廣域測量系統在電力系統中的應用研究

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WAMS(Wide Area Measurement System)主要源自電力系統時間上同步和空間上廣域的要求，利用全球定位系統GPS(Global Position System)時鐘同步，進行廣域電力系統狀態測量。WAMS是近年來電力系統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年處于系統中試運行階段。1992年以后工業產品問世，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系統安裝了近50臺PMU主要用于動態記錄和模型修正。北美WECC系統(包括BPA，SCE，ISO)安裝了47臺的PMU，監視約1200個信號，主要用于動態記錄、分析和建模。TVA經過優化設計，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，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信息用于狀態估計，法國東南部系、北歐系統、英國電網也都部分安裝了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、河南和華東等電網安裝。東北電網于2004年初組建了實時動態監測系統。在2004年3月25日和2005年3月29日的2次東北電網大擾動試驗中，該系統完整記錄了2次擾動過程的數據，為事后分析提供了準確的數據。目前國內有接近50%的網(省)公司建成了或正在新建WAMS系統，這些建成的WAMS系統為電網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據和波形;江蘇電網在2005年10月28日系統出現擾動時也完整記錄下擾動的波形和數據;2006年8月10日桑美臺風登陸時，造成華東電網甄海和寧德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(GPS)的相量測量單元，它是多功能信號采集系統，不僅要完成對電壓相角的實時測量以獲得參考相位角，還能實現對電壓、電流、有功的實時測量與計算，最后將數據幀送至調度中心。

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量的脈沖用于采樣，濾波處理后的交流信號經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據集中器。數據集中器收集來自各個PMU的信息為全系統的監視、保護和控制提供數據。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 全網動態過程記錄及事故分析

3.1.1 動態過程安全分析

在系統擾動的動態過程中，會出現頻率下降，電壓下降，穩定破壞，系統震蕩等現象，在這一過程中，涉及到電壓穩定，功角穩定及頻率穩定問題。

(1)頻率穩定

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

(2)功角穩定

在電力系統的穩定分析與控制研究中，電力系統的功角穩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。功角穩定是一個涉及到廣域范圍發電機相互作用的動態問題，廣域測量系統提供了功角數據，加強了系統的狀態的可觀性，提高了一些穩定裝置的動作選擇性。目前某些系統分析方法，結合廣域測量系統提供的頻率和相量，可以對系統進行更有效的控制。

3.1.2 電壓穩定分析

基于廣域測量系統提供的同步狀態量信息，人們可以建立系統關鍵節點的安全失穩預測目標函數。目前有學者采用系統等值阻抗和電壓來計算出系統電壓的穩定邊緣。

電壓穩定控制系統從廣域測量系統取得若干節點穩定指標后，進行全局的比較，若發現有某些節點的指標進入電壓穩定邊緣，立即執行協調控制措施，同時，廣域測量系統反饋電壓穩定控制的效果，控制系統根據反饋效果，進行進一步調整，從而形成電壓穩定的閉環控制系統。實際上，這也是廣域范圍的電壓協調控制。

3.1.3 在線安全監測

實時動態安全監測系統能夠實時監測系統振蕩和系統其他狀態變化情況，當系統受到擾動時，調度員根據監測系統提供的動態信息統一調度電網運行，能有效平息系統振蕩，從而避免大停電事故的發生，實時動態安全監測系統提高了調度員準確把握系統狀態的能力，能有效阻止事故蔓延，提高電網運行的可靠性。

(1)直接檢測

直接檢測不需要狀態評估和緊急狀態仿真，它使用廣域測量系統提供的實時數據，可以提供系統狀態的標志。直接檢測包括無功監測和功角監測;

(2)動態安全監測

基于廣域測量系統和EMS的狀態估計，可以對系統進行實施頻譜分析等數據分析，得出系統的振蕩模式，并在此基礎上，可以進行系統的動態安全的分析與檢測。

3.2 電力系統動態模型辨識及模型校正

一個正確有效的電力系統動態模型是對所有電力系統進行動態分析和控制的起點。目前對于既定模型的分析和研究已經很多，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系統大停電事故并不能依據WSCC一直采用的動態參數庫通過計算機仿真重現。電力系統動態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獲取的全網動態過程的時間序列信息可以進行電力系統動態模型辨識及模型校正，提高電力系統動態建模尤其是負荷建模的準確性。

3.3 穩態分析

PMU可以直接測量所裝節點的電壓幅值和相角，避免了一般潮流計算或狀態估計的迭代過程，并且其測量精度較高，可以和現有的SCADA系統相結合提高系統狀態估計的精度。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，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諧波狀態估計方法，將全系統范圍內的諧波狀態估計問題轉化為多個單母線系統的狀態估計問題，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的時滯依賴穩定性判據，并在此基礎上給出了離散時間系統帶時滯的狀態反饋控制器的設計方法;在基于WAMS的閉環電力系統動態穩定分析及控制方面，有人推導出一種新的線性多時滯系統穩定判據，該判據采用輻角原理來判定線性多時滯系統的特征方程在復平面的右半平面是否有根。這種判據不涉及任何符號計算，對系統階次和時滯空間的維數不敏感，因此可以判定高階多時滯系統的穩定性。同時，該判據是線性多時滯系統穩定的充要條件，可以無保守地判定高階多時滯線性系統的穩定性。

3.4 暫態穩定預測及控制

當前投入實際工業應用的穩定控制系統可分為兩種模式即“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，以上兩種穩定控制系統很可能無法響應。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;

(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。

3.5 低頻振蕩分析及抑制

隨著大電網的互聯，區域間的低頻振蕩對互聯電力系統的安全穩定運行構成了威脅。WAMS可望在分析和抑制低頻振蕩方面發揮作用。

通常僅基于本地信息的阻尼控制器(如PSS)不能很好地抑制區域間的低頻振蕩，因為本地信息并不能很好反映區域間的振蕩模式，本地信號對于區域間的振蕩模式的可觀測性不好。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。文獻［4］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，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

目前的電力系統控制研究領域一直強調分散性/就地性，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。

在全局反饋控制研究中如何選擇適當的遠方信號作為反饋信號是一個重要問題，為了考慮電力系統的固有非線性，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的暫態穩定性。文獻［6］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。

3.7 電壓、頻率穩定監視及控制

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。如文獻［7］利用WAMS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;文獻［8］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定分析的系統動態模型，然后基于該模型預測系統的電壓穩定性。目前，利用WAMS提供的實時信息進行電壓穩定性監視和預測已有不少研究，但如何利用WAMS進行電壓穩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動態模型，然后基于該模型預測系統的頻率穩定性，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測量

故障定位系統對保持電力系統正常運行、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于僅采用單端量測量的方案。WAMS的發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，并采用一種改進的離散傅立葉變換提取暫態電氣量中的基頻分量，從而消除線路參數變化、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補償裝置時基于PMU的故障定位方法，與常規方法不同，這種方法不需要串聯補償元件的精確數學模型和運行狀態的先驗知識，適用于各種對線路電流沒有附加相移的串聯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在系統保護的應用

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

傳統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;傳統的保護用來隔離、保護故障元件，保證系統的其它部分繼續正常工作。

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

系統保護基于廣域測量系統及靈活的保護措施，系統的穩定保護、控制將形成最終的統一方案;失步保護是傳統保護中的最難設計的保護之一，廣域測量系統提供給失步保護功角數據，用于失步解列就使大電網失步保護設計迎刃而解。廣域測量技術提供系統的同步狀態量，輔以高速通信手段，可以彌補傳統保護信息的某些缺點，從而加強傳統保護的自適應性。

4 結論

WAMS給電力系統中一系列問題的研究提供了新的視角和方法，探討WAMS在電力系統中各種可能的新的應用，尤其是基于WAMS技術構建大規模互聯電力系統的廣域安全監測及控制系統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)基于穩定預測原理，開發在線快速的穩定預警及控制系統，實現電力系統穩定的快速協調控制;

(2)研究工程上實用的基于WAMS的低頻振蕩協調優化控制方法，解決大區互聯電網的低頻振蕩問題;

(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。在穩態方面，相對來說做了不少的研究。但暫態方面研究相對來說就少的多，目前只是對兩機系統有了實用案例，但是對于多機系統理論和實際都沒有大的突破;

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

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

(6)低頻振蕩分析與控制:各個PSS如何協調，考慮通信時延時怎樣控制算法;

(7)全網同步監測和事故分析以及界面可視化:實時提供系統中的故障、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)電壓和頻率穩定評估和控制:電壓穩定是一個相對慢過程，因此利用PMU更容易來實現。目前僅限于對兩機系統的研究。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，以及電壓控制裝置如何和保護協調。穩定控制和系統保護一體化，PMU可提供系統全局的量，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。

［1］吳篤貴，徐政.基于相量量測的電力系統諧波狀態估計(I)——理論、模型與求解方法［J］.電工技術學報，2004，19(2):64-68.

WU Du-gui，XU Zheng.Power System Harmonic State Estimation Based on Phasor Measurements(I)——Theory、Model and Solution Algorithm［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(2):64-68.

［2］吳篤貴，徐政.基于相量量測的電力系統諧波狀態估計(II)——可觀性、質量評估與算例研究［J］.電工技術學報，2004，19(3):76-81.

WU Du-gui，XU Zheng.Power System Harmonic State Estimation Based on Phasor Measurements(II)——Observability Analysis，Quality Evaluation Algorithm and Example Studies［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(3):76-81.

［3］O.Sename，D.Simon，D.Robert.Feedback Scheduling for Realtime Control of Systems with Communication Delays［J］.Proceedings ETFA’03.IEEE Conference Volume 2，16-19 Sept.2003.

［4］謝小榮，肖晉宇，童陸園，等.采用廣域量測信號的互聯電網區間阻尼控制［J］.電力系統自動化，2004，28(2):37-40.

XIE Xiao-rong，XIAO Jin-ning，TONG Lu-yuan，etal.Inter-area Damping Control of Interconnected Power Systems Using Wide-area Measurements［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28(2):37-40.

［5］常乃超，郭志忠.基于廣域量測的全局非線性控制［J］.中國電機工程學報，2004，24(2):43-48.

CHANG Nai-chao，GUO Zhi-zhong.Global Nonlinear Excitation Control Based on Wide-area Measurements［J］.Proceedings of the Csee，2004，24(2):43-48.

［6］Yu C S，Liu C W.Self-correction two-machine equivalent model for stability control of FACT system using real-time phasor measurements［J］.IEE Proceedings-Generation，Transmission and Distribution，2002，149(4):389-396.

［7］黃志剛，鄔煒，韓英鐸.基于同步相量測量的電壓穩定評估算法［J］.電力系統自動化，2002，26(2):28-33.

Huang Zhi-gang，Wu Wei，Han Ying-duo.An Algorthm for Voltage Stability Assessment Based on Synchronized Phasor Measurement［J］.Automation of Electric Power Systems，2002，26(2):28-33.

［8］Liu C W，Chang C C，Su M C.Neuro-fuzzy networks for voltage security monitoring based on synchronized phasor measurements［J］.IEEE Trans on Power Systems，1998，13(2):326-332.

［9］Rehtanz C，Bertsch J.Wide area measurement and protection system for emergency voltage stability control［C］.IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2002，2:842-847.

［10］Larsson M，Rehtanz C.Predictive frequency stability control based on wide-area phasor measurements［C］.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2002，1:233-238.