廣域測量系統在電力系統中的應用

摘要:科學技術的發展將廣域測量系統(Wide Area Measurement System，WAMS)等新技術、新裝備引入到電力生產過程中，給電力系統安全穩定控制的發展帶來了新的契機。本文論述了廣域測量系統(Wide-Area MeasurementSystem，WAMS)在電力系統穩態分析、全網動態過程記錄和暫態穩定預測及控制、電壓和頻率穩定監視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制等方面的應用。通過這些應用可以看到，WAMS給電力系統分析與控制提供了新的視角和解決方法，值得深入研究。

關鍵詞:廣域測量系統(WAMS) 同步相量測量裝置 動態監測

當前廣域測量系統(WAMS)的PMU裝置以GPS為采樣基準，能全網同步采集機組和線路的電壓、電流以及重要的開關保護信號;并能計算得到電壓和電流相量、頻率和頻率變化率、機組和線路功率、發電機內電勢(功角)以及根據機組鍵相信號實測機組功角;同時還能提供擾動觸發的暫態記錄。

基于PMU的廣域測量系統能實現對電力系統動態過程的監測，其測量的數據能反映系統的動態行為特征。廣域測量系統為電力系統提供了新的測量和監控手段，以保證電網的安全經濟運行，已成為十分重要的問題。近來受到廣泛關注的廣域測量系統(Wide-area measurement system，WAMS)可能在一定程度上緩解目前對大規模互聯電力系統進行動態分析與控制的困難。

1 安全穩定控制系統

目前的穩定控制系統，比如電氣制動、發電機快速勵磁、發電機組切除、自適應負荷減載及新興的靈活交流輸電等，發展到廣域控制都應該是基于廣域電力系統的信息。廣域測量系統提高了電力系統的可觀察性，通過各種分析手段，進行系統動態過程的分析。

1.1 暫態穩定預測及控制 理論上最為完美的穩定控制系統模式是“超實時計算、實時匹配”。這種模式假設在故障發生后進行快速的暫態分析以確定系統是否會失穩，若判斷系統失穩則給出相應的控制措施以保證系統的暫態穩定性。這種穩定控制系統的整個分析計算、命令傳輸、執行過程的時間極短，理論上可以對任何導致系統暫態失穩的故障給出相應的穩定控制措施，達到對各種系統運行工況、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上述自適應實時控制系統:①對于WAMS提供的系統動態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未來的受擾軌跡，并判斷系統的穩定性。但由于電力系統在動力學上的復雜性，這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。②以WAMS提供的系統故障后的狀態為初始值，在巨型機或PC機群上進行電力系統超實時暫態時域仿真，得到系統未來的受擾軌跡，從而判斷系統的穩定性。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動態模型;再者，該方法要求的時域仿真的超實時度較高，目前對大規模系統而言可能還存在困難。③基于WAMS提供的系統動態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動態模型，然后對該模型進行超實時仿真，得到系統未來的受擾軌跡，并判斷系統的穩定性。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動態模型的先驗知識，應該是目前比較有前途的方法。

1.2 電力系統穩定器(PSS) 廣域測量系統提供了廣域系統的同步狀態量，為進一步開發相互協調動作的電力系統穩定器打下基礎。基于廣域測量系統，PSS可以觀察動作以后系統各點的響應情況，并根據系統的狀態，確定進一步的動作。北美系統在進一步加裝PSS過程中曾有過由于相互協調而使低頻振蕩重新出現甚至加劇的實例。

2 電壓、頻率穩定控制

2.1 慢速電壓穩定控制 基于廣域測量系統，人們可以開發較為慢速的廣域控制，比如電壓穩定控制。美國BPA公司正在開發“先進電壓穩定控制”項目。該項目基于廣域測量系統和SCADA系統提供的系統電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發以下控制:基于響應的快速控制，該控制措施包括發電機跳閘及無功補償調節。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測量;利用無功補償設備進行電壓控制，基于廣域測量系統提供的電壓幅值及功角，無功補償設備使用模糊邏輯控制來調節電壓幅度;變壓器自動調壓避免變電站之間并聯變壓器的環流現象，提高電壓穩定性;發電廠的電壓調度在電壓緊急的狀態下，有較多無功儲備的電廠可以提高電壓，從而減少系統的無功損耗，并提高電容器組的無功輸出。這些措施可以提高系統的無功平衡，從而加強電壓的穩定。

2.2 靜態電壓穩定控制 相對于暫態穩定問題，靜態電壓穩定和頻率穩定屬于慢動態的范疇，更易于利用WAMS信息實現穩定監視和控制。如利用AMS得到的各節點電壓相量測量值將系統等值成兩節點系統，能快速給出電壓穩定裕度;以各節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定指標，用大量樣本訓練得到一個模糊神經網絡作為電壓穩定分類器，輸出變量為很安全、安全、警戒、危險、很危險等五種電壓安全水平;以 WAMS 提供的節點電壓相角差和發電機無功出力為輸入變量，應用決策樹快速評價系統的電壓安全水平。

3 動態過程安全分析

3.1 低頻振蕩分析及抑制 低頻振蕩是互聯電力系統固有的現象，其振蕩的穩定性是保障系統安全運行的先決條件，因此得到極大關注.隨著系統規模和復雜程度的不斷增加，傳統的小信號穩定分析已經不能滿足電力系統規劃、設計和運行的需要。WAMS可望在分析和抑制低頻振蕩方面發揮作用。直接將系統線性化狀態空間方程離散化，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空間方程的系數矩陣，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的機電振蕩模式;應用快速傅立葉變換和小波分析對WAMS提供的節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。

WAMS的出現為抑制區域間的低頻振蕩提供了強有力的工具，可通過WAMS獲取區域間的發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控制。將采用 WAMS信號的區間阻尼控制器附加到發電機勵磁控制器中，達到抑制區域間振蕩的目的;采用WAMS信號作為裝設于聯絡線上的TCSC裝置的控制輸入，基于線性H∞控制理論設計了TCSC區間阻尼控制器采用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系統成為一個時滯系統，若時滯過大可能引起閉環系統的不穩定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，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控制研究領域一直強調分散性/就地性，即對電力系統中的某一動態元件僅采用本地量測量構成反饋控制，從便于控制實現的角度追求控制的分散性/就地性毫無疑問是可以理解的，但通常電力系統的動態問題本質上具有全局性(如暫態穩定問題)，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，因此在提高全系統穩定性上有一定局限性。隨著WAMS的出現和發展，研究和實現基于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，將通過聯絡線互聯的兩個區域等值成一個兩機系統，然后采用直接線性化技術設計了聯絡線上的TCSC控制器，數值仿真結果表明，所設計的基于WAMS信號的全局TCSC控制器有效提高了互聯系統的暫態穩定性。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，建立廣域測量系統成為我國電力系統發展的必然。它可以增強電力市場服務監測，幫助運行人員提高電網分析準確度，從而大大提高了電網的監視和運行水平。