萬 磊
摘 要 湖北電網EMS是引進ABB公司的SPIDER系統。介紹了該系統的配置及發電控制、生產計劃、網絡監視、安全分析評估4部分功能應用情況，提出了基礎調度自動化工作實用化后應在量測分布、刀閘實時信息采集、氣象溫度實時采集、機組運行費用數據測試等方面進一步完善的改進要求。
關鍵詞 能量管理系統 調度自動化 應用
分類號 TM 734
THE IMPORT AND APPLICATION OF EMS FOR HUBEI ELECTRIC POWER SYSTEM
Wan Lei
Hubei Electric Power Dispatch and Telecommunication Bureau，430077，Wuhan，China
Abstract EMS for Hubei Electric Power System is SPIDER system introduced from ABB Company. The system configuration and the four functions of automatic generation control (AGC), production planning, network supervision, security analysis assessment are introduced. In order to satisfy the requirement of EMS, several improvement suggestions in the practical SCADA system are put forward according to the experience from application and operation. These suggestions include metering distribution, the real-time data acquisition of isolators, the real-time acquisition of meteorological temperature and the data test of units operation charge and
so on.
Keywords EMS dispatching automation application
1 系統概況
湖北電網EMS是引進ABB公司的SPIDER系統，它采用雙以太網的客戶服務器體系結構，滿足分布式、開放性的要求。硬件配置由4臺RCS300前置機(可配128套Modem)、2臺SCADA服務器、2臺EMS服務器、3臺調度員工作站、2臺通信工作站、1臺開發工作站、1臺便攜式遠方工作站、1臺報表打印工作站、6臺打印機、1臺大屏幕背投式投影儀、1臺GPS以及DEC網絡交換機等設備組成。目前SCADA部分已接入廠站92個，可適應ABB的RP571規約、國標CDT以及CDT不同版本的規約，與網調實現計算機通信，并可向MIS和模擬盤轉發數據。目前網絡規模為：外部網4個，地區子系統18個，負荷119個，發電機93臺，母線449條，線路161條，其中省間聯絡線12條，變壓器93臺，遙測量2677個，計算量4490個，遙信量3990個，其中開關量1017個。
EMS的應用功能分為四大部分：發電控制，網絡監視,安全分析評估和生產計劃。根據合同，湖北電網EMS的功能分為TYPE1和TYPE2兩類。對于TYPE1的功能，ABB要負責現場調試和驗收，包括發電控制部分的自動發電控制(AGC)功能、經濟調度(EDC)功能、網絡靈敏度分析(NS)功能，網絡監視部分的實時數據快照(SNP)功能、狀態和模擬量的修正(SAR)功能、網絡拓撲(NMB)和動態著色(DNC)功能、母線計劃(BSK)功能、狀態估計(SE)功能和網絡參數更新(NPU)功能。對于TYPE2的功能，ABB只負責到出廠驗收。現場調試由自己完成，包括生產計劃部分的短期負荷預計(SLF)功能、機組組合(UC)功能和安全分析評估部分的靜態安全分析(SA)功能、調度員潮流(DPF)功能。
EMS運行數據庫為AVANTI實時數據庫，運行響應速度快。提供給用戶的數據工程工具(DE)采用的是Oracle關系數據庫，其界面清晰，便于用戶數據的維護管理。電網模型按層次定義，共分為5個層次。數據定義采用了預定義數據類型的方式，即根據不同設備或元件類型，預先做好數據塊類型定義，在定義電網模型時只需選擇相應數據塊類型就可完成所需數據的填寫。數據庫生成時，完成Oracle數據庫到AVANTI實時數據庫的數據轉換，將用戶數據轉換為不同應用功能所需要的關系和格式類型。這種工作方式保證了電網模型數據的一致性，效率高，可避免人為錯誤。
在人機界面上，全部使用同樣的廠站單線圖、世界圖、系統潮流圖，調度員可以選擇不同的應用功能在畫面上顯示不同來源的數據。在正常顯示方式下，優先顯示SCADA實時采集的數據，如果狀態估計辨別出了壞數據，則用狀態估計的結果自動代替SCADA數據顯示，保證給調度員提供方便的界面。
各種功能模塊由EMS軟件監管系統管理。監管系統可確定應用序列的方式、應用模塊的投入狀態，監視功能模塊的運行狀態(關閉狀態、初始化狀態、啟動預備狀態、請求執行狀態、正在執行狀態、閉鎖狀態、超時狀態、執行完成狀態、停止狀態)，定義應用模塊的啟動方式(手動啟動、事件啟動、周期性啟動、統計啟動)和執行方式。
2 功能應用
2.1 發電控制部分
2.1.1 AGC功能特點
AGC控制模式中，定頻率控制(CFR)既可按電網額定頻率，又可以按調度員設定的計劃頻率曲線運行。定聯絡線凈交換功率控制(CNI)既可以按調度員設定的聯絡線凈交換值運行，又可以按96點的交換功率計劃(網供鄂計劃)曲線運行。聯絡線偏差控制(TLB)可綜合考慮以上因素。具有時間偏差校正、電能量償還控制和生產成本計算功能。
湖北電網AGC除了靜態經濟調度功能外，還具有超前AGC功能。即超短期負荷預計和動態經濟調度功能。即預計下一小時每5 min間隔的負荷，用預計的結果優化下一周期AGC控制的基點功率，提前對發電機進行調整，當系統的負荷發生變化時，發電機出力能及時滿足負荷變化的要求。動態經濟調度功能提高了發電控制的水平，使AGC具有預見的能力。
2.1.2 網絡靈敏度分析與經濟調度
網絡靈敏度分析綜合考慮電網負荷和聯絡線交換功率運行水平對靈敏度分析的影響。使經濟調度計算充分考慮各種運行條件下網損的影響。經濟調度能對采用混合燃料機組的多條運行曲線進行處理，采用最小邊界調度成本的算法進行求解，它比一般的等微增率計算方法適應性要強。
2.1.3 AGC工作應用情況
1998年初，結合湖北電網的現狀與今后發展制訂出湖北電網AGC的實施方案。從電廠的基礎工作到調度端AGC軟件的調試，從通道建設到RTU接口設備改造，在資金安排和時間配合上都做了詳細計劃。經過調度、電廠和設備制造廠的共同努力、密切配合，完成了與黃龍灘水電廠（90 MW×2）和漢川火電廠（300 MW）AGC聯調工作，可調容量247 MW，占系統直調容量的6.39％，實現了湖北電網AGC零的突破。1998年7月開始正式投運，1999年2月通過網調組織的AGC功能驗收。
1999年計劃對青山、漢川、鄂州、襄樊電廠的6臺300 MW機組的AGC功能進行調試，擴大湖北電網AGC可調容量，出臺AGC管理辦法，提高湖北電網的AGC運行和管理水平。
2.2 生產計劃部分
2.2.1 負荷預計
負荷預計按工作日和節假日來區分負荷類型，考慮天氣溫度對負荷的影響，采用綜合平均移動的自動回歸算法。預計未來10 d每24 h的負荷，并具有負荷預計誤差的在線監視功能。這種方法的特點是能夠根據負荷的特性，自動修正負荷預計模型的參數，使預計結果準確性不斷提高。
氣候對負荷有明顯的影響，在負荷預計的模型以及數據庫的定義中均考慮了氣候問題。這需要采集全省每個負荷點的當地溫度，目前仍采用人工輸入溫度數據的辦法。要使負荷預計的參數能適應湖北電網的負荷特性，達到準確的預計結果，在溫度量的采集上還要做實用化的工作，并需一段時間進行模型參數的自適應修正。
2.2.2 機組組合
機組組合根據負荷預計結果和機組的啟停費用、運行燃料費用、維護費用，并考慮機組增減負荷的時間和速率限制、旋轉備用和燃料約束，采用拉格朗日松弛法，應用動態規劃技術，確定下周最優的機組組合安排。與優先次序法相比，求解的效果好。
在湖北電網經濟調度和機組組合模塊中，機組經濟運行參數都是用相應的費用來計算的。因缺少要通過機組的試驗才能測量計算到的各種費用數據，目前在軟件調試中使用的參數均給定為典型參數，尚未實用化。在生產計劃編制中進行機組的優化組合，進行經濟調度工作，如何與目前電力工業體制改革，實現廠網分離，開展電網商業化運營，競價上網工作的實際情況結合起來，建立電力市場優化調度體系是下一步工作要解決的重要課題。
2.3 網絡監視部分
2.3.1 實時數據快照、數據修正、母線計劃和網絡參數更新
EMS數據使用的優先順序是：調度員設定的數據，實時數據，運行經驗數據，DE定義的補缺值數據。經驗數據是將負荷、電壓、變壓器抽頭等電網運行參數按照春夏秋冬不同季節、不同的工作日和節假日、每天不同的時段(1 h～24 h可調)進行長期積累、修正得到的。能代表設備的一般運行狀況。
當數據修正(SAR)模塊檢測到量測標志位，表示沒有更新的實時數據，也沒有人工設定數據時，就取經驗數據作為量測量使用。這樣當RTU故障或通道不通沒有實時數據時，EMS仍可以得到合理的數據。母線計劃(BSK)包括負荷計劃、發電機計劃和調節計劃3部分。負荷計劃是在需要的時候，將系統負荷按網絡參數更新(NPU)模塊統計出的負荷分配系數分到每個負荷。負荷的分配系數有3個層次：湖北全省負荷→各地區負荷→變電站負荷組→負荷。
每次狀態估計(SE)計算完后，NPU自動更新網絡參數，為以后的數據修正功能積累經驗數據。
2.3.2 網絡拓撲
網絡拓撲根據開關刀閘狀態確定整個電網的連接狀況，并具有開關狀態與其正常狀態的比較、遙信不更新狀態的檢查、設備退出運行監視、帶電設備的監視、子系統所屬廠站監視、系統解列告警的功能，具有按照子系統劃分、電壓等級劃分、分區劃分的方式進行動態著色的功能。狀態估計的量測可觀測性分析結果可在系統潮流圖中選擇動態著色的功能，直觀地看到可觀和不可觀的區域。
2.3.3 狀態估計
狀態估計檢測辨識SCADA中的壞數據，為EMS其他應用功能提供完整的、可靠的電網熟數據。另外它提供許多輔助功能，例如檢測支路過載、電壓或注入量越限。還提供量測系統的監視功能：根據狀態估計的結果，跟蹤記錄遙測異常出現的時間和被檢測出的次數，跟蹤記錄遙測狀態不更新出現的時間，根據給定的門檻值按誤差大小篩選列出電網中最差的遙測量及其相關的狀態。這些輔助功能提供了對實時數據錯誤的檢測手段，具有很好的實用效果。
2.4 安全分析評估部分
2.4.1 調度員潮流
湖北電網調度員潮流主要用于研究方式的網絡分析中，包括數據讀取模塊、網絡模型建立模塊、負荷和發電分配計劃模塊和調度員潮流模塊。調度員可選用牛頓法或PQ分解法計算，并可以選擇使用聯絡線交換功率控制功能、分布式平衡節點功能、無功電壓控制功能、變壓器分接頭控制功能和無功設備投切功能，對電網進行實時分析研究。
2.4.2 靜態安全分析
安全分析由故障的定義、故障方式的篩選、故障嚴重性的評估3部分內容組成。根據安全分析的結果就可以確定電網當前的狀態或給定條件下的狀態是否安全。湖北電網安全分析軟件有以下特點：
調度員對故障可以人工定義也可采用自動定義，既可定義單重故障也可定義多重故障。故障的定義范圍包括線路、變壓器、發電機、調相機、電容器、電抗器、負荷、母線、開關等。越限檢測包括支路潮流越限、發電機出力越限、電容器等無功設備容量越限、母線失壓和越限等。運行限值的定義分為嚴重程度告警限值、警報限值和輕微警報限值3級。便于調度員區分越限的嚴重程度。
3 進一步完善的要求
自動化的實用化達標工作對提高電網調度自動化的運行水平起了很大的推動作用，但這并不能說明湖北電網自動化的基礎能夠完全滿足EMS的要求。 EMS的狀態估計功能可以對SCADA中的不良數據進行識別和糾正，彌補SCADA的一些不足，但另一方面EMS對SCADA提出了比實用化指標更廣、更嚴的要求。
3.1 量測分布方面
實用化指標中沒有對量測分布的要求，這是由于SCADA實用化量測著重在功率總加和聯絡線潮流方面。而EMS對量測的要求則是全面的，進行狀態估計就必須做量測系統的可觀測性分析，先計算出可觀測部分，再尋求不可觀測部分的結果，狀態估計不收斂往往就出在不可觀測部分。在湖北電網中遙測量總體上冗余較多，但在局部某些廠站例如青山老廠等站的量測嚴重不足，影響狀態估計的計算結果。
3.2 刀閘實時信息方面
實用化指標中沒有對刀閘實時信息的要求，但進行網絡拓撲時必須分析每一個開關刀閘的位置以確定元件的連接狀態。湖北電網中只有鄂州電廠等少數廠站考慮了刀閘實時信息，其余廠站均未接入刀閘實時信息。雖然目前要求調度員在每次操作完成后，再進行人工登錄刀閘開合狀態的最后一項操作，但實際應用中仍存在問題。漏登或遲登都影響到網絡拓撲的正確性。
3.3 變壓器分接頭方面
湖北電網在豐水期、枯水期以及一些特殊運行方式都要調節變壓器分接頭位置，而目前RTU均未將變壓器分接頭位置信息采集上來。運行方式調整后，分接頭位置的變化不能及時反映到EMS中，這對EMS計算結果，特別是對無功分布優化帶來偏差和影響。
3.4 電廠的廠用電方面
電網的發電功率總加與地區的用電功率總加的差值，其中除了網損外，發電廠的廠用電在這之中占有相當大的比例。有些電廠的廠用電還包含了獨立的向外供電負荷，使這種差值有時達到不可允許的數值。目前，電廠的廠用電及外供負荷實時遙測均未送調度，這對EMS的負荷預計、狀態估計以及相關的計算帶來不小的影響。
3.5 氣象情況采集方面
解決溫度等的實時采集尚缺乏手段，人工輸入溫度數據不符合自動化的要求。
3.6 機組的運行費用數據測試方面
未能解決火電機組的投產和大修后運行參數的測試。
3.7 基礎參數方面
實現EMS功能，不僅對SCADA的實時數據有全面的要求，對系統的基礎參數也有嚴格的要求，特別是在新設備投產、檢修的工作配合方面、機組聯調實驗方面, 需要相關科室更緊密的配合。目前已制訂自動化科與運行方式科工作配合制度，明確對實現EMS功能的職責分工，用新的管理辦法對EMS運行維護加以規范。
3.8 通道質量和主備通道數量方面
通道的中斷和誤碼率增高，嚴重影響遙測的準確性和冗余度。
4 結語
電網調度自動化的實用化給EMS應用提供了基礎。EMS實施后，工作中暴露出的問題，又對SCADA的完善起到指導和促進作用。要實現電網EMS各方面的應用功能，除了不斷研究和應用新的先進技術、改進EMS功能的實用性外，還需要在基礎自動化上進一步完善和提高。期望通過基礎自動化工作的不斷完善，解決系統中存在的問題，讓EMS功能在湖北電網的安全經濟運行中發揮更強大的作用。
作者簡介：萬 磊，男，1964年生，高級工程師，從事電網調度自動化系統的開發應用和運行管理工作。
作者單位：湖北電力調度通信局 430077
