陕西电网EMS/WAMS一体化系统的优势及主要应用
前言
由于原有的陕西电网电能量管理系统（EMS）是原西北电管局于1995年从加拿大CAE公司引进的，运行已近十余年，系统硬件老化，系统可靠性逐年降低，难以对其进行功能升级和扩充，已无法满足电力发展和调度生产的需求。2006年结合陕西电力公司调度大楼的搬迁，急需建设一套技术先进、功能完善的新一代EMS系统。
电力系统的商业化运行使输电系统的某些重要输电断面经常运行于满负荷或接近满负荷的状态，由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。系统的安全稳定问题日益突出。加强对互联电力系统动态过程的监测成为我国互联电网面临的一项重要任务。目前，电网中的EMS系统以正常运行时的稳态监测为主，缺乏实时动态监测的功能。这些因素限制了调度运行部门快速确定电网的动态扰动性质，不利于调度运行部门及时选择正确的控制措施。因此，很有必要建立电网实时动态监测系统。
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。由于SCADA系统只能提供稳态的、低采样密度的、不同步的电网时间断面信息，不能根据这些信息跟踪系统的发展轨迹，准确掌握系统运行的动态情况。而被称为电力系统三项前沿课题之一的基于GPS技术的广域向量测量技术已日趋成熟，电网实时动态监测系统的研究与应用已成为电力技术研究的热点，并发挥着越来越重要的作用。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，即我们所知的"四遥"功能。RTU（远程终端单元），FTU（馈线终端单元）是它的重要组成部分。在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用。
1 EMS-WAMS一体化系统简介
图1为EMS-WAMS一体化系统结构图：
图1 EMS-WAMS一体化系统结构图
陕西电网EMS/WAMS一体化系统是建立在统一支撑平台OPEN-3000上的，其应用软件功能配置图如图2所示
图2 EMS/WAMS一体化系统应用软件功能配置图
由图1及图2所示可以看出EMS-WAMS系统均在安全防护一区，具有各自独立的数据前置完成数据采集功能，但共用历史数据库存储EMS和WAMS的各种数据，WAMS系统数据采集单元（Phasor Measurement Unit，PMU）采集的动态数据的存贮（包括稳态数据和暂态数据的存贮），由于这些数据都有各自的系统存贮，在WAMS中不需要对这些数据作长期的存贮，只要存贮最近7天的数据供分析时快速调用即可。WAMS （Wide Area Measurement System）广域监测系统，电网广域监测系统采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元（PMU），实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。采集数据通过电力调度数据网络实时传送到广域监测主站系统，从而提供对电网正常运行与事故扰动情况下的实时监测与分析计算，并及时获得并掌握电网运行的动态过程。WAMS作为电网动态测量系统，兼顾了SCADA系统和故障录波系统的功能。其前置单元相量测量装置PMU能够以数百Hz的速率采集电流、电压信息，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向主站发送。PMU通过全球定位系统（GPS）对时，能够保证全网数据的同步性，时标信息与数据同时存储并发送到主站。存贮内容含所有PMU采集或汇集的电网动态相量数据，至于电网异常状态下有关测点的三态（稳态、动态、暂态）数据则需长期保存。
2 EMS-WAMS一体化平台的优点
WAMS/EMS一体化系统主要体现在：共享网络模型和参数；共享厂站图形；共享实时数据；统一的系统配置和管理；统一的人机界面和支撑工具（图形、告警、实时库、网络和通信等）；统一的API编程接口等。实时数据显示和历史数据保存采用统一的机制，在同一幅厂站画面上可以切换显示EMS和WAMS的数据。
采用一体化支撑平台的优点有：
（1）降低了系统总的硬件投资和维护费用：EMS现有的各种硬件资源可以充分共享，如历史数据库服务器、人机工作站及维护工作站；
（2）集成各种量测数据，简化接口设计：在同一幅画面上既可以显示EMS的静态数据，又可以显示WAMS动态数据，无须用多余的接口去实现。给调度员同时监控电网稳态和动态运行提供了极大的方便；
（3）实现一体化维护，减轻工作量，减少出错：一体化维护后可大大减轻日常的维护工作，各种静态数据和图形均可以共享，模型、图形和实时数据只需一处维护，避免了因维护不及时造成的潜在不一致；
（4）方便运行人员使用：统一的界面和支撑工具降低了培训费用，易于熟悉和使用；调度台上一台终端通过简单切换应用就可实现EMS和WAMS的不同监视功能运行监控。
（5）有助于整合EMS和WAMS，实现综合在线分析：现陕西电网EMS/WAMS系统已很方便将三态数据整合在一起，实现了在线监视及在先安全稳定评估。
3 EMS-WAMS的具体应用
陕西电网的WAMS系统是分两期建设的，即WAMS1（主要包括数据采集、系统分析和监视功能），WAMSII（在线动态安全评估功能，Dynamic Security Assessment，DSA）。目前已具备以下功能模块：电网运行动态监视；快速故障分析；电网扰动识别；三态数据整合；低频振荡监视；计及PMU量测的状态估计；DSA功能等。
陕西电网目前投运的PMU厂站数为22个（其中5个电厂），在近一年的运行过程中，其应用已初见成效。主要表现在：
（1）WAMS系统已经解决了SCADA部分量测方面的问题，在改善电力系统状态估计精度方面发挥了积极的作用。目前陕西电网EMS-WAMS一体化系统的状态估计能够组合EMS系统中的SCADA量测数据和WAMS系统中的PMU动态数据共同参与计算，经过一段时间的运行观察，有PMU数据参与的状态估计，其计算精度、计算收敛率等都有所提高。
（2）WAMS数据具有以下特点：可记录系统完整的动态过程；以连续相量数据描述电网状态；采样密度为25、50、100帧/秒；采用基波数据；严格时间同步；所有数据带有时标；各类数据和电气/地理位置无关。而EMS数据只记录状态空间中的一个点；以潮流和状态估计描述电网状态；采样密度几秒钟一个点；数据采用有效值；不同步；数据不带时标。电源管理单元是一种高低集成的、针对便携式应用的电源管理方案，即将传统分立的若干类电源管理器件整合在单个的封装之内，这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗，及更少的组件数以适应缩小的板级空间。PMU用于精确的DC参数测量，它能驱动电流进入器件而去量测电压或者为器件加上电压而去量测产生的电流。PMU的数量跟测试机的等级有关，低端的测试机往往只有一个PMU，通过共享的方式被测试通道逐次使用；中端的则有一组PMU，通常为8个或16个，而一组通道往往也是8个或16个，这样可以整组逐次使用；而高端的测试机则会采用per pin的结构，每个channel配置一个PMU。利用这些精细数据对电力系统进行全新的分析已成为可能，从而弥补了SCADA系统的不足。
在陕西电网WAMS系统投运初期便经受了西北电网东西断面大扰动试验的检验，成功地记录并保存了扰动期间的实验数据，并且准确计算分析出了大扰动期间所发生的短路等故障类型及故障参数，为进一步分析总结电网故障发生的机理及模型校核发挥了关键的作用。如果此次大扰动实验没有WAMS系统仅凭EMS系统，由于EMS数据的采集速率是以秒级为单位，根本无法扑捉瞬间发生的扰动数据
如图3所示为WAMS系统记录的扰动数据波形图：
扰动发生时，WAMS系统可自动召唤子站的PMU装置的100帧/秒的动态数据及录波数据文件，连同主站的25帧/秒的实时数据一并长期保存至与EMS系统一体化的历史数据库中，同时可对保存的数据进行故障分析，可分析出故障类型（单相瞬时或永久性短路故障、相间瞬时或永久性短路故障、两相接地瞬时或永久性短路故障、三相瞬时或永久性短路故障、手合故障等）、发生时间、故障相别等参数。
该系统中的WAMS数据可方便的在EMS/WAMS一体化系统中的同一幅画面上进行切换，即同一幅画面既可以显示EMS的静态数据，又可以显示WAMS动态数据，无须用多余的接口去实现。
图3 扰动实验数据记录图
（3）作为WAMS系统建设一部分的DSA系统，在陕西电网也实现了在在线动态安全评估的功能。建立在陕西电网一体化平台上的DSA系统同样可共享EMS系统的网络模型、图形数据，同时针对基于PMU状态估计应用提供的潮流断面进行系统动态安全评估。
在计及PMU动态数据参与的状态估计基础上，结合电网安全稳定计算的模型和参数，对预想故障场景进行数值仿真。采用暂态安全稳定量化分析方法对仿真曲线进行数据挖掘，给出每个预想故障的暂态功角、电压和频率安全稳定裕度及其模式。其中包括功角稳定定量分析、电压安全定量分析、频率安全定量分析等；定量分析是对社会现象的数量特征、数量关系与数量变化的分析。投资分析师使用数学模块对公司可量化数据进行的分析。通过分析对公司经营给予评价并做出投资判断。定量分析的对象主要为财务报表，如资金平衡表、损益表、留存收益表等。其功能在于揭示和描述社会现象的相互作用和发展趋势。暂态功角稳定模式以临界发电机群的形式表示，暂态电压和频率安全稳定模式分别以电压薄弱母线集合和频率薄弱母线集合来表示。
为实现电力系统动态安全在线评估及预警和安全稳定计算用模型及参数校核两项功能，陕西电网现已配置12台PC服务器和两台用户工作站及相应的网络设备等，其中12台PC服务器用于电力系统动态安全在线评估及预警，两台用户工作站用于模型及参数校核计算。
图4为DSA系统动态安全评估及预警的计算数据断面：
图4 动态安全评估及预警的计算数据断面
4 存在的问题及改进建议
目前，陕西电网实时动态监测系统存在着如下需进一步解决的主要问题：
（1）WAMS数据共享的问题：
由于我国电网实行分级调度，陕西省调自建的WAMS系统只能观察到省内330kV的电网，而陕西电网仅为西北电网的一部分，共有四条联络线与西部电网相连，为进行稳定性分析，除关心区内运行情况外还应关心区域边界对侧、甚至相邻区域重要电源的运行情况。目前西北网调对其区域内的PMU数据并未实现共享，陕西电网若要进行稳定性分析必须整合成西北电网规模的数据进行计算。目前的陕西电网采用的方法是：状态估计结果作为内网数据，外网数据是四套典型方式数据，陕西内网和外网的联络线实测功率在一定误差范围内作为数据匹配条件。如果实现西北电网PMU数据的实时共享，一方面可充分发挥广域测量技术的特点，WAMS监测的区域电网越广阔，WAMS技术的优势将越突出。
（2）WAMS系统厂站端PMU装置的问题：
陕西WMAS系统厂站端PMU装置的问题主要体现在两个方面：
本身产品的质量问题：出现过PMU传输数据无效、频率失步等导致PMU数据不可用；发电机并未实现绝对相角的测量；无法判定PMU测量装置本身量测数据的误差；
施工监督不力：陕西电网普遍出现过主变中压侧接线有误，造成数据相反的情况，还出现过相序相反造成数据不合理的现象；
因此有必要建立PMU的质量检测体系：包括相量测量的精度检测；角度和频率、静态和动态、通信协议标准化检测；实时数据传输协议、相量测量的时效性检测；数据处理时间和相量存储功能的检测等。
（3）应尽快完成模型及参数校核计算工作，建立WAMS电网事故分析的管理制度，使仿真计算模型校核与修正工作制度化。
（4）目前WAMS系统的计算结果并不能直接提供给调度员进行操作。下一步应继续深入研究以期用最简单直观的方式辅助调度员决策，使其真正成为调度人员的好帮手。
5 结论
陕西电网实现了EMS和WAMS系统的一体化建设：公用一个实时信息系统平台，所有应用统一建模，任何一个电力系统设备只需维护一次。该系统技术含量高，应用需求高，集成度高，信息量大。不仅减少了硬件设备的投资，简化了接口设计，而且提高了系统运行维护的效率。使陕西电网的运行水平跨上了一个新的高度，已成为电网运行和电力生产的必不可少的现代化工具。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。
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