應用于SCADA的開關安全檢查系統研究

張單　嚴正　葉聰杰

摘 要：為了使調度員基于SCADA系統的開關操作更加安全，處理故障時更加及時準確，效率更加高效，開關安全檢查系統是最好的選擇，它利用SCADA系統的實時數據以及實時態的潮流計算和故障分析等高級應用，將開關操作之后的潮流狀況，可能發生的故障嚴重程度等呈現在調度員實際操作之前，讓其操作有據可依，從而整體提高電網調度的質量。

關鍵詞：實時數據；開關安全檢查；潮流計算；故障分析

引言

傳統的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System， 數據采集與監視控制系統）系統作用在于監控電力網絡的可靠運行狀況，提高電網運行經濟性以及電網運行的安全分析和故障處理[1]。但隨著電網運行條件的日趨復雜，面對電網調度時的繁瑣操作甚至是電網故障時快速涌來的繼電保護跳閘，自動裝置動作，傳統的SCADA系統已經無法滿足調度操作對安全性的高度要求。尤其在發生事故的情況下，調度員的誤操作甚至是不及時的調度操作都可能會對電網造成難以估量的損失。所以調度員需要一種不同于專家系統[2]的開關安全檢查系統（Security Checked Switching，以下簡稱SCS系統）。SCS系統可以幫助調度員在操作開關之前就確認此開關操作之后的潮流改變，故障處理等電網狀況，充分利用了SCADA資源并減輕了調度員工作負擔的同時可以保證電網調度操作的及時性，安全性。

1 基于SCADA的SCS系統設計

目前看來，調度工作最為依賴的是電力調度自動化系統[3]。電力調度自動化系統依據不同的功能需求，會分為SCADA， PAS（Power Application System）高級應用系統， AGC（Automatic Generation Control）自動發電控制系統和DTS（Dispatcher Training Sim-ulator）調度員培訓系統這幾個子系統。

如圖1所示，SCS系統是以SCADA系統為支撐平臺，與SCADA共享一次設備模型并整合了PAS中潮流計算和N-1故障分析功能[4]。

不同于專家系統，SCS系統不需要有別于其他子系統的數據庫，完全做到了和SCADA及PAS系統的數據交互。SCS系統的基礎數據來源于SCADA一次設備模型數據和實時態高級應用。數據的同步是調度員操作SCS系統檢測開關時觸發的，保證了數據的及時有效性。SCS系統支持調度員并行操作，并且所有的操作遵從排隊機制。調度員的操作在最新的數據上經過SCS系統的計算后，通過報告性質展示給調度員。

有別于傳統的SCADA報表功能，SCS的潮流計算結果和故障分析結果可直接顯示在SCADA的操作界面上。這個簡明便捷的設計也是基于SCS系統的便于調度人員操作的應用需求。

2 SCS系統對SCADA的操作優化

調度員基于SCADA的操作大多是依靠調度規范以及自身的操作經驗來進行的。假如面對電網故障造成的繼電保護動作、自動裝置動作、設備過負荷以及頻率、電壓越線等大量的故障信息時，調度人員很難快速的定位故障并進行處理。假如此時使用實時態的PAS系統和DTS系統中的潮流計算等應用再進行故障恢復的模擬[5]，會錯過最為有利的處理故障時機，處理不當甚至會給電網造成難以挽回的損失。

SCS系統在電網故障時會體現出強大的優勢。簡易的操作可模擬出接下來調度員在SCADA上的各種操作，再將模擬操作結果準備無誤地展現在SCADA的界面之上。并且這個模擬估算的結果具有非常高的準確性。

例如：線路故障造成線路兩側開關跳閘，此時假如調度員貿然將跳閘開關合閘很有可能造成故障的擴大。但在SCADA界面點擊此跳閘開關，選擇SCS系統安全監測，所有該開關合閘后的電網潮流改變信息會全部顯示在調度員面前。

調度員就可以根據SCS系統所展示的計算結果，選擇是否需要合閘。這為調度員提供了快速并準確處理故障的信息，減輕了調度員的工作負擔并有效地提高了調度質量。

3 SCS系統功能

SCS系統的功能主要體現在兩個方面：基本電網潮流預先估算以及N-1故障分析。除此以外還有人性化的排隊機制和獨立的報表頁面。

3.1 潮流預先估算

潮流預先估算是SCS系統的核心部分，也是難點之一。如何才能在SCADA平臺上得到電網的實時潮流，如何保證潮流的預估準確，潮流預估后又該將哪些潮流信息提供給調度員，這些都是SCS系統需要解決的難題。

首先為了得到電網的實時潮流值，架設在SCADA平臺上的SCS系統與實時態的潮流計算系統保持實時的數據交互。在每次SCS潮流預估計算前，都會獲得全部實時態的潮流斷面，在此基礎上的潮流計算才有參考的價值。其次，為了可以將調度操作之后的潮流在調度之前就準確的預先估算出來，SCS除了利用SCADA提供的一次設備模型信息外，在每次SCS操作之時，系統會實時抓取在操作之前的電網狀況并針對想要進行操作的開關刀閘，估算此開關操作之后的最新潮流狀況，估算潮流使用實時態潮流計算程序以保證計算的準確性。計算結果與之前潮流對比后將電網狀況的改變詳細的顯示出來。顯示的結果有：電氣島數量改變，連接、斷開發電機數量改變，連接、斷開線路數量改變，發電出力改變，負荷改變，電容器、電抗器投切數量，開關跳閘、合閘數量，電壓幅值及相角越線改變[6]和頻率越線改變。以上對比結果通常就是調度員在調度中心最為關心的電網潮流信息。

需要單獨說明的是，SCS系統此功能不僅僅只對單一開關起作用，可以同時應用于多個開關來檢測多個開關，同時改變開合狀態時電網潮流的變化。

3.2 N-1故障分析

依據《電力系統安全穩定導則》和《電力系統技術導則》，電網可靠性可按照N-k法則進行檢驗。由此，SCS系統整合了PAS中N-1故障分析的功能。N-1故障分析指的是電網在收到單一擾動后在不采取任何保護措施下對其他設備過負荷能力的檢測。此功能在SCS系統中的實現，使得SCS的計算結果更為豐富，除了以上潮流估算提供給調度員的信息外，故障分析功能還將電網擾動帶來的故障危害加深，電壓波動甚至是電網崩潰告知調度人員，以幫助調度員確認此擾動的嚴重程度與電網的堅強程度。但是N-1故障分析功能目前暫時不能適用于同一時刻的多個開關的故障分析，這也將是以后SCS系統的一個研究方向。

3.3 排隊機制

考慮到同時操作SCADA的調度人員會有多人的情況，SCS引入了排隊機制。即多個調度員可以同時給SCS系統的不同電網設備下達潮流計算和故障分析命令，按照命令下達的先后進行排隊，依次將結果展示在所下達命令的操作屏上。另外，區別于SCADA界面的操作結果顯示，SCS系統引入了單獨的系統報表頁面。報表頁面會按照時間順序依次記錄下潮流計算和故障分析的引入點及計算結果方便調度員來考察歷史數據。

4 應用案例

4.1 案例一

如圖2所示，發電廠兩臺發電機G1和G2分別經變壓器XF1和XF2接在110kV分段母線上面，其中發電機斷路器1002和母聯斷路器1105處于斷開狀態，其余斷路器皆處于閉合狀態，發電機G2處于停運狀態。

此時發電機G2投入運行后，需要并入電網中。通常情況下調度員會憑借多年累積的經驗進行1002的合閘工作，但是貿然的合閘動作帶來的后果仍然是未知的。使用SCS系統就可以方便的預測到合閘使發電機G2并入電網后帶來的潮流變化。計算結果如表1所示。

4.2 案例二

假設案例二是在案例一的基礎上再次進行操作。發電機G2投入使用并且并入電網后，同時斷開斷路器1104，閉合斷路器1105。

這屬于較為常見的線路檢修前的廠站內倒閘操作，可是這次較為復雜的操作可以更好的體現SCS的優勢所在。

在一條線路檢修的情況下，將兩臺發電機的出力通過一條線路送入電網，假如沒有事先調節發電機出力的話很可能會造成線路的越線甚至是繼電保護動作。

由表2的SCS計算所得出的結果可見，和我們預期的結果吻合，這次廠內的倒閘操作導致了線路Line 1的電流越線。在一目了然的SCS預測計算結果前，站內的操作員或者調度員就可以采取相應措施來避免類似的異?；蛘吖收习l生。

4.3 案例三

如圖3，終端220kV變電站，低壓側35kV母線上接有C1，C2和C3三組電容器組，其中C1和C2處于運行中，C3處于熱備用狀態。

此時需要將C3投入運行，在真正進行合閘之前，用SCS做斷路器3503合閘的安全檢測。

根據SCS的計算結果，將電容器組C3通過合閘3503投入使用后使35kV母線電壓過高，并且觸發了母線的過電壓保護，保護動作從而使斷路器3501，3502和3503跳閘。根據SCS的預測計算結果，調度員可以避免觸發繼電保護，破壞電網穩定。此案例在繼電保護方面強調了SCS對穩定電網調度操作的優勢所在。計算結果如表3所示。

5 結束語

準確掌握潮流的變化和及時正確地處理故障是電網調度最為重要的。文章引入了開關安全檢查系統（SCS系統），通過對此系統的設計，功能介紹和其對SCADA操作的優化展現了SCS系統的使用和可拓展價值。SCS系統可以幫助調度員進行快速、準確的處理故障，避免在調度過程中出現因開關操作造成電網損失，另外故障分析功能可以在分析電網擾動時起到一定的輔助功能。SCS功能充分利用了SCADA功能與實時數據，整合了PAS系統中的高級應用，相信它可以為電網的發展提供更加良好的服務。

參考文獻

[1]顧雪平，劉道兵，孫海新，等.面向SCADA系統的電網故障診斷信息的獲取[J].電網技術，2012，36（6）：64-70.

[2]趙偉，白曉民，丁劍，等.基于協同式專家系統及多智能體技術的電網故障診斷方法[J].中國電機工程學報，2006，26（20）：1-8.

[3]張智.電網調度自動化系統發展趨勢[J].電網與清潔能源，2009，25（11）：58-62.

[4]汪洋，夏清，康重慶.考慮電網N-1閉環安全校核的最優安全發電計劃[J].中國電機工程學報，2011，31（10）：39-45.

[5]谷毅，趙玉柱，張國威.我國DTS技術及其應用[J].電力系統自動化，2002，26（13）：60-65.

[6]張明，穆世霞，張秀娥，等.調度自動化混仿培訓系統的模擬遠動終端設計[J].電網與清潔能源，2014，30（10）：49-53.