廣域測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

秦剛

【摘要】伴隨著大規(guī)模直流交流混合電網(wǎng)的快速發(fā)展和建設(shè)，在電力系統(tǒng)控制和穩(wěn)定上，對(duì)其時(shí)間維度以及空間廣度提出更高的要求。在時(shí)間以及空間上，廣域測(cè)量系統(tǒng)就滿足了這些要求，所以，廣域測(cè)量技術(shù)在電力中的應(yīng)用研究非常的重要。從其原理以及結(jié)構(gòu)來看，最近五年廣域測(cè)量技術(shù)總結(jié)了在電力系統(tǒng)故障分析和動(dòng)態(tài)檢測(cè)、廣域保護(hù)和系統(tǒng)穩(wěn)定控制以及估計(jì)和辨識(shí)等方面的研究，并且對(duì)于其中的問題作出了詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】廣域測(cè)量技術(shù)；電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和控制；廣域保護(hù)

在我國(guó)西電東送的原則下，隨著特高壓電網(wǎng)以及西氣東送工程的建立和電網(wǎng)大規(guī)模的擴(kuò)大，我國(guó)目前處在一個(gè)快速建設(shè)大規(guī)模電能傳輸?shù)幕ヂ?lián)電網(wǎng)。遠(yuǎn)距離的輸電和互聯(lián)電網(wǎng)加強(qiáng)了不同地方電網(wǎng)之間的聯(lián)系，同時(shí)也帶來了新問題，比如對(duì)電網(wǎng)安全性有影響的區(qū)間低頻震蕩，這需要電網(wǎng)的控制以及穩(wěn)定運(yùn)行有更高的要求。

廣域測(cè)量技術(shù)是對(duì)運(yùn)行在廣闊地域的電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分析、監(jiān)測(cè)，為其控制服務(wù)以及實(shí)時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)。廣域測(cè)量技術(shù)測(cè)量出來的信息有空間廣域以及時(shí)間同步的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)電力系統(tǒng)的可觀性有了大大的改善。廣域測(cè)量技術(shù)得出的數(shù)據(jù)有三個(gè)特點(diǎn)：時(shí)間同步。廣域互聯(lián)的電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)暫態(tài)的問題，這個(gè)問題是原來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有辦法處理的，但是廣域測(cè)量技術(shù)的時(shí)間按同步特點(diǎn)就能夠?qū)@些問題進(jìn)行改善。空間廣域。廣域測(cè)量技術(shù)在時(shí)間同步的情況下，能夠得到廣域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)其進(jìn)行是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及處理。對(duì)相角數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行測(cè)量，和EMS比較其精度更加準(zhǔn)確。本文根據(jù)廣域測(cè)量技術(shù)的工作原理及其結(jié)構(gòu)，把最近幾年其在電力系統(tǒng)上的狀態(tài)估計(jì)、安全穩(wěn)定控制、參數(shù)辨識(shí)、以及故障分析等應(yīng)用一一介紹，并對(duì)電力系統(tǒng)中廣域測(cè)量技術(shù)的前景做出進(jìn)一步的展望。

1.PMU基本技術(shù)

1.1相角測(cè)量算法

實(shí)現(xiàn)廣域測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是PMU，而PMU的核心就是相角測(cè)量算法，PMU對(duì)測(cè)量出來數(shù)據(jù)的精度有大大的提高，精度對(duì)電力系統(tǒng)中的故障分析、繼電保護(hù)及其穩(wěn)定控制的準(zhǔn)確性有著直接的影響。為了提高其精度去滿足工程的要求，一些學(xué)者提出了很多算法并且還有一定的效果。就目前來看，通用的算法有：離散傅里葉變換法、瞬時(shí)值計(jì)算法、最小二乘法等。

當(dāng)系統(tǒng)處在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，以上的一些方法都可以滿足工程的需要。但是系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)情況下，怎樣既快速又準(zhǔn)確地測(cè)量出相角，是這些算法需要改進(jìn)研究的地方。

1.2廣域測(cè)量系統(tǒng)

廣域測(cè)量系統(tǒng)通常包括系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的子站、調(diào)度中心的服務(wù)器以及聯(lián)系它們的網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常選取主站——子站樹狀結(jié)構(gòu)。

子站就是指變電站或者發(fā)電廠裝的同步測(cè)量裝置，廣域測(cè)量系統(tǒng)對(duì)它們的要求重點(diǎn)體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及可靠性三個(gè)方面。主站就是指調(diào)度中心主站，通常是由基礎(chǔ)平臺(tái)以及一些高級(jí)應(yīng)用功能組成的。廣域測(cè)量技術(shù)很有可能可以克服分散控制的不足，去達(dá)到一個(gè)全局協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)。

二、WAMS的應(yīng)用

1.動(dòng)態(tài)過程檢測(cè)

廣域動(dòng)態(tài)檢測(cè)以及故障分析基于PMU數(shù)據(jù)，可以反應(yīng)全網(wǎng)的動(dòng)態(tài)行為。

就目前來看，國(guó)際上已經(jīng)有很多的WAMS系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行的過程當(dāng)中，而作為MAMS的基本功能，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能夠有效的分析系統(tǒng)的故障原因，并為調(diào)度中心提供系統(tǒng)狀態(tài)。在系統(tǒng)的檢測(cè)過程當(dāng)中，WAMS系統(tǒng)能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行見識(shí)，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警，對(duì)于系統(tǒng)的異常狀態(tài)等進(jìn)行觀測(cè)以及分析。并通過這種方法提供穩(wěn)定系統(tǒng)控制的一句。

2.狀態(tài)估計(jì)

就目前來看，基于SCADA的狀態(tài)估計(jì)當(dāng)中還有很多問題沒有解決，例如對(duì)于采集時(shí)間的限制等。此外，由于缺乏時(shí)標(biāo)的統(tǒng)一性，這就會(huì)使得斷面數(shù)據(jù)沒有優(yōu)秀的精度。而由于采用的是非線性的狀態(tài)估計(jì)模型，這也就會(huì)在一定程度上產(chǎn)生收斂性以及快速性的問題。

WAMS雖然無法對(duì)上述問題進(jìn)行統(tǒng)一的解決，但卻可以提出解決的思路。將PMU引入到狀態(tài)估計(jì)當(dāng)中，能夠有效的形成模型的混合狀態(tài)估計(jì)。而在PMU配置難以觀測(cè)的時(shí)候，則可以將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分解，并在可觀測(cè)去應(yīng)用現(xiàn)行觀測(cè)器。如今，隨著PMU覆蓋率的不斷提升，將PMU與SCADA進(jìn)行混合已經(jīng)成為了全新的研究方向。

除此之外，引入PMU數(shù)據(jù)測(cè)量，還能夠在諧波狀態(tài)、不良數(shù)據(jù)等多個(gè)方面展開研究。

三、廣域測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

1..線路參數(shù)辨識(shí)

在線路參數(shù)的辨識(shí)中廣域測(cè)量技術(shù)的普及和發(fā)展為其提供一個(gè)新的途徑。許多學(xué)者提出了多種辨識(shí)算法，比如卡爾曼濾波法、最大似然法、最小二乘法等。這幾種算法在不同程度上反映了輸電線路因各種影響的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

不對(duì)稱增量法的引入能夠?qū)€路提供一個(gè)正確參數(shù)，在檢測(cè)的線路周圍發(fā)生故障或者負(fù)荷不平衡度比較大的時(shí)候，不對(duì)稱增量法能夠在線分析線路的零序參數(shù)。

2..發(fā)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

辨識(shí)同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的方法有時(shí)域辨識(shí)法和有頻率辨識(shí)法。發(fā)電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，對(duì)其附加一個(gè)擾動(dòng)，然后通過PMU記錄的數(shù)據(jù)去進(jìn)行辨識(shí)。按照廣域測(cè)量技術(shù)采集的功能軌跡，可以同時(shí)對(duì)很多發(fā)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。結(jié)果證明可以區(qū)分辨識(shí)大部分參數(shù)，但是有一部分的參數(shù)是辨識(shí)不出來的。

3.勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器參數(shù)辨識(shí)

同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)以及勵(lì)磁系統(tǒng)性能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及靜態(tài)穩(wěn)定有很大的影響，一般情況下影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)影響到動(dòng)態(tài)電壓。而調(diào)速器因?yàn)轫憫?yīng)速度比較慢，所以大大影響了擾動(dòng)后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值。

4..負(fù)荷參數(shù)辨識(shí)

嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)仿真結(jié)果的是負(fù)荷特性，負(fù)荷特性的不同對(duì)電力系統(tǒng)的低頻震蕩、電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定等有著不一樣的影響程度。電力系統(tǒng)同步的數(shù)據(jù)在符合區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)以及符合模型辨識(shí)，提出廣域測(cè)量系統(tǒng)的符合模型概念，并且對(duì)該模型的參數(shù)進(jìn)行分析。

5.電壓穩(wěn)定評(píng)估

廣域測(cè)量技術(shù)的電壓穩(wěn)定控制重點(diǎn)采取在線測(cè)量的方法，最近幾年對(duì)這一方面上的研究著重在通過廣域信息的局部指標(biāo)方面。電壓的穩(wěn)定性指標(biāo)一般是指0～1之間波動(dòng)的變量，電壓穩(wěn)定性越好系統(tǒng)數(shù)值越小，指標(biāo)到1的時(shí)候系統(tǒng)就會(huì)失去穩(wěn)定性。

6.暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)

廣域測(cè)量技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)以及評(píng)估一般選擇超實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，在線決策，實(shí)時(shí)匹配的模式。對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定方面可能會(huì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。對(duì)多機(jī)系統(tǒng)來說，反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的就是功角最滯后和最超前機(jī)組之間的動(dòng)態(tài)行為。

7.故障的定位以及測(cè)距

故障的精準(zhǔn)定位對(duì)快速排除故障以及最快的修復(fù)供電設(shè)備有著非常重要的意義。在進(jìn)行故障定位的時(shí)候，在理論上選擇雙端量測(cè)量的方式比只采用單端量測(cè)量的方式要好很多。廣域測(cè)量技術(shù)讓同一時(shí)標(biāo)下的雙端測(cè)量變成現(xiàn)實(shí)，這大大提高了對(duì)故障定位的精準(zhǔn)度。

四、廣域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展前景

伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制策略以及分析手法已經(jīng)不適合現(xiàn)如今的實(shí)際需求。所以必須構(gòu)建廣域測(cè)量技術(shù)的安全體系。伴隨廣域測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)中優(yōu)越性的體現(xiàn)，將來的廣域測(cè)量技術(shù)一定會(huì)有一個(gè)可觀的發(fā)展前景。其客觀性在以下方面：

（1）目前的廣域測(cè)量技術(shù)平臺(tái)通常是以省調(diào)為單位的建設(shè)，需為跨區(qū)電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制以及分析所使用。

（2）開發(fā)廣域測(cè)量技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定預(yù)警、安全分析。

（3）基于廣域測(cè)量技術(shù)的實(shí)時(shí)控制，動(dòng)態(tài)信息平臺(tái)要為系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定監(jiān)測(cè)及分析，形成一個(gè)在線預(yù)決的穩(wěn)定控制策略。

4.1電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析的理論

上世紀(jì)五十年代初，前蘇聯(lián)的馬爾柯維奇提出了電壓穩(wěn)定研究的問題，但是，當(dāng)時(shí)由于研究手段較為落后，因此直到上個(gè)世紀(jì)七十年代，這一問題才獲得了有效的進(jìn)展。

在電力系統(tǒng)當(dāng)中，如果系統(tǒng)能夠位置負(fù)荷的增大，那么其消耗的功率也會(huì)不斷增大，這個(gè)時(shí)候我們就能夠認(rèn)為該系統(tǒng)擁有穩(wěn)定的電壓。而之所以會(huì)造成電壓的不穩(wěn)定，通常是因?yàn)檫^重的有功符合或者是缺乏無功效率。對(duì)于后者來講，很有可能是由于無功源難以產(chǎn)生足夠的功率并提供給母線，或者是線路難以傳輸足夠的功率到節(jié)點(diǎn)上。這就會(huì)使得線路消耗大量的無功功率，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的傳輸形成了一定的限制作用。此外，這還會(huì)在一定的程度上增大附近線路的功率潮流，而隨著其余線路負(fù)荷的不斷增加，還會(huì)形成連鎖反應(yīng)，該連鎖反應(yīng)是難以阻止的。最后，所有連接的新路難以提供功率，就會(huì)產(chǎn)生電壓的不穩(wěn)定。就目前來看，對(duì)電壓穩(wěn)定的分析方法分為三大類，分別是靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析以及廣域測(cè)量。

5.結(jié)語

本文對(duì)廣域測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)中的狀態(tài)估計(jì)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、頻率和電壓的穩(wěn)定控制、低頻振蕩分析、故障定位等方面的研究進(jìn)展作出了總結(jié)，表明了廣域測(cè)量技術(shù)為電力系統(tǒng)中存在的一些問題提供了一些新的方法及思路。

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