金振東
摘要：電網調度自動化系統(tǒng)自誕生至今，一直在發(fā)展著。推動電網調度自動化系統(tǒng)不斷發(fā)展的因素，主要可歸納為下列四方面。
(1)保證電網的安全運行和高質量供電；
(2)不斷降低電能生產和電能傳輸費用；
(3)提高電網整體效益，使電網盡可能運行在其物理極限而又不發(fā)生冒險的狀態(tài)下，從而推遲新投資和降低造價；
(4)適應電力市場運營中不斷出現的要求。
由于電網規(guī)模的不斷擴大，接線的日益復雜，對供電可靠性的要求不斷提高，電力市場運營規(guī)則的不斷修改，應綜合實現上述四方面要求的難度也在不斷增大。這四項要求中，最重要的是第一項。由于電力網絡巨大而廣闊，任何一處故障都會導致停電，任何局部故障都有可能導致大面積停電。近年來，國際上著名的大停電都是從一處故障發(fā)展成大面積停電。另一方面，由于現代化的生產和人民生活對供電可靠性的依賴已越來越高，有些企業(yè)的生產已經是不允許停電。1995年日本已做到每產每年停電不超過6min，九州電力公司已實現用戶每年停電不超過1 min。我國國家電力公司也已提出大中城市中心區(qū)的供電可靠率要從1999年的每戶平均停電12h降低為每戶每年停電不超過53min，顯然這是十分艱巨的任務。在現代化復雜電網的運行中要實現上述四方面的要求，除改善一次系統(tǒng)和一次設備、提高繼電保護裝置和其他自動化裝置的性能外，也應不斷發(fā)展調度自動化系統(tǒng)。目前調度自動化系統(tǒng)已越出了傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的范圍[1]。
為了研究這一領域今后的發(fā)展方向，現從該領域動態(tài)發(fā)展過程，從電網調度自動化系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)構成兩方面的發(fā)展來進行分析。
1 從數據采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)的出現到向能量管理系統(tǒng)的發(fā)展
開展電網調度自動化技術的初期，上世紀50年代，為解決電網的工況監(jiān)視和電網頻率調整，電網遠動技術和自動調頻技術開始發(fā)展。當時主要注意力集中在通過電網自動調頻裝置維持電網頻率恒定和實現電網經濟運行上。上世紀60年代中期，在美國東北部大停電事故發(fā)生后，各國電力公司研究了這一事故造成的教訓，感到多年的電網經濟運行效益遠抵不上一次大停電事故帶來的損失，就將注意力轉到保證電網安全上。采取的關鍵措施，就是將計算機技術引入調度中心與遠動技術相結合，出現了電網調度數據采集和監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)，這是電網調度自動化技術的飛躍。在SCADA系統(tǒng)出現后，發(fā)電機組及傳輸線的有功功率和無功功率均已由SCADA系統(tǒng)采集，向各電廠發(fā)電機組發(fā)調節(jié)命令的功能也已由SCADA系統(tǒng)的遙控、遙調功能覆蓋，原來由模擬計算機承擔的電網自動調頻和經濟運行計算更可由SCADA系統(tǒng)主站的數字計算機取代。因而在SCADA系統(tǒng)出現后不久，電網自動調頻和機組功率經濟分配包括線損修正的主站端的AGC(自動發(fā)電控制)功能就完全集成到SCADA系統(tǒng)中而形成SCADA／AGC系統(tǒng)，這一過程在70年代早期就已完成。
SCADA系統(tǒng)給電網調度人員掌握電網實時運行工況及處理事故以極大的幫助，但不能告知電網發(fā)生擾動(開關操作，事故跳閘)時的后果。為保證電網的安全運行，提出了將電網調度自動化系統(tǒng)從單純的對電網運行的安全監(jiān)視功能提高到對電網運行作安全預測的要求。
要實現對電網運行安全預測，需對電網實時運行不斷進行潮流計算、功角及電壓穩(wěn)定性計算，分析電網在發(fā)生故障時穩(wěn)定破壞的可能性。但要做到這一點并不像從SCADA到SCADA／AGC的發(fā)展那樣簡單。其一是由于電網實測數據因各種原因造成的誤差，導致潮流計算不收斂；其二是功角和電壓穩(wěn)定計算則還有快速算法未解決的問題。為解決這兩個問題，各國電力系統(tǒng)的學者經歷了長期的努力，開發(fā)了稱為實時網絡分析(NA)的高級應用軟件(PAS)，其中包括網絡拓撲、外部網絡等值、可觀察性分析到狀態(tài)估計等一系列基礎算法，將實時采集到的生數據，變?yōu)榭煽康膶崟r數據，并開發(fā)了適用于不同類型電網參數的潮流計算方法，從而解決了實時潮流計算的難題，并開發(fā)了電網n—1的靜態(tài)安全分析的算法和各種相關算法。使電網因正常操作及事故跳閘的后果就可通過實時網絡分析預計出來，調度員可據此來調整運行方式，以保證電網的安全運行。電網實時網絡功能集成至電網調度自動化系統(tǒng)中，就使電網調度自動化系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)SCADA／AGC發(fā)展到能量管理系統(tǒng)(EMS)，電網調度也由單純依靠調度人員的經驗來保證電網安全運行的經驗型調度提高到對電網運行進行分析計算，以保證電網安全運行的分析型調度，這是電網調度自動化技術發(fā)展中的第二次飛躍。這一過程國外在70年代大約花了10年時間。我國則是在80年代中至90年代完成了這方面的開發(fā)并開始工程實踐。但對第二個問題已花了更長的時間去進行探索。出現了快速計算功角穩(wěn)定分析的暫態(tài)能量函數法(美國)、勢能邊界面法(日本)等各種學派，但從理論到實踐均尚未完全解決這一難題。80年代后期，我國學者薛禹勝院士提出了擴展等面積法(EEAC)，將電網大擾動時多機系統(tǒng)的發(fā)電機功角擺動關系歸結為同調的兩機群關系，從而將復雜的多機功角搖擺的微分方程簡化成代數方程，并提出了在電網事故跳閘后電網結構變化時自動搜索兩機群的動態(tài)EEAC等一系列算法。經過不斷地進行工程實用的完善，90年代初，基于EEAC的暫態(tài)功角安全分析軟件包在我國東北電網投入實用。90年代末，快速動態(tài)電壓穩(wěn)定計算及安全調度分析計算方法問世，相應的離線應用軟件包首先在山東省電網中應用。將其在線化后，可綜合到能量管理系統(tǒng)中，構成在線動態(tài)電壓安全分析，用以預測電網中各節(jié)點在不同運行方式下的電壓穩(wěn)定裕度，并可指出調整電網中無功電源出力的措施。功角穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定的安全預測功能的開發(fā)，使能量管理系統(tǒng)的實時安全分析功能完整化[刨。
在EMS出現后，就為原來在70年代末開發(fā)的獨立的調度員培訓仿真器(DTS)集成到EMS中提供了條件，DTS與EMS相結合后，可共享系統(tǒng)中SCADA的實時數據。用實際電網的場景來培訓調度員，從而大大發(fā)揮了DTS的作用，提高調度員正常運行和事故處理的能力。DTS集成為EMS的一個子系統(tǒng)，是在80年代完成的。
在EMS實時安全分析功能發(fā)展的同時，電網調度的另一重要分支——發(fā)電計劃功能在算法上也得到了快速的發(fā)展，包括負荷預報、開停機計劃、優(yōu)化潮流計算、無功電壓優(yōu)化、水電計劃、水火電聯合經濟調度等。
2 EMS的系統(tǒng)構成從集中式到分布的發(fā)展
90年代以前，EMS的應用功能不斷發(fā)展和綜合。但其系統(tǒng)體系結構本身一直停留在以專用計算機及操作系統(tǒng)為基礎的集中式體系結構上。在電網規(guī)模不斷擴大和調度自動化系統(tǒng)相應發(fā)展時，就出現如下重大不足：一是擴充數據量和新應用增加時，主計算機負擔越來越重，響應速度不斷降低；二是各種應用必須在一個機房中進行，限制了更多人員的應用；三是計算機改型時EMS的軟件資源及歷史數據很難得到有效保護。為解決這些問題，基于80年代后期國際開放式計算機技術的出現，90年代開始，各國EMS的開發(fā)商都轉向基于國際開放式計算機操作系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)及網絡系統(tǒng)的分布式EMS的開發(fā)，由集中式結構發(fā)展至分布式結構，這是電網調度自動化體系結構的重大發(fā)展。
由于應用功能的不斷集成和新功能不斷開發(fā)，EMS所用計算機系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、網絡通信系統(tǒng)的日益復雜，要求開發(fā)人員在精通計算機技術、網絡通信技術和EMS技術之后再去開發(fā)應用功能是不現實的。為保證應用開發(fā)人員能方便地將所開發(fā)的應用軟件較方便地集成到EMS中，而不必去研究計算機技術、通信技術，將EMS的軟件結構設計成多層次軟件結構，即在應用層與計算機操作系統(tǒng)內核層之間增加一個支持軟件層，認為這是開放式系統(tǒng)的重要標志[3j。其主要組成部分是數據庫管理系統(tǒng)、圖形管理系統(tǒng)和網絡通信管理系統(tǒng)三部分。采用該結構可使應用功能開發(fā)人員集中力量研究和開發(fā)應用軟件，而無需研究計算機操作系統(tǒng)本身，從而方便了應用開發(fā)人員的工作。
在開放式分布式EMS的開發(fā)中，除了全系統(tǒng)的可靠性設計外，有兩個重要問題是用戶關注的，即系統(tǒng)的可擴展性和系統(tǒng)的可維護性。國內外的EMS開發(fā)商都在改善管理軟件和降低局域網的負載上做工作，以實現系統(tǒng)可擴性。系統(tǒng)的易維護性方面國內的開發(fā)已走在國外的前面，突出的例子是國內稱為“圖模庫同步生成"L4J，國外公司稱為“圖象數據登錄(GraphicDataEntry)”的維護工具軟件。ABB在1999年的香港CLP工程中完成了這一工具的工程應用[5j，而國內電力自動化研究院在1996年就已投入實用。
3 21世紀新一代的電網調度自動化集成系統(tǒng)
綜合上世紀電網調度自動化系統(tǒng)的發(fā)展，可看出電網調度自動化的發(fā)展表現在主站功能和主站系統(tǒng)構成兩方面：主站新功能的開發(fā)并一體化；主站軟件的開放化。這是當前的新一代電網調度自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。
3．1 主站新應用功能的一體化
由于電網是一個整體，EMS中來自各廠站的實時數據庫、由實時數據轉存的歷史數據庫以及經過網絡分析應用處理過的網絡數據庫(熟數據)等信息都應由電網中各調度部門共享，各種網絡分析及經濟運行軟件等資源也可共用。因此，將電網調度所各種原理上相關的孤立計算軟件的應用集成到統(tǒng)一的平臺上，這是發(fā)展的必然趨勢。目前正在開發(fā)集成電網運行方式計算，包括檢修計劃的制定的EMS。電力市場在90年代初由英國電力部門提出，各國正在開發(fā)電力市場系統(tǒng)，我國也在進行試點。由于商業(yè)競爭機制的引入，它研究的問題具有很大的特點，原則上它屬于另一范疇。但是，從已試用的發(fā)電側電力市場系統(tǒng)來看，它與現有的EMS也有著密不可分的關系。國內外已開發(fā)的發(fā)電側電力市場系統(tǒng)包含有發(fā)電報價管理、交易管理、計劃處理、信息發(fā)布，結算及合同管理等環(huán)節(jié)。其中的關鍵環(huán)節(jié)是包括次日及當日的各時段發(fā)電計劃處理，它是根據預測的電網日負荷及各電廠機組各時段的報價，用邊際電價原則決定參加競價上網各機組的發(fā)電計劃。現有獨立開發(fā)的電力市場系統(tǒng)中，計劃管理子系統(tǒng)需用到的短期負荷預報(次日)、超短期負荷預報(下一小時)、水電計劃、靜態(tài)安全分析校核、暫態(tài)功角安全分析校核、電壓安全分析校核等都是EMS中成熟的軟件包，系統(tǒng)實際負荷及機組實際出力的測量值、旋轉備用容量的監(jiān)視等均來自EMS，各機組出力的線損修正計算也來自EMS。計劃處理子系統(tǒng)安排的發(fā)電計劃曲線(次日及當日)，將被送至EMS，由EMS的AGC子系統(tǒng)發(fā)令到各臺發(fā)電機組執(zhí)行。從以上分析看出，作為電力市場系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)的計劃處理子系統(tǒng)與EMS工程中的實時網絡分析子系統(tǒng)、自動發(fā)電子系統(tǒng)、數據采集及控制子系統(tǒng)、發(fā)電計劃(包括水電計劃)子系統(tǒng)之間有著密不可分的關系。這兩者如果完全割裂開，不僅要開發(fā)復雜的通信接口，且很難維護。因此，電力市場系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)——計劃管理子系統(tǒng)應和EMS在統(tǒng)一平臺下一體化設計。國外的EMS開發(fā)商正在朝這一方向做。
電力市場運營機制的一個重要前提是電能量計量系統(tǒng)，它以一個獨立系統(tǒng)的形式出現。國內的電網中已裝了不同類型的電能量計量系統(tǒng)。但目前的這種獨立的電能量計量系統(tǒng)采集的電能量數據作為電力市場的結算來說都存在不少問題。例如要根據各時段發(fā)電機電能量結算中不僅需要準確的電能量記錄數值，且必須結合各時段的各機組出力和聯絡線傳輸功率偏離合同規(guī)定的數值及延續(xù)時間，以及當時的電網頻率等來進行結算。這需要與EMS同步采集相關數據，并存貯下來，才能進行。又如線路開關檢修、旁路開關帶路時的電能量計量，也必須在EMS采集到的信息綜合處理的基礎上進行判斷。綜上所述，若要求電能量計量系統(tǒng)采集的電能量數據能成為真正可進行結算的依據，只有與EMS集成在一起。
因此，21世紀開發(fā)的電網調度自動化系統(tǒng)將是應用功能集成度更高的系統(tǒng)。
3．2 系統(tǒng)構成的開放化
3．2．1 問題的提出
90年代開發(fā)的開放式分布式的電網調度自動化系統(tǒng)，其與90年代前的封閉式的電網調度自動化系統(tǒng)相比，是重大的進步。但開放式指的都是計算機產品概念上的開放，并不涉及調度自動化系統(tǒng)本身的軟件系統(tǒng)的開放，所以不同系統(tǒng)間的信息交換很困難，第三方開發(fā)的軟件接人已開發(fā)的電網調度自動化系統(tǒng)并不方便，關鍵是調度自動化系統(tǒng)的標準化接口(CCAPl)問題[5]。
電力市場開放化運營，意味著電力市場參與者可根據自己的判斷進行電能交易，這可能導致互聯電網運行的不安全。為解決這一問題，電網調度部門必須及時了解互聯電網電力市場的信息；另一方面，電力市場的參與者為能順利進行電能交易，亦應及時了解電網的運行情況。因而，要保證互聯電網安全運行條件下的電力市場的順利運營，前提是信息的及時交換。為此，美國在1995年后，由聯邦能源管理委員會(FERC)領導，建立了北美區(qū)域間安全網絡(NAISN，North America Inter-RigionalSecu rityNetwork)和開放化進入同時信息系統(tǒng)(OASIS，Oven Access Same time lnformation System)。前看是在互聯電網間交換實時數據來進行電網之間的安全評估，后者則是給電力市場參與者以各種輸電網的信息，包括線路的可用傳輸能力、總輸電能力，從而進行輸電和輔助服務的預定及進行網上輸電交易[5)。EMS是電力系統(tǒng)中的另一類信息系統(tǒng)。上面所說的信息交換，就是在這三類信息系統(tǒng)間的交換。這里矛盾的焦點是EMS，一則它是實時信息源，另外兩類系統(tǒng)必須與它連接；二則它是由多個開發(fā)商開發(fā)的，各不相同。為了解決這個問題，美國電力研究所提出了CCAPI，為國際電工委員會(IEC)TC-57接受，確定它作為IEC的EMS接口標準IEC61970 EMS-APl，其包括公用信息模型(CIM)(61970-300)、元件接口規(guī)范(CIS)(61970-400和61970-500)。目前1970-300已正式公布，其他的還在草案階段。但國外的電網調度自動化系統(tǒng)開發(fā)商已按照這些標準進行開發(fā)。國內的EMS開發(fā)單位也在同步進行。
3．2．2公用信息模型
要使EMS之間以及EMS與其他信息系統(tǒng)之間能夠方便地交換信息，應建立統(tǒng)一的數據模型。IEC規(guī)定了統(tǒng)一的數據模型——公用信息模型(IEC61970-300)，包括301公用信息模型基礎、302財務和發(fā)電計劃、303 SCADA。301定義了公用信息基本軟件包的集合，提供了EMS信息物理方面的邏輯視圖；302定義了財務和能量計劃(交易計劃)的邏輯視圖；303定義了SCADA邏輯視圖。CIM表示了電力企業(yè)的所有主要對象的信息模型，包括這些對象的類、屬性以及它們之間的關系。CIM是整個EMS-APl標準的一部分，這一標準的目的是為了方便地實現對不同EMS之間及與其他
有關系統(tǒng)之間能不依賴于信息內部的表示而交換信息。但是CIM的使用遠遠超出了它在EMS中應用的范圍。
CIM采用面向對象的建模技術定義，CIM規(guī)范用統(tǒng)一建模語言(UML)表達方法，將CIM定義成一組包，每個包包含一個或多個類圖，用圖形的方式表示出該包中所有類及相互間的關系，再根據類的屬性及其他類的關系，用文字形式定義各個類。CIM包括實體對象類、管理類、運行管理類等。IEC規(guī)定的CIM分成15個包，即300描述的核心包、拓撲包、電線包、停運包、保護包、量測包、負荷模型包、儲備包、域包、發(fā)電包(包括生產子包和發(fā)電動態(tài)子包)，302中描述的財務包、財產包、能量計劃(交易計劃)包，以及303中描述的SCADA包。每個包中又包括若干個類，每個類都給出了類模型信息的完全的描述。EMS根據CIM規(guī)定的方式進行信息建模后，在EMS之間及與其他系統(tǒng)之間交換信息時，只要根據約定的名字就可交換信息，這樣設計的EMS就成為開放化的nuIS。
CIM中描述的對象實質上是抽象的，可用于任何需要公用電力系統(tǒng)模型的領域，而不局限于EMS。目前CIM的標準的有關部分已為變電站自動化、配電自動化等領域所采用。
3．2．3 基于可擴展標記語言的互操作
為了在按CIM標準設計的EMS之間，在不了解對方系統(tǒng)內部數據結構的情況下交換信息，IECTC-57建議采用可擴展標記語言XML)(Extensible Markup Language)。在IECTC-57和美國EPRI推動下，自2000年起，在美國的主要EMS開發(fā)商ABB、SIEMENS、ESCA等紛紛提出自己的測試系統(tǒng)，進行了基于XML的互操作試驗，即各自按XML將測試系統(tǒng)的信息編程后導出至另一個系統(tǒng)導入后，再由后者導出送至原系統(tǒng)進行數據運算驗證傳輸的正確性。我國在國(家電網調度通信中心組織下，各EMS開發(fā)單位也利用國外提供的測試系統(tǒng)數據，進行了互操作測試工作。對于現有的非基于CIM的EMS來說，也可將已有的數據信息用XML描述，進行初步的信息交換。
3．2．4 基于CORBA的局域網開放化EMS
迄今為止，上世紀90年代前后開始的計算機操作系統(tǒng)的開放化，較符合IEEEPOSIXl003．1開放化標準的是UNIX操作系統(tǒng)，由于主要計算機制造廠商的UNIX版本各不相同，并未實現預期目標。為了實現在同一局域網上能用不同版本操作系統(tǒng)的計算機產品，駐留在不同型式計算機上的各種應用可通過局域網實現透明的數據和資源的調用。EMS的研究中就設想用另一渠道來實現，目前國內外EMS的廠商正在研究利用CORBA(Comomon Objeot Request Broker Archetecture)，也就是將EMS支持軟件中的網絡通信由CORBA來支持。由于CORBA支持不同的操作系統(tǒng)版本，通過它的支持，與CIM相結合、分布在局域網上的由不同類型計算機產品構成的EMS就可實現完全的開放，這方面還在開發(fā)中。
4．2．5 通信協(xié)議的標準化
在電力市場運營條件下，由于保證電網特別是巨型電網之間的安全要求，各級電網調度自動化系統(tǒng)之間的信息交換將會內容更多、更加頻繁。如在進行電網安全分析時，需獲得相連的外部電網的實時信息，上下級電網調度之間需交換更多內容的信息等。廠站RTU和變電站自動化系統(tǒng)與不同的上級調度自動化系統(tǒng)主站用網絡方式通信已成當前的趨勢。因而通信協(xié)議的標準化就是研究的一個熱點。通信協(xié)議分成調度自動化系統(tǒng)主站與廠站及調度自動化系統(tǒng)之間兩部分。前者遵循IEC 60870-5系列通信協(xié)議，后者則遵循IEC 60870-6(TASE 2)通信協(xié)議。但情況也在不斷變化。草案階段的IEC61850"變電站通信網絡和系統(tǒng)”已提出要將現有的60870-5系列通信協(xié)議改為統(tǒng)一的通信協(xié)議。該標準通過后，它將成為廠站側子站與調度自動化系統(tǒng)主站間通信的標準協(xié)議。前已提到，61850標準制定中已采納了61970CIM的規(guī)定進行信息建模，其目的是使子站系統(tǒng)的數據庫結構與主站系統(tǒng)的相應數據庫一致。這就提供了一種可能性，即在系統(tǒng)維護時按照CIM建模的調度自動化系統(tǒng)主站與各個按照CIM建模的子站間通過XML編程通信，主站將各子站的數據庫的有關部分采集而直接構成主站的數據庫，從而減少了主站建庫的重復勞動，簡化了維護工作，并保證了主站與子站數據庫的一致性。
4 結束語
電網調度自動化系統(tǒng)是一個動態(tài)研究領域，自問世至今一直在發(fā)展，以適應電網不斷發(fā)展的需要。我國電網自改革開放以來，20年中發(fā)展迅速，現在全國聯網正在進行。電力市場機制也將在全國電網中運營。因而按照電網調度自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向，加快一體化、標準化的電網調度自動化系統(tǒng)的開發(fā)，是當前的需要。類、屬性以及它們之間的關系。CIM是整個EMS-APl標準的一部分，這一標準的目的是為了方便地實現對不同EMS之間及與其他有關系統(tǒng)之間能不依賴于信息內部的表示而交換信息。
