电力系统调度自动化EMS概论

EMS的基本概念
EMS（Energy Management System）中文译 名：能量管理系统
EMS是以计算机为中心的现代电力综合自动化 系统。EMS以测量为基础，以在线分析软件为 核心，以实现电力系统安全优质高效运行为目 的。
EMS由计算机系统、技术支撑平台、监视控制 与数据收集系统、高级应用软件系统和控制执 行系统构成。
定义预想故障 定义故障组
故障扫描
间接法 直接法
故障详细分析
潮流分析
静态安全分析
故障定义过程
预想故障集 故障组定义 故障定义 定义主故障元件 定义条件监视元件 定义条件故障元件 定义规则集
短路电流计算
功能
计算假想方式下各种形态的短路电流， 用于校核开关的遮断容量和调整继电 保护定值。
短路电流计算
原理与方法
对称分量法 阻抗矩阵法 稀疏导纳矩阵法
电压无功优化
功能
电压/无功优化是在状态估计的基础上，通过改变电网中可 控的无功控制设备运行状态，在满足特定的约束条件下降 低系统网损，或校正违界电压。容许用户灵活定义约束条 件。优化结果既可以形成控制策略提供用户参考，也可以 形成控制命令下发SCADA系统遥控形成闭环控制功能。
控制功能
投切控制 调节控制 顺序控制 计划控制
具有时间标志的数据
历史数据 计划数据 备份数据
监视控制与数据收集——SCADA
故障数据收集与记录
顺序事件记录 （Sequence of event Recording---SOE）
事故追忆（Post disturbance review--PDR）
EMS高级应用软件概述 （层次）
EMS高级应用软件系统层次
EMS高级应用软件 SCADA系统
支撑软件平台 开放式系统平台（硬件及操作系统）
EMS高级应用软件概述（设计思想）
EMS高级应用软件的设计思想
“自上而下” “一体化设计” “由需求定功能” “具有中国特色”
EMS高级应用软件概述 （分类与模块）
SCADA系统由表计测量装置、远方测量终端 （RTU）、数据信道、前置计算机和主站计算 机构成
SCADA系统在平台的支持下提供电力系统实 时运行数据显示、报警、控制指令下达、事故 记录和反演等主要功能
监视控制与数据收集——SCADA
电流变送器
厂站端
CT PT
电压变送器 功率变送器
多 路 数 据 采 样
NERC
1960
1970
负荷侧管理 DSM
1983年瑞典 电压稳定性
90年代 电力市
场
1980
1990
EMS的基本架构
数据收集与监视
实时数据服务
高级应用软件
技术支撑平台
监视控制与数据收集——SCADA
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition ）是EMS的感知系统和执行系统
可观测性分析的条件与方法
状态量（n维），量测量（m维） 系统量测冗余度k=m-n>0 系统的可观测性是随时可能变化的 分析确定可观测部分和不可观测部分 不可观测部分的处理
不进行状态估计 增加母线注入伪量测，维持系统可观测
调度员潮流
功能
潮流是电力系统分析的基本工具。调度员潮流是在基本潮流 算法基础上加以扩展，通过提高潮流的收敛性和可操作性从 而达到能实时应用的产物。调度员潮流的数据源包括：读取 实时运行方式（状态估计结果），读取由发电计划和负荷预 测所组成的未来方式，读取以前保存的历史方式，还可以由 用户（调度员）在单线图上设置假想运行方式。用户可以在 单线图上控制和调整系统潮流，也可以由潮流提供的分析画 面分析系统的潮流特性。
能量管理级包括：
负荷预测子系统（短期、中期和长期） 发电计划 （交易计划） 机组组合 检修计划 （发电厂报价决策系统） 燃料计划 水电计划 交换计划 （辅助服务）
EMS高级应用软件概述（分类与模块）
网络分析级包括：
网络建模 网络拓扑 实时网络状态分析 母线负荷预测 调度员潮流 静态安全分析（预想
静态安全分析
功能
提供灵活和直观的方式定义预想故障（开断类型故障、投入 类型故障），并能够对故障进行分组（故障组）。分析时对 指定的故障组中的故障进行快速扫瞄，筛选出其中具有潜在 危险的预想故障，并能自动（或由用户手动）对具有潜在危 险的故障进行详细（潮流）分析。最后给出分析报告
静态安全分析
故障定义和维护
负荷预测
概述
报告与计算
数值计算
计算各种表报数据 电力平衡与电量计算 辅助电源与成本计算 计算流量与存水量
逻辑运算
技术支撑平台
开发环境 运行环境 维护环境 标准化环境 new
EMS高级应用软件概述 （定义）
定义
EMS (Energy Management System) 高级应用软件是构建在平台和 SCADA 系 统 之 上 的 所 有 电 力 系 统 分 析和控制软件的总称。软件功能丰富， 且互为补充。高级应用软件为用户提 供了针对电力系统进行分析和控制的 工具。EMS高级应用软件分为能量管 理级和网络分析级两大类。
稳,但应避免大停电,并尽量减少损失
-失步解列 -低频、低压减载等紧急控制措施
三道防线措施实施的不同时刻
预防控制
检测到故障后 检测到越规后
紧急控制
极端紧急控制
每道防线的作用
一般
故障 稳定域
严重 故障
稳定域
加强电网 预防控制 第一道防线
继电 保护
第二道防线
小概率 特别严 重故障
稳定域
t 第三道防线
网络等值
功能
对不参与分析的网络部分在不影响分析精度的 条件下进行有效化简，利用较小规模的网络代 替较大规模的网络进行分析计算。
包括网络、机组和负荷三方面的等值
网络等值
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 目的
在大网调度中心的分析中，对某些省网进行等值处 理；
在省网调度中心的分析中，对某些与之相联的省网 进行等值处理；
在省调度中心的分析中，对省内某些地区进行等值 处理；
网络监视
功能
建立并维护监视组，对不同地区和元件按不 同标准监视网络元件的功率、电压和角度差。 可以定义界面监视、联络线组监视等扩展监 视策略。
监视标准和监视策略用户可以根据需要自行 定义，随时修改。
公用模块。实时网络状态分析、调度员潮流、 预想故障分析、安全约束调度、最优潮流和 调度员培训模拟等应用软件均调用此公用模 块
最优潮流
一般描述
非线性规划问题
Obj. min f =f (u,x)
Con. G(u,x) = 0 H(u,x) <= 0 umin <= u<=umax
最优潮流
典型算法
梯度法
难点是处理不等式约束
牛顿法
采用互补线性规划处理不等式约束 采用稀疏矩阵技术提高计算速度 难点处理离散变量
故障分析）
短路电流计算 安全约束调度 最优潮流 暂态稳定分析 电压稳定分析
网络分析应用软件
网络建模
功能
建立网络的分析模型。网络建模分为结构建模 和参数建模两部分。参数建模就是将网络中 各元件的物理参数按照一定的规则输入到网 络数据库中（由平台提供）。结构建模就是 将网络的连接关系输入到数据库中。通过网 络建模，将电力系统从实际的物理系统变成 可供分析数学系统。
电压调节计划
调度工程师潮流
变化运行方式 开关动作计划
暂态稳定分析
短路电流计算 调度员培训模拟
调度员潮流与其它应用软件的关系
网损灵敏度分析
功能
针对某一运行方式计算发电机和联络线交 换功率的网损微增率，供经济调度作网损 修正用
一般作为实时网络状态分析和调度员潮流 的子模块使用
网损灵敏度分析
线路有功潮流对机组有功出力灵敏度 母线电压对机组无功出力灵敏度 母线电压对变压器抽头灵敏度
能够处理所有的结线形式。
实时网络状态分析
功能
由 SCADA 量 测 数 据 确 定 实 时 网 络 结 线 分 析 （拓扑）及运行状态。功能包括：时实网络 拓扑、状态估计、不良数据检测与辨识、母 线负荷预测模型的维护、变压器抽头估计、 量测误差估计、网络状态监视和实时网损修 正计算等。
实时网络状态分析
EMS高级应用软件的分类
能量管理级：利用电力系统的总体 信息（频率，时差、发电功率、交 换功率等）进行调度决策，主要目 的在于该改善运行的经济特性。该 级别的应用软件正在逐渐被电力市 场的各种交易软件所代替。传统的 能量管理级应用软件正处在深刻的 变革中。
EMS高级应用软件概述 （分类与模块）
EMS高级应用软件的发展
地方监控 固定模拟盘 电话调度
计算机 离线分析
模拟型AGC
集成 SCADA/EMS
全图形人机 界面MMI
CRT
调度员培训
模拟DTS
专家系统
模拟型 数据采集
数字型 数据采集
1940
1950
负荷控制
最优潮流 理论
状态估计 理论
1965年纽约大 停电
SCADA/EMS
1977年美国东 北部大停电— —安全分析
在地区调度中心的分析中，对相邻地区网或省网进 行等值处理。
网络等值
原理
边界母线
内部系统
外部系统
I 研究系统
B
E 拟等值系统 PS
未化简系统
B 内部系统
I 内部网络
PE
RE 化简部分
化简后系统
能量管理应用软件
负荷预测
功能
根据数天或数周前（包括相似日）的历史负荷数据， 预测未来的系统负荷。分为短期和超短期负荷预测。 可以分区、分类型进行负荷预测。负荷预测应全面 考虑气象条件对负荷的影响。
网络拓扑
功能
按照开关状态和网络元件状态动态地将网络 节点模型转化成计算用的母线模型。网络拓 扑是进行电力系统分析计算的基础。网络拓 扑的结果应该能够有助于其它网络分析软件 （如实时网络状态分析、调度员潮流等）形 成正确的电力系统数学模型（如：稀疏化的 导纳矩阵和雅克比矩阵）。
网络着色。对分析后的网络进行带电和不带 电着色。
A/D
模 数 转 换
数 字 化 编 码
调 制 解 调 器
发信机
模拟屏
服务器
RTU
传输信道
彩色大屏幕CRT
服务器
前置机
控制中心
智 能 接 口
调 制 解 调 器
受信机
监视控制与数据收集——SCADA
数据收集
模拟量（开关量） 状态量（测量量） 积分量（电量量）
监视
状态量监视 模拟量限值监视 模拟量趋势监视 数据质量监视 事件处理
调度员潮流
原理与方法
牛顿拉夫逊法 快速分解法 保留非线性法 最优乘子法 ……
调度员潮流
基本潮流 控制环收敛
线路有功功率调整 无功联合调整
线路有功功率调整
调度员潮流控制环
调度员潮流
新建运行方式 实时运行方式
保存运行方式
取运行方式
预想故障分析 安全约束调度
送假想运 行方式
最优潮流
母线负荷预报 发电计划
电压无功优化
目标函数
网损最小 校正违界电压 调整量最小 ……
电压无功优化
约束条件
潮流约束 变压器分接头约束 无功补偿元件的容量约束 元件的安全约束 元件的动作次数约束
电压无功优化
控制量
发电机出力 变压器分接头位置 无功补偿设备调整 ……
最优潮流
功能
包括经济调度和潮流两方面的功能，可以针对 不同的约束采用不同的控制变量实不同的目标 达到最小。最优潮流可以比较容易的处理潮流 约束问题，因而可以替代安全约束调度，也可 以用来做电压无功优化。
EMS(1)-概论
大电网安全防御体系
第一道防线—在常见的单一故障被正常清除时
-加强电网结构(远期的预防性控制) -有效的预防性控制措施 -快速可靠的继电保护
第二道防线—在概率较低的严重故障下,可损失部分 电源和负荷,但必须保持系统稳定
-切机、切负荷、FACTS等紧急控制措施 第三道防线—在概率很低的多重严重故障下,允许失
网络建模
原理与方法
图库一体化
优点：图库同步共建，所见即所得。用户建模工作 量小，可以将结构错误减至最低。校验程序简单。
缺点：当用户存在图库不对应情况时，处理起来比 较繁琐。
图库分离+校验
优点：网络建模单独进行，建模工作灵活。比较容 易处理图库不对应情况。
缺点：容易出现结构上的错误。校验程序复杂，用 户建模工作量大，网络模型修改困难。
网络分析级：网络分析级的特点是利用电 力系统全面信息进行分析和决策，主要目 标是提高运行的安全性；这一级应用软件 将电力系统运行的安全性与经济性统一考 虑。随着电力系统运行方式面向电力市场 转化，网络分析级应用软件在EMS中的地 位日臻重要。
EMS高级应用软件概述（分类与模块）
EMS高级应用软件的模块