7-EMS能量管理系统.pptx
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,第七章EMS能量管理系统,第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节第八节第九节,概述调度自动化主站系统的体系结构主站系统的主要子系统电力系统状态估计电力系统静态安全分析电力系统经济调度电力系统发电控制调度员培训模拟系统EMS系统相关技术的最新进展,第一节概述,电力系统是由不同类型的发电机组、众多变电站及电力负荷、不同电压等级的电力网络及不同传输方式的输电线路所组成的庞大而复杂的系统。
电力系统调度自动化是针对全网而言的。
电力体制改革的主要内容是，为在发电环节引入竞争机制，首先要实现“厂网分开”，将国家电力公司管理的电力资产按照发电和电网两类业务进行划分。
随着电力系统的发展和电力体制改革的深化，为保证电网安全、优质和经济运行以及电力市场的有序运电行力，调度中心可能同时运行有多个应用系统，例如能量管理系统、电能量计量系统、调度生产管理系统、配电管理系统和电力市场技术支持系统等；每个系统中可能同时包括多个应用，例如EMS包括SCADA，,第一节概述,AGC，网络分析和DTS等应用。
主站侧各应用系统接口的系列标准IEC61970定义了公共信息模型（CIM，300系列），定义了组件接口规范框架（CISI，400系列），定义了组件接口规范说明（C152，500系列）。
新一代SCADA/EMS系统采用了先进的开放分布式应环用境的网络管理技术、面向对象数据库、通信中间件WE、B技术、国际标准等，为电力企业的调度自动化、配电自动化、电力市场运营系统等提供符合国际标准（CIM、CIS、UIB等）的统一的支撑平台，并集成SCADA、AGC、NAS、DTS、WEB、TMR、DMS等应用于系统，在安全的前提下进行同类系统的集成。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,按其功能可以分成如下四个子系统：
（1）信息采集与命令执行子系统。
（2）信息传输子系统。
（3）信息的收集、处理与控制子系统。
（4）人机联系子系统。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,一.集中式的调度自动化主站系统结构
（一）单机系统此系统采用一台计算机作为主计算机构成系统。
这种方法把主计算机作为连接所有控制设备的结合点设备其。
主要问题是任何时间外部设备执行一个信息任务，发送或请求存储或恢复主计算机的数据库都要中断计算机CPU。
系统响应比较慢。
如果任何一个关键性的系统元件损坏，都会导致整个主站控制系统停下，因此通常运用于小系统。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,第二节调度自动化主站系统的体系结构,
（二）双机系统通常由两台完全相同的主机及各自的存储器，输入输出设备和公用的输入输出设备等构成。
平时一台计算机承担在线功能，另一台处于热备用状态。
另一种配置方案是两台计算机各承担一部分在线任其务中。
一台承担较重要的基本任务，称为“主计算另机”一台，分担较次要的，但较复杂而且费时较长的在线和离线计算任务，称为“副计算机”。
（三）主机前置机系统前置机的作用是承担处理周期快而计算简单的实时任务，有了前置机，可以腾出主计算机的负载而使主机能做更多复杂的任务。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,第一种方式如图7-4（a），前置机可以看成是主机的伸延，优点是连接简单，但不论是主机或前置机，只要一有个出问题，就要引起整个系统的切换，可靠性差。
第二种方式见图7-4（b），增加了前置机和另一台主的机联系通道，这样任一台前置机或主机出了故障，只切需换计算机本身，不必整个系统都切换，提高了可靠但性相，应的硬件和监视软件也要复杂一些。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,二、分布式的调度自动化主站系统结构能将整个主站控制系统的任务分解成界面明确的较小的部分，将分解后的各部分内容分别在各个不同的处理器上执行。
采用标准的接口和介质，把整个系统按功能解裂分布在网络的各个节点上，数据实现冗余分布，提高了系统的整体性能，降低了对单机的性能要求，提高了系统的安全性和可靠性。
在分布式体系结构中，SCADA/EMS/DTS的一体化成为发展的趋势。
SCADA、EMS和DTS系统实际面向的是同一个物理对象电力系统，它们本质上是对同一个物理对象在不同方面的应用。
第二节调度自动化主站系统的体系结构,第二节调度自动化主站系统的体系结构,三、开放式体系结构的基本特征开放式计算机体系结构是在分布式计算机结构的基础上发展起来的，其差别在于逐步实现软件上的独立，是EMS技术当前发展的方向。
开放性主要体现在分布性、可移植性和互操作性等三方面。
第三节主站系统的主要子系统,一前置机系统主站系统的数据采集与处理子系统，习惯称为前置机系统。
它是调度系统的重要子系统，是各厂（站）远动信息进入主站系统的关口，也是信息交换的瓶颈。
（一）前置机系统的一个例子图7-7和图7-8给出了近年来实际应用的前置系统的两硬种件结构。
两种结构都具有共同的计算机系统及其智能I/O通信口接。
所不同的是。
前者具有独立的下行通道切换装置和同步/异步转换接口，后者用功能强大的智能调制解调器来解决通道的切换和同步/异步转换功能。
第一种结构，具有良好的通用性，适用不同类型的通道板，但由于模件很多，系统接线及调试较复杂；第二种结构，采用了智能调制解调器，不但解决了很多系统问题，也简化了系统的连线及调试。
第三节主站系统的主要子系统,第三节主站系统的主要子系统,
（二）前置机系统设计的原则1.冗余配置2.可靠性采取冗余配置是保证前置机系统可靠工作的主要措施。
3可扩充性4可维护性,第三节主站系统的主要子系统,二、数据库系统
（一）数据库系统的功能特点数据库系统是实现有组织、动态地存储大量电网数方据便，多用户访问的由计算机软硬件资源组成的系统。
论不是传统的SCADA系统所具有的数据采集和处理程还序是，各种高级应用程序其功能的最终操作对象都是数就据此，意义而言，数据库系统是调度自动化系统的核心。
分为实时数据库和历史数据库两种。
实时数据库数据其及处理具有严格的时限性，系统的正确性不仅依赖于务事的逻辑结果，而且取决于逻辑结果是否在某一时域完中成。
调度自动化系统中实现数据库需重点解决的几技个术难点在于：
第三节主站系统的主要子系统,
（二）实时数据库体系结构的一个实例实时数据库首先是一个数据库管理系统，它应具有一般DBMS的基本功能，为此该设计采用传统关系型据数库与内存数据库集成的方案，如图7-9所示。
第三节主站系统的主要子系统,第三节主站系统的主要子系统,三、人机交互系统人机交互系统的硬件组成主要包括控制台、调度模拟屏、打印机和绘图仪等，控制台通常包括显示器、键盘、轨迹球或鼠标等直接操作的部分。
第三节主站系统的主要子系统,1电力系统的监视功能
（1）能够在屏幕上以单线图的形式显示电力系统的运状行态，能够动态地显示短路器和隔离开关的合、断位置母，线的电压，线路的潮流，发电机和变压器的有功、无功功率等。
能够以表格的方式显示电力系统的运行参数以及时定打印纪录。
具备显示趋势曲线的功能。
具备显示条形图的功能。
具备在某些指定的图面上（如单线图）进行某些作操的功能。
第三节主站系统的主要子系统,2控制系统的监视功能
（1）计算机系统的监视。
（2）RTU与通道运行状态的监视。
（3）操作系统运行状态的动态监视。
（4）RTU和通道的误码率的统计。
（5）操作台的监视，包括屏幕显示装置本身的监视。
3系统维护的功能人机联系系统中主要的系统维护功能之一就是在线生成图面的功能。
必须具有在屏幕上修改和生成数据库的功能。
除此以外，利用屏幕显示还可以实现一些诊断功能。
4执行和开发应用软件的功能。
第三节主站系统的主要子系统,第三节主站系统的主要子系统,四、SCADA系统数据收集与监控（SCADA）是调度自动化系统最基本的功能。
SCADA系统从组成上主要包括：
RTU、传输道信和主站计算机三大部分。
本节介绍内容将针对主站侧展开。
SCADA系统功能包括：
（1）实时数据显示。
（2）越限报警。
（3）事件纪录。
（4）遥控。
（5）遥调。
（6）事故追忆。
（7）运行报表自动纪录。
第三节主站系统的主要子系统,
（一）“四遥”信息的反映
（二）监视与事件处理SCADA对数据监视发现状态变化和量测值越限时，则进需行事件处理，分类报告给调度员。
（1）状态量监视：
将最新的状态量和保存的状态量比有较变，化时就产生一个事件。
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（介于两种状态之间，如图7-11的阴影区）是有用的。
第三节主站系统的主要子系统,第三节主站系统的主要子系统,
（2）量测值的限制监视。
每一量测值均有其合理限由值此，可以检查数据的可信程度和告警。
量测限值包括三类：
a、物理限值：
超过此值肯定是数据错误；b、报警限值：
越此限要向调度员发出警报；c、警告限越值此：
限说明运行已接近警报状态，发出警告提醒调度员注意。
第三节主站系统的主要子系统,对警报限值应设置死区和时间延迟，以避免频繁报警和误报警。
从图7-13可以看出，由于设置了合理的死区，避免了量测量抖动过程的频繁报警。
第三节主站系统的主要子系统,（3）量测值的趋势监视。
属于这一类型的监视有：
测量值变化率监视；模拟盘或显示器上的记录器；根据外推算法预测未来的变化。
（4）数据质量标志。
通过硬件报告和监视结果对每量个测数据标上质量特征标志或变颜色，并且集中到表格画面单独输出。
这一类的属性有：
a、更新/未更b新、；采集/人工/计算；c、闭锁更新；d、闭锁事件处e理、；正常/异常；f、越限；g、警报状态；h、警报响应。
（5）事件处理。
不应该将全部事件都通知给调度更员不，应该漏掉重要信息。
事件产生后是按时间次序排列的，可以按地区、重要程度和处理对象等原则分类。
第三节主站系统的主要子系统,（三）事故数据记录电力系统控制的主要目标是防止系统事故，而一旦出现事故，当初的记录将是分析事故和预防事故的宝贵资料。
因此，事故数据的收集与记录是SACDA重要能功之一，它分为顺序事件记录（SOE，SequenceofEventrecording）和事故追忆（PDR，PostDisturbanceReview）两部分。
第三节主站系统的主要子系统,五、高级应用软件简介一般分为两类：
基本SCADA软件和高级应用软件，者后又包括自动发电控制、发电计划、网络分析、调度员培训模拟等几类内容。
第三节主站系统的主要子系统,
（一）发电控制类软件1自动发电控制（AutomaticGenerationControl，简称AGC）自动发电控制对电网部分机组出力自动进行二次调整以，满足控制目标要求。
其基本功能为：
（1）负荷频率控制（LoadFrequencyControl）。
（2）经济调度控制（EconomicDispatchingC（o3n）tro备l）用。
容量控制（ReserveMonitor）。
（4）AGC性能监视（AGCPerformanceMonitor）。
2发电成本分析（PowerPerformanceMonitor）。
3交换计划评估（TransactionEvaluation）。
4机组计划（UnitScheduled）。
第三节主站系统的主要子系统,
（二）发电计划类软件1负荷预测（LoadForecasting）2机组组合（UnitCommitment）3水电计划（HydroPowerScheduled）4交换计划（TransactionScheduled）5火电计划（ThermalPowerScheduled）（三）网络分析类软件1状态估计（StateEstimation）2调度员潮流（DispatcherPowerFlow）3静态安全分析（SecurityAnalysis）4安全约束调度（SecurityConstrainDispatch）5最优潮流（OptimalPowerFlow）6无功优化（OptimalReactivePower）,第三节主站系统的主要子系统,7短路电流计算（ShortCircuitCurrentCalculation）8电压稳定性分析（VoltageStabilityAnalysis）9暂态安全分析（TransitSecurityAnalysis）（四）调度员培训模拟软件调度员培训模拟（DTS）用于培训调度员在正常状态下的操作能力和事故状态下的快速反应能力，也可用作电网调度运行人员和方式人员分析电网运行的工具。
第四节电力系统状态估计,状态估计的必要性在于SCADA系统采集的全网实时据数汇成的实时数据库存在下列缺点：
（1）数据不齐全。
（2）数据不精确。
（3）受干扰时会出现错误数据。
为解决上述问题，除了不断改进测量与传输系统外，还可以采用数学处理的方法来提高数据的可靠性与完整性。
状态估计就是为适应这一需要而提出的。
第四节电力系统状态估计,一状态估计的基本原理状态估计是利用实时量测系统的冗余度来提高精度和自动排除随机干扰所引起的错误数据，估计出系统运行状态的。
为消除测量数据的误差，常用的方法是多次重复测量测。
量的次数越多，它们的平均值就越接近真值。
电力系统中，不能采用上述方法。
这是因为电力系统的运行是时变的。
消除或减少时变参数测量误差的方法是利用一次采样得到的一组数量有多余的测量值。
系统中能够表征系统特性所需的最小数目的变量称为状态变量。
系统中独立测量量的数目与系统状态变量数目之比，称为测量系统的冗余度。
状态估计的最常用方法是最小二乘估计法。
第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,
（二）电力系统状态估计的数学描述（三）电力系统加权最小二乘法状态估计的求解电力系统加权最小二乘法状态估计的框图如图7-16所示：
第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,（四）电力系统状态估计的步骤状态估计的过程一般可以分为以下四个步骤，如图7-所17示。
（1）假定数学模型在假定没有结构误差、参数误差和不良数据的条件下、确定计算所用数学方法。
常用的算计方法有加权最小二乘法、快速分解法、正交变换支法路、潮流法。
（2）状态估计根据选定的数学方法，计算出使残茶最小的状态变量估计值。
（3）检测是否有结构误差和不良数据信息，如果没状有态，估计即告结束。
如果有则转入第四步。
（4）识别也叫辨识，是确定具体的不良数据和网络结构错误信息的过程。
在修正或除去已识别出来的不良值测和结构信息后，在进行第二次状态估计计算，这样复反迭代估计，直至没有不良数据和结构错误为止。
第四节电力系统状态估计,第四节电力系统状态估计,三、变压器抽头估计变压器抽头估计实际就是变比估计，只要将变比扩展进状态量中即可进行变比估计。
变压器模型如图7-18所示，量测量为即变压器两侧的功率量测和电压量测。
如果选择母线i为电压参考点，则此时Vi也可从量测量z中取出，待求的状态量为这时量测方程h（x）为,第四节电力系统状态估计,其中，b为变压器导纳值，,，为变压器电抗值。
第四节电力系统状态估计,第五节电力系统静态安全分析,一电力系统的安全状态安全性是指电力系统在运行中承受故障扰动（例如突然失去电力系统的元件或短路故障等）的能力。
安全性通过两个特性表征：
（1）电力系统能承受住故障动扰引起的暂态过程并过度到一个可接受的运行工况；
（2）在新的运行工况下，各种约束条件得到满足。
第五节电力系统静态安全分析,二网络的化简与等值
（一）网络化简在电力网络计算中，有时我们对电网中的某一部分感兴趣，需要仔细研究，而对其余部分不感兴趣，这时我们可以将其余部分网络进行化简处理得到感兴趣部分网络的电流电压关系。
网络化简常用高斯消去法消去其余部分网络的节点，最后得到保留部分网络。
第五节电力系统静态安全分析,
（二）电力系统外部网络的静态等值电网离线计算时，为减少内存和加快速度，常把不需要仔细分析的部分网络用一个等值网络代替，以后的计算在等值网络上进行。
在在线分析计算中，由于外部网络的实时信息一般不传送到本调度中心，但外部系统的运行情况对内部系统的分析有重要影响。
因此需，要认真的对外部系统进行动态等值，以计及外部系统对内部系统中扰动的影响。
对外部网络进行等值可分为静态等值和动态等值，静态等值只涉及稳态潮流不，涉及暂态过程。
第五节电力系统静态安全分析,电力系统外部网络的静态等值过程实质上也是网络化简过程，其方法主要有WARD等值和REI（RadialEquivalentIndependent）等值。
三预想事故分析所谓预想事故分析指的是针对预先设定的电力系统元件的故障及其组合，确定它们对电力系统安全运行产生的影响。
预想事故分析的主要功能：
（1）按调度员的需要方便的设定预想故障。
（2）快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害度程。
（3）准确分析严重故障后的系统状态，并能方便直展观示结果。
第五节电力系统静态安全分析,
（一）故障定义故障定义是由软件根据电网结构和运行方式等定义的事故集合，该集合的元素可以由调度员根据需要进行人工增删或修改。
预想故障集合的定义和管理技术是提高该应用软件性能的关键。
为此，应以物理分类的方式按层次定义预想故障集合，如图7-22所示。
其中，故障组是具有某种特征的若干故障的集合：
故障集合是全部集合定义故障组的总称。
一个完整的故障由四部分组成：
主开断元件、条件监视元件、条件开断元件和规则集。
第五节电力系统静态安全分析,第五节电力系统静态安全分析,
（二）预想事故筛选所谓预想事故自动选择，就是在在线运行条件下，利用力电系统实时信息，自动迭代出那些引起支路潮流过载、电压越限以及危害系统安全运行的预想事故，并用行为指标来表示它对系统造成的危害性的程度，按其从大到小的顺序排列得出预想事故一览表。
四安全约束调度由预想故障分析或状态估计得到不安全状态需由安全约调束度软件提出解除方法，这是一个普遍受到重视的问题。
历史上处理技术可分为两类：
一是灵敏度分析方法，二是有约束最优化法。
近年来解决安全约束调度问题倾向于线性规划方法。
尽管线性规划方法的精度低于非线性规划，但基本满足工程需要。
如果将线性规划的结果再送到交流潮流程序中计算一遍，就可以得到精确解。
第六节电力系统经济调度,电力系统经济调度是能量管理系统中发电计划的核心内容之一。
在一些具体环境下发电计划与经济调度的概念范畴是基本相同的。
发电计划包括机组组合、水火电计划、交换计划、检修计划和燃料计划等。
如图7-25。
超短期发电计划指的是实时发电控制（AGC），其动作周期是秒或分钟级；短期发电计划指的是日或周的计划；中期发电计划指的是月至年的计划与修正；长期发电计划指的是数年至数十年的计划。
第六节电力系统经济调度,第六节电力系统经济调度,一负荷预测
（一）负荷预测的分类按预测内容可分为系统负荷预测和母线负荷预测。
系统负荷预测是对研究系统未来的负荷需求的预测；母线负荷预测是由系统负荷预测取得某一时刻系统负荷值，并将其分配到每一条母线上。
负荷预测又可根据不同的侧重点来分类。
1负荷预测按时间分类一般可分为超短期、短期、中期和长期负荷预测。
2负荷预测按行业分类一般可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其它负荷。
第六节电力系统经济调度,
（二）电力系统负荷预测模型影响负荷变化的因素有：
负荷构成、负荷随时间的变化规律、气象变化的影响及负荷的随机波动。
1、典型负荷分量典型负荷分量也称为正常负荷，它与气象无关，具有线性变化和周期变化的特点。
线性变化描述日平均负荷变化规律，而周期变化描述以24h为周期的变化规律。
典负型荷的不同主要是由于各地负荷组成不同。
所引起负荷组成的差异性主要体现在两个方面：
一是负荷种类；二是各种负荷成分所占比重不同。
第六节电力系统经济调度,图7-26为某省电网典型日负荷曲线，从图不难看出日负荷曲线具有明显的趋势变化。
第六节电力系统经济调度,图7-27为某省电网连续两周的负荷曲线，不难看出每周的负荷都具有类似的变化规律。
第六节电力系统经济调度,图7-28为某省连续五年日总负荷曲线，从中可以看出每年负荷随季节发生变化的趋势大致相似。
第六节电力系统经济调度,2、天气敏感负荷分量天气敏感负荷分量与一系列天气因素有关，如温度、湿度、风力、阴晴等。
不同天气因素影响负荷的方式不同，一年中不同时期天气因素影响负荷的方式也不同，这就形成负荷季节性周期变化的规律。
第六节电力系统经济调度,图7-29给出某省冬季和夏季的两天的典型日负荷的比较，从中可看出在不同温度下负荷的幅值和趋势都有所不同，冬季日负荷总比夏季日负荷高。
第六节电力系统经济调度,图7-30给出某地区1999年日总电量与日平均温度的离散图。
第六节电力系统经济调度,图7-31给出某地区降雨后连续五天的负荷曲线，可知降雨量对负荷存在的影响，表现在降雨对负荷的滞后的效应。
第六节电力系统经济调度,3、异常或特殊事件负荷分量异常或特殊事件负荷分量使负荷明显偏离典型负荷特性，如政治事件、系统故障限电、特别电视节目等。
由于这类事件的随机性，需要由调度人员参与判断。
在各种负荷预测模型中这部分分量往往通过人工修正得以改进。
4、随机负荷分量随机负荷分量是负荷中不可解释部分，可通过负荷预测的模型和算法来考虑这些随机负荷分量。
第六节电力系统经济调度,（三）负荷预测方法可分为定性的经验预测技术及依赖于数量模型定量的预测技术。
经验预测方法主要是依靠专家或专家组的判断，仅给出一个方向性的结论。
定量预测技术比较常用的有时间序列法、卡尔曼滤波分析法、回归分析法、指数平滑预报法、专家系统法模、糊预测法、灰色模型法、优选组合预测法、人工神经网络法等。
第六节电力系统经济调度,（四）母线负荷预测母线负荷预测模型与系统负荷有所不同，包括建负荷区层次结构和预测计划。
预测计划的参数采用大潮流母线负荷数据或状态估计结果修正。
系统负荷预测与母线负荷预测关系如图7-32所示。
第六节电力系统经济调度,母线负荷预测通常是超短期或短期的，一般采用较为简单的方法以减少众多母线负荷的预测计算时间，实际是应用母线负荷模型将系统负荷预测值转化为系统内各母线上的有功和无功负荷，如图7-33所示。
母线负荷预测在实时应用中主要用来预测某些未量测的负荷，或代替某些错误量测量，它在离线应用中可以提供未来某一时刻的母线负荷值。
第六节电力系统经济调度,二短期经济调度电力系统的短期经济调度问题是以小时为单位确定未2来4小时至一周内电力系统中哪些机组应该运行、何时行运以及运行时各机组的发电功率。
经济调度的目标是电发成本最低，同时满足系统负载及其它物理和运行约束（。
一）各类发电机组的特点与定性意义的机组组合不同类型的机组的特点不同，对机组组合的作用也就同不。
根据各类机组的运行特点，可见：
一般，火电机组以承担基本不变的负荷为宜。
这样可避以免频繁开停设备或增减负荷。
其中高温高压机组因率效最高，应优先投入，而且由于它可以灵活调节的范较围窄，在负荷曲线的更基底部分运行更恰当。
其次是温中中压机组。
第六节电力系统经济调度,核电机组的可调容量大，但其一次投资大。
运行费用小，建成后尽可能利用，原则上应该持续承担额定容量负荷，在负荷曲线的更基底部分运行。
无调节水库水电机组的全部功率和有调节水库机组的强迫功率都不可调，应首先投入。
抽水蓄能机组的总效率虽然仅在70%左右，但其介入能够使火电机组的负荷进一步平稳。
在系统负荷峰谷差较大且水电机组不多的情况下，抽水蓄能机组已经大量出现并发挥重要作用。
综上所示，可将各类发电机组承担负荷的顺序大致排列如下：
第六节电力系统经济调度,枯水季节：
（1）无调节水电机组。
（2）有调节水电机组的强迫功率。
（3）热电厂的强迫功率。
（4）核电机组。
（5）热电机组的可调功率。
（6）高温高压机组。
（7）中温中压机组。
（8）有调节水电机组的
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