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1能量管理系統(tǒng)EMS的發(fā)展概述

電力系統(tǒng)自動化經(jīng)歷了“元件自動化”、“局部自動化”、“單一島自動化”到“綜合自動化(EMS)”的發(fā)展階段，能量管理系統(tǒng)將各個自動化孤島連接成為一個有機的整體。20世紀(jì)60年代提出的在線安全分析的急迫性，促進了能量管理系統(tǒng)的誕生；20世紀(jì)80年代頻繁出現(xiàn)的大型電力系統(tǒng)電壓崩潰事故，使EMS的重要性更為突出；20世紀(jì)90年代以來實行的電力市場，使電力系統(tǒng)的運營從壟斷走向開放、走向市場，：EMS的功能子模塊重新面臨技術(shù)改造和補充完善的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)在實時電價計算、最大輸電能力計算、輸電路徑優(yōu)化、輸電費用計算、輸電服務(wù)預(yù)調(diào)度和實時調(diào)度等。

能量管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用可大致劃分為四個階段，如表1所示。

2能量管理系統(tǒng)EMS主要應(yīng)用軟件

根據(jù)各主要軟件的功能及用途，可將EMS劃分為五大類別：發(fā)電控制類、發(fā)電計劃類、網(wǎng)絡(luò)分析類、調(diào)度員培訓(xùn)模擬類、市場交易與管理類。

2.1發(fā)電控制類軟件

這類軟件主要由自動發(fā)電控制、發(fā)電成本分析、交換計劃評估和機組計劃組成。

①自動發(fā)電控制(AGC)。自動發(fā)電控制是一項成熟的技術(shù)，它有40多年的歷史而且已經(jīng)由模擬系統(tǒng)發(fā)展到數(shù)字系統(tǒng)，由線形反饋控制發(fā)展到最優(yōu)控制。自動發(fā)電控制的基本功能包括：負荷頻率控制，維持系統(tǒng)頻率(50Hz)或／和維持區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率為計劃值；經(jīng)濟調(diào)度，確定各機組的經(jīng)濟基準(zhǔn)運行點；系統(tǒng)備用容量監(jiān)視；AGC系統(tǒng)性能監(jiān)視。

②發(fā)電成本分析。在壟斷體制下，該軟件模塊將定期給出每臺機組及各區(qū)域總的生產(chǎn)成本。在電力市場環(huán)境下，每個發(fā)電廠都將成為獨立發(fā)電運營商(IPP)，電網(wǎng)調(diào)度或交易中心在分析單個電廠成本及報價的同時，應(yīng)當(dāng)把握信息公開的范圍和尺度，做好部分信息的保密工作。

③交換計劃評估和機組計劃。前者對發(fā)電交換計劃的結(jié)果進行評估和AGC再校正，后者確定機組的基點功率計劃和減出力計劃等。

2.2發(fā)電計劃類軟件

發(fā)電計劃類軟件主要包括負荷預(yù)測、機組組合、水電計劃、交換計劃、火電計劃等。在電力市場機制下，負荷預(yù)測應(yīng)該引入電價彈性的理念；機組組合應(yīng)該充分考慮不同機組在負荷曲線上的位置及其預(yù)期的報價盈利水平；交換計劃應(yīng)該滿足購電和買電雙方交易的利益均分原則；火電計劃應(yīng)兼顧綠色能源和環(huán)境保護的需要。

機組組合是在滿足系統(tǒng)負荷、備用容量、機組容量、最小啟動時間和最小停機時間等約束條件下，考慮機組啟動費用和發(fā)電費用特性，確定系統(tǒng)各區(qū)域的電廠、機組次日規(guī)定時段的開停機計劃，使一定周期內(nèi)的總費用最小。但在計劃經(jīng)濟體制下，人為干預(yù)和不確定性因素太多，很難自動實現(xiàn)。在電力市場中，報價面前人人平等，實現(xiàn)機組組合反而容易了。雖然機組組合功能是在交易管理系統(tǒng)中，目標(biāo)函數(shù)不同了，但其基本算法并沒有根本改變，原來的基礎(chǔ)和經(jīng)驗仍然有效。

2.3網(wǎng)絡(luò)分析類軟件

網(wǎng)絡(luò)分析類軟件主要由網(wǎng)絡(luò)拓撲、狀態(tài)估計、外部網(wǎng)絡(luò)等值、調(diào)度員潮流、安全約束調(diào)度、最優(yōu)潮流、靜態(tài)安全分析、暫態(tài)安全分析、電壓穩(wěn)定分析、無功優(yōu)化、短路計算等。

網(wǎng)絡(luò)拓撲和外部等值是EMS應(yīng)用軟件中最基本的功能。拓撲分析的作用在于將網(wǎng)絡(luò)的物理模型實時轉(zhuǎn)化為計算的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)中斷路器和隔離開關(guān)的信息確定電網(wǎng)的電氣連接狀態(tài)，并將網(wǎng)絡(luò)的物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)計算模型；外部等值(有靜態(tài)和動態(tài)等值之分)的作用是簡化計算，提高求解速度。它是對調(diào)度范圍或計算范圍以外的網(wǎng)絡(luò)進行簡化，以便考慮這部分網(wǎng)絡(luò)對本區(qū)域電網(wǎng)的影響。兩者作為公共模塊廣泛應(yīng)用于狀態(tài)估計、調(diào)度員潮流、安全分析、無功優(yōu)化等程序中。

靜態(tài)安全分析的作用在于，對多種給定運行方式進行預(yù)想事故分析，模擬元件或線路越限或開斷故障，找出薄弱環(huán)節(jié)，評估整個系統(tǒng)的靜態(tài)安全水平。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有危及系統(tǒng)靜態(tài)安全的預(yù)想事故時，調(diào)用安全約束調(diào)度軟件，以系統(tǒng)控制量調(diào)整最小或生產(chǎn)費用最低或網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，提出解除有功、無功、電壓越限并使系統(tǒng)進入新的安全狀態(tài)的對策。

暫態(tài)安全分析是在給定的或預(yù)想的運行方式下，針對預(yù)想事故集中的故障或繼電保護裝置動作情況，判斷系統(tǒng)是否會失去暫態(tài)穩(wěn)定并確定故障的最長持續(xù)時間。電壓穩(wěn)定性分析可以給出預(yù)想運行方式下各個節(jié)點的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)、功率極限和臨界電壓。

最優(yōu)潮流的計算目的是優(yōu)化電力系統(tǒng)的靜態(tài)運行條件，通過調(diào)節(jié)控制變量使目標(biāo)函數(shù)達到最小，實現(xiàn)發(fā)電費用最小或購電總成本最低的經(jīng)濟運行目標(biāo)。無功優(yōu)化則是在調(diào)度員潮流分析基礎(chǔ)上，通過改變無功設(shè)備，在滿足安全約束和電壓質(zhì)量的條件下，使系統(tǒng)的有功總網(wǎng)損達到最小。

2.4調(diào)度員培訓(xùn)模擬

這主要用于培訓(xùn)調(diào)度員在正常狀態(tài)下的操作能力和事故狀態(tài)下的快速反應(yīng)能力，也可用作獨立系統(tǒng)調(diào)度員(ISO)分析電網(wǎng)運行狀況的工具。

2.5市場交易與管理類

這主要包括實時電價計算、最大輸電能力計算、輸電路徑優(yōu)化、輸電費用計算、輸電服務(wù)預(yù)調(diào)度和實時調(diào)度等軟件。這類軟件在功能上如何與現(xiàn)有EMS軟件整合與分工，有待進一步研究和探索。

4實例分析——以SE-9000系統(tǒng)為例

電力市場機制給EMS帶來了巨大挑戰(zhàn)，其主要軟件模塊在功能和內(nèi)涵上將發(fā)生重大的變化，如SCADA、AGC、負荷預(yù)測、機組組合、調(diào)度員潮流、安全分析、無功優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、人機界面等。當(dāng)今主流能量管理系統(tǒng)以SE-9000為典范，SE-9000系統(tǒng)以開放、穩(wěn)定、實用、先進、功能完善、易維護、易擴充為主要設(shè)計目標(biāo)，在系統(tǒng)設(shè)計中進行了圖模庫一體化、SCADA/PAS/FA設(shè)計一體化、人機界面一體化、開發(fā)接口一體化、維護一體化一體化設(shè)計。

4.1軟件系統(tǒng)分析

SE-9200系統(tǒng)支撐平臺是整個系統(tǒng)的核心，平臺為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的系統(tǒng)運行管理、數(shù)據(jù)訪問、模塊間通信、圖形界面、權(quán)限管理、告警處理等公共服務(wù)，使各應(yīng)用只需專注于各自業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，如圖1。

系統(tǒng)支撐平臺可以歸納為集成總線層、數(shù)據(jù)總線層、公共服務(wù)層三層，如圖2。集成總線層提供各公共服務(wù)之間、各應(yīng)用子系統(tǒng)以及第三方軟件之間規(guī)范化的交互機制；數(shù)據(jù)總線層提供適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)訪問服務(wù)；公共服務(wù)層為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供公共服務(wù)，如圖形界面、報表工具、告警服務(wù)等。

在應(yīng)用軟件方面，SE-9000系統(tǒng)的大型軟件應(yīng)用子系統(tǒng)除了包含常規(guī)的電網(wǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)外，還集成有集控中心子系統(tǒng)、電網(wǎng)高級應(yīng)用軟件子系統(tǒng)、電量管理子系統(tǒng)、調(diào)度管理子系統(tǒng)、配網(wǎng)自動化子系統(tǒng)等。

4.2結(jié)語

通過實際操作應(yīng)用，SE-9000在操作上比較簡單，擁有智能化的系統(tǒng)建模，界面比較人性化；在系統(tǒng)上采用全新的一體化設(shè)計，并適合混合平臺操作。而且日常維護工作量大大減少，在數(shù)據(jù)處理上支持ORACLE等商用數(shù)據(jù)庫，保證了其安全性，具有全方位的監(jiān)視和管理功能。

參考文獻：

[1]杜松懷.電力市場[M].北京:中國電力出版社,2006.

摘要：能量管理系統(tǒng)(EMS)是一套大型計算機應(yīng)用軟件，在傳統(tǒng)的垂直一體化的電力系統(tǒng)中，其主要的功能模塊有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(SCADA)、負荷預(yù)測、自動發(fā)電控制(AGC)、網(wǎng)絡(luò)分析(NA)、在線經(jīng)濟調(diào)度、預(yù)想事故與潮流分析、發(fā)電與輸電計劃、開斷計劃等。本文在簡要概述能量管理系統(tǒng)(EMS)發(fā)展歷史及其應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)上，以SE-9000系統(tǒng)為實例對能量管理系統(tǒng)（EMS）應(yīng)用進行分析。

關(guān)鍵詞：能量管理系統(tǒng)；EMS；應(yīng)用軟件；SE-9000