能量管理系统.docx

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能量管理系统

能量管理系统简介

能量管理系统（EMS）包括：

数据采集和监控系统（SCADA系统），自动发电控制（AGC）和经济调度控制（EDC），电力系统状态估计（StateEstimator），安全分析（SecurityAnalysis），调度员模拟培训系统（DTS）。

EMS的总体结构主要组成部分有：

计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量管理（发电控制和发电计划）、网络分析及调度员培训模拟系统。

计算机、操作系统、支持系统构建了EMS的支撑平台。

数据收集、能量管理、网络分析组成了EMS的应用软件。

数据收集是能量管理和网络分析的基础和基本功能；能量管理是EMS的主要功能；网络分析是EMS的高级应用软件功能。

培训模拟系统则可以分为两种类型：

一是离线运行的独立系统，一是作为在线运行的EMS组成部分。

一、EMS的计算机结构

如今常见的EMS计算机体系结构为开放式计算机体系结构。

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：

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。

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。

二、EMS的数据库

EMS的数据库是实现EMS所有功能的所需的数据源。

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。

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

1）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。

2）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。

能量管理数据库从内容上可分为两大块。

一是对运行区的描述和记录，它包括发电厂、有功率交换的电力公司和交换模型。

发电厂主要包括启动机组记录和电厂控制器记录。

有功率交换的电力公司主要有联络线走廊记录。

交换模型主要有交换关系和交换计划。

二是对燃料类型的描述和定义，主要反映燃料的热量和价格。

3）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、能量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。

4）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。

三、EMS的应用软件

1.数据采集和监控

数据采集与监控（SCADA）功能是EMS的基本功能。

它的硬件组成主要有远动终端（RTU）、传输信道和主站计算机。

此处主要介绍它的软件功能。

SCADA通常有以下主要功能：

（1）数据采集与数据处理

首先由装设在厂、站内的远动终端进行数据采集，然后通过调度主站与RTU之间的远动通道传送信息。

信息可由RTU主动循环传送到主站，也可以主站为主动，用应答方式将信息召唤到主站。

RTU与主站间有上行信息也有下行信息。

它们均有数码查错与纠错功能。

采集和传送的数据主要有三种类型：

状态量、量测量和电量值。

断路器状态、隔离开关、报警和其它信号均用状态量表示。

电压值、有功功率、无功功率、温度和变压器抽头位置等则用量测量表示。

量测值在显示或送给其它应用程序之前要进行刻度变换，每个量测值的标尺要保存在数据库中。

电量值由脉冲计数方式得到。

脉冲计数正常包括两个内容：

一个连续计数器和一个时间间隔记录。

到指定的时间周期（时刻）要冻结其值，然后再继续计数或清空后计数。

在应答方式的传送中，状态量是在出现变化时才传送，模拟量是对比前一次传送的值超过某一死区时才传送。

不论任何远动方式，在远动系统启动或恢复时都要进行完整的扫描。

（2）监视与事件处理

主站采集到的状态量、量测量在调度主站的计算机屏幕上以系统接线图形式或表格形式显示出来，数据监视到状态量变化和量测量越限时则进行相应的越限报警、故障报警、故障记录等，以协助调度人员对电力系统的实时运行管理。

（3）控制功能

控制功能是直接作用于电力系统的运行。

它包括单个设备控制、向调节设备发调节信息、顺序控制计划和自动控制计划。

单个设备控制直接对断路器和隔离开关发开合命令，对发电机发启、停等一些基本命令。

向调节设备发调节信息则为较高级的控制功能，发出的是升/降或设置到某一工作点的信息，因此需对运方设备的实际状态不断进行监视。

以上两种控制命令一般是人工发出的。

顺序控制计划则可自动执行规定好的一系列命令，它包括事件启动或定时启动。

如：

某些照明和电热设备的启动、变电设备的恢复和切换等。

自动发电控制则是一种自动启动的闭环控制方式。

它自动响应电力系统频率偏差和交换功率偏差，调整机组发电功率。

（4）事件顺序记录及事故追忆

事故数据的收集与记录是SCADA重要功能之一，它为分析故障和预防事故提供了宝贵的信息。

事件顺序记录SOE（Sequence of Event Recording）主要是主站对各RTU送来的事件（开关和继电保护等状态量变化），按动作的顺序时间先后记录下来。

事故追忆PDR（Post Disturbance Review）是主站对事故前后的实时运行参数作记录。

（5）数据管理

其功能主要对各种运行参数进行统计。

如计算全网总功率、各地区用电量、发电量、最大最小负荷等。

同时建立历史数据库和实时数据库并进行SCADA与EMS及管理信息系统MIS（Management Information System）间的数据交换。

2.能量管理软件

能量管理软件模块主要包括发电控制和发电计划两大部分。

发电计划是发电控制的基础。

发电计划部分应用软件包括：

系统负荷预测、发电计划、机组经济组合、水电计划、交换功率计划和燃料调度计划等。

发电控制运行周期是分秒级，它需要取得超短期负荷预测（数分钟到几十分钟）应用软件的支持。

短期发电计划是日周级的，它将取决于电力系统负荷变化的周期性和水库调节能力。

（1）系统负荷预测

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机波动。

对于负荷预测算法，通过几十年的研究和积累，已经形成了各种可能的算法。

目前实用的算法主要有：

线性外推法、线性回归法、时间序列法、卡尔曼滤波法、人工神经网络法、灰色系统法和专家系统方法等。

需要强调的是，各种算法均有一定的特点和局限性，目前为止还没有一个算法适用于各种负荷预测模型而精度又最高。

因此在实际中可采用综合比较的方法，确定最有效的算法。

（2）发电计划

EMS中狭义的发电计划指的是火电计划，广义的发电计划则包括机组组合、水电计划、交换计划和燃料计划等。

发电计划是EMS中发电级的核心应用软件，对电力系统经济调度起着关键作用。

1）发电计划（火电调度计划）

发电计划也称火电系统经济调度。

它的主要功能是在已知系统负荷、机组组合、水电计划、交换计划、备用监视计划、机组经济特性、网络损失计划和运行限制等条件下，确定某时刻或1日至1周逐时段的各火电机组的发电计划，使周期内发电费用为最小。

当然电力系统电源结构不同时其发电计划的内容也有所不同，如纯火电的电力系统就无水电计划，孤立电力系统就无交换计划。

火电经济负荷分配一般采用经典协调方程式法，机组特性采用比较精确的分段二次曲线。

发电计划是发电计划软件的核心，它向实时发电控制、实时网络状态分析和潮流提供发电计划数据，它还作为子模块参加机组经济组合、水电计划、交换功率计划和燃料计划等应用软件的协调计算。

2）机组经济组合（机组启停计划）

机组经济组合的主要功能是在已知负荷预测、水电计划、交换计划、燃料计划、网损修正、机组减发电功率计划和机组可用状况下，编制规定周期内电力系统各机组的启停计划，使总费用最小（包括发电费用和启动费用）

机组经济组合的主要算法：

机组发电费用特性仍采用分段二次曲线，机组启动费用特性采用停机时间的指数函数，网损修正系数取常数。

机组经济组合问题是一个非线性的混合整数规划问题，可采用限制维数的动态规划算法，限制维数的方法是优先次序法。

机组经济组合将启停计划送给发电计划和实时发电控制作为数据，同时参加与水电计划、交换功率计划的协调，使发电计划在更大范围内取得最优结果。

3）水电计划（水火电协调计划）

水电计划的主要功能是：

在已知系统负荷、发电用水（或来水）、火电发电费用特性、交换功率计划等条件下，编制1日至1周逐时段的水电计划，使周期内发电费用最小。

水电计划应满足的约束条件有：

自然来水（或由水库调度计划确定的可用发电水量）；水库水位和放流量限制（含航运、灌溉等要求）；水电机组发电或过流限制；电力系统的机组组合、交换计划、燃料和备用等限制。

影响水电计划经济效益主要有以下因素和措施：

充分利用自然来水，防止弃水；调峰，使电力系统运行费用微增率在周期内波动尽量小；水电站高水头运行，利用自然来水多发电；在同一水位下，水电机组效率随发电功率变化。

水电计划是具有复杂约束条件的非线性规划问题。

50年代提出的水火电协调方程式解法可解决少量定水头水电站的调度问题；60年代提出的动态规划法可进一步解决变水头水电站的调度问题。

80年代提出的网络流规划法可全面解决水电计划问题，包括梯级水电站和抽水蓄能电站,该方法可靠、快速。

水电计划可与机组组合及交换功率进行协调优化。

4）交换计划

交换计划的主要功能是在已知系统负荷、机组组合、水电计划和交换功率限制的条件下，编制短期内逐时段的区域交换功率计划，使周期内联合系统发电费用最小。

目前联合电力系统大体上分为三种调度模式：

自协调模式：

各个区域系统独立进行调度，管理自己电厂和负荷，根据本区域的发电费用（或边际成本）向其它区域通报本区域买电或卖电的价格，买卖双方协商确定交换功率计划。

电力交易市场模式：

各个区域电力系统自己确定发电计划，各区域间不用双方直接确定买卖关系，而是各自向交易市场（经纪人）通报本区域每小时买卖电量和单价，经纪人按取得最大交换利益原则制定各区域间交换计划，通知各区域。

协商调度模式：

设立联合调度中心，各区域平等协商，确定长短期交换电力和电量合同，制定调度协议，各区域系统调度本区域发电厂以满足联合调度中心的要求。

系统经济效益最高的是统一调度模式即：

全网各发电厂均由联合调度中心调度，整个电网作为一个整体编制经济调度计划。

各区域按统一调度中心的计划安排本区域的发电功率。

交换计划是一个非线性规划问题，采用网络流规划法计算。

5）燃料计划

燃料计划的主要功能是在已知系统负荷、水电计划、交换功率计划、机组组合的条件下，编制短期内逐时段的燃料调度计划。

燃料计划考虑燃料产地价格和供应量限制、运输费用和运输限制、电厂贮煤、混煤和用煤限制及发电费用等因素，使全系统发电燃料总费用在规定的周期内最小。

燃料调度计划是一个大型的线性规划问题，采用网络流规划很有效。

（3）自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）

自动发电控制是EMS中最重要的控制功能。

它的主要任务是：

发电自动跟踪电力系统负荷变化，实现一般调度。

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。

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。

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。

监视和调整备用容量以满足系统的安全要求。

3.网络分析软件

网络分析软件一般又称高级应用软件，它主要由实时网络状态分析、调度工程师潮流、网络安全分析、调度员培训仿真和配电管理系统五个模块组成。

1）实时网络状态分析

实时网络状态分析是EMS整个网络分析软件的基础。

它包括：

网络结线分析、状态估计、不良数据检测与辨识、量测系统误差估计、变压器抽头估计、网络状态监视和状态估计模拟试验系统等。

网络结线分析又称网络拓扑分析，即按开关状态和网络元件状态将网络物理结点模型化为计算用母线模型，并将有电气联系的母线集合化为岛。

所有网络分析在岛范围内的母线模型基础上建立网络方程进行求解。

状态估计是对系统中某一时间断面的遥测遥信信息进行数据处理以提高实时数据的精度、剔除不良数据、补充测量的不足以建立高质量的实时数据库。

目前广泛采用的状态估计计算方法是最小二乘算法，另还有快速分解法、唯支路量测法、逐次型算法、正交化法等。

不良数据的辨识方法有：

残差搜索法、非二次准则法、零残差法、总体型估计辨识法、逐次型估计辨识法。

这些方法的差异在于对可疑数据是逐个辨识还是总体辨识；排除可疑数据的方式是采用变权重、变残差还是直接删除；删除可疑数据后，对量测残差和状态量的计算是迭代或线性修正。

量测系统误差估计中量测误差可分为方差和偏差两类量测误差。

方差分析是状态估计的正常统计型估计过程，而量测误差偏差分析则是状态估计统计型的不良数据辨识过程。

变压器抽头估计主要是弥补没有抽头量测或辨识抽头量测的错误。

它实际是对变压器变比的估计，它不扩展到全系统的状态估计中，可每台变压器单独进行。

对三绕组变压器简化为两台或三台两绕组变压器时则需进行联合估计变比。

如要提高变比估计的精度要采用连续估计的方法。

网络状态监视的主要内容有：

支路潮流；母线电压幅值；两结点间电压相角差值；元件的状态等。

状态估计模拟系统是对电力系统状态估计新算法的研究和开发、新系统的试验室调试与验收、量测系统评价与优化配置的计算机模拟或数字模拟，可大大减少现场的实际调试量。

2）调度工程师潮流 

调度工程师潮流又称调度员潮流，它是EMS最基本的网络分析软件。

它首先面向调度员用以研究当前电力系统可能出现的运行状态，又可面向计划工程师用于校核调度计划的安全性，还可面向分析工程师用于分析近期运行方式的变化。

调度员潮流是以潮流计算软件为核心。

潮流计算软件是电力系统分析软件中最为成熟的软件。

由于EMS中的调度员潮流有操作和故障设定，因此它与离线潮流软件相比在潮流软件中应增加控制模型。

它包括多机联合调整平衡节点母线功率，无功调整模型，线路有功功率之和的控制，系统切负荷的控制以及多岛潮流计算等。

对于这些控制的决策有部分是基于灵敏度分析。

它包括线路有功潮流对机组有功功率灵敏度，母线电压对机组无功功率灵敏度，母线电压对变压器抽头灵敏度等。

3）网络安全分析软件

电力系统的运行状态分为安全状态、不安全状态、紧急状态和恢复状态。

紧急状态可分为静态和暂态。

静态的表现形式为电流过载或电压越限。

对于这类情况一般允许持续的时间较长，它可通过校正控制进入正常状态。

暂态的表现形式为发电机功角不断增大，频率或电压不断下降等，允许持续时间很短，必须采用紧急控制使之快速进入恢复状态，然后再通过恢复控制使其进入正常状态。

预防控制既要考虑安全还应同时考虑优化，使其进入正常状态时既安全又经济。

而校正控制、紧急控制与恢复控制中首先以安全为主，在系统恢复所有用户的供电后才考虑经济运行。

i.静态安全分析

静态安全分析包括以下内容：

预想事故分析、安全约束调度、最优潮流、电力系统静态等值及电压稳定分析等。

预想事故分析的主要功能为：

按分析的需要设定预想事故；快速区分各种事故对电力系统安全运行的危害程度；准确分析故障的状态并方便且直观展示结果。

预想事故分析技术的研究关键在于如何减少分析的故障数和加快分析速度。

最早应用的是n－1扫描方式，目前较为实用的方式是应用预想故障集合方式，全部定义的故障组构成故障集合。

故障组是具有某种特征的若干故障集合，可按故障重数划分,如单重、两重或多重；可按开断元件类型划分，如线路、变压器等；按地区故障划分，如A地区故障，B地区故障等；按故障电压等级划分，如500kv、220kv等。

在故障集合中各故障组可全部激活也可对某一故障组单设“停用”标志，在故障扫描时则会跳过不需激活的故障组而只分析激活的故障组。

对每个故障组里的多个故障也可用同样的方法进行“停用”和“激活”。

实际应用中的故障组、故障表是需要维护、更新以使其更有效地得到应用。

故障扫描是对故障集合中的故障进行预处理。

它的目的是用尽可能短的时间剔除“无害”故障组但又不漏掉一个有害故障以加快预想事故分析速度。

故障扫描的方法分为两大类：

一类为间接法，又称排除法或性能指标法。

它不直接计算故障后的功率和电压，仅利用产生故障时的某些数据进行排队，其快速但精度低。

另一类为直接法，快速计算故障后的近似潮流并将其按严重程度排队。

对后果较严重的保留“有害”故障要进行进一步详细分析以准确判别故障后系统潮流分布和危害程度。

在实际处理中仍进一步划分故障性质以选择不同的潮流算法而不是对全部保留故障进行交流潮流分析。

造成系统解列的故障及事先指定的故障，一般均属于最严重的故障而列入排序表的前面，对其进行全潮流分析。

如某些故障造成P-V母线不能维持其规定的电压时，需将P-V母线转换成P-Q母线，然后再进行潮流分析。

除上述两类故障外，其余故障一般采用快速潮流。

快速潮流与全潮流相比最大的区别是它不重新进行网络结线分析和形成因子表，而是用修正部分因子表的技术得到新的因子表。

另采用稀疏技术和子网潮流法以缩小计算范围，加快计算。

对于子网的确定用自适应定界法即自动确定潮流计算新边界的方法。

这种方法可大大提高潮流计算的速度。

ii.最优潮流

最优潮流的概念是60年代初期法国学者Carpentien提出的。

它把电力系统经济调度和潮流计算有机地溶合在一起。

即以潮流方程为基础，进行经济与安全、有功与无功的全面优化。

从数学角度看最优潮流是一个大型的多约束非线性规划问题。

它的关键技术是计算函数不等式约束，解决非线性收敛问题和考虑离散变量问题。

最优潮流问题可描述为在满足等式约束（潮流方程）和不等式约束（安全限制）的条件下，求得一组控制变量和状态变量的值，使系统的目标函数达到最优。

最常用的目标函数是系统发电费用最小，有功网损最小。

此外，对不同目的可选择多种目标函数，如：

无功补偿效益最大、系统交换功率最小、切除负荷量最小和功率调整量最小等。

等式约束条件一般是各母线潮流方程。

不等式约束条件表示安全或质量约束，主要有非控制母线电压以及线路的有功和无功潮流。

对于非线性问题处理主要采用牛顿法，对处理不等式约束则采用互补性规划技术。

4）调度员培训仿真DTS（Dispatcher Training Simulator）

调度员培训仿真主要用于训练调度员进行正常运行操作和处理事故的能力。

它的主要培训功能有：

调度中心工具使用的培训（SCADA、EMS、网络分析、通信文件记录及操作规程）；开关操作步骤及有关安全事项培训；正常状态和事故状态下运行的培训。

培训仿真器有两类：

一类是独立系统，它与实际电力系统无直接联系。

所有设备均是单独设置的。

可设置专门的培训中心。

另一类是用EMS的调度备用机作为仿真学员机。

这类DTS系统随时可取得与调度中心相同的实时数据并具有与调度功能完全相同的软件。

DTS主要由仿真模型子系统、教员控制子系统和学员子系统组成。

仿真模型子系统主要仿真电力系统中各元件的物理过程，包括静态与动态的各种响应。

教员控制子系统主要控制仿真进程，建立教案，进行培训过程记录和对结果的评估。

还可担任厂、站或上、下级调度中的角色配合学员进行培训。

学员子系统具有调度员管理系统的所有功能，如监视、操作控制及所有高级软件的应用功能。

调度员培训仿真系统不仅可用于培训电力系统调度员，还可用于培训运行维护和软、硬件维护人员。

5）配电管理系统DMS（Distribution Management System）

配电管理系统DMS是面向配电和用电的综合自动化系统。

由于面向的对象不同，其功能与EMS相比就有所不同。

DMS的基本功能有：

监视即SCADA功能、负荷预测、网络建模、状态估计。

这部分功能与EMS系统所采用的技术及作用相似。

针对配电系统的特点，网络分析方面所具有的结线分析、网络监视、潮流分析、短路计算和无功功率－电压优化功能外，DMS还具有以下功能：

操作票系统和操作模拟、故障处理系统（包含故障检测、隔离和恢复）、投标电话处理、负荷管理－控制、配电网规划、用户管理、自动计费、实时电价、电压质量记录和合同管理及地理信息系统。

需提及的是由于配电系统电网与输电网的网络结构、参数及运行情况均不同，所以即使与EMS具有相似功能的内容，它们在计算方法上也会有差异，必须用不同的方法加以处理。