1、能量管理系统讲座于尔铿2目 录目 录 2第 1 讲 EMS 的技术发展 .61.1. EMS 技术发展 .61.2. EMS 设计、开发与应用 .71.2.1. 技术数据的协调 81.2.2. 应用软件的验收 81.2.3. 试运行 81.2.4. 人员培训 81.3. EMS 应用软件 .81.3.1. 数据收集级(SCADA) 91.3.2. 能量管理级 91.3.3. 网络分析级 91.4. EMS 的效益权衡 .10第 2 讲 EMS 的硬、软件平台 .102.1. EMS 硬件体系结构 .102.1.1. 开放式计算机系统结构 102.1.2. 开放式系统的特点 112.1.3. 开
2、放系统的理想与现实 122.2. EMS 的数据库 .122.2.1. EMS 应用的数据 .122.2.2. EMS 应用数据库 .132.3. EMS 的人机联系(MMI) .142.3.1. MMI 功能与组成 .142.3.2. 全图形 MMI.142.3.3. 电力系统单线图 15第 3 讲 数据收集与监视(SCADA) 153.1. 数据收集 SCADA 硬件系统 153.1.1. 远方量测终端(RTU) 163.1.2. 传输信道 163.1.3. 主站计算机 163.1.4. 数据流程 173.2. 数据收集 173.2.1. 状态量 173.2.2. 量测值 183.2.3.
3、 电量值 183.3. 监视与事件处理 183.3.1. 状态量监视 183.3.2. 量测值的限值监视 183.3.3. 量测值的趋势监视 183.3.4. 数据质量标志 193.3.5. 事件处理 193.4. 控制功能 193.5. 具有时间标志的数据 193.5.1. 历史数据的采集 203.5.2. 计划数据 203.5.3. 存入磁带 203.6. 故障数据收集与记录 2033.6.1. 顺序事件记录(SOE) 203.6.2. 事故追忆(PDR) 203.7. 报告和计算 213.7.1. 数值计算 213.7.2. 逻辑运算 21第 4 讲 电力系统负荷预报 214.1. 电力
4、系统负荷预报概述 214.2. 电力系统负荷预报基本模型 224.2.1. 基本正常负荷分量 224.2.2. 天气敏感负荷分量 224.2.3. 特别事件负荷分量 224.2.4. 随机负荷分量 234.3. 电力系统负荷预报基本算法 234.3.1. 最小二乘拟合方法 234.3.2. 回归分析方法 234.3.3. 时间序列方法 234.3.4. 卡尔曼(Kalman)滤波方法 234.3.5. 人工神经网络方法 234.3.6. 灰色系统方法 234.4. 超短期负荷预报 244.4.1. 超短期负荷预报基本模型 244.4.2. 线性外推方法 244.4.3. 时间序列方法 244.
5、4.4. 卡尔曼滤波方法 244.4.5. 人工神经网络方法 244.5. 短期负荷预报 244.5.1. 短期负荷预测基本模型 244.5.2. 基于温度准则的外推方法 254.5.3. BP 神经网络日负荷预报 .254.6. 中期负荷预报 254.6.1. 中期负荷预报基本模型 254.6.2. 基于气候负荷模型的方法 254.6.3. 灰色系统方法 264.7. 长期负荷预报 264.7.1. 递推 BP 神经网络长期负荷预测 264.8. 母线负荷预报 264.8.1. 树状常数负荷模型 264.8.2. 考虑负荷区域不一致性的模型 264.8.3. 考虑负荷类型不一致的模型 264
6、.8.4. 混合负荷模型 264.8.5. 母线负荷预测 274.9. 电力系统负荷预报软件设计 27第 5 讲 自动发电控制 275.1. 自动发电控制功能 275.2. AGC 的一般过程 .285.3. AGC 控制方式和区域控制误差(ACE) .295.3.1. AGC 控制方式 .295.3.2. 区域控制误差(ACE) 295.4. AGC 对机组功率的分配 .295.5. AGC 有关模型 .305.5.1. ACE 死区和控制区 .3045.5.2. AGC 状态模型 .315.6. AGC 与其它应用的关系 .315.7. AGC 的画面配置 .325.8. 国外自动发电控制
7、的发展趋势 32第 6 讲 发电计划(1) 火电计划和机组经济组合 326.1. 发电计划总体组成 326.2. 火电计划 336.2.1. 机组模型 336.2.2. 经济调度算法 346.3. 机组经济组合 346.3.1. 机组经济组合的模型 346.3.2. 优先级法机组经济组合 356.3.3. 动态规划法机组经济组合 35第 7 讲 发电计划(2) 水电计划和交换计划 367.1. 水电计划 367.1.1. 水电计划模型 367.1.2. 水电计划的网络流模型 387.2. 交换计划 387.2.1. 联合电力系统协调方程式 387.2.2. 联合电力系统网络流模型 397.3.
8、 水电计划，交换计划与其它应用软件的关系 39第 8 讲 实时网络状态分析 408.1. 网络接线分析 408.2. 电力系统状态估计 418.2.1. 状态估计的数学描述 418.2.2. 基本加权最小二乘法状态估计 418.2.3. 快速分解状态估计算法 428.2.4. 正交变换状态计算法 428.3. 不良数据的检测与辨识 428.4. 变压器抽头估计 438.5. 网络状态监视 438.6. 量测系统评价与优化配置 438.7. 状态估计模拟系统 448.8. 实时网络状态分析软件的设计与应用 44第 9 讲 调度工程师潮流 459.1. 潮流计算的基本模型与算法 469.1.1.
9、潮流计算的基本模型 469.1.2. 潮流计算的常用算法 469.2. 潮流中的控制模型 479.3. 灵敏度分析 479.4. 多岛潮流计算 489.5. 潮流计算收敛性的实用化改进 489.5.1. 缓冲机和 PV母线的检查与控制 .499.5.2. 极大不干衡功率的检查与控制 499.5.3. 开断环网的处理 499.6. 调度工程师潮流的软件设计 49第 10 讲 网络安全分析软件（1） 5010.1. 预想故障分析 5010.1.1. 故障定义及其维护 5110.1.2. 故障扫描 5110.1.3. 故障详细分析 52510.1.4. 预想故障分析的软件设计 5210.2. 安全约
10、束调度 5210.2.1. 安全约束调度基本理论 5210.2.2. 软件设计 55第 11 讲 网络安全分析软件(2) 5511.1. 最优潮流 5511.1.1. 最优潮流的基本模型 5511.1.2. 最优潮流的基本理论 5611.1.3. 最优潮流软件设计 5711.2. 电力系统静态等值 5711.2.1. 基本描述及算法 5811.2.2. 网络等值软件设计 5911.3. 电压稳定性分析 5911.3.1. 负荷导纳法 6011.3.2. 应用软件设计 60第 12 讲 调度员培训模拟（DTS） 6112.1. 概述 6112.2. 控制中心模型 6212.3. 电力系统模型 6
11、212.3.1. 潮流 6212.3.2. 动态模拟 6312.3.3. 动态模拟中的动态模型 6312.4. 教学系统 6312.4.1. 教学系统的功能 6312.4.2. 培训方案的建立 6412.5. 结论 646第 1 讲 EMS 的技术发展摘 要 介绍了 EMS 技术发展过程，叙述了 EMS 设计、开发和应用步骤,说明了 EMS 应用软件基本功能和相应关系，并讨论了 EMS 的效益问题。EMS 是电力系统自动化技术与理论上的一次飞跃，关键是采用“自上而下”的原则设计,目标是将经验型调度提高到分析型调度。关键词 能量管理系统 设计 技术发展能量管理系统(EMS)是以计算机为基础的现代
12、电力调度自动化系统，主要针对发电和输电(见图 1.1)，用于大区级电网和省级电网。借鉴 EMS 技术发展的配电管理系统(DMS)主要针对配电和用户，用于 10 kV 以下电网。我国还有大量地区、城市和县级电网调度它们既管电源又管负荷，根据实际业务可选取 EMS、DMS 或两者。1.1.EMS 技术发展电力系统自动化技术沿着元件一局部一子系统(岛)一管理系统的道路发展， “管理系统”指的是对不同自动化子系统(岛)的综合管理。EMS 表明对电力系统自动化由表及里、由孤立到相关、由静止到发展变化的认识上的一次飞跃。人们经历了漫长的“自下而上”的对电力系统自动化的发展和认识过程才到达了 EMS，而 E
13、MS 将“自上而下”指导新系统的设计与开发。半个世纪以来电力系统自动化理论发展可以分为 3 个阶段：60 年代以前处在经典理论阶段；7080 年代注入了控制论形成了以计算机为基础的现代理论阶段；90 年代以后注入经济理论而到达电力市场理论阶段。70 年代中期运用系统工程理论将现代理论的技术成果有机地组织在一起便形成了 EMS并随电力工业的改革而发展(见图 12)电力系统自动化主要技术进步表现在：40 年代数据收集与监视系统(SCA：DA)将实时数据展现在模拟盘上，极大地增强了调度员对实际系统运行变化的感知能力；50 年代自动发电控制(AGC)将调度员从频繁的操作中解脱出来；60 年代大系统事故
14、将安全分折提上日程，负荷预测、发电计划和预想故障分析为调度员提供了辅助决策工具，提高了他们对运行状态的分析与判断能力。自动化技术在 60 年代到 70 年代经历了一次重要变化由模拟转向数字，为 70 年代中期由SCADA、AGC 和网络分析汇集成 EMS 创造了条件；80 年代以来计算机技术的每一项进展都快速反映在 EMS 上数据库使 EMS 应用软件成为“有源之水” 人机会话(MMI)技术使涠度员应用 EMS 越来越方便通信技术使 EMS 的构成越来越灵活，应用软件集中反映了高科技的特点用到的理论包括预测理论、优化理论、稳定性理论、可靠7性理论和智能理论等等。80 年代中期借鉴 EMS 技术
15、由 SCADA、网络分析和负荷控制(LC)三大项目汇集成 DMS随后又扩展了地图/设备管理(AMFM)和投诉电话(trouble call)等功能。另外，用户侧管理(DSM)属于负荷自我管理原理是用户自动躲避峰荷用电但分时电价(TOU)应由 DMS 提供。如图 13 所示EMS 应与 DMS 联接从中获取负荷管理和电压控制等信息，以利于处理事故；EMS 还与发电厂效率管理系统(GEM)联接，从中取得发电效率信息，用以监督发电厂上网电价和结算电费；EMS 还应与电力公司管理信息系统(MIS)联接，从中取得经营信息用于计算电价，以取得更大范围的效益。EMS 包含的硬件与软件越来越丰富联系的系统越来
16、越多，这就出现了一个标准化问题即要求系统开放，以利相互联接。应该指出EMS 的技术发展必然会带动电力系统专业知识结构更新。例如,60 年代大学毕业生在学校没学过矩阵、概率、预测和优化等数学，仅有极少数专家通过艰苦的自学才获得了这些知识；而对 80 年代大学生(特别是研究生)来说这已是课堂上必学的知识了；当然，90 年代后期，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作了。 1.2.EMS 设计、开发与应用EMS 总体结构如图 14 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出是运载工具；后 3 部分即数据收集、能
17、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” ；包含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 ENIS 的有机组成部分，它像镜子一样反映 EMS 各项基本功能(图中用阴影表示)。由以上可以看出狭义的能量管理专指发电控制和发电计划；一般 EMS 指数据收集、能量管理和网络分析三大功能；广义的 EMS 还应包括 DTS。EMS 概念的建立是在电力系统自动化认识进程中由必然王国到自由王国的升华：由自发的、盲目的、岛意识的设计水平提高到自觉的、有目的的、整体的设计水平。EMS“自上而下”设计原则是几十年电力系
18、统自动化经验的结晶。 我国在 60 年代初期就开始了离线潮流和经济调度程序的研制；70 年代末期开始状态估计等在线应用软件的研制；80 年代中期曾把当时国外 EMS 包含的状态估计、负荷预报、经济调度、潮流、安全分析和最优潮流等应用软件全部装到湖北在线系统之上虽然每一单项都成功地完成了试验而总体却无法实用，这是一次“自下而上”设计与开发的沉痛教训。 80 年代后期我国四大电网(华北、东北、华东和华中)调度自动化引进中，最大的技术收获有8三点：一是理解了“自上而下”的原则；二是认识了支持软件的重要性；三是明白了商品化应用软件的标准。遗憾的是四大网花费巨大。代价得到的这些宝贵经验并没有被国内其它电
19、网所吸收，在四大网之后又有许多电网陆续由国内开发或由国外引进了很多调度自动化系统，多数没有足够强的支持系统，无法继续开发 EMS 应用软件，只能作为 SCADA 使用。一种补救的办法是采购能量管理平台(EMP)，即在原 SCADAAGC 不变的情况下，补充带有支持系统的 EMS 应用软件两者之间设计一个实时数据接口。其优点是能充分利用原系统，改造工程量小，实时性要求低可以采用便宜的软件；缺点一是系统可维护性差，二是无法扩展与 SCADAAGC 一致的 DTS。EMS 设计的另一个教训是 DTS 的独立设计与开发，其后果是：(1)DTS 难以取得数据，成为无源之水；(2)DTS 与 EMS 中
20、SCADAAGC 等场景不一致，不利于培训；(3)EMS 与 DTS 两套系统两套人员，投资高，维护量大。EMS 与 DTS 一起设计，事半功倍。EMS 的实现过程中用户方需做大量协调、验收、试运行、维护和培训工作。1.2.1. 技术数据的协调为建立 EMS 模型与数据库，需要在调度、运行方式和自动化等专业技术人员之间进行技术协凋，统一模型(如：负荷预报模型、机组调整模型、网络接线模型、变压器抽头模型等)、统一设备名称(如：机组名、变压器名、电容器名、线路名、负荷名等)、统一地名(如：地区名、电厂名、变电站名等)、统一监视标准和观察与计算范围等。1.2.2. 应用软件的验收可以分为资料验收、试
21、验室验收(FAT)和现场验收(SAT)三步。资料应包括各应用软件的用户手册、技术报告、测试大纲和有关出版物等；FAT 指在卖方试验室中利用买方近期运行方式按双方协商的测试大纲逐项和联合测试应用软件不通过 FAT 的软件不准安装到现场；当应用软件安装到现场并与现场运行同步调试(如：状态估计、发电计划、负荷预报等开始跟踪运行)之后双方进行SAT。1.2.3. 试运行通过 SAT 的应用软件即开始试运行，用户开始维护数据库、画面和程序参数。电力系统的扩充、量测设备的改变、系统运行方式的改变等需专门人员维护，以保证一线调度人员使用 EMS 时数据可靠。同时 EMS 维护人员尽量收集实用中的问题以反映给
22、开发单位进行改进。1.2.4. 人员培训为了实际应用 EMS 应用软件，用户必须完成几个级别人员的培训：用户级(培训至每一调度员)，维护级(日常数据维护)和专家级(维护和修改软件)。EMS 真正的验收标准应该看调度员在值班时能不能得心应手地使用应用软件分析与处理实际问题，只有实现了这一目标，调度员水平才能由经验型上升为分析型。91.3.EMS 应用软件如图 15 所示，EMS 应用软件分 3 级：SCADA、能量管理和网络分析，进一步还可以增加培训模拟级。这些软件按两种模式工作：实时型和研究型(或计划型)。1.3.1. 数据收集级(SCADA)SCADA 的任务是实时收集电力系统运行数据并监视
23、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；能量管理级通过它向电力系统发送控制信号；网络分析级向它送回量测质量信息。1.3.2. 能量管理级能量管理级软件特点是利用电力系统总体信息(频率、机组功率、联络线功率)进行调度决策，主要目标是提高控制质量和改善运行的经济性。能量管理实时型应用软件是自动发电控制(AGC)；能量管理计划型应用软件分为短期和中长期，包括负荷、机组、发电、交换、燃料、水库、检修等方面的预测和计划。能量管理级从 SCADA 取频率和功率等实时数据向 SCADA 送机组控制信息；能量管理级向网络分析级送系统负荷预报和发电计划，取
24、回网损修正和机组受电网约束的安全限制。1.3.3. 网络分析级网络分析级软件特点是利用电力系统全面信息(母线电压和角度)进行分析与决策，主要目标是提高运行的安全性，使 EMS 的决策能做到安全性与经济性的统一。网络分析实时型软件的核心是状态估计它提供实时方式；网络分析研究型软件的核心是潮流，它提供研究方式(或称假想方式)；其它软件可以取实时方式数据或研究方式数据工作。网络分析级从 SCADA 取实时量测值和开关状态信息，向 SCADA 送量测质量信息；网络分析级从能量管理级取负荷预报值和发电计划值，回送网损修正值和机组安全限值。10DTS 也属网络分析应用软件，它可以由研究方式或实时方式为出发
25、点，按规定教案培训调度员，也可以作分析工具使用.1.4.EMS 的效益权衡进入 90 年代时世界上已有 300 多个调度中心建成或计划建 EMS，这与电力公司的数目相比还是很少的，近期发展在加快。EMS 无论对厂家还是对用户来讲都是一项巨大工程：投资：新的 EMS 投资在 200 万4 000 万美元；规模：中等规模 SCADA 大约包括 50 个远程终端 LRTU)；程序：中等规模 SCADAEMS 软件约 100 万行程序；数据：中等规模 EMS 数据库包括 10。数据量；画面：少则 300500 幅，多者数千幅；开发量：网络分析软件包需 50 人年，最优潮流约 15 人年，一套 SCAD
26、AEMS 需 6001 500 人年；时间：EMS 从订货到运行约 210 年；资料：文档厚度 35 m；人员：EMS 项目厂家需 510 位专家，用户需 25 位专家；寿命：1015 年。EMS 是现代电力调度不可缺少的工具，最重要的效益是由经验型调度上升到分析型调度，提高电力系统运行的安全性、质量和经济性并减轻了调度员的负担。各电力公司普遍承认的优点是：信息完整、提高效率、正确掌握系统状态、加快决策、缩短故障反应时间、预防性分析避免系统故障、记录完整和适应系统变化等；其缺点是：增加工作量、增加监视信息量、任务复杂、需要提高调度员水平、紧急状态下增加紧张感、不完善的软件给调度员带来修正值和机
27、组安全限值。 新的麻烦等。DTS 也属网络分析应用软件，它可以由研究方式或实时方式为出发点，按规定教案培训调度员，也可以作分析工具使用。11第 2 讲 EMS 的硬、软件平台摘 要 介绍了能量管理系统(EMS)对硬件系统的要求认为采用开放式计算机体系结构是 EMS技术发展的方向同时还介绍了。EMS 的数据类型、数据库及 EMS 的人机界面。关键词 硬件和软件平台 数据库 人机界面2.1.EMS 硬件体系结构EMS 对计算机资源消费主要是：人机会话(MMI)、运算和通信。人机会话负载最重的情况出现在电力系统扰动期间；应用软件对计算机的需求列入表 21(这是在 80 年代计算机条件下测试的) ，运
28、算量增加是 EMS 应用水平提高的标志；随着分布和开放系统的出现计算机内部和外部通信量急剧上升。EMS 对计算机系统的要求是可靠、高速、大容量和可扩充，其硬件系统结构沿着集中一分布一开放的道路发展。2.1.1. 开放式计算机系统结构开放式计算机体系结构是在分布式的基础上发展起来的，逐步实现软件上的独立，是 EMS 技术当前发展的方向。图 21 举出了一个开放式 EMS 体系结构的例子( 美国，1993 年)，是由双网连接起来的 6 个子系统组成的：(1) 存储子系统：采用 2 台工作站配以大容量外存作为文件服务器使用。 (2) SCADA 子系统：由 3 台工作站(2 台运行、1 台备用)和连
29、接远方终端(RTU) 的调制解调器组成完成数据收集与控制功能。(3) 通信子系统：由 2 台工作站组成完成计算机网络及外系统计算机连接功能，进行相互通信。(4) 开发子系统：由带有 4 个 X 终端显示器的工作站组成，用于数据库和画面的开发和维护工作。(5) 高级应用子系统：由 3 台工作站组成全部用于运行高级应用软件，任何 1 台故障可由其它 2 台接替。12(6) 人机会话(MMI)子系统：由多台工作站组成每一台由一个键盘和一台或多台监视器构成，它们安装在调度室供调度员使用，2.1.2. 开放式系统的特点(1) 以工作站为基本单元：计算机性能价格比优越系统组成灵活。(2) 冗余配置：高级应
30、用软件要求最高。(3) 严格遵守工业标准：系统具有选取多家商品化硬件和软件产品的能力。(4) 使用外壳技术(Shell) 将专用软件与操作系统相隔离，示意于图 22。(5) 采用商业数据库使 EMS 易于连接其它信息系统。(6) 硬件可以采用多家产品，实现硬件层次的开放性。(7) 实现网络互连内部采用局域网(LAN) 互连。2.1.3. 开放系统的理想与现实“开放系统”这一术语已被人们使用多年，但理解并不相同有的强调多家系统的集成和用户接口标准化，有的强调现有 EMS 的继承性，有的强调应用软件接口的标准化。现在大多数厂家都宣称自己产品是开放的，对用户承诺开放的好处。但用户购置某一系统之后，常
31、常体会不到优越性，特别在修改和扩充硬件和软件时更感到受制于系统原来的供应商。事实上计算机界实现开放的努力一直未停止，遗憾的是目前还处在实现这一理想的途中，而且道路还很漫长。从用户的角度看开放，应分为以下几个阶段：(1) 不同厂家、不同系统计算机互换；(2) 不同操作系统互换；(3) 不同支持平台的互换；(4) 不同厂家应用软件互换。显然现在一个阶段也达不到，留给用户的只是开放程度的选择。2.2.EMS 的数据库应用软件包含 5 项内容：数据库、画面、程序、信息和保存方式(图 23) 。EMS 涉及的数据种类复杂数据量大、相互联系，只有从系统角度仔细设计数据库才能把不同的应用软件有机地组成 EM
32、S，并适应电力系统的扩展和软件功能的扩展，使各应用软件成为有源之水、有本之木。2.2.1. EMS 应用的数据EMS 有以下几类数据：实时数据、预报与计划数据、基本数据、历史数据和临时数据。(1) 实时数据：是自动量测的数据，分为遥信反映开关开合或设备使用状态，也称状态量；13遥测反映电力系统及设备的运行状态，如有功功率、无功功率、电压、电流及频率等，也称为模拟量；电量这是功率对时间的积分量，主要用于统计与记帐。(2) 预报和计划数据：是由应用软件形成的或人工输入的数据，例如：负荷预报、发电计划、机组组合、水电计划、燃料计划、交换计划、检修计划、电压计划和水库计划等，它们向EMS 提供当时或未
33、来的电力系统运行状况数据。(3) 基本数据：电力系统运行中基本不变或缓慢变化的数据，例如：发电、变电、输电及其控制与量测配置设备与参数。这些设备信息及参数基本是人工输入与修改的。(4) 历史性数据：分为正常运行方式和非常运行方式的保存(事故)，EMS 可以按周期和规定的条件自动进行记录，也可以人工启动记录。历史数据主要用于电力系统运行状态的分析、预测和培训。(5) 临时性数据：是应用软件运行中自动形成和自动消除的数据例如：潮流计算中形成的导纳矩阵和雅可比矩阵等，一般用户不需要了解这些数据，但对软件维护人员来说都是非常重要的诊断信息。对 EMS 各应用软件用到的数据进行全面的分析，尽量提取“公因
34、子” ，这是整个 EMS 交换数据的基础，也是数据库设计的关键。2.2.2. EMS 应用数据库EMS 最主要的公用数据可以划分为 4 个部分：SCADA、能量管理(发电和负荷) 、网络分析和培训模拟(图 24)。这 4 部分可以随功能扩展而逐步建立，但事先必须统筹设计。EMS 数据库设计是将物理模型化为数学模型的定义过程，包括：物理量的名称及相互关系(全局型、一维数组、多维数组、层次关系、网络关系等) ；数据类型(整数、实数、复数、逻辑数、时间、日期等) ；数组的大小；数值校验方式及范围；逻辑校验方式及范围(全局或局部 )；按应用划分数据片。EMS 中应包括建模软件，针对图 24 中的 4
35、个数据库需配置 4 套建模软件，用于对具体电力系统建立和扩展数据库。建模软件的功能是：定义物理设备(元件)及相互关系；填写设备参数；验证：检查数据结构和参数错误，建立相互之间的关联(链) ，建立不同数据库之间对应物理量间的映射关系(链)；14保存方式，提供给其它应用软件。电力系统扩展时，修改相关数据库的过程与建库过程相同，只是初始数据由已有的保存方式取得，在此基础上增加、删除和插入新设备，并验证和保存新方式。以下简要介绍 4 个数据库的内容：(1) SCADA 数据库：主要面对两个方向，量测对象(电力系统)和量测设备(RTU) ，需要分别描述并相互联系。前者按厂站结卡句定义数据用于凋度人员监视
36、电力系统；后者按RTU 结构定义数据，用于自动化人员监视远动系统；必要的话还可以增加通信结构数据，以便从计算饥角度描述数据通信。厂站记录用于定义系统元件及其量测设备。在厂站下分类排列电气设备(变压器、母线、线路、开关等)；在每一设备下再设 3 种量测类型( 遥信、遥测、电量 )；在每一量测下进一步描述量测值、量测质量、控制状态、报警状态等。RTU 记录描述数据接收系统每一 RTU 下有接线表并建立遥测数据与厂站记录的联系。通信记录用于描述计算饥与 RTU 间通信设备。(2) 能量管理数据库：在运行区( 或控制区)之下有 3 类记录：一是本区域内的发电厂，其下存机组；二是相邻电力公司；三是两者之
37、间的交换模型。在机组之下描述其燃料混合计划、减出力计划、基点功率、燃料及耗热特性。能量管理数据库用于 AGC 与各种发电计划间交换数据。(3) 网络数据库：主要描述电力公司的电网结构、参数及状态。在公司之下设地区，地区之下设厂站和线路厂站之下设电压级和变压器，而在电压级下排列元件(开关、机组、负荷等)，见图 25。状态估计、潮流、预想故障分析、安全约束调度和最优潮流等应用软件均通过此库交换数据，主要保存的是静态网络分析数据。(4) 培训模拟数据库：补充网络数据库的动态网络分析数据，如原动机及其调节设备模型、继电器及重合闸模型等。在以上几个数据库之间需建立对应的映射关系(链) 才能快速传递数据，
38、因此要求用户协凋不同专业的人员统一地区、厂站、机组、开关、负荷、电容器、变压器、线路、结点、控制器和量测髓等名称否则无法联接。2.3.EMS 的人机联系(MMI)MMI 也称为人机界面或人机会话它主要提供调度员与 EMS 的联系手段，使调度员能监视、分析和控制电力系统。此外计划人员通过 MMI 编制、检查和修改调度计划；分析人员通过 MMI研究运行方式；自动化人员通过 MMI 监视与维护 EMS。MMI 是 EMS 技术发展的热点方便和快速是主要目标。80 年代中期引进的 ESCA 系统还是半图电力系统由半图形技术80 年代末期引进的西门子系统已经是全图形技术了。2.3.1. MMI 功能与组
39、成EMS 中 MMI 主要功能是：将屏幕上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；开发与生成画面。目前 MMI 硬件组成主要是显示器、键盘和鼠标。15MMI 软件组成比较复杂。一部分是直接会话另一部分是开发画面。以 ESCA 为例，前者软件为 RAPUSER。后者为 EASEL， 。2.3.2. 全图形 MMI以全图形工作站作 EMS 的 MMI 是 90 年代技术发展趋势，以 1990 年西门子公司产品为例，其技术特征是：全图形画面，可自然作图、平滑移动(PAN)和自由放大与缩小(ZOOM) ；高清晰度显示图，色彩丰富，减轻调度员疲劳：多窗口技术，可
40、以将不同画面调到一起，减少调度员面前的显示器；直观的鼠标控制，可代替 99的键盘操作；标准软件产品(操作系统、高级语言和标准图形接口 )；画面响应快(1 s 以内)；动态彩色变化，可表示网络状态：带电、解列、接地、故障等；可与其它商业数据库联接；不限数目全景画面：构造画面无需程序语言。2.3.3. 电力系统单线图这是调度员最常用的画面，主要反映电力系统结构和潮流分布SCADA、潮流、状态估计、故障分析、约束调度、最优潮流、培训模拟等均以单线图显示结果，还有的在单线图上控制计算过程。以调度工程师潮流为例单线图功能有：表示电网接线状态包括：开关开合元件的投切、电压等级、元件带电、系统分裂等；表示潮
41、流分布，包括：机组与负荷功率、母线电压与角度、线路与变压器潮流等；告警，对功率与电压越限告警用闪光或反背景；改变接线直接用光标操作开关；修改数据，如机组出力与母线电压等；控制计算(执行接线分析、潮流计算及越限检查 )；地区间移动，厂站放大；将电网接线图放到地理图上(主要针对 DMS)。此外，潮流大约还需开发 50 幅画面：控制画面(6 幅)；一一输入输出画面(20 幅)：一一监视画面(9 幅)；程序性能画面(6 幅)；灵敏度画面(5 幅)。 EMS 硬件、数据库和人机联系正是当前技术发展最快的部分。16第 3 讲 数据收集与监视(SCADA)摘 要 介绍 SCADA 的硬件系统、数据收集与事故
42、处理、控制、历史数据与计划数据、顺序事件记录与故障记录、报表与计算等功能。关键词 数据收集与监视 电力系统 功能数据收集与监视(SCADA)是电力系统自动化最基本的功能大约在 6070 年代完成了数字化的技术进程。现在 SCADA 从硬件到软件已形成了一系列标准功能可灵活地组合起来可靠地满足不同电力公司的需要。SCADA（Supervision Control And Data Acquisition）3.1.数据收集 SCADA 硬件系统数据收集 SCADA 的硬件组成主要包括：现场远方量测终端(RTU)、传输通道和主站计算机三大部分。3.1.1. 远方量测终端(RTU)我国当前使用的有布线
43、式数字远动装置和微机远动装置两种其主要功能如下：(1)收集现场(发电厂和变电站)的量测量(遥测)和状态量(遥信)等数据接收主站(调度中心)命令对现场设备进行控制。(2)采集数据的简单处理如：量测量死区比较状态量变位比较数字滤波越限报告等。(3)与主站通信：进行通信规约处理将数据传送主站接收主站下达的数据。数据传送分为两种方式：一是应主站要求的直接报告方式；二是在量测量变化(超过死区)或状态量变位时的例外报告方式。当前数据收集按两种形式进行：一是循环式(cyclle type)，即现场发送端循环不断地将数据送给主站的接收端需独占信道；二是应答式(polling type)由主站依次查洵远方终端(
44、RTU)有无信息发送几台远方终端(RTU)可共用信道。3.1.2. 传输信道 传输信道是指信号传送时所经过的通道,有狭义与广义之别。狭义信道也称传输媒体分为有线和无线两类。架空线、同轴电缆等属前者电磁渡自由传输空间属后者。广义信道包括调制信道和编码信道，当前常用的载波属调制信道。微波属编码信道。3.1.3. 主站计算机主站计算机配置分为集中式和分布式两大类型。集中式系统配置举洌示于图 l；主饥和前置机均为双机系统主备配置：通过软硬件实现自动和人工切换通过双饥通信实现主饥与备用机的信息同步。远程通信、普通外部设备和彩色显示器等通过切换装置与主机相联，联接前置机总线的智能接口与 RTU 通信并可以
45、通过局部终端装置 LTU(local terminal unit)驱动模拟盘，系统标准时间信息也通过此接口传送到主机。主机与前置机通过局域网互联。17分布式系统配置举例示于图 2。它由 4 个子系统组成中间通过符合工业标准的通信网络相联(一般是局域网)。通信远动服务器提供外部数据源的接口，数据服务器提供数据的安全有效管理人机接口服务器提供用户对控制中心操作的有效界面应用服务器为实时和研究方式应用软件提供数据。近年分布式系统配置发展很快。3.1.4. 数据流程以图 3 为例说明 SCADA 数据流程左侧为一次系统，右侧为二次系统。(1)发电厂变电站中通过电压互感器和电流互感器采集电气量。(2)利
46、用变送器将互感器采集到的电气量转化成微小的直流电压信号。(3)在远方终端(RTU)中经过多路采样、模数转换、抗干扰编码形成待传送的数字信号然后将其凋制在信启、载体上，调制方式一般为调幅、调频和词相等。(4)传输信道完成信号处理、发送与接收。(5)在主站计算机中解调后的信息经智能接口进行串并转换和译码处理；前置机对信息进行刻度转换及初检测；主机确认其可用性后送入数据库。(6)计算机通过模拟盘和彩色显示器将现场量测量和状态量提供给调度员，以实现调度员对一次系统的监视与控制。183.2.数据收集电力系统基本信息是由变电站和发电厂的现场设备收集起来的，另外有些配电网的数据或相邻区域的数据是经远程通信(
47、计算机转发)得到的，还有少量数据是电话询问或按计划由操作员人工输入的(包括：未装 RTU 的厂站或远动设备处在检修状态的厂站)，另外还有些数据是计算出来的(例如：电压和视在功率计算电流，有功功率和无功功率计算视在功率等)。SCADA 数据库中包括 3 种量：状态量、量测值、电量值。3.2.1. 状态量断路器状态、隔离开关状态、报警和其它信号等均用状态量表示。一般状态量用 1 个或 2 个二进制的位(bit)表示，1 位可以表示开与合两种状态；2 位可分别表示开与合可以检测状态量出错(例如：00 配合)。用 3 位甚至可以表示：合一开一合的重合闸过程。3.2.2. 量测值电压值、有功功率、无功功
48、率、温度和变压器抽头位置等均用量测值表示与状态量(也称逻辑量)对照也称为模拟量。一般这些量随时间而变化，量测值反映的是量测对象的瞬间状态。3.2.3. 电量值电量值由脉冲计数方式得到。脉冲计数正常情况下包括两项登录内容：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)要冻结其值过后再继续计数或清零后计数。全系统冻结时间的一致性有助于功率平衡。3.3.监视与事件处理对收集到的电力系统数据要自动进行监视。状态量要监视其变化，并正确记录其时间序列。量测值和计算值应保持在允许范围内，对超出限值者应加以记录。3.3.1. 状态量监视将最新的状态量与保存的状态量比较，有变化时就产生一个事件。也可
49、以与预先设置的正常状态比较，可产生一个正常或非正常的设备运行状态。事件的产生一般延迟数秒这对减少误报警和躲过过渡状态是有用的。3.3.2. 量测值的限值监视每一量测值均有其合理限值。由此可以检查数据的可信程度和告警。物理限值：超过此值肯定是数据错误，电力系统不可能出现这样的值。警报限值：越此限要向调度员发出警报。警告限值：越此限说明运行已接近警报状态，发出警告提醒调度员注意。此外，对警报限值设有死区(图 4)和时间延迟，以避免频繁报警和误报警。193.3.3. 量测值的趋势监视属于这一类型的监视有：量测值变化率监视；模拟盘或显示器上的记录值；根据外推算法预报未来的变化例如：负荷预报和水库水位预报。趋势监视可提早检测出可疑的变化，并应考虑能自动初始化。3.3.4. 数据质量标志通过硬件报告和监视结果对每个量测数据标上质量持征。对异常者可
