（电力系统及其自动化专业论文）基于发电机同调分群的pmu优化配置方法.pdf

a b s t r a c t p m uc a nc o l l e c ts t a t ei n f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e mw i t l la c c u r a t et i m ep r o d u c e db yg p s t h u si tc a nm e a s u r ee v e r yn o d ed a t as y n c h r o n o u s l y f o rt h ec o n s i d e r a t i o no fe c o n o m ya n d t e c h n o l o g y , i ti sn o tp r a c t i c a lt h a tp m ui sp u ti ne v e r yn o d e s ot h eo p t i m i z a t i o no fp m u a l l o c a t i o ni sr e g a r d e db ym a n ys c h o l a r s t h ep a p e rd i s t i n g u i s h e sg e n e r a t o r sb yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o h e r e n tg e n e r a t o rg r o u pa f t e rf a u l t t h er o t o ra n g l es u r g ec u r v e so fa l lg e n e r a t o r si nt h es a m e g r o u pf i r e s i m i l a r i fe v e r yc o h e r e n tg e n e r a t o rg r o u pa s s i g n sap m uw h i c hr e p r e s e n t st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u p ，t h i sm e t h o dc a l lr e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft o t a ls y s t e mw i t hl e a s t p m u s b a s e do nc o h e r e n c yi d e n t i f i c a t i o nt h e o r y , t h i sp a p e ri d e n t i f i e s g e n e r a t o r s c o r r e l a t i o n a c c o r d i n g t or e a c h a b i l i t yg r a m m i a mo f s y s t e mm o d e l t h em e t h o di sf a s ta n de x a c t ，a n dp r o v i d e s n e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o nf o rg e n e r a t o rc o r r e l a t i o nr e c o g n i t i o n t h e ng e n e r a t o r sa r e g r o u p e db yt h e i rc o r r e l a t i o nu s i n gi m p r o v e dg r a p ht r a v e r s a la l g o r i t h m t h u san o v e la p p r o a c hf o r p m u o p t i m i z a t i o na l l o c a t i o ni sd e v e l o p e d t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s u l to fc o h e r e n tg e n e r a t o rg r o u pi d e n t i f i c a t i o ni nh u a z h o n gp o w e r s y s t e mu s i n gt h ep r o p o s e da p p r o a c hu n d e rt h ec o n d i t i o no fb a s i cl o a d ，s t o c h a s t i cl o a da n d m a x i m a ll o a d o nt h eb a s i so fh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n ga r i t h m e t i c ，t h ec o h e r e n tg e n e r a t o rg r o u p s w i t ha n a l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r eu n i t e di nt h er e s u l to fa b o v ee x a m p l eu s i n gg r o u pa v e r a g e m e t h o d i nt h ee n d ，t h en e wc o m p r e h e n s i v er e s u l to fc o h e r e n tg e n e r a t o rg r o u pi d e n t i f i c a t i o ni s a c h i e v e d t h e ne v e r yg r o u pi sa s s i g n e dap m u s oas c h e m eo fp m uo p t i m i z a t i o na l l o c a t i o ni s o b t a i n e d k e yw o r d s ：p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ( p m u ) ，c o h e r e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，h i e r a r c h i c a l c l u s t e r i n g ，g r o u pa v e r a g em e t h o d 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和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得鑫鲞叁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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爿去椰蠡 签字日期： 狲年p 月) g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘 壅盘鲎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，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲夺例焓 签字日期：6 年8 月谚日 导师签名：丑咄j 、 签字日期：一6 年譬月瑁日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1p m u 产生的背景和意义 我国高速发展的经济对电能的依赖性日益增强。随着全国电网规模的发展， 装机容量的增大，电力工业的重组和电力市场的发展，电网运行方式越来越复杂， 电网的稳定性监视和控制也越来越重要，以s c a d a e m s 及相关的应用软件为代表 的调度监控系统实质上是潮流水平上的电力系统稳态行为监控系统，对于电力系 统的安全稳定运行尤其是暂态稳定是远远不够的。众所周知，相角( 包括发电机 的功角和母线电压相角) 是反映系统稳定性的最主要的状态量，如果它能够被实 时直接测量，不仅能用于调度中心的集中监视和控制，而且能用于分散的就地监 视和控制，提高状态估计的可靠性，更有可能完全实现电力系统的实时自动控制， 解决系统的稳定问题。因此实时精确测量发电机的功角和母线电压相量，将是电 力系统稳定监视和控制的关键技术。 九十年代以来基于全球同步卫星定位系统( g p s ) 的高精度定时技术逐步被 引入电力系统。它可以实时和全天候地为全球任意的接收机提供高精度的三维位 置和时间信息，这使得在电力系统中利用基于g p s 的相量测量装置( p m u ) 实施 相量测量成为可能。 电力系统互联网络的增大，要求控制系统和保护越来越复杂，实时相角测量 系统将会是这些控制和保护装置中所不可缺少的，因此，电力系统实时相角测量 这个课题具有重要意义。由于相角测量涉及到电力系统的监视、控制和保护等诸 多领域，而实时相角测量的实现，将推动电力系统的监视、控制和保护等新方法 和理论的发展，为电力系统的稳定控制和保护开辟新的领域。 通过基于g p s 实时相量测量，可以实时得到电网的状态量，在系统丧失同步 稳定运行之前，根据历史轨迹判断未来轨迹的稳定性，预测失步的出现，并能及 早采取一定的措施避免失步事故的发生，也可以在事故状态下紧急投入控制措 施，防止事故扩大。目前如何在大范围内使用最有效的控制决策已成为电网暂态 稳定控制技术进步的关键，而在实施决策过程中最为重要的是需根据p m u 的测量 结果快速准确地进行暂态稳定预测。预测结果的准确与否，直接关系着控制决策 的实施。 1 1 2p m u 的国内外研究现状 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 由于g p s 以及在此基础上的同步相角测量在系统实时监测和控制方面具有 巨大的潜在应用前景，因而受到各国电力系统和研究部门的高度重视，开发、研 制基于g p s 的相角测量装置( p m u ) ，研究相角测量装置在暂态稳定预测、控制 和自适应失步保护中的应用受到广泛关注。 目前国内外主要是利用g p s 同步时钟技术，一方面进行集中相角的监视和稳 定控制理论方面的研究，即将电压、相角信息上送到调度中心，由调度中心对相 角信息进行处理后，进行相角的监视；在已知相角信息的条件下，应用相角信息 进行暂态稳定的分析和控制。另一方面是基于相角测量装置的试验研究，通过相 角测量装置记录相角信息，对系统的动态行为进行研究。 在美国，i e e e 在电力系统继电保护和控制委员会下，设立了一个专门委员 会( h - 7 ) ，由a g p h a d k e 任主席，专门研究同步相角测量、通讯接口的规则、 推荐的标准和可能的应用等“1 。 美国邦纳维尔电管局的约翰和马林两个变电站配备了由a g p h a d k e 开发的 p m u ，测量数据通过微波以1 2 次秒在4 8 0 0 b s 的信道上送到b p a 实验中心，整 个系统运行得一直非常好。 佛罗里达电力公司( f p l ) 和g p c 的联络线上，于1 9 9 3 年安装了基于同步相 角测量的自适应失步保护装置；南加州爱迪生公司( s c e ) 也正在发展一个同步 相角测量系统的计划，在全网同步时钟基础上具备系统监测、状态估计、事故记 录、分析系统负荷特性，并正在开发其系统控制功能0 1 。 田纳西流域管理局( t v a ) 是个大电力公司，有6 0 0 条主干线，因p m u 价格 因素，经过优化设计，把p m u 放在6 9 条主干线上，通过这些点的电压、电流和 相角测量，可观测到整个系统的状态，他们正在分期实施此方案。 目前，应用p m u 已在电力系统中做了很多试验研究，如短路试验、切机试验 和甩负荷试验、发电机失磁试验、线路的开断试验以及电力系统的模型校验等。 通过p m l j 做的这些试验，使人们首次看到了系统的动态行为，认识到了以往所没 有观察到的现象和规律，并可以利用相角测量来观测事故后的系统动态行为，校 核电力仿真中用的暂态和动态模型。 国内在相角测量方面也有较多研究，电科院、清华大学和河海大学等都已开 展这方面的研究工作，但多是跟踪国外。 1 9 9 5 年，电科院在引进台湾的相角测量装置硬件基础上，自己开发应用软 件，用于监视联络线相角的摆动。这套以g p s 同步相量测量装置为基础的监测系 统在我国南方电网投入运行。南方电网骨干联络线天广5 0 0 k v 线路的相角振荡已 可在电网调度中心实时观测”】。 1 9 9 6 年，清华大学用相角测量装置在动模实验室进行实验研究，并在黑龙 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 江实现了相角测量和相邻点间相角观测，并于2 0 0 0 年进行了黑龙江东部电网区 域稳定控制系统的二期开发阻”。 华北电力大学自1 9 9 4 年开始对相量测量进行研究；1 9 9 5 年研制出了基于g p s 的相角测量装置，于1 9 9 6 年2 月通过专家评审，进入了实验和实施阶段”。 2 0 0 1 年，电科院和台湾欧华科技有限公司联合研制了华东电网多功能功角 实时监测系统，可以监测系统功角摆动，潮流变化，捕捉系统的低频振荡”1 。 相角测量原理上基本可分为两大类：采用过零检测法和离散傅里叶变换法。 安大略电力局、太平洋公司使用过零检测相角测量装置；而h g p h a d k e 博士和 法国电力公司开发的相角测量装置属于后一类。 1 1 3p m u 的技术和性能比较分析 在国内外现阶段已开发的p m u 中，无论硬件装置还是测量原理与算法都有自 身的特点，他们的技术性能比较如下： h g p h a d k e 开发的同步相量测量装置，具有3 0 路模拟输入和3 2 路开关量 输入，输出有显示屏，打印机和4 个串行口。其工作原理是：三相电力线路上的 波形每个周期被采样1 2 次，用递推傅立叶变换提取基波分量，用对称分量法将 三相组合起来产生正序相量，并对应u t c ( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e ) 有 一个绝对的相位“】。 一 a b b 公司研制的r e s 5 2 l p m u ，直接相角测量的精度为0 1 。；清华大学研制的 于1 9 9 7 年在黑龙江电网区域稳定控制系统中投入运行的p m u ，数据通信间隔 l o o m s ，相角精度为r 左右。2 0 0 1 年西安交通大学用a t 8 9 c 5 1 单片机实现了发电 机转子位置测量，测量的精度为l 。左右”1 。 河海大学的样机，采用过零检测法测量发电机功角，c p u 为单片机d s 8 0 c 3 2 0 ， 1 4 位a d ，另由一片单片机d s 8 0 c 3 2 0 负责p m u 与上位机通信，把测量数据封装 成数据祯，通过接口，再经过串行口与以太网的转换，用光纤把数据送到调度中 心。 这些系统的构架大都由各厂站采集装置和主站监测系统组成，即在各发电厂 和变电站放置一定数量的p m u ，实时监测各点的相位，通过电力通信网络传送至 监控中心，由监控中心形成各厂站的相角走势图，期望可以预测各厂站间相角变 化，以便实时处理系统可能发生的不稳定情况。为了实现分散控制，可在系统中 取一参考站相位，传送至各厂站p m u ，各子站根据自己的相位和参考相位便可得 到相对于参考点角度，这个信号可用于当地控制。 1 1 4p m u 研究的发展方向 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对p m u 研究的发展方向主要有两大方面：第一，关于相角测量装置安装地 点的优化配置问题，如果每个节点都安装p m u ，那么可以对整个系统进行 实时监测。但是，由于价格和技术等方面条件的约束，目前乃至相当 长段时间内，不可能在系统的所有节点均装设p m u 。因此，一个配置 p m u 最小数目和最合适位置，以满足最大的数据要求和较大的数据冗余 度的最优p m u 配置问题受到国内外学者的广泛关注。本文将在此方面 做一定研究工作。 第二方面的发展方向是进行集中相角的监视和稳定控制理论方面的研究， 即将电压相角信息上送到调度中心，由调度中心对相角信息进行处理后，进行相 角的监视，且在已知相角信息的条件下，应用相角信息进行暂态稳定的分析和控 制，对系统的动态行为进行研究。 1 2 电力系统的同调发电机分群 随着电力行业的迅速发展，现代大规模电力系统往往包含成百台 发电机、上千个母线。早期在进行电力系统暂态稳定分析时，由于仿 真规模和硬件设备的限制，往往需要对原有的电力系统中具有相似性 质的发电机进行合理的分群处理，在此基础上进行分析计算。基于发 电机同调性的分群方法是比较成熟的分群方法之一。 1 2 1 同调分群的发展过程 所谓同调是指动态过程中部分发电机的动态行为间存在的相似 性，当系统发生故障时，远离故障点的发电机可以根据其动态响应行 为的相似性分成若干群。同调发电机的识别理论是随着动态等值理论 的发展而发展的。 七十年代，美国电力研究院( e p r i ) 提出了同调的概念。在e p r i 早期开发的程序d y n e q 中，通过简化时域线性仿真过程中的转子摇 摆曲线判断同调”1 。这种方法得到了一定的应用，但是在应用过程中 发现，同调机群的判别受扰动地点距离边界节点距离的影响非常大， 因此该方法受到一定的限制，影响了动态等值的通用性。 八十年代初期，开始研究基于奇异摄动理论( s i n g u l a r p e r t u r b a t i o n t h e o r y ) 的缓慢同调识别技术，并被应用于同调机群的判别和动态等 值。该技术综合模态分析和同调分析进行同调发电机群的判别，保留 必要的低频模态。这种方法在近期得到更深入的发展“”。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 3 年o n t a r i o 水利局开发了一个新的e p r i 动态等值程序，即 d y n r e d ，该程序包含了d y n e q 中的方法和缓慢同调的方法。 1 2 2 同调发电机分群识别方法的分类 同调发电机分群的识别方法大致可分为四类：第一，经典方法：在特定事故 情况下通过时域仿真直接比较发电机的转子角判定同调机群；第二，状态矩阵方 法：通过直接分析系统线性化模型的状态矩阵判断同调；第三，特征值分析法： 通过分析系统振荡模式的特征值和特征向量进行判别。第四，扩展等面积法：采 用扩展等面积法对不同动态场景的仿真结果进行挖掘，再进行同调机群的划分。 1 。3 本文主要工作 现代电力系统的主要特征是大机组、高电压、大电网，运行技术复杂、管理 水平要求高。严重的扰动可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性后果。 由于基于g p s 的同步向量测量装置p m u 能够高精度地直接测量测点的电压和相 角，所以其作用日益突出。如果在全网所有的母线都配置了p m u ，那么全系统不 需计算就可达到完全可观测，将大大改善电力系统的监测水平。但由于经济和通 信方面的约束，现阶段还不可能全部配置p m u 。从而，如何能够保证暂态稳定性 分析的要求下优化p m u 配置的数量和位置成为我们努力的方向。 综上所述，本文以保证满足暂态稳定性分析为前提的p m u 配置的最小数目和 最佳位置为目标。在系统线路发生一个或多个三相短路故障时，根据潮流数据、 网络参数和故障位置，计算出系统的可达性格纳姆矩阵，并由此判断发电机的相 关性，根据同调发电机的识别原理分成若干群。以华中电网为研究对象，分别根 据基态潮流数据、最大潮流数据及多组截断正态分布的随机潮流数据进行分群计 算，再对各个故障和参数下的分群集合采用聚类分析理论分析，得到一个新的分 群结果。在每个群中配置一个p m u ，从而能够监测整个群的动态特性，最终达到 监测整个系统的暂态稳定性的效果。 为了更好的进行说明，本文在结构上首先介绍p m u 的原理和用途，又对电力 系统的同调发电机分群理论作了介绍，其中包括应用电力系统模型的可达 性格纳姆矩阵进行发电机相关识别，然后将聚类分析的理论作了介绍， 并对计算方法进行性能比较。最后采用分层聚类法中的类平均法对分 群结果进行聚类分析。并以华中电网数据( 1 8 2 机15 0 2 节点) 为算例 进行说明。 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 2 1 引言 第二章p m u 的原理及应用 由于相量的实时同步测量使得人们能实时地看到系统的动态行 为。这必将使电力系统的监视、保护和控制提高到一个新的水平。因 此，各国电力公司都在研究对策，积极增加p s u 的数量，开展多种试 验研究。相量测量可以在电力系统可观测性、状态估计、静态稳定的 监视及暂态稳定的预测等方面发挥很大的作用。近年来，国内外学者 对基于g p s 的同步测量单元做了比较深入的研究，在前人工作的基础 上，本章将对p m u 的原理、功能以及在电力系统中的应用做一简单介 绍。 2 2p m u 的相位测量原理及方法 2 2 1 g p s 技术及其在相量测量中的作用 全球卫星定位系统( g p s ) 具有高精度，全天候，全球覆盖，连续实 时等诸多优点，已渗透到各应用领域，且已取得了明显的经济效益和 社会效益。g p s 是美国于1 9 9 3 年全面建成并运行的新一代卫星导航、 定时和授时系统。g p s 系统由空间系统、地面监测系统和用户定位设备 三部分组成，g p s 由2 4 颗卫星组成星座，他们均匀分布在6 个轨道平 面内，在距地球大约一万英里的高度上每1 2 小时绕地球一周。g p s 的 工作频率大约为1 5 g h z ，以载码的形式向地面发射信号、速度和时间 信息。它传递的时间在地面监控站的监控下能与国际标准时间保持高 度同步。目前，g p s 已被广泛应用于电力系统的相量测量、系统故障定 位和继电保护等领域。 在相量测量中主要是利用g p s 高精度全球统的时标给信号加上 一个绝对的时标。g p s 地面装置接收由g p s 卫星同步到全球统一时间的 l p p s ( 每秒钟脉冲数) 脉冲信号，这个信号可以被分频成更小的时钟 信号，用来作为采样的触发信号。g p s 秒脉冲信号的误差在1 p s 以内， 这样，对于电力系统所使用的5 0 h z 工频信号，相位误差在0 0 1 8 。以内， 能够满足分析的精度要求。g p s 时标的应用一方面保证了进行比较的信 号是在同一时刻采集得到的，另一方面将所有的电压信号放在同一个 6 天津大学硕士学位论文第二章p i v l u 的原理及应用 绝对时间轴上。由于分散于各地的p m u 所采集都是带有g p s 时标的相 量值，在调度端服务器上统一到相同的g p s 时标，就可以实现各相量 之间的同步，从而保证了实测相角的同步性“1 。 g p s 在相量测量中的作用如下： 1 高精度的同步时钟源：将全网的时钟进行统一，保证各厂站端 传送到调度端进行比较的是同一时刻的信号； 2 提供了一个全网统一的同步旋转坐标轴，保证测出的相角是基 于相同的坐标轴。 2 2 2p m u 的相位测量原理 p m u 的相位测量原理可分为两大类：一类是采用过零检测法，另一 类是离散傅立叶( f o u r i e r ) 变换法“”。 2 2 2 1 过零检测法 过零检测法的硬件实现比较容易，可将三相交流信号直接输入一个 过零比较器中，把正弦波变为方波，输入测量c p u ，使得c p u 利用方波 的上升沿很容易检测到正弦波的过零时刻。如果需要三相信号的正序 分量，可以在比较器前加一个正序变换电路。 过零测量法用精确的计时器把被测工频信号的过零点和相邻的标 准5 0 h z 信号的过零点的时差记录下来并转化成角度，就得到相对于标 准5 0 h z 信号的相位。这个标准5 0 h z 的信号由g p s 时钟来同步提供， 全网一样。相当于由测量装置内部计时器建立周期为2 0 毫秒的时间信 号。测量角度时，时间上1 s 同步一次。如图2 - - 2 所示( 以电压测量 为例) ，第个测量点被测电压过零时刻分别为，和，。，与f ，时刻相邻 的标准5 0 h z 信号为i 2 0 m s 时刻。那么，被测电压此时刻相对于标准 5 0 1 t z 信号的角度为： o ：羔生( 2 0 t - t j t l + l - t s 此时的角度为绝对角度，其中和t 。的单位为m s 。同样，在t 时刻 参考电压相对于标准5 0 h z 信号的角度为，那么被测电压相对于参考 电压的角度可表示为： 口一0 = p o - o , o ( 2 2 2 ) 7 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 _ 。_ 号 电压 图2 2 过零测量原理 过零测量方法简单，硬件上容易实现，但此方法前提是假定系统的 频率是稳定不变的，而实际系统中电压频率是波动的。并且由于谐波 影响可能使得电压波形畸变，这时过零测量就会造成误差，应用离散 傅立叶变换提取出电压波形的基波分量计算出相位就比较科学。 2 2 2 2 离散傅立叶变换法 离散傅立叶变换法可以在交流信号含有谐波的影响时把基波提取 出来，它在每个周期( 采样窗口) 内对交流信号进行采样，计算出对 应于当前采样窗口的基波相量，傅立叶变换后的各次谐波相量包含幅 值和相位。节点交流信号经低通滤波器、a d 变换器进入c p u ，由傅 立叶变换得到三相电压相量，根据对称分量变换得到其正序分量。模 拟电力信号经a d 被转换为数字信号，例如，对于测量电压值，利用 被测量的采样值进行d f t 算法，基波频率分量计算如下： x ：生争x k e - j k r 争 ( 2 2 3 ) 篇 其中r 而工：h ，是一个周波内的采样序列，n 是一个周期内总 采样次数，三相相量r x 。、x 。、x 。，其正序相量为： x l = ( x 。+ a x 6 + a2 x 。) 3 ( 2 2 4 ) 其中口：p 与 实际应用中，为避免频率发生混叠，输入模拟信号须经过一个低通 8 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 滤波器，滤掉高频成分。式( 2 2 3 ) 中的基波相量是与计算它的那个 数据窗口相对应的，其参考基准是k = 0 时刻采样，随着数据窗口的 移动就出现一个新的采样点，同时也计算出一个新的相量。用g p s 同 步每一次采样点，就可得各个测量单元的每一个相同时刻相位。 2 2 3 发电机功角测量方法 发电机功角定义为发电机内部感应电势和发电机端电压之间的 相位差，对于多机系统，功角6 则为发电机内电势之间的相位差。由 于功角是表征发电机运行工况的一个重要参数，也是稳定判断的依据， 所以准确的测量发电机的功角是科研和生产运行的需要。发电机功角 测量有两种方法：间接测量法和直接测量法。 2 2 3 1 间接测量法 间接法就是通过已知隐极发电机的电抗x 。或凸极发电机电抗局 和x 。，实时采集发电机的端电压和端电流再利用发电机的模型计算功 角。如对于隐极发电机，忽略阻尼绕组和定子电阻，可采用以下模型： 童g2 d + 皿d ( 2 2 5 ) 其中：屯一一发电机内电势；一一发电机定子端电压； ，：型s i n 6 xd q = e x q u d c o s 8 u x 2 ： 其中p 一一有功功率；q 一一无功功率；址一直轴同步电抗； 6 一一功角。整理可得： 踮7 麦 其中x j 为已知常数， 发电机的功角。 p 、q 、u 都由p m u 提供，从而可求出隐极 这种方法在实际应用中误差比较难以控制，即使采用诸如f f t 之 类的信号处理手段也不能消除那些暂态分量引起的误差。这一点在暂 态过程中更加明显，而此时测量精度恰恰要求最高，可见这种方法存 在着致命的缺点。同时，由测量量计算发电机转子位置时也用到了发 9 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 电机的参数，参数的精度对测量精度的影响比较大，并且在实时监测 过程中，由于这种方法响应速度慢，需要较大存储容量，从而限制了 该方法的应用“”。 2 2 3 2 直接测量法 发电机功角6 的另一个物理意义可表示为不计定子漏磁时的主极 磁场和气隙合成磁场两者在空间的夹角。直接测量法就是利用转子位 置与空载电势在相位上的对应关系，用转子位置信号代替空载电动势 进行相位的比较。方法很多，常用几种如下“”1 ： ( 1 ) 闪光灯法 在被测试的同步电动机的轴上装一个金属圆盘，在圆盘上画上与被 测试电机的极对数相同的明显的标记。当电机运行时，用闪光灯照射 圆盘，闪光灯的电源来自被测试电机的端电压，并将闪光灯置于同步 档。 ( 2 ) 相位计法 在被测电机的电枢槽口安装几匝细导线作为d 轴位置的测量绕组， 其极距应与该电机原有绕组一样，以便获得空载时电势西的信号。将 测试电机的端电压【，经过移相器和空载电势e 。的信号一起送到相位 计。当电机空载运行时，调节移相器，使相位计的指示为零，电机带 负载后相位计的读数即为功角艿的值。 ( 3 ) 数字式功角测量仪 目前功角的测量使用较多的是数字式功角测量仪，这种方法是在电 机轴上装一个投射式或反身式的光电圆盘，盘上均匀分布的孔数或黑 白相间的标记块数与电机的极对数p 相等，当圆盘随同步电机作同步 速旋转一周时，光电二极管产生代表电势的矩形脉冲，当电机空载时， 通过调相机调节机端电压u 的相位使它与厶同相。当电机带负载时， 输出的脉冲宽度折算成的角度即代表功角的大小。实际上是通过获得 机端电压与其空载电势过零点的时间差，然后转换成相应的角度即功 角，与相位计法测量有点相似。 发电机的功角测量方法还有很多，如位置传感器法、光电传感器法、 光孔检测法以及光电测速传感器法等。 2 2 4p m u 的通信方式 理想的电网实时监控系统，一般有三个主要组成部分：( 1 ) 基于g p s 1 0 天津大学硕士学位论文第二章p i v i u 的原理及应用 的相量测量系统，利用g p s 全球定位系统实现全网相量同步测量：( 2 ) 实时的数据传输通信网络，将广域的测量结果实时地传输到控制中心： ( 3 ) 中央决策系统，集中完成对测量数据的处理、运行状态分析、控制 命令生成等任务。所以，利用实时数据传输系统，将通过广域测量得 到的p m u 数据实时传输到调度中心，是正确计算电网运行时的安全稳 定极限、提高安全稳定水平、保证电网多发电发好电的技术基础。为 了实现对电力系统进行实时控制，各地厂站的测量数据必须在极短时 间内传输到调度中心，尤其是在对系统的暂态稳定进行自动控制时， 要求系统必须在3 0 5 0 m s 内完成p m u 数据的测量和传输工作，并在对 测量数据进行分析处理后，生成将控制命令即时下发到执行端，全部 控制动作的完成周期必须严格地限制在3 5 个周波内。所以高效的通 信网络是达到电网实时监控的有力保障“。 r t u 或m o d e m 的通信方式是p m u 发展前期的通信方式，虽被很多稳定 监测系统所采用，但通信时延大、通信过程中误码率高的缺点已不能 满足大系统监测水平的需要。目前，电力线通信，特别是光纤网络的 发展已经为p m u 网络的构建打下了良好的通信基础，速率可达2 m b s ， 为满足实时性要求，克服数据传输的延时和拥塞问题，考虑采用全光 纤通道及以太网和异步传输模式相结合的方式，可使测量子站每2 0 m s 发送一次数据到达中心站，并能够解决多点对一点的通信问题。 2 3p m u 在电力系统中的应用 p m u 可以在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点 的实时稳态动态信息，这些信息在电力系统稳态及动态分析与控制 的许多领域( 如潮流计算、状态估计、暂态稳定分析、动态模型辨识、 故障定位、线路参数测量等) 都可能有用，给大规模互联电力系统的运 行和控制提供了新的视角“”。 2 。3 1 稳态分析 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，并且其测量精度较高，可以和现有的 s c a d a 系统相结合提高系统状态估计的精度。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 0 提出了基于相量测量的电力系统谐 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 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 母线系统的状态估计问题，降低了问题的求解难度。 2 3 2 动态模型辨识及模型校正 在对电力系统的数字仿真中，需要建立系统各元件的数学模型。由 于电力系统是个动态系统，许多数学模型难以通过现场进行验证，数 学模型中参数的有效性值得怀疑，而动态仿真的准确度和可信度是由 模型和参数的有效性决定，所以模型、参数的准确性影响了数字仿真 分析计算的精度和数学模型的应用范围。相量测量提供了一种验证数 学模型和对其进行参数估计的有力工具，可用以估计发电机参数。 另外，电力系统负荷模型的研究仍是一个重要课题，负荷的动态和 静态特性对系统的稳定性产生很大的影响，但由于负荷组成的复杂性 和多变性，要在计算中精确模拟负荷的特性、特别是动态特性是很困 难的：而采用基于g p s 做为时钟的p m u ，同步测量的精度很高，是一种 更加科学的现场实测方法。如果p m u 广泛分布于系统中，就可得到更 加理想的数学模型。 2 3 3 故障定位及线路参数测量 在进行各种电力系统分析和计算时，输电线路参数一般是假定已 知的，这些参数的准确性对计算结果有重要影响。输电线路参数一般 在设计规划时给定，线路投运后受气候、环境变化等影响会有所改变， 因此在线实时测量线路参数很有意义。根据p m u 提供的线路两端的电 压和电流相量与线路参数的关系即可方便地计算输电线路的各种参 数。故障定位系统对保持电力系统正常运行、快速排除故障有重要意 义。 故障定位的方法主要有阻抗法和行波法两种，阻抗法在原理上不 能排除故障过渡电阻的影响，而行波法不受过渡电阻的影响。无论采 用阻抗法还是行波法，采用输电线路双端量测量的方案在理论上都明 显优于仅采用单端量测量的方案。p m u 的发展使同一时标下精确的双端 测量成为可能，从而可以大大提高故障定位的精度。文献 2 1 提出了 一种基于p m u 的自适应故障定位方法，其基本思想是利用p m u 获得的输 电线路实时电压、电流相量在线辨识出线路参数，并采用一种改进的 离散傅立叶变换提取暂态电气量中的基频分量，从而消除线路参数变 1 2 天津大学硕士学位论文第二章p i v l u 的原理及应用 化、测量误差和随机干扰对故障定位精度的影响 2 3 4 暂态稳定分析 传统的暂态稳定分析方法大致分为三类：直接法、数值积分法和 模式识别法。直接法是基于l y a p u n o v 或p o p o v 稳定定理的能量函数法。 它将扰动后的系统看作初态下的自治系统来研究其稳定性，通过计算 扰动发生时刻的能量函数以及稳定边界来判定系统暂态稳定情况。其 优点是暂态稳定判别速度比较快，所存在的问题是能量函数构造困难。 数值积分法通过求解电力系统机电微分方程组和网络代数方程组，计 算发电机功角的变化趋势，判断系统的稳定性，它的主要问题在于计 算时问长。模式识别的方法不需建立系统的数学模型，直接从样本中 寻求状态参数与稳定性或稳定指标问的映射关系。这种方法的速度很 快，但是如果设计不当，可靠性将大打折扣“。 p m u 的出现为暂态稳定分析提供了一个新的条件：在分析中可以使 用多个节点的同步数据，且这些数据均是实时测得的，具有较高的可 信度和精度。主要产生了两个方面的影响：( 1 ) 出现了些针对原有模 型和方法的改进和简化措施，这些措施使原有方法在速度或者准确性 上得到了提高。( 2 ) 给暂态稳定分析方法带来了新思路，主要表现在对 功角运行轨迹的预测和估计方法上。 ( 1 ) p m u 在直接法中的应用 在直接法中，基于等面积法则的暂态稳定分析方法是目前广泛使 用的方法之一。这种方法原理简单、计算速度快，在现有的硬件水平 上完全可能达到实时应用的要求。美国f 1 0 r i d a - - g e o r g i a 联络线的暂 态稳定控制是该方法目前实际应用的一个例子。但该方法在实际应用 中也存在着一些问题和局限，如对于由三机以上构成环网结构的电力 传输网络难以应用、发电机出力和该侧实际负荷波动情况的不确定性、 线路的参数的不确定性等。由于p m u f i 够提供传输线两侧电压相角的同 步采样值，可以同时掌握多台发电机的功角，这些都为等面积法则的 应用创造有利条件。 和其他直接法相比，等面积法则法突出优点是速度快，但是该方 法有赖于正确识别临界机组群。由于临界机组群在故障发生后的暂态 过程中具有相同的功角变化趋势，利用p m u 对功角同步采样数据，再加 上对发电机功角相对变化的趋势的分析，可将功角变化趋势相近的发 电机合并成一台等效发电机组群，以此识别故障时的临界机组群。 天津大学硕士学位论文第二章p m u 的原理及应用 直接法具有快速的特点，对于系统的全局暂态稳定控制来说，直 接法仍是最有发展前景的。利用p m u 的同步数据将有利于提高直接法的 准确性和计算速度。 ( 2 ) p m u 在数值积分法中的应用 数值积分法利用系统网络方程和发电机机电方程计算功角的变化 趋势，预测功角在未来一段时间内是否会超出范围，从而判断系统的 稳定性。传统的暂态稳定分析数值方法对于功角变化的计算已经有了 相当深入的研究，这类方法的精度高，不仅可以判断首摆失稳，还可 以判断多摆失稳，但是这些方法计算量大，只适合离线计算分析使用。 在线分析时需要对这些方法做局部简化或者改进，以达到实时分析的 目的。p m u 也为传统的数值积分法的改进提供了可能。例如，在解决数 值计算模型中变量太多的难题时一般采用的分段负荷地电流法，可在 一定的时间段内固定负荷电流的变化，适应计算速度的需要。该方法 使用p m u 测量的数据对模型计算的结果进行判别，当误差超过某数值 时，重新计算负荷电流，这样可以节约时间，加快稳定判断速度。 ( 3 ) p m u 在模式识别方法中的应用 模式识别法通过对各类典型运行方式下系统的特征值进行分析，依 据各种故障类型下特征量的分布，离线制定系统暂态稳定分类判据， 得到系统暂态稳定性的判定方法。p m u 的同步采样数据具有较高的精 度，可以利用系统发电机同步功角和节点电压相位信息来作为特征量， 制定决策表。同时利用p m u 在线测量功角数据，经过简单计算，然后查 表判断暂态稳定性。 2 4 小结 本章首先介绍了g p s 技术及其在相量测量中的作用，它具有高精度、 实时性等特点，基于g p s 高精度授时的相量测量装置在电力系统中的应 用，使全网相量同步测量成为可能。 p m u 的相量测量方法主要有过零检测法和离散傅立叶变换法两种， 发电机相角的测量方法主要分间接测量法和直接测量法，文中分别对 这些方法一一做了介绍，同时对他们的特点作了分析比较。 本章着重介绍了p m u 在稳态分析、故障定位及线路参数测量等方面 的应用，并重点阐述了p m u 对电力系统暂态稳定分析的影响。 1 4 天律大学硕士学位论文第三章电力系统同调发电机的分群 3 1 引言 第三章电力系统同调发电机的分群 所谓同调，是指动态过程中部分发电机动态行为间存在的相似性。 发电机的同调性反映了机组摇摆时功角曲线之间的相关程度心”。当系 统中发生故障时，将发电机可以根据其动态响应行为的相关性分成若 干群，在基于发电机同调识别的分群方法中，其关键点就是故障条件 下动态响应行为具有相关性的发电机群的识别，也即同调发电机的识 别。 3 2 定义及基本概念 3 2 1 相关发电机的定义 如果发电机状态满足 l e 【。，m a x ，】a 占i ( f ) 一4 6 ( t ) i - ，s d ( 3 2 1 ) 则发电机f ，_ ，是相关的；类似地，如果一群发电机彼此之间是相关的， 则这群发电机是相关发电机群。式中，如果s = 0 ，发电机是完全相关 的；如果s 0 ，则发电机是一相关的。 从定义可以看出，完全相关的发电机实质上就是系统受扰后，其转子角的响 应曲线是完全一样的。而在实际情况中，这是不存在的。所以。通常我们只是考 虑b 一相关性。 3 2 2可达性集合和格纳姆 考虑如下的系统模型 戈( f ) = 彳x o ) + 8 u ( t ) ，x ( 0 ) = 0 其中“( f ) 满足 ( 3 2 2 ) 跏( 圳j 2 七2 ( 3 2 3 ) 因为a ，b 是两个定常矩阵，所以模型( 3 2 2 ) 被称为线性定常 系统。对于线性定常系统，一个很重要的概念就是可达性状态集合。 所谓可达性状态集合就是对于每一个分段连续的输入信号甜( f ) ，系统 1 5 天津大学硕士学位论文第三章电力系统同调发电机的分群 最小维数的状态响应子空间。根据线性系统理论”，在【0 ，f 】中，可 达性状态集合可由下式给出： t 吣l = 叫了，【o ，r 】，x = 丘p 。( 1 一) b u ( t ) a t ，0 “( f ) d t _ k 2 在f 时的可达性状态集合为： 巴= 卅工= f e a ( f - t ) b u ( ，) a t ，f ) | 2 西k 2 ) 以上两式反映了系统模型中输入信号和状态之间的关系，即反映 了系统在受到故障扰动后，状态变量x 的变化情况。但是实际上如果真 正利用式( 3 2 4 ) 、( 3 2 5 ) 来取得s 【o ，l 和s ，是不容易的，我们可以 通过系统模型的可达性格纳姆来建立一种与之等价的关系来表达& 。，t 1 和s ，。 根据线性系统理论，考虑线性定常系统在t 时的格纳姆可定义为 2 7 】 w 2 丝r e a , b b r e a * l d t 它是一个实对称、正半定矩阵。将其酉对角化，得 矿2 础2 u 7 ( 3 2 7 ) 其中三2 = d z 昭b ；，盯：2 盯，2 ，0 o j 仃；盯；盯；是砰的实特征值，u 的列 是相应的特征向量。 孵的平方根可定义为 暇些历u 7 ( 3 2 8 ) 其中三= d i a g c