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：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。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（SequenceofEventRecording）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（PostDisturbanceReview）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（ManagementInformationSystem）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