廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

　　廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

　　摘 要：廣域測量技術(shù)是近年來電力系統(tǒng)前沿技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。

　　論述了廣域測量系統(tǒng)(Wide-Area MeasurementSystem，WAMS)在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、全網(wǎng)動態(tài)過程記錄和暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測 及控制、電壓和頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制等方面的應(yīng)用，對其應(yīng)用前景做了簡要分析，并提出WAMS的發(fā)展規(guī)劃。

　　關(guān)鍵詞：廣域測量系統(tǒng)(WAMS);同步相量測量裝置;動態(tài)監(jiān)測

　　隨著電力系統(tǒng)總?cè)萘康牟粩嘣黾�、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷擴大、超高壓長距離輸電線路的增多以及用戶對電能質(zhì)量要求的逐漸提高，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求。

　　建立可靠的電力系統(tǒng)運行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，以保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，已成為十分重要的問題。

　　近來受到廣泛關(guān)注的廣域測量系統(tǒng)(Wide-area measurement system，WAMS)可能在一定程度上緩解目前對大規(guī)�；ヂ�(lián)電力系統(tǒng)進行動態(tài)分析與控制的困難。

　　1安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

　　互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨著較多的問題：互聯(lián)系統(tǒng)的低頻振蕩問題及緊急控制等問題。

　　如我國華中系統(tǒng)的低頻振蕩衰減時間較長，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，華中系統(tǒng)的較長的動態(tài)過程勢必會通過聯(lián)絡(luò)線影響到華東系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的基于事件的就地控制不能夠充分觀察系統(tǒng)的動態(tài)過程，因而不能夠較好觀察系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如某些系統(tǒng)目前無法較快地抑制低頻振蕩問題。

　　基于響應(yīng)的廣域穩(wěn)定控制增強了互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制的可靠性和靈敏性。

　　目前的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，比如電氣制動、發(fā)電機快速勵磁、發(fā)電機組切除、自適應(yīng)負荷減載及新興的靈活交流輸電等，發(fā)展到廣域控制都應(yīng)該是基于廣域電力系統(tǒng)的信息:原來使用就地信息不能夠滿足控制對電力系統(tǒng)充分觀察的要求。

　　廣域測量系統(tǒng)提高了電力系統(tǒng)的可觀察性，通過各種分析手段，進行系統(tǒng)動態(tài)過程的分析，如通過頻譜分析，可以實時計算出系統(tǒng)的振蕩模式、系統(tǒng)狀態(tài)量的變化趨勢等:從而提供給廣域控制充分的動態(tài)信息。

　　1.1 暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測及控制

　　當今投入實際工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可分為兩種模式，即“離線計算、實時匹配”和“在線預(yù)決策、實時匹配”。

　　但分析表明，大停電往往由“不可預(yù)見”的連鎖故障引起，在這種情況下以上兩種穩(wěn)定控制系統(tǒng)很可能無法響應(yīng)。

　　理論上最為完美的穩(wěn)定控制系統(tǒng)模式是“超實時計算、實時匹配”。

　　這種模式假設(shè)在故障發(fā)生后進行快速的暫態(tài)分析以確定系統(tǒng)是否會失穩(wěn)，若判斷系統(tǒng)失穩(wěn)則給出相應(yīng)的控制措施以保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

　　這種穩(wěn)定控制系統(tǒng)的整個分析計算、命令傳輸、執(zhí)行過程的時間極短，理論上可以對任何導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的故障給出相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，達到對各種系統(tǒng)運行工況、各種故障類型的完全自適應(yīng)。

　　WAMS 在以下幾方面的應(yīng)用有助于實現(xiàn)上述自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)：

　　(1)對于 WAMS 提供的系統(tǒng)動態(tài)過程的時間序列響應(yīng)，直接應(yīng)用某種時間序列預(yù)測方法或人工智能方法預(yù)測系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　但由于電力系統(tǒng)在動力學上的復(fù)雜性，這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。

　　(2)以 WAMS 提供的系統(tǒng)故障后的狀態(tài)為初始值，在巨型機或 PC 機群上進行電力系統(tǒng)超實時暫態(tài)時域仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　僅就算法而言，這種方法是可靠的，但在連鎖故障的情況下，控制中心未必知道該方法需要的電力系統(tǒng)動態(tài)模型;再者，該方法要求的時域仿真的超實時度較高，目前對大規(guī)模系統(tǒng)而言可能還存在困難。

　　(3)基于 WAMS 提供的系統(tǒng)動態(tài)過程的時間序列響應(yīng)，首先利用某種辨識方法得到一個簡化的系統(tǒng)動態(tài)模型，然后對該模型進行超實時仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　這種方法的可靠性比第一種方法好，同時僅基于WAMS 提供的實測信息，不需知道第二種方法必需的故障后系統(tǒng)動態(tài)模型的先驗知識，應(yīng)該是目前比較有前途的方法。

　　除了判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性外，另一個重要問題是若干預(yù)測結(jié)果為系統(tǒng)失穩(wěn)，那么該如何給出適當?shù)目刂屏恳员苊庀到y(tǒng)失穩(wěn)，這方面的研究相對于暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的研究還較薄弱。

　　它涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定量化分析和穩(wěn)定量化指標對控制變量的靈敏度分析，即使在離線環(huán)境下這也是一個難點，實時環(huán)境下要求快速給出適當?shù)目刂屏繉⒏�加困難。

　　有些研究以WAMS 得到的故障后一小段時間內(nèi)的實測量為輸入向量，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接將這些實測量映射到控制向量(如切機、切負荷量等)空間，這種方法相當于將暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測和求解控制量都隱含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中。

　　但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練需要大量樣本，如何保證這些樣本對各種系統(tǒng)運行工況和各種可能發(fā)生的故障具有足夠的代表性是一個難題。

　　WAMS 得到的實測信息也可用作穩(wěn)定控制后備的失步解列裝置的觸發(fā)信號，在這方面的研究中系統(tǒng)通常被等值成兩機系統(tǒng)。

　　1.2電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)

　　傳統(tǒng)的分散配置的分散控制器實際上是在簡化模型下設(shè)計的“孤立”控制器，只考慮本機可測信號，不考慮多機系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)作用及系統(tǒng)中其它控制器的存在和交互作用影響，其結(jié)果是這種控制器只對改善本機控制特性有一定好處，但對系統(tǒng)其它相鄰機組的動態(tài)行為不可能有確定的改善，相反存在著各控制器間動作無法協(xié)調(diào)，而使各自的控制特性惡化的可能性。

　　北美系統(tǒng)在進一步加裝PSS過程中曾有過由于相互協(xié)調(diào)而使低頻振蕩重新出現(xiàn)甚至加劇的實例。

　　廣域測量系統(tǒng)提供了廣域系統(tǒng)的同步狀態(tài)量，為進一步開發(fā)相互協(xié)調(diào)動作的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器打下基礎(chǔ)。

　　基于廣域測量系統(tǒng)，PSS可以觀察動作以后系統(tǒng)各點的響應(yīng)情況，并根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，確定進一步的動作。

　　2 電壓、頻率穩(wěn)定控制

　　2.1 慢速電壓穩(wěn)定控制

　　基于廣域測量系統(tǒng)，人們可以開發(fā)較為慢速的廣域控制，比如電壓穩(wěn)定控制。

　　美國BPA公司正在開發(fā)"先進電壓穩(wěn)定控制"項目。

　　該項目基于廣域測量系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)提供的系統(tǒng)電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發(fā)以下控制：基于響應(yīng)的快速控制，該控制措施包括發(fā)電機跳閘及無功補償調(diào)節(jié)。

　　該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測量;利用無功補償設(shè)備進行電壓控制，基于廣域測量系統(tǒng)提供的電壓幅值及功角，無功補償設(shè)備使用模糊邏輯控制來調(diào)節(jié)電壓幅度;變壓器自動調(diào)壓避免變電站之間并聯(lián)變壓器的環(huán)流現(xiàn)象，提高電壓穩(wěn)定性;發(fā)電廠的電壓調(diào)度在電壓緊急的狀態(tài)下，有較多無功儲備的電廠可以提高電壓，從而減少系統(tǒng)的無功損耗，并提高電容器組的無功輸出。

　　這些措施可以提高系統(tǒng)的無功平衡，從而加強電壓的穩(wěn)定。

　　2.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制

　　相對于暫態(tài)穩(wěn)定問題，靜態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定屬于慢動態(tài)的范疇，更易于利用 WAMS 信息實現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)視和控制。

　　如利用 WAMS 得到的各節(jié)點電壓相量測量值將系統(tǒng)等值成兩節(jié)點系統(tǒng)，能快速給出電壓穩(wěn)定裕度;以各節(jié)點電壓相量測量值作為輸入變量，以潮流雅克比矩陣的最小奇異值作為電壓穩(wěn)定指標，用大量樣本訓練得到一個模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為電壓穩(wěn)定分類器，輸出變量為很安全、安全、警戒、危險、很危險等 5 種電壓安全水平;以 WAMS 提供的節(jié)點電壓相角差和發(fā)電機無功出力為輸入變量，應(yīng)用決策樹快速評價系統(tǒng)的電壓安全水平。

　　3動態(tài)過程安全分析

　　3.1 低頻振蕩分析及抑制

　　隨著大電網(wǎng)的互聯(lián)，區(qū)域間的低頻振蕩對互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了威脅。

　　WAMS 可望在分析和抑制低頻振蕩方面發(fā)揮作用。

　　直接將系統(tǒng)線性化狀態(tài)空間方程離散化，利用WAMS 提供的各離散時間點的測量值，通過最小二乘法計算線性化狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣，進而計算該矩陣的特征根;基于 WAMS 提供的各離散時間點的測量值采用卡爾曼濾波方法計算系統(tǒng)的機電振蕩模式;應(yīng)用快速傅立葉變換和小波分析對 WAMS 提供的節(jié)點間的電壓相角差振蕩時間曲線進行分析，提取低頻振蕩模式。

　　與常規(guī)離線分析相比，基于 WAMS 的低頻振蕩分析具有更高的可信度。

　　通常僅基于本地信息的阻尼控制器(如 PSS)不能很好地抑制區(qū)域間的低頻振蕩，因為本地信息并不能很好反映區(qū)域間的振蕩模式，本地信號對于區(qū)域間的振蕩模式的可觀測性不好。

　　WAMS 的出現(xiàn)為抑制區(qū)域間的低頻振蕩提供了強有力的工具，可通過 WAMS 獲取區(qū)域間的發(fā)電機相對轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)子角速度信號等全局信息作為阻尼控制器的反饋信號構(gòu)成閉環(huán)控制。

　　將采用 WAMS 信號的區(qū)間阻尼控制器附加到發(fā)電機勵磁控制器中，達到抑制區(qū)域間振蕩的目的;采用 WAMS 信號作為裝設(shè)于聯(lián)絡(luò)線上的 TCSC 裝置的控制輸入，基于線性 H∞控制理論設(shè)計了 TCSC 區(qū)間阻尼控制器采用 WAMS 信號作為控制器輸入時，需要引起重視的是 WAMS 信號的時滯(Time Delay)問題考慮時滯后閉環(huán)系統(tǒng)成為一個時滯系統(tǒng)，若時滯過大可能引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定采用最小二乘預(yù)測算法由歷史 PMU 測量序列得到控制器當前的反饋輸入，沒有明確說明時滯的處理方法，但其采用的 H∞控制是一種魯棒控制方法，對由時滯造成的影響有一定抑制作用。

　　3.2 全局反饋控制

　　以往乃至目前的電力系統(tǒng)控制研究領(lǐng)域一直強調(diào)分散性/就地性，即對電力系統(tǒng)中的某一動態(tài)元件僅采用本地量測量構(gòu)成反饋控制，從便于控制實現(xiàn)的角度追求控制的分散性/就地性毫無疑問是可以理解的，但通常電力系統(tǒng)的動態(tài)問題本質(zhì)上具有全局性(如暫態(tài)穩(wěn)定問題)，而分散/就地控制只是通過本地量測量間接地包含一些全局信息，因此在提高全系統(tǒng)穩(wěn)定性上有一定局限性。

　　隨著 WAMS的出現(xiàn)和發(fā)展，研究和實現(xiàn)基于 WAMS 信號的全局信息反饋與控制成為可能。

　　基于 WAMS 提供的全局實時信號，將通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)的兩個區(qū)域等值成一個兩機系統(tǒng)，然后采用直接線性化技術(shù)設(shè)計了聯(lián)絡(luò)線上的 TCSC 控制器，數(shù)值仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的基于 WAMS 信號的全局 TCSC 控制器有效提高了互聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

　　在全局反饋控制的研究中，同樣存在遠方反饋信號的時滯問題，有必要采用時滯系統(tǒng)控制理論加以分析研究，以探明時滯對全局反饋控制的影響。

　　另外，對于非線性全局控制，如何根據(jù)特定的控制目標選擇合適的遠方反饋信號也是一個值得研究的問題。

　　通過分析可見，建立廣域測量系統(tǒng)成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然，必須從工程技術(shù)、經(jīng)濟等角度對其開發(fā)、應(yīng)用進行整體規(guī)劃。

　　未來重點要編制現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范，并提出技術(shù)改進的各種方法。

　　根據(jù)我國電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃、分析、控制、保護及EMS等系統(tǒng)的未來實際要求，確定與廣域測量系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)管理、分析和交換等各種相關(guān)課題。

　　參考文獻

　　[1] 嚴登俊，袁洪，高維忠，等.利用以太網(wǎng)和 ATM 技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)實時監(jiān)測[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，27(10)：67-70.

　　[2] 彭疆南，孫元章，王海風.考慮系統(tǒng)完全可觀測性的 PMU 最優(yōu)配置方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，27(4)：10-16.

　　[3] 林飛，張文，劉玉田.基于同步相量量測技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定性實時預(yù)測[J].繼電器，2004，28(11)：33-35.

【廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用】相關(guān)文章：

電力系統(tǒng)對電氣自動化的應(yīng)用論文10-08

電力系統(tǒng)自動化技術(shù)應(yīng)用及前景分析10-26

光纖通信工程對電力系統(tǒng)的應(yīng)用論文10-08

電力系統(tǒng)電氣自動化應(yīng)用研究論文10-08

電氣自動化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用論文10-08

淺論電力系統(tǒng)運行中電氣自動化的應(yīng)用論文10-12

電力系統(tǒng)的個人總結(jié)10-08

電力系統(tǒng)中電氣自動化技術(shù)的作用和應(yīng)用論文10-12

簡述電力系統(tǒng)信息安全10-05

電力系統(tǒng)工作總結(jié)05-16