金振东

　　摘要：电网调度自动化系统自诞生至今，一直在发展着。推动电网调度自动化系统不断发展的因素，主要可归纳为下列四方面。
　　(1)保证电网的安全运行和高质量供电；
　　(2)不断降低电能生产和电能传输费用；
　　(3)提高电网整体效益，使电网尽可能运行在其物理极限而又不发生冒险的状态下，从而推迟新投资和降低造价；
　　(4)适应电力市场运营中不断出现的要求。
　　由于电网规模的不断扩大，接线的日益复杂，对供电可靠性的要求不断提高，电力市场运营规则的不断修改，应综合实现上述四方面要求的难度也在不断增大。这四项要求中，最重要的是第一项。由于电力网络巨大而广阔，任何一处故障都会导致停电，任何局部故障都有可能导致大面积停电。近年来，国际上著名的大停电都是从一处故障发展成大面积停电。另一方面，由于现代化的生产和人民生活对供电可靠性的依赖已越来越高，有些企业的生产已经是不允许停电。1995年日本已做到每产每年停电不超过6min，九州电力公司已实现用户每年停电不超过1 min。我国国家电力公司也已提出大中城市中心区的供电可靠率要从1999年的每户平均停电12h降低为每户每年停电不超过53min，显然这是十分艰巨的任务。在现代化复杂电网的运行中要实现上述四方面的要求，除改善一次系统和一次设备、提高继电保护装置和其他自动化装置的性能外，也应不断发展调度自动化系统。目前调度自动化系统已越出了传统能量管理系统的范围[1]。
　　为了研究这一领域今后的发展方向，现从该领域动态发展过程，从电网调度自动化系统的功能和系统构成两方面的发展来进行分析。

1 从数据采集和监视控制系统的出现到向能量管理系统的发展
　　开展电网调度自动化技术的初期，上世纪50年代，为解决电网的工况监视和电网频率调整，电网远动技术和自动调频技术开始发展。当时主要注意力集中在通过电网自动调频装置维持电网频率恒定和实现电网经济运行上。上世纪60年代中期，在美国东北部大停电事故发生后，各国电力公司研究了这一事故造成的教训，感到多年的电网经济运行效益远抵不上一次大停电事故带来的损失，就将注意力转到保证电网安全上。采取的关键措施，就是将计算机技术引入调度中心与远动技术相结合，出现了电网调度数据采集和监视控制(SCADA)系统，这是电网调度自动化技术的飞跃。在SCADA系统出现后，发电机组及传输线的有功功率和无功功率均已由SCADA系统采集，向各电厂发电机组发调节命令的功能也已由SCADA系统的遥控、遥调功能覆盖，原来由模拟计算机承担的电网自动调频和经济运行计算更可由SCADA系统主站的数字计算机取代。因而在SCADA系统出现后不久，电网自动调频和机组功率经济分配包括线损修正的主站端的AGC(自动发电控制)功能就完全集成到SCADA系统中而形成SCADA／AGC系统，这一过程在70年代早期就已完成。
　　 SCADA系统给电网调度人员掌握电网实时运行工况及处理事故以极大的帮助，但不能告知电网发生扰动(开关操作，事故跳闸)时的后果。为保证电网的安全运行，提出了将电网调度自动化系统从单纯的对电网运行的安全监视功能提高到对电网运行作安全预测的要求。
　　要实现对电网运行安全预测，需对电网实时运行不断进行潮流计算、功角及电压稳定性计算，分析电网在发生故障时稳定破坏的可能性。但要做到这一点并不像从SCADA到SCADA／AGC的发展那样简单。其一是由于电网实测数据因各种原因造成的误差，导致潮流计算不收敛；其二是功角和电压稳定计算则还有快速算法未解决的问题。为解决这两个问题，各国电力系统的学者经历了长期的努力，开发了称为实时网络分析(NA)的高级应用软件(PAS)，其中包括网络拓扑、外部网络等值、可观察性分析到状态估计等一系列基础算法，将实时采集到的生数据，变为可靠的实时数据，并开发了适用于不同类型电网参数的潮流计算方法，从而解决了实时潮流计算的难题，并开发了电网n—1的静态安全分析的算法和各种相关算法。使电网因正常操作及事故跳闸的后果就可通过实时网络分析预计出来，调度员可据此来调整运行方式，以保证电网的安全运行。电网实时网络功能集成至电网调度自动化系统中，就使电网调度自动化系统由监控系统SCADA／AGC发展到能量管理系统(EMS)，电网调度也由单纯依靠调度人员的经验来保证电网安全运行的经验型调度提高到对电网运行进行分析计算，以保证电网安全运行的分析型调度，这是电网调度自动化技术发展中的第二次飞跃。这一过程国外在70年代大约花了10年时间。我国则是在80年代中至90年代完成了这方面的开发并开始工程实践。但对第二个问题已花了更长的时间去进行探索。出现了快速计算功角稳定分析的暂态能量函数法(美国)、势能边界面法(日本)等各种学派，但从理论到实践均尚未完全解决这一难题。80年代后期，我国学者薛禹胜院士提出了扩展等面积法(EEAC)，将电网大扰动时多机系统的发电机功角摆动关系归结为同调的两机群关系，从而将复杂的多机功角摇摆的微分方程简化成代数方程，并提出了在电网事故跳闸后电网结构变化时自动搜索两机群的动态EEAC等一系列算法。经过不断地进行工程实用的完善，90年代初，基于EEAC的暂态功角安全分析软件包在我国东北电网投入实用。90年代末，快速动态电压稳定计算及安全调度分析计算方法问世，相应的离线应用软件包首先在山东省电网中应用。将其在线化后，可综合到能量管理系统中，构成在线动态电压安全分析，用以预测电网中各节点在不同运行方式下的电压稳定裕度，并可指出调整电网中无功电源出力的措施。功角稳定及电压稳定的安全预测功能的开发，使能量管理系统的实时安全分析功能完整化[刨。
　　 在EMS出现后，就为原来在70年代末开发的独立的调度员培训仿真器(DTS)集成到EMS中提供了条件，DTS与EMS相结合后，可共享系统中SCADA的实时数据。用实际电网的场景来培训调度员，从而大大发挥了DTS的作用，提高调度员正常运行和事故处理的能力。DTS集成为EMS的一个子系统，是在80年代完成的。
　　 在EMS实时安全分析功能发展的同时，电网调度的另一重要分支——发电计划功能在算法上也得到了快速的发展，包括负荷预报、开停机计划、优化潮流计算、无功电压优化、水电计划、水火电联合经济调度等。
2 EMS的系统构成从集中式到分布的发展
　　90年代以前，EMS的应用功能不断发展和综合。但其系统体系结构本身一直停留在以专用计算机及操作系统为基础的集中式体系结构上。在电网规模不断扩大和调度自动化系统相应发展时，就出现如下重大不足：一是扩充数据量和新应用增加时，主计算机负担越来越重，响应速度不断降低；二是各种应用必须在一个机房中进行，限制了更多人员的应用；三是计算机改型时EMS的软件资源及历史数据很难得到有效保护。为解决这些问题，基于80年代后期国际开放式计算机技术的出现，90年代开始，各国EMS的开发商都转向基于国际开放式计算机操作系统、图形系统及网络系统的分布式EMS的开发，由集中式结构发展至分布式结构，这是电网调度自动化体系结构的重大发展。
　　由于应用功能的不断集成和新功能不断开发，EMS所用计算机系统的操作系统、图形系统、网络通信系统的日益复杂，要求开发人员在精通计算机技术、网络通信技术和EMS技术之后再去开发应用功能是不现实的。为保证应用开发人员能方便地将所开发的应用软件较方便地集成到EMS中，而不必去研究计算机技术、通信技术，将EMS的软件结构设计成多层次软件结构，即在应用层与计算机操作系统内核层之间增加一个支持软件层，认为这是开放式系统的重要标志[3j。其主要组成部分是数据库管理系统、图形管理系统和网络通信管理系统三部分。采用该结构可使应用功能开发人员集中力量研究和开发应用软件，而无需研究计算机操作系统本身，从而方便了应用开发人员的工作。
　　在开放式分布式EMS的开发中，除了全系统的可靠性设计外，有两个重要问题是用户关注的，即系统的可扩展性和系统的可维护性。国内外的EMS开发商都在改善管理软件和降低局域网的负载上做工作，以实现系统可扩性。系统的易维护性方面国内的开发已走在国外的前面，突出的例子是国内称为“图模库同步生成"L4J，国外公司称为“图象数据登录(GraphicDataEntry)”的维护工具软件。ABB在1999年的香港CLP工程中完成了这一工具的工程应用[5j，而国内电力自动化研究院在1996年就已投入实用。
3 21世纪新一代的电网调度自动化集成系统
　　综合上世纪电网调度自动化系统的发展，可看出电网调度自动化的发展表现在主站功能和主站系统构成两方面：主站新功能的开发并一体化；主站软件的开放化。这是当前的新一代电网调度自动化系统的发展方向。
3．1 主站新应用功能的一体化
　　由于电网是一个整体，EMS中来自各厂站的实时数据库、由实时数据转存的历史数据库以及经过网络分析应用处理过的网络数据库(熟数据)等信息都应由电网中各调度部门共享，各种网络分析及经济运行软件等资源也可共用。因此，将电网调度所各种原理上相关的孤立计算软件的应用集成到统一的平台上，这是发展的必然趋势。目前正在开发集成电网运行方式计算，包括检修计划的制定的EMS。电力市场在90年代初由英国电力部门提出，各国正在开发电力市场系统，我国也在进行试点。由于商业竞争机制的引入，它研究的问题具有很大的特点，原则上它属于另一范畴。但是，从已试用的发电侧电力市场系统来看，它与现有的EMS也有着密不可分的关系。国内外已开发的发电侧电力市场系统包含有发电报价管理、交易管理、计划处理、信息发布，结算及合同管理等环节。其中的关键环节是包括次日及当日的各时段发电计划处理，它是根据预测的电网日负荷及各电厂机组各时段的报价，用边际电价原则决定参加竞价上网各机组的发电计划。现有独立开发的电力市场系统中，计划管理子系统需用到的短期负荷预报(次日)、超短期负荷预报(下一小时)、水电计划、静态安全分析校核、暂态功角安全分析校核、电压安全分析校核等都是EMS中成熟的软件包，系统实际负荷及机组实际出力的测量值、旋转备用容量的监视等均来自EMS，各机组出力的线损修正计算也来自EMS。计划处理子系统安排的发电计划曲线(次日及当日)，将被送至EMS，由EMS的AGC子系统发令到各台发电机组执行。从以上分析看出，作为电力市场系统的关键环节的计划处理子系统与EMS工程中的实时网络分析子系统、自动发电子系统、数据采集及控制子系统、发电计划(包括水电计划)子系统之间有着密不可分的关系。这两者如果完全割裂开，不仅要开发复杂的通信接口，且很难维护。因此，电力市场系统中的关键环节——计划管理子系统应和EMS在统一平台下一体化设计。国外的EMS开发商正在朝这一方向做。
　　电力市场运营机制的一个重要前提是电能量计量系统，它以一个独立系统的形式出现。国内的电网中已装了不同类型的电能量计量系统。但目前的这种独立的电能量计量系统采集的电能量数据作为电力市场的结算来说都存在不少问题。例如要根据各时段发电机电能量结算中不仅需要准确的电能量记录数值，且必须结合各时段的各机组出力和联络线传输功率偏离合同规定的数值及延续时间，以及当时的电网频率等来进行结算。这需要与EMS同步采集相关数据，并存贮下来，才能进行。又如线路开关检修、旁路开关带路时的电能量计量，也必须在EMS采集到的信息综合处理的基础上进行判断。综上所述，若要求电能量计量系统采集的电能量数据能成为真正可进行结算的依据，只有与EMS集成在一起。
　　因此，21世纪开发的电网调度自动化系统将是应用功能集成度更高的系统。
3．2 系统构成的开放化
3．2．1 问题的提出
　　90年代开发的开放式分布式的电网调度自动化系统，其与90年代前的封闭式的电网调度自动化系统相比，是重大的进步。但开放式指的都是计算机产品概念上的开放，并不涉及调度自动化系统本身的软件系统的开放，所以不同系统间的信息交换很困难，第三方开发的软件接人已开发的电网调度自动化系统并不方便，关键是调度自动化系统的标准化接口(CCAPl)问题[5]。
　　电力市场开放化运营，意味着电力市场参与者可根据自己的判断进行电能交易，这可能导致互联电网运行的不安全。为解决这一问题，电网调度部门必须及时了解互联电网电力市场的信息；另一方面，电力市场的参与者为能顺利进行电能交易，亦应及时了解电网的运行情况。因而，要保证互联电网安全运行条件下的电力市场的顺利运营，前提是信息的及时交换。为此，美国在1995年后，由联邦能源管理委员会(FERC)领导，建立了北美区域间安全网络(NAISN，North America Inter-RigionalSecu rityNetwork)和开放化进入同时信息系统(OASIS，Oven Access Same time lnformation System)。前看是在互联电网间交换实时数据来进行电网之间的安全评估，后者则是给电力市场参与者以各种输电网的信息，包括线路的可用传输能力、总输电能力，从而进行输电和辅助服务的预定及进行网上输电交易[5)。EMS是电力系统中的另一类信息系统。上面所说的信息交换，就是在这三类信息系统间的交换。这里矛盾的焦点是EMS，一则它是实时信息源，另外两类系统必须与它连接；二则它是由多个开发商开发的，各不相同。为了解决这个问题，美国电力研究所提出了CCAPI，为国际电工委员会(IEC)TC-57接受，确定它作为IEC的EMS接口标准IEC61970 EMS-APl，其包括公用信息模型(CIM)(61970-300)、元件接口规范(CIS)(61970-400和61970-500)。目前1970-300已正式公布，其他的还在草案阶段。但国外的电网调度自动化系统开发商已按照这些标准进行开发。国内的EMS开发单位也在同步进行。
3．2．2公用信息模型
　　要使EMS之间以及EMS与其他信息系统之间能够方便地交换信息，应建立统一的数据模型。IEC规定了统一的数据模型——公用信息模型(IEC61970-300)，包括301公用信息模型基础、302财务和发电计划、303 SCADA。301定义了公用信息基本软件包的集合，提供了EMS信息物理方面的逻辑视图；302定义了财务和能量计划(交易计划)的逻辑视图；303定义了SCADA逻辑视图。CIM表示了电力企业的所有主要对象的信息模型，包括这些对象的类、属性以及它们之间的关系。CIM是整个EMS-APl标准的一部分，这一标准的目的是为了方便地实现对不同EMS之间及与其他
有关系统之间能不依赖于信息内部的表示而交换信息。但是CIM的使用远远超出了它在EMS中应用的范围。
　　CIM采用面向对象的建模技术定义，CIM规范用统一建模语言(UML)表达方法，将CIM定义成一组包，每个包包含一个或多个类图，用图形的方式表示出该包中所有类及相互间的关系，再根据类的属性及其他类的关系，用文字形式定义各个类。CIM包括实体对象类、管理类、运行管理类等。IEC规定的CIM分成15个包，即300描述的核心包、拓扑包、电线包、停运包、保护包、量测包、负荷模型包、储备包、域包、发电包(包括生产子包和发电动态子包)，302中描述的财务包、财产包、能量计划(交易计划)包，以及303中描述的SCADA包。每个包中又包括若干个类，每个类都给出了类模型信息的完全的描述。EMS根据CIM规定的方式进行信息建模后，在EMS之间及与其他系统之间交换信息时，只要根据约定的名字就可交换信息，这样设计的EMS就成为开放化的nuIS。
　　CIM中描述的对象实质上是抽象的，可用于任何需要公用电力系统模型的领域，而不局限于EMS。目前CIM的标准的有关部分已为变电站自动化、配电自动化等领域所采用。
3．2．3 基于可扩展标记语言的互操作
　　为了在按CIM标准设计的EMS之间，在不了解对方系统内部数据结构的情况下交换信息，IECTC-57建议采用可扩展标记语言XML)(Extensible Markup Language)。在IECTC-57和美国EPRI推动下，自2000年起，在美国的主要EMS开发商ABB、SIEMENS、ESCA等纷纷提出自己的测试系统，进行了基于XML的互操作试验，即各自按XML将测试系统的信息编程后导出至另一个系统导入后，再由后者导出送至原系统进行数据运算验证传输的正确性。我国在国(家电网调度通信中心组织下，各EMS开发单位也利用国外提供的测试系统数据，进行了互操作测试工作。对于现有的非基于CIM的EMS来说，也可将已有的数据信息用XML描述，进行初步的信息交换。
3．2．4 基于CORBA的局域网开放化EMS
　　迄今为止，上世纪90年代前后开始的计算机操作系统的开放化，较符合IEEEPOSIXl003．1开放化标准的是UNIX操作系统，由于主要计算机制造厂商的UNIX版本各不相同，并未实现预期目标。为了实现在同一局域网上能用不同版本操作系统的计算机产品，驻留在不同型式计算机上的各种应用可通过局域网实现透明的数据和资源的调用。EMS的研究中就设想用另一渠道来实现，目前国内外EMS的厂商正在研究利用CORBA(Comomon Objeot Request Broker Archetecture)，也就是将EMS支持软件中的网络通信由CORBA来支持。由于CORBA支持不同的操作系统版本，通过它的支持，与CIM相结合、分布在局域网上的由不同类型计算机产品构成的EMS就可实现完全的开放，这方面还在开发中。
4．2．5 通信协议的标准化
　　在电力市场运营条件下，由于保证电网特别是巨型电网之间的安全要求，各级电网调度自动化系统之间的信息交换将会内容更多、更加频繁。如在进行电网安全分析时，需获得相连的外部电网的实时信息，上下级电网调度之间需交换更多内容的信息等。厂站RTU和变电站自动化系统与不同的上级调度自动化系统主站用网络方式通信已成当前的趋势。因而通信协议的标准化就是研究的一个热点。通信协议分成调度自动化系统主站与厂站及调度自动化系统之间两部分。前者遵循IEC 60870-5系列通信协议，后者则遵循IEC 60870-6(TASE 2)通信协议。但情况也在不断变化。草案阶段的IEC61850"变电站通信网络和系统”已提出要将现有的60870-5系列通信协议改为统一的通信协议。该标准通过后，它将成为厂站侧子站与调度自动化系统主站间通信的标准协议。前已提到，61850标准制定中已采纳了61970CIM的规定进行信息建模，其目的是使子站系统的数据库结构与主站系统的相应数据库一致。这就提供了一种可能性，即在系统维护时按照CIM建模的调度自动化系统主站与各个按照CIM建模的子站间通过XML编程通信，主站将各子站的数据库的有关部分采集而直接构成主站的数据库，从而减少了主站建库的重复劳动，简化了维护工作，并保证了主站与子站数据库的一致性。
4 结束语
　　电网调度自动化系统是一个动态研究领域，自问世至今一直在发展，以适应电网不断发展的需要。我国电网自改革开放以来，20年中发展迅速，现在全国联网正在进行。电力市场机制也将在全国电网中运营。因而按照电网调度自动化系统的发展方向，加快一体化、标准化的电网调度自动化系统的开发，是当前的需要。类、属性以及它们之间的关系。CIM是整个EMS-APl标准的一部分，这一标准的目的是为了方便地实现对不同EMS之间及与其他有关系统之间能不依赖于信息内部的表示而交换信息。