（电力系统及其自动化专业论文）基于wams的电力系统失步检测技术研究.pdf

a bs t r a c t t h eo u t - o f - s t e pp r o t e c t i o no ft h ep o w e rs y s t e mi sc a r r i e do u tt h r o u g ht h e o u t o f - s t e pp r o t e c t i o nr e l a y g e n e r a l l y , a f t e rd o i n gs o m eo f f - l i n ea n a l y s i s ，t h e o u t - o f - s t e pp r o t e c t i o nr e l a yw a si n s t a l l e di nt h ep o s s i b l eo u t - - o f - s t e pi n t e r f a c e b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s w h e ns y s t e mo s c i l l a t i n g ，b a s e do nt h em e a s u r e d i n f o r m a t i o na n dt h es e tc r i t e r i o n ，t h e o u t o f - s t e pp r o t e c t i o nr e l a yd e t e r m i n e s w h e t h e rb e i n ga s y n c h r o n o u so s c i l l a t i n g ，w h e t h e rt h ec e n t e ro fo s c i l l a t i o ni so n t h el i n eo ft h ee q u i p m e n t ，t h e nd e c i d e sw h e t h e rt os p l i tt h es y s t e m t h em e t h o d o fd e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e ds e p a r a t i o ni ss t i l li n c o n f o r m i t yw i t h t h e r e l a y p r o t e c t i o n f o rt h ec o m p l i c a t e d i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m ，t h em e t h o d g r a d u a l l ys h o w s t h el i m i t a t i o ni nt h es u i t a b i l i t yo ft h ec r i t e r i o na n dt h e c o m p a t i b i l i t yo fe q u i p m e n t s w a msc a nc a p t u r et h ei n f o r m a t i o no ft h es t e a d ys t a t ea n dt h ed y n a m i cs t a t e i nt h ew h o l en e t w o r ka n dt h es a m et i m ef r a m e ，p r o p o s e sn e wp r o s p e c tf o rt h e c o n t r o l l e ds e p a r a t i o n w h e nt h ep o w e rs y s t e ml o s e ss y n c h r o n o u ss t a b i l i t yb e c a u s eo fd i s t u r b a n c e ， r e g i s t e r sa st h en e t w o r kl a c e r a t ei nac u ts e t ，i ti sc r i t i c a lc u ts e t ，t h et w o t e r m i n a l p h a s e a n g l ed i f f e r e n c eo ft h eb r a n c ho ft h ec u ts e ti sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，a n dt o b eu n b o u n d e d b u ti ti sv a r y i n gi nl i m i t e dr a n g ew h e ni nt h en o n c r i t i c a lc u ts e t t h ep a p e ru s e st h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no fd e s t a b i l i z a t i o nm o d e la n d c r i t i c a lc u ts e t ，p r o p o s e sam e t h o do fd e t e c t i n go u t - o f - s t e po n l i n e ，u s i n gt h e s i m u l a t i o nt o o lo fp s a s p ，t h em o d e lo f3 6n o d e ss y s t e mo fm a c h i n ec e p r l 8 a n dc h e c k o u tp r o g r a m ，v e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m c o n s i d e r i n gt h e p o s s i b i l i t yo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ep a p e rb u i l d sa no u t - o f - s t e pp r o t e c t i o n s c h e m eb a s e do nw i d ea r e ai n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：o u t o f - s t e pd e t e c t i o n ；c r i t i c a lc u t s e t ；s y s t e mi s l a n d i n g ；w a m s i i i 国网电力科学研究院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得国网电力科学研究院或其它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了 谢意。 研究生签名： 国网电力科学研究院学位论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权国网电力科学研究 院研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1引言 随着电力工业的发展，电力系统的规模日益扩大。电力系统进入了高电压、 大机组、大电网时代。目前我国电网已逐渐发展成为跨区域互联的大规模高压、 交直流并存的复杂系统。大电网具有明显的优越性，例如可以合理的开发与利用 能源，节省投资，降低运行费用，减少系统的备用容量，增加供电的安全性和可 靠性等等。但是电网互联在带来显著经济效益的同时，也对电力系统的可靠性及 运行管理水平提出更高的要求。大电力系统发生事故，特别是发生稳定破坏事故 和不可控的恶性连锁反应时，将引起大面积和长时间的停电灾难，从而造成巨大 的经济损失，例如2 0 0 3 年8 月1 4 日美加大停电波及5 0 0 0 万人口的供电，造成重 大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。世界各地发生的大停电，引起广 泛的社会关心，反映现代社会对可靠供电的依赖性。 电力系统常见的故障是功角稳定破坏，稳定破坏后的失步状态可能在系统中 引起电流和功率的严重振荡，给电力设备造成冲击，甚至发展为大范围停电。为 此，我国将防止稳定破坏作为系统故障时的第二道防线，在系统中普遍设置了各 种防御稳定破坏的安全稳定措施。但是即使采取了各种提高稳定的措施，在极端 严重和多重故障情况下，仍不能够保证稳定不致被破坏。因此当稳定破坏时，必 须迅速采取措施消除电力系统的失步状态。消除失步状态的控制通常是作为防止 稳定破坏控制的后备措施。如果系统稳定破坏而出现失步状态，则由消除失步状 态的控制来及时消除这种状态，以减小系统的损失。众所周知，系统在异步运行 状态时可能通过危险的大电流，最大值出现在两侧电动势相差1 8 0 。时，其值可能超 过短路电流。失步振荡还可能损坏机组轴系，输电干线的中间节点的电压降低将 使所接负荷的运行被破坏。此外，电压的摆动还可能引起多机系统的低频谐振， 还有可能由两频率的振荡发展为多频率的振荡【l 】。 1 2 失步解列概述 将系统按失步的断面解列运行是简单有效的消除异步运行的方法，也是世界 各国电力系统广泛采用的方法。我国也普遍采用了这种方法。但这种方法可能损 里塑皇查型兰堡壅堕堡主堂垡丝壅 失一定的负荷( 通过解列断面的负荷) 。特别是较复杂的系统，解列不恰当可能造 成较严重的损失。 系统解列后各部分可能出现的功率不平衡，应采用频率或电压紧急控制，使 其迅速恢复正常运行。对于多频率振荡，一般难以直接实现再同步，而须进行解 列。某些条件下，可以考虑先解列部分系统，使之成为两频率振荡，再考虑实现 再同步或解列。 对失步解列控制的要求主要有三点：对失步检测的技术要求、对失步解列时 间的要求以及解列点的选择【2 1 。 ( 一) 对失步检测的技术要求 ( 1 ) 失步检测的选择性：区别失步状态与故障，特别是转换性故障；区别 失步振荡和同步振荡；区别被监视断面的失步状态和外部失步状态。 ( 2 ) 检测时间短，从而可以快速实施解列以平息振荡。 ( 3 )对失步状态的灵敏性。 ( 二) 对失步解列时间的要求 消除失步状态的方法与失步状态允许的时间有关。有些电力系统不允许失步 运行，在失步时尽快解列系统。这种解列可以在失步的第一周期进行。但电力系 统在一定条件下是允许短时异步运行的，人们可以利用此短时间提高失步判据的 可靠性以及选择性，甚至在某些情况下实现系统再同步。我国一些大电厂经远距 离超高压输电线接入系统时就采用了失步分级控制，如二滩电站接入川渝电网， 阳城电厂接入华东电网，后石电厂接入福建电网，都采取分三级控制，即第一级 ( 一个振荡周期) 切一台功率最大的机组，第二级再切一台功率较大的机组，第 三级才考虑解列电厂。 系统短时允许异步运行时间，一般情况下不大于1 5 秒到3 0 秒。短时间对应 于火电厂实行再同步，长时间对应于水电厂再同步。即使完全不考虑再同步，也 应允许异步运行不少于约5 秒。 ( 三) 对失步解列点的选择 解列点通常是失步断面，但也可根据需要，再其他更适当的地点解列，解列 断面通常应满足以下两点要求： ( 1 ) 解列后各孤岛能保持同步稳定性。 ( 2 ) 各孤岛尽可能供需平衡，即存在静态稳定运行点。 2 第一章绪论 1 2 1 传统失步解列判据介绍 解列装置中所采用的判据通常是基于反映失步状态的参数变化，例如测量点 的电压、电流及相角的变化；监视断面两侧的电动势相位差的变化；测量点的视 在阻抗的变化或者输出功率的变化。需要说明的是，所有这些反应参数变化的判 据都是根据两机等值系统推导而来的，如图1 1 所示。也有一些装置是基于系统发 生的事件，如系统发生特定的故障，某些特定联络线或断路器断开。当然，这需 要大量的离线仿真分析以确定解列的必要性以及选择合适的解列点。下面给予具 体介绍。 e l f l u au 咐 图1 1 两机等值系统 e 2 f 2 基于相位角的失步解列判据 该判据将电压与电流的相位角矽在0 3 6 0 。的4 个象限划分为6 个区。根据失 步过程相位角的变化规律来判别失步【3 】。当振荡中心落在装置的正反方向时，相位 角有不同的变化规律，所以该判据可以有效的判别振荡中心的方向【3 1 。目前工程上 基本淘汰了方波比相等方法，采用缈= a r c t a n ( q p ) 来计算相位角。 利用u c o s 伊变化规律的失步解列判据 该判据以等值两机系统为基础，利用振荡中心u c o s q 的变化规律来判断失 步【4 1 。对于两机系统而言，u c o s q ，反映了振荡中心处的电压，其与功角万存在着 确定的函数关系，因此可以利用u c o s f p 的变化来反映功角艿的变化。作为状态量 的功角是连续变化的，因此在失步振荡时振荡中心的电压也是连续变化的，且过 零；在短路故障及故障切除时振荡中心电压是不连续变化且有突变的；在同步振 荡时，振荡中心电压是连续变化的，但不过零。因此可以通过振荡中心的电压变 化来区分失步振荡，短路及同步振荡。但是该判据不能判断振荡中心的位置，需 1 国网电力科学研究院硕士学位论文 要其他辅助判据。另外，该判据假定线路阻抗角为9 0 。，但实际线路的阻抗角是小 于9 0 。的。因而需要角度补偿。 利用两端电动势相角差的失步解列判据 该判据利用模拟电压的方式获得两侧电动势相角差，然后根据相角差求得滑 差s = a s g t ，检查万与s 在相平面上的位置，来判断系统处于异步振荡，还是同步 振荡。需要注意的是，短路时电压相位角也可能急剧变化，须采取措施误判别。 一种措施是短路时将检测装置闭锁；另一种是利用艿的变化速度来区别，短路时万 是突变的，而失步时万的变化速度是有限的。当然，有时也可以将两种措施配合 起来使用。 基于阻抗循序变化的失步解列判据 当异步运行时，在监视点测量的阻抗( 输入阻抗) 不断变化，利用阻抗轨迹 的变化规律可以区别同步振荡和异步振荡，通过阻抗变化速度可以区分短路情况 和异步运行。考虑到测量阻抗在重合闸或转换性故障时可能跳跃变化，容易和异 步运行混淆，解列装置多采用多级阻抗循序动作来来检测异步运行【5 】。 以国网南京自动化研究院研制的s b j i a 型失步解列装置为例，其判别元件就 是采用新型阻抗循序判别方式的失步继电器。在阻抗平面上依据阻抗角分为6 个 阻抗圆区域，当系统失步振荡时，根据测量阻抗变化的特点( 加速还是减速) ，识 别其轨迹是否依次通过6 个区域( 正向或反向) ，据此判断是否失步。该种判据不 足之处在于只有当装置安装的线路处于振荡中心时，测量到的动态特性才比较理 想。另外，该判据在定值整定上也比较困难。 1 2 2 传统失步解列控制的协调 随着互联电网的规模越来越大，网络结构越来越复杂，对失步解列要求也越 来越高。分散配置、依靠就地量的失步解列装置越来越不能适应电网的发展要求。 特别是各个地区的失步解列装置的大量应用，解列控制的协调就成了突出的问题。 目前国内使用的协调配合方法都是就地的，主要有以下方法： ( 一)同一站多回线的动作逻辑f 6 1 双回线路：采用二取二或二取一出口逻辑： 不同方向的线路：解列振荡中心在正方向的线路，如果本站处于振荡中心， 则指定优先解列的线路，该线路解列动作时闭锁其他线路。 4 兰二兰堕堡 ( 二) 不同站的区域划分 区域阻抗圆：电力系统振荡时，测量点母线电压和电流周期变化。当两侧电 势夹角增大到1 8 0 0 时装置测量到的阻抗为装置安装处到振荡中心的阻抗，此时， 母线电压最小，这一最小值由装置安装处到振荡中心距离确定。利用该特点，可 以知道振荡中心距装置安装处的远近，从而确定解列装置的保护范围。 电压包络线最低值：对于失步后的电力系统，当振荡中心确立后，系统各点 的最低电压值就可以计算出来。振荡中心处的电压包络线最低值为零，离振荡中 心越远，包络线的最低电压也就越高。也就是说可以通过设定最低动作电压就可 以确立装置的动作范围。而且包络线的最低电压出现在1 2 振荡周期时刻，这个电 压的检测在先，失步振荡周期判断在后，检测包络线电压的最低值不会影响失步 振荡周期的判断。 ( 三) 失步振荡周期整定 类似线路继电保护的动作一、二段延时配合。可以利用整定失步振荡周期次 数来取得装置之间的选择性。但上述方法只能满足振荡模式较简单的系统，对于 复杂系统很难同时满足快速性和选择性。 1 2 3 基于本地量的解列装置的局限性 电力系统失步后的解列是通过安装于系统中的失步解列装置来完成的。人们 事先通过大量的离线分析计算，根据分析结果将失步解列装置安装在系统可能的 振荡失步断面上。当系统发生振荡时，失步解列装置根据就地的量测信息和设定 的解列判据判断系统是否发生了异步振荡，失步中心是否落在装置所在的线路 上，然后确定是否动作以解列系统。这种设计解列控制措施的方法依照的仍然是 继电保护的思路，其关键技术是：完善的失步判据，不同安装点解列装置动作的 配合方法及防止各种情况下误动作的闭锁措施。依照上述方法设计的解列方案主 要存在以下几个问题【7 】： ( 1 ) 判据仅能反映一类或几类失步特性，多数判据不完善，本身就存在问 题。在复杂电力系统中解列装置整定困难，例如由于低压减载装置的作用，导致 基于u c o s o 的解列判据有时不能满足低压定值的条件而拒动，不能半息振荡【8 】。 ( 2 ) 实际系统中多套解列装置难以相互配合。 ( 3 ) 由于实际电力系统复杂多变，失步情况与离线计算结果并不一定完全 s 里旦皇垄型兰翌壅堕堡主兰垡笙奎 符合，因而预先设定的解列点并不一定合适。 ( 4 ) 几乎所有的失步判据都是基于等值两机系统推导而来，对于多频率失 步振荡，目前的方法在判据及解列点的选择上都将失效。 另外，电网正常接线方式下出现一l 或某些一2 事故时，系统失步振荡中心 的位置一般落在联络线及附近，所配置的解列装置能够正确动作。但是系统事故 往往并不按人们设想的方向发展，例如由于气候的原因主干线相继跳闸，由于保 护误动作一回线故障同时跳了两回、三回线路，或者由于母线检修单一故障发展 为多个元件跳闸等，这些事故导致电网拓扑结构发生较大变化，振荡中心落在主 网内部的可能性就很大。一旦振荡中心落在了主网内部，因为主网内部不可能预 先设置解列点，而联络线离振荡中心电气距离又较远，联络线两端的失步解列装 置因不能满足动作条件而不会动作，将会使事故进一步扩大。 1 2 4 主动解列控制策略介绍 针对传统失步解列系统在判据及协调方面存在局限性的问题，有学者指出： 解列控制作为一种针对系统的保护，其设计应当从系统的角度出发，利用高速通 信手段整合分散的异步解列控制系统，通过实时、全面、主动地监控系统状态， 在发生大的扰动时及时发现系统中的失步机群，动态地确定解列点和各解列点的 动作时序，以防止事故扩大。并据此提出了一种基于在线决策、协调并集中控制 的方式，称为主动解列【1 0 】。其实质是当系统受到大干扰后，求解一组解列点的组 合方式。文献【1 1 1 2 提出了“搜索加校验的求解思路，将主动解列策略的求解问 题归结为在原始策略空间中寻找满足简单约束的候选解，首先将电力系统拓扑为 一个有向加权图，并根据电力系统的特点加以合理简化，然后利用有序二元决策 图( o r d e r e db i n a r yd e c i s i o nd i a g r a m ) 搜索方法寻找满足简单约束的候选解，最 后采用校验的方法从候选解中选出满足复杂约束的可行解。整个策略的求解过程 如图1 2 所示，其约束主要包含以下几点： ( 1 )同步约束：即必须把异步机群分配到不同的孤岛上，这是孤岛保持同 步稳定的必要条件。 ( 2 ) 功率平衡约束：要求解列后的各孤岛必须满足发电和负荷的基本平衡。 ( 3 ) 静态稳定约束：要求解列后的各孤岛能够找到合理的潮流解，即能够 找到稳定运行点。这一约束实际包含了上一条约束，不同的是，该约束强调了孤 6 第一章绪论 岛传输容量的约束以及无功平衡问题。 图1 2主动解列控制决策过程 ( 4 ) 暂态稳定约束：这一约束在两个阶段发挥作用，首先是预报系统失稳 到孤岛形成，然后是孤岛形成到过渡到合理的稳态运行点，这个阶段孤岛必须保 持暂态功角稳定及暂态电压稳定。 ( 5 )易于恢复：要求选取那些形成孤岛数目比较少，跳开线路交换功率比 较小，孤岛电源和负荷功率差额尽可能小的解列方案，以便使系统更加容易快速 恢复。 1 3 论文的背景、意义和所作的工作 电力系统的稳定控制是系统性的问题，在设计和实施由检测故障形态而触发 动作的紧急控制系统时，人们通常希望通过简单化和就地化来提高控制系统本身 动作的安全性和可靠性，但这往往以牺牲系统稳定控制的准确性和适应性为代价。 一般情况下，区域电网稳定控制系统都不可避免的由安装在若干厂站的控制装置 通过通信通道连接而成。而长期以来，作为第三道防线的解列控制一直通过离线 计算预先决定解列点和解列的动作条件，依据就地信息决定装置动作时间己突显 出各装置之问缺乏协调的问题。要实现现代大电网的自适应解列控制，就必然要 7 旦塑皇垄型堂塑塑堕堡主兰垡堡茎 引入全局性的信息、系统化的设计、集中决策与分散控制相结合的实现方式【1 3 j 。 主动解列策略从理论上讲能实现电网的自适应解列控制，但是该策略假定每一条 线路都有被断开的可能，不可避免的随着系统规模的增大而遭遇组合爆炸问题。 另外，根据该策略，控制中心需先判断系统所处的警戒程度进而来决定解列控制 是否必须。这相当于在线暂态稳定评估的一个延伸，也是一个具有相当难度的问 题。因此从目前实际工程角度考虑，短时问内无法在实际系统中运用。无论如何， 引入广域信息来解决解列控制问题已在学界当中达成共识，随着计算机技术和现 代通信技术的日臻完善，已在国内外多个电网成功运行的广域测量系统( 关于广 域测量系统的更详细介绍将在下一章给出) 为解决这个问题提供了契机和手段。 本文正是在这一方面做了一点工作，可归纳如下： ( 1 ) 介绍了基于就地信息的传统解列控制的特点并分析了其局限性，指出引入广 域信息的必要性。 ( 2 ) 利用广域测量系统提供的实时相量数据，主要是节点电压相角数据，给出了 在线检测系统失步的方法，为实现基于广域信息的解列控制提供了前提条 件。并以电力系统综合分析程序p s a s p6 2 4 为研究工具，c e p r i8 机3 6 节 点系统为研究模型，验证了方法对检测两群及多群失步的有效性。 ( 3 ) 从工程角度出发，提出了一个基于w a m s 的现实可行的系统解列方案。 3 第二章广域测量系统( w a m s ) 及其应用 2 1引言 广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) 是以同步相量技术为 基础，以电力系统动态过程监测、分析和控制为目标的实时监控系统。w a m s 具 有异地高精度同步相量测量，高速通信和快速反应等技术特点，它非常适合大跨 度电网，尤其是我国互联电网的动态过程实时监控1 4 1 。 国外w a m s 技术的研究和开发可追溯到1 9 9 0 年以前，1 9 9 5 年美国已有工业 化的相量测量装置( p m u ) ，1 9 9 9 年提出w a m s 概念。2 0 0 3 年“8 1 4 ”美国大停 电事故推进了w a m s 的建设，并促进w a m s 应用研究成果向工业领域转化。 2 0 0 0 年以前，我国主要进行相量测量技术的研究和p m u 试验装置的开发； 2 0 0 0 年以后，我国研制出满足工业环境要求的p m u 和数据集中系统( 主站) ，多 个网调和省调纷纷建成了w a m s 。w a m s 应用技术的研究也成为当前国内各大院 校和研究机构的热点。 我国从开始阶段就特别重视w a m s 的标准化工作，这利于未来多个供应商的 不同p m u w a m s 可以方便互联。在国家电力调度通信中心的领导下，北京四方 继保自动化股份有限公司，中国电科院，华北电力设计院和国内各大区电网公司 共同参与，2 0 0 3 年3 月颁布了电力系统实时动态监测( 控制) 系统技术规范 ( 试行版) 。规范已i e e e1 3 4 4s t d 为基础，根据我国实际情况补充完成。其通 信协议与i e e e1 3 4 4s t d 。完全一致，使国外的p m u 也可以接入我国主站系统。规 范还补充了w a m s 子站和主站的通信流程和方式。此后，华北、国调中心和东 北电网w a m s 的工程实践证明规范有效保证了国内外厂家p m u 的数据共享。 2 0 0 4 年l o 月，规范完成第一次修订，此次修订进一步明确了相角和发电机内 电势的概念，它使各p m u 设备不仅在通信协议上方便互联，在数据内容和物理意 义上也保持一致，对进一步制定p m u 的检测标准具有重要指导意义。规范明 确要求相量测量装置优先接入测量t a 回路，以电网动态过程监测为主，暂态过程 记录为辅，把相量测量装置和故障录波器严格区分开。由于国内已经建成若干 w a m s 主站，规范补充规定了w a m s 主站数据交换的协议和内容，对构建全 国w a m s 联合动态监测系统提供了参考。 9 国网电力科学研究院硕士学位论文 本章首先介绍w a m s 的体系结构以及p m u 测量原理及其在实际电网中的配 置情况，然后介绍其在稳态以及动态监视方面的一些应用。目前实际开发的高级 应用也仅仅限于分析监视方面，而将w a m s 引入控制来提升系统的整体性能已在 学界达成共识，因此本章最后又对当前广域控制研究的一些热点及难点问题作了 初步的介绍。 2 2 广域测量系统( w a m s ) 介绍 2 2 1w a m s 的体系结构 现代电力系统对广域测量及防御提出的改进要求包括从静态到动态范畴，从 定性到定量，从离线到在线，从保守到最优，从确定性的观点到风险的观点，从 局部孤立的观点到全局协调的观点，从简单故障场景到复杂相继故障。为此，需 要在动态数据采集，广域数据平台，网络通信和应用软件等方面采用先进技术， 确保二次系统的开放性和信息的可靠性。电网的动态行为要用同步采样的相量来 描述，基于卫星授时的p m u 成为新型w a m s 的基础。 s c a d a 系统侧重于监测系统稳态运行情况，测量周期通常是秒级，而且 s c a d a 数据不带时标，不同地点之间缺乏准确的共同时间标记。与之相比，w a m s 提供的广域数据的特点为：带有统一时标的高速采样；可提供瞬时值及相 位值；高速的数据传输：可提供暂态或动态响应。w a m s 将各广域量的时间 断面对齐，可得到完整的系统动态曲线，既可用以校核模型和参数，也可以从中 提取关于电能动态质量和系统动态安全的各种信息。 不妨将基于p m u 数据的w a m s 系统看作是基于远程终端单元( i 汀u ) 数据 的s c a d a 系统的扩展，包括在空间中覆盖更广的地域，在时间的不同尺度上监 控系统的动态，以及在功能上整合原先孤立的二次系统。p m u w a m s 的快速采样 通信能力也可服了继电保护管理系统和故障录波器的采集点有限及事后分析的局 限【1 ”。下面给出w a m s 系统的基本结构如图2 1 所示【1 6 】：中心站层是p m u 信息 的收集中心，负责对各个分站的p m u 数据集中收集、管理、综合分析。中心站的 地理位置可以是调度中心或其它责任部门。分站层是p m u 数据的分中心，主要负 责对其所属p m u 装置信息收集工作，以及响应中心站发出的各种控制命令。分站 的地理位置可以是各变电站或发电厂。 1 0 蔓三兰苎型墨墨竺! ! 竺坚璺! 垄茎壁旦 图2 1 中分站与各个p m u 装置之间的数据连接设备是相角数据集中器 ( p d c ) ；p d c 是整个广域测量系统中的一个节点，源于各个相角测量终端或p d c 的相角数据集合起来，然后用于其它应用。p d c 通过时标和样本号将相关相角数 据联系起来，从而生成大系统的同步测量数据集。p d c 与p m u 装置的通信方式以 以i e e e1 3 4 4 c 3 7 1 1 8o v e rt c p i p 为主。 图2 1w a m s 总体结构 分站到中心站的通信采用了s p d n e t 的连接方式来实现；分站向中心站传输数 据的模式分为两种，“自报式”和“召唤式：p m u 装置实时数据的传输模式为“自 报式，即分站p m u 装置如有实时数据，则主动向中心站上传p m u 的实时数据； p m u 装置录波数据的传输模式为“召唤式 ，即由中心站下发召唤某个分站p m u 装置的录波文件命令后，分站才将所召唤的录波文件上传到中心站。图中g p s 授 时系统为整个系统的时间基准，实现全网时标统一，以此来精确同步联网系统内 中心站和每个分站中所有入网的p m u 装置的时钟，时间精度可以达到l 胛。 2 2 2p m u 的测量原理 p m u 的关键在于相角和功角的测量。这里的相角是指母线电压或线路电流相 国网电力科学研究院硕士学位论文 对于系统参考轴之间的夹角，某台发电机的功角万是指该机g 轴与系统参考轴之间 的夹角。目前，欧美国家安装的绝大部分p m u 实际上只能测量相角，国内部分电 网安装的p m u 能测量功角。 相角测量原理上基本可分为两大类：一类是采用过零检测法【1 7 1 ；另一类是傅 立叶变换法。过零检测法的原理是：利用g p s 提供的秒脉冲信号，对测量本装置 中的本机晶振信号进行同步，建立标准的5 0 h z 信号。在c p u 内，对过零点打上 时间标签，并求出其相对于标准5 0 h z 信号的角度。采用g p s 技术构成全网统一 时钟后，借助于通信手段，还可得到不同地点交流量之间的相角差。由于g p s 提 供的统一时间精度可达微妙级，理论上同步参考相量的相角精度为0 0 1 8 0 ，即使考 虑了各种测量误差后，相角测量精度实际上也可以控制在1 0 范围内。在硬件上， 过零检测法a d 转换器必须有较高的分辨率【他】，理想目标是2 2 。过零检测法的 实质是每周期采样一次，所以数据采集周期为0 0 2 s ，下发命令周期应为毫秒级。 傅立叶变换法的测量精度优于过零检测法，但它需要的数据采样点远远多于后者， 且要经过一些列运算才能得到最终效果，在耗费c p u 资源的同时，还将影响c p u 的反应时间。所以，对测量精度要求较高的情况可考虑选用傅立叶变换法。 对于某台发电机而言，只要能够确定该机q 轴与其端口电压之间的夹角，加上 端口电压与系统参考轴之间的相角p ( 可以通过相角测量获得) ，即可获得万，功 角测量原理主要有以下两种： 问接测量法：通过测量发电机出口的电气量，按照同步发电机的方程计算 得出功角。这种方法受发电机数学模型和参数误差的影响较大，如果采用 的是稳态方程则显然只能用于稳态情况。 直接测量法：直接测量发电机的转速或大轴位置，从而确定发电机的功角。 直接测量法比间接测量法测量精度高，但实施困难。大部分采用直接法的 功角测量都需要停机安装，而且需要空载启动，实施更加困难，如何获得 q 轴位置是难点。文献【1 9 】提出了一种新型直接测量方法，在确定q 轴位 置方面有所突破，该方法不需要设置测量探头，尤其避免了在发电机内部 安装探测组件，降低了方法的工程实施难度；不需要停机，不需要在发电 机每次大修或冈意外事故停机后对初始功角进行校正；测量设备可以在发 电机运行过程中的任意时刻启动，在对系统进行调校的过程中不会对正常 带来影响。 1 2 第二章广域测量系统( w a m s ) 及其应用 2 2 3p m u 的布点 现代互联电力系统的规模很大，对每个节点都配置p m u 不仅不经济而且毫秒 级的海量数据也会造成存储上的技术压力。关于p m u 的布点问题国内外已有很多 研究，多数以稳态监视为中心，如用最少的p m u 使系统潮流方程可解或保证状态 估计的可观测性等。其中，文献【2 0 】将p m u 的配置问题归结为多目标规划问题， 其中一个目标为p m u 的数目最小，另一个目标是故障后( 某条线路停运) 系统的 观测冗余度最大，并采用遗传算法求取该多目标规划问题的帕累托( p a r e t o ) 最优 解，取得了较好的效果。p m u 另一个重要的应用在于电力系统动态监视，如文献【2 1 】 按照所有动态响应间的相关性最小且动态响应所包含的总信息量最大的思想来配 置p m u ，并应用于电力系统动态监视系统。文献 2 2 1 根据扩展等面积准则稳定性 理论中的主导模式概念，将所有的发电机划分为不同的同调群，在每个群中选择 一台发电机安装p m u ，以捕捉关键的功角动态信息，同时利用暂态电压稳定和暂 态电压可接受性的概念，识别所有可能出现的暂态电压稳定问题的相邻母线的子 集。在每个子集中选择一条母线安装p m u 以捕捉关键的电压动态信息，取得了较 好的效果。 总的来说，目前p m u 的布点思路不外乎两种：一种是以系统的可观测性为出 发点，一种是以实现某些特定的应用为出发点，比如线路故障定位，电压稳定分 析等。一般来讲，p m u 的配置应能提供系统主要的断面信息、能获得反映系统动 态变化情况的重要线路的状态轨迹、能观测到系统主干网架的动态信息。 2 3 基于w a m s 的高级应用研究现状 2 3 1 稳态监视及模型辨识方面 p m u 可以直接测量所装节点的电压幅值和相角，避免了一般潮流计算或状态 估计的迭代过程，并且测量精度高，可以和现有的s c a d a 量测相结合提高系统 状态估计的精度。文献【2 3 】在s c a d a 状态估计基础上，增加了p m u 量测的附加 量修正方程进行混合黼剧修正方程改骗阱院赳甜其中 ：里塑皇垄型堂堑壅堕堡主堂垡丝奎 蝇，和战分别为配置p m u 的母线电压相量的状态偏差和没有配置p m u 的 母线电压相量的状态偏差。 文献【2 4 】在状态估计一般模型的基础上，建立了部分节点电压相量可测时的状 态估计模型，当p m u 精度较低时，在增加量测冗余度的同时，p m u 所在节点的 电压相量仍然作为状态变量参与迭代；当p m u 精度足够高时，直接将p m u 的量 测值作为状态估计的状态解。 文献【2 5 】提出两种状态估计的方法，一是以e m s 的状态估计为主的混合状态 估计。把s c a d a 和p m u 的量测量混合在一个状态估计方程中进行计算，数值仿 真结果表明，p m u 对状态估计的效果有很大的改善。第二种方法是以w a m s 为主 的状态估计，将电力网络划分为若干个子区域，由p m u 进行监测，各个p m u 所 在的子区域的状态估计是相互独立的。由此，用线性状态估计计算p m u 所在母线 的状态，由传统状态估计方法来估计不可观测母线的状态，进而得到整个系统的 状态估计。但是这些方法都没有考虑到系统在动态扰动时，如何用w a m s 进行状 态估计。随着电力电子设备，高压直流输电装置及电弧炉、调速电动机等非线性 负荷不断被引入电力系统，谐波问题日益严重，文献 2 6 2 7 提出了基于相量测量 的电力系统谐波状态估计方法，将全系统范围内的谐波状态估计问题转化为多个 单母线系统的状态问题，降低了问题的求解难度。 通过w a m s 动态测量与仿真结果的比较分析，可以对数学模型和参数进行辨 识和校核，提供更为准确的数学模型和参数，包括用于稳定分析的元件模型和负 荷模型、用于各种稳定控制的降阶动态模型等，且能离线校验电力系统分析的结 果，提高跨区电网计算分析的准确性。2 0 0 3 年和2 0 0 4 年，在东北电网大扰动试验 中，基于东北电网p m u 纪录的系统动态数据，完成了稳定计算用的负荷模型和发 电机励磁模型等的校验，所取得的结果对提高电力系统计算分析水平具有很重要 的作用f 2 引。 文献【2 9 】提出一种基于同步相量测量的输电线路参数在线测量的方法，该方法 是应用g p s 卫星时钟为同步时钟的p m u 测量线路的电压、电流同步相量，通过 计算得到各序线路参数。 文献【3 0 】提出了一种基于广域信息的负荷建模方法，首先确定负荷节点分类的 特征变量，然后根据各个负荷节点的特征变量，对全系统负荷节点进行分类，建 立系统化而非某单个负荷节点的模型评价与优化指标，最后根据w a m s 提供的量 1 4 第二章广域测量系统( w 八m s ) 及其应用 测数据，优化该类负荷参数，使评价指标最优化。 2 3 2 动态监视与分析方面 在动态方面，较多的研究集中于暂态功角稳定分析，电压稳定与频率稳定监 视，低频振荡监视。 暂态功角稳定分析 目前的暂态稳定快速分析方法主要有直接法和数值积分法两种，w a m s 为这 两种方法的使用提供了信息平台。 文献【3 1 】测量通过测量联络线两侧的功角差，并根据经验数学模型的功角摆动 曲线预测未来的功角值，将其和离线计算策略的失稳功角差进行对比，来判断系 统是否失稳。文献【3 2 】使用自回归( a r ) 方法来预测发电机功角。文献【3 3 】利用多 项式与智能动态修正相结合的方法，实时快速预测发电机的功角，并基于此提出 一种基于相邻实际输出之间差别驱动的t d 算法与具有遗忘因子的改进b p 算法相 结合的混合算法，针对电力系统机电暂态过程存在首摆失稳和多摆失稳等不同的 失稳模式，采用不同结构的预测算法。这些算法基本上都是属于基于经验模型的 功角曲线外推的预测方法，缺乏理论上的证明。 在能量函数方面，文献【3 4 】将联络线两侧的系统等值为双机，基于p m u 测量 联络线两端的功角差，使用e a c 进行稳定预测。文献【3 5 】基于部分能量函数法， 分析多机系统中单机能量，提出用p m u 监测发电机的转速最大值，与离线仿真的 转速门槛值比较决定切机量。但文中没有说明选择控制量的依据。文献 3 6 1 提出基 于w a m s ，使用扩展等面积准则( e e a c ) 的思路快速进行暂态稳定预测。文献 3 7 】 将单机无穷大系统模型( o m i b ) 扩展到多机系统，使用能量函数方法计算系统的 不稳定平衡点( u e p ) 。 时域仿真直接利用电力系统的物理模型，通过逐步积分法来预测系统的运动 轨迹。为了减小计算时间，通常采取了各种简化模型。文献 3 8 】提出分段恒流等效 方法，用系统当前的响应数据来预测未来的稳定性，在发电机角度变化的微小范 罔假定负荷为恒流源，当发电机角度超出限界时，更新负荷的等效恒流源，利用 实测的电压相量作为输入，用解祸潮流计算求解等效负荷电流，用四阶龙格一库塔 法计算发电机转子二阶微分方程。文献【3 9 基于广域量测数据应用参数辨识理论提 出电力系统故障后导纳参数在线辨识方法，研究了电力系统受扰轨迹快速积分预 1 5 国网电力科学研究院硕士学位论文 测新方法。该算法基于实时量测量精确构造实际故障后的动态方程，并快速积分 求解系统受扰轨迹，参数辨识使用系统实时数据，可考虑复杂的连锁故障事件和 不确定的系统拓扑和参数，预测基于故障后系统模型积分，能够反映系统物理本 质，对于经典模型具有理想预测精度。 电压稳定和频率稳定监视与分析 相对于暂态功角稳定问题，静态电压稳定和频率稳定则属于慢动态的范畴， 更易于利用w a m s 信息实现稳定监视和控制。文献【4 0 】利用w a m s 得到各节点电 压相量测量值将系统等值成两节点系统，能快速给出电压稳定裕度，文献 4 1 】以各 节点电压相量测量值作为输入变量，以潮流雅克比矩阵的最小奇异值作为电压稳 定目标，用大量样本训练得到一个模糊神经网络作为电压稳定分类器，输出变量 分为很安全，安全，警戒，危险，很危险等5 种电压安全水平；文献【4 2 】首先利用 w a m s 提供的实测信息辨识出一个用于电压稳定分析的系统动态模型，然后基于 该模型预测系统的电压稳定性。文献 4 3 】以w a m s 提供的节点电压相角差和发电 机无功出力为输入变量，应用决策树快速评价系统的电压安全水平。 低频振荡监视与分析 随着大电网的互联，区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行构成 了威胁。文献【4 4 】基于w a m s 提供的各离散时间点的测量值采用卡尔曼滤波方法 计算系统的机电振荡模式文献 4 5 1 直接将系统线性化状态空间方程离散化，利用 w a m s 提供的各离散时间点的测量值，通过最小二乘法计算线性化状态空间方程 的系数矩阵，进而计算该矩阵的特征根。文献【4 6 】利用p r o n y 方法拟和一个降阶模 型来分析辨识系统低频振荡模式，但应用p r o n y 分析法应注意采样长度和采样时 间问题，过高的采样频率会使拟合结果变差：采样长度一般应包括2 个最低频率 的振荡周期，加长的采样时间会使衰减快的变量无法辨识，使重要信息丢失；另 外由于非线性的影响，在应用p r o n y 分析法用于系统大扰动后的振荡特性分析时， 不能直接从故障后就立即开始采样数据，而应该在大扰动振荡已基本平息时开始 采样数据，这样得出来的结果是基于系统大扰动后稳态工作点上的线性化系统的 振荡特性。 2 4 广域稳定控制的研究现状 随着广域测量系统( w a m s ) 技术的不断成熟与完善，国际电力工程界与学 1 6 星三童苎型量墨竺! 翌竺竺兰! 垦苎查旦 术界公认，将w a m s 应用于大电网的闭环控制以提升整体性能必然是未来电力系 统控制发展的方向之一。 关于基于w a m s 的广域控制，国内外已有许多研究成果，不过大部分成果仅 仅限于理论探索，国际上将w a m s 应用于大电网实际控制中的案例并不多，值得 注意的是以下几个工程：美国b p a 的w a c s ( w i d e a r e ac o n t r o ls y s t e m ) 项目， 用于发电机、电容投切、变压器分接头调节、负荷切除控制，已经完成软