第九章 能量管理系统简介
一、概述
（一） EMS技术的发展
能量管理系统（Energy Management System）是以计算机技术和电力系统应用软件技术为支撑的现代电力系统综合自动化系统，也是能量系统和信息系统的一体化或集成。“管理”指的是对不同自动化系统的综合管理，它是以数字计算技术代替模拟计算技术，以软件实现大部分功能替代用硬件实现为特征。狭义的能量管理专指发电控制和发电计划。一般的EMS 应包括数据收集、能量管理和网络分析三大功能。广义的EMS还应包括调度员培训系统DTS （Dispatcher Training Simulator）功能。EMS主要面向发电和输电系统即大区级电网和省级电网的调度中心，而面向配电和用电系统的综合自动化系统称为配电管理系统DMS （Distribution Management System）。
EMS是以调度自动化为核心内容。随着计算机技术和计算技术的发展，EMS使传统的调度自动化向广义的调度功能一体化乃至全网的综合自动化方向发展。
最初的EMS系统是在20世纪70年代中期产生的。它在数据收集和监控系统SCADA的基础上，将自动发电控制AGC（Automatic Generation Control）和部分网络分析软件功能集成一体，用数字计算机系统实现其全部功能。
EMS的计算机硬件系统经历了从初期采用专用控制型计算机到全部采用通用计算机的过程。EMS的计算机软件经历了从专门设计控制程序到采用通用控制系统、专门开发数据库和画面编译系统及形成专门的EMS支持平台的过程。随着电力系统模型与算法的发展，EMS 的高级应用软件也逐步完善和丰富。尤其是面向电力市场的环境，电网管理由垄断走向开放，EMS的功能将面临新的改造和更新。
我国的EMS经历了70年代基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统的第一代；80年代基于通用计算机的第二代；90年代基于RISC/UNIX的开放式分布式的第三代。第四代的主要特征是采用JAVA、因特网、面向对象等技术并综合考虑电力市场环境中的安全运行及商业化运营要求，它将在本世纪诞生。
(二) EMS的总体结构
EMS的总体结构如图9－4所示。它的主要组成部分有：计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量管理（发电控制和发电计划）、网络分析及调度员培训模拟系统。
能量管理系统培训系统
图9－1 EMS的总体结构
计算机、操作系统、支持系统构建了EMS的支撑平台。数据收集、能量管理、网络分析组成了EMS的应用软件。数据收集是能量管理和网络分析的基础和基本功能；能量管理是EMS的主要功能；网络分析是EMS的高级应用软件功能。培训模拟系统则可以分为两种类型：
一是离线运行的独立系统，一是作为在线运行的EMS 组成部分。
二、EMS 的支持系统
EMS 的支持系统包括计算机系统、操作系统和支持系统。此处重点介绍EMS 的计算机系统和支持系统中有关EMS 实际应用的数据库。
计算机软件系统包括（一）EMS 的计算机体系结构
EMS 对计算机的要求是要满足可靠性、速度、容量和可扩充性。随着计算机技术的发展，EMS 计算机体系结构经历了集中式－分布式－开放式的发展过程。
1、 集中式计算机体系结构
集中式计算机体系结构是所有处理任务由2台（或多台）计算机纵向分担。实施方案分为双主机配置、前置机配置，如图9－5所示。前置机可用多机组成。这种系统的特点是在一套主机和前置机故障的情况下另一套主机和前置机可继续正常工作。前置机的主要任务是进行数据收集和规约转换工作，以减轻主机的工作负担。我国第一、二代EMS 基本属于这种计算机体系结构。
计算机通信
B S
C ，X .25
主机
2B
D P -11/73
512K B
图9－2 集中式能量管理系统的配置框图
2、 分布式计算机体系结构
分布式结构是通过通信系统将多处理机连接在一起，各处理机分担EMS 不同的功能并共享输入输出处理器及外部设备。因此，分布式结构的特点主要体现了硬件和任务的分布关系。90年代初国家电力调度通信中心引进的西门子SCADA/EMS 系统属分布式结构。
图9－3 客户－服务器分布式结构的系统框图
3、开放式计算机体系结构
对开放式计算机体系结构曾有多个定义。它们的主要思想是强调多厂家的系统集成和用户界面及各方面软件接口的标准化。
开放式计算机结构应满足：
①工作站为基本单元，系统可灵活组成。
②各子系统冗余配置。
③严格遵守工业标准，它包括操作系统的POSIX标准。
④采用外壳技术，将专用软件与操作系统相隔离，这个外壳软件层是一个符合POSIX
标准的插头，可插到符合该标准化的各种操作系统上。
⑤采用商用数据库。
⑥硬件可采用多家产品。
⑦实现系统内部采用局域网互联，并可与其他信息系统相连。
除开放式计算机结构外，还有对EMS的开放式定义。它在要求多厂家集成的同时，还强调了应具有对现有系统进行部分（或全部）加强或更换的能力。
（二）EMS的数据库
EMS的数据库是实现EMS所有功能的所需的数据源。EMS数据库设计是将物理模型化为数学模型的定义过程。不同公司设计的EMS数据库有不同的定义及不同的数据库形式。但就EMS的数据来源而言无非有这样一些类型：实时量测数据、预测与计划数据、基本数据、历史数据和临时数据。
实时量测数据由遥信、遥测而来，主要反映当前电力系统运行状态。它包括设备的状态量和设备运行的模拟量和累加量。
预测和计划数据向EMS提供当时或未来的电力系统运行状态数据。它由EMS本身形成或人工输入。它包括负荷预测、发电计划、机组组合、水电计划、交换计划、燃料计划、检修计划等。
基本数据是电力系统运行中基本不变或缓慢变化的数据。它包括电力系统运行设备的配置及参数、量测设备的配置及参数等。这些参数及关联信息是人工输入并在运行中由人工修改。
历史数据是以往运行状态保存的记录数据。它包括正常和事故记录。EMS可按规定的条件进行自动记录，也可人工启动记录。历史数据主要用于电力系统状态的分析、预测和培训。
临时数据是高级应用软件运行中自动形成和自动消除的数据。它主要用于应用软件维护人员的调试、诊断。
面向EMS的功能可把最主要的公用数据按功能进行划分，即SCADA功能数据库、能量管理数据库、网络分析数据库及培训仿真数据库。
SCADA数据库主要对量测对象（厂、站）和远程终端结构进行定义、描述及映射。前者用于调度员监视电力系统状态，后者用于自动化人员监视远动系统的工作状态。另还可补充通信结构的数据，以便从计算机的角度描述数据通信。
能量管理数据库是能量管理应用软件所需的公用数据库。应用软件包括实时发电控制、发电计划、机组经济组合、水电计划、交换功率计划、燃料计划和检修计划。能量管理数据库成了其多应用软件联系的纽带。同时它与SCADA数据库和网络数据还有数据交换。一方面从SCADA获取能量管理专用软件所需的实时数据（频率、机组功率和交换功率等），另一方面又为网络数据库提供机组经济特性、机组状态和发电计划等分析结果，同时也向网络数据库获取各机组和交换功率点的网损微增率及机组的安全限值。
能量管理数据库从内容上可分为两大块。一是对运行区的描述和记录，它包括发电厂、有功率交换的电力公司和交换模型。发电厂主要包括启动机组记录和电厂控制器记录。有功率交换的电力公司主要有联络线走廊记录。交换模型主要有交换关系和交换计划。二是对燃料类型的描述和定义，主要反映燃料的热量和价格。
网络数据库是为进行高级应用软件分析提供的公用数据库。同样它与SCADA数据库、网络管理数据库及调度员培训仿真数据库都有数据交换。网络数据库的内容主要有网络的静态模型，它包括网络的物理元件和一系列表格；预测与计划模型，主要用于定义负荷预测和开关投切计划。
培训仿真数据库是进行调度员培训的专用数据库。它根据功能的不同，一一与前述的数据库对应，同时对于暂态模型和教案模型所用的数据库可增加在这个库中也可单独定义。
（三）EMS的人机交互
人机交互（MMI,Man-Machine Interaction） 是EMS必不可少的部分。它是调度员与EMS联系的重要手段，通过人机交互调度员对电力系统进行监视、分析和控制。同时，人机交互还面向运行计划人员、运行方式分析人员、自动化专业人员，通过人机交互分别进行编制和修正调度计划、研究运行方式和维护EMS。
人机交互的硬软件主要有：显示器、键盘、轨迹球或鼠标、打印机和绘图仪等。调度模拟盘也可含在内。通常将可操作的硬件称为控制台，将显示屏幕的可控制的光点称为光标。
人机交互的软件主要有：画面定义、任务管理、控制台功能和应用数据库。
因此人机交互与计算机硬、软件技术的发展密切相关。
EMS的人机交互主要有以下功能：
将屏幕上的画面与数据库联系起来；
通过画面观察数据和系统状态；
通过画面进行操作；
动态刷新画面；
开发和生成画面。
三、EMS的应用软件系统
（一） EMS应用软件概貌
EMS应用软件分为三大模块：数据采集、能量管理和网络分析（可加上培训仿真）。这些软件的工作方式分为实时型和研究型（或计划型）两种。
数据采集模块的功能是实时采集电力系统数据并监视其状态。能量管理模块的功能是进行调度决策以提高控制质量和改善运行的经济性。网络分析模块的功能是进行全系统的分析与决策以提高运行的安全性并进行安全性与经济性的统一。仿真培训软件则是以研究方式或实时方式按照规定的教案进行调度员培训。
这三大模块的主要内容以及它们之间的相互关系见图9－7。
图9－4 EMS的应用软件（摘自“能量管理系统”一书）
（二） 数据采集和监控
数据采集与监控（SCADA）功能是EMS的基本功能。它的硬件组成主要有远动终端（RTU）、传输信道和主站计算机。此处主要介绍它的软件功能。SCADA通常有以下主要功能：
1、数据采集与数据处理
首先由装设在厂、站内的远动终端进行数据采集，然后通过调度主站与RTU之间的远动
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