前言

由于原有的陜西電網(wǎng)電能量管理系統(tǒng)（EMS）是原西北電管局于1995年從加拿大CAE公司引進(jìn)的，運(yùn)行已近十余年，系統(tǒng)硬件老化，系統(tǒng)可靠性逐年降低，難以對其進(jìn)行功能升級和擴(kuò)充，已無法滿足電力發(fā)展和調(diào)度生產(chǎn)的需求。2006年結(jié)合陜西電力公司調(diào)度大樓的搬遷，急需建設(shè)一套技術(shù)先進(jìn)、功能完善的新一代EMS系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)的商業(yè)化運(yùn)行使輸電系統(tǒng)的某些重要輸電斷面經(jīng)常運(yùn)行于滿負(fù)荷或接近滿負(fù)荷的狀態(tài)，由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)輸電、變電和配電將電能供應(yīng)到各用戶。為實(shí)現(xiàn)這一功能，電力系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，對電能的生產(chǎn)過程進(jìn)行測量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、通信和調(diào)度，以保證用戶獲得安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電能。系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題日益突出。加強(qiáng)對互聯(lián)電力系統(tǒng)動態(tài)過程的監(jiān)測成為我國互聯(lián)電網(wǎng)面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。目前，電網(wǎng)中的EMS系統(tǒng)以正常運(yùn)行時的穩(wěn)態(tài)監(jiān)測為主，缺乏實(shí)時動態(tài)監(jiān)測的功能。這些因素限制了調(diào)度運(yùn)行部門快速確定電網(wǎng)的動態(tài)擾動性質(zhì)，不利于調(diào)度運(yùn)行部門及時選擇正確的控制措施。因此，很有必要建立電網(wǎng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的DCS與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)；它應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。由于SCADA系統(tǒng)只能提供穩(wěn)態(tài)的、低采樣密度的、不同步的電網(wǎng)時間斷面信息，不能根據(jù)這些信息跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展軌跡，準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)情況。而被稱為電力系統(tǒng)三項(xiàng)前沿課題之一的基于GPS技術(shù)的廣域向量測量技術(shù)已日趨成熟，電網(wǎng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用已成為電力技術(shù)研究的熱點(diǎn)，并發(fā)揮著越來越重要的作用。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。它在遠(yuǎn)動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能，即我們所知的"四遙"功能。RTU（遠(yuǎn)程終端單元），F(xiàn)TU（饋線終端單元）是它的重要組成部分。在現(xiàn)今的變電站綜合自動化建設(shè)中起了相當(dāng)重要的作用。

1 EMS-WAMS一體化系統(tǒng)簡介

圖1為EMS-WAMS一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖1 EMS-WAMS一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

陜西電網(wǎng)EMS/WAMS一體化系統(tǒng)是建立在統(tǒng)一支撐平臺OPEN-3000上的，其應(yīng)用軟件功能配置圖如圖2所示

圖2 EMS/WAMS一體化系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能配置圖

由圖1及圖2所示可以看出EMS-WAMS系統(tǒng)均在安全防護(hù)一區(qū)，具有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)前置完成數(shù)據(jù)采集功能，但共用歷史數(shù)據(jù)庫存儲EMS和WAMS的各種數(shù)據(jù)，WAMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元（Phasor Measurement Unit，PMU）采集的動態(tài)數(shù)據(jù)的存貯（包括穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的存貯），由于這些數(shù)據(jù)都有各自的系統(tǒng)存貯，在WAMS中不需要對這些數(shù)據(jù)作長期的存貯，只要存貯最近7天的數(shù)據(jù)供分析時快速調(diào)用即可。WAMS （Wide Area Measurement System）廣域監(jiān)測系統(tǒng)，電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)采用同步相角測量技術(shù)，通過逐步布局全網(wǎng)關(guān)鍵測點(diǎn)的同步相角測量單元（PMU），實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)同步相角及電網(wǎng)主要數(shù)據(jù)的實(shí)時高速率采集。采集數(shù)據(jù)通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳送到廣域監(jiān)測主站系統(tǒng)，從而提供對電網(wǎng)正常運(yùn)行與事故擾動情況下的實(shí)時監(jiān)測與分析計(jì)算，并及時獲得并掌握電網(wǎng)運(yùn)行的動態(tài)過程。WAMS作為電網(wǎng)動態(tài)測量系統(tǒng)，兼顧了SCADA系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)的功能。其前置單元相量測量裝置PMU能夠以數(shù)百Hz的速率采集電流、電壓信息，通過計(jì)算獲得測點(diǎn)的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向主站發(fā)送。PMU通過全球定位系統(tǒng)（GPS）對時，能夠保證全網(wǎng)數(shù)據(jù)的同步性，時標(biāo)信息與數(shù)據(jù)同時存儲并發(fā)送到主站。存貯內(nèi)容含所有PMU采集或匯集的電網(wǎng)動態(tài)相量數(shù)據(jù)，至于電網(wǎng)異常狀態(tài)下有關(guān)測點(diǎn)的三態(tài)（穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)）數(shù)據(jù)則需長期保存。

2 EMS-WAMS一體化平臺的優(yōu)點(diǎn)

WAMS/EMS一體化系統(tǒng)主要體現(xiàn)在：共享網(wǎng)絡(luò)模型和參數(shù)；共享廠站圖形；共享實(shí)時數(shù)據(jù)；統(tǒng)一的系統(tǒng)配置和管理；統(tǒng)一的人機(jī)界面和支撐工具（圖形、告警、實(shí)時庫、網(wǎng)絡(luò)和通信等）；統(tǒng)一的API編程接口等。實(shí)時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)保存采用統(tǒng)一的機(jī)制，在同一幅廠站畫面上可以切換顯示EMS和WAMS的數(shù)據(jù)。

采用一體化支撐平臺的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）降低了系統(tǒng)總的硬件投資和維護(hù)費(fèi)用：EMS現(xiàn)有的各種硬件資源可以充分共享，如歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、人機(jī)工作站及維護(hù)工作站；

（2）集成各種量測數(shù)據(jù)，簡化接口設(shè)計(jì)：在同一幅畫面上既可以顯示EMS的靜態(tài)數(shù)據(jù)，又可以顯示W(wǎng)AMS動態(tài)數(shù)據(jù)，無須用多余的接口去實(shí)現(xiàn)。給調(diào)度員同時監(jiān)控電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運(yùn)行提供了極大的方便；

（3）實(shí)現(xiàn)一體化維護(hù)，減輕工作量，減少出錯：一體化維護(hù)后可大大減輕日常的維護(hù)工作，各種靜態(tài)數(shù)據(jù)和圖形均可以共享，模型、圖形和實(shí)時數(shù)據(jù)只需一處維護(hù)，避免了因維護(hù)不及時造成的潛在不一致；

（4）方便運(yùn)行人員使用：統(tǒng)一的界面和支撐工具降低了培訓(xùn)費(fèi)用，易于熟悉和使用；調(diào)度臺上一臺終端通過簡單切換應(yīng)用就可實(shí)現(xiàn)EMS和WAMS的不同監(jiān)視功能運(yùn)行監(jiān)控。

（5）有助于整合EMS和WAMS，實(shí)現(xiàn)綜合在線分析：現(xiàn)陜西電網(wǎng)EMS/WAMS系統(tǒng)已很方便將三態(tài)數(shù)據(jù)整合在一起，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)視及在先安全穩(wěn)定評估。

3 EMS-WAMS的具體應(yīng)用

陜西電網(wǎng)的WAMS系統(tǒng)是分兩期建設(shè)的，即WAMS1（主要包括數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)分析和監(jiān)視功能），WAMSII（在線動態(tài)安全評估功能，Dynamic Security Assessment，DSA）。目前已具備以下功能模塊：電網(wǎng)運(yùn)行動態(tài)監(jiān)視；快速故障分析；電網(wǎng)擾動識別；三態(tài)數(shù)據(jù)整合；低頻振蕩監(jiān)視；計(jì)及PMU量測的狀態(tài)估計(jì)；DSA功能等。

陜西電網(wǎng)目前投運(yùn)的PMU廠站數(shù)為22個（其中5個電廠），在近一年的運(yùn)行過程中，其應(yīng)用已初見成效。主要表現(xiàn)在：

（1）WAMS系統(tǒng)已經(jīng)解決了SCADA部分量測方面的問題，在改善電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)精度方面發(fā)揮了積極的作用。目前陜西電網(wǎng)EMS-WAMS一體化系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)能夠組合EMS系統(tǒng)中的SCADA量測數(shù)據(jù)和WAMS系統(tǒng)中的PMU動態(tài)數(shù)據(jù)共同參與計(jì)算，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行觀察，有PMU數(shù)據(jù)參與的狀態(tài)估計(jì)，其計(jì)算精度、計(jì)算收斂率等都有所提高。

（2）WAMS數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：可記錄系統(tǒng)完整的動態(tài)過程；以連續(xù)相量數(shù)據(jù)描述電網(wǎng)狀態(tài)；采樣密度為25、50、100幀/秒；采用基波數(shù)據(jù)；嚴(yán)格時間同步；所有數(shù)據(jù)帶有時標(biāo)；各類數(shù)據(jù)和電氣/地理位置無關(guān)。而EMS數(shù)據(jù)只記錄狀態(tài)空間中的一個點(diǎn)；以潮流和狀態(tài)估計(jì)描述電網(wǎng)狀態(tài)；采樣密度幾秒鐘一個點(diǎn)；數(shù)據(jù)采用有效值；不同步；數(shù)據(jù)不帶時標(biāo)。電源管理單元是一種高低集成的、針對便攜式應(yīng)用的電源管理方案，即將傳統(tǒng)分立的若干類電源管理器件整合在單個的封裝之內(nèi)，這樣可實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率和更低功耗，及更少的組件數(shù)以適應(yīng)縮小的板級空間。PMU用于精確的DC參數(shù)測量，它能驅(qū)動電流進(jìn)入器件而去量測電壓或者為器件加上電壓而去量測產(chǎn)生的電流。PMU的數(shù)量跟測試機(jī)的等級有關(guān)，低端的測試機(jī)往往只有一個PMU，通過共享的方式被測試通道逐次使用；中端的則有一組PMU，通常為8個或16個，而一組通道往往也是8個或16個，這樣可以整組逐次使用；而高端的測試機(jī)則會采用per pin的結(jié)構(gòu)，每個channel配置一個PMU。利用這些精細(xì)數(shù)據(jù)對電力系統(tǒng)進(jìn)行全新的分析已成為可能，從而彌補(bǔ)了SCADA系統(tǒng)的不足。

在陜西電網(wǎng)WAMS系統(tǒng)投運(yùn)初期便經(jīng)受了西北電網(wǎng)東西斷面大擾動試驗(yàn)的檢驗(yàn)，成功地記錄并保存了擾動期間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且準(zhǔn)確計(jì)算分析出了大擾動期間所發(fā)生的短路等故障類型及故障參數(shù)，為進(jìn)一步分析總結(jié)電網(wǎng)故障發(fā)生的機(jī)理及模型校核發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。如果此次大擾動實(shí)驗(yàn)沒有WAMS系統(tǒng)僅憑EMS系統(tǒng)，由于EMS數(shù)據(jù)的采集速率是以秒級為單位，根本無法撲捉瞬間發(fā)生的擾動數(shù)據(jù)

如圖3所示為WAMS系統(tǒng)記錄的擾動數(shù)據(jù)波形圖：

擾動發(fā)生時，WAMS系統(tǒng)可自動召喚子站的PMU裝置的100幀/秒的動態(tài)數(shù)據(jù)及錄波數(shù)據(jù)文件，連同主站的25幀/秒的實(shí)時數(shù)據(jù)一并長期保存至與EMS系統(tǒng)一體化的歷史數(shù)據(jù)庫中，同時可對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，可分析出故障類型（單相瞬時或永久性短路故障、相間瞬時或永久性短路故障、兩相接地瞬時或永久性短路故障、三相瞬時或永久性短路故障、手合故障等）、發(fā)生時間、故障相別等參數(shù)。

該系統(tǒng)中的WAMS數(shù)據(jù)可方便的在EMS/WAMS一體化系統(tǒng)中的同一幅畫面上進(jìn)行切換，即同一幅畫面既可以顯示EMS的靜態(tài)數(shù)據(jù)，又可以顯示W(wǎng)AMS動態(tài)數(shù)據(jù)，無須用多余的接口去實(shí)現(xiàn)。

圖3 擾動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄圖

（3）作為WAMS系統(tǒng)建設(shè)一部分的DSA系統(tǒng)，在陜西電網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了在在線動態(tài)安全評估的功能。建立在陜西電網(wǎng)一體化平臺上的DSA系統(tǒng)同樣可共享EMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型、圖形數(shù)據(jù)，同時針對基于PMU狀態(tài)估計(jì)應(yīng)用提供的潮流斷面進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)安全評估。

在計(jì)及PMU動態(tài)數(shù)據(jù)參與的狀態(tài)估計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算的模型和參數(shù)，對預(yù)想故障場景進(jìn)行數(shù)值仿真。采用暫態(tài)安全穩(wěn)定量化分析方法對仿真曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，給出每個預(yù)想故障的暫態(tài)功角、電壓和頻率安全穩(wěn)定裕度及其模式。其中包括功角穩(wěn)定定量分析、電壓安全定量分析、頻率安全定量分析等；定量分析是對社會現(xiàn)象的數(shù)量特征、數(shù)量關(guān)系與數(shù)量變化的分析。投資分析師使用數(shù)學(xué)模塊對公司可量化數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析。通過分析對公司經(jīng)營給予評價(jià)并做出投資判斷。定量分析的對象主要為財(cái)務(wù)報(bào)表，如資金平衡表、損益表、留存收益表等。其功能在于揭示和描述社會現(xiàn)象的相互作用和發(fā)展趨勢。暫態(tài)功角穩(wěn)定模式以臨界發(fā)電機(jī)群的形式表示，暫態(tài)電壓和頻率安全穩(wěn)定模式分別以電壓薄弱母線集合和頻率薄弱母線集合來表示。

為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動態(tài)安全在線評估及預(yù)警和安全穩(wěn)定計(jì)算用模型及參數(shù)校核兩項(xiàng)功能，陜西電網(wǎng)現(xiàn)已配置12臺PC服務(wù)器和兩臺用戶工作站及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，其中12臺PC服務(wù)器用于電力系統(tǒng)動態(tài)安全在線評估及預(yù)警，兩臺用戶工作站用于模型及參數(shù)校核計(jì)算。

圖4為DSA系統(tǒng)動態(tài)安全評估及預(yù)警的計(jì)算數(shù)據(jù)斷面：

圖4 動態(tài)安全評估及預(yù)警的計(jì)算數(shù)據(jù)斷面

4 存在的問題及改進(jìn)建議

目前，陜西電網(wǎng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在著如下需進(jìn)一步解決的主要問題：

（1）WAMS數(shù)據(jù)共享的問題：

由于我國電網(wǎng)實(shí)行分級調(diào)度，陜西省調(diào)自建的WAMS系統(tǒng)只能觀察到省內(nèi)330kV的電網(wǎng)，而陜西電網(wǎng)僅為西北電網(wǎng)的一部分，共有四條聯(lián)絡(luò)線與西部電網(wǎng)相連，為進(jìn)行穩(wěn)定性分析，除關(guān)心區(qū)內(nèi)運(yùn)行情況外還應(yīng)關(guān)心區(qū)域邊界對側(cè)、甚至相鄰區(qū)域重要電源的運(yùn)行情況。目前西北網(wǎng)調(diào)對其區(qū)域內(nèi)的PMU數(shù)據(jù)并未實(shí)現(xiàn)共享，陜西電網(wǎng)若要進(jìn)行穩(wěn)定性分析必須整合成西北電網(wǎng)規(guī)模的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。目前的陜西電網(wǎng)采用的方法是：狀態(tài)估計(jì)結(jié)果作為內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)，外網(wǎng)數(shù)據(jù)是四套典型方式數(shù)據(jù)，陜西內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線實(shí)測功率在一定誤差范圍內(nèi)作為數(shù)據(jù)匹配條件。如果實(shí)現(xiàn)西北電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)的實(shí)時共享，一方面可充分發(fā)揮廣域測量技術(shù)的特點(diǎn)，WAMS監(jiān)測的區(qū)域電網(wǎng)越廣闊，WAMS技術(shù)的優(yōu)勢將越突出。

（2）WAMS系統(tǒng)廠站端PMU裝置的問題：

陜西WMAS系統(tǒng)廠站端PMU裝置的問題主要體現(xiàn)在兩個方面：

本身產(chǎn)品的質(zhì)量問題：出現(xiàn)過PMU傳輸數(shù)據(jù)無效、頻率失步等導(dǎo)致PMU數(shù)據(jù)不可用；發(fā)電機(jī)并未實(shí)現(xiàn)絕對相角的測量；無法判定PMU測量裝置本身量測數(shù)據(jù)的誤差；

施工監(jiān)督不力：陜西電網(wǎng)普遍出現(xiàn)過主變中壓側(cè)接線有誤，造成數(shù)據(jù)相反的情況，還出現(xiàn)過相序相反造成數(shù)據(jù)不合理的現(xiàn)象；

因此有必要建立PMU的質(zhì)量檢測體系：包括相量測量的精度檢測；角度和頻率、靜態(tài)和動態(tài)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化檢測；實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、相量測量的時效性檢測；數(shù)據(jù)處理時間和相量存儲功能的檢測等。

（3）應(yīng)盡快完成模型及參數(shù)校核計(jì)算工作，建立WAMS電網(wǎng)事故分析的管理制度，使仿真計(jì)算模型校核與修正工作制度化。

（4）目前WAMS系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果并不能直接提供給調(diào)度員進(jìn)行操作。下一步應(yīng)繼續(xù)深入研究以期用最簡單直觀的方式輔助調(diào)度員決策，使其真正成為調(diào)度人員的好幫手。

5 結(jié)論

陜西電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了EMS和WAMS系統(tǒng)的一體化建設(shè)：公用一個實(shí)時信息系統(tǒng)平臺，所有應(yīng)用統(tǒng)一建模，任何一個電力系統(tǒng)設(shè)備只需維護(hù)一次。該系統(tǒng)技術(shù)含量高，應(yīng)用需求高，集成度高，信息量大。不僅減少了硬件設(shè)備的投資，簡化了接口設(shè)計(jì)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的效率。使陜西電網(wǎng)的運(yùn)行水平跨上了一個新的高度，已成為電網(wǎng)運(yùn)行和電力生產(chǎn)的必不可少的現(xiàn)代化工具。電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，使高效、無污染、使用方便、易于調(diào)控的電能得到廣泛應(yīng)用，推動了社會生產(chǎn)各個領(lǐng)域的變化，開創(chuàng)了電力時代，發(fā)生了第二次技術(shù)革命。電力系統(tǒng)的規(guī)模和技術(shù)水準(zhǔn)已成為一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。