王強(qiáng) 韓英鐸
摘 要：論述了電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)沿著元件—局部—子系統(tǒng)—管理系統(tǒng)發(fā)展的歷程，對廠站自動(dòng)化及調(diào)度自動(dòng)化的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，指出其發(fā)展趨勢和今后主要發(fā)展動(dòng)向，并介紹了有關(guān)現(xiàn)代高新技術(shù)和理論。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)； 自動(dòng)化； 電廠； 調(diào)度； 發(fā)展
分類號： TM 734
SURVEY OF POWER PLANT AND SUBSTATION AUTOMATION AND AUTOMATION OF POWER SYSTEM DISPATCHING
Wang Qiang, Han Yingduo
(Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract：This paper describes development of power system automation source, which is from component, to part, to subsystem, to management system, and gives a survey of the status quo of power plant and substation automation and dispatching automation. Then the development trend and main direction are pointed out, and new technologies and theories are introduced.
Keywords：power systems; automation; power plant; dispatching; development
1 電力系統(tǒng)自動(dòng)化的沿革
電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)沿著元件—局部—子系統(tǒng)（島）—管理系統(tǒng)的道路發(fā)展。理論發(fā)展可以分為3個(gè)階段：60年代以前處在經(jīng)典理論階段；七八十年代注入了控制論，形成了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代理論階段；90年代以后注入經(jīng)濟(jì)理論，而到達(dá)電力市場理論階段。70年代中期，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論將現(xiàn)代理論的技術(shù)成果有機(jī)地組織在一起便形成了EMS，并隨電力工業(yè)的改革而發(fā)展［1］。
電力系統(tǒng)自動(dòng)化主要技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)在：40年代將數(shù)據(jù)展現(xiàn)在模擬盤上，增強(qiáng)了調(diào)度員對實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行變化的感知能力；50年代自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）將調(diào)度員從頻繁的操作中解脫出來；電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)概念的提出是在50年代中期，這標(biāo)志著現(xiàn)代電網(wǎng)自動(dòng)化的開始［2］。以前只有遠(yuǎn)動(dòng)裝置及機(jī)電式的調(diào)頻裝置，不成為系統(tǒng)。60年代初，有些電力公司利用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，開始了計(jì)算機(jī)在調(diào)度中的應(yīng)用。在1965年美國東北部大停電后，多數(shù)電力公司意識到依靠遠(yuǎn)動(dòng)裝置在模擬盤上顯示信息的方式已遠(yuǎn)不能滿足復(fù)雜電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求，開始把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用從以考慮經(jīng)濟(jì)為主轉(zhuǎn)移至以安全為主，出現(xiàn)了所謂電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)。這是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化形成系統(tǒng)的一個(gè)臺階，具有代表性的系統(tǒng)是美國BPA的迪特茂調(diào)度中心。這一階段延續(xù)至70年代。
電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)頻和有功功率經(jīng)濟(jì)分配的裝置和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不再獨(dú)立存在，而是以AGC/EDC軟件包的形式和SCADA系統(tǒng)結(jié)合，成為SCADA/AGC—EDC系統(tǒng)，這是SCADA系統(tǒng)出現(xiàn)后的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中第1次功能綜合。
電力公司在60年代末提出了用SCADA采集的實(shí)時(shí)信息對電力系統(tǒng)的擾動(dòng)（開關(guān)操作、事故跳閘）進(jìn)行在線快速分析計(jì)算，用以解決電網(wǎng)運(yùn)行方式的在線研究和事故跳閘后果的預(yù)測。從70年代初開始，為了解決由于電網(wǎng)不可觀察（SCADA采集的數(shù)據(jù)存在誤差、通道可能中斷、RTU可能停運(yùn)等）帶來的潮流計(jì)算不收斂（在離線電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)不會遇到），發(fā)展了各種基礎(chǔ)算法，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、外部網(wǎng)絡(luò)等值、超短期母線負(fù)荷預(yù)計(jì)、狀態(tài)估計(jì)等一系列軟件，建立可計(jì)算的所謂可觀察區(qū)，將SCADA采集到有誤差的“生數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)變成潮流計(jì)算收斂的“熟數(shù)據(jù)”，建立了熟數(shù)據(jù)庫。在這一基礎(chǔ)上開發(fā)了調(diào)度員在線潮流、開斷仿真和校正控制等所謂電網(wǎng)高級應(yīng)用軟件（PAS）。PAS投運(yùn)后，電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變以及當(dāng)前運(yùn)行方式下遇到大擾動(dòng)時(shí)的后果就可以通過PAS自動(dòng)預(yù)計(jì)出來。網(wǎng)絡(luò)熟數(shù)據(jù)庫的建立，為各種電力系統(tǒng)的優(yōu)化軟件，如線損修正、無功優(yōu)化、最優(yōu)潮流等的開發(fā)提供了條件。自從PAS綜合到電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，形成了SCADA/AGC—EDC/PAS系統(tǒng)后，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)從SCADA系統(tǒng)升級為能量管理系統(tǒng)（EMS）。除了PAS從算法到軟件本身的研究外，還有運(yùn)行EMS必需的支持軟件的研究和開發(fā)。在SCADA系統(tǒng)中，不存在多種應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫相互調(diào)用和統(tǒng)一維護(hù)問題，調(diào)度員的操作只是調(diào)用畫面，并不需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行刪除、插入、修改等操作，因此，在單一的SCADA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫的建立和管理都采用文件方式，由程序員來修改數(shù)據(jù)庫。在EMS中，由于多種應(yīng)用的出現(xiàn)，調(diào)度員需要在屏幕上設(shè)定各種故障方式，開發(fā)支持軟件系統(tǒng)的要求就提出來了。由于商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如Oracle等)都無法滿足實(shí)時(shí)要求，于是各大系統(tǒng)公司花了大量人力和時(shí)間來開發(fā)支持軟件系統(tǒng)。
PAS工程化后，在線調(diào)度員培訓(xùn)仿真器（DTS）得到了發(fā)展，并綜合到EMS中，根據(jù)Diliaco的統(tǒng)計(jì)，1985年后各國投運(yùn)的EMS中有40%包含了DTS，有的公司建立了大型培訓(xùn)中心，如法國的EDF，采用了離線的培訓(xùn)仿真。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”無論其內(nèi)涵或外延都發(fā)生了巨大的變化。如今電力系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)CCCPE的統(tǒng)一體，即計(jì)算機(jī)（computer）、控制(control)、通信(communication)和電力電子(power electronics)的產(chǎn)生、輸送、分配裝置以及電力電子裝置。當(dāng)然，在21世紀(jì)，不掌握電力市場知識便很難承擔(dān)電力調(diào)度工作。
根據(jù)等強(qiáng)度的概念，自動(dòng)化設(shè)備所占的投資比例雖然不大，但其重要性與主設(shè)備同樣。而且先進(jìn)的自動(dòng)裝置不僅可以改善一次主設(shè)備的運(yùn)行狀況，提高其運(yùn)行效率，甚至可以推遲或避免新建一些主設(shè)備，節(jié)省數(shù)額可觀的一次設(shè)備投資。
電力系統(tǒng)產(chǎn)生的電能必須與消費(fèi)的電能實(shí)時(shí)平衡，這只能靠自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置來維持。這種平衡不僅要在正常的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)而且要在各種擾動(dòng)狀態(tài)下從毫秒級到分鐘級都能實(shí)現(xiàn)這一要求。為了滿足這種調(diào)節(jié)與控制要求，電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置可以分為正常運(yùn)行自動(dòng)裝置、異常狀態(tài)下的安全穩(wěn)定控制裝置及保護(hù)裝置。由于篇幅所限，就廠站自動(dòng)化及調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的一些實(shí)例進(jìn)行敘述，說明電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展走向。
2 廠站自動(dòng)化
2.1 火電廠自動(dòng)化
大型火電廠的監(jiān)視和控制系統(tǒng)經(jīng)過了模擬控制、功能設(shè)備分散方式的第1代數(shù)字控制、分層分散方式的第2代數(shù)字控制3個(gè)階段，其特征是各機(jī)組所用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)彼此孤立。目前正在向第3代數(shù)字控制發(fā)展，采用開放式工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，構(gòu)成火電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。一般分2級：機(jī)組級采用開放式DCS和順序控制器，在線監(jiān)控單元機(jī)組、輸變電和輔助車間的生產(chǎn)運(yùn)行；全廠級由MIS及廠站機(jī)構(gòu)成，通過網(wǎng)絡(luò)取得第一線的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，并向第一線發(fā)布各種命令［3］。
在第3代控制系統(tǒng)中，全廠級可以向電力調(diào)度所提供全廠在線實(shí)時(shí)信息并接受命令，經(jīng)全廠經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配計(jì)算后下達(dá)命令至機(jī)組級，控制機(jī)組啟停、出力和機(jī)組輸出功率。該系統(tǒng)將采用的技術(shù)有：①開放式工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；②現(xiàn)場總線與智能變送器及伺服機(jī)；③大屏幕監(jiān)視器；④先進(jìn)控制技術(shù)。通信標(biāo)準(zhǔn)化MAP/TOP已獲成功。DCS和PLC融合，DCS向小型化、分散化、多功能封閉型模塊化方向發(fā)展，PLC向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。遠(yuǎn)程智能I/O網(wǎng)絡(luò)是一種新型的工業(yè)計(jì)算機(jī)過程接口裝置，是插板智能I/O技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它由前端機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和適配器組成。現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)還處于開發(fā)階段，不同廠家的產(chǎn)品需要一個(gè)gataway接口才能接入DCS。目前主要有ISP和World FIP兩大機(jī)構(gòu)，ISP成員有西門子、羅斯蒙特、橫河、ABB、福克斯鮑羅、費(fèi)雪等25個(gè)公司；而World FIP成員有霍尼威爾、貝利等150個(gè)公司，兩大機(jī)構(gòu)開發(fā)各自的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，將傳感器、微處理機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器集成以構(gòu)成智能變送器，具有信號處理能力、故障診斷能力、自補(bǔ)償能力和數(shù)字通信能力。
2.2 水電廠自動(dòng)化
我國水電廠自動(dòng)化工作從1979年以來，經(jīng)科研試點(diǎn)和逐步推廣2個(gè)階段，已有20多座水電廠基本建成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［4］，還將增加近50個(gè)水電廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全監(jiān)控。計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)由80年代初的集中控制、功能分散模式，進(jìn)入80年代的分層分布模式，發(fā)展到90年代初的開放分布式模式。分布式監(jiān)控系統(tǒng)以控制對象分散為主要特征，對于水電廠而言包括水輪發(fā)電機(jī)組、開關(guān)站、公用設(shè)備、閘門及船閘等。按控制對象為單元設(shè)置多套相應(yīng)的裝置，構(gòu)成水電廠現(xiàn)地控制單元，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集和處理、機(jī)組等主要設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)及裝置的數(shù)據(jù)通信等。水電廠采用分布式處理，一般與電廠分層控制相結(jié)合，形成水電廠分層、分布式控制系統(tǒng)，這種模式在國內(nèi)外水電廠應(yīng)用很廣［5］。
近年來在分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出全開放、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)［6］，整個(gè)系統(tǒng)各設(shè)備均遵循IEEE，ISO，IEC等有關(guān)國際規(guī)約，接入一個(gè)全開放式的總線網(wǎng)絡(luò)，使硬件的增減、更換很方便，各節(jié)點(diǎn)的自治性、獨(dú)立性高，且整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性明顯高于集中式和分層分布式系統(tǒng)，這也是今后大中型水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。
水電廠要實(shí)現(xiàn)無人值班，除要建設(shè)好廠內(nèi)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控過程外，還須會同各級調(diào)度部門，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)際需要，共同參與電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視（SCADA）、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）和電壓控制（AVC）以及遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等工程，并提高系統(tǒng)的智能化程度：能對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對設(shè)備運(yùn)行情況做出判斷，自動(dòng)采取有效措施或提供處理指導(dǎo)。
2.3 變電站綜合自動(dòng)化
變電站自動(dòng)化源于在變電站中普遍使用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能設(shè)備（intelligent electronic device,縮寫為IED），它不僅將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)數(shù)字化并分析出很多難以直接測量的數(shù)據(jù)（如諧波分量、序電流、序電壓），而且具有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信接口，利用計(jì)算機(jī)的存儲能力完成統(tǒng)計(jì)記錄功能。
常規(guī)變電所將大量現(xiàn)場一次設(shè)備，如變壓器、開關(guān)、母線、電壓互感器(TV)、電流互感器(TA)等，同安裝在控制室內(nèi)的單項(xiàng)自動(dòng)化裝置（如繼電保護(hù)、重合閘、故障錄波和測距、各種變送器、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、測量儀表等）之間用大量電纜一一對應(yīng)地連接起來。其設(shè)備復(fù)雜，占地面積大，各種工作量大�，F(xiàn)在推行的變電站綜合自動(dòng)化方式的最大特征是將上述分散設(shè)備綜合集成在一起，形成兩級單元：間隔級單元和中央單元，完全取消了傳統(tǒng)的集中控制屏，二次回路極為簡潔，控制電纜大量減少，既可有人值班運(yùn)行，亦可無人值班運(yùn)行。這是今后各種電壓等級變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向［7］。
北美各電力公司安裝投運(yùn)的變電站自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分為3類：使用傳統(tǒng)RTU的結(jié)構(gòu)，使用通用設(shè)備的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［8］。國外產(chǎn)品在間隔層終端一般采用多DSP結(jié)構(gòu)，集保護(hù)、錄波、計(jì)量、遠(yuǎn)動(dòng)功能于一體；專用通信網(wǎng)以光纖為介質(zhì)，具有很高的通信速率和質(zhì)量；站控單元采用高性能工作站或?qū)Ｓ糜布�，處理和存儲能力較強(qiáng)。國內(nèi)產(chǎn)品多采用通用單元組合方式來構(gòu)成間隔層終端，分擔(dān)保護(hù)、錄波、監(jiān)控、計(jì)量等功能，適應(yīng)性較好，但單元功能偏弱、同一間隔內(nèi)各單元無法共享數(shù)據(jù)；現(xiàn)場通信多采用RS串行通信總線和位總線，通信速率、質(zhì)量和靈活性不夠理想；站控單元多采用工業(yè)PC，安裝使用上多數(shù)還是室內(nèi)集中組屏，主要應(yīng)用于100 kV和35 kV及以下電壓等級的中、低壓變電站。
由于一些電子設(shè)備安置在變電站的高壓開關(guān)場內(nèi)，甚至直接安置在高壓設(shè)備處，電磁環(huán)境極為惡劣，電磁兼容(EMC)問題突出，這就要求設(shè)計(jì)人員以及運(yùn)行、維護(hù)人員對EMC必須重視。
變電站無人值班工作在我國部分地、縣級電網(wǎng)中得到了較好的開展，取得了可喜的成績。但通道質(zhì)量差、可靠性低是制約我國變電站無人值班工作健康發(fā)展的一個(gè)重要因素。
3 調(diào)度自動(dòng)化
電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展需要完善、先進(jìn)和實(shí)用的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)來保證。目前國調(diào)及網(wǎng)、省調(diào)3級調(diào)度系統(tǒng)均已配備了電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，并先于一次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。
現(xiàn)我國90%的電源和220 kV以上電網(wǎng)的實(shí)時(shí)信息得到有效和準(zhǔn)確的采集，調(diào)度自動(dòng)化水平有明顯進(jìn)步和提高，尤其是廠站基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備可靠性和管理水平大大提高，其提供的準(zhǔn)確而有效的實(shí)時(shí)信息已成為調(diào)度員進(jìn)行電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)調(diào)度的主要依據(jù)。已有部分網(wǎng)、省局電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的AGC通過實(shí)用化驗(yàn)收，華東、東北、廣東電網(wǎng)在電網(wǎng)正常情況下將頻率考核指標(biāo)由原來的(50±0.2)Hz提高到(50±0.1)Hz。
3.1 能量管理系統(tǒng)（EMS）
3.1.1 EMS的發(fā)展
能量管理系統(tǒng)（EMS）是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，主要針對發(fā)電和輸電，用于大區(qū)級電網(wǎng)和省級電網(wǎng)。EMS由6個(gè)部分組成：計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)、支持系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集、能量管理和網(wǎng)絡(luò)分析。廣義的EMS還應(yīng)包括調(diào)度員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)（DTS）［1］。
早在60年代，我國就開始了離線潮流和經(jīng)濟(jì)調(diào)度程序的研制。1985年，科研部門和高等院校為我國電網(wǎng)開發(fā)的負(fù)荷預(yù)計(jì)、交換計(jì)劃、火電分配及水火電分配、狀態(tài)估計(jì)、調(diào)度員潮流、安全分析、故障分析等一系列EMS軟件包已在少數(shù)網(wǎng)、省調(diào)系統(tǒng)投入應(yīng)用。但由于受支撐軟件的制約，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)顯示出其固有缺陷，應(yīng)用效果不理想，不能達(dá)到實(shí)用水平。“八五”期間，部分電網(wǎng)與科研部門或高等院校合作開發(fā)了調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)(DTS)、狀態(tài)估計(jì)、最優(yōu)潮流等應(yīng)用軟件。由于DTS未與實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)理想的結(jié)合，存在維護(hù)工作量過大的弊��；最優(yōu)潮流由于入口數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)參數(shù)不準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果可信度差，即使算出了最佳策略也不敢就此在電網(wǎng)中實(shí)施，使用效果不夠理想。而后續(xù)開發(fā)的靜態(tài)安全分析軟件在技術(shù)上可直接采用SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫斷面，實(shí)用效果就理想得多。
從“四大網(wǎng)”（ 華中、華北、華東、東北）引進(jìn)工程開始，我國科研和生產(chǎn)單位才真正較為系統(tǒng)和全面地掌握了EMS網(wǎng)絡(luò)分析功能應(yīng)用技術(shù)，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，“自上而下”地設(shè)計(jì)了各個(gè)軟件模塊并投入應(yīng)用。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)（包括硬、軟件）和計(jì)算方法的進(jìn)步，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析的在線應(yīng)用已經(jīng)開始。隨著其進(jìn)一步完善化和推廣，必將對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行發(fā)揮愈來愈大的作用。中國東北電網(wǎng)采用了EEAC法［9］；美國Northern States電網(wǎng)采用了BCU與時(shí)域仿真相結(jié)合的方法；中國華中電網(wǎng)采用了PEBS法與時(shí)域仿真相結(jié)合的方法；第4個(gè)即將實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全分析在線運(yùn)行的電網(wǎng)是加拿大B.C.Hydro電網(wǎng)，采用EEAC法與時(shí)域仿真相結(jié)合的方法；美國Cegelec ESCA公司提出的“混合法”在“二次反沖”(second kick)法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)［10］。各種直接法理論的互相滲透和互相結(jié)合的新的“混合法”的出現(xiàn)是當(dāng)前動(dòng)態(tài)安全分析研究的發(fā)展趨勢。
總之，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化從SCADA發(fā)展到EMS花了近30年的時(shí)間。從它的發(fā)展過程看，除了各功能的算法和軟件的開發(fā)及完善外，總體趨勢是不斷地綜合，而有機(jī)綜合的結(jié)果帶來的是質(zhì)的飛躍，這是更好地保證大電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要，而不是單純地為共享資源。
3.1.2 主站功能一體化
90年代電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)重要趨勢就是由調(diào)度自動(dòng)化向全局的自動(dòng)化方向發(fā)展。傳統(tǒng)概念的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化是面向調(diào)度員的。EMS的各種功能都是為調(diào)度員提供方便，而90年代的發(fā)展則是以EMS為基礎(chǔ)，走出調(diào)度室，面向調(diào)度所的各業(yè)務(wù)部門，并面向全電力公司。例如美國太平洋煤氣電力公司（PG&E）、紐約聯(lián)合愛迪生公司曼哈頓調(diào)度中心、日本東北電力公司等。所起名稱或稱之集成化支持系統(tǒng)，或稱一體化系統(tǒng)，其要點(diǎn)是將SCADA采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為各部門共享，且將各業(yè)務(wù)部門共享數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果反饋到實(shí)時(shí)系統(tǒng)。調(diào)度業(yè)務(wù)部門包括運(yùn)行方式，繼電保護(hù)定值整定的分析，月、日負(fù)荷預(yù)報(bào)及計(jì)劃，電力系統(tǒng)分析，火電燃煤采購，水電及抽水蓄能運(yùn)行規(guī)則等。這些業(yè)務(wù)部門的系統(tǒng)目前是相互無關(guān)的、孤立的，而在一體化系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)就成為連在網(wǎng)絡(luò)上的子系統(tǒng)了。
傳統(tǒng)的繼電保護(hù)和電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是絕緣的。隨著技術(shù)的發(fā)展，也開始互聯(lián)。日本東北電力已提出了開發(fā)繼電保護(hù)服務(wù)子系統(tǒng)，它的作用限于記錄繼電保護(hù)動(dòng)作信息，使保護(hù)動(dòng)作復(fù)現(xiàn)，以供分析。國內(nèi)現(xiàn)在一些電網(wǎng)已提出繼電保護(hù)動(dòng)作監(jiān)測要求，這方面，我國目前的研究水平處在國際先進(jìn)行列。例如電力自動(dòng)化研究院開發(fā)且已小批量生產(chǎn)的變電站成套綜合自動(dòng)化設(shè)備，由于微機(jī)繼電保護(hù)與設(shè)備統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，微機(jī)繼電保護(hù)裝置的全部信息，包括運(yùn)行工況、動(dòng)作情況、自檢結(jié)果以及整定值等都已由自動(dòng)化設(shè)備統(tǒng)一采集后通過RTU通道送至EMS主站轉(zhuǎn)繼電保護(hù)工作站，連續(xù)監(jiān)測繼電保護(hù)裝置的工況及定值的正確性，以消除發(fā)生電網(wǎng)大事故的隱患，定值由調(diào)度中心發(fā)令下裝。
綜上所述，90年代調(diào)度自動(dòng)化的方向之一將是各級主站以EMS/DMS為基礎(chǔ)的全局自動(dòng)化，以保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高整體工作效率。
3.1.3 由局部的自動(dòng)化到全網(wǎng)的自動(dòng)化——互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化
上節(jié)所述的主站功能一體化是通過主站局域網(wǎng)（LAN）進(jìn)行的綜合，而電網(wǎng)各層之間的信息交換則通過廣域網(wǎng)（WAN）進(jìn)行，這將是90年代電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的第2個(gè)特征——互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化。
網(wǎng)絡(luò)化有2個(gè)概念：一是不同層次的調(diào)度中心主站間的連接；另一是主站與直屬電廠和變電站群控制中心間的遠(yuǎn)程通信。對于前者，在交換信息的基礎(chǔ)上，上一層的主站可以從全網(wǎng)的角度，為下層主站提供所需而又無法采集的信息，以幫助下層主站了解全系統(tǒng)以及相鄰系統(tǒng)的情況，可使下一層的外部網(wǎng)絡(luò)等值計(jì)算更加精確。主站與直屬廠站的計(jì)算機(jī)和RTU通信間的分工關(guān)系是：需要連續(xù)的，由RTU通信承擔(dān)，例如AGC每4 s一次調(diào)節(jié)令，就必須由RTU承擔(dān)；至于日負(fù)荷曲線等，就由計(jì)算機(jī)通信承擔(dān)。Diliaco提出今后的實(shí)時(shí)信息網(wǎng)將是統(tǒng)一的廣域環(huán)形網(wǎng)，所有信息源和信息接受者均連至這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，各取自已需要的信息。北京供電網(wǎng)為了高可靠而快速傳輸實(shí)時(shí)信息，已經(jīng)按環(huán)形廣域信息網(wǎng)的概念進(jìn)行了規(guī)劃，與Diliaco的想法不謀而合。目前正在建設(shè)中的國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(SPDnet)［11］也是以此為出發(fā)點(diǎn)。
3.1.4 支撐平臺及體系結(jié)構(gòu)開放化和標(biāo)準(zhǔn)化
90年代EMS領(lǐng)域的熱門話題是開放化。雖然現(xiàn)在國外各大系統(tǒng)工程公司所謂完全開放式EMS實(shí)際還是商業(yè)宣傳，但開放式EMS終究是90年代EMS構(gòu)成的發(fā)展方向。
開放化主要是軟件的開放化，不同廠商的系統(tǒng)要做到開放必須在軟件上遵循下列標(biāo)準(zhǔn)：①操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)；②圖形界面標(biāo)準(zhǔn)；③數(shù)據(jù)庫訪問標(biāo)準(zhǔn)；④網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)；⑤語言標(biāo)準(zhǔn)；⑥文件標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)EMS符合這些標(biāo)準(zhǔn)，則在系統(tǒng)中任一部件或子系統(tǒng)更換時(shí)，就不致引起整個(gè)系統(tǒng)的變動(dòng)，而整個(gè)系統(tǒng)更換時(shí)，應(yīng)用軟件也不受影響。
3.1.4.1 操作系統(tǒng)接口
IEEE對操作系統(tǒng)本身未做規(guī)定，只規(guī)定了接口標(biāo)準(zhǔn)POSIX，并且尚未全部通過。各大計(jì)算機(jī)廠商都表示將遵守POSIX接口標(biāo)準(zhǔn)，但由于接口本身尚未確定，所以要做到真正的開放性系統(tǒng)還有一定的距離。以現(xiàn)在采用最廣泛的UNIX操作系統(tǒng)來說就有20余種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)可移植性尚為時(shí)過早，一個(gè)EMS只能選用其中的一種。
3.1.4.2 圖形用戶界面接口
目前沒有正式的國際標(biāo)準(zhǔn)，但存在著事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也即從用戶廣泛使用中推薦產(chǎn)生出來的標(biāo)準(zhǔn)。主要由2個(gè)部分組成，即窗口標(biāo)準(zhǔn)X-Window和建立在其上的用戶界面。MIT推出的X-Window是公認(rèn)的，圖形用戶接口卻主要有2種，即OSF的Motif和X-Open的Open Look，目前OSF/Motif為多數(shù)計(jì)算機(jī)廠商及EMS廠商接受，已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)在Motif方面做工作。
3.1.4.3 數(shù)據(jù)庫接口
除了規(guī)定用SQL和DIAS訪問數(shù)據(jù)外，IEEE并未對數(shù)據(jù)庫本身做出規(guī)定，EMS廠商都是自己開發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為了更好地處理歷史數(shù)據(jù)，不少EMS廠商采用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相結(jié)合的方式，如WSL采用INGRES，CAE采用Sybase，EMPROSE采用Oracle等。
3.1.4.4 網(wǎng)絡(luò)通信接口
目前，新開發(fā)的EMS在局域網(wǎng)上以O(shè)SI和TCP/IP為通信接口標(biāo)準(zhǔn)，廣域網(wǎng)上以X.25為通信標(biāo)準(zhǔn)，這沒有爭議。但是隨著技術(shù)的發(fā)展和FDDI的廣泛采用，可能會由FDDI和TOKEN RING取代以太網(wǎng)，由ISDN和FRAME RELAY取代X.25廣域網(wǎng)。另一種傳輸速率可達(dá)上千兆位的ATM也正在發(fā)展中，ATM將更好地支持多媒體傳輸，使各級電力公司的自動(dòng)化系統(tǒng)更形成一體。
3.1.4.5 開放式EMS平臺和體系結(jié)構(gòu)
關(guān)于平臺及體系結(jié)構(gòu)，各大公司開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都差不多，當(dāng)然和現(xiàn)場接口部分例外。在不考慮與現(xiàn)場接口的前置系統(tǒng)情況下，美國ESCA公司和Johnson公司幾位工程師提出電力系統(tǒng)自動(dòng)化的開放式積木式的體系結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)分成EMS/DMS單元構(gòu)成和EMS/DMS外部連接。用標(biāo)準(zhǔn)的積木方式構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。單元構(gòu)成方式是在各種開放式標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上構(gòu)成軟件平臺，并在這一平臺上開發(fā)應(yīng)用軟件。一個(gè)單元可以由1臺或數(shù)臺工作站構(gòu)成，但每臺工作站的軟件平臺均相同。不同的應(yīng)用功能單元（如SCADA，AGC，EDC，PAS，DTS，DMS，GIS，MIS等）之間采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)互聯(lián)。
這種基于標(biāo)準(zhǔn)化的EMS/DMS單元的積木式系統(tǒng)構(gòu)成，值得我們參考。此外，由于計(jì)算機(jī)本身發(fā)展迅速，對何種平臺的選用，也是我們在研究90年代EMS/DMS中必須關(guān)注的重要問題。
3.1.4.6 開放式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)軟件平臺
所謂軟件平臺是指實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能的軟件基礎(chǔ)，EMS/DMS以至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分成3層，最底層是計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)、圖形軟件、網(wǎng)絡(luò)通信軟件（這是計(jì)算機(jī)制造廠提供的），第2層是支持軟件，頂層是各種應(yīng)用軟件。國際開放系統(tǒng)組織推薦的開放環(huán)境規(guī)范。
3.2 新一代基于GPS的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)
3.2.1 原有監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷
目前應(yīng)用的電力系統(tǒng)監(jiān)測手段主要有側(cè)重于記錄電磁暫態(tài)過程的各種故障錄波儀和側(cè)重于監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的SCADA系統(tǒng)。不同地點(diǎn)之間缺乏準(zhǔn)確的共同時(shí)間標(biāo)記，記錄數(shù)據(jù)只是局部有效，難以用于對全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的分析［12］。
迄今GPS技術(shù)、通信技術(shù)、DSP技術(shù)以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電量測量和在線參數(shù)辨識等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)給電力系統(tǒng)EMS實(shí)現(xiàn)整體動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能
提供了必要的條件，從而可使已有的狀態(tài)估計(jì)及安全分析等功能發(fā)展為動(dòng)態(tài)監(jiān)測和分析或控制的工具。美國、法國等都相繼研制了基于GPS技術(shù)的電壓相量的測量裝置，并開展了基于電壓相量的電力系統(tǒng)的監(jiān)視、保護(hù)和穩(wěn)定控制的理論及應(yīng)用研究工作［13］。國內(nèi)也有不少單位著手這方面的研究工作，并取得了一些成果［12，14，15］。
3.2.2 新一代動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)的原理
在電力系統(tǒng)中實(shí)施相量控制（phasor control）是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的新概念和直接方法。電力系統(tǒng)新一代動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要由同步定時(shí)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)相量測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和中央信號處理機(jī)4部份組成。參考站應(yīng)設(shè)置在系統(tǒng)的主力發(fā)電廠或樞紐變電站，中央信號處理機(jī)設(shè)置于調(diào)度中心，相角測量裝置設(shè)置于發(fā)電廠或變電站，中央信號處理機(jī)和分散于各地的相角測量裝置通過電力通信網(wǎng)相連。
采用GPS實(shí)現(xiàn)的同步相量測量技術(shù)和光纖技術(shù)為相量控制提供了實(shí)現(xiàn)條件［16］。地球表面任一點(diǎn)均可接收到衛(wèi)星發(fā)出的精度在1 μs以內(nèi)的時(shí)間脈沖。這樣，電力系統(tǒng)中任一變電站均可接收GPS發(fā)來的準(zhǔn)確時(shí)間脈沖給當(dāng)?shù)販y量電壓波形以時(shí)間標(biāo)記，其標(biāo)度的相位精度對50 Hz的波形為0.018。采用相量方式監(jiān)視并記錄系統(tǒng)狀態(tài)的相量測量單元（PMU）可以兼顧系統(tǒng)暫態(tài)、中期、長期及穩(wěn)態(tài)等不同動(dòng)態(tài)過程的要求。光纖通信系統(tǒng)將各變電站的測量收集匯總處理后，即可得到各變電站之間動(dòng)態(tài)相量的變化，并據(jù)此實(shí)施相量控制。電力系統(tǒng)中現(xiàn)有提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施如切機(jī)、切負(fù)荷，可由相量控制器觸發(fā)；HVDC系統(tǒng)可按相量信息實(shí)施相量控制，模擬交流線路同步功率特性，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力；交流系統(tǒng)的狀態(tài)可通過SVC及串聯(lián)電子式移相變壓器或TCSC實(shí)施相量控制。
3.2.3 動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況
將GPS技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，需要利用產(chǎn)品化的接收設(shè)備提供的串行通信接口和秒脈沖，開發(fā)基于計(jì)算機(jī)總線的高精度時(shí)間定標(biāo)系統(tǒng)［16］。我國將GPS用于大電力系統(tǒng)穩(wěn)定和振蕩監(jiān)控的研究已取得初步成果。以GPS同步相量測量裝置為基礎(chǔ)的監(jiān)測系統(tǒng)已在我國南方聯(lián)營電網(wǎng)投入運(yùn)行。清華大學(xué)電機(jī)系電站自動(dòng)化研究室自1994年開始利用GPS技術(shù)，建立電網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)鐘方面的研究工作，所實(shí)現(xiàn)的新型動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了對PMU的各種要求，并具備強(qiáng)大的計(jì)算、分析、顯示和記錄功能，在黑龍江東部系統(tǒng)及遼寧的部分廠站也已實(shí)現(xiàn)了同步相角的監(jiān)測［12,17，18］。
3.2.4 動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢
同步定時(shí)地測出各母線電壓和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的正序分量等空間矢量族，只要解線性代數(shù)方程，便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)，監(jiān)測各個(gè)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為和其他振蕩現(xiàn)象。長期以來人們一直為抑制區(qū)域系統(tǒng)間振蕩時(shí)相對頻率的測量而困擾。根據(jù)正序電壓空間矢量族，人們便可方便地抑制域內(nèi)機(jī)組間振蕩或域間振蕩等。圖1給出了新一代動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)的可能應(yīng)用領(lǐng)域［19］�？梢娦乱淮鷦�(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將使電力系統(tǒng)的監(jiān)測與控制完全改觀。
圖1 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)的可能應(yīng)用領(lǐng)域
Fig.1 The possible application of dynamic security
supervision system
3.3 電力市場帶來的影響
近年來，電網(wǎng)發(fā)展面臨著新形勢，一場電力體制變革的浪潮席卷全球。主要內(nèi)容包括所有制的變革和電力管理體制變革兩大方面。各國都在根據(jù)自己的國情采取變革措施。其核心是在電力部門引入競爭機(jī)制、打破壟斷，具體的做法有：發(fā)電、輸電、配電分離；放松管制(deregulation)；開放上網(wǎng)(open access)；電力轉(zhuǎn)供(power wheeling)等，這些做法是相互關(guān)聯(lián)的。盡管一些國家通過變革已收到降低電價(jià)、改善服務(wù)的實(shí)效，但我們應(yīng)當(dāng)冷靜地對這種變革的利弊得失進(jìn)行深入的研究分析：微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的模型能否應(yīng)用于電力系統(tǒng)？市場能否自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化配置？最重要的問題是競爭的電力市場是否會降低電網(wǎng)的可靠性［20］?
1996年7月2日和8月10日，美國西部電網(wǎng)大停電的直接原因是高壓線對樹放電和繼電保護(hù)整定錯(cuò)誤，但美國電力研究院總結(jié)的西部電網(wǎng)崩潰的9條技術(shù)原因中，至少有3條與電網(wǎng)體制有關(guān)，即：
a.由于電力轉(zhuǎn)供（即大范圍內(nèi)的電力交易），電網(wǎng)的負(fù)荷大大超過其設(shè)計(jì)能力。許多電業(yè)部門聲稱，他們所轄電網(wǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)不明的異常潮流加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，從而降低了穩(wěn)定儲備。
b.西部電網(wǎng)近40個(gè)控制區(qū)中，每一個(gè)控制區(qū)只了解本身的情況，無人可以了解全網(wǎng)的情景，在事故過程中，也無法看到電網(wǎng)的全景圖象。
c.繼電保護(hù)、發(fā)電機(jī)控制、電網(wǎng)控制的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致了連鎖反應(yīng)，因?yàn)檫@引起的保護(hù)與控制都是從局部考慮的，并不關(guān)心對全局的影響。
在電力市場運(yùn)行機(jī)制下，原來電力公司發(fā)電、輸電、配電統(tǒng)一經(jīng)營、規(guī)劃與運(yùn)行等集中于統(tǒng)一的壟斷結(jié)構(gòu)下的體制，分解為獨(dú)立的實(shí)體：發(fā)電公司、輸電公司和配電公司，參與競爭。不同的發(fā)電公司，包括獨(dú)立電能生產(chǎn)者，在發(fā)電側(cè)實(shí)行競爭，從而降低用戶電價(jià)；配電公司主要是2方面的工作：一是改革負(fù)荷曲線，二是鼓勵(lì)用戶節(jié)約用電；輸電系統(tǒng)獨(dú)立經(jīng)營管理，為發(fā)電公司和用戶提供轉(zhuǎn)送電能的服務(wù)，像鐵路一樣公平轉(zhuǎn)送電力，收取費(fèi)用。這樣一個(gè)開放和鼓勵(lì)競爭的運(yùn)行環(huán)境增加了運(yùn)行規(guī)劃的不確定性，使電力系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜化，運(yùn)行方式快速多變。
電力市場并不意味著放棄統(tǒng)一調(diào)度。電網(wǎng)控制中心的運(yùn)行人員必須面對眾多的、有時(shí)是互相矛盾的目標(biāo)來做出決策。最明顯的就是要在商業(yè)效益和電網(wǎng)安全之間求得平衡，這樣必須充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)和在線決策支持工具，為電力市場的運(yùn)行提供良好的環(huán)境。現(xiàn)代控制中心（調(diào)度機(jī)構(gòu)）的功能將集系統(tǒng)運(yùn)行與市場管理于一體，電網(wǎng)調(diào)度既是運(yùn)行指揮中心又是電能交易中心，所處理的信息量和所提供的服務(wù)項(xiàng)目的規(guī)模將是前所未有的。
電力市場的理論問題集中在電價(jià)上，目標(biāo)是將電力系統(tǒng)一切行為都用費(fèi)用表示，而現(xiàn)在不能定量計(jì)算的項(xiàng)目很多，如：①峰谷電價(jià)的計(jì)算依據(jù)；②水電電價(jià)計(jì)算，季節(jié)電價(jià)的計(jì)算；③無功電費(fèi)的計(jì)算；④檢修費(fèi)用的計(jì)算；⑤備用費(fèi)用的計(jì)算；⑥輸電費(fèi)用的計(jì)算；⑦接網(wǎng)費(fèi)用的計(jì)算；⑧事故損失計(jì)算等。
電力市場軟件系統(tǒng)分為三大部分：市場管理與信息發(fā)布、合同管理與電費(fèi)結(jié)算和擴(kuò)展EMS。擴(kuò)展EMS包括實(shí)時(shí)發(fā)電控制、運(yùn)行計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)分析和輸電服務(wù)4部分。顯然，市場管理與信息發(fā)布系統(tǒng)以及合同管理與電費(fèi)結(jié)算系統(tǒng)也可以擴(kuò)展進(jìn)EMS。面向電力市場的EMS應(yīng)用軟件的修改量是巨大的：①改造原有的應(yīng)用軟件，如發(fā)電計(jì)劃、機(jī)組組合和負(fù)荷預(yù)測等；②增加新的應(yīng)用軟件，主要是針對輸電服務(wù)和輔助服務(wù)任務(wù)，例如最大輸電能力計(jì)算、生產(chǎn)成本計(jì)算、輸電費(fèi)用計(jì)算、輔助服務(wù)費(fèi)用計(jì)算和輸電路徑優(yōu)化等軟件［21］。
應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，這場變革已經(jīng)對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)產(chǎn)生了重大和深遠(yuǎn)的影響，提出了一系列有待解決的新問題，要求把電網(wǎng)建設(shè)為“靈活、開放的電網(wǎng)”。
4 21世紀(jì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的展望
跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)的逐步實(shí)現(xiàn)，使得電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，不同地區(qū)的資源通過電網(wǎng)互聯(lián)得以合理有效的利用，發(fā)電各方通過互聯(lián)電網(wǎng)相互合作又相互競爭，傳統(tǒng)的發(fā)輸配電統(tǒng)一集中管理和運(yùn)行的機(jī)制開始向發(fā)輸配電分別作為獨(dú)立實(shí)體而參與競爭的電力市場運(yùn)行機(jī)制轉(zhuǎn)化，未來的電力系統(tǒng)是一個(gè)基于信息互換而協(xié)調(diào)的分散決策系統(tǒng)［10］。
隨著我國主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，無功平衡和電壓穩(wěn)定問題將日漸顯露出來。日本1987年發(fā)生的大面積停電事故（損失負(fù)荷8 GW）就是深刻教訓(xùn)。應(yīng)在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題的研究以及對于無功補(bǔ)償裝置的自主研制開發(fā)。
在研究電力系統(tǒng)控制問題時(shí)，計(jì)入發(fā)電廠動(dòng)態(tài)過程和負(fù)荷自調(diào)節(jié)效應(yīng)的模型要足夠詳細(xì)。電廠的控制，特別是機(jī)組速度和功率的控制，要結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為來研究。在額定頻率和電壓附近仿真時(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)模型，許多在頻率和電壓偏移很大時(shí)不夠準(zhǔn)確。近年大量投產(chǎn)的大型機(jī)組多采用快速勵(lì)磁，而常規(guī)勵(lì)磁所采用的AVR也是快速的，再加上機(jī)組的高功率因數(shù)運(yùn)行，都會使系統(tǒng)阻尼降低，使系統(tǒng)潛在的振蕩失穩(wěn)危險(xiǎn)性增加。這就要求運(yùn)行部門重視計(jì)算各種振蕩模式阻尼比，對系統(tǒng)阻尼低于弱阻尼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采取措施，將現(xiàn)有的PSS投入運(yùn)行。
4.1 在線動(dòng)、暫態(tài)穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制策略
靈活多變的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式，迫切需要有效的在線動(dòng)、暫態(tài)穩(wěn)定分析工具，以使運(yùn)行人員可以在線跟蹤不斷變化的系統(tǒng)工況，實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。對穩(wěn)定系統(tǒng)，希望知道裕度指標(biāo)以及關(guān)鍵參量離臨界值還有多遠(yuǎn)。如果存在不穩(wěn)定因素，則希望知道如何通過預(yù)防控制將系統(tǒng)引導(dǎo)至安全狀態(tài)，或快速制定緊急控制措施，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。可視化方法是克服電力系統(tǒng)分析方面所遇到困難的一個(gè)可能途徑。
目前，電力系統(tǒng)的緊急控制手段除了傳統(tǒng)的甩負(fù)荷、切機(jī)、火電機(jī)組汽門快關(guān)、HVDC線路快速調(diào)節(jié)、暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)等外，新控制裝置如FACTS也顯示出良好的應(yīng)用前景。緊急控制的幾個(gè)關(guān)鍵問題有故障檢測、集散協(xié)調(diào)、快速性、自適應(yīng)性以及控制對設(shè)備和機(jī)組的影響等。傳統(tǒng)的控制決策方法針對有限的事先選定的一組系統(tǒng)工況進(jìn)行離線計(jì)算，再進(jìn)行在線匹配，在自適應(yīng)性上不能滿足現(xiàn)代開放式、非管制化的電力系統(tǒng)的要求。雖然GPS的應(yīng)用使得系統(tǒng)同步測量可以在大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，有利于把握整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，但如果控制決策不能按實(shí)際工況和故障場景算出，就不滿足自適應(yīng)性的要求。
另外一個(gè)發(fā)展趨勢是智能控制的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行自學(xué)習(xí)，以幫助（而不是代替）運(yùn)行人員快速正確地做出決策。近年來，除了專家系統(tǒng)已在實(shí)際的電力公司得到應(yīng)用外，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模擬進(jìn)化算法等在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中尚無大的突破。多種不同方法的混合使用也是正在進(jìn)行的研究課題之一。現(xiàn)有的EMS中許多應(yīng)用軟件需采用人工智能技術(shù)，例如：負(fù)荷預(yù)測中天氣修正、特殊事件的提取和電價(jià)響應(yīng)；機(jī)組經(jīng)濟(jì)組合中降低組合數(shù)而不丟失最優(yōu)解；安全約束和最優(yōu)潮流中函數(shù)約束的處理；動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中旋轉(zhuǎn)備用的分配；狀態(tài)估計(jì)中開關(guān)狀態(tài)錯(cuò)誤辨識；預(yù)想故障分析中預(yù)想故障組的設(shè)置；輸電能力分析、輸電費(fèi)用計(jì)算、輔助服務(wù)費(fèi)、交易匹配、信息過濾、DTS教案準(zhǔn)備等［21］。
在互聯(lián)電力系統(tǒng)的正常狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復(fù)期間，如何實(shí)現(xiàn)最有效的協(xié)調(diào)和控制，尤其是FACTS裝置的引入，使互聯(lián)電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制面臨許多新問題，如能量交換、提供備用、減少不同運(yùn)行條件下的環(huán)流等。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，快速控制裝置的引入，對可能發(fā)生的系統(tǒng)阻尼減少而導(dǎo)致的持續(xù)的功率振蕩，使用FACTS可以改善阻尼，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和靈活性。FACTS裝置本身的研究成果已有不少，但其在多機(jī)系統(tǒng)中的控制策略仍是國內(nèi)外專家學(xué)者們積極探討的問題，如何選擇最佳控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)選擇控制元件，找出合適的控制算法，根據(jù)當(dāng)前工況和故障場景決策控制量，是保證現(xiàn)有控制系統(tǒng)有效發(fā)揮作用和使任何一個(gè)新的控制元件達(dá)到實(shí)用的技術(shù)關(guān)鍵。大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率控制應(yīng)當(dāng)考慮適當(dāng)協(xié)調(diào)各成員系統(tǒng)之間的關(guān)系,還要考慮區(qū)域之間的功率振蕩[22]
4.2 控制中心的新趨勢
現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制中心是基于分布式的開放式結(jié)構(gòu)，將EMS/SCADA/DMS和MIS有機(jī)地集成為一體。Internet和Intranet的使用正快速滲透到電力系統(tǒng)運(yùn)行領(lǐng)域，為軟件技術(shù)的集成提供了好的環(huán)境，成為決定EMS設(shè)計(jì)的因素之一。跨平臺的計(jì)算機(jī)高級語言、控制中心間的標(biāo)準(zhǔn)通信模式和電力系統(tǒng)分散化運(yùn)行的軟件體系結(jié)構(gòu)將逐步導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)庫的集成系統(tǒng)。
當(dāng)今電力系統(tǒng)調(diào)度中心的EMS基本上是以處理穩(wěn)態(tài)方式調(diào)度運(yùn)行為主。其中靜態(tài)安全分析主要監(jiān)視N-1的偶然事故下母線電壓越限或線路、元件過負(fù)荷，并給予處理指導(dǎo)。而更嚴(yán)重故障下的穩(wěn)定控制，則一般需通過離線分析提供可供采取的措施，通過快速的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置實(shí)時(shí)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。GPS相量測量系統(tǒng)提供了可實(shí)時(shí)跟蹤功角變化軌跡的可能性，從而可通過預(yù)測不穩(wěn)定現(xiàn)象的演化適時(shí)決定應(yīng)采取的控制措施（如切機(jī)、快關(guān)等）。可以預(yù)期GPS相量測量裝置與常規(guī)RTU相結(jié)合，使調(diào)度中心的EMS功能從穩(wěn)態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，將使大電力系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和恢復(fù)控制成為可能。
近年來，在EMS中采用EEAC、PEBS等直接法在線分析監(jiān)視系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定已取得重要成果。將現(xiàn)有的離線分析程序加以改造，與直接法相結(jié)合，以適應(yīng)在線穩(wěn)定分析要求從而得到更為充分的信息，也在國內(nèi)外一些電網(wǎng)得到實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)一步應(yīng)開展事故后恢復(fù)策略的研究，為處理事故過程中的大量警報(bào)信息，須采用人工智能等科學(xué)方法。包含暫態(tài)穩(wěn)定、中長期動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)安全評估應(yīng)成為EMS的標(biāo)準(zhǔn)功能，帶有自學(xué)習(xí)功能的在線動(dòng)態(tài)安全分析是發(fā)展方向。
面向?qū)ο蟮募夹g(shù)（OOT）是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、市場模型設(shè)計(jì)和電力系統(tǒng)分析軟件設(shè)計(jì)的合適工具，應(yīng)將OOT用于SCADA/EMS系統(tǒng)。
4.3 強(qiáng)化電網(wǎng)安全的技術(shù)措施
電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全在線評估技術(shù)；調(diào)度員安全量度體系；廣域綜合安全通信網(wǎng)（ISN）；在規(guī)劃階段進(jìn)行電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評估；電力系統(tǒng)模型標(biāo)準(zhǔn)化；重新審查繼電保護(hù)整定的原則和做法；建立以可靠性為中心的維修體系；全國電網(wǎng)事故及設(shè)備故障的數(shù)據(jù)庫；廣域的測量和事件記錄系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)調(diào)度員培訓(xùn)仿真器。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化面臨著空前的變革。多媒體技術(shù)、智能控制將迅速進(jìn)入電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，而信息技術(shù)的發(fā)展，不僅會推動(dòng)電力系統(tǒng)監(jiān)測的發(fā)展，也會推動(dòng)控制向更高水平發(fā)展。
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作者簡介：王強(qiáng)，男，博士，現(xiàn)在江蘇省溧陽市政府掛職鍛煉，市長助理。
韓英鐸，男，教授，中國工程院院士，中國電機(jī)工程學(xué)會常務(wù)理事，北京電機(jī)工程學(xué)會副理事長，清華大學(xué)電力電子工程研究中心主任，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制和FACTS技術(shù)的研究。
作者單位：王強(qiáng)（清華大學(xué)電機(jī)工程系， 北京 100084）韓英鐸（清華大學(xué)電機(jī)工程系， 北京 100084）
