0引言
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。我國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化在20世紀(jì)80年代以前一直處于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（scada）階段，80年代初，電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法逐漸成熟，調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)始向能量管理系統(tǒng)（ems）階段發(fā)展[1]。80年代末、90年代初，隨著實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)在實(shí)際電網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)，ems開(kāi)始走向?qū)嵱没?，我?guó)電力系統(tǒng)調(diào)度也隨之真正向自動(dòng)化方向發(fā)展，電力調(diào)度工作由以調(diào)度工作人員經(jīng)驗(yàn)為主，發(fā)展為在電網(wǎng)仿真計(jì)算基礎(chǔ)上的科學(xué)調(diào)度。
ems按其范圍可分為狹義和廣義兩種。
狹義的ems是指電力應(yīng)用軟件，它利用scada系統(tǒng)采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括開(kāi)關(guān)刀閘狀態(tài)、變壓器分接頭位置等開(kāi)關(guān)量，以及節(jié)點(diǎn)電壓、支路潮流等模擬量，在這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)，剔除壞數(shù)據(jù)，并求得所有節(jié)點(diǎn)的電壓，然后通過(guò)在線潮流求得全網(wǎng)的潮流分布。在線潮流每隔一個(gè)較短的時(shí)間間隔（例如1min）運(yùn)行一次，便于調(diào)度人員對(duì)全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。調(diào)度人員還可通過(guò)ems中的故障計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定分析模塊，計(jì)算各種故障情況下的故障電流、全網(wǎng)潮流分布和暫態(tài)穩(wěn)定情況，以便進(jìn)行運(yùn)行方式的制定和繼電保護(hù)定值的校核。
廣義的ems是指實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化的所有應(yīng)用軟件，主要包括scada、狹義的ems以及調(diào)度員培訓(xùn)仿真器（dispatchertrainingsimulator，縮寫(xiě)為dts）。
目前，國(guó)內(nèi)外有人把dts稱(chēng)為操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（operatortrainingsimulator，縮寫(xiě)為ots），或者稱(chēng)為電力系統(tǒng)仿真器（powersystemsimulator）。
dts主要用于對(duì)調(diào)度員進(jìn)行電網(wǎng)操作和事故處理培訓(xùn)。一般由1個(gè)教員臺(tái)和1個(gè)或多個(gè)學(xué)員臺(tái)構(gòu)成。教員通過(guò)設(shè)置各種教案，用dts培訓(xùn)學(xué)員；學(xué)員面對(duì)的是整個(gè)電力系統(tǒng)仿真環(huán)境，以及由各種教案構(gòu)成的事故和操作，通過(guò)處理這些教案產(chǎn)生的事故和操作，達(dá)到接受培訓(xùn)的目的。
本文主要介紹dts的構(gòu)成、dts與ems的與區(qū)別、目前國(guó)內(nèi)對(duì)dts系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)情況，以及國(guó)調(diào)中心對(duì)dts系統(tǒng)的應(yīng)用情況和研究成果。
1dts的構(gòu)成
目前，國(guó)內(nèi)外有多家廠商從事dts系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，各個(gè)版本的dts系統(tǒng)雖然在算法水平、人機(jī)界面友好性等方面存在差異，但其基本構(gòu)成大致相同，都是在主要包括離線數(shù)據(jù)庫(kù)（主要用于保存電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（主要用于實(shí)時(shí)計(jì)算）的分布式軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，由3個(gè)功能模塊即電力系統(tǒng)模塊（psm）、控制中心模塊（ccm）和教員控制模塊（icm）[l]，構(gòu)成。其核心部分是psm，它包括電力系統(tǒng)元件和控制系統(tǒng)模型、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。ccm由控制中心scada和agc功能仿真、電力系統(tǒng)分析和調(diào)度員人機(jī)接口等功能仿真軟件組成。icm包括培訓(xùn)前準(zhǔn)備、教案制作、培訓(xùn)中操作控制、培訓(xùn)后恢復(fù)和評(píng)估等功能。
psm，ccm和icm三者之間的關(guān)系如圖1所示。
icm向psm提供各種模型、參數(shù)、初如潮滾和事件表，啟動(dòng)psm運(yùn)行，psm的仿真結(jié)果以rtu格式送至ccm，ccm向?qū)W員顯示當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行情況，并將學(xué)員的控制操作命令以rtu格式送至icm再轉(zhuǎn)至psm，改變psm運(yùn)行條件。
一般的，dts系統(tǒng)是按照分布式系統(tǒng)原則設(shè)計(jì)的。因此，psm，ccm，icm這3個(gè)模塊可以分裝在3臺(tái)計(jì)算機(jī)上，也可以將psm和icm裝在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。裝ccm的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為學(xué)員臺(tái)，允許配置多個(gè)學(xué)員臺(tái)，進(jìn)行調(diào)度全值人員橫向協(xié)調(diào)操作培訓(xùn)。裝icm的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為教員臺(tái)，允許配置多個(gè)教員臺(tái)進(jìn)行同級(jí)調(diào)度員之間或是上下級(jí)調(diào)度員之間縱向協(xié)調(diào)培訓(xùn)，例如在實(shí)施全國(guó)電力系統(tǒng)聯(lián)合反事故演習(xí)中，如果使用分布式多教員臺(tái)dts系統(tǒng)，各級(jí)教員調(diào)度員在其管轄范圍內(nèi)設(shè)置不同的事件，所有這些事件構(gòu)成了整個(gè)反事故演習(xí)的教案，對(duì)所有參演調(diào)度員和值班員進(jìn)行培訓(xùn)。
2dts與ems的和區(qū)別
dts作為廣義ems的一部分，與狹義ems有著緊密的。dts系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用是培訓(xùn)調(diào)度員在熟練使用ems的基礎(chǔ)上加深對(duì)電力系統(tǒng)的理解，熟悉調(diào)度操作。因此，dts應(yīng)盡可能與ems有相同或者相似的人機(jī)界面；同時(shí)，dts應(yīng)能夠采用ems的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行培訓(xùn)，使學(xué)員身處一種真實(shí)的電力系統(tǒng)環(huán)境之中。dts與ems應(yīng)一體化設(shè)計(jì)[2]。目前，國(guó)內(nèi)外各主要調(diào)度自動(dòng)化軟件開(kāi)發(fā)商紛紛推出ems／dts一體化系統(tǒng)。這種一體化系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)在相同的人機(jī)界面、相同的數(shù)據(jù)來(lái)源，都是從同一個(gè)離線數(shù)據(jù)庫(kù)取得同一個(gè)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，dts可以使用ems的當(dāng)前數(shù)據(jù)斷面作為初始教案，從而兩者的運(yùn)行參數(shù)一致：而且，兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于同一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)之上，在某些功能相近的模塊中，兩個(gè)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了部分程序代碼的共用。這種一體化的結(jié)果，不僅大大減少了數(shù)據(jù)維護(hù)量和程序維護(hù)量，而且真正做到了dts對(duì)ems在人機(jī)界面和計(jì)算結(jié)果方面的模擬，使學(xué)員在接受培訓(xùn)之后能夠更快地熟悉自己的工作。
dts與ems作為功能不同的兩個(gè)系統(tǒng)，相互之間的區(qū)別也是明顯的。
首先，dts可以通過(guò)程序自帶的數(shù)據(jù)斷面作為初始教案進(jìn)行培訓(xùn)，也可以將dts培訓(xùn)過(guò)程中的某一個(gè)數(shù)據(jù)斷面保存為一個(gè)存儲(chǔ)柜（savecase），供下次培訓(xùn)時(shí)使用。因此，dts可以具有獨(dú)立于ems運(yùn)行的能力，它的運(yùn)行并不*依賴(lài)于ems。
其次，dts與ems在運(yùn)行機(jī)理上不*相同。ems反映的是系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)時(shí)狀態(tài)，是一個(gè)數(shù)據(jù)斷面，由scada數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，是靜態(tài)的概念；而dts仿真的是以初始數(shù)據(jù)斷面為起點(diǎn)，按照一定算法模擬系統(tǒng)在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，反映的是一個(gè)由時(shí)間驅(qū)動(dòng)的仿真過(guò)程，是動(dòng)態(tài)的概念。反映到算法上，在穩(wěn)態(tài)方面，ems計(jì)算的是在線潮流，反映的是當(dāng)前的系統(tǒng)潮流分布；而dts計(jì)算的是動(dòng)態(tài)潮流，反映的是一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)潮流分布隨負(fù)荷曲線而變化的情況。在動(dòng)態(tài)方面，ems計(jì)算的是故障情況下的故障電流和短時(shí)間（1秒～幾秒）內(nèi)的暫態(tài)穩(wěn)定情況，使用的是穩(wěn)態(tài)模型和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，例如發(fā)電機(jī)采用的是能量恒定的二階經(jīng)典模型，不考慮調(diào)速器、勵(lì)磁器、pss穩(wěn)定器等裝置的影響，因此計(jì)算速度較快，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，而且參數(shù)收集也比較容易，缺點(diǎn)是不夠，不能仿真系統(tǒng)的長(zhǎng)過(guò)程響應(yīng)；而dts計(jì)算的是故障后一段時(shí)間（0～10s或者更長(zhǎng)）內(nèi)的系統(tǒng)短、中、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此需要采用動(dòng)態(tài)模型，例如有些發(fā)電機(jī)需要采用五階模型，需要考慮調(diào)速器、勵(lì)磁器、pss穩(wěn)定器等裝置的影響，負(fù)荷需要考慮其機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，因此計(jì)算量較大，對(duì)算法和硬件速度要求較高。動(dòng)態(tài)仿真程序的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算時(shí)間比能否達(dá)到1，是目前衡量dts算法先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)志，這與需要仿真的電網(wǎng)的規(guī)模、所使用的計(jì)算機(jī)的檔次、仿真時(shí)間的長(zhǎng)短、仿真算法的性能有關(guān)。據(jù)南瑞公司1999年資料，sd-6000系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真比接近3，而對(duì)短、中、長(zhǎng)期的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真比接近l，已達(dá)到實(shí)時(shí)要求，當(dāng)然，這一速度與所計(jì)算的系統(tǒng)規(guī)模有關(guān)。
3dts系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用情況
目前，國(guó)內(nèi)從事調(diào)度自動(dòng)化軟件銷(xiāo)售的公司很多，其中一部分是國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)商的代理。據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，已開(kāi)發(fā)出的比較完整的系統(tǒng)主要有：電力科學(xué)研究院科東公司的cc-2000系統(tǒng)、南京電力自動(dòng)化研究院的sd-6000系統(tǒng)和open-2000系統(tǒng)、清華大學(xué)的th-2100系統(tǒng)和th-pss系統(tǒng)等。
隨著調(diào)度自動(dòng)化這一概念在我國(guó)電力調(diào)度系統(tǒng)中逐漸被人們所接受，ems／dts等調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)在越來(lái)越多的網(wǎng)、省調(diào)和一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地調(diào)得到應(yīng)用。目前，華北、華東等網(wǎng)調(diào)以及遼寧、廣西等中調(diào)的dts系統(tǒng)都已投運(yùn)，有些網(wǎng)、省調(diào)正處于工程實(shí)施階段，一些地區(qū)調(diào)度所也實(shí)現(xiàn)了dts[3]。
4國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著葛南直流系統(tǒng)和陽(yáng)城發(fā)輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行，以及全國(guó)聯(lián)網(wǎng)步伐的加快，國(guó)調(diào)中心的實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)日漸增加，對(duì)調(diào)度員的培訓(xùn)、操作票的校核、反事故演習(xí)的開(kāi)展、運(yùn)行方式的研究和制定、繼電保護(hù)的整定和校核，都需要有一套先進(jìn)可靠的dts系統(tǒng)。同時(shí)，國(guó)調(diào)中心還擔(dān)負(fù)著全國(guó)調(diào)度系統(tǒng)的行業(yè)管理職能，提高全國(guó)范圍內(nèi)調(diào)度員的調(diào)度水平、推進(jìn)調(diào)度系統(tǒng)的自動(dòng)化進(jìn)程，是國(guó)調(diào)中心的職責(zé)。因此，國(guó)調(diào)需要有一套高水平的、仿真范圍涵蓋全國(guó)主要發(fā)電廠和主干電網(wǎng)的dts系統(tǒng)。在條件成熟的情況下，應(yīng)考慮設(shè)立一個(gè)調(diào)度員培訓(xùn)中心，為全國(guó)調(diào)度系統(tǒng)培訓(xùn)調(diào)度員。
總的說(shuō)來(lái)，國(guó)調(diào)中心對(duì)dts系統(tǒng)的應(yīng)用主要有以下4個(gè)方面：
a．培訓(xùn)調(diào)度員。包括：熟悉、使用ems的各種應(yīng)用軟件；正常情況和事故情況下的操作；事故分析和反事故演習(xí)；與各級(jí)調(diào)度進(jìn)行協(xié)調(diào)性調(diào)度培訓(xùn)，開(kāi)展聯(lián)合反事故演習(xí)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的仿真計(jì)算，提高調(diào)度員對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。
b．運(yùn)行方式的研究和制定。
c.保護(hù)定值的整定和校核。
d．電網(wǎng)應(yīng)用軟件的正確性和效果校核。例如，國(guó)調(diào)中心準(zhǔn)備研究開(kāi)發(fā)的操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)，就可以在dts系統(tǒng)上進(jìn)行校核。
目前，國(guó)調(diào)中心陽(yáng)城發(fā)輸電系統(tǒng)dts已經(jīng)投入試運(yùn)行，我們利用這一系統(tǒng)對(duì)上述4個(gè)方面的應(yīng)用都進(jìn)行了嘗試。其中，對(duì)于國(guó)調(diào)中心目前工作直接意義并取得滿(mǎn)意結(jié)果的是：對(duì)陽(yáng)城發(fā)輸電系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式和各種操作過(guò)程中系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓的模擬仿真計(jì)算。以其中一次仿真計(jì)算為例，2001年2月18日陽(yáng)城電廠1號(hào)機(jī)啟動(dòng)期間，對(duì)三堡、東明、陽(yáng)城3站母線電壓的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)記錄，并令國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)在相同系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)下，調(diào)節(jié)仿真系統(tǒng)的華東網(wǎng)運(yùn)行方式，使三堡站母線仿真電壓在東三線充電前為513kv，然后按照相同的操作步驟，進(jìn)行陽(yáng)城電廠1號(hào)機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)，并記錄在整個(gè)操作過(guò)程中的5種狀態(tài)下，3站母線電壓的仿真值（如表1所示）。
由表1可以看出，國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合。通過(guò)上述校核可以看出，國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算具有較高的精度，可以用于實(shí)際系統(tǒng)仿真，這對(duì)國(guó)調(diào)中心的調(diào)度員培訓(xùn)、操作票校核、反事故演習(xí)、事故處理預(yù)案的制定、運(yùn)行方式研究、繼電保護(hù)整定等工作都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
5國(guó)調(diào)中心對(duì)dts系統(tǒng)的功能要求
從2001年開(kāi)始，為了實(shí)施“西電東送”發(fā)展戰(zhàn)略，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)步驟明顯加快，到“十五”末期，將基本實(shí)現(xiàn)全國(guó)電網(wǎng)的互聯(lián)，國(guó)調(diào)中心的實(shí)時(shí)電力調(diào)度任務(wù)將大幅度增加。因此，要求國(guó)調(diào)中心dts在仿真范圍涵蓋全國(guó)主要發(fā)電廠和主干電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，具有計(jì)算、仿真速度接近實(shí)時(shí)、人機(jī)界面友好、輸出曲線報(bào)表詳細(xì)清晰的特點(diǎn)；其仿真范圍包括國(guó)內(nèi)的500kv主干電網(wǎng)；220kv廠站的等值原則為保留省間聯(lián)絡(luò)線和重要調(diào)頻廠，例如遼寧、吉林省間的220kv聯(lián)絡(luò)線及吉林、黑龍江省間的220kv聯(lián)絡(luò)線；其輸送潮流的大小對(duì)于東北、華北聯(lián)絡(luò)線的穩(wěn)定極限有重要影響，必須詳細(xì)建模，以便模擬各種運(yùn)行方式。發(fā)電機(jī)組的建模原則是：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)300mw及以上機(jī)組，應(yīng)逐臺(tái)詳細(xì)建模；而對(duì)于200mw～300mw機(jī)組，可以有選擇地對(duì)一些重要機(jī)組詳細(xì)建模，例如，對(duì)于華北電網(wǎng)調(diào)頻具有重要意義的陡河電廠（4x200mw）。由此產(chǎn)生的機(jī)組數(shù)量過(guò)大、計(jì)算量劇增的問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)選擇仿真范圍、等值簡(jiǎn)化外部網(wǎng)、采用先進(jìn)算法的方式得到解決。
國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)要求能夠從國(guó)調(diào)中心現(xiàn)有scada系統(tǒng)取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能夠方便地進(jìn)行存儲(chǔ)；能夠地仿真系統(tǒng)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)，具有完備的保護(hù)配置，電流速斷、距離保護(hù)等采用定值啟動(dòng)，而變壓器匝間保護(hù)、瓦斯保護(hù)等設(shè)備保護(hù)主要采用邏輯啟動(dòng)；人機(jī)界面友好，概念清晰，輸出曲線報(bào)表完備、準(zhǔn)確。
6國(guó)調(diào)中心dts初期研究成果
在dts初期研究階段，國(guó)調(diào)中心與清華大學(xué)相互配合，主要取得了以下兩項(xiàng)成果：
a，完成了陽(yáng)城發(fā)輸電系統(tǒng)的仿真建模工作，在試運(yùn)行階段向開(kāi)發(fā)商提出了一些改進(jìn)措施的要求，使該仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)更加接近。目前在國(guó)調(diào)中心的日常操作票校核和反事故演習(xí)、特別是穩(wěn)態(tài)電壓預(yù)測(cè)和校核中發(fā)揮了重要作用，得到了調(diào)度人員的充分認(rèn)同。
b.完成了《國(guó)調(diào)中心dts系統(tǒng)初期研究報(bào)告》，提出了一系列建議，包括：擴(kuò)大仿真范圍，詳細(xì)模擬生要發(fā)電機(jī)以提高系統(tǒng)仿真精度，采用分塊等值和使用并行算法以提高計(jì)算速度，增加系統(tǒng)仿真時(shí)間控制按鈕，增強(qiáng)快照和生演功能，增加dts與bpa接口從而可以利用國(guó)調(diào)中心現(xiàn)有bpa程序?qū)ts計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，等等。