功能要求

一、概述

作为现代工业的重要基础，电力系统正朝大系统、高电压、大容量、智能化的方向快速发展，现代电力系统中将系统中各类元件划分为电源（即发电侧），电网络（即输电网），用户侧（即用电负荷）和调度侧几大组成部分，这几个部分相互依存又相互作用，构成了现代电力系统的多样性和复杂性。

为了直观地了解电力系统上述各个组成部分的功能、运行状态、动态及静态响应，深入了解电力系统各部分在不同时段的行为，以便更好地运行和防范故障及不可测知的情况，对于电力工程人员、大专院校学生及教师、电力系统研究人员，需要具备一套合理的、与实际电力系统相符合研究平台，以对真实的电力系统进行学习、观测和研究。认知手段zui为有效的就是仿真。仿真是将建立一个与目标系统具有相同数学描述或结构的小型系统或虚拟系统，通过对上述小型系统或虚拟系统各种形态的研究，对应地理解目标系统行为、状态、功能、参数等等所需研究内容的一种手段。

随着计算机技术的进步，当前绝大多数的电力系统仿真都采用计算机进行软仿真，软仿真具有成本低、见效快的特点。由于软仿真采用的数学方程进行模拟计算，而对电力系统进行描述的数学方程为了易于求解都必须做适当的简化或等效处理，因此软仿真无法反映真实的系统的全部情况，不能完整准确地描述实际电力系统的全部内容，现场人员难于得到更加直观清晰的认识。此外，与数字仿真技术相比，物理仿真手段的实验系统重构性、组态性、和升级性较差，实验系统灵活性差，多采取固定接线，不够开放。但是电气工程作为一门实践性工程科学，仅凭计算机技术的虚拟仿真手段显然不能彰显实际工程的特殊性问题和现象，同时，对于学生而言，难于培养动手能力，现场实际能力得不到锻炼，因此，物理仿真手段仍然具有数字仿真技术所无法比拟的优势。

从学生能力培养和科学发展观的认识论角度看，物理仿真系统符合由实践到理论，再由理论到实践的认识规律，是科学教育在认识论的补充，对学生的知识体系和科学认识具有重要作用。另外，该实验平台在电气工程专业的具有广泛的应用，应用学科涉及到电力系统自动化、电机、电力电子等多个专业，其应用涵盖了包括电气工程专业基础课到专业课几乎三分之二课程内容，具有较大的学生应用面。

一个包括了数字仿真技术和物理仿真技术的实验与教学平台对于电气工程系具有更加深远的意义。首先，该平台的建设是多学科的融汇点，是各专业技术的融合点，在这样一个平台下，可以将各个专业的需求汇总起来并形成有力的结合，增强电气工程系的总体实力和凝聚力；其次，显而易见的，该平台建设对于电气工程类教师知识体系的提高和补充作用意义重大。

当前的物理仿真主要是动态模拟仿真，国内拥有动态模拟仿真实验室的高校仅有清华大学、华北电大等七所院校，各大电力科学研究院也拥有一定规模的动态模拟实验室。主要原因是大型动模的维护成本高，模拟电路复杂，技术老化，电机等设备难于维护。

本产品——物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统结合了计算机软仿真和动态模拟仿真的优点，既具有现场的直观性，又解决了普通动模的维护成本高、模拟电路为主流的结构，大大地降低了成本。

物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统是采用组态的方法，将电力系统的各种组成元件?？榛?，形成具有独立封装性能的?？榈ノ唬佣阌诹榛畹刈槌伤枘勘甑牡缌ο低?，从而完成整个目标电力系统的各种发电控制、输配电及潮流、配电和用电侧管理的物理仿真功能的仿真实验平台。

本工程中，拟采用物理组态式电力系统仿真实验平台建设一个针对用户需求的目标电力系统。

二、建设内容

建设一个典型的电力系统，包括发电侧、电网络、用户侧和调度侧四个部分。发电侧由同步发电机组成，机组具有各种自动调节能力；电网络可灵活组态，构成所需要的网络架构；用户侧包括智能化变电站和各类典型负荷；调度侧具有EMS管理系统，可监测系统内全部的设备，具有“四?！蹦芰Α?/p>

EMS软件具有记录设备的运行情况，开启、故障、运行异常等时间顺序记录能力，并打印上述内容及故障报警。

第四节 设备选型和技术性能

一、TQTSⅡ系统概况

根据工程经验，在本工程中选用TQTSⅡ物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统。该物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统包括各类各规格的发电机组、各种规格的变压器、可变长度和参数的电力网络、具有智能功能的变电站、各类复杂而实际的用电负荷、以及含有多种通信协议的调度中心。利用该系统，可以通过电脑配合相应的软、硬件对各设备的各类参数进行各种电力系统实验和观测，实现EMS管理，以达到设备管理的合理化，提高效率、节约维护成本。

TQTSⅡ物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统具有很好的扩展性和兼容性，在资金到位的情况下，先期可建立一期系统，即能够独立运行，后期工程可以方便地同前期工程联网组态。TQTSⅡ物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统自控系统适应性非常强，整个系统组按模块化组成，可分为不同等级的独立系统，每级都具有非常清楚的功能及权限，使其具有如下特点：

●可靠性：系统当中的各级别设备都可独立完成操作，即在同时刻组成不同级别的系统（或不同级别的结构组织形式），这一结构形式使得用户界面非常亲切，而且提高系统的可靠性。

●灵活性及经济性：?？榛峁剐问?，使得整个硬件与软件系统都可很方便地扩展，系统各部分分别随调试完成即可投入使用，使业主投入有效的工作而保证用户高标准的舒适性。

●兼容、开放性：可与其他厂家互联，包括各种形式控制器、VQC、特定发电机组并支持各类主流通信，TQTSⅡ保持向上的兼容性，使过去开发的控制器不至过时。

TQTSⅡ系统EMS软件为优先级多任务操作系统，并可在WINDOWS等多种平台下运行。系统软件采用开放式，标准化和模块化设计，系统的界面软件设计面对电力系统人员，采用实用而简洁的人机会话系统，系统的操作、设定、图形制作使用鼠标器，具有zui简易的可操作性，并具密码?；すδ?，不同权限的管理人员可通过密码监测，手动控制、修改参数，甚至修改程序。系统软件有自诊断功能，可编程的报警处理程序。多幅易懂的动态彩色画面以供操作人员实时监控。大量数据表可通过商用软件处理以满足用户需求，为此而采用的这些商用软件程序也可纳入TQTSⅡ软件的多任务操作系统中。TQTSⅡ的维修管理软件将zui大限度地维护系统各个机电设备，及时通知操作人员检修需要维修的设备。

系统访问设置密码，密码级别由系统管理员制定。经授权的管理人员可通过键盘和鼠标手动控制设备的启停。系统设有数据打印机，设备参数可通过打印机输出，打印机也可输出定义的报表。上述各系统的历史数据可根据要求存储于硬盘中，并可打印输出供管理人员分析。重要控制设备的运行时间自动存储于硬盘中，供管理人员维护设备的参考。系统所有报警实现实时自动打印，并可发出声音报警。

二、系统构成

    TQTSⅡ电力系统综合仿真与动态模拟系统包括以下五个部分：

1 同步发电机组

2 电网络

3 变电站

4 负荷

5 中心调度

同步发电机组作为TQTSⅡ电力系统综合仿真与动态模拟系统的电源，主要完成为电力系统中发电机的任务，在具有自身调节能力的同时，可以接受调度中心的指令。

电网络是一个可以灵活组态的网络柜，可以形成各种实验需要的接线形式，本部分具备基础的继电保护功能。

变电站和负荷作为用户侧内容而存在，在变电站中含有多种自动化装置，具备智能变电站的内容，可接受调度中心的指令；负荷包括多种常规复杂负荷，更加准确地模拟了现代社会负荷的多样性。

调度中心主要运行EMS软件对整个电网进行现代化管理。

以下为系统构成示意图。

设备选型和技术性能

1基本功能

1.1 同步发电机部分

（1）同步发电机的励磁

（2）同步发电机的调速

（3）发电机同期并网

（4）发电机电气量测量

（5）同步发电机信息通信

（6）发电机?；?/p>

（7）可设置发电机各种故障状态

1.2 电网络部分

（1）可变结构的网络

（2）参数可组态功能

（3）可根据需要设置所需网络故障

（4）线路断路器远控能力

（5）线路继电?；ぃㄖ鞅；の缌魉俣闲停?/p>

（6）网络电气量测量

1.3 变电站部分

（1）数字化变电站

（2）变压器分接头调节系统

（3）无功补偿及九区域图功能（VQC）

（4）低频减载

（5）时间队列和故障录波器（可?。?/p>

（6）变压器?；?/p>

（7）变压器高压计量（可?。?/p>

1.4 负荷部分

（1）静止负荷

（2）旋转负荷

（3）谐波负载

（4）电度计量（可选）

（5）风力发电机组（可选）

（6）太阳能电站（可?。?/p>

1.5 中心调度部分

（1）EMS——SCADA

（2）EMS——AGC

（3）EMS——EA

（4）EMS——DTS（可?。?/p>

（5）EMS——系统分析功能（可?。?/p>

2辅助功能

（1）显示功能

     大屏幕LED动态显示，投影显示。

（2）备用接口扩展

（3）通信接口

     设备应根据实际应用环境的通讯要求，至少具备一种标准通讯接口。

     实现监测数据的实时传输。

     推荐设备能通过串口或者以太网口实现就地设备间的互联。

（4）可选USB高速串口存储器；

（5）设置功能，

     包括内部时钟、监测内容、控制方式、控制参数设定。

     系统基本数据的重新设置、更改、删除功能，并对设置进行保存。

3建设规模

本平台建设规?；竟婺Ｓβ恪兜缌ο低撤治觥分蠭EEE三机九节点系统的基本要求。

由于本平台具有良好的重构性和组态性，因此如配套资金允许，建议网络规模建设为IEEE十四节点系统。

无需论述，与上述经典系统吻合具有很好的教学价值。

4设备外观

建设应用面

1专业

电力系统及其自动化专业

电力电子专业

电机专业

2课程

《电气工程基础》

《电力系统自动化》

《电力系统继电?；ぁ?/p>

《电力电子技术基础》

《电能质量》

《电机学》

《电机拖动》

《电力系统暂态分析》

《电力系统综合实验》

《变电站课程设计》

以上总计本科课程10门，应用平台学生人数、总课时、学时较多，应用本平台的时间从三年级开始一直到四年级结束，利用效率极高。

五、EMS软件技术

物理组态式电力系统综合仿真与动态模拟系统EMS包括SCADA、DTS、EA、AGC等。以下用AVC举例说明。

系统的结构见上图所示，适合工业级实时控制应用，安全、实时、稳定、可靠性高，实时多任务处理能力强。其中AVC工作站可以是多个配置。

系统采用跨平台设计方式，服务器采用UNIX操作系统系统，而工作站采用NT操作系统。核心计算软件、数据管理及数据库位于服务器上，图形显示、报表等软件位于工作站侧。

2 数据流向

地调AVC系统的数据流向与主站系统相同，即只读SCADA系统数据库，要求SCADA厂商开放其历史数据库和实时数据库，提供实时数据库访问接口。整个系统保持相对的独立性。数据流向和逻辑结构如下所示：3 软件流程
地调AVC系统不存在三级电压控制，所以整个控制系统只存在一个控制流程，其流程图如下所示。由于地区电网的自动化程度相对较低，数据采集的准确性和数量都无法和主网相比，所以，无功优化算法必须与专家系统技术紧密结合，以保障所形成的控制策略的可行性与合理性。

4 优化控制策略

对于地区电网来说，如果网络较庞大，220kV变电站较多，应采取分区控制的方式。分区的原则是以220kV变电站的供电区域作为一个基本单位，分别进行无功分析和控制，而要求各个分区之间的联络线无功潮流尽可能的小。在地区电网中，电容器组通常是其可以控制的主要的无功电源，所以控制模式只是响应主站系统的第三级电压控制，控制的时间周期为小时级。地区电网AVC系统进行地区电网的全局优化，在保障220kV节点电压和注入的无功功率为恒定的情况下，以网损zui小为目标函数，优化电容器组的投切，保障地区电网的安全性和电容器组投切次数的限制。此外，对于有载调压变压器来说，由于其对网损的影响较小，所以单独形成有载调压变压器的控制策略，即在电压偏离较大时进行调整。

在优化分析方面，地调AVC系统中采用zui小费用流算法和线性规划算法作为主要的优化分析技术。目前，优化潮流技术已经比较成熟，也有很多应用于现场的事例，但是，在AVC系统当中成功的应用范例并不是很多，主要是因为AVC系统是一个实时闭环控制系统，要求计算的速度较快、精度较高，否则将会产生不合理的控制策略。本系统采用zui小费用流模型，通过序列二次化来求解zui优潮流，此技术作为电压控制的主要算法；此外，采用通过对控制目标和约束条件进行线性化，采用线性规划技术作为二级电压控制的主要算法。线性规划和基于zui小费用流的二次规划是目前zui为成熟的优化技术，完全可以满足现场实时计算的要求。此外，本系统采用回路电流方法作为潮流与优化潮流的核心分析技术。对于配电系统来说，线路对地的导纳相对较小，可以采用回路分析技术?；芈贩治黾际醴治龅闹饕诺阍谟诩扑闼俣瓤?、收敛性好，适合于配电网络数据不完全等特点。

zui后将专家系统技术作为优化技术的后备技术，当优化失败以后，可以从系统库中选择进行电容器投切的依据，这些可以是专家的经验，也可以是省公司对地区电网下达的电压或者功率因素曲线当中得到。专家系统技术作为优化技术的后备技术。本系统采用相似搜索技术，在以往大量的历史数据中，寻找与当前运行状态相似的控制策略，作为当前控制策略的备用方案。

5系统主要功能

(1) 数据采集和处理

实时采集各厂站RTU遥测、遥信、?？?、微机?；ば畔⒌仁荨Ｍ?，向各RTU厂站发送各种数据信息及控制命令。

数据类型包括模拟量、状态量、电力系统各种参数等。

数据采集周期、方式、参数等可在线定义，状态量的变化优先传送。

支持多种远动规约（IEC60870-5-101、103、104，IEC60870-6-TASE2），并包括一些改良的非标CDT规约，并能灵活、方便地配置新规约。

状态量能设置告警等级，模拟量能设置满码值、偏移量、归零范围及告警等级。

能对二进制或BCD码的模拟量数据进行工程量的转换、限值检查和合理性校验。

具有微机?；ぷ爸玫氖莶杉翱刂乒δ埽航邮毡；た刈刺?、接收?；げ饬啃畔?、接收?；す收隙餍畔?。

系统将接收到的事件顺序记录内容按时间先后顺序分类排队、存档，可用中文按厂站、时间段分类检索、显示或打印SOE列表。

按预定的周期将需要的数据送历史数据库作历史数据处理。

(2) 控制和调节功能

控制和调节内容包括：断路器开/合、调节变压器抽头和无功补偿装置投切及调节。

系统中采用有效措施来保证控制操作的安全可靠，以防止发生误操作情况，主要包括：

1）控制和调节从具有控制权限的工作站上才能进行。

2）?？?、遥调有返送校核，同时按选点、校验、执行三个步骤进行。

3）不同工作站同时对一个设备进行控制的情况将被闭锁。

控制正确执行后，画面上将反映控制操作后设备的状态。

可以远方或当地设定设备禁止控制挂牌。

具有严格的权限控制。

提供详细的记录文件记录操作对象、操作内容、操作时间、操作结果等，可供调阅和打印。

具备满足电网实时运行要求的时间响应特性：

选点时间≤1秒

执行命令传输到相应RTU的时间≤3秒，CRT上显示返回执行结束的时间≤5秒（从命令执行到结速不大于6秒），这一要求在电网正常及事故情况下均满足。

(3) 人机

安全措施：具有系统管理员级、管理员级、主调度员级、调度员级、一般人员级等五个等级权限。通过权限级别控制使用者访问系统的能力及其操作控制范围。鉴别用户权限的密码存放在服务器端。

控制台输入输出设备接口标准化，可随时增减、更换、升级输入输出设备。

采用统一的窗口风格、画面格式及画面功能。

可设置各类操作人员及其操作权限（读、写、执行）。

系统的性能监视：了解全系统、各计算机资源状况、CPU负荷、网络负载、内存和磁盘使用情况、数据传输速度等；具有趋势曲线、饼图、棒图等直观的系统性能监视手段。

控制操作。

数据输入和修改。

操作员注释、记事本、挂牌。

打印功能。

通过单线图（厂站图）进行设备参数的查询和检索。

通过单线图（厂站图）进行对相关厂站或该厂站内某一设备的运行数据（遥信变位、告警信息、遥测曲线等）的查询和检索。

系统要能提供包括五笔字型在内的多种汉字输入法。

系统象标准软件应用软件一样，在线提供实时帮助，让使用者通实进帮助功能，就能了解系统的操作和使用方法。

(4) 历史数据管理

历史数据管理定期采集实时数据库和应用数据库的数据，对实时数据库和应用数据库中的每一个点可选定存储周期实现历史数据记录，历史数据库存储具有定时存储数据的功能；提供访问历史数据库的接口并可随时检索和使用；保存的数据可用报表和画面显示。

存储的数据类型包括：状态量、模拟量、告警和SOE数据、设备操作记录、各级各类告警信息。

采样数据的定义简单方便；采样的数据为整个实时数据库和应用数据库；可指定采样的数据范围；采样数据时间周期可调，并可有多个采样周期，个别数据如频率采样周期为1秒；采样的数据范围及采样数据时间周期可在线修改。

历史数据库的内容至少保存一年，如果磁盘空间允许，保存时间可尽量长；每个历史数据均包含实时性标志和修改标志。

历史数据的管理简单方便，系统提供有关管理维护工具；所有的历史数据能自动存入硬盘中，同时也能方便转储到*存储介质如磁带或光盘上长期保存，同时可从*存储介质上读取某段时间的历史数据段面进行复档、反演及重新计算。

对周期采样数据可用历史曲线形式表达；可对时、谷、峰、日、旬、月、季、年，典型时、日、月各时段及用户自定义时段的历史数据进行统计及累计（积分），统计的数据包括zui大值、zui小值、平均值、zui大值zui小值时刻、不合格时间、波动率、合格率等；历史数据能重新计算；可从系统中任意节点上检索和使用历史数据。

可从系统中任意节点上检索和使用历史数据，历史数据检索要求能检索历史上任意时间段的数据，检索条件能由用户自定义，并能对典型检索条件进行存储和管理。

具有与商用关系数据库的标准接口，可使用商用关系数据库支持历史数据管理。

系统设有保存“代表月”，“代表日”数据功能，对于“代表月”，“代表日”的数据要能保存十年以上。

(5) 图形显示功能

图形系统是表示电力系统运行状况的重要手段。

图形可分为电网潮流图，主结线图，单线图，扇形图，系统运行状况图和设备参数图等。

作图工具方便和实用，并适应电力系统的实际情况。能方便地画出各种电力设备。能在作图时同时定义动态量，无需另外定义。

图形系统中具有丰富的电力图元供用户选用，并且用户可自行定义生成各种图元。

制图过程可在线完成。增加、修改、删除画面不能影响系统的正常运行。

系统的图形数目不受限制。并提供方便的检索手段。

各种图形能转换成标准格式输出。如可转换成AUTOCAD的dwg文件格式。

(6) 自定义表单查询

表单生成与查询是地区电网AVC系统中的重要功能之一，以往的类型系统中，表单的格式往往根据用户要求事先定义好，在实际运行过程中，用户不便对其进行自定义或者修改，往往不能完全满足实际工作的需要。

在本系统中，建立了数据库中各个数据表和表中所有数据段的详尽关联关系表，可以为用户提供自定义表单查询功能。用户可以根据实际需要选取要查询的数据段，定义对应的查询条件和表单的具体格式，由系统自动生成数据表单。

另外，还提供类似EXCEL电子表格的制作工具，利用其可在线定义、显示、打印数据库中的所有数据，建立表格和数据库的动态连接。自动生成每月的典型日报表。用户能在报表工作站或任一台工作站上以交互方式在线编辑、定义报表，报表的格式可任意定义，报表的数据不受限制；所有报表可以定时打印、召唤打印，定时打印的时间可任意设定，报表打印时完全脱机打印。支持网络打印机，全部报表均为汉字打??；提供丰富的编辑手段，允许对所有报表进行在线修改，派生计算量自动跟踪参加计算的分量同步改变。

六、系统特点与优势

无论是软仿真还是动态模拟实验，其缺点都是很难完全模拟目标系统的变化，也就是说，当目标系统发生变化时，常规方法都不能跟随目标的变化来满足新系统的变化。而本设计的物理组态技术，可以快速模拟系统的变化，适应新的用户要求。

快速组态变化的优势也表现在对用户需求的多方位满足上，本设计可以针对发电用户和电网用户提供不同的组态方式以供选择，可以在设计层面上即满足多种用户的需求，这也是本产品的zui大优势。

1) 多功能：一套实验系统可完成包括同期、励磁调节、静态稳定、暂态稳定、功率特性、继电?；さ榷嘀质笛楣δ埽姨峁┦侄?、自动等不同的实验方法，供学生比较。多套实验系统可联成任意结构的电力网络进行复杂电力系统及调度自动化综合实验。

2) 可视化界面：每台自动装置本身都有液晶显示屏，可以方便的观察数据、观测波形、观测录波数据及设置参数。

3) 贴近现场实际：实验系统是一个完整的电力系统典型模型，与电力系统的实际情况基本相符。

本平台具有以下的先进性：

1、具有灵活的组态性能和重构性能，克服了长期以来困扰教师的主要问题，这使得在该平台上可以方便地构成电力系统的任何模式，用户侧管理的各种模式，以及发电端的各种方式，对于跟踪当前电气工程的新技术和实践有着其它同类实验装置不能比拟的优势。

2、功能齐全，本平台的发电侧管理和用电侧管理具有强大的功能。如发电侧管理除作为电源外，同时可以实现电机学的实验教学任务，发电机、电动机和变压器等可进行拆装组合、参数测试；用电侧管理除作为负荷外，还可以作为无功管理、谐波治理等电力电子课程的教学平台。平台的每一组成部分都具有多功能的应用意义。

3、与当前的技术发展接轨。本平台的各个组成部分均采用当前zui为先进的技术构成，并兼容电气专业的技术发展方向，如可兼容风力发电技术、太阳能发电技术等。

第五节 建设周期

1、建设周期

根据用户要求。