西北电网新一代EMS是从加拿大CAE电子公司引进的，系CAE公司生产的第三代电网控制系统。该系统采用分布式网络体系结构，以基于RISC技术的DEC Alpha工作站或服务器构成其硬件平台；采用OSF/1 UNIX操作系统、商用Sybase关系式数据库管理系统、TCP/IP网络通信协议等标准软件构成其软件平台，使整个系统具有较高的开放性。双局域网所构筑的系统框架使系统具有很高的可靠性和灵活的扩展性。DNP分布式网络规约的采用，使整个EMS的应用水平上了一个新的台阶。

1　体系结构

　　西北电网新一代EMS采用分布式客户/服务器体系结构，双以太网构成EMS硬件平台(见图1)。系统共有15台Alpha服务器或工作站，组成5类节点，这些节点的计算机分别和双以太网连接。DAC，SYS，APP节点都由一对冗余的互为备用的服务器组成，工作于在线热备用方式。系统提供了错误检测、错误处理、故障切换、恢复和自启动等高可用性软件，一旦检测到硬件故障或关键性的软件错误，主备双机能自动切换，从而保证了系统的高可靠性。全部的EMS功能被灵活地分布在各类节点上，其功能分布基于功能/数据模块化原理，即尽可能将各相关功能与其经常访问的数据紧密联系，分布在同一节点上。这种设计方法明显地减少了网络数据流量，有效地防止了分布式计算机系统经常出现的通信瓶颈问题。此体系结构的最大特点是能够借助于计算机系统厂商提供的技术来实现EMS重要功能对高可靠性和冗余的要求；另一特点是这种基于冗余配置的分布式体系结构，能使用户很方便地通过更新、增加数据库或增加节点来扩充系统应用功能。

2　应用软件环境

　　西北电网EMS的软件结构如图2所示，底层软件主要有UNIX操作系统、通信软件TCP/IP、Sybase关系数据库管理系统等系统软件；中间层主要有分布式应用环境(DAE)，作为上层EMS应用软件的支持；西北电网EMS应用软件有SCADA软件、发电管理系统(简称GMS， 包括自动发电控制和经济调度)软件和网络分析系统(简称NAS，包括网络拓扑处理、状态估计和调度员潮流)软件。全部EMS应用功能均在DAE上运行，DAE构成了EMS应用软件的环境基础。DAE是一种分布式客户/服务器环境，它采用或遵从已建立的或事实上的国际标准，如OSF/1 UNIX操作系统、TCP/IP和UDP/IP网络通信协议、Sybase关系式数据库管理系统、ANSI C编程语言和基于X/MOTIF的UI应用软件等。

图2 西北电网EMS软件结构
Fig.2 Software configuration of Northwesr Electric Power Nerwrk EMS

　　分布式应用软件环境(DAE)的应用，并不是取代现有的分布式计算环境(DCE)的功能，而是提供DCE所不能满足实时控制应用要求的功能，如实时、容错、高可用性等。DAE提供了和操作系统相接口的功能，从而使高层的EMS应用功能和底层的操作系统相隔离。DAE主要功能特点如下：
　　a.　DAE为异种机网络环境中的客户/服务器应用提供了高可用性框架；
　　b.将应用软件和计算机控制系统网络拓扑及数据表示相隔离；
　　c.一种被称之为分布式功能(或远程过程调用RPC)的机制提供了应用交互的过程接口；
　　d.提供一组管理、监视和调试工具，用于检测系统问题和监视系统性能；
　　e.客户应用的故障并不影响服务器工作，服务器故障也不影响客户应用；
　　f.在客户/服务器应用环境中，服务器可由主备服务器冗余，主备服务器自动切换而不中断任何客户应用；
　　g.　DAE为客户和服务器提供了同步或异步处理分布式应用功能的特性；
　　h.　DAE允许同一个分布式功能的多个请求，并提供应用编程接口(API)；
　　i.进程间通信机制(IPC)的应用减小了系统的负载。

3　SCADA功能及数据库管理

3.1　基本SCADA功能
　　a.通信功能：包括网络管理服务、通信路径监视、远程节点通信等；
　　b.数据采集功能：实现对各类数据的采集和处理(包括同源多通道数据)、正确合理性检查、工程量转换、数据库的更新和数据广播；
　　c.操作和控制：包括人工置数、扫描控制、设备挂牌、操作注释、离散设备控制(如控制开关设备)、增量设备控制(如控制调整变压器分接头)、设点控制(如控制调节机组出力)等；
　　d.报警与事件处理，包括报警/事件定义、分类显示、存储和打印；
　　e.历史数据的存储和管理；
　　f.用户接口功能，系统提供画面编辑、世界图显示、图形数据显示、操作控制台管理以及画面的平移、缩放、导航、分层、增繁、去繁(declutter)等功能；
　　g.数据库管理应用：系统提供数据库管理、数据库在线编辑及生成、数据库繁衍(populator)及广播、数据库保存等功能；
　　h.打印服务管理：包括打印机配置管理和打印队列管理；
　　i.汉字报表：采用面向对象的GAIN软件包在UI工作站上实现报表编辑和打印；
　　j.　EMS运行监视功能：包括进程监视、数据库监视、错误监视等。
3.2　数据库管理和维护
　　西北电网EMS中所使用的数据库(包括SCADA数据库、GMS数据库和NAS数据库)分为关系库和内存库。静态数据存储在关系数据库中，由Sybase SQL服务器管理。便于应用软件能快速访问的动态数据则存储在内存驻留数据库中。通过数据库定义源文件生成关系数据库，由关系数据库再生成内存数据库，而且内存数据库中的动态数据被定期保存在关系数据库中。可以利用关系数据库来反生成数据库源文件，这样保证了在线修改或增加的数据库内容不会丢失。
3.3　分布式数据库原理
　　西北电网EMS采用了分布式数据库的设计思想，将所有的数据库分布到相关的节点上，系统的功能也分布在各节点上，成为真正意义上的分布式系统。系统提供一种称为复制式数据库通信服务(RDCS)的工具，允许应用程序将分布式计算机系统中的一个EMS数据库的内容分布到多个节点上。一个分布式数据库模型用于实现这些服务，该模型由基准数据库、复制数据库、下载服务器、传递更新器、基准数据库更新器、复制数据库更新器组成。
　　分布式数据库数据更新的原理如图3所示，应用将数据库更新操作传递给基准数据库更新器来更新基准数据库，下载服务器负责将基准数据库下载到其它节点上，任何对基准数据库的更新都广播到所有的节点来更新复制数据库。

图3 复制式数据库通信服务意图
Fig.3 Schematic diagram of replicated database communicarion services(RDCS)

3.4　分布式数据库的安全性和完整性
　　对涉及多个用户访问数据的在线应用而言，分布式数据库的安全性和完整性十分重要。数据的完整性是指数据的准确性和一致性；数据的安全性是指对数据访问的授权和控制。Sybase SQL服务器通过集中增强数据的完整性和安全性来满足这些要求，而不是在访问数据的每一个应用中加入安全性检测的编码。数据库完整性和安全性由下列技术来保证：
　　a.规则定义了列(column)可接受数值的表达式，用于增强域的完整性；
　　b.触发器用于自动执行插入、更新、删除操作的SQL过程，用于增强表的完整性；
　　c.存储过程是一组存储在数据库中已编译好的SQL语句，实现规则和触发器所不能实现的完整性和安全性；
　　d.基准数据库的写访问操作由相应的更新器进行，并同时将变化数据广播到复制数据库。

4　EMS的应用功能

　　西北电网EMS所提供的应用功能(高级应用功能)主要有：自动发电控制(AGC)、经济调度(ED)、网络拓扑处理(NTP)、状态估计(SE)和调度员潮流(DPF)。
4.1　自动发电控制(AGC)
　　西北电网EMS自动发电控制的主要功能目标是通过调整在控制区内可调发电功率以满足下列电网运行要求：
　　a.保持电网频率在规定的范围内；
　　b.满足电网净交互计划；
　　c.保证发电源在其运行限制内；
　　d.提供校正累计误差机制。
　　西北电网EMS的AGC功能支持的基本控制模式为定频率控制(CFQ)、定联络线交换功率(CTL n)和联络线偏差控制(TLB)；AGC功能提供的辅助控制模式有两种，即时差校正模式(TEC)和偶然能量交换校正模式(IEEC)。
　　AGC控制状态与性能监视用于检测AGC控制状态、AGC基本控制模式和辅助控制模式，以保证AGC控制功能的正确执行。系统提供的监视功能有AGC性能监视(NERC)、AGC控制状态监视、AGC基本控制模式监视、AGC辅助控制模式监视、联络线交换监视、机组监视、发电源监视、控制区域监视和发电功率分配。此外，系统还提供了发电机爬坡功能(RAMP)及系统储备监视(RM)功能。
4.2　经济调度(ED)
　　经济调度功能的目标是满足电力系统安全和运行约束，在在线可用的发电源间分配发电功率，使电力系统生产成本最小。西北电网经济调度功能主要由两个独立的模块组成，即微增成本函数(ICF)构成模块和经济调度模块。前者用于当检测到与ICF相关的参数变化时，建立微增成本函数ICF；而后者利用各发电源的ICF来计算在线可调整发电源的经济功率基点值和参与因子。
4.3　网络拓扑处理(NTP)
　　NTP功能是为了识别电力网络的电气母线(节点)和电气岛，确定每个电气岛是否为死岛、是否可作为孤立的电网运行，最后建立一个母线/支路为概念的电力系统模型。西北电网EMS的网络拓扑处理功能分为两步：处理母线段形成母线和处理母线确定网岛。
　　对给定的母线段/开关设备模型，单电气母线的母线段及闭合的开关设备被划分为一组，通过采用快速树型搜索算法来确定每个母线段组的拓扑结构。母线段拓扑处理有完全搜索法和跟踪处理法。
　　与母线段拓扑处理相似，一个树型搜索算法用于确定网络的电气岛，从运行的发电机开始追踪网络来识别“带电的”电气岛。“不带电的”设备被分为“接地”和“非接地”两类。通过从接地刀闸开始追踪网络来确定接地部分。不同的网岛以不同的颜色显示。
　　系统支持全拓扑处理和部分拓扑处理功能，并提供似真性检查(plausibility check)功能。
4.4　状态估计(SE)
　　状态估计是通过处理电力系统冗余的量测来估计电力系统的运行状态：即母线电压矢量和支路潮流矢量。西北电网EMS的状态估计能确定网络状态并提供：一组冗余量测(实时和/或伪量测)；网络连接(基于状态量测的连接)；设备模型和参数(物理系统的数学表示)。
4.4.1　可观测性分析
　　观测性问题被近似化为两阶段处理。在第一阶段，分别分析P和Q的传统拓扑算法，亦即为保证可观测性，P—Q耦合是不接受的。因此，一个P或Q—V伪量测在必要的母线上被插入或删除。在大多数情况下，拓扑阶段为SE算法提供了合适的条件。第二阶段包括对网络增益矩阵因子化测试。如果对角线矩阵块因子足够小，则可认为求解SE的条件不够，系统不可观测，进程将剔除掉不合适的量测，为SE的收敛性提供合适的条件。
4.4.2　状态估计算法
　　本系统状态估计算法采用正交变换法和混合法。在有功、无功解耦的基础上使用正交变换和混合算法来提高计算速度和改善收敛性，克服了传统状态估计算法的缺陷。其特点是收敛性好，与目前流行的加权最小二乘法不良数据处理技术及快速稀疏矩阵技术相兼容。
4.4.3　不良数据检测/识别
　　不良数据分析在一个可观测的电气岛上执行。采用标准残差或加权残差法来检测不良数据，在边界上用加大权重的方法减少残差的污染问题。尽管不良数据的严格综合识别方法很费时，但基于只处理很小的可观测部分这样的事实，它是很可靠的。系统提供多级处理方法，每一级都执行不良数据的搜索和修正，直到没有不良数据为止。
4.4.4　母线负荷预报
　　母线负荷预报(BLF)为内部和外部系统提供了一组完整的基于存储的和过去观测的潮流数据输入。它处理有关配置、负荷、发电、联络线交换功率和电压设置。在实时模式下，使用已知的内部、外部系统计划，包括系统负荷预报和电压—无功计划，BLF为SE提供母线注入伪量测。在研究模式下，为任何给定的时间或负荷水平生成一组潮流数据(CASE)。
4.4.5　外部网络处理
　　当可观测网岛上的状态估计执行以后，就要解决外部网络。不可观测的母线以及外部模型中的母线将通过BLF给出伪量测，在整个互联网络上执行状态估计。用在边界母线上加大实际注入或伪注入的权重来解决边界不匹配问题。使用预报数据、负荷注入量测、发电有功功率、机端电压量测、区域交换有功功率、变压器分接头或电容器组控制的目标电压值和移相器目标有功潮流等对外部网络建模。
4.5　调度员潮流(DPF)
　　DPF的主要功能是在已知电力系统网络拓扑结构和母线注入之后求解电网的运行状态：母线电压矢量和支路潮流矢量。西北电网EMS的DPF功能所提供的算法是全牛顿法和快速解耦法，调度员可通过用户界面来选择算法。在研究模式下能进行简单的N—1型电力系统安全分析，能调节发电机组无功、补偿装置无功、有载调压变压器分接头来将电压控制在安全约束范围之内；能将松弛母线上的功率按机组、按负荷或按区域交换来分配。在实时模式下使用母线注入量测求解电力系统的运行状态。

5　结语

　　西北电网新一代EMS经过一年多的现场调试和试运行，于1997年底通过工程验收。系统运行稳定可靠；AGC投入实际运行，提高了电网的频率合格率；NTP，SE，DPF等应用功能在进一步完善中。目前已将西北电网省际间联络线关口智能电表信息接入EMS，为扩充系统应用功能创造了条件，其先进性将逐步显现。