智能电网下ＥＭＳ的发展应用

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随着电力市场化改革的不断推进、全球气候变化的日益加剧、环保要求日趋严格和国家能源战略的最新调整，电网公司与电力市场、用户之间的协调和交互越来越密切、电能质量要求逐步提升、可再生能源发电数量不断增加，传统的电力系统已经越来越难以支撑如此多的发展要求。为了满足经济社会发展的需求，实现电力系统的升级换代，以美国和欧洲为代表的一些国家和组织相继提出了发展智能电网(Smart Grid)的设想，进一步提高电网运行的安全性、稳定性和经济性。智能电网是未来电网发展的大趋势，是经济和技术发展的必然结果，因此，对智能电网的研究具有重大的理论意义和实际价值。

我国国家电网公司从实际国情出发，根据我国能源分布及电网的特点，提出了建设有中国特色的坚强智能电网的设想。坚强智能电网包括发电、输电、变电、配电、用电和调度等六大环节，其中调度环节肩负着整个电力系统的运行与管理，是坚强智能电网建设的重要内容，是一个值得深入研究的课题。电力系统调度中心是电网运行管理的指挥决策中心，负责指导电力系统内发电、输电、变电和配电设备的运行，负责系统内重要的操作和事故处理。可以说，电力系统能够安全经济运行，是与各级电力系统调度中心所作的工作密不可分的。调度中心作为电力系统的神经中枢，其调度自动化系统的性能高低对电网的安全、经济运行起着重要作用。

随着智能电网概念的提出和电力体制改革的不断深化，传统的电网调度运行方式面临巨大挑战。虽然目前能量管理系统(EMS)已经得到广泛应用，但仍停留在分布式独立计算阶段，还需要调度员的人工干预才能进行计算分析，然后根据调度员的经验进行决策处理，这在调度操作的实时性和合理性上存在很大的缺陷。当前，电网的规模不断扩大、电力市场改革日益深化和智能电网建设的实际需求，致使电力系统的结构和运行方式日趋复杂，对电网频繁调整的工作量也越来越繁重，同时对于调度人员心理素质和运行经验的要求也越来越高。在电网发生故障时，大量的报警信息显示给调度员，调度员不可能在极短的时间内对这些信息进行分析处理，做出正确的故障处理决策，调度员的反应速度越来越不能满足电网运行的需求。因此，电网运行迫切需要功能更为强大和智能化的调度自动化系统，帮助调度人员完成调度任务，提高电网运行的安全性和经济性。

智能电网是未来电网发展的必然选择，而智能调度是建设坚强智能电网的核心内容之一，是国内外电网运行机构的共同目标。因此，随着形势的发展和技术的进步，智能调度系统的出现是必然的，EMS的应用发展是智能电网发展的核心。

一．
$ |% {" p' f! e国内外智能调度系统的发展与研究现状

最早全面论述建立电力系统智能调度系统的文献是由现代能量控制中心的创始人Dy-Liacco于1997年发表的[1]。文中论述了关于建立智能机器调度员(Automatic Operator, AO)的设想，主要目的是为了解决电力系统的紧急控制问题。文中建议将包括动态安全分析、操作员仿真培训、自动学习等在内的多个软件整合于一体，并使其自动运行，实时监测电网的运行状态，以达到紧急控制的目的。在线运行的每巧分钟执行一次计算，通过采用模式识别和决策树的方法不间断地产生训练集，以模拟调度员对电力系统的运行状况的在线监测和自动学习。最后，通过不断的学习训练，将逐渐变成有经验的调度员。但是文章中只是提出了智能机器调度员的设想，并没有进行实际的研究开发。

文献[2]在Dy-Liacco博士所提出的智能机器调度员(AO)概念的基础上，结合中国电网调度运行的实际情况，提出并研究了基于电网精细规则的数据挖掘技术，通过主题定义、海量训练样本生成、特征选择和规则生成等步骤自动挖掘出精细化的电网安全运行规则；开发了AO的原型系统，给出了基于集群机的硬件设计和软件结构，介绍了软件功能和算法。并针对某省级电力系统，对AO原型系统进行了测试和分析。

我国卢强院声提出了“数字电力系统”的概念，数字电力系统概念包括对电力系统稳态、正常运行情况下，调度系统对电力系统的监视、预防和优化等等；华北电力大学的杨以涵教授领导科研组在数字电力系统概念的基础上，主要从电网故障和安全方面开展了深入的研究工作，逐步构建了基于稳态信息和故障信息的“调度机器人”的思想和体系。

文献[3]将调度中心的概念进行扩展，提出了现代能量控制中心的概念，重点探讨了控制中心在信息化、自动化、集成化和智能化等方面的变革，包括：应用信息理论对电力系统的信息流进行分析，重建真实的电力系统原貌，改善电力系统的运行条件对现有能量控制中心的数据进行集成，建立数据仓库并进行数据挖掘，用于控制中心的决策支持；对电力系统的常规操作以及异常和事故处理的操作，实现更高级别的自动化。通过上述途径使控制中心的功能由单一注重安全稳定发展为安全与经济的协调，由局部控制发展为全局分层控制，由离线分析发展为在线分析，由开环控制发展为闭环控制，由在线稳态分析发展为在线暂态分析。

文献[4]在讨论智能故障诊断算法、故障恢复决策的原理及实现算法的基础上，提出了基于专家系统的事故处理智能辅助决策支持系统。该专家系统通过采用信息一体化技术实现了与SCADA、EMS以及故障信息系统间的信息交互，提供综合的故障恢复决策，使调度员在面对复杂故障时，能够更快地进行故障定位，恢复供电。

如何把电网运行的各种信息及知识组成一个规范统一、界面友好、使用方便、具有学习和适应能力的决策支持系统，用以提高电网运行的可靠性、调度效率和管理水平，是电网运行控制中心面临的一个重大挑战。而电网调度自动化系统的分布式结构对系统的开放性、集成性、复用性提出了更高的要求，Agent技术的出现为建立这种分布式、开放式系统提供了新的途径和方法。

文献[5]在分析了电力系统运行现状的基础上，提出了基于多Agent的电网运行决策支持系统，并设计了系统的框架结构，对功能和决策过程进行了较为详细的阐述。文献[6]将多Agent技术引入电力市场技术支持系统中，提出了基于多Agent的广义电力市场技术支持系统模型和设计方案，并对Agent系统开发的关键技术进行了讨论。

文献[7]介绍了鄂尔多斯电网智能调度决策支持系统(Decision Support System, DSS)的结构以及各模块的功能，描述了系统的决策过程。该系统将专家系统等人工智能技术与DSS结合起来，实现了电网调度系统的初步智能化，能够辅助调度员做出更加合理的调度决策。该智能调度决策支持系统由数据库、模型库、知识库、职能模块和人机交互5部分组成，数据部分是一个数据库系统，模型部分包括模型库及其管理系统，知识库部分由知识库管理系统和知识推理机组成，职能模块是以EMS为基础的各种分析应用，人机交互部分用以接受和检验用户的请求，调用系统的应用软件为决策服务，使模型运行、数据调用和知识推理达到有机的统一。

二．EMS在智能电网中的应用

2．1 高效快捷的数据采集与分析处理

EMS传统的数据采集系统是SCADA(数据采集与监控系统)，针对其过于丰富的测量数据，首先需要对其数据进行筛选与重组。实体电网主要涉及由输配电线路连接的电网和以变电设备为特征的厂站。前者横跨广域空间，后者连接多电压等级。为达到总体最佳的信息处理效果，首先进行信息分层。控制中心统揽影响全局的信息，厂站负责局域信息，引入多代理思想，在信息层面对控制中心和厂站进行封装，构筑信息的分层分布式重组系统框架。各个封装的信息实体上下级之间进行信息交流，下级将其电网模型和实时信息汇报给上级，上级汇总所有信息并形成完整匹配的电网潮流模型，并自动生成外网等模型，下发给下级。国家5级调度机构也分别形成各自的信息封装，并共同完成上下级之间的信息交流、信息重组。

信息交流的频率依据实际情况而定，不是越高越好而是适时交流必要信息，同级之间也进行适时的信息交流，且主要是少量的边界信息，以达到信息的筛选。

目前，基于广域测量技术的现代EMS加强了数据整合和实时分析功能，能够为调度人员提供高质量的系统实时动态信息和辅助决策信息，增强了电力市场辅助服务监测，帮助运行人员提高分析电网的准确度。将静态、动态和暂态信息集成在一起，并实现统一时标、综合管理，还可以实现功角、频率、电压的在线分析，事故处理决策，预防和紧急控制在线决策和电网模型参数校核。

此外，文献[8]分析了安控系统实测数据、内网EMS状态估计数据、外网EMS状态估计后数据或离线典型方式数据和WAMS数据等的特点，并依据其对安全稳定性评估精度的影响不同，提出了这些数据的获取方法及相应的互联电网运行状态估计方法。文献[9]结合“华中电网利用EMS实时信息进行自动计算智能决策并实现控制的新型稳定控制系统”的工程实践任务，对预决策稳定控制系统的实用化问题进行了研究。设计了从EMS获取实时数据，利用专家系统和分区理论对数据进行智能处理的方法；并研究了利用并行技术提高系统分析速度的方法。智能电网还将不断整合和集成电网生产运行管理和企业资产管理平台，从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务[10]。

2．2 全面深入的智能调度与辅助决策系统

实现智能调度功能能帮助大区调度员协调各级电网的运行，优化协调网间交易、机组组合、出力分配、备用等。辅助决策功能通过多种分析软件的综合决策帮助调度员更快更准地应对各种突发事故。

为了真正达到电网智能控制和辅助决策的目的，必须要能获得对电力系统进行在线安全稳定分析的功能——利用高性能量测和通信系统到得拓扑、潮流、频率、电压、设备实时模型等信息，然后据此进行状态估计和在线建模分析，最后确定当前系统的安全稳定性。

然而在过去的几十年，人们利用Dy-Liacco于40多年前构建的电网自适应安全控制构架并一直沿用至今。该构架强调预测、预防、预控,实时监视、分析、评估的主要是稳态量，所涉及的紧急控制也只是静态紧急控制，任何涉及动态的分析基本上都依靠离线进行。因此，目前的电力系统安全稳定分析主要以离线分析为主，不能完全反映系统的真实情况。一些学者提出利用离线分析进行更超前的分析，为在线计算提供指导，在线计算修正离线分析结果，使其更符合实际。

20世纪80年代中期提出、近些年迅速发展的向量测量单元(phase measure unit, PMU),可以数ms的时间间隔快速感知电力系统动态过程，但如何利用这些实时数据在短时间(s级)内实现快速安全稳定分析仍是一大难题。于是，对EMS提出了以下新要求：1)快速安全稳定计算方法、判据和控制策略，如并行计算、分布式计算等，文献[11]提出了一种用于动态稳定分析的分布式计算技术(distributed computing)方法，能将故障计算时间缩短将近1/2；2)高性能设备，拥有高速计算、海量存储、高容错能力等；3)快速仿真、建模方法；4)超短期潮流分析；5)快速故障定位方法；6)人性化人机交互界面。

此外，由于环境和能源资源的限制，智能电网将面临大量可再生能源的接入。这些能源具有间歇性和随机性，可控性差，高比重接入电网时，需要其他可控电源和蓄能装置来缓冲和平衡。人工调整几乎不可能，必须依靠自动控制手段解决。大量表现各异的可再生能源接入电网，也增加了EMS的智能调度的难度。

2．3 精确优化的输电计划与事故预测

传统电网的建设和运行往往要被动地适应负荷，使得一部分设备和输电通道的利用率不高；配电网线损较大，线路和设备老化，事故频发；目前电网的检修以定期为主，检修计划不能完全与设备状态相匹配，这也导致了其利用率的下降。

为了改变传统电网效率低下的现状，在合理规划电网、更新输配电设备的基础上，EMS需要制定优化的输电计划，进行精确的事故预测与辨识[12]，适时引入状态检修和需求侧管理。实时运行中，进行超短期负荷预测，由运行调度功能来协调运行计划与运行控制之间的偏差，既保证不偏离运行计划太远而丧失经济性，又保证为运行控制留有足够的裕度，以应对系统运行中可能出现的功率不平衡；评估各种开断对电网的危害程度，并预先给出这些开断发生后的紧急控制的校正控制对策。文献[13]提出了新一代EMS预警和安全对策系统(EWSC)，包括状态安全分析(SSA)、电压稳定分析(VSA)、暂态安全分析(TSA)以及电力系统继电保护和自动装置误操作的潜在冲击评估。

为了精确优化输电计划和事故预测，EMS还必须与气象部门、水利部门等相关部门实时交换相关信息，实现其短时甚至超短时预测：负荷预测(系统负荷和节点负荷)、气象预测(气温、降雨、降雪、雷击、台风、极端天气等)、可再生能源的出力预测等。根据紧急程度，作出相应的预警、告警、宣布紧急状态等，并启动应对预案、及时更新输配电计划等。

总结

为了应对全球资源环境压力，适应电力市场化改革的需求，确保电力系统更加安全、可靠、经济、高效运行，国内外电力行业都不约而同的将智能电网作为未来电力系统的发展方向，实现对传统电网的升级换代。为适应未来智能电网的建设需求，调度系统必然经历传统型调度向智能型调度的转变。

针对目前我国坚强智能电网的发展要求、供电可靠性经济性及其对大型新能源接入的发展要求，作为大区和省级调度中心发电、输电自动化控制系统的EMS的发展将在很大程度上促进智能电网的发展。

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