上海电网先进能量管理系统投入试运行

卢强1，何光宇1, 梅生伟1, 孙英云1, 阮前途1,2, 王伟2, 张王俊2, 俞旭峰2
（1 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京 100084；2 上海市电力公司上海 200122）

摘要：为了满足我国电力系统高稳定性、高电能质量和高经济性运行的需求，本文作者提出了AEMS（先进电能管理系统）的理念、理论和方法。其核心内容是用混成自动控制来实现电力系统多重目标趋优控制的自动化系统。该系统以“事件驱动”为其内核，通过将不满意状态定义为事件，将趋优化问题转化为事件的处理和消除问题。本快讯还简要介绍了AEMS的组成框架，明确了框架中各组成部分的职能和工作机制。概述了AEMS的主要优点，并简要通报了AEMS在上海电网工程实现的情况。。
关键词：混成自动控制多重目标趋优化先进电能管理系统事件驱动

　　现代电力系统是一个地域上覆盖数千以至数万平方公里的复杂巨系统，其控制与调度主要由调度中心及相应的EMS（电能管理系统）来完成[1]。目前各主要EMS均于上世纪90年代左右开发完成，受限于当时的计算机技术以及电力控制理论水平，其主要功能是帮助调度人员了解所调度电力系统的运行现状，部分EMS可给出调度策略的建议，但均未做到真正意义上闭环调控，更遑论多目标趋优化控制。中国电力系统理应在上述的安全稳定性、电能质量和网损极小化三个指标方面皆处于国际最高水平。现有EMS已经不能胜任这个需求，为此我们发展了AEMS理论和技术。

　　先进电能管理系统（AEMS）是新型的电网调度与控制自动化系统，它基于电力混成控制系统的一般原理[2]，可统一、自动、合理调控网内各种资源（包括发电机、电容、电控器、变压器和各种FACTS设备等）。其主导思想是：将一切不满足要求和不满意的状态都分类地定义为事件，通过控制使得系统回归至无事件运行状态，则系统的各项指标(稳定性、电能质量和经济性)一定是足够满意的。值得指出的是，AEMS中事件集合E到操作指令集合O是一个1-1复合映射，这从本质上揭示了混成控制系统“事件驱动”的特征。相对于控制论中已有的“时间基”(Time Base)，可将其称为“事件基”(Event Base)（如图1所示）。

图1 操作指令与集合事件集合的映射关系示意图

　　AEMS以事件判断、事件处理为其核心，与之相应地AEMS也由事件分析系统、事件处理系统和调度员决策系统构成，如图2所示。其中，事件分析系统负责对所收集到的信息进行实时分析，确定有无事件产生，若有则将事件发送给事件处理系统；事件处理系统负责对接收到的事件进行处理，产生相应的控制命令或操作指令下达给中间处理层或由其直控的底层设备；调度员决策系统负责将系统运行的关键状态以可视化（如电压稳定域的可视化）的形式提交给调度员，使调度员对系统的运行状况有一个直观的了解，并为调度员对系统进行配置、决策提供方便手段。上述系统与外部系统的数据交换通过数据共享平台实行。

图2 AEMS的组成框架

　　与传统的EMS相比，先进能量管理系统具有巨大优势。首先，它初次实现了全系统多重目标趋优的自动闭环控制。实现电力系统安全、经济、优质运行是电力工作者们多年来的梦想。AEMS实现这一梦想的方法就是基于混成控制的调控机制，它以事件的产生作为智能决策触发的条件，以事件的消除作为控制的目标，它以一个简单的机制涵盖了复杂系统的全方位趋优的需求，一方面简化了问题的复杂程度，同时也保证了用其他方法所难以达到的全方位趋优的效果。其次，它可综合调控网内所有可控资源，实现全局性的智能决策。这里的全局性一方面指决策依据全局性化的数字模型来制定，另一方面则要求决策包含对于全局控制手段的综合利用。智能性则体现在它能部分的替代原来需要调度员执行的工作，它的实现依赖于新的分析和控制理论在电力系统中的应用。

　　得益于计算机技术与网络技术的迅猛发展，AEMS系统在软件架构上也有巨大的优势。AEMS是一个基于SOA (Service oriented architecture) 的分布式系统[3]，采用松散耦合的软件体系结构，利用独立可重用的服务构建系统功能。在AEMS中，服务提供者提供的服务主要包括电力系统中常用的计算服务，例如潮流计算、最优潮流计算、HAVC计算、HAGC计算、电压稳定域计算，对抑制低频振荡起决定作用的系统主导特征值的计算，以及超短期负荷预测等。服务消费者则需要调用上述计算服务，实现AEMS中各种业务流程和作业调度。

　　最后，应该指出的是，强大的可视化功能也是AEMS区别于传统EMS的重要特点之一。和普通EMS人机界面上可视化的概念不同，AEMS的可视化是基于对系统整体信息、数据进行分析和计算的基础上，将电力系统的总体信息和运行趋势采用图形化的方式表达出来，以供调度运行人员参考。通过这种方式，调度人员可对运行情况有着直观的了解，有利于调度人员对系统运行点与各种运行限制之间关系的把握。进一步，调度人员可利用自己多年的运行经验和专家知识对AEMS的运行设置进行修正，使之能更好的满足电力系统多目标准优化运行的需要。

　　上海电网是华东电网的重要组成部分，随着人民的生活质量的提高和经济的持续快速发展，对上海电网的安全运行和经济运行提出了更高的要求。通过深入的可行性研究，上海电网公司在2005年启动了AEMS的建设，以求在现有调度自动化系统基础上通过科技创新，引入新的控制理念，以较小的投资来获得整个电网稳定性、安全性及经济性的全面提升。

　　经过一年左右时间，AEMS已在上海电网投入试运行，在电力调度中初次实现了全系统的多目标自动闭环控制。目前AEMS可以控制上海电网所有AGC机组的有功，两个发电厂（吴泾2厂、石洞口电厂）和两个变电站（春申、万荣）的无功。在下期项目中，AEMS的无功可控设备将包括所有主力电厂、主要变电站和FACTS装置等。 AEMS在试运行中取得了较好的效果，其主要监控界面如图3所示。图中，第一行用于监控电网运行状态的全局指标，包括关键节点电压、关键线路潮流、系统有功备用、系统频率指标和安全运行域等。当系统运行指标不佳，如关键节点电压越界时，相应的监控图形会闪烁，报告系统运行状态异常；随即，事件分析模块会产生相应事件，事件处理模块会计算出相应控制指令以消除事件，产生的事件和指令会自动呈现在图中第2行所列的表格中。再后，指令会通过前置系统下发到相应控制设备上。图中第三行，用于显示指令发到了哪些控制设备上，这些设备当前状态如何，指令的执行状态等。

图3 AEMS主要监控画面

　　下面以某时刻实际运行情况来说明AEMS试运行后所取得的实际效果。以2007年3月13日上午11点10分为例，当时系统处于重负荷状态，若AEMS不投入，仅依靠原有EMS系统，可以判断出系统发生了电压越界，但却没有自动化的调控手段去消除这一情况。 AEMS投入运行后，事件分析系统在不断监控系统运行状态。对该时刻分析表明，系统处于较差状态，并产生相应事件：（1）一个安全性事件（当前时刻有五条支路潮流越界）；（2）两个经济性事件（发电费用超标，网损指标过高）；（3）一个质量性事件（三个节点电压越限）。事件分析系统产生的事件会立即发送给事件处理系统。该系统接收到事件后，通过分析计算，产生相应控制指令和操作命令，综合调控网内所有可控设备，消除了上述四个事件，使系统恢复到安全、经济、优质运行状态。调控前后，系统的发电费用对比如图4所示。

图4 调控前后系统发电费用

　　为进一步说明AEMS的综合调控能力，我们作下列对比。设上述事件产生后，我们比较仅通过AGC、仅通过AVC和综合调控三种情况下系统调节效果。三种情况下系统调节效果如图5所示。从图中可以看出，综合调控后系统发电费用比仅通过AGC或AVC进行调控要低；同时，仅仅通过AGC或AVC进行调控，不能消除全部事件（仅仅通过AGC调控，不能消除电压越界事件；仅仅通过AVC调控，不能消除支路潮流越界事件）。

图5 不同控制模式调控后系统发电费用

　　一直以来，实现复杂电力系统的多目标趋优闭环控制都是电力工作者所追求的理想。AEMS在上海电网的成功试运行表明，这一新型的自动化系统，确能实现系统的多重目标趋优运行，产生巨大的安全效益和经济效益，为这一梦想的实现提供了一条可行的途径。

参考文献

[1]于尔铿，刘广一周京阳, 能量管理系统(EMS). 1998, 北京: 科学出版社.
[2]Wei, H.，L. Qiang，M. Shengwei, Hybrid emergency control for power system. Electric Power Components and Systems, 2001. 29(8): p. 683-693.
[3]Thomas, E., Service-Oriented Architecture: A Field Guide to Integrating XML and Web Services. 2004, Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall.