3、电力自动化常用理论

电力自动化基本理论华中科技大学电气与电子工程学院罗毅[e-mail]思考•1、如何选择监控变量？•2、如何确定监控周期？•3、如何实现信息采集？•4、如何选择系统结构？•5、如何提高系统可靠性？一、分层原理•层：按纵向划分的结构上相对独立、功能上也相对独立的部分•一个复杂系统按纵向可以划分成很多层：第N+1层第N层第N-1层分层原理要求：•各层结构上相对独立、功能上也相对独立•层与层之间的接口应该尽可能简单、接口信息量应该尽可能小•下层为上层提供服务•上层在下层的基础上实现更高级的功能分层原理层与模块：•模块是同一层中（横向）结构和功能相对独立的部分•每一层可以划分成多个模块•模块划分原则：各模块结构上相对独立、功能上也相对独立；模块间的接口应该尽可能简单、接口信息量应该尽可能小分层原理•电力系统为什么要采用分层监视与控制？复杂大系统有功功率和无功功率动态平衡PGPLD+PfQGQLD+Q不可能在同一地点对电力系统进行监视控制，也不可能在同一时间对整个电力系统的自动化同时建设电力系统分层调度国家调度中心大区电网调度中心省调度中心地区调度所县级调度所超大型电厂大型电厂、核电厂中型电厂地方小电厂500kV变电站220kV变电站110kV变电站负荷中心电力系统信息的分层传输•元件状态只传输给相关管辖的调度•一个厂站的运行状态可能传送给多个调度，例如网架上的变电站，但是根据分层调度原则传送给多个调度的信息不应该相同•不加选择地传输电力系统的信息只会造成信息风暴，加重调度主站处理信息的负担，可能干扰运行人员的正确判断，威胁电力系统的安全运行变电站自动化系统IEC标准模型表用变压器TC38开关柜变压器TC17、14表用变压器TC38开关柜变压器TC17、14设备控制表计TC57保护扰动记录TC59保护TC95IEC系列有关标准基本结构扰动功能环境条件TC57网络控制中心遥控技术服务Level2变电站层Level1间隔层Level0过程层614545732变电站自动化系统IEC标准模型的7个接口•I1：保护设备与变电站当地主站接口•I2：保护设备之间接口•I3：保护设备与控制设备之间接口•I4：表用变压器与保护、监控设备接口•I5：断路器、变压器与保护、监控设备接口•I6：监控设备与变电站当地主站接口•I7：技术服务典型的分层变电站自动化系统IEC无缝通信体系结构OSI/RM物理层物理层数据链路层网络层运输层对话层表示层应用层数据链路层网络层运输层对话层表示层应用层主机A主机B二、分布式系统•分布式系统还没有统一的定义•Enslow对分布式系统的定义：分布式系统＝分布式硬件＋分布式控制＋分布式数据Enslow的分布式系统模型H5H4H3H2H1硬件分散C1C2C3C4C5C6控制分散D1D2D3D4D5D6数据分散分布式系统允许区域硬件分散性•H1：只有一个控制单元的单个CPU•H2：有多个ALU的单个CPU，只有一个控制单元•H3：分开的专用功能单元，比如带一个浮点协处理器的CPU•H4：带多个CPU的多处理机，但只有一个单独的I/O系统和一个全局存贮器•H5：带多个CPU的多计算机，多个I/O系统和多个本地存贮器控制分散性•C1：单个固定控制点。（可能有多个CPU）•C2：单个动态控制点。控制器在多个CPU间切换•C3：固定的主/从结构•C4：动态的主/从结构•C5：使用同一控制器副本的多个同类控制点•C6：使用不同控制器的多个异类控制点数据分散性•D1：集中式数据•D2：含有单一集中式目录并且没有本地目录的分布式文件•D3：每个站点都有复制数据•D4：有一个主结构的分区数据库，主结构保存所有文件的一个完全副本•D5：有一个主结构的分区数据库，主结构仅保存一个完整的目录•D6：无主结构文件或目录的分区数据库集中、分布、分散？•通俗地讲，如果一个自动化系统的部件局限在一个地方，它就是集中的；如果其部件在不同的地方，它就是分散的；当一个分散式系统不存在或仅存在有限的协作时，它是网络的；当一个分散式系统存在紧密协作时，它是分布的分布式系统的属性•任意数目的进程•任意数目的自治处理单元•通过消息传递的通信•进程协作•通信延迟•资源故障独立•故障化解网络与分布•计算机网络不一定是分布式系统•分布式系统可以建立在计算机网络上三、PCM数字化方法01234567幅值t01234567幅值t(a)连续信号的分层(b)量化值000001011101111110100010001(c)编码图2-10量化编码示意图各路模拟量时分多路门采样保持器编码器发码门输出时序部件图2-11PCM系统发送端框图UsKCUc(a)简单原理KCUkUsUcA1A2(b)实际采样保持器图2-12采样保持电路四、采样定理•一个频带限制在（0,fH）Hz内的时间连续信号m(t)，如果以1/2fH秒的时间间隔对它进行等间隔采样，则m(t)可被所得到的采样值ms(t)完全确定，即如果将ms(t)通过截止频率为fH的低通滤波器，低通滤波器的输出就是m(t)。采样定理•更一般地，对于带宽为B带通信号m(t)，其最高频率为fH，一般fH不一定为B的整数倍，即fH=nB+kB0k1式中n是小于fH/B的最大整数。为使等间隔采样值ms(t)完全确定m(t)，最小采样频率为fs=2B+2(fH-nB)/n=2B(1+k/n)采样定理应用之一：确定监视周期•根据变电站运行要求，可以确定很多被监视量。但是，不同的被监视量有不同的变化周期，即使是同一被监视量，在不同的条件下也会有不同的变化周期，有的变化迅速，有的变化缓慢。•例如，如果被监视量是稳态电流（有效值），其变化周期一般是秒级的；但是，如果被监视量是故障时暂态电流，其变化周期将是毫秒级的；如果被监视量是雷电流，则其变化周期是微秒级。采样定理应用之一：确定监视周期•监控终端监视的量：稳态量、暂态量。稳态量的变化缓慢，暂态量变化迅速•监视周期：若在监控系统的输出设备上观察到的等间隔采样值序列能够在给定的误差范围内确定被监视量，则该采样值序列的最大时间间隔称为被监视量的监视周期•实时性：监视周期的要求采样定理应用之二：时分多路复用•在不同的时间片传输不同信号的采样值信号f1信号f2信号f1信号f2信道中采样定理应用之三：E1信道•话路•E1•复接•PDH•SDH“话路”的基本概念•PCM的概念是法国工程师AlecReeres于1937年提出，它由采样、量化和编码三个步骤组成。•模拟话音经防混叠的低通滤波器限带（300-3400Hz），然后以8kHz频率将其采样、量化和编码成二进制数码。对于电话通道，规定其采用值编码为8位，共有256个量化级。这样每个数字话路的标准速率为64kbit/s“话路”的基本概念•尽管现在通过压缩编码，可以使在可接收的信噪比的前提下一路电话信号的通信速率降低到16kbit/s、8kbit/s，但是人们仍然习惯上将64kbit/s称为一个话路带宽，简称一个“话路”。•n个64kbit/s的话路可以合并成一个更大带宽的信道，称为n×64kbit/s信道E1的基本概念•采用与欧洲标准相同的PCM30/32路的帧结构（称为E1基群）•帧长度Ts＝1/8kHz=125s。一帧分为32个时隙，其中30个时隙供30个用户（即30个话路）使用，即TS1-TS15和TS17-TS32为用户时隙。TS0是帧同步时隙，TS16是信令时隙•E1遵守G.703（ITU-T的分层数字接口标准之一），参见《电力遥视系统的理论与实践》•PCM30/32系统位速率为RBP＝fs×N×n=8000×8×32=2048kbit/s区别T1•采用PCM24路的帧结构（称为T1基群）位速率为RBP＝fs×N×n=8000×8×24=1544kbit/s•我国采用E1而不采用T1•采用数字复接器技术，可以把基群复接成为二次群，将二次群复接成为三次群，将三次群复接成为四次群，将四次群复接成为STM-1，(CCITT推荐)TDM制数字复接系列地区单位基群二次群三次群四次群STM-1STM-4STM-16北美日本kbit/s1544631244736或32064274176或97723155.52Mbit/s622.08Mbit/s2488.32Mbit/s路数2496672或4804032或1440欧洲中国kbit/s2048844834368139264路数301204801920复接•四次和四次以下的高次群，都是采用准同步方式进行复接的，称为准同步数字序列（PDH）•STM-1以上的高次群，都是采用同步方式进行复接的，称为同步数字序列（SDH）•电力系统中采用的STM-1有PDH体系，也有SDH体系。•相关技术参见《电力遥视系统的理论与实践》一书五、有效信息流•数据是对客观物体的直接描述或测量•信息则是错综复杂的耦合数据之间的联系•知识表达了结构化的信息之间的综合关系•智能是获取知识和使用知识的能力测度信息流•定义信息流S为一个按照时间递增顺序排列的无穷信息，时间，生存周期序列：S={s1，t1，T1，s2，t2，T2，……，si，ti，Ti，……}其中si是时刻ti的信息序列元素Ti是si的生存周期即信息si产生于ti时刻，其生存时间为[ti，ti+Ti]。信息流的处理信息流的有效性•生存周期满足采样定理要求•同一信息流对一个业务功能是有效的，但是对另一个业务功能可能是无效的•例如，同样是一台换流变压器故障跳闸信息，不同的用户关注其不同的侧面，运行人员关注是否是永久性故障引起的跳闸、跳闸对直流输送功率的影响、对直流系统运行方式的影响等；检修人员关心引起跳闸故障的原因和部位确定被监视量：有效信息流•早期方法：根据状态可观测性确定＋经验正在过渡：确定有效信息流确定被监控量•信息流的特征：QOS要求（特别是时效性）、异步性、不确定性确定被监视量：有效信息流•有效信息流：满足生产需求的信息流。例：A班私有知识公有知识管理知识库事故仿真器B班变电站事故信号数据动作验证训练设备、人和管理之间的有效知识流绘出所有有效信息流后就可以确定被监视量六、滑动时变监控窗口•滑动时变监控窗口WSCADA[t-T：t]是一种离散滑动时间窗口，完成一次监控过程所需的监控信息来自窗口WSCADA[t-T：t]所对应的信息流；在进行下一次监控过程时，时间窗口向后滑动T，即时间窗为WSCADA[t＋T-T：t＋T]。•关于T和T存在非常复杂的技术问题•监控窗口的设置满足采样定理、有效信息流要求滑动时变监控窗口T时刻tT时刻t＋TT未来时间方向七、冗余容错技术•容错就是容忍错误，是指系统（或设备）的一个或多个关键部件发生故障时，能够自动地进行检测、诊断，并采取相应的措施，保证系统（或设备）维持其规定功能，或用牺牲性能来保证系统（或设备）在可接受范围内继续工作•容错通常采用冗余的方法来实现。即通过冗余配置硬件、软件、时间、信息等来实现容错，故称为冗余容错，冗余容错方式相应地也称为硬件冗余容错、软件冗余容错、时间冗余容错、信息冗余容错等冗余容错技术•由于采用冗余技术，必然增加设计、制造困难和提高初始成本。但应该看到，由于停机维修的时间实际上取消了，容错系统可以选用价格较低、故障率较高的元件，而仍能满足系统的可靠性要求，同时也降低了系统工作的寿命——周期成本。目前，硬件成本不断下降，缓和了采用冗余技术和成本高之间的矛盾，因此，系统设计者已开始摈弃避免故障法，而转向容错法。硬件冗余容错技术•监控系统中的冗余容错主要是采用硬件冗余容错，包括静态冗余法、动态冗余法和混合冗余法三种方法静态冗余法三模块冗余法框图动态冗余法部分备份系统动态冗余法双机备份系统动态冗余法重叠备用系统混合冗余法混合冗余法框图八、工程系统论•复杂性、无序性、完整性、协调性•系统方法：复杂性简化、还原论、HSM框架、SSM框架、自顶向下、面向对象、模型化、系统优化、折衷平衡、逻辑链、启发式、……