（电气工程专业论文）数字化调度技术支持系统及其相关技术研究.pdf

摘要 摘要 智能电网是国际电力工业的共同选择，国内外都给予了极大的关注。我们需要全面落实科学发 展观，建设国际领先、自主创新、中国特色的坚强智能电网。电网的快速发展要求电网运行更加智 能化，传统的经验型的电网调度模式已经不能适应新的要求，必须结合科技信息技术的进步，打造 电网调度的数字化和智能化。 论文研究的数字化调度是建设数字化电网的关键内容，是智能电网和智能调度建设的重要基础， 是输电网的神经中枢，是维系电力生产过程的基础和保障电网运行发展的重要手段。论文在国家电 网公司“十一五”( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 建设数字化电网的大背景下，分析了调度自动化系统的现状与 问题、发展历程与趋势，阐述了国内外研究现状、建设数字化调度的目的和意义，剖析了数字化调 度的内涵和体系架构，对数字化调度的应用布局进行了分析和研究，创新性地提出了数字化调度技 术支持系统横向纵向一体化理念，研究了相关关键技术，包括：调度应用服务总线技术、省地县三 级电网调度一体化技术、调度与变电站一体化建模技术、量测时标及海量数据处理技术、高级可视 化技术、综合预警和调度辅助决策技术、极端外部灾害下的调度防御技术等。这些研究工作将为全 面推进电网调度技术支持系统的标准化建设，提升调度驾驭大电网的能力发挥重要作用。 建设智能调度是国内外电网运行机构的共同目标。在本文中已开展的数字化调度技术支持系统 的相关实践和已经实施的技术、人才和设施基础上，我国调度的体系与关键技术研究必将取得更大 突破。国际领先的调度技术支持系统必然出现在中国。 关键词：数字化电网数字化调度智能电网智能调度调度技术支持系统 东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s m a r tg r i di st h ec o m m _ o nc h o i c et ot h ei n t e r n a t i o n a le l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s e s ，b o t ha th o m ea n d a b r o a dh a v eb e e ng i v e nag r e a td e a lo fc o n c e r n w en e e dt of u l l yi m p l e m e n tt h es c i e n t i f i cd e v e l o p m e n t c o n c e p ta n de s t a b l i s ht h ew o r l d - w i d e l yl e a d i n g ，i n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n , s t r o n ga n ds m a r tg r i d w i t h c h i n e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e q u i r e m e n t so ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fg r dr e q u i r e sam o r ei n t e l l i g e n t o p e r a t i o n ，h e r e b yt h ee x p e r i e n c eo r i e n t e dt r a d i t i o n a ld i s p a t c hm o d ec a nn o ta d a p tt on e wd e m a n d s w i t h t h ep r o g r e s so f i t i n d u s t r y ，t h ed i g i t a ld i s p a t c hs h o u l db ec o n s t r u c t e dt ot a c k l et h ea b o v ed e s c r i b e d c h a l l e n g e c o n s i d e r i n ga sn e r v ec e n t r a lo fs t r o n ga n dd i g i t a lg r i da n dt h ef o u n d a t i o no fp o w e rp r o d u c t i o n , t h e d i g i t a ld i s p a t c hw h i c he n s u r e st h eo p e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fg r i d ，i s o n eo ft h ek e ye l e m e n t sf o r c h i n a sp o w e rg r i d t h ea n a l y s i so f t h es i g n i f i c a n c eo f t h ec o n s t r u c t i o no f d i g i t a ld i s p a t c h ，t h es t a t e m e n to f h o m ea n do v e r s e a sr e s e a r c hp r o g r e s s ，t h ed e s c r i p t i o no fc o n t e n ta n da r c h i t e c t u r ea sw e l la sc h a r a c t e r i s t i c s o fd i g i t a ld i s p a t c h ，r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e sf o rc o n s t r u c t i o no fd i g i t a ld i s p a t c hi nc h i n aa r et h em a i n b o d yi nt h i sp a p e r i ti sp r o p o s e dt ot h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ld i s p a t c hi nc h i n a t h ed e v e l o p m e n to fs m a r td i s p a t c hg o e st o w a r d sac o m m o ng o a lo fi n t e r n a t i o n a lu t i l i t ye n t e r p r i s e s b a s e do ne x i s t i n gp r a c t i c e ，e x p e r i e n c e ，r e s e r v eo ft e c h n o l o g ya n dr e s e r v eo ft a l e n t s ，w ew i l lm a k em o r e s i g n i f i c a n tb r e a k - t h r o u g hc o n s e q u e n t i a l l yi nt h ec o n s t r u c t i o no fd i s p a t c hs u p p o r ts y s t e ma n di nr e l e v a n t r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e so fs m a r td i s p a t c h i n d e e d ，w ea r es t i let h a tt h ew o r l d - w i d e l yl e a d i n gs m a r t d i s p a t c hw i l lb e b o r ni nc h i n ao r i g i n a l l y k e yw o r d s ：d i g i t a lg r i d ；d i g i t a ld i s p a t c h ；s m a r td i s p a t c h ；s t r o n g s m a r tg r i d ；d i s p a t c h i n g s u p p o r ts y s t e m i i 东南大学工程硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 宴乏k 日期： 竺仝! ! 竺! 翌 导师签名： 篡盈k 日期：竺芏! ! 竺12 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景 国家电网公司( 以下简称公司) 以高度的社会责任感和历史使命感，在认真分析世界电网发展 新趋势和中国国情的基础上，提出了立足自主创新，以统一规划、统一标准、统一建设为原则，建 设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一坚强智 能电网的发展目标，推动国家能源战略实施，实现电网发展方式的重大转变，服务“两型”社会、 和谐社会，促进经济与社会可持续发展。 在坚强智能电网提出( 2 0 0 9 年5 月2 1 日) 前，国家电网公司“十一五”科技发展规划拉1 ( 2 0 0 6 - 2 0 1 0 ) 中提出了建设结构清晰、运行可靠、信息全面的实时数字化电网的目标，满足电网安全运行 决策支持所需的实时性、系统性和综合性的要求，为电网安全运行提供信息支持。公司以“构建数 字化电网，打造信息化企业”为战略目标，大力实施集团化运作、集约化发展、精细化管理和标准 化建设，不断推进数字化电网、信息化企业建设进程。预计到“十一五”末，数字化电网建设将取 得重大进展，信息化企业建设将基本实现。本课题在公司“十一五”数字化电网建设的大背景之下， 作为“十一五”末期数字化电网领域重点项目，开展数字化调度技术支持系统及相关技术的研究工 作。 近年来，国家电网公司积极实施“一特四大”n 1 发展战略，电网建设取得了举世瞩目的成就。 晋东南一南阳一荆门1 0 0 0 千伏特高压交流实验示范工程于2 0 0 9 年1 月6 日投入正式运行，标志着 国家电网已跨入了特高压、大电网的新时代。特高压骨干网架具有优越的技术性能和强大的配置资 源能力，将从根本上打破现有电网的运行格局。到2 0 1 2 年，公司系统将形成以“两横两纵”特高压 交流电网为主干，以华北、华东、华中( “三华”) 电网为核心的交直流混联的特大型电网。随着“三 华”特高压同步电网的形成和西北、东北大送端电网的建设，国家电网将呈现出全新的电网形态， 电网特性将由区域模式主导转向总体模式，对电网调度驾驭大电网的能力、进行大范围资源优化配 置的能力和电网调度的一体化运行水平提出了新的要求。迫切需要电网调度部门迅速提高对“三华” 特高压同步电网的运行控制能力，实施“三华”电网调度核心业务的集中运作，建设与之相适应的 新一代调度技术支持系统，以保障电网的安全、优质、经济运行。 数字化调度技术支持系统研究是数字化电网关键技术研究的重要组成部分，该系统将创新性地 构建调度中心跨越安全分区的综合应用支撑平台，促进调度中心各应用功能的横向协调运转；同时 在国内首次提出了省地县三级电网调度一体化思想，确立了省地县三级电网调度技术支持系统的建 设模式，为三级电网的一体化调度决策提供技术支撑，促进了上下级调度中心之间的纵向信息资源 共享。数字化调度技术支持系统的研究将填补数字化电网调度决策分析领域的研究空白。本文从电 网调度的实际需求出发，紧扣调度自动化系统发展的最新趋势，分析现有调度自动化系统现状和存 在的缺点问题，对数字化调度技术支持系统的内涵、体系架构、应用功能组成、关键创新技术和发 展建设规划进行了全方位的剖析。 1 1 1 现状与问题 各级调度中心经过多年的调度自动化及生产运行管理过程中，已经建设了批专业应用系统， 包括能量管理系统( e m s ) 、自动发电控制( a g c ) 系统、自动电压控制( a v c ) 系统、调度员培训仿 真( d t s ) 系统、电能量计量( t 橛) 系统、水调自动化系统、安全预警系统、故障信息管理系统、 操作管理系统( o m s ) 等。这些系统在为电网调度运行提供服务、确保电网安全稳定运行、提高电网 调度和管理水平等方面起到了一定的积极作用。但这些系统均是面向部门独立建设的，随着电网规 模的不断扩大、网架结构的日益复杂、信息资源的日趋增多，对电网调度的数字化、自动化、智能 化h 。要求越来越高，由这些系统构成的综合环境所面临的一些问题也凸显出来，这些问题包括： 信息资源规划布局与共享整合问题。调度中心各业务软件大多是独立的、封闭的，没有统一的 规划布局和合理的体系架构，算法或功能存在重复，资源不能整合与共享，整体不能协调运转；不 能满足系统高度开放性、高度可扩展性、组件可重用性的需要；而传统的e m s 体系架构仅仅针对调 度自动化软件功能集成的需要，不能满足调度中心各专业应用功能整合、资源共享的需要。横向上， 东南大学工程硕士学位论文 调度中心内部信息无法协同共享，纵向上，上下级调度之间资源不能互联贯通，信息既冗余又不足。 因此虽有海量的数据，但却有表象的、不可靠的特点，其综合性和智能性也不高，利用率低，不利 于电网的安全监控和综合防御。 电网海量数字化信息处理问题。海量电网运行信息使电网调度面临巨大的挑战。一方面随着电 网的快速发展和一次二次系统的同步建模、采集与分析的需要，信息量不断增加；另一方面，随着 基于w a m s 的动态量测采集技术的广泛应用以及时标量测采集的试点实施，使得我们对超级电网这个 物理对象的感知速度不断加快，感知范围不断扩大，但随之也带来了更加突出的海量电力信息数据 存储及处理问题。因此迫切需要研究海量电力信息处理技术，利用海量数据处理技术实现海量信息 的统一、标准和透明的访问，实现大电网静态、动态、暂态三位一体的信息处理与分析。 调度分析决策手段智能化问题。调度中心大量应用分析软件的存在与使用标志着经验型调度向 分析型调度的成功转变，然而，这些软件大多离线、被动运行，即使是在线的软件也缺乏对调度决 策的主动与智能化的支持。在分析型调度向智能型调度转变的新形势下，这些稳态、动态分析领域 的孤立、封闭的软件需要协调运行，为调度决策旧。提供主动智能化的支持。同时，随着电网规模日 益扩大，如何智能化地对电网进行建模、分析、决策和控制，也面临着大量的新问题。 电网安全防御手段缺乏问题。电网的安全稳定运行是永恒的主题，如何在电网监控与调度决策 领域建立多层化的电网安全防御是摆在我们面前的现实问题，北美“8 1 4 ”大停电充分演绎了电网 协调分析、决策问题的全局概念和防御体系的重要性。因此，迫切需要我们从时间、空间、极端灾 害等多个层面建立电网的多层面防御体系，这就要求调度中心加强多层面安全防御应用功能的建设， 在准确全面的电网分析与决策手段下确保电网的安全稳定、经济优质运行。 综上所述，调度中心现有各应用系统已经有所局限，难以满足驾驭大电网、整合大电网调度决 策多个侧面多个维度信息、建设数字化电网多层安全防线的需要。数字化调度技术支持系统将统筹 考虑调度自动化系统的数据及应用需求，以面向服务的体系结构，按照应用和数据集成的理念，构 造统一的数据支撑平台和应用服务总线，实现数据整合和应用功能整合，达到数据一致、信息共享、 应用功能增值的目的，并为调度自动化的运行和开发提供功能强大、方便易用的集成支撑环境，实 现大电网监控和分析的统一性：从时间尺度上讲，需要静态、动态、暂态的整合共享；从空间尺度 上讲，需要各级调度的统一协调：从对象尺度上讲，既要考虑输电网和配电网相结合，又要考虑经 济稳定性( 电力市场的影响) 和物理稳定性的交织作用。系统建设将从信息综合利用和管理的角度 着眼，以确保数字化调度技术支持系统的可持续性扩充和发展，为全面提升电网调度决策系统驾驭 大电网的能力和运行管理水平提供技术保障。 1 1 2 历程与趋势 到目前为止，电网调度自动化系统的发展已经历经了四代，第一代系统为7 0 年代基于专用机 和专用操作系统的s c a d a 系统，第二代系统为8 0 年代基于通用计算机和集中式的s c a d a e m s 系统， 部分e m s 应用软件开始进入实用化，第三代系统为9 0 年代基于r i s c u n i x 的开放分布式e m s 系统 ( 含s c a d a 应用) ，采用的是商用关系型数据库和先进的图形显示技术，e m s 应用软件更加丰富和 完善，第三代系统的主要特征是基于r i s c 图形工作站的统一支持平台的功能分布式系统。随着计算 机技术、网络和通信技术、数据库技术等的飞速发展和电力市场的要求以及国际标准的成熟完善， 第四代电网调度自动化集成系统于2 0 0 4 年开发完成，不同于第三代系统，第四代调度自动化集成系 统是一套支持e m s 、d m s 、w a m s 和公共信息平台的集成系统，为调度自动化提供了一揽子的集成方案， 以遵循i e c6 1 9 7 0 为主要特征，采用了大量的先进技术，包括c o r b a 中间件技术、c i i c i s 技术、 s v g 技术等。 本课题在第四代电网调度自动化集成系统的基础之上，开展研究工作。以遵循国家电网公司电 网调度技术支持系统建设框架旧1 为基础，引入数字化电网调度决策的理念，以全新的体系架构， 构建数字化电网信息支撑平台，以全面服务于电网的安全、稳定、优质、经济运行为宗旨，以全面 提升电网调度决策支持水平为最终目标。调度技术支持系统的发展过程见图1 - 1 。 2 第一章绪论 图1 1 调度技术支持系统发展历程 新一代数字化调度技术支持系统，能够满足电网安全稳定运行的要求，提高驾驭大电网的能力， 全面实时掌握电网运行的静态、暂态、动态信息，进行电网静态、动态安全稳定问题的在线全局分 析，实现全局在线安全预警和辅助决策，多维度及时、准确地掌握整个电网的实时动态。构建完整、 一致、准确、及时、可靠的基础数据，满足在线应用的要求；构建能提供全景、全息、多维度信息 的信息平台，彻底解决信息孤岛问题；实现电网调度运行可视化、智能化决策，为电网的安全稳定、 经济优质运行提供坚强的技术支撑。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，到目前为止尚未出现关于“数字化电网”和“数字化调度技术支持系统”方面的正式 报道。但对于电网的数字化、智能化，欧美发达国家都已提出了目标，并启动了相关研究。2 0 0 1 年， 美国电科院e p r i 首先提出了智慧电网( i n t e l l i g r i d ) 的概念，并开始研究。随后大量的研究机构、 电力企业和各国政府逐渐参与并积极促进智能电网定义的完善和示范项目的推进。2 0 0 4 年，美国能 源部启动电网智能化项目。2 0 0 6 年欧洲智能电网技术论坛提出了欧洲智能电网发展目标，各成员国 也开始研究制定各自的智能电网发展战略。目前，美国已经公布了智能电网第一批1 6 类1 0 0 项标准， 一批示范工程正有计划、有步骤的进行。目前，智能电网还处于发展初期，世界各国政府、电力企 业及学术界对智能电网的功能、特性及定义尚不统一。最具影响力或代表性的智能电网概念分别来 自美国、欧洲和中国。 自1 9 9 6 年开始，以美国联邦能源管制委员会( f e r c ) 第8 8 8 和8 8 9 法令的颁布为主要标志， 美国多数电网相应成立了独立运营机构( i s o ，i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) ，美国的各i s o 和 调度技术支持系统开发厂家，次日电力市场的运行为基本目的，逐步突破安全约束的机组组合喁。 ( s c u c ) 、安全约束的经济调度旧( s c e d ) 等关键技术，在市场化方式下组织电力的供应同时，突出 电网的电力平衡、备用控制、调节能力和安全运行的需要，将状态估计、静态安全分析、机组组合、 安全约束的经济调度、安全校核等应用推向在线连续运行并目渐成熟，保障了次日电力市场的正常 运行和实时市场的逐步运行。电力供应的市场化有效地推动了美国调度自动化技术的发展和应用水 平，带动网络建模、拓扑分析、状态估计、静态安全分析、机组组合、安全约束的经济调度、安全 校核等一批应用的成熟和实用，删s 系统日渐完善，使美国调度自动化在线应用的水平处于世界的 前列。 目前，美国i s o 主要业务包括电力市场运行、电网调度运行、电网( 和电源) 规划、结算，核 心的技术支持系统包括e l s 、电力市场运营系统旧1 ( 删s ) 、结算系统和o a s i s 。由于结算系统与电力 市场规则密切相关，大多由i s o 的i t 部门开发，也有i s o 使用商用结算系统，多数i s o 认为自己开 发的结算系统优于商用系统。 3 东南大学工程硕士学位论文 e m s 和m m s 是支持美国i s o 电网运行、电力市场运行的有力工具，二者之间紧密结合，数据同 享程度越来越高、应用之间的配合越来越紧密。具体的体现是i s o 各项业务自动化、流程化的特征 明显，电网安全与电力市场运营协调运作；不同应用共享精细化的电网全模型；软件系统的体系结 构日趋标准，并采用通用i t 技术实现：界面直观灵活、体现不同应用特点，可视化程度高；自动化 系统的开发和运行均采用严格的质量管理流程。 下面对国外先进国家调度自动化技术和应用水平的情况作具体分析： 1 ) 网络建模 美国i s o 在相关系统中建立和使用电力系统详细全模型。i s o 管理的5 m w 以上机组和1 1 5 k v 以 上电网全部详细建模，6 9 k v 电网有些部分详细建模，有些等值建模，l 一2 m w 机组合并建模。根据对 内网的影响程度，相联的电网外扩2 3 层建立详细模型，2 3 层以外利用静态等值方法建立等值 模型，互联双方签订协议交换相关实时数据、网络模型和参数。例如新英格兰i s o 电网模型包括相 邻纽约i s o 的4 5 0 条母线，新英格兰i s o 中长期电网模型计算母线数为5 0 0 0 ，e m s 系统计算母线数 为3 0 0 0 。纽约i s o 的计算母线数为3 0 0 0 ，其中内部母线1 0 0 0 个，外部母线2 0 0 0 个，遥测和遥信 2 5 0 0 0 个。纽约i s o 与p j m 用i c c p 方式以2 6 秒周期送相关实时数据，联络线采集周期是2 秒。 由于建立了包含低压网、小机组和部分外网的详细电力系统模型，使i s o 内部不同系统必须共 享网络模型，减少系统维护的工作量，并可以全面的描述电网，详细分析市场和电网潜在的问题， 正确反映和预测电网潮流的变化，提高各类应用软件的计算准确性。通过状态估计计算可以获得全 网完整的实时运行状态，为实时电网安全分析和实时电力市场提供可靠和全局性的基础潮流数据， 提高潮流、安全分析等网络分析软件以及母线负荷预测的计算精度和准确性，同时降低了母线负荷 预测软件的求解难度，如纽约i s o 电网包含小机组和部分3 4 k v 电网，母线负荷预测可根据状态估计 结果直接分配。 2 ) 电网和市场运行的主要应用功能 美国i s o 电网安全运行规章和市场运行规则非常严密，调度员按照规章和规则调度电网。电网 安全运行和市场运行相关的各应用功能相互联系，各应用功能紧密配合，软件运行自动化流程化。 电网日常调度运行( 包括电网安全、日前和实时市场) 的各项应用功能按照不同的周期和启动条件 自动运行和切换，调度员可控制软件的运行，但通常很少干预。当电网发生故障时，如掉机组，实 时市场调度软件自动重新计算。 各应用功能的数学模型和约束条件结合电网运行、机组特性、不同机组类型、辅助服务、不同 发电和机组报价类型等方面的实际要求，考虑得非常详细。 i s o 在线运行的主要应用功能包括：e m s 、实时市场、日前市场、金融输电权。调度员培训模拟 离线运行。 ( 1 ) e m s e m s 包括网络建模、s c a d a 、负荷预测、a g c 、状态估计、实时安全分析、潮流、研究态网络分 析、研究态安全分析等。e m s 计算有基态越限时，启动灵敏度分析，增加电网约束并激活，作为经 济调度计算的电网约束。e m s 与日前和实时市场共享电网安全约束和故障定义。 新英格兰i s o 状态估计运行周期为3 分钟。实时安全分析( r t c a ) 每3 个状态估计运行1 次， 运行周期为9 分钟。r t c a 是全潮流n - 1 安全分析，扫描的元件包括线路、变压器和机组，计算一次 n l 安全分析为十几秒。 纽约i s o 状态估计运行周期为3 0 秒，收敛率达到9 9 9 。状态估计结果用于实时安全分析、潮 流和实时市场。正常方式安全分析基于预想故障集( 1 0 0 0 个事先定义的故障集，包括复合故障) ， 每5 分钟计算一次：快速安全分析每分钟运行，只计算1 0 0 个严重故障。f a t s 与电力市场共享故障 定义。 ( 2 ) 日前市场n 0 3 日前市场是金融市场，由于市场规则不同，有些i s o 日前市场要进行无电网安全约束、考虑不 同报价和负荷预测的多步骤安全约束机组组合和安全分析计算。无论采用何种市场规则，日前市场 核心应用是安全约束机组组合( s c u c ) 、安全约束经济调度( s c e d ) 和安全分析( s f t ) ，这几个软件 相互迭代求出最终的机组调度计划。安全约束机组组合考虑电力平衡、辅助服务需求和网络安全约 束，考虑启动费用( 包括热、中、冷备用) ，考虑上下调节、各类备用，各类与时间相关约束、各类 不同的机组类型、不同发电和负荷报价类型等约束。安全分析采用n 一1 或预想故障集。 日前市场安全约束机组组合具有多时段、约束复杂、计算规模大的特点。目前安全约束机组组 合( s c u c ) 已在i s o 投入运行并实用化，如m i d w e s ti s o 采用a r e v a 的s c u c ，4 8 时段、4 万个计算 母线、5 万条支路的电网，可在1 0 分钟完成s c u c 计算。 输入数据包括发电和需求报价、检修计划、电网约束、负荷预测与外网交换计划。输出数据包 4 第一章绪论 括机组计划、节点电价、起作用约束等。 ( 3 ) 实时市场3 实时市场是物理市场，用于调度和结算。实时市场主要包括安全约束经济调度( s c e d ) 和辅助服 务市场，有些i s o 有2 5 小时的机组组合，1 5 分钟滚动计算，可启动快速启动机组。实时市场关键 应用是安全约束经济调度( s c e d ) ，计算周期为5 分钟。s c e d 基于状态估计结果、机组报价和实时 运行数据进行实时节点电价计算。实时调度分为紧急调度和正常调度，紧急调度指电网发生故障时， 在计算过程中改变机组限值并放松电网约束。 实时市场每5 分钟运行一次，利用s c e d 计算未来1 小时每1 5 分钟的发电计划。利用交流潮流 进行安全校核，并与s c e d 迭代。实时市场计算出的机组发电计划直接送到a g c ，作为机组的基点功 率。 输入数据包括机组可用状态、备用和a g c 需求、状态估计结果、安全约束、未来5 分钟负荷预 测、机组报价、各小时交易计划。输出数据包括机组计划、节点电价。 ( 4 ) 调度员培训模拟 i s o 调度员大部分从海军招聘，i s o 对调度员的培训力度较大。如新英格兰i s o 的调度员值班6 周后培训l 周，其中有3 天是利用d t s 培训。调度员培训模拟包括e m s 各类应用功能以及目前和实 时市场功能，可进行电网模拟和市场模拟。市场模拟主要进行市场安全模拟，首先取电网和市场保 存的c a s e ，在此基础上模拟各类操作，进行电网安全分析和操作模拟。 3 ) 电力系统模型和约束的应用 根据i s o 不同业务计算时间周期的要求，采用不同的电力系统模型和约束。中长期电网规划采 用面向母线的模型，短期( 目前和实时) 电网调度运行、市场运行和结算采用e m s 电网模型。 采用交流模型计算各类极限。将交流计算得出的暂态和电压极限进行修正，作为市场应用的电 网约束，市场应用软件在求解过程中采用直流模型。e m s 、m m s 以及结算系统共享电网模型。通过网 络建模建立基于节点的电网详细全模型。该网络模型用于s c a d a 、状态估计、实时安全分析、研究 态安全分析等e m s 应用，用于安全约束经济调度( s c e d ) 、安全约束机组组合( s c u c ) 等市场应用， 调度员培训模拟，以及金融输电权( f t r ) 和市场结算等。长期规划( 1 年到1 0 年) 。利用p s s e 软 件，采用面向母线的规划模型，包括静态热稳定、电压稳定、暂态稳定、短路电流。短期运行规划 ( 1 个月到1 年) 。利用p s s e 软件，采用面向母线的规划模型，包括静态热稳定、电压稳定、暂态 稳定。金融输电权( 1 个月到1 年) 。采用e m s 模型，考虑热稳定极限。短期运行规划( 1 天到几天) 。 采用d i s 模型，考虑热稳定极限和电网恢复。短期停复役管理( 1 天到3 天) 。采用e m s 模型，考虑 热稳定极限。日前和实时市场( 实时到1 天) 。采用e m s 模型，考虑热稳定极限。 4 ) e m s 与m m s 的关系 美国i s o 电网调度和市场运行功能和时序非常复杂，e m s 与 8 1 s 各应用功能相互紧密联系、运 行密切配合，软件运行实现了自动化流程化。实现了数据的共享，如电力市场与e m s 共享电网模型、 电网约束和故障定义。从美国i s o 的运行经验看，采用同一套e m s 与删s 系统的i s o 运行较好，用 户满意度较高；使用多家系统的i s o 系统集成比较困难，工程严重拖期。纽约i s o 电力市场和e m s 是a b b 的系统，纽约i s o 建议e m s 与删s 采用同一厂家系统，只有一个电网模型，易于维护和集成。 针对电网和市场实际，a r e v a 提出一个结合能量管理系统( e m s ) 和电力市场运营系统( 删s ) 的新系统 n m s ( n m s = e m s + m m s ) 。 5 ) 电力系统可视化“ 电力可视化是利用先进的人机界面实现系统调度和市场调度的统一，为调度决策提供直观的支 持。美国电力系统的可视化有两种方式：基于e m s 蹦s 和基于p o w e rw o r l d 。用于电网安全监视、 市场运行、安全分析、气象信息显示等 ( 1 ) 基于e m s 删s a r e v a 开发了新一代电力系统可视化系统e t e r r a v i s i o n ，它有如下特点：e t e r r a v i s i o n 基于 w i n d o w sp r e s e n t a t i o nf o u n d a t i o n ( w p f ) 开发的。可视化与底层独立，可直接取a r e v a 数据库的数 据，也可通过适配器与其它系统联接，读取其它系统的数据。实现大量复杂信息的可视化，已在 m i d w e s ti s o 应用( m i d w e s ti s o 有4 5 0 0 0 支路，3 5 0 0 0 计算母线，5 0 0 0 台发电机) 。将地理图、电 网接线图和设备结合，可在各应用功能间灵活切换。根据s c a d a 、状态估计、安全分析、p m u 等不同 应用的特点，分别显示实时、越限和计算结果信息。如在世界图上用等高线显示电压、l m p ，以图标 加数据的方式显示网络灵敏度。并可在不同的显示区域( p a n e l ) 上显示相关数据。可在图上任选一 部分，放到仪表板上显示。实现了与w a m s 系统的集成。利用不同的图标在系统图上显示哪些厂站安 装了p m u 、显示低频振荡，任选2 个厂站可以计算相角差，并在不同的p a n e l 上显示相关数据。可 以与气象信息结合，显示云图、降水量和雷电信息。 5 东南大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 基于p o w e r w o r l d 主要用于显示短期( 日前和实时) 的实时数据、网络分析和市场计算结果。将s c a d a 实时数据、 状态估计、安全分析、潮流、安全约束经济调度和节点电价送到p i 数据库。p o w e r w o r l d 从p i 数据 库读取数据。p o w e r w o r l d 刷新周期为7 秒。利用p o w e r w o r l dr e t r i e v e r 显示，包括系统单线图、 基于地理图的电压等高线、基于地理图的节点电价等高线、3 维有功和无功备用监视、i s o 内部断面 监视、内部区域间断面和a c e 监视、与外区域的联络线断面监视、安全分析可视化。显示方式包括 箭头、等高线、饼图，例如：在系统接线图上用箭头显示潮流方向，用饼图显示断面潮流越限情况， 根据定义的限值，在越限时出现饼图。在系统接线图的母线上用电压等高线显示电压越上限和下限， 蓝色电压高，红色电压低。在地理接线图上以等高线形式显示电压的大小。 ( 3 ) 基于p o w e r w o r l d 的风力可视化。 风力可视化通过在地理接线图上改变颜色的方式，直观的显示风力的大小和影响区域。由于受 风力影响，风力发电出力可能突然变化。i s o 首先进行风力预测，根据风力预测进行风电厂出力预 测，在实时市场中根据风力和风电出力预测，通过给电厂下发基点功率的方式控制未来几分钟后的 风电厂出力。 ( 4 ) a b b 人机系统 基于w i n d o w s ，采用j a v a 技术。提供图形编辑工具，可在线配置菜单和工具条，调度员可以 根据需要编辑和定义表格画面。提供基于m i c r o s o f te x c e l 的报表。提供排序、过滤( 、= ) 、 列固定、隐藏等功能，提供表格与曲线、棒图切换等。 6 ) 体系结构 调度自动化系统渐渐地不再依赖某一特定的硬件厂家和操作系统。系统设计基于标准和通用技 术，使系统易于与其它系统或功能集成，使用标准可以使升级更简单，可以用其它产品或技术逐个 模块替换系统。如a b b 电力市场基于的标准包括p k i 、x m l 、w s d l 、s o a p 、h t t p s 、l d a p 、j 2 e e 、j m s ， 采用基于x m lo v e rj m s 信息的工作流控制和目志，采用基于j a v a 的人机界面，基于x m l 的市场参 与者界面包括w e b 服务、w e bf o r m s 和文件的上传下载。 在可行的情况下，广泛采用第三方软件，不使用定制的软件。如a b b 电力市场采用的第3 方软 件包括s u no n ew e bs e r v e r 、a p a c h et o m c a ts e r v e tc o n t a i n e r 、7 b o s sj 2 e ea p p lic a t io ns e r v e r 。 a r e v a 基于w i n d o w s n e t 的p r e s e n t a t i o nf o u n d a t i o n ( w p f ) 开发了新一代可视化系统 e t e r r a v i s i o n 。新英格兰i s o 和纽约i s o 基于p o w e r w o r l d 实现监视、分析和气象信息可视化。 历史库采用商用数据库，可以满足不同时序存储的要求。如a b b 系统s c a d a 历史数据库使用 o s i s o f tp i ，存储周期为6 秒，电力市场采用o r a c l e 数据库存储历史数据。 根据实时性要求的不同，系统一般有2 条总线。一个是实时总线，另一个是集成总线或消息代 理总线，如a b b 电力市场m e s s a g eb r o k e rb u s ( j m s j a v am e s s a g es e r v i c e ) 。各类应用软件通过 各类服务与总线连接。 7 ) c i m 模型的应用 c i m 模型主要用于不同系统间交换模型和参数，导入导出采用c i m x m l 格式文件。c i m x m l 文件 导入是可配置的，导入到系统后要经过模式一致性校验、基于规则的模型校验、状态估计和市场应 用的全面测试和检验后，再投入在线运行。i s o 的测试系统与运行系统是分离的。e r c o t 的c i m 为电 力市场扩充了近2 0 个类，包括物理设备、联合循环模型、调节曲线、故障列表等等，e r c o t 的c i m 文件为4 5g b ，a b b 系统导入导出模型约需3 0 分钟。 由于修改程序的工作量巨大，a b b 和a r e v a 的系统没有根据c i m 定义修改各自的数据库，c i 姒札 文件中的数据导入后存放在各自的网络数据库中。 8 ) 备用调度中心 i s o 的备用调度中心采用与主调相同的系统，易于数据同步和维护，可方便的进行系统切换。 备调采用热备用方式，软件和硬件配置与主调相同，主调和备调可根据需要灵活切换。纽约i s o 备 用调度中心与主调是相距2 0 英里的2 套系统，全部是a b b 的系统。2 套系统功能相同，无缝联接， 备调是热备用，主调和备调可切换。i s o 每月对备调进行测试，每月有几天切换到备调服务器运行， 主调和备调服务器可自动切换，调度员不了解当前是备调和主调哪台服务器在运行。调度通信使用 2 条光纤专用网络。主控制中心与备调是2 个节点，同时接收s c a d a 实时数据。电网模型采用自定 义格式或c i m x m l 格式文件同步。电厂报价基于互联网，可自动切换到备调。 1 。2 2 国内研究现状 在国内，国家电网公司高度重视电网数字化建设与管理，坚持以数字化为基础，信息化为手段， 6 第一章绪论 带动电网生产自动化和企业管理现代化，各种先进计算机技术、信息技术、网络技术、通信技术、 自动控制技术在电网中获得广泛应用，公司在数字化电网建设方面取得了长足进步。服务于电力生 产和统一调度的发展需要，以宽带网络为主要标志的数字化电网信息基础设施已具规模，骨干网络 覆盖全部网省公司。数据交换体系建设加快，实现了统计数据等关键信息的及时上报、自动汇总和 动态发布。各种生产自动化系统获得广泛应用，大大提高了生产自动化水平。全部网省公司、地区 级电力调度机构均配置了电网调度自动化系统，引入了电能量计费系统和广域测量系统：新规则下 的电力市场交易技术支持系统正在建设之中；变电站实现了计算机监控和无人、少人值守：地理信 息系统( g i s ) 己开始应用于输电、变电和配电管理等业务；以提高信息化水平和生产效率为目标的 生产运营管理信息系统，如电网生产运行管理系统、设备检修管理、变电站建设视频监控系统等在 电网生产管理业务方面发挥了重要作用；以提高经济效益、优质服务为中心的电力客户服务系统， 如集中抄表计费、用电查询等系统直接提供了高效快捷的客户服务；电力负荷管理、电力营销管理 等现代化管理手段得以广泛应用。总而言之，以数字化为特征的各类信息系统已全面覆盖了电网规 划、设计、建设、运行、调度和维护等各个方面，数字化信息技术的应用领域深入到电网生产运行、 经营和管理的各个环节。 作为数字化电网的重要有机组成部分，数字化调度已成为调度自动化技术发展的必然趋势。但 到目前为止，“数字化调度技术支持系统”方面的研究工作在国内尚未见正式报道。其前身国产 调度自动化系统总体技术已经达到国际先进水平，在i e c6 1 8 5 0 和i e c6 1 9 7 0 系列国际标准的应用 方面也处于国际先进水平。国家电力调度通信中心已分别组织了6 次i e c6 1 8 5 0 和i e c6 1 9 7 0 标准 的互操作试验。基于i e c6 1 9 7 0 系列标准的新代电网调度自动化集成系统、调度数据整合和调度 综合数据平台等已得到大量应用。分布式建模及模型拼接和基于e 格式的电网运行动态数据交换为 电网信息共享和一体化分析计算提供了重要基础。基于i e c6 1 8 5 0 系列标准的变电站自动化系统产 品也已经开始试点应用，国家电力调度通信中心已着手制定工程实施规范。 然而，在电网调度中心，各应用系统都是基于本业务或本部门的需求，存在不同的平台、不同 的应用系统、不同的数据格式，难以从整个调度生产全流程的角度来考虑数据的使用，导致调度中 心内部不同的系统信息资源分散，形成了以纵向层次多、横向系统多为主要特征的“信息孤岛”， 横向不能集成共享，纵向上下级贯通困难。上述问题，已经制约了电网调度生产水平、应用水平和 工作效率的进一步提高，造成调度中心系统资源的浪费，难以适应国网公司“构建数字化电网，打 造信息化企业”和电网生产运行系统下一步技术发展进步的要求。因此必须从信息资源的整合入手， 对数字化调度技术支持系统的体系架构进行剖析，对数字化调度技术支持系统的应用功能进行合理 布局，对数字化调度技术支持系统的关键技术进行研究。 总体来说，国调调度自动化系统在日前计划编制和实时调度功能上与国外先进国家存在较大差 距；调度机构内部的人员规模和分工的精细化程度存在较大的反差；基础自动化和基础数据的存在 一定差距，需要为提高调度自动化应用水平奠定坚实的数据基础和维护机制的保障；软件和数据投 运管理机制不如美国严格，我们需要提高软件系统的运行安全水平：可视化理念存在差距，部分厂 家已经达到了可视化就是图形、图形就是可视化的境界，我们需要把握好图形发展方向；公司在未 来调度自动化系统的研究和开发上与美国保持同步，部分领域处于领先地位；国内调度员的培训