王强　韩英铎

　　摘　要：论述了电力系统自动化技术沿着元件—局部—子系统—管理系统发展的历程，对厂站自动化及调度自动化的现状进行了总结，指出其发展趋势和今后主要发展动向，并介绍了有关现代高新技术和理论。
　　关键词：电力系统； 自动化； 电厂； 调度； 发展
　　分类号： 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　电力系统自动化的沿革

　　电力系统自动化技术沿着元件—局部—子系统（岛）—管理系统的道路发展。理论发展可以分为3个阶段：60年代以前处在经典理论阶段；七八十年代注入了控制论，形成了以计算机为基础的现代理论阶段；90年代以后注入经济理论，而到达电力市场理论阶段。70年代中期，运用系统工程理论将现代理论的技术成果有机地组织在一起便形成了EMS，并随电力工业的改革而发展［1］。
　　电力系统自动化主要技术进步表现在：40年代将数据展现在模拟盘上，增强了调度员对实际系统运行变化的感知能力；50年代自动发电控制（AGC）将调度员从频繁的操作中解脱出来；电网调度自动化系统概念的提出是在50年代中期，这标志着现代电网自动化的开始［2］。以前只有远动装置及机电式的调频装置，不成为系统。60年代初，有些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调度，开始了计算机在调度中的应用。在1965年美国东北部大停电后，多数电力公司意识到依靠远动装置在模拟盘上显示信息的方式已远不能满足复杂电网安全运行的要求，开始把计算机系统的应用从以考虑经济为主转移至以安全为主，出现了所谓电网SCADA系统。这是电网调度自动化形成系统的一个台阶，具有代表性的系统是美国BPA的迪特茂调度中心。这一阶段延续至70年代。
　　电网自动调频和有功功率经济分配的装置和自动调节系统不再独立存在，而是以AGC/EDC软件包的形式和SCADA系统结合，成为SCADA/AGC—EDC系统，这是SCADA系统出现后的电网调度自动化系统中第1次功能综合。
　　电力公司在60年代末提出了用SCADA采集的实时信息对电力系统的扰动（开关操作、事故跳闸）进行在线快速分析计算，用以解决电网运行方式的在线研究和事故跳闸后果的预测。从70年代初开始，为了解决由于电网不可观察（SCADA采集的数据存在误差、通道可能中断、RTU可能停运等）带来的潮流计算不收敛（在离线电力系统计算时不会遇到），发展了各种基础算法，开发了网络拓扑、外部网络等值、超短期母线负荷预计、状态估计等一系列软件，建立可计算的所谓可观察区，将SCADA采集到有误差的“生数据”转变成潮流计算收敛的“熟数据”，建立了熟数据库。在这一基础上开发了调度员在线潮流、开断仿真和校正控制等所谓电网高级应用软件（PAS）。PAS投运后，电网运行方式的改变以及当前运行方式下遇到大扰动时的后果就可以通过PAS自动预计出来。网络熟数据库的建立，为各种电力系统的优化软件，如线损修正、无功优化、最优潮流等的开发提供了条件。自从PAS综合到电网调度自动化系统，形成了SCADA/AGC—EDC/PAS系统后，电网调度自动化系统从SCADA系统升级为能量管理系统（EMS）。除了PAS从算法到软件本身的研究外，还有运行EMS必需的支持软件的研究和开发。在SCADA系统中，不存在多种应用的数据库相互调用和统一维护问题，调度员的操作只是调用画面，并不需要对数据库进行删除、插入、修改等操作，因此，在单一的SCADA系统中，数据库的建立和管理都采用文件方式，由程序员来修改数据库。在EMS中，由于多种应用的出现，调度员需要在屏幕上设定各种故障方式，开发支持软件系统的要求就提出来了。由于商用关系数据库管理系统(如Oracle等)都无法满足实时要求，于是各大系统公司花了大量人力和时间来开发支持软件系统。
　　PAS工程化后，在线调度员培训仿真器（DTS）得到了发展，并综合到EMS中，根据Diliaco的统计，1985年后各国投运的EMS中有40%包含了DTS，有的公司建立了大型培训中心，如法国的EDF，采用了离线的培训仿真。
　　随着计算机技术、控制技术、通信技术和电力电子技术的不断发展，“电力系统自动化”无论其内涵或外延都发生了巨大的变化。如今电力系统已经成为一个CCCPE的统一体，即计算机（computer）、控制(control)、通信(communication)和电力电子(power electronics)的产生、输送、分配装置以及电力电子装置。当然，在21世纪，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作。
　　根据等强度的概念，自动化设备所占的投资比例虽然不大，但其重要性与主设备同样。而且先进的自动装置不仅可以改善一次主设备的运行状况，提高其运行效率，甚至可以推迟或避免新建一些主设备，节省数额可观的一次设备投资。
　　电力系统产生的电能必须与消费的电能实时平衡，这只能靠自动调节和控制装置来维持。这种平衡不仅要在正常的稳态运行时而且要在各种扰动状态下从毫秒级到分钟级都能实现这一要求。为了满足这种调节与控制要求，电力系统自动装置可以分为正常运行自动装置、异常状态下的安全稳定控制装置及保护装置。由于篇幅所限，就厂站自动化及调度自动化系统的一些实例进行叙述，说明电力系统自动化的发展走向。

2　厂站自动化

2.1　火电厂自动化
　　大型火电厂的监视和控制系统经过了模拟控制、功能设备分散方式的第1代数字控制、分层分散方式的第2代数字控制3个阶段，其特征是各机组所用的计算机系统彼此孤立。目前正在向第3代数字控制发展，采用开放式工业自动化系统，构成火电厂综合自动化系统。一般分2级：机组级采用开放式DCS和顺序控制器，在线监控单元机组、输变电和辅助车间的生产运行；全厂级由MIS及厂站机构成，通过网络取得第一线的在线实时监控信息，并向第一线发布各种命令［3］。
　　在第3代控制系统中，全厂级可以向电力调度所提供全厂在线实时信息并接受命令，经全厂经济负荷分配计算后下达命令至机组级，控制机组启停、出力和机组输出功率。该系统将采用的技术有：①开放式工业计算机系统；②现场总线与智能变送器及伺服机；③大屏幕监视器；④先进控制技术。通信标准化MAP/TOP已获成功。DCS和PLC融合，DCS向小型化、分散化、多功能封闭型模块化方向发展，PLC向网络化方向发展。远程智能I/O网络是一种新型的工业计算机过程接口装置，是插板智能I/O技术与通信网络技术结合的产物。它由前端机、通信网络和适配器组成。现场总线国际标准还处于开发阶段，不同厂家的产品需要一个gataway接口才能接入DCS。目前主要有ISP和World FIP两大机构，ISP成员有西门子、罗斯蒙特、横河、ABB、福克斯鲍罗、费雪等25个公司；而World FIP成员有霍尼威尔、贝利等150个公司，两大机构开发各自的现场总线标准，将传感器、微处理机、A/D转换器集成以构成智能变送器，具有信号处理能力、故障诊断能力、自补偿能力和数字通信能力。
2.2　水电厂自动化
　　我国水电厂自动化工作从1979年以来，经科研试点和逐步推广2个阶段，已有20多座水电厂基本建成计算机监控系统［4］，还将增加近50个水电厂实现自动经济运行和安全监控。计算机监控技术由80年代初的集中控制、功能分散模式，进入80年代的分层分布模式，发展到90年代初的开放分布式模式。分布式监控系统以控制对象分散为主要特征，对于水电厂而言包括水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门及船闸等。按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水电厂现地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、机组等主要设备的控制和调节及装置的数据通信等。水电厂采用分布式处理，一般与电厂分层控制相结合，形成水电厂分层、分布式控制系统，这种模式在国内外水电厂应用很广［5］。
　　近年来在分布式系统基础上发展出全开放、全分布式监控系统［6］，整个系统各设备均遵循IEEE，ISO，IEC等有关国际规约，接入一个全开放式的总线网络，使硬件的增减、更换很方便，各节点的自治性、独立性高，且整个系统的可靠性、可维护性明显高于集中式和分层分布式系统，这也是今后大中型水电厂计算机监控系统发展的方向。
　　水电厂要实现无人值班，除要建设好厂内的计算机实时监控过程外，还须会同各级调度部门，结合电网调度的实际需要，共同参与电网调度自动化系统建设，完成数据采集和监视（SCADA）、自动发电控制（AGC）和电压控制（AVC）以及远程通信网络建设等工程，并提高系统的智能化程度：能对所采集的数据进行综合分析，对设备运行情况做出判断，自动采取有效措施或提供处理指导。
2.3　变电站综合自动化
　　变电站自动化源于在变电站中普遍使用基于计算机技术的智能设备（intelligent electronic device,缩写为IED），它不仅将现场的数据数字化并分析出很多难以直接测量的数据（如谐波分量、序电流、序电压），而且具有计算机数据通信接口，利用计算机的存储能力完成统计记录功能。
　　常规变电所将大量现场一次设备，如变压器、开关、母线、电压互感器(TV)、电流互感器(TA)等，同安装在控制室内的单项自动化装置（如继电保护、重合闸、故障录波和测距、各种变送器、远动装置、测量仪表等）之间用大量电缆一一对应地连接起来。其设备复杂，占地面积大，各种工作量大。现在推行的变电站综合自动化方式的最大特征是将上述分散设备综合集成在一起，形成两级单元：间隔级单元和中央单元，完全取消了传统的集中控制屏，二次回路极为简洁，控制电缆大量减少，既可有人值班运行，亦可无人值班运行。这是今后各种电压等级变电站自动化技术的发展方向［7］。
　　北美各电力公司安装投运的变电站自动化实验项目可分为3类：使用传统RTU的结构，使用通用设备的结构，网络结构［8］。国外产品在间隔层终端一般采用多DSP结构，集保护、录波、计量、远动功能于一体；专用通信网以光纤为介质，具有很高的通信速率和质量；站控单元采用高性能工作站或专用硬件，处理和存储能力较强。国内产品多采用通用单元组合方式来构成间隔层终端，分担保护、录波、监控、计量等功能，适应性较好，但单元功能偏弱、同一间隔内各单元无法共享数据；现场通信多采用RS串行通信总线和位总线，通信速率、质量和灵活性不够理想；站控单元多采用工业PC，安装使用上多数还是室内集中组屏，主要应用于100 kV和35 kV及以下电压等级的中、低压变电站。
　　由于一些电子设备安置在变电站的高压开关场内，甚至直接安置在高压设备处，电磁环境极为恶劣，电磁兼容(EMC)问题突出，这就要求设计人员以及运行、维护人员对EMC必须重视。
　　变电站无人值班工作在我国部分地、县级电网中得到了较好的开展，取得了可喜的成绩。但通道质量差、可靠性低是制约我国变电站无人值班工作健康发展的一个重要因素。

3　调度自动化

　　电力系统的迅猛发展需要完善、先进和实用的电网调度自动化系统来保证。目前国调及网、省调3级调度系统均已配备了电网调度自动化系统，并先于一次系统实现全国联网。
　　现我国90%的电源和220 kV以上电网的实时信息得到有效和准确的采集，调度自动化水平有明显进步和提高，尤其是厂站基础自动化设备可靠性和管理水平大大提高，其提供的准确而有效的实时信息已成为调度员进行电网安全、经济调度的主要依据。已有部分网、省局电网调度自动化系统的AGC通过实用化验收，华东、东北、广东电网在电网正常情况下将频率考核指标由原来的(50±0.2)Hz提高到(50±0.1)Hz。
3.1　能量管理系统（EMS）
3.1.1　EMS的发展
　　能量管理系统（EMS）是以计算机为基础的现代电力调度自动化系统，主要针对发电和输电，用于大区级电网和省级电网。EMS由6个部分组成：计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量管理和网络分析。广义的EMS还应包括调度员培训模拟系统（DTS）［1］。
　　早在60年代，我国就开始了离线潮流和经济调度程序的研制。1985年，科研部门和高等院校为我国电网开发的负荷预计、交换计划、火电分配及水火电分配、状态估计、调度员潮流、安全分析、故障分析等一系列EMS软件包已在少数网、省调系统投入应用。但由于受支撑软件的制约，构成系统时显示出其固有缺陷，应用效果不理想，不能达到实用水平。“八五”期间，部分电网与科研部门或高等院校合作开发了调度员培训系统(DTS)、状态估计、最优潮流等应用软件。由于DTS未与实时系统实现理想的结合，存在维护工作量过大的弊病；最优潮流由于入口数据不准确、网络基础参数不准确、计算结果可信度差，即使算出了最佳策略也不敢就此在电网中实施，使用效果不够理想。而后续开发的静态安全分析软件在技术上可直接采用SCADA实时数据库断面，实用效果就理想得多。
　　从“四大网”（ 华中、华北、华东、东北）引进工程开始，我国科研和生产单位才真正较为系统和全面地掌握了EMS网络分析功能应用技术，采用系统设计思想，“自上而下”地设计了各个软件模块并投入应用。
　　由于计算机技术（包括硬、软件）和计算方法的进步，电力系统动态安全分析的在线应用已经开始。随着其进一步完善化和推广，必将对电力系统的安全运行发挥愈来愈大的作用。中国东北电网采用了EEAC法［9］；美国Northern States电网采用了BCU与时域仿真相结合的方法；中国华中电网采用了PEBS法与时域仿真相结合的方法；第4个即将实现动态安全分析在线运行的电网是加拿大B.C.Hydro电网，采用EEAC法与时域仿真相结合的方法；美国Cegelec ESCA公司提出的“混合法”在“二次反冲”(second kick)法的基础上做了改进［10］。各种直接法理论的互相渗透和互相结合的新的“混合法”的出现是当前动态安全分析研究的发展趋势。
　　总之，电网调度自动化从SCADA发展到EMS花了近30年的时间。从它的发展过程看，除了各功能的算法和软件的开发及完善外，总体趋势是不断地综合，而有机综合的结果带来的是质的飞跃，这是更好地保证大电网安全经济运行的需要，而不是单纯地为共享资源。
3.1.2　主站功能一体化
　　90年代电网自动化发展的一个重要趋势就是由调度自动化向全局的自动化方向发展。传统概念的电网调度自动化是面向调度员的。EMS的各种功能都是为调度员提供方便，而90年代的发展则是以EMS为基础，走出调度室，面向调度所的各业务部门，并面向全电力公司。例如美国太平洋煤气电力公司（PG&E）、纽约联合爱迪生公司曼哈顿调度中心、日本东北电力公司等。所起名称或称之集成化支持系统，或称一体化系统，其要点是将SCADA采集的实时数据为各部门共享，且将各业务部门共享数据处理后的结果反馈到实时系统。调度业务部门包括运行方式，继电保护定值整定的分析，月、日负荷预报及计划，电力系统分析，火电燃煤采购，水电及抽水蓄能运行规则等。这些业务部门的系统目前是相互无关的、孤立的，而在一体化系统中，这些系统就成为连在网络上的子系统了。
　　传统的继电保护和电网调度自动化系统是绝缘的。随着技术的发展，也开始互联。日本东北电力已提出了开发继电保护服务子系统，它的作用限于记录继电保护动作信息，使保护动作复现，以供分析。国内现在一些电网已提出继电保护动作监测要求，这方面，我国目前的研究水平处在国际先进行列。例如电力自动化研究院开发且已小批量生产的变电站成套综合自动化设备，由于微机继电保护与设备统一接口设计和功能设计，微机继电保护装置的全部信息，包括运行工况、动作情况、自检结果以及整定值等都已由自动化设备统一采集后通过RTU通道送至EMS主站转继电保护工作站，连续监测继电保护装置的工况及定值的正确性，以消除发生电网大事故的隐患，定值由调度中心发令下装。
　　综上所述，90年代调度自动化的方向之一将是各级主站以EMS/DMS为基础的全局自动化，以保证电网的安全经济运行，提高整体工作效率。
3.1.3　由局部的自动化到全网的自动化——互联网络化
　　上节所述的主站功能一体化是通过主站局域网（LAN）进行的综合，而电网各层之间的信息交换则通过广域网（WAN）进行，这将是90年代电网自动化发展的第2个特征——互联网络化。
　　网络化有2个概念：一是不同层次的调度中心主站间的连接；另一是主站与直属电厂和变电站群控制中心间的远程通信。对于前者，在交换信息的基础上，上一层的主站可以从全网的角度，为下层主站提供所需而又无法采集的信息，以帮助下层主站了解全系统以及相邻系统的情况，可使下一层的外部网络等值计算更加精确。主站与直属厂站的计算机和RTU通信间的分工关系是：需要连续的，由RTU通信承担，例如AGC每4 s一次调节令，就必须由RTU承担；至于日负荷曲线等，就由计算机通信承担。Diliaco提出今后的实时信息网将是统一的广域环形网，所有信息源和信息接受者均连至这个网络上，各取自已需要的信息。北京供电网为了高可靠而快速传输实时信息，已经按环形广域信息网的概念进行了规划，与Diliaco的想法不谋而合。目前正在建设中的国家电力数据网络(SPDnet)［11］也是以此为出发点。
3.1.4　支撑平台及体系结构开放化和标准化
　　90年代EMS领域的热门话题是开放化。虽然现在国外各大系统工程公司所谓完全开放式EMS实际还是商业宣传，但开放式EMS终究是90年代EMS构成的发展方向。
　　开放化主要是软件的开放化，不同厂商的系统要做到开放必须在软件上遵循下列标准：①操作系统接口标准；②图形界面标准；③数据库访问标准；④网络通信标准；⑤语言标准；⑥文件标准。一个EMS符合这些标准，则在系统中任一部件或子系统更换时，就不致引起整个系统的变动，而整个系统更换时，应用软件也不受影响。
3.1.4.1　操作系统接口
　　IEEE对操作系统本身未做规定，只规定了接口标准POSIX，并且尚未全部通过。各大计算机厂商都表示将遵守POSIX接口标准，但由于接口本身尚未确定，所以要做到真正的开放性系统还有一定的距离。以现在采用最广泛的UNIX操作系统来说就有20余种产品，实现可移植性尚为时过早，一个EMS只能选用其中的一种。
3.1.4.2　图形用户界面接口
　　目前没有正式的国际标准，但存在着事实上的工业标准，也即从用户广泛使用中推荐产生出来的标准。主要由2个部分组成，即窗口标准X-Window和建立在其上的用户界面。MIT推出的X-Window是公认的，图形用户接口却主要有2种，即OSF的Motif和X-Open的Open Look，目前OSF/Motif为多数计算机厂商及EMS厂商接受，已经成为事实上的工业标准。我们应在Motif方面做工作。
3.1.4.3　数据库接口
　　除了规定用SQL和DIAS访问数据外，IEEE并未对数据库本身做出规定，EMS厂商都是自己开发实时数据库管理系统，为了更好地处理历史数据，不少EMS厂商采用了实时数据库管理系统和商用数据库管理系统相结合的方式，如WSL采用INGRES，CAE采用Sybase，EMPROSE采用Oracle等。
3.1.4.4　网络通信接口
　　目前，新开发的EMS在局域网上以OSI和TCP/IP为通信接口标准，广域网上以X.25为通信标准，这没有争议。但是随着技术的发展和FDDI的广泛采用，可能会由FDDI和TOKEN RING取代以太网，由ISDN和FRAME RELAY取代X.25广域网。另一种传输速率可达上千兆位的ATM也正在发展中，ATM将更好地支持多媒体传输，使各级电力公司的自动化系统更形成一体。
3.1.4.5　开放式EMS平台和体系结构
　　关于平台及体系结构，各大公司开发的系统结构都差不多，当然和现场接口部分例外。在不考虑与现场接口的前置系统情况下，美国ESCA公司和Johnson公司几位工程师提出电力系统自动化的开放式积木式的体系结构，将电网自动化系统分成EMS/DMS单元构成和EMS/DMS外部连接。用标准的积木方式构成整个系统。单元构成方式是在各种开放式标准的基础上构成软件平台，并在这一平台上开发应用软件。一个单元可以由1台或数台工作站构成，但每台工作站的软件平台均相同。不同的应用功能单元（如SCADA，AGC，EDC，PAS，DTS，DMS，GIS，MIS等）之间采用标准通信接口的局域网或广域网互联。
　　这种基于标准化的EMS/DMS单元的积木式系统构成，值得我们参考。此外，由于计算机本身发展迅速，对何种平台的选用，也是我们在研究90年代EMS/DMS中必须关注的重要问题。
3.1.4.6　开放式综合自动化系统软件平台
　　所谓软件平台是指实现应用功能的软件基础，EMS/DMS以至综合自动化系统的软件结构可分成3层，最底层是计算机的操作系统、图形软件、网络通信软件（这是计算机制造厂提供的），第2层是支持软件，顶层是各种应用软件。国际开放系统组织推荐的开放环境规范。

3.2　新一代基于GPS的动态安全监测系统
3.2.1　原有监测系统的缺陷
　　目前应用的电力系统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波仪和侧重于监测系统稳态运行情况的SCADA系统。不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于对全系统动态行为的分析［12］。
　　迄今GPS技术、通信技术、DSP技术以及电力系统的动态电量测量和在线参数辨识等关键技术的发展已经给电力系统EMS实现整体动态监测功能
　　提供了必要的条件，从而可使已有的状态估计及安全分析等功能发展为动态监测和分析或控制的工具。美国、法国等都相继研制了基于GPS技术的电压相量的测量装置，并开展了基于电压相量的电力系统的监视、保护和稳定控制的理论及应用研究工作［13］。国内也有不少单位着手这方面的研究工作，并取得了一些成果［12，14，15］。
3.2.2　新一代动态安全监测系统的原理
　　在电力系统中实施相量控制（phasor control）是电力系统稳定控制的新概念和直接方法。电力系统新一代动态安全监测系统，主要由同步定时系统、动态相量测量系统、通信系统和中央信号处理机4部份组成。参考站应设置在系统的主力发电厂或枢纽变电站，中央信号处理机设置于调度中心，相角测量装置设置于发电厂或变电站，中央信号处理机和分散于各地的相角测量装置通过电力通信网相连。
　　采用GPS实现的同步相量测量技术和光纤技术为相量控制提供了实现条件［16］。地球表面任一点均可接收到卫星发出的精度在1 μs以内的时间脉冲。这样，电力系统中任一变电站均可接收GPS发来的准确时间脉冲给当地测量电压波形以时间标记，其标度的相位精度对50 Hz的波形为0.018。采用相量方式监视并记录系统状态的相量测量单元（PMU）可以兼顾系统暂态、中期、长期及稳态等不同动态过程的要求。光纤通信系统将各变电站的测量收集汇总处理后，即可得到各变电站之间动态相量的变化，并据此实施相量控制。电力系统中现有提高暂态稳定的措施如切机、切负荷，可由相量控制器触发；HVDC系统可按相量信息实施相量控制，模拟交流线路同步功率特性，使系统具有更强的抗干扰能力；交流系统的状态可通过SVC及串联电子式移相变压器或TCSC实施相量控制。
3.2.3　动态安全监测系统的应用情况
　　将GPS技术应用于电力系统中，需要利用产品化的接收设备提供的串行通信接口和秒脉冲，开发基于计算机总线的高精度时间定标系统［16］。我国将GPS用于大电力系统稳定和振荡监控的研究已取得初步成果。以GPS同步相量测量装置为基础的监测系统已在我国南方联营电网投入运行。清华大学电机系电站自动化研究室自1994年开始利用GPS技术，建立电网统一时钟方面的研究工作，所实现的新型动态监测装置实现了对PMU的各种要求，并具备强大的计算、分析、显示和记录功能，在黑龙江东部系统及辽宁的部分厂站也已实现了同步相角的监测［12,17，18］。
3.2.4　动态安全监测系统发展趋势
　　同步定时地测出各母线电压和发电机内电势的正序分量等空间矢量族，只要解线性代数方程，便可实现系统的动态状态估计，监测各个发电机的动态行为和其他振荡现象。长期以来人们一直为抑制区域系统间振荡时相对频率的测量而困扰。根据正序电压空间矢量族，人们便可方便地抑制域内机组间振荡或域间振荡等。图1给出了新一代动态安全监测系统的可能应用领域［19］。可见新一代动态监测系统将使电力系统的监测与控制完全改观。

图1　全网动态安全监测系统的可能应用领域
Fig.1　The possible application of dynamic security
supervision system

3.3　电力市场带来的影响
　　近年来，电网发展面临着新形势，一场电力体制变革的浪潮席卷全球。主要内容包括所有制的变革和电力管理体制变革两大方面。各国都在根据自己的国情采取变革措施。其核心是在电力部门引入竞争机制、打破垄断，具体的做法有：发电、输电、配电分离；放松管制(deregulation)；开放上网(open access)；电力转供(power wheeling)等，这些做法是相互关联的。尽管一些国家通过变革已收到降低电价、改善服务的实效，但我们应当冷静地对这种变革的利弊得失进行深入的研究分析：微观经济学的模型能否应用于电力系统？市场能否自动实现电力资源优化配置？最重要的问题是竞争的电力市场是否会降低电网的可靠性［20］?
　　1996年7月2日和8月10日，美国西部电网大停电的直接原因是高压线对树放电和继电保护整定错误，但美国电力研究院总结的西部电网崩溃的9条技术原因中，至少有3条与电网体制有关，即：
　　a.由于电力转供（即大范围内的电力交易），电网的负荷大大超过其设计能力。许多电业部门声称，他们所辖电网内发现不明的异常潮流加重了电网的负担，从而降低了稳定储备。
　　b.西部电网近40个控制区中，每一个控制区只了解本身的情况，无人可以了解全网的情景，在事故过程中，也无法看到电网的全景图象。
　　c.继电保护、发电机控制、电网控制的不协调导致了连锁反应，因为这引起的保护与控制都是从局部考虑的，并不关心对全局的影响。
　　在电力市场运行机制下，原来电力公司发电、输电、配电统一经营、规划与运行等集中于统一的垄断结构下的体制，分解为独立的实体：发电公司、输电公司和配电公司，参与竞争。不同的发电公司，包括独立电能生产者，在发电侧实行竞争，从而降低用户电价；配电公司主要是2方面的工作：一是改革负荷曲线，二是鼓励用户节约用电；输电系统独立经营管理，为发电公司和用户提供转送电能的服务，像铁路一样公平转送电力，收取费用。这样一个开放和鼓励竞争的运行环境增加了运行规划的不确定性，使电力系统运行复杂化，运行方式快速多变。
　　电力市场并不意味着放弃统一调度。电网控制中心的运行人员必须面对众多的、有时是互相矛盾的目标来做出决策。最明显的就是要在商业效益和电网安全之间求得平衡，这样必须充分利用先进的信息技术和在线决策支持工具，为电力市场的运行提供良好的环境。现代控制中心（调度机构）的功能将集系统运行与市场管理于一体，电网调度既是运行指挥中心又是电能交易中心，所处理的信息量和所提供的服务项目的规模将是前所未有的。
　　电力市场的理论问题集中在电价上，目标是将电力系统一切行为都用费用表示，而现在不能定量计算的项目很多，如：①峰谷电价的计算依据；②水电电价计算，季节电价的计算；③无功电费的计算；④检修费用的计算；⑤备用费用的计算；⑥输电费用的计算；⑦接网费用的计算；⑧事故损失计算等。
　　电力市场软件系统分为三大部分：市场管理与信息发布、合同管理与电费结算和扩展EMS。扩展EMS包括实时发电控制、运行计划、网络分析和输电服务4部分。显然，市场管理与信息发布系统以及合同管理与电费结算系统也可以扩展进EMS。面向电力市场的EMS应用软件的修改量是巨大的：①改造原有的应用软件，如发电计划、机组组合和负荷预测等；②增加新的应用软件，主要是针对输电服务和辅助服务任务，例如最大输电能力计算、生产成本计算、输电费用计算、辅助服务费用计算和输电路径优化等软件［21］。
　　应当强调指出，这场变革已经对电力系统的规划、设计、建设、运行、维护产生了重大和深远的影响，提出了一系列有待解决的新问题，要求把电网建设为“灵活、开放的电网”。

4　21世纪电力系统自动化的展望

　　跨大区联网的逐步实现，使得电力系统的规模越来越大，不同地区的资源通过电网互联得以合理有效的利用，发电各方通过互联电网相互合作又相互竞争，传统的发输配电统一集中管理和运行的机制开始向发输配电分别作为独立实体而参与竞争的电力市场运行机制转化，未来的电力系统是一个基于信息互换而协调的分散决策系统［10］。
　　随着我国主网架结构的加强，无功平衡和电压稳定问题将日渐显露出来。日本1987年发生的大面积停电事故（损失负荷8 GW）就是深刻教训。应在电网设计中加强对电压动态稳定问题的研究以及对于无功补偿装置的自主研制开发。
　　在研究电力系统控制问题时，计入发电厂动态过程和负荷自调节效应的模型要足够详细。电厂的控制，特别是机组速度和功率的控制，要结合整个系统的动态行为来研究。在额定频率和电压附近仿真时用的标准模型，许多在频率和电压偏移很大时不够准确。近年大量投产的大型机组多采用快速励磁，而常规励磁所采用的AVR也是快速的，再加上机组的高功率因数运行，都会使系统阻尼降低，使系统潜在的振荡失稳危险性增加。这就要求运行部门重视计算各种振荡模式阻尼比，对系统阻尼低于弱阻尼标准应采取措施，将现有的PSS投入运行。
4.1　在线动、暂态稳定分析和稳定控制策略
　　灵活多变的电力系统运行方式，迫切需要有效的在线动、暂态稳定分析工具，以使运行人员可以在线跟踪不断变化的系统工况，实时掌握系统动态。对稳定系统，希望知道裕度指标以及关键参量离临界值还有多远。如果存在不稳定因素，则希望知道如何通过预防控制将系统引导至安全状态，或快速制定紧急控制措施，保证系统的稳定性。可视化方法是克服电力系统分析方面所遇到困难的一个可能途径。
　　目前，电力系统的紧急控制手段除了传统的甩负荷、切机、火电机组汽门快关、HVDC线路快速调节、暂态强励等外，新控制装置如FACTS也显示出良好的应用前景。紧急控制的几个关键问题有故障检测、集散协调、快速性、自适应性以及控制对设备和机组的影响等。传统的控制决策方法针对有限的事先选定的一组系统工况进行离线计算，再进行在线匹配，在自适应性上不能满足现代开放式、非管制化的电力系统的要求。虽然GPS的应用使得系统同步测量可以在大区域内进行，有利于把握整个系统动态，但如果控制决策不能按实际工况和故障场景算出，就不满足自适应性的要求。
　　另外一个发展趋势是智能控制的应用，计算机实时地进行自学习，以帮助（而不是代替）运行人员快速正确地做出决策。近年来，除了专家系统已在实际的电力公司得到应用外，神经元网络和模拟进化算法等在电力系统实际应用中尚无大的突破。多种不同方法的混合使用也是正在进行的研究课题之一。现有的EMS中许多应用软件需采用人工智能技术，例如：负荷预测中天气修正、特殊事件的提取和电价响应；机组经济组合中降低组合数而不丢失最优解；安全约束和最优潮流中函数约束的处理；动态经济调度中旋转备用的分配；状态估计中开关状态错误辨识；预想故障分析中预想故障组的设置；输电能力分析、输电费用计算、辅助服务费、交易匹配、信息过滤、DTS教案准备等［21］。
　　在互联电力系统的正常状态、紧急状态和恢复期间，如何实现最有效的协调和控制，尤其是FACTS装置的引入，使互联电力系统的协调和控制面临许多新问题，如能量交换、提供备用、减少不同运行条件下的环流等。随着电力系统规模的扩大，快速控制装置的引入，对可能发生的系统阻尼减少而导致的持续的功率振荡，使用FACTS可以改善阻尼，提高系统运行稳定性和灵活性。FACTS装置本身的研究成果已有不少，但其在多机系统中的控制策略仍是国内外专家学者们积极探讨的问题，如何选择最佳控制系统结构，实时选择控制元件，找出合适的控制算法，根据当前工况和故障场景决策控制量，是保证现有控制系统有效发挥作用和使任何一个新的控制元件达到实用的技术关键。大规模互联电力系统的频率控制应当考虑适当协调各成员系统之间的关系,还要考虑区域之间的功率振荡[22]
4.2　控制中心的新趋势
　　现代电力系统控制中心是基于分布式的开放式结构，将EMS/SCADA/DMS和MIS有机地集成为一体。Internet和Intranet的使用正快速渗透到电力系统运行领域，为软件技术的集成提供了好的环境，成为决定EMS设计的因素之一。跨平台的计算机高级语言、控制中心间的标准通信模式和电力系统分散化运行的软件体系结构将逐步导致共享数据库的集成系统。
　　当今电力系统调度中心的EMS基本上是以处理稳态方式调度运行为主。其中静态安全分析主要监视N-1的偶然事故下母线电压越限或线路、元件过负荷，并给予处理指导。而更严重故障下的稳定控制，则一般需通过离线分析提供可供采取的措施，通过快速的继电保护和安全自动装置实时动作实现。GPS相量测量系统提供了可实时跟踪功角变化轨迹的可能性，从而可通过预测不稳定现象的演化适时决定应采取的控制措施（如切机、快关等）。可以预期GPS相量测量装置与常规RTU相结合，使调度中心的EMS功能从稳态向动态转变，将使大电力系统的全局稳定和恢复控制成为可能。
　　近年来，在EMS中采用EEAC、PEBS等直接法在线分析监视系统暂态稳定已取得重要成果。将现有的离线分析程序加以改造，与直接法相结合，以适应在线稳定分析要求从而得到更为充分的信息，也在国内外一些电网得到实际应用。进一步应开展事故后恢复策略的研究，为处理事故过程中的大量警报信息，须采用人工智能等科学方法。包含暂态稳定、中长期动态稳定和电压稳定的动态安全评估应成为EMS的标准功能，带有自学习功能的在线动态安全分析是发展方向。
　　面向对象的技术（OOT）是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，应将OOT用于SCADA/EMS系统。
　　4.3　强化电网安全的技术措施
　　电网动态安全在线评估技术；调度员安全量度体系；广域综合安全通信网（ISN）；在规划阶段进行电网的风险评估；电力系统模型标准化；重新审查继电保护整定的原则和做法；建立以可靠性为中心的维修体系；全国电网事故及设备故障的数据库；广域的测量和事件记录系统；动态调度员培训仿真器。
　　随着计算机技术、控制技术及信息技术的发展，电力系统自动化面临着空前的变革。多媒体技术、智能控制将迅速进入电力系统自动化领域，而信息技术的发展，不仅会推动电力系统监测的发展，也会推动控制向更高水平发展。

参考文献：

［1］于尔铿，刘广一，周京阳(Yu Erkeng, Liu Guangyi, Zhou Jingyang).能量管理系统（EMS）：第一讲 EMS的技术发展(Energy Management System (EMS): Part One Technical Evolution of EMS).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(1)：65～68
［2］金振东，刘　觉(Jin Zhendong, Liu Jue).90年代电网自动化的发展方向(The Trend in Development of EMS/DMS for Control Centers in 90's).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1995， 19(6)：5～10
［3］顾人一(Gu Renyi).大型火电厂自动化发展回顾与展望(Review and Prospect of Development for Large Fossil-Fueled Power Plant Automation).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1996，20(9)，33～36
［4］方辉钦(Fang Huiqin).引进及国产水电厂计算机监控系统析评(The Imported and Domestic Supervisory and Control Systems for Hydropower Stations).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1999,23(8):56～60
［5］张雁靖(Zhang Yanjing).分层分布开放式计算机监控系统的设计(The Design of Hierarchy Distributed Open-Type Computer Supervisory and Control Systems).水利水电技术(Water Conservancy and Hydroelectric source)，1997，5(28)：36～39
［6］王德宽，王桂平，涂少峰，等(Wang Dekuan, Wang Guiping, Tu Shaofeng, et al).H9000分布开放式水电厂计算机监控系统(H9000 Distributed Open-Type Hydroelectric Plant Computet Supervisory and Control Systems).水利水电技术(Water Conservancy and Hydroelectric source)，1996，28(5)：6～8
［7］金午桥(Jin Wuqiao).变电站自动化的发展策略(Development Strategies of Substation Automation System).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),1999,23(22):58～62
［8］蔡运清(Cai J).北美变电站自动化现状(Substation Automation in North America).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(7)：51
［9］薛禹胜(Xue Yusheng).EEAC和FASTEST(EEAC and FASTEST).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),1998,22(9):25～30
［10］方勇杰，薛禹胜(Fong Yongjie, Xue Yusheng).现代电力系统控制的发展趋势——1997年IFAC/CIGRE电力系统及发电厂控制会议评述(Trends in Modern Power System Control——On the 1997 IFAC/CIGRE Symposium on Control of Power Systems and Power Plants).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(10)：1～3
［11］黄晓莉(Huang Xiaoli).面向21世纪的国家电力数据通信网络(21th Century Oriented State Power Data Network).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),1999,23(22);1999,23(23)
［12］丁仁杰，闵　勇，熊炜华，等(Ding Renjie, Min Yong, Xiong Weihua, et al).基于GPS的电力系统动态安全监测装置及其动态模拟实验(Development of Power System Dynamic Monitoring Unit Base on GPS).清华大学学报(Journal of Tsinghua University (Sci & Tech))，1997，37(7)：78～81
［13］IEEE Working Group Report. Synchronized Sampling and Phasor Measurement for Relaying and Control. IEEE Trans on PWRD, 1994, 9(1): 442～449
［14］卢志刚，郝玉山，康庆平，等(Lu Zhigang, Hao Yushan, Kang Qingping, et al).电力系统实时相角监控系统研究(Research of the Phase Angle monitoring Control System in Power System).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(9)：17～19
［15］郭强，王健全，吕世荣，等(Guo Qiang, Wang Jianquan, Lü Shirong, et al).GPS同步时钟用于电力系统非线性励磁控制(Application of GPS Synchronized Clock to Power System Non-Linear Excitation Control).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(9)：20～23
［16］丁仁杰，闵　勇，冯亚东，等(Ding Renjie, Min Yong, Feng Yadong, et al).基于GPS的全网同步时钟的建立和误差校正(Estabilishment and Error Correction of Global Synchronized Timing System Based on GPS).清华大学学报(Journal of Tsinghua University (Sci & Tech))，1997,37(7)：74～77
［17］任勇，闵　勇，徐　飞，等(Ren Yong, Min Yong, Xu Fei, et al).全网同步监测系统的实时数据传输(Real Time Data Transmission in the Power Systems Synchronization Monitoring System).清华大学学报(Journal of Tsinghua University (Sci & Tech))，1997,37(7)：82～85
［18］闵勇，丁仁杰，任　勇，等(Min Yong, Ding Renjie, Ren Yong, et al).电力系统全网同步监测系统(Investigation of Global Synchronized Monitoring System in Power Systems).清华大学学报(Journal of Tsinghua University (Sci & Tech))，1997,37(7)：86～88
［19］韩英铎，王仲鸿，林孔兴，等(Han Yingduo, Wang Zhonghong, Lin Kongxing, et al).电力系统中的三项前沿课题——柔性输电技术、智能控制、基于GPS的新一代动态安全稳定分析与监测系统(Three New Front Subjects in Power Systems——FACTS, Inteuigent Control and Dynamic Security Analysis and Monitor System Based on GPS).清华大学学报(Journal of Tsinghua University (Sci & Tech))，1997,37(7)：1～6
［20］郑健超(Zheng Jianchao).电力技术发展趋势浅议(The Discussion on the Power source Development Trend).电网技术(Power System source)，1997，21(11)：4～10
［21］于尔铿，刘广一，周京阳，等(Yu Erkeng, Liu Guangyi, Zhou Jingyang, et al).能量管理系统（EMS）——第14讲　能量管理系统（EMS）技术展望(Energy Management Systems (EMS)).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1998，22(2)：68～71
［22］韩祯祥，薛禹胜，张伯明(Han Zhenxiang, Xue Yusheng, Zhang Boming).1996年CIGRE第36、37、38组简介(1996 CIGRE SESSION).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997,21(1):44～48
pling and Phasor Measurement for Relaying and Control. IEEE Trans on PWRD, 1994, 9(1): 442～449
［14］卢志刚，郝玉山，康庆平，等(Lu Zhigang, Hao Yushan, Kang Qingping, et al).电力系统实时相角监控系统研究(Research of the Phase Angle monitoring Control System in Power System).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(9)：17～19
［15］郭强，王健全，吕世荣，等(Guo Qiang, Wang Jianquan, Lü Shirong, et al).GPS同步时钟用于电力系统非线性励磁控制(Application of GPS Synchronized Clock to Power System Non-Linear Excitation Control).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，1997，21(9)：20～23
［16］丁仁杰，闵　勇，冯亚东，等(Ding Renjie, Min Yong, Feng

作者简介：王强，男，博士，现在江苏省溧阳市政府挂职锻炼，市长助理。
　　　　　韩英铎，男，教授，中国工程院院士，中国电机工程学会常务理事，北京电机工程学会副理事长，清华大学电力电子工程研究中心主任，从事电力系统稳定控制和FACTS技术的研究。
作者单位：王强（清华大学电机工程系， 北京 100084）韩英铎（清华大学电机工程系， 北京 100084）