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电网调度自动化系统可靠性的应用研究

课程名称：

电力系统调度自动化学 院：

专 业：

电气工程及其自动化班 级：

学 号：

姓 名：

2015年11月

电网调度自动化系统可靠性的应用研究

摘要

电力二次设备和系统是电网安全稳定运行的根本保障，可靠性是其基本要求之一。

近年来，世界上多个国家和地区相继发生了较大面积的连锁大停电事故，造成了巨大的经济损失和社会影响，调查分析发现：

电力系统安全装置和调度自动化系统的故障失效是引起这些灾难事故的重要原因。

随着电力系统的发展和全国大电网的互联，对二次系统的可靠性要求将越来越高。

因此，对电力二次系统可靠性进行系统、定量的研究分析具有重要的理论意义和应用价值。

电网调度自动化系统是由调度主站、远方厂站自动化系统以及连接主站和厂站的数据通信网络所组成的复杂系统。

本文主要对组成调度系统的二次设备、变电站自动化系统以及电网调度自动化系统的可靠性进行定量分析和评估。

根据调度系统设备的特点，建立电力二次设备的软、硬件可靠性模型和综合模型，定量评估各设备的可靠性指标。

利用该方法对微机保护装置的可靠性进行估计，根据保护装置模块化的结构特点，建立保护装置的结构可靠性模型，得到保护装置及相应模块的可靠性指标：

误动失效率、拒动失效率和总失效率。

利用可靠性理论，定量评估单套保护配置和双套保护配置下模块冗余对保护系统动作可靠性的影响，计算得出各种冗余方式下保护系统的可靠性指标：

拒动概率和误动概率。

针对变电站自动化各二次设备对系统可靠性影响程度不同的特点，本文引入重要度因子来表征各设备在系统中的重要程度，计算得出各设备的等效可靠性指标。

利用故障树分析法（（FTA）建立变电站自动化系统的故障树模型，通过系统故障树的定性分析、定量计算和敏感度分析，计算得到变电站自动化系统的可靠性指标，确定出系统可靠性的薄弱环节，提出关键设备冗余配置的改进措施。

定量评估表明，关键设备冗余能显著地增强变电站自动化系统的可用度，是提高变电站自动化系统可靠性的有效方法。

电网调度自动化系统的可靠性不仅与各单元设备的可靠性密切相关，而且与单元之间的相互联系和配合有关。

在评价各设备和子系统对调度的等效可靠性指标基础上，本文重点考虑时间因素（主要是厂站与调度主站之间信息传输延时）对

调度系统功能可靠性的影响，提出考虑时间因素的通信网络可靠性模型和参数估计方法，得出通信系统的等效可靠性指标。

利用故障树分析法分别定量评估考虑时间因素的调度系统和不考虑时间因素的调度系统的可靠性，对比分析表明，通信系统传输延时对调度自动化系统可靠性具有重要影响，而且信息传输超时严重的通信通道是调度自动化系统可靠性的最薄弱环节，最后提出了相应的解决措施和方法。

算例仿真计算表明，本文提出的可靠性定量评估方法是合理的、可行的，对实际应用具有指导意义。

关键词：

电网调度自动化系统；可靠性；可用度；故障树分析（FTA）

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1.研究背景和意义

调度自动化系统自上世纪70年代在我国开始出现应用以来，随着电网建设，历经了几个不同时期的阶段和发展，己经逐步成熟，功能完善，基本功能有研究走向实际应用现。

在调度自动化系统作为电网运行必不可少的组成部分，已经成为电网监控人员工作开展的重要

工具，电网调度自动化系统是在线为各级调度员和电网运行监控人员提供电力系统运行信息、分析决策工具和控制手段的数据处理系统，是保证电网安全、可靠、经济运行的重要手段。

随着居民生活水平的提高和工业的精细化发展，对电能质量的要求越来越高。

随着电网规模

的扩大，电网技术应用水平不断提高。

这些发展和进步对电网的运行管理提出新标准、新要求。

满足电网运行需求，是调度自动化系统发展的原则。

调度自动化系统作为电网运行的主要监视手段，必须随电网发展而发展。

新的需求促进了应用于调度自动化方面的计算机、网络技术的发展，也促进了电网分析模型和数学计算方法的进步。

电网的需求、技术的发展，促使调度自动化系统进行周期性升级改造。

在项目管理中，可行性研究是专门为决定某一特定项目是否合理可行，而在实施前对该项目进行调查研究及全面的技术经济分析论证，为项目决策提供科学依据的一种科学分析方法。

系统建设的好坏影响着电网监控水平的高低。

项目建设的质量由项目前期准备工作所决定，而项目前期工作的核心就是可行性研究。

调度自动化系统升级改造项目可行性研究就是为项目实施提供决策依据，指明项目的方向。

调度自动化系统升级改造工程项目在电力系统实际管理中，存在的最大问题也是工程前期问题，也就是可行性研究工作没有做好，或者根本没做。

在系统建设完成后遗留或多或少的问题，为系统的使用和维护带来不便。

带有问题的系统投入运行，缩短了其运行年限。

有的企业3年就更换系统，造成投资浪

费。

为规范调度自动化系统升级改造项目，山东电力集团公司规定项目生命周期不低于7年。

为避免系统投运即出现问题，项目前期就要开展大量工作，做到未雨绸缪，可行性研究就是一种行之有效的光临方案。

本论文旨在通过研究，解决电力系统如何开展调度自动化系统升级改造项目可行性，提出适合电网调度自动化升级改造项目可行性研究的有效管理模式，探讨项目可行性研究应包含的基本内容和进行可行性研究的步骤方法，对电网企业自动化项目管理有指导与借鉴作用。

2.国内外研究现状

调度自动化系统升级改造项目是一个系统工程，其可行性研究是项目前期不可缺少的组成部分。

主要阅读参考的国内外研究文献资料包括了调度自动化系统、项目管理、调度自动化项目管理等几个方面。

（1）调度自动化系统方面的资料侧重于技术的研究

调度自动化系统升级改造项目可行性研究需要研究调度自动化系统自身的发展规律。

调度自动化系统是一个综合性的系统，需要多个专业的技术的支持，应用到实际的都是电网运行知识与计算机的结合，因此自动化技术属于综合技术。

对于升级改造项目而言，主要考虑自动化技术的应用实际，新技术的实际意义。

姚建国等人将调度自动化系统的发展归结为四个阶段，提出了调度自动化系统“数字化、集约化、标准化、市场化、智能化”的发展方向。

了解自动化的发展趋势，对于系统升级改造适当超前的设计有很大帮助.智能电网是一段时期内电网发展的方向，也是调度自动化系统升级改造的方向。

于尔铿等介绍了EMS系统的组成和技术，详细分析了EMS系统各功能模块采用的模型、算法和达到的指标，对自动化项目的技术规范和以后系统的运行维护有很强的指导作用。

对调度自动化系统的项目管理从项目立项、招标和实施等几个方面进行了简单介绍，重点强调了项目实施全过程的工作协调和各方面人员参与的重要性。

调度自动化技术方面的文献较多，尤其是在调度自动化系统实际应用中，功能的改进，技术的创新层出不穷。

多个文献着重介绍当时条件下的调度自动化技术应用清况。

升级搬迁原则和迁徙中系统改造和新技术的应用。

主要从电网数据和模型的迁徙、并列

系统的功能测试说明实现模型迁徙的实施思路，从而实现自动化系统的安全快速搬迁，为调度运行提供可靠保障。

文章讲述的共线升级是指调度自动化新旧系统并列运行实现安全更替的过程。

该论文讲述的是调度自动化新系统建设完成如何与旧系统过度，以及自动化机房搬迁时系统如何迁移。

属于调度自动化系统升级改造以后的后续工程，也是项目工期中容易被忽略的环节。

（2）项目管理的资料侧重于理论论述和工程经验总结

现代项目管理从20世纪40年代发展到现在，已从建筑、国防、航天等少数领域发展成为一种具有普遍科学规律的独立行为模式。

项目管理已经具备完整的理论体系和实践方法。

具体到不同的行业，项目的管理系统也存在巨大的差别，需要具体情况具体对待，具体问题具体分析，不能用一种方法硬套不同的项目,不同专业的项目管理方法侧重点各不相同，有的在人员安排上提出了观点，组织能够胜任的人进行项目的可行性研究不仅是科技项目，也是所有项目可行性研究的一个重点。

工程经验总结和工程管理方法的改进是项目管理经验的积累，工程项目前期策划是工程建设中智力密集、知识含量最高的环节，则体现了工程前期工作的重要性。

可行性研究是项目前期工作的重要组成部分，是编制项目设计任务书的重要依据。

可行性研究主要研究项目在技术上的先进适用性，在经济上的合理性和建设上的可能性。

（3）调度自动化升级改造项目可行性研究方面

通过文献资料检索，在建筑、科研、制造等方面项目可行性研究的文献资料较多，应自刚的学位论文作为学位论文是唯一一篇调度自动化系统升级改造可行性研究的文献。

该论文阐述了电网调度自动化系统在电网运行管理工作中的地位和作用以及

调度自动化系统的构成，回顾了调度自动化产生与发展的历史，展望了电网调度自动化系统未来的发展方向。

详细分析了冶金企业与国家电网企业在电网调度运行管理上的相同点和区别，针对本钢电网调度自动化系统改造进行了可行性研究，提出了实现电网调度自动化系统改造的具体方案，并对要采用的技术路线的可行性进行了论证。

文中着重从本钢电网的实际情况出发，通过分析现有电网调度自动化系统的特点及当前电网调度自动化系统的缺陷，提出了SCADA/PAS一体化模型的本钢电网调度自动化系统整体设计方案，同时还提出了本钢电网调度自动化系统的安全防护措施。

文章在调度自动化系统技术的可行性研究上进行了详细的分析。

但是本钢电网作为用户级的电网，与电网公司经营的电网有着巨大的差异，对调度自动化系统的需求、应用上都存在很大差别。

用户电网的调度自动化系统实现了双机热备，SCADA/EMS系统集中运行在通用的PC计算机上。

变电站多数有人值班，调度自动化系统只是作为电网调度的辅助手段，调度员有时更依赖变电站值班员。

调度自动化系统以SCADA功能为主，分析软件基本上没有使用。

电网企业则实现了变电站无人值守，通过自动化系统对变电站进行监控和对电网进行分析，软件功能丰富，系统要求高。

同时文章重点分析了系统的技术方案，对技术方案的可行性进行了论证，是针对一个企业的个例进行的研究。

可以看作具体项目的可行性研究，对电网调度自动化系统技术可行性分析有借鉴作用。

论文没有总结出调度自动化系统项目可行性研究的内有和方法，对于管理方面的分析还有欠缺。

近年来，随着经济的不断发展，电网建设力度明显加大，电网规模不断扩大。

为适应电网建设的需要，典型设计应运而生。

变电站一次二次系统建设典型设计的应用，提高了变电站建设的效率。

山东电力调度中心也提出了地调调度自动化系统典型设计。

但是该典型设计

是对功能规范与技术平台提出了要求。

也就是对基础功能要求进行了规范，对技术的先进性进行了描述，给系统升级改造提供技术方面的借鉴，尽管有典型设计，不同地市的系统却各有侧重，技术和功能只是可行性研究的部分内容。

其他方面还有自动化存储技术，项目计划控制，项目管理模型，管理体系分析等。

综上所述，电网调度自动化系统升级改造项目可行性研究问题目前研究的学者很少，该课题的研究对电网企业具有实际应用意义。

2.1研究思路和论文框架

电网调度自动化系统升级改造项目可行性研究就是通过分析电网运行的需求、运行系统的不足、项目具备的条件和存在的风险，找到适合本地电网的调度自动化系统的技术路线，确定项目的总体目标要求，最终决定项目是否可行论文针对调度自动化系统升级改造项目可行性研究开展的实际情况，分析了可行性研究存在的问题，提出可行性研究在项目管理中的重要性，明确可行性研究的目的。

提出调度自动化系统升级改造项目可行性研究的框架，分析了调度自动化系统升级改造项目可行性研究的特点，与一般项目的区别。

可行性研究的方法就是调查分析比较和实际现场应用情况的考察，论文详细介绍了这些方法的先后次序。

调查分析电网运行对自动化系统的需求，分析调度自动化系统存在的问题，找到项目的技术方案和存在的有利条件。

在项目考察中充实技术方案和论证技术方案的可行性、论证项目实施的可行性。

最后得出项目可行性研究的结果和建议。

可行性研究框架明确了第四章的方向和范围。

第四章详细讲述了淄博电网调度自动化系统升级改造项目的可行性研究，主要利用第三章给出的可行性研究框架，结合供电公司生产实际展开工作。

分析了电网运行特点和存在的问题，总结了调度自动化系统工ES600现状和缺陷，以及工程实施、运行维护的经验。

进行了实地考察调研，对调度自动化技术发展应用，系统供应商情况进行了详细了解分析。

给出了项目实施的时机分析、项目投资估算，以及项目风险分析等。

论文提出了各级应用人员参与项目建设的管理思想，各级人员的参与能够集思广益，保证系统建设全面性，避免了交钥匙模式带来的管理和运行的弊端。

2.2电网调度自动化系统

电网调度自动化系统是指直接为电网运行服务的数据采集与监控系统。

在此基础上逐渐发展成熟的电网分析软件（PAS）和调度员仿真培训（DTS）也被认为是调度自动化的内容。

电网调度自动化系统是在线为各级调度员和电网运行监控人员提供电力系统运行信息、分析决策工具和控制手段的数据处理系统，是保证电网安全、可靠、经济运行的重要手段〔3J。

调度自动化系统主要包括数据采集与处理SCADA,高级应用软件PAS（包括AGC/EDC、状态估计、负荷预报、短路电流计算、静态和动态安全分析、在线潮流、最优潮流等分析软件）、调度员培训仿真DTS等主要功能。

2.3电网调度自动化系统的发展

我国电网调度自动化系统随着电网技术的发展而发展，随着计算机软硬件技术的发展而发展。

从20世纪70年代至今先后经历了四代发展过程。

硬件由单机系统到双机热备再到系统全冗余。

软件功能则是由少到多，由单一的SCADA系统到EMS和DTS。

第一代系统的特点就是单机运行，SCADA系统在专用操作系统的专用机上运行。

第二代系统实现了双机热备，SCADA/EMS系统集中运行在通用的计算机上，但是数据库专用，也就是自动化各软件厂家使用各自的数据库系统。

SCADA系统开始了实用化验收，达到了实用水平。

这个时期的调度自动化系统作为电网调度的主要辅助手段，变电站有人值班，调度员能够通过自动化系统了解

掌握电网的运行情况，但对电网的控制操作完全依赖变电站值班员。

90年代的第三代系统也是调度自动化系统发展成熟的象征。

变电站开始无人值守，自动化系统的作用日渐突出。

基于精简指令集计算机（RISC）/UNIX的开放分布式EMS系统，采用了商用数据库和先进的图形显示技术。

现在应用的第四代系统是一套支持EMS,DMS、广域检测预警系统（WAMS）和公共信息平台等应用的电网调度集成系统。

能满足电力二次系统安全防护的要求，基于公共对象请求代理体系结构（CORBA）开放公布式的设计思路，遵循IEC61970的公共信息模型（CIM）/组件接口规范（CIS）和可缩放矢量图形（SVG）标准，应用软件功能面向电力市场进行了扩展。

遵循IEC61970国际标准的第四代调度自动化系统真正做到开放性，便于系统扩展，做到应用的“即插即用”。

可以抛开厂家因素，做到择优使用，一套系统可以采用多个厂家的软件。

新系统有利于保护应用资源，数据模型的标准应用可以在系统升级改造中保持稳定，可以有效地保护历史数据。

解决调度自动化系统与其他应用系统的数据接口也是第四代系统的一大特点。

现在，调度自动化系统正处于第三代系统向第四代过渡时期。

多数的地调及以上级别的调度机构都己经在使用功能更全面，技术更先进的第四代调度自动化系统。

部分地调和大多数的县级调度还在使用第三代系统。

山东省十七个地市公司从2004年开始到2009年，随着第四代调度自动化系统的开发完善逐步进行了系统更换，省公司也在2008年签订合同进行了系统的升级改造。

3.调度自动化系统的作用

调度自动化系统对现代电网的运行管理特别是调度运行管理中有着不可替代的作用。

首先调度自动化系统实现了对电网运行情况的监视，使调度员和监控中心人员及时掌握电网运行信息，了解电网运行情况。

其次对电网进行控制。

遥控功能可以实现电压的控制，使其保持在合格的范围内，保证了电能的质量。

电网事故的及时处理是调度自动化系统遥控功能的另一作用。

在事故情况下，利用遥控功能，及时调整电网运行方式，提高事故处理速度。

高级应用软件使调度自动化系统的作用更加丰富。

在调度员潮流应用中调度员重点放在电网内部网络情况和方式变化带来的经济运行方面问题。

通过事故预想和经济分析，调度员能够及时合理地安排电网运行方式，及时调整系统潮流。

无功电压自动控制在保证电压合格的前提下，合理调节无功功率。

负荷预测准确率的提高保证电网发电的合理安排减少了发电机的开停次数。

中长期负荷预测也是电网规划的主要依据。

高级应用对保证电网安全、稳定经、济运行起到了很好的作用。

3.1电网调度自动化系统的地位

调度自动化系统在电力系统中的地位和作用是随着专业的发展，技术的成熟而逐步提高的。

在调度自动化系统形成初期变电站的数量很少，变电站运行有值班人员。

信息的采集仅限于遥测和遥信（开关状态），只能为调度员提供调度的部分依据。

真正的运行信息还靠变电站值班人员的现场汇报，故障处理由值班员现场直接操作完成。

自动化系统处于辅助状态，甚至是可有可无，调度员更依赖变电站值班。

变电站无人值守改变了自动化系统的从属地位。

变电站不再有人值班，调度员原来的依赖没有了，自动化系统成为监视控制电网的唯一手段，成为调度员新的依赖。

变电站无人值守改造首先增加了变电站遥控功能，实现了变电站开关的远方投切。

变电站无人值守后，变电站运行信息要远方监视，大量的继电保护信息、自动装置的信息被采集远传到调度端。

自动化信息量的成倍增加丰富了自动化功能，使自动化系统的功能得到完善，也就更好的为调度服务。

在供电公司的设备缺陷管理制度中，调度自动化系统的缺陷被详细划分。

调度自动化系

统停用超过半个小时就算一次事故。

一个220kV变电站的远动通道故障被记一次一类障碍。

变电站无法监视时间超过2个小时，。

变电站必须安排人员值班。

可以看出调度自动化系统作为电网监视控制的有效手段厂已经成为调度管理离不开的工具，在电网运行中越来越受重视。

同时，得到重视的调度自动化系统也迅速发展完善，除电网监视必须的SCADA功能外，PAS,DTS逐步成熟，电网潮流计算、负荷分析预测、无功电压控制、安全分析等电网分析软件得到应用，对电网运行有了更深一层的分析。

DTS功能在培养调度员出来电网事故等方面发挥着重要作用。

为规范调度自动化功能，加强调度自动化管理，国家先后制定并颁布实施了《地区电网调度自动化设计技术规程》（DL5002-91）,《地区电网调度自动化功能规范》（DL/T550-94）,《地区电网调度自动化系统应用软件基本功能实用化要求及验收细则》、

《电网调度自动化系统运行管理规程》等多个调度自动化规程、规范。

规范的制定为系统发展奠定了基础。

供电企业在系统功能建设上有了依据，系统指标有了参考，系统的验收有了标准。

开发商也有开发的方向和依据，缩短了系统研发周期，降低了研发成本。

2002年国家经贸委30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》和2004年国家电力监管委员会第5号令《电力二次系统安全防护规定》都将调度自动化系统作为电力监控系统列为电力二次系统安全防护的重中之重。

调度自动化系统的重要性不言而喻。

3.2电力系统的分层控制

我国六个大电网：

华北、东北、华东、华中、西北、南方电网。

国家电网调度机构分为五级：

国调—国家调度机构；

网调—跨省、自治区、直辖市调度机构；省调—省、自治区、直辖市级调度机构；地调—省辖市级调度机构；

县调—县级调度机构。

各级调度的主要任务

1、国家调度机构

通过计算机数据通信网与各大区电网控制中心相连，协调、确定大区电网间的联络线潮流和运行方式，监视、统计和分析国家电网运行情况，根据系统运行情况，对所辖枢纽变电站、换流站和特大型电厂进行监视控制。

（1）在线收集各大区电网和有关省网的信息，监视大区电网的重要监测点工况及国家电网运行情况，作统计分析和生产报表；

（2）进行大区互联系统的潮流、稳定、短路电流及经济运行计算，向下传达；

（3）处理有关信息，参与电网规划及各种技术经济指标的制定和审查，作中长期安全经济运行分析。

2、网调（大区级调度）

负责跨省大电网超高压线路的安全运行并按规定的发用电计划及监控原则进行管理，提高电能质量和运行水平。

3、省级调度

负责省内电网的安全运行监控、操作、事故处理和无功/电压调整，并按规定的发用电计划及监控原则进行管理，提高电能质量和运行水平。

4、地区调度

负责区内运行监视，遥控、遥调操作、事故处理和无功/电压调整，与省调和县调交换

实时信息；负责所辖地区的用电管理及负荷控制。

5、县级调度

主要监控110kV及以下城镇、农村电网的运行。

电网调度的基本原则：

1、统一调度

形式上，统一调度表现为下级调度必须服从上级调度的指挥。

2、分级管理

根据电网分层的特点，为了明确各级调度机构的责任和权限，有效地实施统一调度。

统一调度、分级管理是一个整体；统一调度以分级管理为基础，分级管理是为了有效的实施统一调度。

3、分层控制

采用调度分层控制便于调度自动化系统功能扩充、系统升级和分期投资。

3.3电网调度自动化系统升级改造项目

随着电网建设和电网技术的发展，调度自动化系统得到广泛应用，系统功能也逐渐完善成熟。

尤其是现在高科技的发展，带来电网运行管理的变化，使得自动化系统的功能不断扩展。

调度由经验调度到分析调度到智能调度的发展主要体现就在调度自动化系统的发展完善上，为适应电网运行的需要，调度自动化系统必须不断进行升级改造。

调度自动化系统由软件和硬件两部分组成。

硬件设备就是IT产品，生命周期在5-7年。

同时软件功能要适应生产发展的需要，也在不断更新。

根据调度自动化运行的经验，地调和县调调度自动化系统平均6-8年需要升级改造，省级以上电网调度自动化系统平均1年需要更新换代。

也就是说，电网调度自动化系统升级改造在电力生产中周期性存在。

从调度自动化技术的发展看，调度自动化支持平台更新周期为10-15年，应用软件（指PAS软件）的更新周期更长。

从应用角度讲希望更新周期长，维护成熟的系统付出的少；从系统需求和新技术进展角度希望更新周期短。

因此对供电企业来说需要经常考虑调度自动化系统的升级改造问题困。

调度自动化系统升级改造多数情况下是弃旧换新一一更换系统，包括硬件和软件两部分内容。

硬件部分即信息接收处理显示所需要的硬件系统，包括接收数据的前置部分、数据处理存储的服务器、电网监视控制的工作站以及系统网络和安全设施。

软件则包含系统软件和应用软件。

一般情况下，调度自动化系统升级改造时，软硬件同时升级，也就是新上一套自动化系统。

因此在可

行性研究中不仅要分析调度自动化软件系统还要考虑硬件系统的组成，同时依据应用软件的需求确定硬件系统的规模。

自动化项目管理包括了可行性研究、项目招投标、技术协议和合同签订、项目计划与控

制、项目质量管理、项目验收。

项目的具体施工过程就是项目前期准备，项目招标及合同、技术协议签订，系统工厂建立和调试，出厂验收，现场安装调试和系统数据接入，现场验收，系统试运行，系统竣工验收和投入运行。

期间要进行多次的技术交流和多个层面的人员培训。

其中项目前期工作就包括了可行性研究、项目立项、技术规范编写等。

自动化项目的工期由上述几部分的时间组成。

前期也就是可行性研究一般需要6-12个月，项目招投标需要3个月左右，设备订货到项目建设完成出厂验收（