電力系統實驗室智能化改造的設計與實現

惠州學院電子科學系　方文田　遲正剛

電力系統實驗室智能化改造的設計與實現

惠州學院電子科學系方文田遲正剛

為培養高素質應用型人才，對現有電力系統實驗平臺進行了升級改造。以C#為開發工具，完善了原有SCADA系統的數據庫功能，實現了對電力系統實驗平臺的全面運行監控；設計并實現了在線潮流分析模塊，為操作人員的調度控制提供依據。該設計成果已經成功應用于電力系統分析等課程的實驗教學環節，取得了較好的效果。

電力系統；SCADA；在線潮流分析；C#

0　引言

隨著電網規模不斷擴大，現代電力系統的結構越來越復雜，維持電網穩定運行的壓力也越來越大，對此，各國紛紛提出了各自的智能電網戰略。調度是電網運行的中樞，調度自動化系統作為電網運行的基礎，已經取得了長足進步，例如普遍采取了可視化等先進的技術手段，并正在向調度智能化發展。其中，狹義的智能調度指調度人員的輔助決策系統，而廣義的智能調度包括調度各應用業務的智能化。［1-3］

然而，我國高等院校電氣工程類實驗教學裝備的技術更新卻相對緩慢，與快速發展的智能電網技術明顯脫節，對于正在向應用型本科院校轉型的新建地方本科院校而言，其培養目標正在從重視理論素養向重視技術能力轉變，而現有的實驗教學裝備明顯制約了學生技術應用和技術研發能力的培養。

我校現有的電力系統實驗裝置由3套發電廠實驗臺和1套電網調度實驗臺構成，并以市電網作為無窮大電源，通過中間開關站和單回、雙回線路的組合，可模擬多種電力系統的結構。該系統已經配備了基本的SCADA系統功能，但是，不夠完善，尤其缺乏與智能調度匹配的數據庫系統。但是，該系統具有靈活性和開放性的優點，為后期的開發提供了極大的便利。

本項目研究針對現有電力實驗系統，對SCADA系統做進一步優化設計，使其能夠更好地為教學實驗提供支持，并在此基礎上開

發了在線潮流分析模塊，從而可以為后期智能調度系統的研發提供基礎。

1　SCADA系統設計

電力實驗裝置原有的監控系統采用了分層分布式系統配置，如圖1所示。其中，上位機和現地控制單元（LCU）之間采用RS-485通訊網絡結構，并且通過通訊網絡與各開關站的智能儀表、控制執行單元（PLC）相聯，可通過局域網與遠方調度通訊。該監控系統具有良好的開放性，為后期的二次開發提供了方便。

基于上述硬件系統結構，本設計采用C#語言重新開發了該電力實驗系統的SCADA系統。主要分為三個部分，分別為信息采集，信息處理，信息顯示。

圖1　電力實驗裝置監控系統配置圖

1.1信息采集

信息采集部分的工作流程為：（1）主機根據通信格式依次向各個微機（下位機）發送查詢報文，并對斷路器發出開合控制信號。（2）等待數據返回，一旦有數據返回則從數據緩沖區取出數據，并更新數據緩沖區。

1.2信息處理

信息處理部分的工作流程為：（1）校驗數據，對收到的數據進行CRC校驗，如果數據異常則忽略這次數據。（2）數據解碼，對數據按照通信規則進行解碼，得到系統的各個參量。（3）數據合理性檢測，對系統各個參量進行合理性檢測，忽略與實際相差太大的數據。（4）數據存儲，將數據對應存入數據區。

1.3信息顯示

信息顯示部分由頁面定時器完成對各個數據的更新顯示，包括線路參數，發電機參數，負荷參數。

1.4SCADA系統設計總結

本系統采用面對對象的C#編程語言，人機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框架，開關站狀態，潮流分布以及報警信息，分界面可以查詢每條線路和負荷的參數，包括電壓，電流，有功功率，無功功率，相角和功率因數。整個系統的運行周期為0.8秒，很好的完成了信息的采集與顯示任務，為潮流分析做好數據準備，程序流程圖如圖2所示。

圖2　SCADA系統軟件流程圖

2　在線潮流分析模塊設計

2.1潮流計算的意義

（1）在電力系統規劃設計中，通過潮流計算，合理構建系統網絡，確定無功補償方案，選擇電氣設備。（2）發現電網中運行的薄環節，制定相應的解決方案。（3）在電力系統運行中，用于確定運行方式，為調壓計算，經濟運行計算和穩定性計算提供必要的數據。

（4）預想事故對電力系統的影響，做出預想的調整方案。

2.2拓撲分析算法

電力系統的潮流計算是以導納矩陣為基礎的，電力系統線路的變化，直接導致導納矩陣的變化。如果系統不能準確識別線路的變化，必然導致運算結果的錯誤。所以拓撲分析是潮流計算的基礎。拓撲分析的作用在于準確識別線路的狀態，自動劃分節點，從而形成導納矩陣。本設計中，系統通過讀取按鈕的開合狀態，判斷線路，發電機和負荷投入與否。接著把節點分成PV，PQ和平衡節點三類，通過查詢數據區表格，確定節點之間線路的導納，從而更新導納矩陣。

2.3潮流計算程序設計

本系統的潮流計算采用PQ分解法，過程主要分為四個部分，分別為數據準備部分，矩陣構建部分，潮流計算部分，及數據顯示和預警部分。數據準備部分主要通過從SCADA系統獲得電力系統當前網絡拓撲結構以及負荷和發電機組的投入情況，再由潮流計算交互界面對當前系統網絡拓撲及各節點信息做出修改，最后把數據存儲到數據區。矩陣構建階段則是根據從數據區讀取的電力系統網絡拓撲信息確定矩陣維數，構建相應的導納矩陣及其他輔助運算矩陣。潮流計算部分這是按照2.2部分所介紹的過程進行潮流計算。最后通過人機交互界面把運算結果輸出到界面，并且給出可能的線路過載預警。系統流程如圖3所示：

圖3　潮流計算程序流程圖

3　調試與算例

3.1軟件系統介紹

本系統具有Windows應用軟件風格，充分發揮了Windows環境下圖形用戶界面的優勢。操作人員可以十分直觀的面對復雜電力系統的數據進行人機交互。通過按鈕可以操作線路，負荷的接入與退出。通過分界面查詢線路和負荷的運行狀態和相關信息。通過圖形和顏色變化可以直觀的反映線路狀態及功率流向。如果有發電機接入系統，發電機的圖標顏色會改變，并且可以通過點擊圖標查看發電機參數及狀態。通過潮流分析的按鈕可以進入潮流計算界面。

圖4　電力系統網絡拓撲圖

3.2算例

假設一種情況，發電機A站通過雙回路環網向負荷D站供電，現要求在滿足負荷D站的供電要求且不能向無窮大電源（實際情況下相當于外部電網）索取功率的情況下，發電機A站應該輸出多少有功功率。發電機母線及無窮大電源電壓均設置為380V，電力系統網絡拓撲如圖4所示，負荷端變壓器容量為2.5KV/A，變比為380V/380V，阻抗標幺值為13%，負荷D站額定功率約為735W。設置好相關參數后發出潮流計算命令，經過幾次逼近計算，可以得到當發電機輸出有功功率大約為800W的時候可以滿足負荷要求，此時負荷A站電壓約為374V，符合供電要求，潮流方向如圖4所示，由此可得發電機發出的功率除了可以滿足負荷的需求，而且可以向無窮大電源輸送功率。實際運行情況通過SCADA系統可測得結果基本與潮流分析結果一致。實際運行結果如圖5所示。

圖5　在線潮流分析界面

4　結語

基于我校電力系統實驗平臺，進行了智能調度的初步研發，設計了SCADA系統與在線潮流分析模塊，通過對設計思路和調試算例介紹，清晰地展現了系統的性能。該SCADA系統可以對電力系統的運行進行更為全面的監測控制，同時為在線潮流分析提供實時數據支持，再由潮流分析系統給出合適的調度方案供調度人員參考。本設計不僅提升了現有電力實驗裝備的技術水平，同時也完善了實驗室的實驗管理手段，在電力系統分析等課程的實驗教學環節中取得了較好的效果。

本設計采用通用的接口標準，便于系統的升級和優化。因此，本設計一方面為智能調度其它功能模塊的研發提供開發思路，可以直接培養項目參與者的技術研發能力。另一方面，其研發成果的推廣應用對培養學生的技術應用能力也是一個很好的嘗試。

［1］馬韜韜，等.電網智能調度自動化系統研究現狀及發展趨勢［J］.電力系統自動化，2010（9）：7-11.

［2］楊勝春.基于態勢感知的電網自動智能調度架構及關鍵技術［J］.電網技術，2014（1）：33-39.

［3］何邁，劉俊勇.智能電網可視化調度系統的實驗設計及其實現［J］.實驗室研究與探索，2011（9）：83-88.

［4］何迎贊，溫增銀.電力系統分析［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［5］劉小春.SCADA自動化軟件在電力系統監控中的應用［J］.制造業自動化，2012，04：48-50.

［6］恩沙西，涂光瑜.面向對象電力系統圖形編輯器及其在SCADA的應用［J］.電力系統及其自動化學報，1999，02：64-67.

［7］劉藝.面向對象的電力系統分析軟件研究與開發［D］.廣東工業大學，2004.

［8］聶海山.電力系統計算機模擬計算軟件開發［D］.大連理工大學，2003.

［9］馬其燕.智能配電網運行方式優化和自愈控制研究［D］.華北電力大學（北京），2010.

［10］堵俊，吳曉.以綜合能力培養為抓手，構建電氣類開放實驗教學平臺［J］.電氣電子教學學報，2008，30：128-130，137.

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

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，廣東揭陽人，大學本科在讀，主要研究方向：電力系統及智能電網。