能量管理系统.docx

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能量管理系统

能量管理系统（EMS）

0.EMS的概念

能量管理系统（EnergyManagementSystem）是以计算机技术和电力系统应用软件技术为支撑的现代电力系统综合自动化系统，也是能量系统和信息系统的一体化或集成。

“管理”指的是对不同自动化系统的综合管理，它是以数字计算技术代替模拟计算技术，以软件实现大部分功能替代用硬件实现为特征。

狭义的能量管理专指发电控制和发电计划。

一般的EMS应包括数据收集、能量管理和网络分析三大功能。

广义的EMS还应包括调度员培训系统DTS（DispatcherTrainingSimulator）功能。

EMS主要面向发电和输电系统即大区级电网和省级电网的调度中心，而面向配电和用电系统的综合自动化系统称为配电管理系统DMS（DistributionManagementSystem）。

图1能量管理系统与配电管理系统

1.EMS技术的发展

EMS是以调度自动化为核心内容。

随着计算机技术和计算技术的发展，EMS使传统的调度自动化向广义的调度功能一体化乃至全网的综合自动化方向发展。

最初的EMS系统是在20世纪70年代中期产生的。

它在数据收集和监控系统SCADA的基础上，将自动发电控制AGC（AutomaticGenerationControl）和部分网络分析软件功能集成一体，用数字计算机系统实现其全部功能。

EMS的计算机硬件系统经历了从初期采用专用控制型计算机到全部采用通用计算机的过程。

EMS的计算机软件经历了从专门设计控制程序到采用通用控制系统、专门开发数据库和画面编译系统及形成专门的EMS支持平台的过程。

随着电力系统模型与算法的发展，EMS的高级应用软件也逐步完善和丰富。

尤其是面向电力市场的环境，电网管理由垄断走向开放，EMS的功能将面临新的改造和更新。

我国的EMS经历了70年代基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统的第一代；80年代基于通用计算机的第二代；90年代基于RISC/UNIX的开放式分布式的第三代；第四代的主要特征是采用JAVA、因特网、面向对象等技术并综合考虑电力市场环境中的安全运行及商业化运营要求，它将在本世纪诞生。

2.EMS的总体结构

EMS总体结构如图2所示，它由6个部分组成：

计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量管理和网络分析。

前3部分，即计算机、操作系统和支持系统好比是运载工具；后3部分，即数据收集、能量管理和网络分析好比是战斗部分。

而战斗部分又可以分为两类：

数据收集功能相当于“常规武器”;能量管理和网络分析功能相当于“核武器”（也称为高级应用软件）。

调度员培训模拟（DTS）也是EMS的有机组成部分,它像镜子一样反映EMS各项基本功能（图中用灰色部分表示）。

图2能量管理系统的总体结构

3.EMS的支持系统

EMS的支持系统包括计算机系统、操作系统和支持系统。

此处重点介绍计算机系统和支持系统中有关EMS实际应用的数据库、人机对话系统。

3.1计算机系统

对计算机的要求是要满足可靠性、速度、容量和可扩充性。

随着计算机技术的发展，EMS计算机体系结构经历了集中式→分布式→开放式的发展过程。

3.1.1集中式计算机体系结构

集中式计算机体系结构是所有处理任务由2台（或多台）计算机纵向分担。

实施方案分为双主机配置、前置机配置，如图3所示。

前置机可用多机组成。

这种系统的特点是在一套主机和前置机故障的情况下另一套主机和前置机可继续正常工作。

前置机的主要任务是进行数据收集和规约转换工作，以减轻主机的工作负担。

我国第一、二代EMS基本属于这种计算机体系结构。

图3集中式能量管理系统的配置框图

3.1.2分布式计算机体系结构

分布式结构是通过通信系统将多处理机连接在一起，各处理机分担EMS不同的功能并共享输入输出处理器及外部设备。

因此，分布式结构的特点主要体现了硬件和任务的分布关系。

90年代初国家电力调度通信中心引进的西门子SCADA/EMS系统属分布式结构。

图4客户－服务器分布式结构的系统框图

3.1.3开放式计算机体系结构

对开放式计算机体系结构曾有多个定义。

它们的主要思想是强调多厂家的系统集成和用户界面及各方面软件接口的标准化。

开放式计算机结构应满足：

1）工作站为基本单元，系统可灵活组成。

2）各子系统冗余配置。

3）严格遵守工业标准，它包括操作系统的POSIX标准。

4）采用外壳技术，将专用软件与操作系统相隔离，这个外壳软件层是一个符合POSIX标准的插头，可插到符合该标准化的各种操作系统上。

5）采用商用数据库。

6）硬件可采用多家产品。

7）实现系统内部采用局域网互联，并可与其他信息系统相连。

除开放式计算机结构外，还有对EMS的开放式定义。

它在要求多厂家集成的同时，还强调了应具有对现有系统进行部分（或全部）加强或更换的能力。

3.2EMS的数据库

EMS的数据库是实现EMS所有功能所需的数据源。

EMS数据库设计是将物理模型化为数学模型的定义过程。

不同公司设计的EMS数据库有不同的定义及不同的数据库形式。

但就EMS的数据来源而言无非有这样一些类型：

实时量测数据、预测与计划数据、基本数据、历史数据和临时数据。

实时量测数据由遥信、遥测而来，主要反映当前电力系统运行状态。

它包括设备的状态量和设备运行的模拟量和累加量。

预测和计划数据向EMS提供当时或未来的电力系统运行状态数据。

它由EMS本身形成或人工输入。

它包括负荷预测、发电计划、机组组合、水电计划、交换计划、燃料计划、检修计划等。

基本数据是电力系统运行中基本不变或缓慢变化的数据。

它包括电力系统运行设备的配置及参数、量测设备的配置及参数等。

这些参数及关联信息是人工输入并在运行中由人工修改。

历史数据是以往运行状态保存的记录数据。

它包括正常和事故记录。

EMS可按规定的条件进行自动记录，也可人工启动记录。

历史数据主要用于电力系统状态的分析、预测和培训。

临时数据是高级应用软件运行中自动形成和自动消除的数据。

它主要用于应用软件维护人员的调试、诊断。

面向EMS的功能可把最主要的公用数据按功能进行划分，即SCADA功能数据库、能量管理数据库、网络分析数据库及培训仿真数据库。

SCADA数据库主要对量测对象（厂、站）和远程终端结构进行定义、描述及映射。

前者用于调度员监视电力系统状态，后者用于自动化人员监视远动系统的工作状态。

另还可补充通信结构的数据，以便从计算机的角度描述数据通信。

能量管理数据库是能量管理应用软件所需的公用数据库。

应用软件包括实时发电控制、发电计划、机组经济组合、水电计划、交换功率计划、燃料计划和检修计划。

能量管理数据库成了其多应用软件联系的纽带。

同时它与SCADA数据库和网络数据还有数据交换。

一方面从SCADA获取能量管理专用软件所需的实时数据（频率、机组功率和交换功率等），另一方面又为网络数据库提供机组经济特性、机组状态和发电计划等分析结果,同时也向网络数据库获取各机组和交换功率点的网损微增率及机组的安全限值。

网络数据库是为进行高级应用软件分析提供的公用数据库。

同样它与SCADA数据库、网络管理数据库及调度员培训仿真数据库都有数据交换。

网络数据库的内容主要有网络的静态模型，它包括网络的物理元件和一系列表格；预测与计划模型，主要用于定义负荷预测和开关投切计划。

培训仿真数据库是进行调度员培训的专用数据库。

它根据功能的不同，一一与前述的数据库对应，同时对于暂态模型和教案模型所用的数据库可增加在这个库中，也可单独定义。

3.3EMS的人机交互

人机交互（MMI,Man-MachineInteraction）是EMS必不可少的部分。

它是调度员与EMS联系的重要手段，通过人机交互，调度员对电力系统进行监视、分析和控制。

同时，人机交互还面向运行计划人员、运行方式分析人员、自动化专业人员，通过人机交互分别进行编制和修正调度计划、研究运行方式和维护EMS。

人机交互的硬软件主要有：

显示器、键盘、轨迹球或鼠标、打印机和绘图仪等。

调度模拟盘也可含在内。

通常将可操作的硬件称为控制台，将显示屏幕的可控制的光点称为光标。

人机交互的软件主要有：

画面定义、任务管理、控制台功能和应用数据库。

因此人机交互与计算机硬、软件技术的发展密切相关。

EMS的人机交互主要有以下功能：

将屏幕上的画面与数据库联系起来；通过画面观察数据和系统状态；通过画面进行操作；动态刷新画面；开发和生成画面。

4．EMS的应用软件系统

EMS应用软件分为三大模块：

数据采集、能量管理和网络分析（可加上培训仿真）。

4.1数据收集级

数据收集级任务是实时收集电力系统数据并监视其状态。

SCADA是EMS与电力系统联系的总接口，它向能量管理级和网络分析级提供实时数据；EMS通过它向电力系统发送控制信号；网络分析可以向它返回量测质量信息。

4.2能量管理级

能量管理级从SCADA级取频率、时差、机组功率和联络线功率等实时数据,向SCADA传送控制信息;能量管理级向网络分析级送系统负荷预测值和发电计划值,取回网损修正系数和考虑线路安全约束的机组限制值。

能量管理级软件特点是利用电力系统总体信息（频率、时差、机组功率、联络线功率）进行调度决策,主要控制目标是改善控制质量和提高运行经济性。

能量管理级的实时应用软件主要是自动发电控制,包括自动频率控制和在线经济负荷分配。

能量管理级的计划型应用软件分为短期和中长期的预测和计划软件:

负荷预测、机组启停计划、经济负荷分配计划、交换功率计划、水电调度计划、燃料调度计划、检修计划等等。

（1）自动发电控制

在传统的EMS中，自动发电控制（AGC）是其中最重要的控制功能，它可以提高电网频率质量、经济效益和管理水平。

它的主要任务是：

1）发电自动跟踪电力系统负荷变化，实现一般调度。

2）响应负荷和发电的随机变化并维持系统频率在额定值，实现二次调频。

3）在各区域间分配系统发电功率，维持区域间交换功率为协议限定的数值，用二次调频实现。

4）对计划性的负荷变化按发电计划调整出力，对偏离计划的负荷变化实现在线负荷经济分配，即进行二次调频。

5）监视和调整备用容量以满足系统的安全要求。

（2）负荷预测

传统的负荷预报概念就是利用已知的负荷历史数据及影响负荷变化的各种因素的信息，采用各种预测方法，总结出负荷变化规律，建立负荷模型。

EMS需要历史、实时和计划（未求）三类数据，而负荷预测是计划数据的主要来源。

电力系统负荷预测分为系统负荷预测和母线负荷预测。

而系统负荷预测按预测周期分又有超短期、短期、中期和长期。

超短期负荷预测用于质量控制需5～10s的负荷值，用于安全监视需1～5min负荷值，用于预防控制和紧急状态处理需10～60min负荷值。

超短期负荷预测使用对象为调度员。

短期负荷预测主要用于火电分配、水火电协调、机组经济组合和交换功率计划，需要1日～1周的负荷值。

短期负荷预测使用对象为编制调度计划的工程师。

中期负荷预测主要用于水库调度、机组检修、交换计划和燃料计划，需要1月～1年的负荷值，它的使用对象是编制中长期运行计划的工程师。

长期负荷预测用于电源和网络发展，需要数年至数十年的负荷值，使用对象是规划工程师。

负荷预测最主要的指标是精度。

然而它的精度首先取决于对具体电力系统负荷变化规律的掌握，其次才与模型与算法有密切关系。

要掌握负荷变化规律就要摸清负荷变化与哪些因素有关。

一般来说影响负荷变化的主要因素有：

负荷的性质，如城市民用负荷、商业负荷、工业负荷、农业负荷；不同类型的负荷有着不同的变化规律；气象、气温、阴晴、降水和大旱都将引起负荷变化；另还有很多不确定因素引起负荷的变化，这种影响称为负荷的随