CN102510134A - 一种对电力系统动态监测和控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对电力系统动态监测和控制的方法，属于电力系统监测和控制技术领域。本发明方法使用卫星定位系统对采样结果授时，对数据处理后将其拼接为可变帧长格式并以设定的频率主动上传至子站前置等上级系统，使用上行通信网络下发上级系统的控制命令，实现电力系统的动态监测及控制。本发明方法可基于现有成熟技术实现，利于控制成本，同时与电力系统中原监测系统具有极好的兼容性，适于广泛应用，同时带有时标的测量数据可用于电力系统动态监测、分析及控制，合适的上传频率不会增加数据处理负担，控制命令下行通道与数据上行通道共用同一通信网络，可方便实现控制命令下行。

Description

一种对电力系统动态监测和控制的方法

技术领域

本发明涉及一种对电力系统动态监测和控制的方法，属于电力系统监测和控制技术领域。

背景技术

随着社会的发展，电力系统的规模越来越大，覆盖面积也越来越广。同时，随着电力工业市场化，由于考虑运行效益等问题，电力系统的运行情况越来越接近稳定极限。近年来发生的几次大停电就是很好的证明。监测甚至预测广域电力系统的动态行为并进行相应的控制迫在眉睫。

现代电力系统最主要的监测系统是数据采集与监视控制系统(以下简称SCADA)，电力系统的综合控制系统是能量管理系统(以下简称EMS)。在SCADA系统中，目前使用的设备是远动终端(以下简称RTU)，分布在电网的各节点，各RTU通过专用的通信网络与电网调度中心的数据中心连接；在电网调度中心运行着EMS系统，从SCADA系统获取数据，由系统控制策略处理或人工干预控制，最终经由通讯网络向各RTU及其他控制器下发控制命令，实现电力系统的监测与控制。

近年来同步相量测量单元(以下简称PMU)的大范围联网使用，实现了电力系统的广域同步相量测量。以PMU网络为构架的电力系统广域测量系统(以下简称WAMS)逐渐形成。在WAMS系统中，PMU分布在电网的关键节点上(通常为所有500kV节点及关键220kV节点等)，通过WAMS系统专用的光纤网络与调度中心的数据集中器相连，WAMS系统基于PMU数据进行系统动态分析。

SCADA与EMS系统在电力系统中已经应用了相当长时间，技术成熟可靠，设备成本较低，已被广泛应用。虽然SCADA与EMS系统中RTU的采样间隔很短，但RTU上传数据的更新间隔为3至5秒甚至更长；且电网各节点的数据没有同步时标，尽管在电力系统稳态条件下是可以用的，但在动态条件下无法得到电力系统中同一时刻的电压值、功率值，因而导致不同节点的测量值在时间尺度上没有可比性，所以SCADA与EMS系统中的RTU的数据不适于电力系统的动态安全监测，更不能用于动态稳定分析及控制。由于SCADA与EMS系统已经在电力系统中广泛应用，其远动终端使用的是IEC60870-5-101规约(国内有些设备厂商使用了该规约的简化规约，以下将IEC60870-5-101及改进规约简称为101规约)，新型的测量控制装置若要保证较好的兼容性，应兼容101规约。

WAMS比传统的SCADA系统的测量精度更高、采样频率更高、数据更新更快，而且，由于使用了卫星对时系统，所以尽管测量目标分布在广阔的地域，数据中心的数据依然是同步的。但WAMS系统也有其不足：WAMS系统的通讯网络及规约与EMS系统采用的标准完全不兼容，而SCADA/EMS系统已经广泛应用，由EMS向WAMS的转变的难度极大；PMU设备的信号采样率非常高，这导致了设备成本很高，同时广域电力系统的海量数据汇集在数据中心，对数据中心的软硬件压力都非常大，而且电力系统动态的分析并不需要如此高的更新率；另外由于WAMS系统的网络结构、使用的IEEE C37.118规约、PMU终端设备等限制条件，WAMS没有信息的下行通道，不能实现电力系统的闭环控制，若想实现控制功能，需要额外的下行网络通道及控制响应设备，增加了整个电力系统控制的复杂性，降低了电力系统的可靠性。

目前电力系统动态监测与控制主要包括以下几部分内容：电力系统动态安全监视，电力系统低频振荡在线检测与闭环控制，电力系统动态负荷模型与参数辨识，电力系统大扰动广域观测与控制。以电力系统低频振荡的在线检测与闭环控制为例，电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上功率也会发生相应振荡，由于振荡频率很低，通常在0.1～2.5Hz之间，称为电力系统低频振荡。低频振荡制约电网间的功率传输能力，在扰动发生时极容易导致系统失稳。根据香农采样定理，若要监测出频率为2.5Hz的低频振荡，则至少需要5Hz的实测数据。而现有的RTU数据更新速度过慢，PMU更新速率能够满足需求，但过高的数据更新率带来的海量数据给通讯和服务器带来沉重的数据处理负担。

发明内容

本发明的目的是提出是一种对电力系统动态监测和控制的方法，综合了已有RTU和PMU的优点，以满足电力系统动态监测与控制的需求，为电力系统提供带时标的数据，而且不会产生过量数据，增加数据处理负担。

本发明提出的对电力系统动态监测和控制的方法，包括以下步骤：

(1)通过电压互感器和电流互感器，使电力系统中母线的高电压和大电流转换为可测量的低电压和小电流信号，远动终端对转换的可测量的低电压和小电流信号进行采样，远动终端利用卫星定位系统对得到的采样信号进行授时；

(2)根据电力系统需要，远动终端对授时的采样信号进行处理，将处理后的采样信号拼接为完整的上传数据帧，拼接后的数据帧中字节的意义依次为：起始字符68H、帧长的低位、帧长的高位、起始字符68H、控制字、链路地址、链路用户数据、校验和和结束字符16H；

(3)电力系统的远动终端将上述拼接后的数据帧，以设定的频率按照规约主动上传至电力系统的子站前置服务器；

(4)子站前置服务器将来自远动终端的上传数据帧按照与上传数据帧的相应规约进行解析，得到电力系统的原始测量数据，并将原始测量数据上传至电力系统调度中心的主站前置服务器，电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统通过主站前置服务器获取电力系统的原始测量数据；

(5)电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统对获取的电力系统原始测量数据进行处理，并根据控制策略生成对电力系统的控制命令，控制命令与上行通信通道共用同一通信网络，依次通过主站前置服务器和子站前置服务器，下达至远动终端。

本发明提出的对电力系统动态监测和控制的方法，其优点是：

1、本发明方法采用了卫星定位系统对采样数据进行对时，能够为量测数据实时打上时标，整个测量系统中由DRTU上传的数据将均为对时数据，在主站服务器中不同地域的子站DRTU数据均为同步数据，可以使用同步数据进行电力系统的动态监测、分析。同时DRTU设备采用与传统RTU相同的信息下行方式，因此具有与传统控制方式相同的控制命令下行通道，无需在上行网络外增加下行通道，可实现电力系统的动态控制。

2、本发明方法中利用了已有的远动终端，已有远动终端技术成熟可靠，可以保证DRTU的成本比RTU略高，而大大低于PMU。同时由于DRTU采用了与原有RTU的101规约兼容的上传方法，DRTU与传统的SCADA/EMS系统有非常好的兼容性，原有系统无需做很大的调整，非常适宜在电力系统大范围应用，用以替代原有RTU。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

图2是本发明方法中符合101规约的可变帧长帧的数据格式结构图。

图3是本发明方法中主动上传数据的通信流程图。

图4是本发明方法兼容原有的SCADA/EMS网络结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的对电力系统动态监测和控制的方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)通过电压互感器和电流互感器，使电力系统中母线的高电压和大电流转换为可测量的低电压和小电流信号，远动终端对转换后的可测量的低电压和小电流信号进行采样，并利用卫星定位系统对得到的采样信号进行授时。现有远动终端已经可以完成高精度采样，本发明方法在现有RTU设备的基础上增加了卫星定位系统授时模块，一次采样后的所有测量值带有统一的采样时刻的时标，以供电力系统动态分析时使用。卫星定位系统授时模块同时支持GPS卫星系统及北斗导航系统(北斗一代及北斗二代)，这样既保证了可靠性又保证了自主性。

(2)远动终端对授时的采样信号进行处理，处理方式并不是固定的，而是根据电力系统中远动终端设备应用现场的特定需求进行功能组合，处理方式由计算程序实现，可包括修正坏数据，数据存储，数据压缩中的一种或多种或其他数据处理方法。完成数据处理后将根据所需规约的要求拼接为完整的上传数据帧。为了保证与SCADA/EMS系统的兼容性，本发明方法使用了与SCADA/EMS系统相同的101规约。本发明方法使用的上传数据格式为101规约中可变帧长的带时标数据帧，该帧格式在传统101规约中很少应用，且仅应用于应答方式中。本发明方法中使用的可变帧长的帧格式如图2所示，帧中字节的意义依次为：起始字符68H、帧长的低位、帧长的高位、起始字符68H、控制字、链路地址、链路用户数据、校验和和结束字符16H。其中，链路用户数据的长度是可变的，决定了帧长，采用的是应用服务数据单元(以下简称ASDU)帧格式。ASDU帧格式中每个字节的意义逐次为表示类型，可变结构限定词，传送原因，ASDU地址，用户数据Data1，用户数据Data2，……，用户数据Datan。其中用户数据又由多个字节组成，逐次为：信息对象地址的低位，信息对象地址的高位，信息元素集，时标毫秒ms的低位，时标毫秒ms的高位，时标分钟min，时标小时h，时标日d，时标月m，时标年y，信息对象。其中用户数据中使用的时标为7位CP56Time2a时标，该时标格式符合DL/T 634.5101-2002及IEC60870-5-101：2002标准之规定。特殊应用条件下，DRTU也可以使用IEC60870-5-104规约(国内有些设备厂商使用了该规约的简化规约，以下将IEC60870-5-104及改进规约简称为104规约)与子站前置服务器通信，仍使用带7字节CP56Time2a时标的可变帧长帧，其中用户数据中对应字节与101规约中对应字节相同。

(3)电力系统的远动终端将上述拼接后的数据帧，以设定的频率按照规约主动上传至电力系统的子站前置服务器。电力系统的测量终端(RTU、PMU)通常会有很多的量测量，比如ABC三相的电压、电流、有功功率、无功功率，三相总有功功率，三相总无功功率，母线频率等一系列量。传统101规约中子站以应答方式向主站逐个传输二级数据，即子站每个量测量尽管是在同一时刻采样的，但是分别上传的，造成了同时采样的数据到达服务器的时间是不一致的，无法被同步调用，而且应答方式的数据传输效率很低。本发明方法参考了PMU使用的广播发布方式，采用的是符合101规约的可变帧长帧格式，将一个远动终端某一时刻的所有量测数据组成一个带时标数据帧，并采用了101规约中的主动上传模式。101规约中当子站发生突发事件(如遥信变位，变压器分接头状态变化，保护装置动作等)时，子站将主动向主站发送报文，报文的类型由控制字决定。本发明方法将上传数据视为一种突发事件进行主动上传，主站数据接收程序中设置有专门的线程以处理主动上传数据，则主动上传方式可实现高效率的数据上传。本发明方法中使用的主动上传数据的流程如图3所示。流程中，主站与子站间的初始化过程与传统系统一样，依次为主站发送初始化命令，子站响应初始化命令，主站发送总召唤命令，子站响应总召唤命令(其中包括上传一级数据)。另外主站将定时发送总召唤命令，重置通信流程。初始化过程结束后，主站召唤二级数据，子站便开始每隔固定时间主动上传可变帧长数据帧。由于RTU与PMU的数据更新速率均存在问题(RTU的速率太低，PMU的速率太高)，为保证适于电力系统动态监测与控制，又不造成过量数据，本发明方法使用的数据上传速度即系统数据更新速度介于RTU与PMU之间，并可通过远动终端设备中的程序调整数据上传速度。在电力系统绝大部分的动态监测分析及控制中，200ms的数据间隔可以提供足够精细的数据，本发明方法中主要采用5Hz的数据上传频率，即每隔200ms进行一次主动上传，且此次频率可方便地随待解决的主要问题而改变。

(4)子站前置服务器将来自远动终端的上传数据帧按照与上传数据帧的相应规约进行解析，得到电力系统的原始测量数据，并将原始测量数据上传至电力系统调度中心的主站前置服务器，电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统通过主站前置服务器获取电力系统的原始测量数据；

(5)电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统对获取的电力系统原始测量数据进行处理，并根据控制策略生成对电力系统的控制命令。DRTU与SCADA/EMS系统网络的连接方式及使用的规约与RTU相同，控制命令的下行通道与数据上传通道共用同一网络，依次通过主站前置服务器和子站前置服务器，下达至远动终端。控制命令下行的方式按照101规约之规定，流程如图3中控制下发流程部分所示，为：主站发送遥控选择命令，子站确认；主站发送遥控撤销命令，子站确认；主站发送遥控执行命令，子站确认。动态远动终端接收到控制命令帧后将按照101规约进行解析，并确认控制命令。确认控制命令后，将控制电网中的响应设备实现控制。

本发明方法兼容原有的SCADA/EMS网络结构，可以按照原有SCADA/EMS网络中RTU的安装方式在通讯网络上扩展远动终端。具体的连接方案可以采用单机单网结构，如图4所示。系统原有的多个RTU分组后，由交换机与子站前置服务器相连，每个子站前置服务器可与多个IP地址段的交换机相连，作为一个子站节点，子站节点以下的RTU与子站前置服务器间使用101规约进行通信。系统中新加入的远动终端与RTU采用相同的网络连接方式，也是分组后由交换机与子站前置服务器相连，交换机的功能是扩展IP地址段，子站节点以下的新远动终端向子站前置服务器上传的是101规约支持的带时标可变帧长数据帧。多个子站节点(子站前置服务器)与主站前置服务器相连，使用104规约进行通信。主站前置服务器通常布置在调度中心，并通过调度中心的局域网与其他功能服务器或工作站相连，如数据服务器，Web发布服务器，执行各种分析功能的工作站等。需要进行系统功能扩展时，仅需要在局域网中加入新功能的工作站执行相关程序即可。另外，为了提高系统的可靠性，也可采用双机双网结构，其连接方式及通信规约与单机单网结构相同，不同之处在于增加了一套原有的服务器及局域网，增加了设备冗余度。

Claims (1)

1.一种对电力系统动态监测和控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)通过电压互感器和电流互感器，使电力系统中母线的高电压和大电流转换为可测量的低电压和小电流信号，并对转换的可测量的低电压和小电流信号进行采样，远动终端利用卫星定位系统对得到的采样信号进行授时；

(2)根据电力系统需要，远动终端对授时的采样信号进行处理，将处理后的采样信号拼接为完整的上传数据帧，拼接后的数据帧中字节的意义依次为：起始字符68H、帧长的低位、帧长的高位、起始字符68H、控制字、链路地址、链路用户数据、校验和和结束字符16H；

(3)电力系统的远动终端将上述拼接后的数据帧，以设定的频率按照规约主动上传至电力系统的子站前置服务器；

(4)子站前置服务器将来自远动终端的上传数据帧按照与上传数据帧的相应规约进行解析，得到电力系统的原始测量数据，并将原始测量数据上传至电力系统调度中心的主站前置服务器，电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统通过主站前置服务器获取电力系统的原始测量数据；

(5)电力系统的数据采集与监视控制系统和能量管理系统对获取的电力系统原始测量数据进行处理，并根据控制策略生成对电力系统的控制命令，控制命令与上行通信通道共用同一通信网络，依次通过主站前置服务器和子站前置服务器，下达至远动终端。

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