分布式发电能量的管理系统图形平台及拓扑研究可编辑

分布式发电能量管理系统图形平台及拓扑研究年月合肥工业大学
本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学硕
士学位论文质量要求。

答辩委员会签名:工作单位、职称
主
席:
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委员:
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导师:
//司独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所
知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,
也不包含为获得
盒旦巴王些型整一或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作
的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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学位文者墼轧
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签字期
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学位论文作者毕业后去向:
工作单位: 电话:
通讯地址: 邮编:分布式发电能量系统图形平台及拓扑研究
摘要
本文以合肥工业大学分布式发电与微网实验系统为例,分析了分布式发电
能量管理系统对图形平台的需求,采用对图形平台进行了设计架构,在
平台基础上使用类库按照面向对象的思想实现了图形平台,该
图形平台在分布式发电实验室上取得了较好的应用效果。

本文研究了电网模型,将电气设备的图形属性、连接属性、参数属性相分
离,以改善模型的扩展性;设计了图元库和参数库简化建模过程。

平台使用动
态链接库对测控设备进行信息维护,设计了基于控件的图形接口供第三方应用使用进行二次开发。

在图形平台的基础上,本文研究了原始拓扑的生成过程,并针对目前流行
的多核处理器计算平台,将传统大电网分解为多个小的拓扑模型,使其多个处
理器能够同时进行拓扑搜索过程,提高拓扑分析在多核处理器平台上的速度。

关键词:分布式发电;图形平台;建模;拓扑分析;
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;; ;致谢
本文是在导师丁明教授的悉心指导下完成的。

我的导师丁明教授有着高尚
的品格、渊博的学识、严谨的治学态度和朴实的工作作以及豁达的人生观,
这些都给我留下了深刻的印象,激励着我奋发进取,并将使我在以后的学习工
作过程中受益终生。

在这两年多的时间里,丁老师不仅在学习上对我亲切指导,
而且在生活上也给予无微不至的关怀,使得我顺利完成研究生阶段的学习和生
活。

在此论文完稿之际,向丁老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。

在课题研究和论文的写作过程中,我得到了毕锐老师的许多的帮
助和关心,
在此表示衷心的感谢和敬意。

在整个研究生阶段的学习和生活中,我还得到了实验室同学们的热情帮助,
感谢你们陪我度过难忘的三年时光,在此对他们也表示我真挚的谢意。

最后,真诚的感谢母校合肥工业大学对我年得培养和教诲。

作者:程骏
年月目录
第一章绪论?..??....??...........?..??.
.分布式发电系统?.?.........?...?..
..分布式发电系统概述.....?.......??......
..分布式发电系统发展现状...??.......??.
.电力图形平台概述?...??....??....?.........拓扑分析概述??....?......??.........?..??..
.课题研究的目的和意义....?.........本文的主要工作...??.....??.......
第二章分布式发电能量管理系统??.....?...?...?..
.分布式发电研究系统硬件平台........?....
.分布式发电能量管理系统软件平台??.....
..软件平台概述..?.....??.?...?...?.
..图形建模工具?..??.....?......
..数据采集系统??....?..
..数据库系统....?.?.?.
..数据处理与监控系统.....?
..访问接口......?
第三章图形平台分析...??......?.
.图形平台功能分析?...?..??.......
..图形平台的功能.?...?...??....?.....??..
..图形平台的分层结构........
.电气设备图元模型?......?...
..图元的图形属性..??.......??..?....?..?.
..图元的连接属性??.?.....??....电气设备参数模型...??...??...?..??...??.
..电气设备参数?.??.......?....??..
..参数存储格式.??...............?...?.
..电气参数模板库??...?..?.?
.电网模型设计......?.
..设备图符??.?.?.....?.....??...
..电气连接线....?................?...?..
..基本笔画??..??.........?.
..标签?...........??.....?..??......电网图结构...?.........................?
.测控设备维护......?........................?.
.用户权限设计...................??...
.图形访问接口分析..........图形平台数据库设计.......?.......?.??.....?.....
第四章图形平台的实现..?....?.....?..?.
.图形平台实现的关键技术...?........?.....?..
..
建模技术.............?...??.??.
.. 图形编程技术..?...?...?....??..
..
技术....................??..
.. 控件技术?..?.....?.....?.?.
.图形平台的实现??.....?.?....?.
..:基本笔画实现.?...??.
..图元实现...?...??.....??.
..:参数模型实现??.??...?.....??..
..电气设备图符实现?.?.?.??.
..数据库访问...?.?......
.图形平台软件成果?.....??..?.....
第五章电网拓扑分析研究?........?..??..
.原始拓扑生成..??...??..
.传统拓扑分析方法介绍...?...??...?.....?
..邻接矩阵法...?.?...?.??..
..传统算法分析及本文算法思想.??..
.多线程拓扑分析算法...?....?
..电网拓扑模型?...?...??.....
..电网拓扑算法.?.?....?.....?
...厂站分析...?...??.
...网络分析?..?.....拓扑跟踪??.
..拓扑算法实现.?........?.?.........?.
..结论?....?..?....??....?.....?
第六章总结和展望...??.....??...??......?.
.工作。

总结?..?.?...?.?.
.下一步工作展望.......?.......
参考文献...?................?...?...??....,.?
攻读硕士学位期间发表的论文.....??.....?.....??插图清单图?分布式发电能量管理系统关系图??.?.
图?合肥工业大学微电网实验平台系统图?.??.?.
图?实验平台通信系统结构图..?..
图?数据采集系统软件结构?.?..
图?图形平台结构图.??.图?电气设备的图形表示??....
图?电气设备的图形属性关系图?.?......
图?电气设备的连接属性分类图?电气设备参数模型.??..... 图?电气参数存储格式对比??..
图?电气参数模板库结构示意图?.
图?电网图数据组织结构?...??...?.
图一双缓冲画图原理示意图?.?.
图?基本笔画类结构图?
图?图元类结构图??.
图?电气设备参数模型结构图?...
图?电气设备图符类结构图??..
图?设备图符创建流程图.
图?图形建模工具运行界面.??.
图?测控设备信息维护界面??..
图?图形访问接口控件运行界面图?图符与图符连接关系判断流程..
图?典型/主接线示例图....??.图?简化电网模型??.
图?厂站静态分析示意图??..
图?拓扑节点编号映射?.??..
图?多线程拓扑分析流程图?.?.论
第一章绪
.分布式发电系统
..分布式发电系统概述
分布式发电是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内、模块式的、分布在负
荷附近的清洁环保发电设施,能够经济、高效、可靠地发电?。

根据分布式发
电单元使用的技术不同可以分为水力发电、光伏发电、风力发电、太阳热发电、
柴汽油机组发电、燃气轮机组发电和燃料电池等【,随着实际应用中出现
的问题,目前也在分布式发电系统中引入了蓄电池储能发电系统、超级电容等。

储能单元,以平抑太阳能、风能等不稳定新能源给电网带来的冲击
虽然现在全世界%的负荷都是由以大机组、大电网、高电压为特征的集
中供电系统承担的,但是如今社会的方方面面已经离不开电力,对电力供应的
质量和可靠性要求越来越高,大电网由于其缺陷已无法适应这种需求,主要体
现在,大电网连接所有的发电单元和用户,任何一点的故障都可能形成多米诺
骨牌效应,对:大电网整体造成较大影响,甚至全网崩溃,如年月日
美加大停电事故;大电网易受到战争、恐怖袭击和地震、极端气候等自然灾害
的破坏,且恢复困难,如年春节期间在我国南方发生的冰冻天气
对电网造
:
成的破坏。

分布式发电与传统发电相比,具有以下优点
分布式发电系统各电站相互独立,用户可以自行控制,不会发生大规模
停电事故,安全性和可靠性较高;
分布式发电主要布置在用户现场附近,与大电网供电互为补充,减少电
网总容量,改善电网峰谷性能,提高供电可靠性;
分布式发电系统布置灵活、方便,可以在负荷中心布置,电力就地消化,
节省输变电投资和运行费用,减少了集中输电的线路损耗;
对用户自发自用的分布式发电,不存在电力交易,可降低用户的用电成
本。

分布式发电系统运行过程中不会产生煤炭、天然气、石油等一次能源的
运输环节,节省社会资源,且主要利用风能、太阳能等清洁能源,属于零排放,
不会带来环境污染和温室效应等问题;
..分布式发电系统发展现状
近年来,;石油、天然气、煤炭等一次化石能源逐渐枯竭,且造成
严重的环
境污染和二氧化碳排放等问题,核能发电因为福岛核电站事故让公众怀疑其安
全性,传统电网也因为大范围的停电事故让人们认识到其不足,因此,大电网
与分布式发电相结合,被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电力系统
可靠性和灵活性的主要方式【‘。

目前分布式发电已成为发达国家大力推广的发
电方式,据统计,美国现在拥有分布式发电站余座,以天然气热电联供为亿千瓦时,分别占美国总装机容量
主,总容量达万千瓦,年发电量
的.%和总发电量的.%;日本分布式发电的主要发展方向是太阳能光伏发
.%;德
电和热电联供,目前总装机容量约为万千瓦,占总装机容量的
国分布式发电总装机容量约为万千瓦,占总装机容量的.%,且正在大
年一年就新增加了万千瓦的太阳能光伏发电
力发展太阳能光伏发电,
兆瓦以下的生物质能发电站。

丹麦分布式发电量
容量,另外还拥有多个
已经超过总发电量的一半,接入低压配电网的风机装机容量为多万千瓦,
俨然已成为国内不可或缺的电力供应来源。

对分布式能源的单独并网标准做了规定:当电力系统发生故障
时,分布式能源必须马上退出运行。

这就大大限制了分布式能源的充分发挥,
也间接限制了对新能源的利用哺。

为最大限度的发挥分布式发电的经济效益和
对电网可靠性的改善作用,微电网?的概念被提出并成为分布式发
电的发展方向。

微电网是将分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷
和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保
护和管理的自治系统,既可以与大电网并网运行,也可以与大电网分离作孤岛
运行状态。

.电力图形平台概述
计算机图形学是将图形二维或者三维转化为计算机显示器的栅格形式
的科学,在融合了数据管理、图像处理、图形学等众多相关技术后发展出新的
分支,即科学计算可视化,它将计算过程中的数据和结果通过图形的方式在屏
幕上显示出来,使得数据更加直观。

通过将科学计算可视化技术与人机交互技
术有机结合即得到图形平台,用户通过对图形平台中图形进行操作达到运算实
际繁杂数据的目的。

电力系统是一个复杂的大系统,包含众多的发电机、变压器、线路、测控
装置等,这些设备包含大量的数据,电力图形平台就是通过图形化的操作来管
理电力系统的大量数据,在电力系统中已经取得了大量的应用,如操作票系统、
系统、短路计算、潮流计算等,都是以图形的方式来建立电力系统的
网络拓扑结构,以图形操作的方式来维护电力系统数据,并将结果也在图形上
显示。

.拓扑分析概述
电网拓扑分析又称网络接线分析,是潮流计算、状态估计等高级应用的基
础【。

拓扑分析是根据电网中电力设备的连接关系以及设备的运
行状态开关
元件状态分析得到计算用的逻辑节点和各个子系统,为潮流计算、仿真分析、
网络重构、状态估计等高级应用提供电力网络的网络拓扑结构信息,是 ,能量管理系统和
,配电网管理系统的实现基础。

电力系统中包括隔离刀闸、断路器、线路、变压器、发电机、避雷器等众
多一次设备,隔离刀闸、断路器为开关类型的二端口元件,线路、变压器为二
端口阻抗支路或三端口阻抗支路如三绕组变压器,发电机、避雷器为单端口
元件。

元件的端口即为拓扑分析中的物理节点,通过闭合的隔离刀闸以及断路
器连接起来的物理节点集合称为母线,通过线路、变压器等阻抗支路连接起来
的母线集合称为拓扑岛,又称为孤岛。

拓扑分析就是根据开关元件状态将一次
设备之间的接线关系转换电力系统分析计算需要的数学拓扑岛模型,并根据此
模型产生节点导纳矩阵为潮流计算、状态估计等应用软件提供基础数据。

对电力系统拓扑分析的要求是【:
可靠性:对所有形式的电气接线环形接线、一台半断路器接线、/ 台断路器接线都能够准确地进行分析,因为拓扑分析的错误,必将导致网络
分析和电力系统计算模型的错误,以至于所有依赖于拓扑分析的高级应用都将
不可靠,其结果都将无意义,严重时更可能造成电气事故。

快速性:电力网络拓扑结构是绝大多数电力系统高级应用的基础,因此,
需要拓扑分析尽可能的快速,为其他高级应用提供实时的网络拓扑数据。

当电
力系统稳定运行中发生某一个开关设备动作,特别是发生了开关保护跳闸等电
力系统故障时,需要对电力系统进行实时分析,此时就需要尽可能快的得到网
络拓扑结构,实际上,开关设备的动作可能只影响网络中局部区域的拓扑结果
而不引起全网拓扑结构的变化,这就需要优化拓扑跟踪算法,减少冗余的拓扑
搜索,快速得到结果。

方便性:要求拓扑分析结果简单直观,不同电压等级的设备用不同颜色
表示,不带电的孤岛使用暗色表示,随着开关元件动作,网络中节点会发生合
并或者分裂,导致节点数量变化,引起网络内节点的重新编号,希望各厂站内
部节点编号基本固定。

.课题研究的目的和意义
分布式发电在我国已经得到较快的发展,并得到了可喜的成绩,但是,在
发展过程中也暴露了很多问题,我国对分布式发电的研究主要集中在分布式电
源本身,如风力发电机、光伏并网逆变器等,这就导致了我国虽然建设了大量
的分布式发电系统,但是能够并网投入运行的却很少,究其缘由,有政策因素,
但本质还是缺少对分布式发电系统的合理的、有效的分析、研究和控制。

这就
需要对分布式发电系统进行系统层面的研究,而不是针对某一个的分布式发电
单元,而系统层面的建模较为复杂,为减少建模过程的复杂程度可以通过图形
的研究都是针对传统应用,
化操作来建立模型,但是已有电力图形化工具【如、操作票生成,
建立的模型只是针对某一种应用,不具有通用性,
不适应分布式发电能量管理的需要。

通过本课题的研究,为分布式发电研究者提供一个系统的、完善的、适合
分布式发电能量管理系统的图形支撑平台,通过此平台可以减少重复的系统建
模工作,提高工作效率,建立的分布式发电模型能够被多种高级应用重复使用。

.本文的主要工作
本文工作主要围绕国家高技术基金项目《多能互补微型电网的并网、
控制和能量管理技术》展开,并根据系统在实际研究应用中遇到的问题,进行
了优化改进,主要做了以下几个方面的工作:
研究了分布式发电能量管理系统的体系结构,分析了分布式发电能量管
理系统对图形支撑平台的需求;
根据需:求对图形支撑平台进行了研究设计,采用图形、模型、数据库一
体化的形式实现了图形支撑平台;
对电网拓扑分析算法进行优化,优化了拓扑算法的节点编号方法和拓扑
跟踪算法,提高拓扑分析的实时性。

第二章分布式发电能量管理系统
分布式发电能量管理系统是一个应用于分布式发电研究的基础平台,它包
括分布式发电的物理硬件平台和软件平台两个部分,物理硬件平台基于合肥工
业大学的分布式发电实验室,软件平台是本章的讨论重点。

分布式发电能量管
理系统是连接分布式发电高级分析软件与分布式发电设备模型以及实际物理设
备的中介,通过分布式发电能量系统可以对待研究的分布式发电系统进行建模,
为高级分析软件提供基础模型数据,并为其提供访问操控实际物理设备的接口,
它与分布式发电的高级分析软件之间的关系如下图一所示。

图?分布式发电能量管理系统关系图
分布式发电能量管理系统是一个服务于高级应用软件的平台系统,用户通
过此系统的使用可以更加专注于本身的高级应用算法研究,不必进行大量的、
重复的、繁杂的基础建模和交互工作。

用户通过软件平台对分布式发电系统进
行建模工作,苗级应用分析软件通过接口访问系统模型,得到基础模型数据,
进行分析,根据不同的分析结果而进行不同的操作,一些软件可能需要将分析
结果应用到实际硬件平台验证分析结果的准确性,这时就需要对硬件平台发送
一些控制命令;一些软件可能需要将硬件平台实际的运行状态与分析结果进行
对比,这时就需要采集硬件平台的实时运行状态。

因此,总结分布式发电能量
管理系统的主要功能如下:
对分布式发电系统进行建模,建立分布式发电系统的参数模型、拓扑模
型;
对分布式发电系统硬件平台进行监控,提供访问硬件设备的接口,访问
硬件设备包括采集设备工作状态以及控制可控电气设备;
提供分布式发电系统模型数据的访问接口,并进行数据访问安全控制;
提供数据库中模型数据的维护、导出和备份功能,方便无法连数据库的
应用离线使用模型数据,提供访问离线数据的接口。

.分布式发电研究系统硬件平台分布式发电的相关研究需要一个实际的物理硬件平台检验研究的准确性,
合肥工业大学分布式发电实验室率先在国内建立了一套分布式发电的硬件实验
系统,本文研究的分布式发电能量管理系统就是以此硬件实验系统作为硬件平
台的。

合肥工业大学分布式发电实验平台系统由两台感应式调压变压器和两套动
模机组供电,其中调压变压器模拟个无穷大电源,一套动模机组模拟汽轮发
电机组,另一套动模机组模拟水轮机组。

同时,系统中还有套太阳能光伏发
电系统、套模拟风力发电系统,套蓄电池储能系统以及套超级电容储能系
统等分布式发电单元,各电源的容量规格参数见下表.。

表?分布式电源单元容量参数表
名称数量说明
每台容量,模拟两个无穷大电源
台
感应式调压器
接入点
每套,一套模拟汽轮发电机组,一
动模机组套
套模拟水轮发电机组
单相太阳能光伏发电套容量
三相太阳能光伏发电套容量
风力发电系统套容量
超级电容储能系统套 /,充电装置/
单相蓄电池储能系统套 /,.
/,
三相蓄电池储能系统套
实验平台系统低压采用,高压采用,模拟实际电力系统中低压
配电网的
.和两个电压等级。

实验系统的一次系统结构图如图?
所示【】,该硬件系统平台可以根据配电网层的需要自由改变其结构以满足不同
微网结构下的实验研究,硬件上做到了“即插即用”的效果‘。

图?合肥.:业人学微电网实验平台系统图
实验平台的通信系统结构见图?所示,包括两条/高速以太网以
及总线、一总线各一条。

以太网是应用层网络,连接数据采集服务器、系统监控服务器及各应用计算机,所有在分布式发电研究平台上应用的
计算机都接入该网络,可以获得数据采集服务器和系统监控服务
器提供的数据
服务;以太网是数据采集专用网络以提高网络的可靠性和稳定性。

数据采集
服务器通过路由器实现跨网络访问数据采集装置。

转以太网服务器和
一转以太网服务器是考虑到部分新能源发电装置采用的是或者一通信而增加的扩展通信方式。

遥测量和遥信量的采集则是通过许继微机
测控装置一采集上传的。

数据采集服务器系统监控服务器
一~一’。

‘
/以太网
路由器
一一
图.实验平台通信系统结构图
.分布式发电能量管理系统软件平台
..软件平台概述
软件平台是分布式发电能量管理系统的核心,它是介于高级应用软件与硬
件平台之间的桥梁,也是高级应用软件运行的基础。

软件平台包括图形操作、历史数据库、实时数据库、数据采集与监控等各功能模
块,为高级应用软件提
供应用接口,软件平台主要具有以下功能:
图形化的建模功能,即通过图形化操作建立微网的模型,包括输入设备
参数建立参数模型,绘制接线图建立拓扑结构;
对分布式发电硬件平台进行监控,对硬件设备具有四遥功能,即遥测、
遥信、遥控和遥调;
商用数据库管理,管理数据的存储、备份和删除:
实时数据库服务,提供给各应用实时数据库访问服务;
为各应用提供统一接口访问平台的所有资源,如模型数据、实时数据、
发送遥控和遥调命令。

..图形建模工具
图形建模工具是软件平台的基础和核心,它为软件平台的系统监控及各应
用提供模型数据。

目前,已有很多图形建模工具,但是,大多是应用开发者根
据应用实际需要开发的,只针对特定的某种应用,如文献是针对变电站生
成操作票的,文献是针对电力网络拓扑分析,这类工具大多不具有扩展性,
或者只具有极小的扩展性,不适应分布式发电的研究需要,如图元库不能扩展,
只能在模型中添加传统的电力设备模型,无法增加分布式发电研究中多种多样
的分布式电源。

图形建模工具主要是为分布式发电研究应用提供公共的模型数据,研究过
程中产生的需求多种多样,因此,在设计时应着重考虑其灵活性、扩展性和独
立性,灵活性是指软件能够灵活应对多种使用环境的需求,如有网络访问或者
无网络访问情况;扩展性是指在需要增加新的功能时,不需要改变原来的功能,
即只是增加功能,而不是修改功能;独立性是指减少实现过程中图形建模工具
内部各功能单元间的耦合性和图形建模工具与软件平台数据库等其他系统之间
的耦合性,以使建模工具易于扩展新的功能。

本文的图形建模工具为了实现上述目标,主要采用了图形模型数据库一体
化的设计思想。

传统的图形建模工具大多是将图元数据固化在程序中,将图形。