前言

由于原有的陜西電網電能量管理系統（EMS）是原西北電管局于1995年從加拿大CAE公司引進的，運行已近十余年，系統硬件老化，系統可靠性逐年降低，難以對其進行功能升級和擴充，已無法滿足電力發展和調度生產的需求。2006年結合陜西電力公司調度大樓的搬遷，急需建設一套技術先進、功能完善的新一代EMS系統。

電力系統的商業化運行使輸電系統的某些重要輸電斷面經常運行于滿負荷或接近滿負荷的狀態，由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。它的功能是將自然界的一次能源通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。為實現這一功能，電力系統在各個環節和不同層次還具有相應的信息與控制系統，對電能的生產過程進行測量、調節、控制、保護、通信和調度，以保證用戶獲得安全、經濟、優質的電能。系統的安全穩定問題日益突出。加強對互聯電力系統動態過程的監測成為我國互聯電網面臨的一項重要任務。目前，電網中的EMS系統以正常運行時的穩態監測為主，缺乏實時動態監測的功能。這些因素限制了調度運行部門快速確定電網的動態擾動性質，不利于調度運行部門及時選擇正確的控制措施。因此，很有必要建立電網實時動態監測系統。

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統是以計算機為基礎的DCS與電力自動化監控系統；它應用領域很廣，可以應用于電力、冶金、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。由于SCADA系統只能提供穩態的、低采樣密度的、不同步的電網時間斷面信息，不能根據這些信息跟蹤系統的發展軌跡，準確掌握系統運行的動態情況。而被稱為電力系統三項前沿課題之一的基于GPS技術的廣域向量測量技術已日趨成熟，電網實時動態監測系統的研究與應用已成為電力技術研究的熱點，并發揮著越來越重要的作用。在電力系統中，SCADA系統應用最為廣泛，技術發展也最為成熟。它在遠動系統中占重要地位，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能，即我們所知的"四遙"功能。RTU（遠程終端單元），FTU（饋線終端單元）是它的重要組成部分。在現今的變電站綜合自動化建設中起了相當重要的作用。

1 EMS-WAMS一體化系統簡介

圖1為EMS-WAMS一體化系統結構圖：

圖1 EMS-WAMS一體化系統結構圖

陜西電網EMS/WAMS一體化系統是建立在統一支撐平臺OPEN-3000上的，其應用軟件功能配置圖如圖2所示

圖2 EMS/WAMS一體化系統應用軟件功能配置圖

由圖1及圖2所示可以看出EMS-WAMS系統均在安全防護一區，具有各自獨立的數據前置完成數據采集功能，但共用歷史數據庫存儲EMS和WAMS的各種數據，WAMS系統數據采集單元（Phasor Measurement Unit，PMU）采集的動態數據的存貯（包括穩態數據和暫態數據的存貯），由于這些數據都有各自的系統存貯，在WAMS中不需要對這些數據作長期的存貯，只要存貯最近7天的數據供分析時快速調用即可。WAMS （Wide Area Measurement System）廣域監測系統，電網廣域監測系統采用同步相角測量技術，通過逐步布局全網關鍵測點的同步相角測量單元（PMU），實現對全網同步相角及電網主要數據的實時高速率采集。采集數據通過電力調度數據網絡實時傳送到廣域監測主站系統，從而提供對電網正常運行與事故擾動情況下的實時監測與分析計算，并及時獲得并掌握電網運行的動態過程。WAMS作為電網動態測量系統，兼顧了SCADA系統和故障錄波系統的功能。其前置單元相量測量裝置PMU能夠以數百Hz的速率采集電流、電壓信息，通過計算獲得測點的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向主站發送。PMU通過全球定位系統（GPS）對時，能夠保證全網數據的同步性，時標信息與數據同時存儲并發送到主站。存貯內容含所有PMU采集或匯集的電網動態相量數據，至于電網異常狀態下有關測點的三態（穩態、動態、暫態）數據則需長期保存。

2 EMS-WAMS一體化平臺的優點

WAMS/EMS一體化系統主要體現在：共享網絡模型和參數；共享廠站圖形；共享實時數據；統一的系統配置和管理；統一的人機界面和支撐工具（圖形、告警、實時庫、網絡和通信等）；統一的API編程接口等。實時數據顯示和歷史數據保存采用統一的機制，在同一幅廠站畫面上可以切換顯示EMS和WAMS的數據。

采用一體化支撐平臺的優點有：

（1）降低了系統總的硬件投資和維護費用：EMS現有的各種硬件資源可以充分共享，如歷史數據庫服務器、人機工作站及維護工作站；

（2）集成各種量測數據，簡化接口設計：在同一幅畫面上既可以顯示EMS的靜態數據，又可以顯示WAMS動態數據，無須用多余的接口去實現。給調度員同時監控電網穩態和動態運行提供了極大的方便；

（3）實現一體化維護，減輕工作量，減少出錯：一體化維護后可大大減輕日常的維護工作，各種靜態數據和圖形均可以共享，模型、圖形和實時數據只需一處維護，避免了因維護不及時造成的潛在不一致；

（4）方便運行人員使用：統一的界面和支撐工具降低了培訓費用，易于熟悉和使用；調度臺上一臺終端通過簡單切換應用就可實現EMS和WAMS的不同監視功能運行監控。

（5）有助于整合EMS和WAMS，實現綜合在線分析：現陜西電網EMS/WAMS系統已很方便將三態數據整合在一起，實現了在線監視及在先安全穩定評估。

3 EMS-WAMS的具體應用

陜西電網的WAMS系統是分兩期建設的，即WAMS1（主要包括數據采集、系統分析和監視功能），WAMSII（在線動態安全評估功能，Dynamic Security Assessment，DSA）。目前已具備以下功能模塊：電網運行動態監視；快速故障分析；電網擾動識別；三態數據整合；低頻振蕩監視；計及PMU量測的狀態估計；DSA功能等。

陜西電網目前投運的PMU廠站數為22個（其中5個電廠），在近一年的運行過程中，其應用已初見成效。主要表現在：

（1）WAMS系統已經解決了SCADA部分量測方面的問題，在改善電力系統狀態估計精度方面發揮了積極的作用。目前陜西電網EMS-WAMS一體化系統的狀態估計能夠組合EMS系統中的SCADA量測數據和WAMS系統中的PMU動態數據共同參與計算，經過一段時間的運行觀察，有PMU數據參與的狀態估計，其計算精度、計算收斂率等都有所提高。

（2）WAMS數據具有以下特點：可記錄系統完整的動態過程；以連續相量數據描述電網狀態；采樣密度為25、50、100幀/秒；采用基波數據；嚴格時間同步；所有數據帶有時標；各類數據和電氣/地理位置無關。而EMS數據只記錄狀態空間中的一個點；以潮流和狀態估計描述電網狀態；采樣密度幾秒鐘一個點；數據采用有效值；不同步；數據不帶時標。電源管理單元是一種高低集成的、針對便攜式應用的電源管理方案，即將傳統分立的若干類電源管理器件整合在單個的封裝之內，這樣可實現更高的電源轉換效率和更低功耗，及更少的組件數以適應縮小的板級空間。PMU用于精確的DC參數測量，它能驅動電流進入器件而去量測電壓或者為器件加上電壓而去量測產生的電流。PMU的數量跟測試機的等級有關，低端的測試機往往只有一個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；而高端的測試機則會采用per pin的結構，每個channel配置一個PMU。利用這些精細數據對電力系統進行全新的分析已成為可能，從而彌補了SCADA系統的不足。

在陜西電網WAMS系統投運初期便經受了西北電網東西斷面大擾動試驗的檢驗，成功地記錄并保存了擾動期間的實驗數據，并且準確計算分析出了大擾動期間所發生的短路等故障類型及故障參數，為進一步分析總結電網故障發生的機理及模型校核發揮了關鍵的作用。如果此次大擾動實驗沒有WAMS系統僅憑EMS系統，由于EMS數據的采集速率是以秒級為單位，根本無法撲捉瞬間發生的擾動數據

如圖3所示為WAMS系統記錄的擾動數據波形圖：

擾動發生時，WAMS系統可自動召喚子站的PMU裝置的100幀/秒的動態數據及錄波數據文件，連同主站的25幀/秒的實時數據一并長期保存至與EMS系統一體化的歷史數據庫中，同時可對保存的數據進行故障分析，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）、發生時間、故障相別等參數。

該系統中的WAMS數據可方便的在EMS/WAMS一體化系統中的同一幅畫面上進行切換，即同一幅畫面既可以顯示EMS的靜態數據，又可以顯示WAMS動態數據，無須用多余的接口去實現。

圖3 擾動實驗數據記錄圖

（3）作為WAMS系統建設一部分的DSA系統，在陜西電網也實現了在在線動態安全評估的功能。建立在陜西電網一體化平臺上的DSA系統同樣可共享EMS系統的網絡模型、圖形數據，同時針對基于PMU狀態估計應用提供的潮流斷面進行系統動態安全評估。

在計及PMU動態數據參與的狀態估計基礎上，結合電網安全穩定計算的模型和參數，對預想故障場景進行數值仿真。采用暫態安全穩定量化分析方法對仿真曲線進行數據挖掘，給出每個預想故障的暫態功角、電壓和頻率安全穩定裕度及其模式。其中包括功角穩定定量分析、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象的數量特征、數量關系與數量變化的分析。投資分析師使用數學模塊對公司可量化數據進行的分析。通過分析對公司經營給予評價并做出投資判斷。定量分析的對象主要為財務報表，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象的相互作用和發展趨勢。暫態功角穩定模式以臨界發電機群的形式表示，暫態電壓和頻率安全穩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。

為實現電力系統動態安全在線評估及預警和安全穩定計算用模型及參數校核兩項功能，陜西電網現已配置12臺PC服務器和兩臺用戶工作站及相應的網絡設備等，其中12臺PC服務器用于電力系統動態安全在線評估及預警，兩臺用戶工作站用于模型及參數校核計算。

圖4為DSA系統動態安全評估及預警的計算數據斷面：

圖4 動態安全評估及預警的計算數據斷面

4 存在的問題及改進建議

目前，陜西電網實時動態監測系統存在著如下需進一步解決的主要問題：

（1）WAMS數據共享的問題：

由于我國電網實行分級調度，陜西省調自建的WAMS系統只能觀察到省內330kV的電網，而陜西電網僅為西北電網的一部分，共有四條聯絡線與西部電網相連，為進行穩定性分析，除關心區內運行情況外還應關心區域邊界對側、甚至相鄰區域重要電源的運行情況。目前西北網調對其區域內的PMU數據并未實現共享，陜西電網若要進行穩定性分析必須整合成西北電網規模的數據進行計算。目前的陜西電網采用的方法是：狀態估計結果作為內網數據，外網數據是四套典型方式數據，陜西內網和外網的聯絡線實測功率在一定誤差范圍內作為數據匹配條件。如果實現西北電網PMU數據的實時共享，一方面可充分發揮廣域測量技術的特點，WAMS監測的區域電網越廣闊，WAMS技術的優勢將越突出。

（2）WAMS系統廠站端PMU裝置的問題：

陜西WMAS系統廠站端PMU裝置的問題主要體現在兩個方面：

本身產品的質量問題：出現過PMU傳輸數據無效、頻率失步等導致PMU數據不可用；發電機并未實現絕對相角的測量；無法判定PMU測量裝置本身量測數據的誤差；

施工監督不力：陜西電網普遍出現過主變中壓側接線有誤，造成數據相反的情況，還出現過相序相反造成數據不合理的現象；

因此有必要建立PMU的質量檢測體系：包括相量測量的精度檢測；角度和頻率、靜態和動態、通信協議標準化檢測；實時數據傳輸協議、相量測量的時效性檢測；數據處理時間和相量存儲功能的檢測等。

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

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

5 結論

陜西電網實現了EMS和WAMS系統的一體化建設：公用一個實時信息系統平臺，所有應用統一建模，任何一個電力系統設備只需維護一次。該系統技術含量高，應用需求高，集成度高，信息量大。不僅減少了硬件設備的投資，簡化了接口設計，而且提高了系統運行維護的效率。使陜西電網的運行水平跨上了一個新的高度，已成為電網運行和電力生產的必不可少的現代化工具。電力系統的出現，使高效、無污染、使用方便、易于調控的電能得到廣泛應用，推動了社會生產各個領域的變化，開創了電力時代，發生了第二次技術革命。電力系統的規模和技術水準已成為一個國家經濟發展水平的標志之一。