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能量管理系统ems pdf.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.24M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第九章 能量管理系统简介 一、概述 （一） EMS 技术的发展 能量管理系统（Energy Management System）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 （Dispatcher Training Simulator）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 （Distribution Management System）。 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（Automatic Generation Control）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。 (二) EMS 的总体结构 EMS 的总体结构如图 9－4 所示。它的主要组成部分有：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。 能量管理系统 培训系统 网络分析 能量管理 SCADA 支持系统 操作系统 计算机 网络分析 能量管理 SCADA 支持系统 操作系统 计算机 图 9－1 EMS 的总体结构 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： 1
    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。 二、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 EMS 的计算机系 统和支持系统中有关 EMS 实际应用的数据库。 （一）EMS 的计算机体系结构 EMS 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。 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 9－5 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。 计 算 机 通 信 B S C ， X . 2 5 V A X - 1 1 / 7 8 5 1 2 M B V A X - 1 1 / 7 8 5 1 2 M B 主 机 1 1 × C R T 2 × 4 5 6 M B 2 双 机 切 换 以 太 网 2 × 4 5 6 M B 前 置 前 置 前 置 前 置 4 × P D P - 1 1 / 7 3 5 1 2 K B 1 5 × P T U C D T 图 9－2 集中式能量管理系统的配置框图 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。 2
    至 R T U M O D E M 通 信 控 制 器 S C A D A 工 作 站 服 务 器 调 度 员 工 作 站 通 信 工 作 站 局 域 网 人 机 联 系 工 作 站 E M S 高 级 应 用 软 件 工 作 站 其 他 工 作 站 其 他 工 作 站 图 9－3 客户－服务器分布式结构的系统框图 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。 （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。 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。 3
    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。 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。 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。 （三）EMS 的人机交互 人机交互（MMI,Man-Machine Interaction） 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。 三、EMS 的应用软件系统 （一） EMS 应用软件概貌 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）。这 些软件的工作方式分为实时型和研究型（或计划型）两种。 4
    数据采集模块的功能是实时采集电力系统数据并监视其状态。能量管理模块的功能是进 行调度决策以提高控制质量和改善运行的经济性。网络分析模块的功能是进行全系统的分析 与决策以提高运行的安全性并进行安全性与经济性的统一。仿真培训软件则是以研究方式或 实时方式按照规定的教案进行调度员培训。 这三大模块的主要内容以及它们之间的相互关系见图 9－7。 图 9－4 EMS 的应用软件（摘自“能量管理系统”一书） （二） 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 5
    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。 （三）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 6
    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）。 机组经济组合应满足的约束条件包括：系统负荷与备用要求、机组可用状态与容量限制、 机组最短开机时间限制、机组最短停机（再开机）时间限制、一个电厂在一个时段中最多启 动机组数限制。机组经济组合应考虑的费用包括：随机组发电功率变化的发电费用、随停机 时间变化的机组启停费用、随启停分摊的维修费，近似进行网损修正。 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。 7
    （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： ① 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。 ② 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。 ③ 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： 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。它包含在 2)～5)的任务实现中。 8
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