8)因此,从电力系统的安全角度考虑,应该用预想事故分析的方法 来预先知道系统是否存在隐患,即处在所谓的不安全正常状态, 以便及早采取相应的措施来防患于未然,使电力系统从不安全正 常状态转变为安全正常状态。这也正是电力系统安全分析的 的 9)预想事故分析指的是针对预先设定的电力系统元件(线路、变压 器、发电机、负荷和母线等)的故障及其组合,确定它们对电力
据并指出具体可疑数据的过程称为不良数据检测。 对检测的可疑数据验证真正不良数据的过程称为不良数据的辨识。 不良数据可以分为两类：一类是稳定的错数（属于设备和维修问题），这类 错误随着状态估计使用时间的加长和维护工作的完善，将逐渐减少。另外一类是 在每次的采样周期内随机出现的错误数据，这类错误是因为量测系统和传送系统 质量以及受到的干扰造成的。 要实现系统状态估计不良数据的检测和辨识，量测系统要具备两个条件： 1、 要求量测量的总数 m 大于待求的状态量数 n。要求有足够的冗余度。 2、 量测量的分布要均匀。即这些量测量的量测方程能覆盖住全网，每一个 状态量还有余度。 要掌握全电力系统的运行情况，总是希望能有足够多的测量信息通过远动装 置送到调度中心。但从经济的角度来考虑，只能将某些必不可少的数据通过远动 装置送到调度中心。通常称能足够表征电力系统所需要的最小数目的变量为电力 系统的状态变量。状态估计辨识不良数据的能力来自于量测系统的冗余度，能够 估计出全部状态量的量测系统具有可观测性，而去掉不良数据仍保持可观测性的 量测系统具有可辨识性。电力系统远动装置的工作情况是经常变化的，当远动信 息量严重不足时，可观测性和可辨识性满足不了要求，往往采用预测型和计划型 伪测量量来补充。 三、 电力系统网络安全分析和安全约束调度 1) 安全分析属于电力 EMS 中的安全监视功能。 2) 对安全的广义解释是保持不间断的供电，亦即不失去负荷。 3) 在实用中可以更确切地用正常供电情况下，是否能保持潮流和电 压模值在允许限值范围以内来表示。 4) 可以用两个约束条件来说明，一个是等约束条件：各用户的有功 和无功负荷与系统发出的有功和无功负荷应该相等。另外一个是 不等约束条件：在具有合格电能质量的条件下，有关设备的运行 状态（节点的电压、支路有功、支路无功）应处于其运行限值的 范围内。 5) EMS 的最大作用不在于实时处理电力系统事故，而是在于预防事 故的发生。 6) 一般来说，电力系统实际运行通常包含有四个运行状态。 7) 对于正常状态的电力系统又可以分为安全正常状态和非安全正 常状态两类。从电力系统运行的角度来看，处于正常状态的系统 当发生故障时，系统可能仍然处在安全状态；由于网络结构的变 化，电力系统也可能出现输电线路过负荷、电压数值越限、系统 失去稳定等情况。 8) 因此，从电力系统的安全角度考虑，应该用预想事故分析的方法 来预先知道系统是否存在隐患，即处在所谓的不安全正常状态， 以便及早采取相应的措施来防患于未然，使电力系统从不安全正 常状态转变为安全正常状态。这也正是电力系统安全分析的目 的。 9) 预想事故分析指的是针对预先设定的电力系统元件（线路、变压 器、发电机、负荷和母线等）的故障及其组合，确定它们对电力
系统的安全运 行产生的影响。 它的主要功能 预防控制 是 按照调度员的需要方校正控制 不安全状态 恢复控制 便地设定预想事故 2、快速区分各种故障对「紧急状态 紧急控制 恢复状态 电力系统安全运行的危害程 度 偶然事件状态转移 安全控制状态转移 3、准确分析严重故障后 图5-19电力系统运行状态及其转化过 的系统状态,并能方便而直观 展示结果。 早期的预想事故分析是采用一般交流潮流和直流潮流,连续计算预想事故集 合中各种事故情况的潮流解,来判断它对系统安全的影响。然而这种方法是随着 电力系统规模的扩大和预想故障数目的增加而变得越来越不可能。这种分析方法 的计算量很大,很难适应实时性的要求。现在较为常用的是预想事故的自动选择 方法。 预想事故的自动选择( ACS Automatic Contingency Selection)就是在实时条 件下利用电力系统实时信息,自动迭代出那些会引起支路潮流过载、电压违限等 危急系统安全运行的预想事故。并用运行指标来表示它对系统造成的危害严重程 度,按其顺序排队给出一览表。这样就不必对整个预想事故集合进行逐个详尽的 分析计算。因为有意义的预想事故只占到整个预想事故集合的一小部分,这种方 法的优点是不必对所有的预想事故进行逐个详尽的分析计算。因此,可以减少计 算时间,加快安全分析的速度 在系统中,预想事故的选择不是完全主观臆断的。对系统整个运行安全水平 不构成影响的事故,例如馈线故障等,是可以不考虑的。预想事故一般都是属于 有功电源或无功电源或其输送设备被迫退出工作的事故。换言之,就是使电力系 统的备用电源的容量发生跃变式的降低,系统安全水平随之危险性地下降的事 故 预想事故一般以下面的几种形式出现 2、切除一条输电线路,或者一个变压器单元 3、切除一台发电机组,特别是主要的发电机组; 4、某些情况下,应考虑切除一段高压母线。 在上述某个预想事故的冲击下,分析电力系统可能出现的基本响应,就是安 全分析的内容。 上面我们提到,在电力系统四个不同的状态中,可以通过不同控制在这四个 方式间进行相互的转换。在这个过程中,预防性控制、安全校正和恢复控制中都 要用到安全约束调度 在调度中心,状态估计的结果给出了系统运行的实时数据,并将这些数据显 示在运行接线图上,可以清楚地向运行人员显示出当时电力系统运行方式。这种 人机联系的方式称为安全监视,通过安全监视,调度人员对电力系统的实时运行 情况,可以形象地集中掌握。然后,调度人员可以预想一个必要的事故,通过计 算机的实时数据对这个假想的事故状态进行分析。快速的计算机可以用很快的速 度完成一次安全分析。并将数据通过安全监视,可以和正常状态的数据并列地显
系统的安全运 行产生的影响。 它的主要功能 是： 1、 按照调度员的需要方 便地设定预想事故。 2、 快速区分各种故障对 电力系统安全运行的危害程 度。 3、 准确分析严重故障后 的系统状态，并能方便而直观 展示结果。 早期的预想事故分析是采用一般交流潮流和直流潮流，连续计算预想事故集 合中各种事故情况的潮流解，来判断它对系统安全的影响。然而这种方法是随着 电力系统规模的扩大和预想故障数目的增加而变得越来越不可能。这种分析方法 的计算量很大，很难适应实时性的要求。现在较为常用的是预想事故的自动选择 方法。 预想事故的自动选择（ACS Automatic Contingency Selection）就是在实时条 件下利用电力系统实时信息，自动迭代出那些会引起支路潮流过载、电压违限等 危急系统安全运行的预想事故。并用运行指标来表示它对系统造成的危害严重程 度，按其顺序排队给出一览表。这样就不必对整个预想事故集合进行逐个详尽的 分析计算。因为有意义的预想事故只占到整个预想事故集合的一小部分，这种方 法的优点是不必对所有的预想事故进行逐个详尽的分析计算。因此，可以减少计 算时间，加快安全分析的速度。 在系统中，预想事故的选择不是完全主观臆断的。对系统整个运行安全水平 不构成影响的事故，例如馈线故障等，是可以不考虑的。预想事故一般都是属于 有功电源或无功电源或其输送设备被迫退出工作的事故。换言之，就是使电力系 统的备用电源的容量发生跃变式的降低，系统安全水平随之危险性地下降的事 故。 预想事故一般以下面的几种形式出现： 2、 切除一条输电线路，或者一个变压器单元； 3、 切除一台发电机组，特别是主要的发电机组； 4、 某些情况下，应考虑切除一段高压母线。 在上述某个预想事故的冲击下，分析电力系统可能出现的基本响应，就是安 全分析的内容。 上面我们提到，在电力系统四个不同的状态中，可以通过不同控制在这四个 方式间进行相互的转换。在这个过程中，预防性控制、安全校正和恢复控制中都 要用到安全约束调度。 在调度中心，状态估计的结果给出了系统运行的实时数据，并将这些数据显 示在运行接线图上，可以清楚地向运行人员显示出当时电力系统运行方式。这种 人机联系的方式称为安全监视，通过安全监视，调度人员对电力系统的实时运行 情况，可以形象地集中掌握。然后，调度人员可以预想一个必要的事故，通过计 算机的实时数据对这个假想的事故状态进行分析。快速的计算机可以用很快的速 度完成一次安全分析。并将数据通过安全监视，可以和正常状态的数据并列地显 校正控制 恢复控制 预防控制 安全状态 不安全状态 紧急控制 紧急状态 偶然事件状态转移 恢复状态 安全控制状态转移 图 5-19 电力系统运行状态及其转化过 程
示在荧光屏上,给调度人员一个十分清晰的印象。理论上讲,按照这个工作循环, 对所有必要的事故都要进行一次相应的安全分析和安全监视后,调度人员对当时 运行方式地安全水平就有了相当清楚的了解。如果调度人员对显示的安全水平认 为满意(根据个人的或集体的经验或认识),原运行方式不需作任何更改,安全 调度的过程就完成了。如果调度人员对显示的安全水平仍然不满意,则可以根据 经验对系统的运行方式进行改动。这样就必然引起状态估计的结构也发生变化, 于是在这个改变了的电力系统实时状态数据的基础上,再进行一轮预想事故的安 全监视,直到调度人员对运行方式的安全水平感到合理或满意时,才算完成一次 安全调度的过程
示在荧光屏上，给调度人员一个十分清晰的印象。理论上讲，按照这个工作循环， 对所有必要的事故都要进行一次相应的安全分析和安全监视后，调度人员对当时 运行方式地安全水平就有了相当清楚的了解。如果调度人员对显示的安全水平认 为满意（根据个人的或集体的经验或认识），原运行方式不需作任何更改，安全 调度的过程就完成了。如果调度人员对显示的安全水平仍然不满意，则可以根据 经验对系统的运行方式进行改动。这样就必然引起状态估计的结构也发生变化， 于是在这个改变了的电力系统实时状态数据的基础上，再进行一轮预想事故的安 全监视，直到调度人员对运行方式的安全水平感到合理或满意时，才算完成一次 安全调度的过程