廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用研究

童進波，胡非，楊紹春，林秋華，王彥康，吳晗

(1.華能景洪水電廠，云南 景洪 666100;2.黃石供電公司，湖北 黃石 435000;3.安徽省安慶供電公司，安徽 安慶 246000)

1 引言

廣域測量系統(tǒng)WAMS(Wide Area Measurement System)主要源自電力系統(tǒng)時間上同步和空間上廣域的要求，利用全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)時鐘同步，進行廣域電力系統(tǒng)狀態(tài)測量。WAMS是近年來電力系統(tǒng)前沿技術中最活躍的領域之一，其核心技術是相角測量單元PMU。

PMU(phase measurement united)的研究起步于20世紀80年代的美國，1982～1986年處于概念階段，1986～1988年處于試驗裝置階段，1988～1991年處于系統(tǒng)中試運行階段。1992年以后工業(yè)產(chǎn)品問世，當時的采樣頻率達到2 880Hz，A/D16位。標準化工作，在1995年誕生了 IEEE 1344，2001年修訂為 C37.118。目前，美國西部WECC系統(tǒng)安裝了近50臺PMU主要用于動態(tài)記錄和模型修正。北美WECC系統(tǒng)(包括BPA，SCE，ISO)安裝了47臺的PMU，監(jiān)視約1200個信號，主要用于動態(tài)記錄、分析和建模。TVA經(jīng)過優(yōu)化設計，在600條線路中的69條主干線上安裝了PMU，可以觀測到整個系統(tǒng)，美國的許多電力公司都安裝了PMU，少則2臺，多則10多臺。在歐洲，西班牙的CSE首次將PMU信息用于狀態(tài)估計，法國東南部系、北歐系統(tǒng)、英國電網(wǎng)也都部分安裝了PMU。

國內在相角測量方面處于起步階段，電力科學研究院、清華大學和上海交通大學等都已開展這方面的研究工作。南瑞公司于2003年研制出PMU裝置，在江蘇、華北、河南和華東等電網(wǎng)安裝。東北電網(wǎng)于2004年初組建了實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。在2004年3月25日和2005年3月29日的2次東北電網(wǎng)大擾動試驗中，該系統(tǒng)完整記錄了2次擾動過程的數(shù)據(jù)，為事后分析提供了準確的數(shù)據(jù)。目前國內有接近50%的網(wǎng)(省)公司建成了或正在新建WAMS系統(tǒng)，這些建成的WAMS系統(tǒng)為電網(wǎng)擾動提供了可靠的事故后分析資料，在2005年9月1日內蒙古低頻振蕩事故下完整記錄了整個擾動低頻振蕩的數(shù)據(jù)和波形;江蘇電網(wǎng)在2005年10月28日系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時也完整記錄下擾動的波形和數(shù)據(jù);2006年8月10日桑美臺風登陸時，造成華東電網(wǎng)甄海和寧德2個廠站的部分線路頻繁故障跳閘，WAMS擾動識別應用正確，并記錄下了相應的擾動情況。

2 PMU測量原理

PMU是基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的相量測量單元，它是多功能信號采集系統(tǒng)，不僅要完成對電壓相角的實時測量以獲得參考相位角，還能實現(xiàn)對電壓、電流、有功的實時測量與計算，最后將數(shù)據(jù)幀送至調度中心。

其基本原理為:GPS接收器給出1pps(1個脈沖每秒)信號，鎖相振蕩器將其劃分成一定數(shù)量的脈沖用于采樣，濾波處理后的交流信號經(jīng)A/D轉換器量化，微處理器按照遞歸離散傅立葉變換原理計算出相量。對三相相量，微處理器采用對稱分量法計算出正序相量。依照IEEE標準1344-1995規(guī)定的形式將正序相量、時間標記等裝配成報文，通過專用通道傳送到遠端的數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器收集來自各個PMU的信息為全系統(tǒng)的監(jiān)視、保護和控制提供數(shù)據(jù)。相角的測量是相量測量中的關鍵，時間誤差1ms就會帶來18°工頻相角誤差，測量誤差若要求達到0.1°的話，那么時間同步精度應為5μs，GPS的1PPS脈沖信號與國際標準時間(UCT)同步誤差小于1μs，可以保證相位測量。

3 WAMS的應用

3.1 全網(wǎng)動態(tài)過程記錄及事故分析

3.1.1 動態(tài)過程安全分析

在系統(tǒng)擾動的動態(tài)過程中，會出現(xiàn)頻率下降，電壓下降，穩(wěn)定破壞，系統(tǒng)震蕩等現(xiàn)象，在這一過程中，涉及到電壓穩(wěn)定，功角穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定問題。

(1)頻率穩(wěn)定

同步相量測量技術提供了一種監(jiān)視頻率動態(tài)過程的方法，同時監(jiān)視系統(tǒng)各點的頻率動態(tài)情況可以對系統(tǒng)的運行狀態(tài)作出準確預測，以提高系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析的精度;

(2)功角穩(wěn)定

在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定分析與控制研究中，電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定是最早受到關注并給與認真研究的問題，其分析方法比較成熟，控制手段也比較多。功角穩(wěn)定是一個涉及到廣域范圍發(fā)電機相互作用的動態(tài)問題，廣域測量系統(tǒng)提供了功角數(shù)據(jù)，加強了系統(tǒng)的狀態(tài)的可觀性，提高了一些穩(wěn)定裝置的動作選擇性。目前某些系統(tǒng)分析方法，結合廣域測量系統(tǒng)提供的頻率和相量，可以對系統(tǒng)進行更有效的控制。

3.1.2 電壓穩(wěn)定分析

基于廣域測量系統(tǒng)提供的同步狀態(tài)量信息，人們可以建立系統(tǒng)關鍵節(jié)點的安全失穩(wěn)預測目標函數(shù)。目前有學者采用系統(tǒng)等值阻抗和電壓來計算出系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定邊緣。

電壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)從廣域測量系統(tǒng)取得若干節(jié)點穩(wěn)定指標后，進行全局的比較，若發(fā)現(xiàn)有某些節(jié)點的指標進入電壓穩(wěn)定邊緣，立即執(zhí)行協(xié)調控制措施，同時，廣域測量系統(tǒng)反饋電壓穩(wěn)定控制的效果，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋效果，進行進一步調整，從而形成電壓穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實際上，這也是廣域范圍的電壓協(xié)調控制。

3.1.3 在線安全監(jiān)測

實時動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測系統(tǒng)振蕩和系統(tǒng)其他狀態(tài)變化情況，當系統(tǒng)受到擾動時，調度員根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的動態(tài)信息統(tǒng)一調度電網(wǎng)運行，能有效平息系統(tǒng)振蕩，從而避免大停電事故的發(fā)生，實時動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)提高了調度員準確把握系統(tǒng)狀態(tài)的能力，能有效阻止事故蔓延，提高電網(wǎng)運行的可靠性。

(1)直接檢測

直接檢測不需要狀態(tài)評估和緊急狀態(tài)仿真，它使用廣域測量系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)，可以提供系統(tǒng)狀態(tài)的標志。直接檢測包括無功監(jiān)測和功角監(jiān)測;

(2)動態(tài)安全監(jiān)測

基于廣域測量系統(tǒng)和EMS的狀態(tài)估計，可以對系統(tǒng)進行實施頻譜分析等數(shù)據(jù)分析，得出系統(tǒng)的振蕩模式，并在此基礎上，可以進行系統(tǒng)的動態(tài)安全的分析與檢測。

3.2 電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識及模型校正

一個正確有效的電力系統(tǒng)動態(tài)模型是對所有電力系統(tǒng)進行動態(tài)分析和控制的起點。目前對于既定模型的分析和研究已經(jīng)很多，但模型本身的有效性卻沒有得到認真的評估，例如，1996年8月10日的WSCC系統(tǒng)大停電事故并不能依據(jù)WSCC一直采用的動態(tài)參數(shù)庫通過計算機仿真重現(xiàn)。電力系統(tǒng)動態(tài)模型可在各離散時間點上差分化為一系列非線性方程，利用WAMS獲取的全網(wǎng)動態(tài)過程的時間序列信息可以進行電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識及模型校正，提高電力系統(tǒng)動態(tài)建模尤其是負荷建模的準確性。

3.3 穩(wěn)態(tài)分析

PMU可以直接測量所裝節(jié)點的電壓幅值和相角，避免了一般潮流計算或狀態(tài)估計的迭代過程，并且其測量精度較高，可以和現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)相結合提高系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度。隨著電力電子設備、高壓直流輸電裝置及電弧爐、調速電動機等非線性負荷不斷被引入電力系統(tǒng)，諧波問題日益嚴重，文獻［1，2］提出了基于相量測量的電力系統(tǒng)諧波狀態(tài)估計方法，將全系統(tǒng)范圍內的諧波狀態(tài)估計問題轉化為多個單母線系統(tǒng)的狀態(tài)估計問題，降低了問題的求解難度。文獻［3］采用線性矩陣不等式方法，給出了帶有不確定時延的離散時間系統(tǒng)的時滯依賴穩(wěn)定性判據(jù)，并在此基礎上給出了離散時間系統(tǒng)帶時滯的狀態(tài)反饋控制器的設計方法;在基于WAMS的閉環(huán)電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定分析及控制方面，有人推導出一種新的線性多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，該判據(jù)采用輻角原理來判定線性多時滯系統(tǒng)的特征方程在復平面的右半平面是否有根。這種判據(jù)不涉及任何符號計算，對系統(tǒng)階次和時滯空間的維數(shù)不敏感，因此可以判定高階多時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，該判據(jù)是線性多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，可以無保守地判定高階多時滯線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 暫態(tài)穩(wěn)定預測及控制

當前投入實際工業(yè)應用的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可分為兩種模式即“離線計算、實時匹配”和“在線預決策、實時匹配”。但分析表明，大停電往往由“不可預見”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。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致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的故障給出相應的穩(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。

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

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

(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)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，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，應該是目前比較有前途的方法。

3.5 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)定運行構成了威脅。WAMS可望在分析和抑制低頻振蕩方面發(fā)揮作用。

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)電機相對轉子角和轉子角速度信號等全局信息作為阻尼控制器的反饋信號構成閉環(huán)控制。文獻［4］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，文獻［4］采用最小二乘預測算法由歷史PMU測量序列得到控制器當前的反饋輸入。

3.6 全局反饋控制

目前的電力系統(tǒng)控制研究領域一直強調分散性/就地性，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。

在全局反饋控制研究中如何選擇適當?shù)倪h方信號作為反饋信號是一個重要問題，為了考慮電力系統(tǒng)的固有非線性，文獻［5］研究了基于WAMS信號的全局非線性勵磁控制器，仿真結果表明，與完全分散的非線性勵磁控制相比，這種全局非線性勵磁控制可進一步提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻［6］基于WAMS提供的全局實時信號，將通過聯(lián)絡線互聯(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設計了聯(lián)絡線上的TCSC控制器，數(shù)值仿真結果表明，所設計的基于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。

3.7 電壓、頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制

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。如文獻［7］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;文獻［8］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;文獻［9］首先利用WAMS提供的實測信息辨識出一個用于電壓穩(wěn)定分析的系統(tǒng)動態(tài)模型，然后基于該模型預測系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。目前，利用WAMS提供的實時信息進行電壓穩(wěn)定性監(jiān)視和預測已有不少研究，但如何利用WAMS進行電壓穩(wěn)定控制方面的研究還較少。文獻［10］首先基于WAMS提供的實測信息辨識出一個用于低頻減載的系統(tǒng)動態(tài)模型，然后基于該模型預測系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，并對某一給定的頻率門檻值(控制目標)給出應該切除的負荷量，該方法避免了傳統(tǒng)低頻減載裝置的整定困難、時滯、過切等問題。

3.8 故障定位及線路參數(shù)測量

故障定位系統(tǒng)對保持電力系統(tǒng)正常運行、快速排除故障有重要意義。故障定位的方法主要有阻抗法和行波法兩種，阻抗法在原理上不能排除故障過渡電阻的影響，而行波法不受過渡電阻的影響。無論采用阻抗法還是行波法，采用輸電線路雙端量測量的方案在理論上都明顯優(yōu)于僅采用單端量測量的方案。WAMS的發(fā)展使同一時標下精確的雙端測量成為可能，從而可以大大提高故障定位的精度。C.W.Liu等人關于應用PMU進行故障定位的一系列研究成果，提出了一種基于PMU的自適應故障定位方法，其基本思想是利用PMU獲得的輸電線路實時電壓、電流相量在線辨識出線路參數(shù)，并采用一種改進的離散傅立葉變換提取暫態(tài)電氣量中的基頻分量，從而消除線路參數(shù)變化、測量誤差和隨機干擾對故障定位精度的影響;他們還提出了當輸電線路有串聯(lián)補償裝置時基于PMU的故障定位方法，與常規(guī)方法不同，這種方法不需要串聯(lián)補償元件的精確數(shù)學模型和運行狀態(tài)的先驗知識，適用于各種對線路電流沒有附加相移的串聯(lián)FACTS元件，EMTP仿真結果表明該方法達到了極高的故障定位精度(99.95%)。

3.9 WAMS在系統(tǒng)保護的應用

總的來說，在繼電保護領域，廣域測量系統(tǒng)有兩個主要的應用:(1)建立系統(tǒng)保護;(2)增加傳統(tǒng)保護的目適應性。

傳統(tǒng)的繼電保護主要集中于元件保護，比如線路保護、母線保護、變壓器保護等;傳統(tǒng)的保護用來隔離、保護故障元件，保證系統(tǒng)的其它部分繼續(xù)正常工作。

系統(tǒng)保護用來避免局部或整個系統(tǒng)大面積停電或崩潰等嚴重事故。系統(tǒng)保護并不針對個別元件故障，而是保護整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。系統(tǒng)保護通過識別系統(tǒng)的各種運行狀態(tài):正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復狀態(tài)，來判斷系統(tǒng)是否處于緊急狀態(tài)，并通過各種保護措施，使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)。

系統(tǒng)保護基于廣域測量系統(tǒng)及靈活的保護措施，系統(tǒng)的穩(wěn)定保護、控制將形成最終的統(tǒng)一方案;失步保護是傳統(tǒng)保護中的最難設計的保護之一，廣域測量系統(tǒng)提供給失步保護功角數(shù)據(jù)，用于失步解列就使大電網(wǎng)失步保護設計迎刃而解。廣域測量技術提供系統(tǒng)的同步狀態(tài)量，輔以高速通信手段，可以彌補傳統(tǒng)保護信息的某些缺點，從而加強傳統(tǒng)保護的自適應性。

4 結論

WAMS給電力系統(tǒng)中一系列問題的研究提供了新的視角和方法，探討WAMS在電力系統(tǒng)中各種可能的新的應用，尤其是基于WAMS技術構建大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的廣域安全監(jiān)測及控制系統(tǒng)將是很有意義的研究方向。

目前階段仍需要從理論及工程上對以下問題作進一步的深入研究:

(1)基于穩(wěn)定預測原理，開發(fā)在線快速的穩(wěn)定預警及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的快速協(xié)調控制;

(2)研究工程上實用的基于WAMS的低頻振蕩協(xié)調優(yōu)化控制方法，解決大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的低頻振蕩問題;

(3)隨著相量測量技術逐步成熟，如何利用相量測量的結果是研究的重點。在穩(wěn)態(tài)方面，相對來說做了不少的研究。但暫態(tài)方面研究相對來說就少的多，目前只是對兩機系統(tǒng)有了實用案例，但是對于多機系統(tǒng)理論和實際都沒有大的突破;

(4)全局控制系統(tǒng):以分布式系統(tǒng)代替原有以EMS為中心的集中式系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，研究如何利用全局的PMU量來協(xié)調各個局部的控制使全局最優(yōu);

(5)參數(shù)辨識和檢驗模型仿真結果:PMU出現(xiàn)后，如何將原有的模型和參數(shù)與PMU量測值進行結合;

(6)低頻振蕩分析與控制:各個PSS如何協(xié)調，考慮通信時延時怎樣控制算法;

(7)全網(wǎng)同步監(jiān)測和事故分析以及界面可視化:實時提供系統(tǒng)中的故障、振蕩、失步和運行量越界等報警信息，能夠記錄擾動后的詳細信息，同時開發(fā)友好的人機界面，使必要時操作員做出正確的策略;

(8)電壓和頻率穩(wěn)定評估和控制:電壓穩(wěn)定是一個相對慢過程，因此利用PMU更容易來實現(xiàn)。目前僅限于對兩機系統(tǒng)的研究。研究關鍵負荷點的電壓裕度和崩潰情況，如何預測電壓失穩(wěn)，以及電壓控制裝置如何和保護協(xié)調。穩(wěn)定控制和系統(tǒng)保護一體化，PMU可提供系統(tǒng)全局的量，這為研究新型保護提供了很好的機會，保護和控制是否有必要一體化。

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