王強 韓英鐸
摘 要：論述了電力系統自動化技術沿著元件—局部—子系統—管理系統發展的歷程，對廠站自動化及調度自動化的現狀進行了總結，指出其發展趨勢和今后主要發展動向，并介紹了有關現代高新技術和理論。
關鍵詞：電力系統； 自動化； 電廠； 調度； 發展
分類號： TM 734
SURVEY OF POWER PLANT AND SUBSTATION AUTOMATION AND AUTOMATION OF POWER SYSTEM DISPATCHING
Wang Qiang, Han Yingduo
(Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract：This paper describes development of power system automation source, which is from component, to part, to subsystem, to management system, and gives a survey of the status quo of power plant and substation automation and dispatching automation. Then the development trend and main direction are pointed out, and new technologies and theories are introduced.
Keywords：power systems; automation; power plant; dispatching; development
1 電力系統自動化的沿革
電力系統自動化技術沿著元件—局部—子系統（島）—管理系統的道路發展。理論發展可以分為3個階段：60年代以前處在經典理論階段；七八十年代注入了控制論，形成了以計算機為基礎的現代理論階段；90年代以后注入經濟理論，而到達電力市場理論階段。70年代中期，運用系統工程理論將現代理論的技術成果有機地組織在一起便形成了EMS，并隨電力工業的改革而發展［1］。
電力系統自動化主要技術進步表現在：40年代將數據展現在模擬盤上，增強了調度員對實際系統運行變化的感知能力；50年代自動發電控制（AGC）將調度員從頻繁的操作中解脫出來；電網調度自動化系統概念的提出是在50年代中期，這標志著現代電網自動化的開始［2］。以前只有遠動裝置及機電式的調頻裝置，不成為系統。60年代初，有些電力公司利用數字計算機實現電力系統經濟調度，開始了計算機在調度中的應用。在1965年美國東北部大停電后，多數電力公司意識到依靠遠動裝置在模擬盤上顯示信息的方式已遠不能滿足復雜電網安全運行的要求，開始把計算機系統的應用從以考慮經濟為主轉移至以安全為主，出現了所謂電網SCADA系統。這是電網調度自動化形成系統的一個臺階，具有代表性的系統是美國BPA的迪特茂調度中心。這一階段延續至70年代。
電網自動調頻和有功功率經濟分配的裝置和自動調節系統不再獨立存在，而是以AGC/EDC軟件包的形式和SCADA系統結合，成為SCADA/AGC—EDC系統，這是SCADA系統出現后的電網調度自動化系統中第1次功能綜合。
電力公司在60年代末提出了用SCADA采集的實時信息對電力系統的擾動（開關操作、事故跳閘）進行在線快速分析計算，用以解決電網運行方式的在線研究和事故跳閘后果的預測。從70年代初開始，為了解決由于電網不可觀察（SCADA采集的數據存在誤差、通道可能中斷、RTU可能停運等）帶來的潮流計算不收斂（在離線電力系統計算時不會遇到），發展了各種基礎算法，開發了網絡拓撲、外部網絡等值、超短期母線負荷預計、狀態估計等一系列軟件，建立可計算的所謂可觀察區，將SCADA采集到有誤差的“生數據”轉變成潮流計算收斂的“熟數據”，建立了熟數據庫。在這一基礎上開發了調度員在線潮流、開斷仿真和校正控制等所謂電網高級應用軟件（PAS）。PAS投運后，電網運行方式的改變以及當前運行方式下遇到大擾動時的后果就可以通過PAS自動預計出來。網絡熟數據庫的建立，為各種電力系統的優化軟件，如線損修正、無功優化、最優潮流等的開發提供了條件。自從PAS綜合到電網調度自動化系統，形成了SCADA/AGC—EDC/PAS系統后，電網調度自動化系統從SCADA系統升級為能量管理系統（EMS）。除了PAS從算法到軟件本身的研究外，還有運行EMS必需的支持軟件的研究和開發。在SCADA系統中，不存在多種應用的數據庫相互調用和統一維護問題，調度員的操作只是調用畫面，并不需要對數據庫進行刪除、插入、修改等操作，因此，在單一的SCADA系統中，數據庫的建立和管理都采用文件方式，由程序員來修改數據庫。在EMS中，由于多種應用的出現，調度員需要在屏幕上設定各種故障方式，開發支持軟件系統的要求就提出來了。由于商用關系數據庫管理系統(如Oracle等)都無法滿足實時要求，于是各大系統公司花了大量人力和時間來開發支持軟件系統。
PAS工程化后，在線調度員培訓仿真器（DTS）得到了發展，并綜合到EMS中，根據Diliaco的統計，1985年后各國投運的EMS中有40%包含了DTS，有的公司建立了大型培訓中心，如法國的EDF，采用了離線的培訓仿真。
隨著計算機技術、控制技術、通信技術和電力電子技術的不斷發展，“電力系統自動化”無論其內涵或外延都發生了巨大的變化。如今電力系統已經成為一個CCCPE的統一體，即計算機（computer）、控制(control)、通信(communication)和電力電子(power electronics)的產生、輸送、分配裝置以及電力電子裝置。當然，在21世紀，不掌握電力市場知識便很難承擔電力調度工作。
根據等強度的概念，自動化設備所占的投資比例雖然不大，但其重要性與主設備同樣。而且先進的自動裝置不僅可以改善一次主設備的運行狀況，提高其運行效率，甚至可以推遲或避免新建一些主設備，節省數額可觀的一次設備投資。
電力系統產生的電能必須與消費的電能實時平衡，這只能靠自動調節和控制裝置來維持。這種平衡不僅要在正常的穩態運行時而且要在各種擾動狀態下從毫秒級到分鐘級都能實現這一要求。為了滿足這種調節與控制要求，電力系統自動裝置可以分為正常運行自動裝置、異常狀態下的安全穩定控制裝置及保護裝置。由于篇幅所限，就廠站自動化及調度自動化系統的一些實例進行敘述，說明電力系統自動化的發展走向。
2 廠站自動化
2.1 火電廠自動化
大型火電廠的監視和控制系統經過了模擬控制、功能設備分散方式的第1代數字控制、分層分散方式的第2代數字控制3個階段，其特征是各機組所用的計算機系統彼此孤立。目前正在向第3代數字控制發展，采用開放式工業自動化系統，構成火電廠綜合自動化系統。一般分2級：機組級采用開放式DCS和順序控制器，在線監控單元機組、輸變電和輔助車間的生產運行；全廠級由MIS及廠站機構成，通過網絡取得第一線的在線實時監控信息，并向第一線發布各種命令［3］。
在第3代控制系統中，全廠級可以向電力調度所提供全廠在線實時信息并接受命令，經全廠經濟負荷分配計算后下達命令至機組級，控制機組啟停、出力和機組輸出功率。該系統將采用的技術有：①開放式工業計算機系統；②現場總線與智能變送器及伺服機；③大屏幕監視器；④先進控制技術。通信標準化MAP/TOP已獲成功。DCS和PLC融合，DCS向小型化、分散化、多功能封閉型模塊化方向發展，PLC向網絡化方向發展。遠程智能I/O網絡是一種新型的工業計算機過程接口裝置，是插板智能I/O技術與通信網絡技術結合的產物。它由前端機、通信網絡和適配器組成。現場總線國際標準還處于開發階段，不同廠家的產品需要一個gataway接口才能接入DCS。目前主要有ISP和World FIP兩大機構，ISP成員有西門子、羅斯蒙特、橫河、ABB、福克斯鮑羅、費雪等25個公司；而World FIP成員有霍尼威爾、貝利等150個公司，兩大機構開發各自的現場總線標準，將傳感器、微處理機、A/D轉換器集成以構成智能變送器，具有信號處理能力、故障診斷能力、自補償能力和數字通信能力。
2.2 水電廠自動化
我國水電廠自動化工作從1979年以來，經科研試點和逐步推廣2個階段，已有20多座水電廠基本建成計算機監控系統［4］，還將增加近50個水電廠實現自動經濟運行和安全監控。計算機監控技術由80年代初的集中控制、功能分散模式，進入80年代的分層分布模式，發展到90年代初的開放分布式模式。分布式監控系統以控制對象分散為主要特征，對于水電廠而言包括水輪發電機組、開關站、公用設備、閘門及船閘等。按控制對象為單元設置多套相應的裝置，構成水電廠現地控制單元，完成控制對象的數據采集和處理、機組等主要設備的控制和調節及裝置的數據通信等。水電廠采用分布式處理，一般與電廠分層控制相結合，形成水電廠分層、分布式控制系統，這種模式在國內外水電廠應用很廣［5］。
近年來在分布式系統基礎上發展出全開放、全分布式監控系統［6］，整個系統各設備均遵循IEEE，ISO，IEC等有關國際規約，接入一個全開放式的總線網絡，使硬件的增減、更換很方便，各節點的自治性、獨立性高，且整個系統的可靠性、可維護性明顯高于集中式和分層分布式系統，這也是今后大中型水電廠計算機監控系統發展的方向。
水電廠要實現無人值班，除要建設好廠內的計算機實時監控過程外，還須會同各級調度部門，結合電網調度的實際需要，共同參與電網調度自動化系統建設，完成數據采集和監視（SCADA）、自動發電控制（AGC）和電壓控制（AVC）以及遠程通信網絡建設等工程，并提高系統的智能化程度：能對所采集的數據進行綜合分析，對設備運行情況做出判斷，自動采取有效措施或提供處理指導。
2.3 變電站綜合自動化
變電站自動化源于在變電站中普遍使用基于計算機技術的智能設備（intelligent electronic device,縮寫為IED），它不僅將現場的數據數字化并分析出很多難以直接測量的數據（如諧波分量、序電流、序電壓），而且具有計算機數據通信接口，利用計算機的存儲能力完成統計記錄功能。
常規變電所將大量現場一次設備，如變壓器、開關、母線、電壓互感器(TV)、電流互感器(TA)等，同安裝在控制室內的單項自動化裝置（如繼電保護、重合閘、故障錄波和測距、各種變送器、遠動裝置、測量儀表等）之間用大量電纜一一對應地連接起來。其設備復雜，占地面積大，各種工作量大。現在推行的變電站綜合自動化方式的最大特征是將上述分散設備綜合集成在一起，形成兩級單元：間隔級單元和中央單元，完全取消了傳統的集中控制屏，二次回路極為簡潔，控制電纜大量減少，既可有人值班運行，亦可無人值班運行。這是今后各種電壓等級變電站自動化技術的發展方向［7］。
北美各電力公司安裝投運的變電站自動化實驗項目可分為3類：使用傳統RTU的結構，使用通用設備的結構，網絡結構［8］。國外產品在間隔層終端一般采用多DSP結構，集保護、錄波、計量、遠動功能于一體；專用通信網以光纖為介質，具有很高的通信速率和質量；站控單元采用高性能工作站或專用硬件，處理和存儲能力較強。國內產品多采用通用單元組合方式來構成間隔層終端，分擔保護、錄波、監控、計量等功能，適應性較好，但單元功能偏弱、同一間隔內各單元無法共享數據；現場通信多采用RS串行通信總線和位總線，通信速率、質量和靈活性不夠理想；站控單元多采用工業PC，安裝使用上多數還是室內集中組屏，主要應用于100 kV和35 kV及以下電壓等級的中、低壓變電站。
由于一些電子設備安置在變電站的高壓開關場內，甚至直接安置在高壓設備處，電磁環境極為惡劣，電磁兼容(EMC)問題突出，這就要求設計人員以及運行、維護人員對EMC必須重視。
變電站無人值班工作在我國部分地、縣級電網中得到了較好的開展，取得了可喜的成績。但通道質量差、可靠性低是制約我國變電站無人值班工作健康發展的一個重要因素。
3 調度自動化
電力系統的迅猛發展需要完善、先進和實用的電網調度自動化系統來保證。目前國調及網、省調3級調度系統均已配備了電網調度自動化系統，并先于一次系統實現全國聯網。
現我國90%的電源和220 kV以上電網的實時信息得到有效和準確的采集，調度自動化水平有明顯進步和提高，尤其是廠站基礎自動化設備可靠性和管理水平大大提高，其提供的準確而有效的實時信息已成為調度員進行電網安全、經濟調度的主要依據。已有部分網、省局電網調度自動化系統的AGC通過實用化驗收，華東、東北、廣東電網在電網正常情況下將頻率考核指標由原來的(50±0.2)Hz提高到(50±0.1)Hz。
3.1 能量管理系統（EMS）
3.1.1 EMS的發展
能量管理系統（EMS）是以計算機為基礎的現代電力調度自動化系統，主要針對發電和輸電，用于大區級電網和省級電網。EMS由6個部分組成：計算機、操作系統、支持系統、數據收集、能量管理和網絡分析。廣義的EMS還應包括調度員培訓模擬系統（DTS）［1］。
早在60年代，我國就開始了離線潮流和經濟調度程序的研制。1985年，科研部門和高等院校為我國電網開發的負荷預計、交換計劃、火電分配及水火電分配、狀態估計、調度員潮流、安全分析、故障分析等一系列EMS軟件包已在少數網、省調系統投入應用。但由于受支撐軟件的制約，構成系統時顯示出其固有缺陷，應用效果不理想，不能達到實用水平。“八五”期間，部分電網與科研部門或高等院校合作開發了調度員培訓系統(DTS)、狀態估計、最優潮流等應用軟件。由于DTS未與實時系統實現理想的結合，存在維護工作量過大的弊病；最優潮流由于入口數據不準確、網絡基礎參數不準確、計算結果可信度差，即使算出了最佳策略也不敢就此在電網中實施，使用效果不夠理想。而后續開發的靜態安全分析軟件在技術上可直接采用SCADA實時數據庫斷面，實用效果就理想得多。
從“四大網”（ 華中、華北、華東、東北）引進工程開始，我國科研和生產單位才真正較為系統和全面地掌握了EMS網絡分析功能應用技術，采用系統設計思想，“自上而下”地設計了各個軟件模塊并投入應用。
由于計算機技術（包括硬、軟件）和計算方法的進步，電力系統動態安全分析的在線應用已經開始。隨著其進一步完善化和推廣，必將對電力系統的安全運行發揮愈來愈大的作用。中國東北電網采用了EEAC法［9］；美國Northern States電網采用了BCU與時域仿真相結合的方法；中國華中電網采用了PEBS法與時域仿真相結合的方法；第4個即將實現動態安全分析在線運行的電網是加拿大B.C.Hydro電網，采用EEAC法與時域仿真相結合的方法；美國Cegelec ESCA公司提出的“混合法”在“二次反沖”(second kick)法的基礎上做了改進［10］。各種直接法理論的互相滲透和互相結合的新的“混合法”的出現是當前動態安全分析研究的發展趨勢。
總之，電網調度自動化從SCADA發展到EMS花了近30年的時間。從它的發展過程看，除了各功能的算法和軟件的開發及完善外，總體趨勢是不斷地綜合，而有機綜合的結果帶來的是質的飛躍，這是更好地保證大電網安全經濟運行的需要，而不是單純地為共享資源。
3.1.2 主站功能一體化
90年代電網自動化發展的一個重要趨勢就是由調度自動化向全局的自動化方向發展。傳統概念的電網調度自動化是面向調度員的。EMS的各種功能都是為調度員提供方便，而90年代的發展則是以EMS為基礎，走出調度室，面向調度所的各業務部門，并面向全電力公司。例如美國太平洋煤氣電力公司（PG&E）、紐約聯合愛迪生公司曼哈頓調度中心、日本東北電力公司等。所起名稱或稱之集成化支持系統，或稱一體化系統，其要點是將SCADA采集的實時數據為各部門共享，且將各業務部門共享數據處理后的結果反饋到實時系統。調度業務部門包括運行方式，繼電保護定值整定的分析，月、日負荷預報及計劃，電力系統分析，火電燃煤采購，水電及抽水蓄能運行規則等。這些業務部門的系統目前是相互無關的、孤立的，而在一體化系統中，這些系統就成為連在網絡上的子系統了。
傳統的繼電保護和電網調度自動化系統是絕緣的。隨著技術的發展，也開始互聯。日本東北電力已提出了開發繼電保護服務子系統，它的作用限于記錄繼電保護動作信息，使保護動作復現，以供分析。國內現在一些電網已提出繼電保護動作監測要求，這方面，我國目前的研究水平處在國際先進行列。例如電力自動化研究院開發且已小批量生產的變電站成套綜合自動化設備，由于微機繼電保護與設備統一接口設計和功能設計，微機繼電保護裝置的全部信息，包括運行工況、動作情況、自檢結果以及整定值等都已由自動化設備統一采集后通過RTU通道送至EMS主站轉繼電保護工作站，連續監測繼電保護裝置的工況及定值的正確性，以消除發生電網大事故的隱患，定值由調度中心發令下裝。
綜上所述，90年代調度自動化的方向之一將是各級主站以EMS/DMS為基礎的全局自動化，以保證電網的安全經濟運行，提高整體工作效率。
3.1.3 由局部的自動化到全網的自動化——互聯網絡化
上節所述的主站功能一體化是通過主站局域網（LAN）進行的綜合，而電網各層之間的信息交換則通過廣域網（WAN）進行，這將是90年代電網自動化發展的第2個特征——互聯網絡化。
網絡化有2個概念：一是不同層次的調度中心主站間的連接；另一是主站與直屬電廠和變電站群控制中心間的遠程通信。對于前者，在交換信息的基礎上，上一層的主站可以從全網的角度，為下層主站提供所需而又無法采集的信息，以幫助下層主站了解全系統以及相鄰系統的情況，可使下一層的外部網絡等值計算更加精確。主站與直屬廠站的計算機和RTU通信間的分工關系是：需要連續的，由RTU通信承擔，例如AGC每4 s一次調節令，就必須由RTU承擔；至于日負荷曲線等，就由計算機通信承擔。Diliaco提出今后的實時信息網將是統一的廣域環形網，所有信息源和信息接受者均連至這個網絡上，各取自已需要的信息。北京供電網為了高可靠而快速傳輸實時信息，已經按環形廣域信息網的概念進行了規劃，與Diliaco的想法不謀而合。目前正在建設中的國家電力數據網絡(SPDnet)［11］也是以此為出發點。
3.1.4 支撐平臺及體系結構開放化和標準化
90年代EMS領域的熱門話題是開放化。雖然現在國外各大系統工程公司所謂完全開放式EMS實際還是商業宣傳，但開放式EMS終究是90年代EMS構成的發展方向。
開放化主要是軟件的開放化，不同廠商的系統要做到開放必須在軟件上遵循下列標準：①操作系統接口標準；②圖形界面標準；③數據庫訪問標準；④網絡通信標準；⑤語言標準；⑥文件標準。一個EMS符合這些標準，則在系統中任一部件或子系統更換時，就不致引起整個系統的變動，而整個系統更換時，應用軟件也不受影響。
3.1.4.1 操作系統接口
IEEE對操作系統本身未做規定，只規定了接口標準POSIX，并且尚未全部通過。各大計算機廠商都表示將遵守POSIX接口標準，但由于接口本身尚未確定，所以要做到真正的開放性系統還有一定的距離。以現在采用最廣泛的UNIX操作系統來說就有20余種產品，實現可移植性尚為時過早，一個EMS只能選用其中的一種。
3.1.4.2 圖形用戶界面接口
目前沒有正式的國際標準，但存在著事實上的工業標準，也即從用戶廣泛使用中推薦產生出來的標準。主要由2個部分組成，即窗口標準X-Window和建立在其上的用戶界面。MIT推出的X-Window是公認的，圖形用戶接口卻主要有2種，即OSF的Motif和X-Open的Open Look，目前OSF/Motif為多數計算機廠商及EMS廠商接受，已經成為事實上的工業標準。我們應在Motif方面做工作。
3.1.4.3 數據庫接口
除了規定用SQL和DIAS訪問數據外，IEEE并未對數據庫本身做出規定，EMS廠商都是自己開發實時數據庫管理系統，為了更好地處理歷史數據，不少EMS廠商采用了實時數據庫管理系統和商用數據庫管理系統相結合的方式，如WSL采用INGRES，CAE采用Sybase，EMPROSE采用Oracle等。
3.1.4.4 網絡通信接口
目前，新開發的EMS在局域網上以OSI和TCP/IP為通信接口標準，廣域網上以X.25為通信標準，這沒有爭議。但是隨著技術的發展和FDDI的廣泛采用，可能會由FDDI和TOKEN RING取代以太網，由ISDN和FRAME RELAY取代X.25廣域網。另一種傳輸速率可達上千兆位的ATM也正在發展中，ATM將更好地支持多媒體傳輸，使各級電力公司的自動化系統更形成一體。
3.1.4.5 開放式EMS平臺和體系結構
關于平臺及體系結構，各大公司開發的系統結構都差不多，當然和現場接口部分例外。在不考慮與現場接口的前置系統情況下，美國ESCA公司和Johnson公司幾位工程師提出電力系統自動化的開放式積木式的體系結構，將電網自動化系統分成EMS/DMS單元構成和EMS/DMS外部連接。用標準的積木方式構成整個系統。單元構成方式是在各種開放式標準的基礎上構成軟件平臺，并在這一平臺上開發應用軟件。一個單元可以由1臺或數臺工作站構成，但每臺工作站的軟件平臺均相同。不同的應用功能單元（如SCADA，AGC，EDC，PAS，DTS，DMS，GIS，MIS等）之間采用標準通信接口的局域網或廣域網互聯。
這種基于標準化的EMS/DMS單元的積木式系統構成，值得我們參考。此外，由于計算機本身發展迅速，對何種平臺的選用，也是我們在研究90年代EMS/DMS中必須關注的重要問題。
3.1.4.6 開放式綜合自動化系統軟件平臺
所謂軟件平臺是指實現應用功能的軟件基礎，EMS/DMS以至綜合自動化系統的軟件結構可分成3層，最底層是計算機的操作系統、圖形軟件、網絡通信軟件（這是計算機制造廠提供的），第2層是支持軟件，頂層是各種應用軟件。國際開放系統組織推薦的開放環境規范。
3.2 新一代基于GPS的動態安全監測系統
3.2.1 原有監測系統的缺陷
目前應用的電力系統監測手段主要有側重于記錄電磁暫態過程的各種故障錄波儀和側重于監測系統穩態運行情況的SCADA系統。不同地點之間缺乏準確的共同時間標記，記錄數據只是局部有效，難以用于對全系統動態行為的分析［12］。
迄今GPS技術、通信技術、DSP技術以及電力系統的動態電量測量和在線參數辨識等關鍵技術的發展已經給電力系統EMS實現整體動態監測功能
提供了必要的條件，從而可使已有的狀態估計及安全分析等功能發展為動態監測和分析或控制的工具。美國、法國等都相繼研制了基于GPS技術的電壓相量的測量裝置，并開展了基于電壓相量的電力系統的監視、保護和穩定控制的理論及應用研究工作［13］。國內也有不少單位著手這方面的研究工作，并取得了一些成果［12，14，15］。
3.2.2 新一代動態安全監測系統的原理
在電力系統中實施相量控制（phasor control）是電力系統穩定控制的新概念和直接方法。電力系統新一代動態安全監測系統，主要由同步定時系統、動態相量測量系統、通信系統和中央信號處理機4部份組成。參考站應設置在系統的主力發電廠或樞紐變電站，中央信號處理機設置于調度中心，相角測量裝置設置于發電廠或變電站，中央信號處理機和分散于各地的相角測量裝置通過電力通信網相連。
采用GPS實現的同步相量測量技術和光纖技術為相量控制提供了實現條件［16］。地球表面任一點均可接收到衛星發出的精度在1 μs以內的時間脈沖。這樣，電力系統中任一變電站均可接收GPS發來的準確時間脈沖給當地測量電壓波形以時間標記，其標度的相位精度對50 Hz的波形為0.018。采用相量方式監視并記錄系統狀態的相量測量單元（PMU）可以兼顧系統暫態、中期、長期及穩態等不同動態過程的要求。光纖通信系統將各變電站的測量收集匯總處理后，即可得到各變電站之間動態相量的變化，并據此實施相量控制。電力系統中現有提高暫態穩定的措施如切機、切負荷，可由相量控制器觸發；HVDC系統可按相量信息實施相量控制，模擬交流線路同步功率特性，使系統具有更強的抗干擾能力；交流系統的狀態可通過SVC及串聯電子式移相變壓器或TCSC實施相量控制。
3.2.3 動態安全監測系統的應用情況
將GPS技術應用于電力系統中，需要利用產品化的接收設備提供的串行通信接口和秒脈沖，開發基于計算機總線的高精度時間定標系統［16］。我國將GPS用于大電力系統穩定和振蕩監控的研究已取得初步成果。以GPS同步相量測量裝置為基礎的監測系統已在我國南方聯營電網投入運行。清華大學電機系電站自動化研究室自1994年開始利用GPS技術，建立電網統一時鐘方面的研究工作，所實現的新型動態監測裝置實現了對PMU的各種要求，并具備強大的計算、分析、顯示和記錄功能，在黑龍江東部系統及遼寧的部分廠站也已實現了同步相角的監測［12,17，18］。
3.2.4 動態安全監測系統發展趨勢
同步定時地測出各母線電壓和發電機內電勢的正序分量等空間矢量族，只要解線性代數方程，便可實現系統的動態狀態估計，監測各個發電機的動態行為和其他振蕩現象。長期以來人們一直為抑制區域系統間振蕩時相對頻率的測量而困擾。根據正序電壓空間矢量族，人們便可方便地抑制域內機組間振蕩或域間振蕩等。圖1給出了新一代動態安全監測系統的可能應用領域［19］。可見新一代動態監測系統將使電力系統的監測與控制完全改觀。
圖1 全網動態安全監測系統的可能應用領域
Fig.1 The possible application of dynamic security
supervision system
3.3 電力市場帶來的影響
近年來，電網發展面臨著新形勢，一場電力體制變革的浪潮席卷全球。主要內容包括所有制的變革和電力管理體制變革兩大方面。各國都在根據自己的國情采取變革措施。其核心是在電力部門引入競爭機制、打破壟斷，具體的做法有：發電、輸電、配電分離；放松管制(deregulation)；開放上網(open access)；電力轉供(power wheeling)等，這些做法是相互關聯的。盡管一些國家通過變革已收到降低電價、改善服務的實效，但我們應當冷靜地對這種變革的利弊得失進行深入的研究分析：微觀經濟學的模型能否應用于電力系統？市場能否自動實現電力資源優化配置？最重要的問題是競爭的電力市場是否會降低電網的可靠性［20］?
1996年7月2日和8月10日，美國西部電網大停電的直接原因是高壓線對樹放電和繼電保護整定錯誤，但美國電力研究院總結的西部電網崩潰的9條技術原因中，至少有3條與電網體制有關，即：
a.由于電力轉供（即大范圍內的電力交易），電網的負荷大大超過其設計能力。許多電業部門聲稱，他們所轄電網內發現不明的異常潮流加重了電網的負擔，從而降低了穩定儲備。
b.西部電網近40個控制區中，每一個控制區只了解本身的情況，無人可以了解全網的情景，在事故過程中，也無法看到電網的全景圖象。
c.繼電保護、發電機控制、電網控制的不協調導致了連鎖反應，因為這引起的保護與控制都是從局部考慮的，并不關心對全局的影響。
在電力市場運行機制下，原來電力公司發電、輸電、配電統一經營、規劃與運行等集中于統一的壟斷結構下的體制，分解為獨立的實體：發電公司、輸電公司和配電公司，參與競爭。不同的發電公司，包括獨立電能生產者，在發電側實行競爭，從而降低用戶電價；配電公司主要是2方面的工作：一是改革負荷曲線，二是鼓勵用戶節約用電；輸電系統獨立經營管理，為發電公司和用戶提供轉送電能的服務，像鐵路一樣公平轉送電力，收取費用。這樣一個開放和鼓勵競爭的運行環境增加了運行規劃的不確定性，使電力系統運行復雜化，運行方式快速多變。
電力市場并不意味著放棄統一調度。電網控制中心的運行人員必須面對眾多的、有時是互相矛盾的目標來做出決策。最明顯的就是要在商業效益和電網安全之間求得平衡，這樣必須充分利用先進的信息技術和在線決策支持工具，為電力市場的運行提供良好的環境。現代控制中心（調度機構）的功能將集系統運行與市場管理于一體，電網調度既是運行指揮中心又是電能交易中心，所處理的信息量和所提供的服務項目的規模將是前所未有的。
電力市場的理論問題集中在電價上，目標是將電力系統一切行為都用費用表示，而現在不能定量計算的項目很多，如：①峰谷電價的計算依據；②水電電價計算，季節電價的計算；③無功電費的計算；④檢修費用的計算；⑤備用費用的計算；⑥輸電費用的計算；⑦接網費用的計算；⑧事故損失計算等。
電力市場軟件系統分為三大部分：市場管理與信息發布、合同管理與電費結算和擴展EMS。擴展EMS包括實時發電控制、運行計劃、網絡分析和輸電服務4部分。顯然，市場管理與信息發布系統以及合同管理與電費結算系統也可以擴展進EMS。面向電力市場的EMS應用軟件的修改量是巨大的：①改造原有的應用軟件，如發電計劃、機組組合和負荷預測等；②增加新的應用軟件，主要是針對輸電服務和輔助服務任務，例如最大輸電能力計算、生產成本計算、輸電費用計算、輔助服務費用計算和輸電路徑優化等軟件［21］。
應當強調指出，這場變革已經對電力系統的規劃、設計、建設、運行、維護產生了重大和深遠的影響，提出了一系列有待解決的新問題，要求把電網建設為“靈活、開放的電網”。
4 21世紀電力系統自動化的展望
跨大區聯網的逐步實現，使得電力系統的規模越來越大，不同地區的資源通過電網互聯得以合理有效的利用，發電各方通過互聯電網相互合作又相互競爭，傳統的發輸配電統一集中管理和運行的機制開始向發輸配電分別作為獨立實體而參與競爭的電力市場運行機制轉化，未來的電力系統是一個基于信息互換而協調的分散決策系統［10］。
隨著我國主網架結構的加強，無功平衡和電壓穩定問題將日漸顯露出來。日本1987年發生的大面積停電事故（損失負荷8 GW）就是深刻教訓。應在電網設計中加強對電壓動態穩定問題的研究以及對于無功補償裝置的自主研制開發。
在研究電力系統控制問題時，計入發電廠動態過程和負荷自調節效應的模型要足夠詳細。電廠的控制，特別是機組速度和功率的控制，要結合整個系統的動態行為來研究。在額定頻率和電壓附近仿真時用的標準模型，許多在頻率和電壓偏移很大時不夠準確。近年大量投產的大型機組多采用快速勵磁，而常規勵磁所采用的AVR也是快速的，再加上機組的高功率因數運行，都會使系統阻尼降低，使系統潛在的振蕩失穩危險性增加。這就要求運行部門重視計算各種振蕩模式阻尼比，對系統阻尼低于弱阻尼標準應采取措施，將現有的PSS投入運行。
4.1 在線動、暫態穩定分析和穩定控制策略
靈活多變的電力系統運行方式，迫切需要有效的在線動、暫態穩定分析工具，以使運行人員可以在線跟蹤不斷變化的系統工況，實時掌握系統動態。對穩定系統，希望知道裕度指標以及關鍵參量離臨界值還有多遠。如果存在不穩定因素，則希望知道如何通過預防控制將系統引導至安全狀態，或快速制定緊急控制措施，保證系統的穩定性。可視化方法是克服電力系統分析方面所遇到困難的一個可能途徑。
目前，電力系統的緊急控制手段除了傳統的甩負荷、切機、火電機組汽門快關、HVDC線路快速調節、暫態強勵等外，新控制裝置如FACTS也顯示出良好的應用前景。緊急控制的幾個關鍵問題有故障檢測、集散協調、快速性、自適應性以及控制對設備和機組的影響等。傳統的控制決策方法針對有限的事先選定的一組系統工況進行離線計算，再進行在線匹配，在自適應性上不能滿足現代開放式、非管制化的電力系統的要求。雖然GPS的應用使得系統同步測量可以在大區域內進行，有利于把握整個系統動態，但如果控制決策不能按實際工況和故障場景算出，就不滿足自適應性的要求。
另外一個發展趨勢是智能控制的應用，計算機實時地進行自學習，以幫助（而不是代替）運行人員快速正確地做出決策。近年來，除了專家系統已在實際的電力公司得到應用外，神經元網絡和模擬進化算法等在電力系統實際應用中尚無大的突破。多種不同方法的混合使用也是正在進行的研究課題之一。現有的EMS中許多應用軟件需采用人工智能技術，例如：負荷預測中天氣修正、特殊事件的提取和電價響應；機組經濟組合中降低組合數而不丟失最優解；安全約束和最優潮流中函數約束的處理；動態經濟調度中旋轉備用的分配；狀態估計中開關狀態錯誤辨識；預想故障分析中預想故障組的設置；輸電能力分析、輸電費用計算、輔助服務費、交易匹配、信息過濾、DTS教案準備等［21］。
在互聯電力系統的正常狀態、緊急狀態和恢復期間，如何實現最有效的協調和控制，尤其是FACTS裝置的引入，使互聯電力系統的協調和控制面臨許多新問題，如能量交換、提供備用、減少不同運行條件下的環流等。隨著電力系統規模的擴大，快速控制裝置的引入，對可能發生的系統阻尼減少而導致的持續的功率振蕩，使用FACTS可以改善阻尼，提高系統運行穩定性和靈活性。FACTS裝置本身的研究成果已有不少，但其在多機系統中的控制策略仍是國內外專家學者們積極探討的問題，如何選擇最佳控制系統結構，實時選擇控制元件，找出合適的控制算法，根據當前工況和故障場景決策控制量，是保證現有控制系統有效發揮作用和使任何一個新的控制元件達到實用的技術關鍵。大規模互聯電力系統的頻率控制應當考慮適當協調各成員系統之間的關系,還要考慮區域之間的功率振蕩[22]
4.2 控制中心的新趨勢
現代電力系統控制中心是基于分布式的開放式結構，將EMS/SCADA/DMS和MIS有機地集成為一體。Internet和Intranet的使用正快速滲透到電力系統運行領域，為軟件技術的集成提供了好的環境，成為決定EMS設計的因素之一。跨平臺的計算機高級語言、控制中心間的標準通信模式和電力系統分散化運行的軟件體系結構將逐步導致共享數據庫的集成系統。
當今電力系統調度中心的EMS基本上是以處理穩態方式調度運行為主。其中靜態安全分析主要監視N-1的偶然事故下母線電壓越限或線路、元件過負荷，并給予處理指導。而更嚴重故障下的穩定控制，則一般需通過離線分析提供可供采取的措施，通過快速的繼電保護和安全自動裝置實時動作實現。GPS相量測量系統提供了可實時跟蹤功角變化軌跡的可能性，從而可通過預測不穩定現象的演化適時決定應采取的控制措施（如切機、快關等）。可以預期GPS相量測量裝置與常規RTU相結合，使調度中心的EMS功能從穩態向動態轉變，將使大電力系統的全局穩定和恢復控制成為可能。
近年來，在EMS中采用EEAC、PEBS等直接法在線分析監視系統暫態穩定已取得重要成果。將現有的離線分析程序加以改造，與直接法相結合，以適應在線穩定分析要求從而得到更為充分的信息，也在國內外一些電網得到實際應用。進一步應開展事故后恢復策略的研究，為處理事故過程中的大量警報信息，須采用人工智能等科學方法。包含暫態穩定、中長期動態穩定和電壓穩定的動態安全評估應成為EMS的標準功能，帶有自學習功能的在線動態安全分析是發展方向。
面向對象的技術（OOT）是網絡數據庫設計、市場模型設計和電力系統分析軟件設計的合適工具，應將OOT用于SCADA/EMS系統。
4.3 強化電網安全的技術措施
電網動態安全在線評估技術；調度員安全量度體系；廣域綜合安全通信網（ISN）；在規劃階段進行電網的風險評估；電力系統模型標準化；重新審查繼電保護整定的原則和做法；建立以可靠性為中心的維修體系；全國電網事故及設備故障的數據庫；廣域的測量和事件記錄系統；動態調度員培訓仿真器。
隨著計算機技術、控制技術及信息技術的發展，電力系統自動化面臨著空前的變革。多媒體技術、智能控制將迅速進入電力系統自動化領域，而信息技術的發展，不僅會推動電力系統監測的發展，也會推動控制向更高水平發展。
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作者簡介：王強，男，博士，現在江蘇省溧陽市政府掛職鍛煉，市長助理。
韓英鐸，男，教授，中國工程院院士，中國電機工程學會常務理事，北京電機工程學會副理事長，清華大學電力電子工程研究中心主任，從事電力系統穩定控制和FACTS技術的研究。
作者單位：王強（清華大學電機工程系， 北京 100084）韓英鐸（清華大學電機工程系， 北京 100084）
