（电气工程专业论文）相量测量装置优化配置的研究.pdfVIP

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 基于同步相量测量技术的广域测量系统在电力系统动态监测、系统建模、模 型校核、广域保护和控制方面有着重要的应用价值，也吸引着越来越多人的兴趣。 显然，在全网所有母线配置p m u 就能进行线性状态估计而不需要迭代，因此计 算速度快且无收敛问题。然而考虑到p m u 量测的特点及安装费用的约束：在测 量电压相量的同时还能测量关联线路的电流相量，因此只需在全网1 5 到1 3 的 母线上配置p m u 即可实现全网完全可观测并进行线性状态估计。故在满足特定 约束条件下如何以最少数目的p m u 实现全网完全可观测，成为了广域测量技术 的一个研究重点。 本文首先介绍了w a m s 系统的架构、应用、基于p m u 量测的线性状态估计， 然后回顾了现有的满足全网可观测和满足特定应用约束条件的p m u 配置方法。 分析表明这些方法并不能完全满足实际工程的需求。为解决这一问题，本文提出 了p m u 配置论域的概念。利用这个概念，可以简化p m u 的配置复杂性以及增强 配置方法的灵活性。通过改变论域还能使配置结果具有一定的抵御高风险连锁故 障的能力。随后，本文提出了基于0 1 线性整数规划的能灵活满足多种约束条件 的通用p m u 配置方法。在此基础上首先针对高压电网中不存在零注入节点的实 际情况，提出了一种能够考虑线路n 1 和p m u 装置n 1 的p m u 最优配置方法。 其次考虑到一般电网中存在的零注入节点会导致模型的高度非线性并且会显著 增加p m u 配置的复杂度。该方法通过将零注入节点转化为潮流已知线路巧妙地 解决了这个问题。最后针对实际工程中分阶段配置p m u 的需求，定义了不可观 测深度的概念并结合此概念提出了一种能够考虑分阶段配置p m u 的最优配置方 法。利用该方法，很容易制定实施计划。 上述配置模型具有统一的形式，即0 1 线性整数规划模型，并且能够处理诸 如通信限制、已安装p m u 、某些设备需要直接监视之类的约束。通过在i e e e 系 统、新英格系统、浙江实际电网的仿真计算，表明上述方法灵活而高效。 关键词 电力系统，广域测量，相量测量装置，优化配置，0 1 线性整数规划 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w h m s ) b a s e do ns y n c h r o n i z e d p h a s o r m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e ng a i n i n gi n c r e a s i n g l yi n t e r e s t sd u et oi t sg r e a tv a l u e i np o w e rs y s t e md y n a m i cm o n i t o r i n g , p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si ns y s t e mm o d e l i n ga n d v a l i d a t i o na n ds y s t e mw i d ep r o t e c t i o na n dc o n t r 0 1 t h ew i d ei n s t a l l a t i o no fp m ua t e v e r yb u sw i l l l e a dt oas i m p l i f i e dl i n e a rs t a t ee s t i m a t i o nw h i c hp r o v i d e sf a s t e r c a l c u l a t i o ns p e e da n dh i g h e rn u m e r i c a ls t a b i l i t y b u td u et ot h ec o s tl i m i t a t i o na n dt h e f a c t t h a te a c hp m uc a nm e a s u r en o to n l yt h eb u sv o l t a g eb u ta l s ot h ec u r r e n t sa l o n ga l l t h el i n e si n c i d e n tt ot h eb u s ，o n l y1 5t o1 3b u s e si nt h eg r i dn e e dt ob ee q u i p p e dw i t h p m u st om a k et h ee n t i r es y s t e mo b s e r v a b l e h e n c e ，h o wt om a k et h ee n t i r es y s t e m o b s e r v a b l ew i t hm i n i m a ln u m b e r so fp m u sw h i l ef u l f i l l i n gc e r t a i nc o n s t r a i n t s b e c o m e sah o t s p o ti nt h ef i e l do fw a m s f i r s t l yt h ea r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o n so fw a m sa n dl i n e a rs t a t ee s t i m a t i o n b a s e do np m u sm e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ec u r r e n ts t a t u so fo p t i m a l p m u p l a c e m e n tm e t h o d sc o n s i d e r i n gt h eo b s e r v a b i l i t yo ft h ee n t i r es y s t e mo rs o m e o t h e rc o n s t r a i n t si sr e v i e w e d a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ns h o w st h a tc u r r e n to p t i m a l p m up l a c e m e n tm e t h o d sa r en o tf u l l ys a t i s f i e dw i t ht h ep r a c t i c a ln e e d s t h i sp a p e r p r e s e n t st h en o t i o no fp m up l a c e m e n td o m a i n u s i n gt h ei d e ao fd o m a i n ，t h ep m u p l a c e m e n tp r o b l e mc a nb es i m p l i f i e da n db e c o m em o r ef l e x i b l e 补ep l a c e m e n t s c h e m eh a st h ea b i l i t yt or e s i s th i g hr i s kc a s c a d i n gf a i l u r ei np o w e rg r i db yv a r y i n gt h e d o m a i n a n dt h e naf l e x i b l eo p t i m a lp m up l a c e m e n ta l g o r i t h mb a s e do no ll i n e a r i n t e g e rp r o b l e mi sp r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h ef a c tt h a tz e r oi n j e c t i o nn o d ei sn o t e x i s t e di nh i i g hv o l t a g ep o w e r 酊d ，a no p t i m a lp m up l a c e m e n tm e t h o da c c o u n t i n gf o r c a s e so fa n yl i n et r i p p e do rl o s so fas i n g l ep m ui sp r o v i d e df i r s t l y t a k i n gt h ez e r o i n j e c t i o nn o d ei n t oc o n s i d e r a t i o ng r e a t l yi n c r e a s et h ec o m p l e x i t ya n dn o n l i n e a r i t yo f p m up l a c e m e n t t h i sm e t h o do v e r c o m e st h i sp r o b l e mb yc o n v e n i n gt h ez e r oi n j e c t i o n n o d e si n t ob r a n c h e sw i t hk n o w np o w e rf l o w f i n a l l y , t h ec o n c e p t i o no fd e p t ho f u n o b s e r v a b i l i t yi sd e f i n e da n da l lo p t i r e a lp m up l a c e m e n ta l g o r i t h ma c c o u n t i n gf o r m u l t i s t a g ei n s t a l l a t i o ni sp r o p o s e d u s i n gt h i sm e t h o d ，i n s t a l l a t i o ns c h e d u l i n gc a l l e a s i l yb em a d e a l lo ft h ep m u p l a c e m e n tm e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea r cm o d e l e dw i t h0 1l i n e a r 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃a c t i n t e g e rp r o g r a ma n dc a na c c o u n tf o rm u l t i c o n s t r a i n t s ，s u c ha st h er e s t r i c t i o no f c o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ei n s t a l l e dp m u s ，t h er e q u i r e m e n to fd i r e c tm o n i t o r i n g s o m ec r i t i c a li n f r a s t r u c t u r e sa n ds oo n t h e s em e t h o d sa r ev a l i d a t e db yi e e e s y s t e m ， n e w e n g l a n ds y s t e ma n dz h e j i a n gp o w e rg r i d t h ee f f e c t i v e n e s sa n df l e x i b i l i t yo ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m sa r ej u s t i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ，w i d ea r e am e a s u r e m e n t ，p h a s o rm e a s u r eu n i t s ，o p t i m a l p l a c e m e n t ，o 一1l i n e a ri n t e g e rp r o b l e m 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图1 1w a m s 系统典型结构7 图1 2 相量测量的过零检测法原理图一l o 图1 3 隐极式发电机稳态运行相量图。1 2 图1 4 汽轮机的键相传感器安装13 图1 5 水轮机的键相传感器安装1 3 图1 6 时间同步装置的基本组成1 4 图1 7 广域保护范围定义2 0 图2 1 支路导纳图2 4 图3 1 相邻区域电网互联示意图3 6 图3 2 割平面法示意图4 2 图4 1i e e e 3 0 节点系统p m u 最优配置5 4 图5 17 节点系统一5 9 图5 2 割边与叶块示意。6 2 图5 3 零注入节点的转化6 3 图5 4 浙江电网布点实例6 7 图6 1 不可观测深度示意图6 9 图6 2 电力线路的等值电路7 0 图6 3p m u 分阶段配置算法计算流程7 3 图6 4 节点2 7 的电压幅值曲线7 4 图6 5 浙江电网p m u 配置结果7 5 v 浙江大学硕士学位论文 表同录 表目录 表4 1i e e e1 1 8 节点系统仿真结果比较5 2 表4 2 i e e e5 7 节点系统仿真结果比较5 3 表4 3p m un 1 时仿真结果5 3 表5 1 考虑零注入节点的正常情况下i e e e5 7 节点系统比较6 4 表5 2 考虑零注入节点的线路n 1 故障时i e e e5 7 节点系统仿真比较6 5 表5 3 考虑零注入节点的p m un 1 故障时仿真6 5 表5 4i e e e1 1 8 节点系统中部分已知潮流线路6 6 表5 5i e e el l8 节点系统考虑部分潮流已知线路p m u 配置结果6 6 表6 1 新英格兰3 9 节点系统仿真结果7 4 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸婆盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年月 日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江电力调度通信中心 通讯地址：杭州市西湖区黄龙路8 号 电话：0 5 7 1 5 11 0 3 5 2 2 邮编：3 1 0 0 0 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 第1 章绪论 介绍了w a m s 系统主站系统地组成和结构以及w a m s 系统厂站设备一一p m u 的相量测量原理和功角测量原理着重分析了w a m s 系统主站的各项应用：电网 动态安全监测、辅助服务质量监测、故障定位及线路参数测量、低频振荡分析与控 制、状态估计、电压稳定分析、暂态稳定分析、负荷模型在线辨识、广域保护和控 制，同时对这些应用研究的特点、优点以及存在的主要问题进行了相应的评述最 后指出必须在合适的位置配置p m u 以获取足够的动态信息才能实现这些应用因 此，p m u 配置问题引起了广泛的关注，这也是本文要研究的主要内容 1 1 背景 随着经济发展和西部大开发战略的实施，我国电力需求快速增长，电力建设 力度不断加强。目前，电网已进入西电东送、南北互供和全国联网【i 】的新阶段， 促进了电力资源在更大范围内的优化配置【1 ，2 1 。 但是，电网规模的不断扩大，跨区联网、跨区输电的进程不断加快，电力市 场化改革的不断深入使得电网结构和电网运行的复杂程度不断增加，这对电力系 统的安全、优质、经济运行提出了更高要求。另一方面，电力市场的出现又对电 网运行提出了许多非技术性要求。如此，技术层面、市场层面的问题交织在一起， 使得现代大型电力系统在带来巨大经济效益和社会效益的同时，也带来极大的安 全隐患。由于互联电网规模庞大和复杂会导致各子网暂态稳定水平下降；输电线 路传输功率极限较联网前更低于热稳定极限；某些意外事故可能引发电网中各种 自动装置的“保护性 动作，从而导致系统中多个运行元件发生连锁反应而发展 成大面积停电【3 一。大电网的大面积停电不仅造成巨大经济损失，同时造成严重 的社会混乱。这些事故的起因可能是某些偶然事故( 如l 回线跳闸或l 台发电机事 故1 甚至某些保护装置误动，但随着事故的扩大，最后往往发展成功角稳定或电压 稳定的破坏，从而造成大面积停电。同时这些事故也引起了人们对调度自动化系 统的重视i s , 6 】。 例如，1 9 6 5 年美国东部包括纽约发生的大停电事故，波及3 0 0 0 万人口，直 接经济损失l 亿美元。这促进了能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 的发展。1 9 6 7 年，被称为调度自动化之父的d y l i a c c o 博士提出了电力系统安全 浙江大学硕士学位论文绪论 运行的框架结构，使调度中心功能从初期的监视控制和数据采集系统( s u p e r v i s o r c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 发展为e m s 系统，使调度员“经验型 开 始向“分析型”转变。 1 9 9 6 年7 8 月，美国西部接连发生两次大停电事故，切断了西部1 1 个州超 过4 0 0 万人口的电力供应。这次大停电直接刺激了人们对负荷模型的重视阴，也 加快了同步相量测量技术的发展步伐。 2 0 0 3 年是国际上大停电事故密集发生的一年。8 月1 4 日美国东北部和加拿 大联合电嗍大面积停电事故【8 。1 0 】，影响到了美国8 个州及加拿大部分地区，是美 国历史上，也是世界上最严重的停电事故。大停电事故使大约5 0 0 0 万居民生活 受到影响，给美国国内生产总值带来的损失估计在每天2 5 0 亿到3 0 0 亿美元之间， 停电事故持续7 天，有的地区长达1 4 天。之后8 月1 8 日，格鲁吉亚共和国发生 了全国性停电事故。9 月1 日，马来西亚的5 个州发生大面积停电，时间持续数 小时，社会生活受到很大影响。9 月2 9 日，意大利伞国大部分地区停电，全国 5 8 0 0 万人口中绝大多数人的生活受到影响。随后又相继发生多次大面积停电事 故：2 0 0 5 年5 月2 5 日莫斯科大停电、8 月1 8 日印尼大停电；2 0 0 6 年7 月1 7 日 纽约大停电、8 月1 4 日东京大停电、9 月2 4 日巴基斯坦全国大停电。1 1 月4 日 欧洲大停电【1 1 1 4 】更是触目惊心，约1 0 0 0 万人受到影响。 我国也曾发生过类似事故。2 0 0 6 年7 月1 日，华中( 河南) 电网因继电保护 误动作、安全稳定控制装置拒动等原因引发l 起重大电网事故，导致华中电网5 条5 0 0 千伏线路、5 条2 2 0 千伏线路跳闸，3 2 台发电机组退出运行，事故涉及河 南、湖北、湖南、江西四省。河南电网减供负荷2 7 6 5 万千瓦；华中电网损失负 荷3 7 9 4 万千瓦，损失电量2 8 0 4 6 万千瓦时，系统功率振荡期间频率最低为4 9 1 l 赫兹；华中东部电网与川渝电网解列，华中电网与两北联网直流闭锁、与华北电 网解列。华中电网向区外输出电力由7 7 0 万千瓦降为4 9 4 8 万千瓦，从区外电网 输入电力由3 6 万千瓦降为零。 这些大范围停电事故，暴露出电力系统安全防御问题的严重隐患，但同时也 激发了人们对新技术的需求。多国发生大停电事故以后，建立电网的实时动态安 全监控系统的必要性和急迫性已进一步突现出来，应用并推广基于标准时钟信号 一一如全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，g p s ) 的相量测量装置( p h a s e m e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) t 1 5 。2 1 】形成的广域测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n t 2 浙江大学硕士学位论文绪论 s y s t c m ，w a m s ) 2 2 - 2 5 被认为是一种好的技术路线【2 6 】。 我国大区电网的互联使网络结构更复杂、分布地域更广、元件更多，动态行 为( 如超低频振荡【2 能9 1 、振荡传播【3 0 3 1 1 、暂态电压不稳定等) 也更复杂。对这 种具有动、静态不确定性的非线性超大规模电力系统的分析和安全预警难度很 大。“三道防线”【3 2 】的建设对系统的紧急控制起到了不可估量的作用，发电厂 和变电站也装有这些安全稳定控制装置和解列装置，但它们所采用的预测系统失 稳的检测方法多数都是基于就地信息的，没有很好地反映全局信息，冈而不能动 态地自适应地跟踪系统运行方式的变化，有可能出现错误动作【3 3 1 。长期沿用的 基于局部信息的电力系统控制和保护设计方法以及静态安全防御系统的构架，也 不能满足超大规模电力系统振荡抑制与控制、系统保护和动态安全防御的要求。 p m u 的应用使我们对于电力系统动态行为的掌握更为直接和深入，因此为进 一步加强对电力系统的动态稳定监测和分析能力，有必要在重要的变电站和发电 厂安装同步相量测量装置，构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心主 站实现对电力系统动态过程的监测和分析【3 4 】。广域测量技术为大电网向着大面 积实时监测和控制方向的发展提供了先进和可能的信息技术平台，以此为基础调 度员可掌握足够的系统安全可靠信息与可用的发电调整冗余，从而保证系统远离 潜在的不稳定状态。 1 2 广域测量系统国内外发展与现状 1 2 1 广域测量系统简介 目前国内电力系统一般都配置了用于监视控制和分析电网稳态运行的能量 管理系统( e m s ) 以及测量电磁暂态过程的故障录波系统。e m s 系统侧重于监测 电网稳态运行情况，测量周期通常是秒级，并且通常不带时标，不能做到全网的 同步测量。故障录波数据的采样频率一般都在几千h z 以上，并带有时标信息， 但是只在发生故障时才采集故障点附近的数据，记录数据只是局部有效，并且持 续时间较短，通常在数秒钟之内，难以用于对全电网动态行为的监视和分析。 w a m s 系统则兼顾了e m s 系统和故障录波系统的功能。其子站设备相量测 量装置( p m u ) 能够以上万次秒的速率采集电流、电压信息，通过计算获得测点 的功率、相位、功角等信息，并以每秒上百帧的频率向主站发送。利用标准时钟 ( 例如g p s 的授时信号) 作为数据采样的基准时钟源，保证全网数据的同步性。 3 浙江大学硕士学位论文绪论 因此，在当前技术条件下，采用基于标准时钟信号的同步相量测量技术和现代通 信技术，对地域广阔的电力系统进行实时动态监测和分析，并采取新的稳定控制 策略，是解决大电网稳定监控问题最为有效的途径。这种广域测量系统的建立将 为保证电力系统安全稳定运行提供全新技术手段，是最终构筑电力系统安全防卫 系统的重要基础。 1 2 2 国外情况 2 0 世纪9 0 年代初，基于g p s 的p m u 的成功研制，标志着同步相量技术的 诞生。国外大量同步相量测量装置投入到电力系统中，应用于状态实时监测、电 力系统控制和保护装置投运试验、继电保护、电力系统扰动记录等多个领域，为 电网动态运行提供了可靠与精确的连续性监测和记录，如：低频振荡时的振荡频 率和振幅、功角稳定越限时的功角测量角度、电压稳定越限时的电压幅值等。由 以下各国的情况可以看出，广域测量技术已经证实是维护电力基础设施在大电网 长距离、高效率输电条件下的可靠与安全运行的工具。 1 2 2 1 美国 美国纽约电力局( n e wy o r kp o w e ra u t h o r i t y , n y p a ) 于1 9 9 2 年开始装设相量 测量装置【3 5 1 ，除了用于相量测量以外，还用于系统谐波监测、系统扰动监测。 美国能源部( u sd e p a r t m e n to fe n e r g y ，d o e ) 在总结大型互联电力系统事故 的基础上，在2 0 世纪9 0 年代中发起“广域测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n t s y s t e m ) ”项目研究，由美国邦纳维尔电力局( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ， b p a ) 和西部电力局( w e s t e r np o w e ra d m i n i s t r a t i o n ，w a p a ) 牵头进行【3 6 】。 1 9 9 5 年，在美国能源部的支持下，w a m s 系统在美国西部电力联盟( w e s t e m s y s t e mc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ，w s c c ) 投入试运行，此工程项目主要是确定在大电 网的输变电系统里新的数据测量与信息需要，从而为制订满足复杂的大电网运行 所需要的电网运行状态监测、预警、动态控制的指南服务。w s c c 的w a m s 系 统主要是采用傅里叶变换及p r o n y 分析方法，利用p m u 信息进行动态扰动的识 别与分析。在1 9 9 6 年西部大停电中对事故过程重现和事后分析发挥了巨大作用， 记录了极其珍贵的数据。 2 0 0 0 年，在电力可靠性技术咨询集团( c o n s o r t i u mf o re l e c t r i cr e l i a b i l i t y t e c h n o l o g ys o l u t i o n s ，c e r t s ) 的组织之下，w s c c 与美国能源部国家实验室、美 4 浙江大学硕士学位论文绪论 国电科院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 、几所大学合作，开始了用于检 验西部电网稳定特性的运行试验及电网动态运行稳定性的控制等领域的工作与 研究。 1 2 2 2 西班牙 西班牙的c s e 电力公司，第一个s c a d a e m s 在线系统中利用相角测量来 进行状态估计【3 7 1 。c s e 修改了s c a d a 系统，使其能够直接和相角测量设备之 间通讯，读取电压正序向量，同时c s e 修改了传统的状态估计算化，利用相角 测量的电压正序向量来改善状态估计的迭代过程。结果是，估计误差指标的降低， 反映出状态估计得到的其它测量值更接近真实值。 1 2 2 3 法国 法国e d f 电力公司的稳控系统【3 7 1 。法国e d f 电力公司的稳控系统。e d f 电网由2 0 个稳控区域组成，采用各区的相角测量值来判别稳定。e d f 建立了一 个集中广域保护( 稳控) 中心计算机系统。广域保护( 稳控) 的目标是，在检测到电网 失去暂态稳定时，解列电网并进行减负荷。从监测到系统失稳到广域保护动作完 成，必须在1 3 s 内完成，整个系统花费5 1 0 7 u s d 。 1 2 2 4 加拿大 加拿大h y d r o q u e b e c 的利用相角测量作为发电机的p s s 控制输入，以改善 互联网电网的振荡衰减1 3 7 1 。分析发现，对某些振荡模式和运行方式下，仅仅是 一少部分发电机的p s s 在具有全网功角信息后，对这些振荡模式的可控性最好。 p s s 控制具有两个反馈控制信号，一个是常规的发电机转速，一个是由相角采集 系统通过的两个远程电网的频率差。相角测量系统由一个数据集中器和分布安装 在9 个电网区域的功角测量设备组成。数据集中器则提供给各发电机p s s 所需 信息。结果证明，这种控制方式可以稳定一系列以前分析的不稳定事故，并且还 可以改善不稳定事故时的母线电压。如果p s s 进一步使用远方的频率测量，电网 能大大改善对远方母线电压的支持。 1 2 2 5 日本 日本东京电力公司基于相角预测的失步保护投入试运行多年。日本应用 w a m s 技术开发了在线全局动态监测系统，用于低频振荡研究：在主要的厂站安 装p m u ，通过小波变化来提取振荡频率，在传统的电力系统稳定器( p s s ) e e 加入 广域信号，构成广域p s s 。 5 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 3 国内情况 国内同步相量测量技术的研究起步于1 9 9 4 年，中国电力科学研究院引进台 湾欧华公司a d x 3 0 0 0 监录装置，它主要用于监测系统主要断面的功角稳定运行 情况、观测线路上出现的低频振荡现象以及记录系统受扰动后各监测点的动态过 程。从1 9 9 5 年开始就利用它组建了南方电网、华东电网、国调阳城一江苏输电 线、福建一华东联络线实时功角监测装置、福建实时功角监测系统、四川电网实 时功角监测系统。虽然受当时条件的限制，a d x 3 0 0 0 系统采用了m o d e m 传输方 式，通信协议不满足i e e e1 3 4 4 协议【3 8 】，它仍然对我国电力系统认识w a m s 技 术发挥了积极作用【2 引。这些系统多次记录到了电网出现的各种扰动，不但给分 析人员再现了在此过程中整个电网的动态变化情况，而且直接向分析人员提供了 在此过程中的系统各站的功角变化情况。 1 9 9 6 年清华大学与黑龙江省电力公司合作，首次在黑龙江东部电网建成自主 开发的p m u 测量系统。此后在东北电网和广西电网都试验性安装了p m u 监测系 统。它们标志着我国对p m u 的研究成果已经初步具备产品化的条件。2 0 0 2 年， 清华大学与北京四方同创保护与控制设备有限公司合作，共同开发了符合i e e e 1 3 4 4 标准的c s s 2 0 0 系列电网动态安全监测系统，成为我国第一个具有自主知识 产权的广域测量系统。此后，南瑞集团公司于2 0 0 3 年研制出p m u 装置，并在 江苏、华北、河南和华东等电网安装。这样国内p m u 的自主研发已经成熟。 为统一相量数据的输出格式以及系统的通信规约，规范相量测量装置的主要 技术性能，以保证动态监测系统的开放性、兼容性以及测量结果的可比性。2 0 0 3 年，国家电力调度通信中心颁布了国内同步相量测量的第一个企业标准电力系 统实时动态监测系统技术规范( 试行版) 。a d x 3 0 0 0 系统冈不能满足该规范的要 求，2 0 0 3 年后停止在国内销售。该标准在实践中又进行了修正并于2 0 0 6 年正式 成为国家电网公司企业标准1 3 4 】，该规范的发布将有助于最大限度地发挥相量测 量的作用，规范各种相量测量、分析系统的数据交换。 目前国内国网、南方、华东、华北、华中、东北、西北、江苏、福建、四川、 河北、青海、湖北、安徽等电网都实施了w a m s 的应用。运行实践证明，同步 w a m s 系统不仅为电网的安全运行提供了准确的实时功角数据，还能可靠、精确 2 0 0 8 年4 月已讨论上升为国家标准 6 渐h 大学 t 论立绪论 地记录电嘲中发乍的所有异常t 况，成为电网安全稳定运行不可缺少的丁具。可 以预见，未来几年之内仝阁各网省电网的实时动态监羽螈统将陆续投入运行， 相晕测培装置的覆盖面将大大增加，部分高级应用功能也将丈现。这将为令国电 刚的稳定运行提供坐町靠的保讥进一步促进电嘲运行水、p 的提高。 l 3w a m s 系统的一般结构 根据电力二次系统安全防护总体方案+ 的要求1 3 94 1 i ，w a m s 系统和e m s 系统等f d 届丁控制区f 安全压i ) 。如例】所不，w a m s 磊统u 丁分为主站部分、 厂站部分以及连接这两部分的信息传输部分。其q 一主站部分包括前置服务器、数 据库服务器、应用服务器、丁作站咀及和其他系统的接n ；厂站部分主要由p m u 构成：信息传输部分日前推荐使用调度数据阿，当系统币且备阿络通信条件时， 才可选异j 专州通信通道”“。丰站部分各服务器采朋双网坝机冗余山式，确保系 统的可靠运行。此外，w a m s 系统还应包括时钟同步系统。 产管理系统 w e b 最统 q冷 m o 噼信息系躲统 图1iw a m s 系统典型结构 l 3 1w a m s 主站架构 w a m s 主站是安装在电力调度中心的计算机系统。它能接收，管理、存储和 转发源自了站的实时驯量数据对电力系统的运行状态进行j 盥测、告警、分析、 块策等。主站之间应能变换实时测量数据，并能与调度中心e m s 及其他安全自 动控制系统进 t 数据交换。 国家电力监管委员会，电监安全 2 0 0 6 1 3 4 号文 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 般说来，当w a m s 作为独立系统建设时，主站系统典型的硬件配置包括 如下6 个部分： ( 1 ) w a m s 数据采集服务器，完成p m u 数据采集以及外部系统的数据汇集 功能； ( 2 ) w a m s 数据库服务器，用于存储电网模型、p m u 采集的动态数据以及 w a m s 各应用的计算结果等； ( 3 ) w a m s 应用服务器，执行w a m s 基本应用功能，如三态数据的整合与 管理、电网运行动态监视、低频振荡监视与分析、扰动识别、故障分析、 辅助服务质量分析等； ( 4 ) 高速计算服务器，由多台高性能计算机并行计算来实现w a m s 高级应用 功能，如安全稳定的在线分析、预警和协调防预等； ( 5 ) w e b 服务器，在安全区i i i 的w e b 站点建立w e b 服务，利用浏览器工具 访问w a m s 。 很明显，w a m s 的硬件配置与e m s 非常类似，并且要求与e m s 系统进行实 时信息交互。因此还存在一种和e m s 系统一体化设计的方案【4 2 】：保留原e m s 系统的基本结构不变，为w a m s 系统增加相应的数据采集服务器、应用服务器 和动态信息服务器，实现e m s 和w a m s 的功能分工，但两者共享同样的商用库 资源( 即w a m s 和e m s 的数据存储在同一个商用数据库中) 、w e b 服务器和各 类工作站。其优势在于只需维护一套电网模型、图形、设备参数和量测信息，并 遣灭有模型、参数的导入导出过程。这样既减少了维护工作量，又避免了三态数 据整合时数据源的不一致。并且更加符合调度员的运行习惯只需在一套系统 内进行监视电网运行情况。 1 3 2 数据库子系统 数据库服务子系统作为整个w a m s 的实时数据库和历史数据库并负责其维 护和管理。主要用于实现电力系统的实时动态监测和告警等功能，以及供w a m s 应用作高级分析、计算之用。同时数据库服务子系统还用于存储w a m s 系统的 模型数据和电网统计数据。 随着广域动态监测系统技术的发展，大量p m u 采集的数据带来了更加突出 的海量电力信息数据存储问题。相对r t u 数据采集而言，p m u 采集的一个突出 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 特点就是采集频率非常高，达到每秒2 5 、5 0 甚至1 0 0 帧。因此在相同采集点的 情况下，其数据存储规模将是稳态数据的上千倍。根据理论测算，对于1 0 0 帧 秒采集频率的p m u 装置，若不加处理来存储1 0 0 0 个向量一年所需的存储容量大 约为3 0 t b 。很明显，采用常规的关系数据库来存储这些海量信息无论从写入速 度还是查询效率上来说都很难满足应用的需求。这就需要一套适合电力系统特点 和实际需求的海量电力信息处理技术，该技术能够高效、快速存储超大容量数据， 并且具有很高的检索效率，从而满足应用的需求。近年来，动态信息数据库的出 现使得这些应用需求的实现成为可能。 动态信息数据库是专门设计用来处理具有时间序列特性的数据库管理系统， 针对实时高频采集数据具有很高的存储速度、查询检索效率以及数据压缩比。比 较典型的两个产品是美国o s l s o f t 公司的p i 实时数据库管理系统以及美国i n s t e p 公司的e d n a 实时数据库管理系统。然而动态信息数据库主要是面向数据的，点 与点之间没有关系，本身对电网模型和结构描述的支持很弱，而关系型商用数据 库用于描述电网模型等方面的技术非常成熟。因此综合关系型商用数据库和动态 信息数据库的优点，采取“关系型商用数据库+ 动态信息数据库” 4 3 , 4 4 】的方案是 目前较为流行的方式。该方案将电网模型、p m u 采集定义、应用功能数据库结构 定义、s o e 、告警事件等信息保存在关系型商用数据库中，将动态历史数据、暂 态录波文件等保存于动态信息数据库中。w a m s 所需的电网模型、s o e 、e m s 运行数据等可从e m s 系统中获得或共享，实现电网模型的一致性。 但是，像p i 和e d n a 这样的动态信息数据库对u n i x 环境不支持，在二次 安全防护上造成一定隐患；不支持测点数据质量码【4 5 】关联存储，造成应用的困 难。由于其没有充分考虑电力系统的特点，限制了其推广和应用范围。因此还需 要进一步研究开发能够适应电力系统实际运行特点和实际需求的海量电力信息 处理技术。 1 3 3 相量测量装置一w a m s 系统厂站部分 安装在同一发电厂或变电站的相量测量装置和数据集中器构成了w a m s 系 统的厂站设备。子站可以是单台相量测量装置，也可以由多台相量测量装置和数 据集中器构成。一个子站可以同时向多个主站传送测量数据。 相量测量装置是用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置。 9 m f l i * 但m e坫* p m u 的核心特征包括蛙r 标准时钟信弓的同步柏量测量、失去标准时钟信号的守 时能力、p m u 与丰站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。目前随着信息、通 信等技术的发展，同步相量技术在国内得到了很大发展和广泛应_ 】，逐渐形成r 个新的技术领域。 与远动终端瞽儿、测拧装锭等传统测量设备相比，p m u 的关键在f 相角和功 角的测最，而有效值等龟的测冒则与之无异。这里的相角是指母线电压或线路电 流相对于系统参考轴之间的夹角，某台发电机的功角是指该机发电机内电势与机 端正序电压相量的火角。i 前，啦荚闽家安装的绝大部分p m u 实际上只能测量 榍角，国内部分电嗍安装的p m u 能测量功角。 1 331 相量测量原理 相角测骨原理r 蘑奉uj 分为两大类： 兴是过零检测法”4 ”另类是离 散f o u r i c r 变换法。 ( a l a 过零检0 法 过零检测法用精确的计时器把被测工额信号的过零点和相邻的5 0 h z 标准信 号的过零点的时差记泉下米并转化成角度，就得到相对于标准5 0 h z 信弓的相位。 相当丁 i 测母装鹭内潍汁时器建直周期为2 0 毫秒的时间信号。测量角度时，时 问r 采用秒脉冲m 步。 e 信 削12 树请测节的过零榆测法壕弹圈 如阁12 所示，被测信号过霉时刻分别为f ，和t ，与 时刻相邻的5 0 h z 标准 信号为2 0 im s 时刻。那么，被测信寸r 月怯1 相对丁标准信号的角度为 e ：! 坠r )( 1 1 ) t ，“f 、 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 行采样，设每个周期采样n 点数据，得到采样值序列： x i ，x 2 ，h ) ，经离d f t x ：鱼兰矗p 一，等 (12)n 智“ 、7 篓 = 三 ；1 考 茎 c - 渤 发电机内电势和机端电压正序相量之间的夹角称为发电机功角【3 4 1 ，是表征 要记录数据。功角测量原理上也可分为两大类：一类是电气量估计法【5 1 1 ，另一 根据发电机内电势和机端电压及阻抗关系，利用发电机参数( 如局，配，e 等) 浙江大学硕士学位论文绪论 方向分