应用于SCADA的开关安全检查系统研究

张单　严正　叶聪杰

摘 要：为了使调度员基于SCADA系统的开关操作更加安全，处理故障时更加及时准确，效率更加高效，开关安全检查系统是最好的选择，它利用SCADA系统的实时数据以及实时态的潮流计算和故障分析等高级应用，将开关操作之后的潮流状况，可能发生的故障严重程度等呈现在调度员实际操作之前，让其操作有据可依，从而整体提高电网调度的质量。

关键词：实时数据；开关安全检查；潮流计算；故障分析

引言

传统的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System， 数据采集与监视控制系统）系统作用在于监控电力网络的可靠运行状况，提高电网运行经济性以及电网运行的安全分析和故障处理[1]。但随着电网运行条件的日趋复杂，面对电网调度时的繁琐操作甚至是电网故障时快速涌来的继电保护跳闸，自动装置动作，传统的SCADA系统已经无法满足调度操作对安全性的高度要求。尤其在发生事故的情况下，调度员的误操作甚至是不及时的调度操作都可能会对电网造成难以估量的损失。所以调度员需要一种不同于专家系统[2]的开关安全检查系统（Security Checked Switching，以下简称SCS系统）。SCS系统可以帮助调度员在操作开关之前就确认此开关操作之后的潮流改变，故障处理等电网状况，充分利用了SCADA资源并减轻了调度员工作负担的同时可以保证电网调度操作的及时性，安全性。

1 基于SCADA的SCS系统设计

目前看来，调度工作最为依赖的是电力调度自动化系统[3]。电力调度自动化系统依据不同的功能需求，会分为SCADA， PAS（Power Application System）高级应用系统， AGC（Automatic Generation Control）自动发电控制系统和DTS（Dispatcher Training Sim-ulator）调度员培训系统这几个子系统。

如图1所示，SCS系统是以SCADA系统为支撑平台，与SCADA共享一次设备模型并整合了PAS中潮流计算和N-1故障分析功能[4]。

不同于专家系统，SCS系统不需要有别于其他子系统的数据库，完全做到了和SCADA及PAS系统的数据交互。SCS系统的基础数据来源于SCADA一次设备模型数据和实时态高级应用。数据的同步是调度员操作SCS系统检测开关时触发的，保证了数据的及时有效性。SCS系统支持调度员并行操作，并且所有的操作遵从排队机制。调度员的操作在最新的数据上经过SCS系统的计算后，通过报告性质展示给调度员。

有别于传统的SCADA报表功能，SCS的潮流计算结果和故障分析结果可直接显示在SCADA的操作界面上。这个简明便捷的设计也是基于SCS系统的便于调度人员操作的应用需求。

2 SCS系统对SCADA的操作优化

调度员基于SCADA的操作大多是依靠调度规范以及自身的操作经验来进行的。假如面对电网故障造成的继电保护动作、自动装置动作、设备过负荷以及频率、电压越线等大量的故障信息时，调度人员很难快速的定位故障并进行处理。假如此时使用实时态的PAS系统和DTS系统中的潮流计算等应用再进行故障恢复的模拟[5]，会错过最为有利的处理故障时机，处理不当甚至会给电网造成难以挽回的损失。

SCS系统在电网故障时会体现出强大的优势。简易的操作可模拟出接下来调度员在SCADA上的各种操作，再将模擬操作结果准备无误地展现在SCADA的界面之上。并且这个模拟估算的结果具有非常高的准确性。

例如：线路故障造成线路两侧开关跳闸，此时假如调度员贸然将跳闸开关合闸很有可能造成故障的扩大。但在SCADA界面点击此跳闸开关，选择SCS系统安全监测，所有该开关合闸后的电网潮流改变信息会全部显示在调度员面前。

调度员就可以根据SCS系统所展示的计算结果，选择是否需要合闸。这为调度员提供了快速并准确处理故障的信息，减轻了调度员的工作负担并有效地提高了调度质量。

3 SCS系统功能

SCS系统的功能主要体现在两个方面：基本电网潮流预先估算以及N-1故障分析。除此以外还有人性化的排队机制和独立的报表页面。

3.1 潮流预先估算

潮流预先估算是SCS系统的核心部分，也是难点之一。如何才能在SCADA平台上得到电网的实时潮流，如何保证潮流的预估准确，潮流预估后又该将哪些潮流信息提供给调度员，这些都是SCS系统需要解决的难题。

首先为了得到电网的实时潮流值，架设在SCADA平台上的SCS系统与实时态的潮流计算系统保持实时的数据交互。在每次SCS潮流预估计算前，都会获得全部实时态的潮流断面，在此基础上的潮流计算才有参考的价值。其次，为了可以将调度操作之后的潮流在调度之前就准确的预先估算出来，SCS除了利用SCADA提供的一次设备模型信息外，在每次SCS操作之时，系统会实时抓取在操作之前的电网状况并针对想要进行操作的开关刀闸，估算此开关操作之后的最新潮流状况，估算潮流使用实时态潮流计算程序以保证计算的准确性。计算结果与之前潮流对比后将电网状况的改变详细的显示出来。显示的结果有：电气岛数量改变，连接、断开发电机数量改变，连接、断开线路数量改变，发电出力改变，负荷改变，电容器、电抗器投切数量，开关跳闸、合闸数量，电压幅值及相角越线改变[6]和频率越线改变。以上对比结果通常就是调度员在调度中心最为关心的电网潮流信息。

需要单独说明的是，SCS系统此功能不仅仅只对单一开关起作用，可以同时应用于多个开关来检测多个开关，同时改变开合状态时电网潮流的变化。

3.2 N-1故障分析

依据《电力系统安全稳定导则》和《电力系统技术导则》，电网可靠性可按照N-k法则进行检验。由此，SCS系统整合了PAS中N-1故障分析的功能。N-1故障分析指的是电网在收到单一扰动后在不采取任何保护措施下对其他设备过负荷能力的检测。此功能在SCS系统中的实现，使得SCS的计算结果更为丰富，除了以上潮流估算提供给调度员的信息外，故障分析功能还将电网扰动带来的故障危害加深，电压波动甚至是电网崩溃告知调度人员，以帮助调度员确认此扰动的严重程度与电网的坚强程度。但是N-1故障分析功能目前暂时不能适用于同一时刻的多个开关的故障分析，这也将是以后SCS系统的一个研究方向。

3.3 排队机制

考虑到同时操作SCADA的调度人员会有多人的情况，SCS引入了排队机制。即多个调度员可以同时给SCS系统的不同电网设备下达潮流计算和故障分析命令，按照命令下达的先后进行排队，依次将结果展示在所下达命令的操作屏上。另外，区别于SCADA界面的操作结果显示，SCS系统引入了单独的系统报表页面。报表页面会按照时间顺序依次记录下潮流计算和故障分析的引入点及计算结果方便调度员来考察历史数据。

4 应用案例

4.1 案例一

如图2所示，发电厂两台发电机G1和G2分别经变压器XF1和XF2接在110kV分段母线上面，其中发电机断路器1002和母联断路器1105处于断开状态，其余断路器皆处于闭合状态，发电机G2处于停运状态。

此时发电机G2投入运行后，需要并入电网中。通常情况下调度员会凭借多年累积的经验进行1002的合闸工作，但是贸然的合闸动作带来的后果仍然是未知的。使用SCS系统就可以方便的预测到合闸使发电机G2并入电网后带来的潮流变化。计算结果如表1所示。

4.2 案例二

假设案例二是在案例一的基础上再次进行操作。发电机G2投入使用并且并入电网后，同时断开断路器1104，闭合断路器1105。

这属于较为常见的线路检修前的厂站内倒闸操作，可是这次较为复杂的操作可以更好的体现SCS的优势所在。

在一条线路检修的情况下，将两台发电机的出力通过一条线路送入电网，假如没有事先调节发电机出力的话很可能会造成线路的越线甚至是继电保护动作。

由表2的SCS计算所得出的结果可见，和我们预期的结果吻合，这次厂内的倒闸操作导致了线路Line 1的电流越线。在一目了然的SCS预测计算结果前，站内的操作员或者调度员就可以采取相应措施来避免类似的异常或者故障发生。

4.3 案例三

如图3，终端220kV变电站，低压侧35kV母线上接有C1，C2和C3三组电容器组，其中C1和C2处于运行中，C3处于热备用状态。

此时需要将C3投入运行，在真正进行合闸之前，用SCS做断路器3503合闸的安全检测。

根据SCS的计算结果，将电容器组C3通过合闸3503投入使用后使35kV母線电压过高，并且触发了母线的过电压保护，保护动作从而使断路器3501，3502和3503跳闸。根据SCS的预测计算结果，调度员可以避免触发继电保护，破坏电网稳定。此案例在继电保护方面强调了SCS对稳定电网调度操作的优势所在。计算结果如表3所示。

5 结束语

准确掌握潮流的变化和及时正确地处理故障是电网调度最为重要的。文章引入了开关安全检查系统（SCS系统），通过对此系统的设计，功能介绍和其对SCADA操作的优化展现了SCS系统的使用和可拓展价值。SCS系统可以帮助调度员进行快速、准确的处理故障，避免在调度过程中出现因开关操作造成电网损失，另外故障分析功能可以在分析电网扰动时起到一定的辅助功能。SCS功能充分利用了SCADA功能与实时数据，整合了PAS系统中的高级应用，相信它可以为电网的发展提供更加良好的服务。

参考文献

[1]顾雪平，刘道兵，孙海新，等.面向SCADA系统的电网故障诊断信息的获取[J].电网技术，2012，36（6）：64-70.

[2]赵伟，白晓民，丁剑，等.基于协同式专家系统及多智能体技术的电网故障诊断方法[J].中国电机工程学报，2006，26（20）：1-8.

[3]张智.电网调度自动化系统发展趋势[J].电网与清洁能源，2009，25（11）：58-62.

[4]汪洋，夏清，康重庆.考虑电网N-1闭环安全校核的最优安全发电计划[J].中国电机工程学报，2011，31（10）：39-45.

[5]谷毅，赵玉柱，张国威.我国DTS技术及其应用[J].电力系统自动化，2002，26（13）：60-65.

[6]张明，穆世霞，张秀娥，等.调度自动化混仿培训系统的模拟远动终端设计[J].电网与清洁能源，2014，30（10）：49-53.