电力系统实验室智能化改造的设计与实现

惠州学院电子科学系　方文田　迟正刚

电力系统实验室智能化改造的设计与实现

惠州学院电子科学系方文田迟正刚

为培养高素质应用型人才，对现有电力系统实验平台进行了升级改造。以C#为开发工具，完善了原有SCADA系统的数据库功能，实现了对电力系统实验平台的全面运行监控；设计并实现了在线潮流分析模块，为操作人员的调度控制提供依据。该设计成果已经成功应用于电力系统分析等课程的实验教学环节，取得了较好的效果。

电力系统；SCADA；在线潮流分析；C#

0　引言

随着电网规模不断扩大，现代电力系统的结构越来越复杂，维持电网稳定运行的压力也越来越大，对此，各国纷纷提出了各自的智能电网战略。调度是电网运行的中枢，调度自动化系统作为电网运行的基础，已经取得了长足进步，例如普遍采取了可视化等先进的技术手段，并正在向调度智能化发展。其中，狭义的智能调度指调度人员的辅助决策系统，而广义的智能调度包括调度各应用业务的智能化。［1-3］

然而，我国高等院校电气工程类实验教学装备的技术更新却相对缓慢，与快速发展的智能电网技术明显脱节，对于正在向应用型本科院校转型的新建地方本科院校而言，其培养目标正在从重视理论素养向重视技术能力转变，而现有的实验教学装备明显制约了学生技术应用和技术研发能力的培养。

我校现有的电力系统实验装置由3套发电厂实验台和1套电网调度实验台构成，并以市电网作为无穷大电源，通过中间开关站和单回、双回线路的组合，可模拟多种电力系统的结构。该系统已经配备了基本的SCADA系统功能，但是，不够完善，尤其缺乏与智能调度匹配的数据库系统。但是，该系统具有灵活性和开放性的优点，为后期的开发提供了极大的便利。

本项目研究针对现有电力实验系统，对SCADA系统做进一步优化设计，使其能够更好地为教学实验提供支持，并在此基础上开

发了在线潮流分析模块，从而可以为后期智能调度系统的研发提供基础。

1　SCADA系统设计

电力实验装置原有的监控系统采用了分层分布式系统配置，如图1所示。其中，上位机和现地控制单元（LCU）之间采用RS-485通讯网络结构，并且通过通讯网络与各开关站的智能仪表、控制执行单元（PLC）相联，可通过局域网与远方调度通讯。该监控系统具有良好的开放性，为后期的二次开发提供了方便。

基于上述硬件系统结构，本设计采用C#语言重新开发了该电力实验系统的SCADA系统。主要分为三个部分，分别为信息采集，信息处理，信息显示。

图1　电力实验装置监控系统配置图

1.1信息采集

信息采集部分的工作流程为：（1）主机根据通信格式依次向各个微机（下位机）发送查询报文，并对断路器发出开合控制信号。（2）等待数据返回，一旦有数据返回则从数据缓冲区取出数据，并更新数据缓冲区。

1.2信息处理

信息处理部分的工作流程为：（1）校验数据，对收到的数据进行CRC校验，如果数据异常则忽略这次数据。（2）数据解码，对数据按照通信规则进行解码，得到系统的各个参量。（3）数据合理性检测，对系统各个参量进行合理性检测，忽略与实际相差太大的数据。（4）数据存储，将数据对应存入数据区。

1.3信息显示

信息显示部分由页面定时器完成对各个数据的更新显示，包括线路参数，发电机参数，负荷参数。

1.4SCADA系统设计总结

本系统采用面对对象的C#编程语言，人机界面交互具有很好的友好性跟开放性。主界面显示电力系统框架，开关站状态，潮流分布以及报警信息，分界面可以查询每条线路和负荷的参数，包括电压，电流，有功功率，无功功率，相角和功率因数。整个系统的运行周期为0.8秒，很好的完成了信息的采集与显示任务，为潮流分析做好数据准备，程序流程图如图2所示。

图2　SCADA系统软件流程图

2　在线潮流分析模块设计

2.1潮流计算的意义

（1）在电力系统规划设计中，通过潮流计算，合理构建系统网络，确定无功补偿方案，选择电气设备。（2）发现电网中运行的薄环节，制定相应的解决方案。（3）在电力系统运行中，用于确定运行方式，为调压计算，经济运行计算和稳定性计算提供必要的数据。

（4）预想事故对电力系统的影响，做出预想的调整方案。

2.2拓扑分析算法

电力系统的潮流计算是以导纳矩阵为基础的，电力系统线路的变化，直接导致导纳矩阵的变化。如果系统不能准确识别线路的变化，必然导致运算结果的错误。所以拓扑分析是潮流计算的基础。拓扑分析的作用在于准确识别线路的状态，自动划分节点，从而形成导纳矩阵。本设计中，系统通过读取按钮的开合状态，判断线路，发电机和负荷投入与否。接着把节点分成PV，PQ和平衡节点三类，通过查询数据区表格，确定节点之间线路的导纳，从而更新导纳矩阵。

2.3潮流计算程序设计

本系统的潮流计算采用PQ分解法，过程主要分为四个部分，分别为数据准备部分，矩阵构建部分，潮流计算部分，及数据显示和预警部分。数据准备部分主要通过从SCADA系统获得电力系统当前网络拓扑结构以及负荷和发电机组的投入情况，再由潮流计算交互界面对当前系统网络拓扑及各节点信息做出修改，最后把数据存储到数据区。矩阵构建阶段则是根据从数据区读取的电力系统网络拓扑信息确定矩阵维数，构建相应的导纳矩阵及其他辅助运算矩阵。潮流计算部分这是按照2.2部分所介绍的过程进行潮流计算。最后通过人机交互界面把运算结果输出到界面，并且给出可能的线路过载预警。系统流程如图3所示：

图3　潮流计算程序流程图

3　调试与算例

3.1软件系统介绍

本系统具有Windows应用软件风格，充分发挥了Windows环境下图形用户界面的优势。操作人员可以十分直观的面对复杂电力系统的数据进行人机交互。通过按钮可以操作线路，负荷的接入与退出。通过分界面查询线路和负荷的运行状态和相关信息。通过图形和颜色变化可以直观的反映线路状态及功率流向。如果有发电机接入系统，发电机的图标颜色会改变，并且可以通过点击图标查看发电机参数及状态。通过潮流分析的按钮可以进入潮流计算界面。

图4　电力系统网络拓扑图

3.2算例

假设一种情况，发电机A站通过双回路环网向负荷D站供电，现要求在满足负荷D站的供电要求且不能向无穷大电源（实际情况下相当于外部电网）索取功率的情况下，发电机A站应该输出多少有功功率。发电机母线及无穷大电源电压均设置为380V，电力系统网络拓扑如图4所示，负荷端变压器容量为2.5KV/A，变比为380V/380V，阻抗标幺值为13%，负荷D站额定功率约为735W。设置好相关参数后发出潮流计算命令，经过几次逼近计算，可以得到当发电机输出有功功率大约为800W的时候可以满足负荷要求，此时负荷A站电压约为374V，符合供电要求，潮流方向如图4所示，由此可得发电机发出的功率除了可以满足负荷的需求，而且可以向无穷大电源输送功率。实际运行情况通过SCADA系统可测得结果基本与潮流分析结果一致。实际运行结果如图5所示。

图5　在线潮流分析界面

4　结语

基于我校电力系统实验平台，进行了智能调度的初步研发，设计了SCADA系统与在线潮流分析模块，通过对设计思路和调试算例介绍，清晰地展现了系统的性能。该SCADA系统可以对电力系统的运行进行更为全面的监测控制，同时为在线潮流分析提供实时数据支持，再由潮流分析系统给出合适的调度方案供调度人员参考。本设计不仅提升了现有电力实验装备的技术水平，同时也完善了实验室的实验管理手段，在电力系统分析等课程的实验教学环节中取得了较好的效果。

本设计采用通用的接口标准，便于系统的升级和优化。因此，本设计一方面为智能调度其它功能模块的研发提供开发思路，可以直接培养项目参与者的技术研发能力。另一方面，其研发成果的推广应用对培养学生的技术应用能力也是一个很好的尝试。

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迟正刚【通讯作者】（1965—），男，山东青岛人，副教授，主要从事电力系统及智能电网方面的教学与科研工作。

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，广东揭阳人，大学本科在读，主要研究方向：电力系统及智能电网。