电力系统频率监测管理系统.ppt

适用于智能电网的电力系统频率监测信息管理系统PowerSystemsFrequencyMonitoringNetworkApplicabletoSmartGrid 肖登明教授上海交通大学电气工程系 2013年9月 研究背景国内外研究现状FNET的基本原理FNET的主要功能基于FNET的应用 一 研究背景 研究背景 十二五 规划纲要强调要进一步扩大西电东送的规模 发展特高压 大容量 高效率 远距离的输电技术 依托先进技术 推进智能电网的建设 大区电网的互联使得电网结构更加复杂 分布地域更加广泛 元件种类更加繁多 动态行为 如超低频振荡 振荡传播 暂态电压不稳定等 也更加复杂 电网正面临越来越多新的挑战 运行的稳定性分析和监测也显得越来越重要 研究背景 我国电力系统长期沿用的是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 随着智能电网建设的深入 现有的技术将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 要求有新的技术方法和新的技术手段 研究背景 上世纪90年代 基于全球定位系统 GPS 的同步相量测量单元 PMU 研制成功 PMU是用于进行同步相量测量和输出以及进行状态记录的装置 主要的功能包括 实时采集电力系统各节点相角信息 实时记录电网运行状态 通过PMU 使得运行人员能够直接看到系统的运行状态 为系统状态估计 故障分析以及潮流计算等都提供了新的研究思路和方法 研究背景 但是PMU成本过高 大规模推广难度较大 PMU造价不菲 必须安装在高电压等级的输电网中 通常安装在500kV主变单元内 安装成本高 需要建设专用的数据传输通道 基于此 美国田纳西大学的刘奕路教授提出建立一个基于互联网的低成本的广域频率监控网络 FrequencyMonitoringNetwork FNET 二 国内外研究现状 国内外研究现状 FNET始于2000年 初衷是建立一个低成本 高精度 实时同步并具有广泛适用性的电力系统广域频率监控网络 FNET目前由美国田纳西大学刘奕路教授 IEEEFellow 负责和主持 于2003年11月在弗吉尼亚理工大学启动 并于次年7月在美国12个地点安装了频率扰动监测装置 FDR 并挂网运行 取得了良好的效果 目前已经有接近200个FDR广泛分布于美国及全球各地 实现了对北美地区电网频率和相角的实时监控 为电网的安全稳定发挥了重要的作用 国内外研究现状 图1 北美地区FDR分布图 国内外研究现状 图2 2013年3月10日由FNET测得的北美地区频率梯度图 国内外研究现状 图3 2013年3月10日由FNET测得的北美地区相角等位分布图 国内外研究现状 FNET的特点 高精度的频率 相角 电压等电网运行数据的采集 高速互联网桥接 数据可视化展示 安装便捷 直接接入220 380配网即可实现数据采集 可以像家用电器一样即插即用 无需额外的安装费用 成本低廉 安装地点灵活选择 布置迅速 调整方便 扩展性强 适用范围广 国内外研究现状 相比于PMU组建的广域测量网 FNET有以下几点优势 采用了新的设计思路和算法手段 大幅降低成本 PMU需要通过电压互感器从高压端采集信号 FDR不需要 直接接入低压配网即可实现对频率数据的采集 省去了安装费用 功能设置比PMU更加丰富 不仅能监测系统频率 还能监测相角 电压的变化 FDR的测量结果比PMU更加准确可靠 更能实时连续的反映系统频率的变化情况 国内外研究现状 a PMU经过滤波处理后的数据 b FDR采集的原始数据图4 FDR与PMU测量得到系统频率对比 不存在截断误差 国内外研究现状 国内目前的研究仍停留在采用PMU来构建广域实时动态监测系统 清华大学电机工程系1997年在黑龙江东部电网安装了7个PMU 山东电网从2005年开始在省内九个500kV变电站内安装了PMU 并采用北斗卫星导航系统为PMU提供授时信号 评价 未能实现高速的网络互联 缺少一个高效的中心管理系统 在功能上主要作为故障录波器使用 没有达到对电网运行状态进行广域在线实时监测的目的 我国目前尚没有高校 科研机构或电力部门对FNET展开系统性研究 国内外研究现状 FNET自从在北美地区投入运行以来 已实现对多个电力故障的监测与分析 使人们首次看到了系统的动态行为 认识到了以往所没有的现象和规律 运行经验表明 FNET能准确定位系统频率扰动故障 在监测和解读电力系统震荡起到独特的作用 目前已开展第二代FDR的研制工作 以期进一步提高频率测量的精度 消除测量电压等级下的噪声干扰 三 FNET的基本原理 FNET的基本原理 FNET的物理构架框架 现场采集单元FDRs 信息管理系统IMS FNET的基本原理 物理框架 频率扰动监测装置 FDR 组成部分 电压传感器低通滤波器模数转换模块 D A GPS接收装置数字信号处理器通讯模块 FNET的理论依据 物理框架 频率扰动监测装置 FDR 技术参数 北美额定频率为60Hz情况下采样频率达1440Hz 频率计算误差不超过 0 0005Hz 50Hz或60Hz额定频率自适应 滤波装置自动匹配 FNET的理论依据 物理框架 频率扰动监测装置 FDR 安装方式 FNET的理论依据 物理框架 FNET信息管理系统IMS 采用基于多层客户端 服务器的构架模型 便于建摸 协调和集成频率采集处理和展示功能 IMS服务器需要能够支持4种角色 互联网客户服务FDR通讯功能数据库运行Web服务 FNET的理论依据 物理框架 FNET信息管理系统IMS 功能 动态数据展示 数据集成 数据挖掘 特点 采用多层客户端 服务器构架有助于软件的开发 保证数据交换的完整可靠 灵活方便的增删新的数据单元 FNET的理论依据 构架 数据传输通道 采用互联网Internet作为数据交换的通道 保证了高速性 可靠性 以及快速接入的特点 通过互联网即可实现对频率数据的访问 针对我国电网的特殊国情 可以采用电网公司内部局域网作为数据传输通道 也可开发无线模块进行数据传输 FNET的基本原理 FNET的软件框架与数据流向 四 FNET的主要功能 FNET的主要功能 总体概述 频率是电力系统最重要的参数之一 电力系统许多保护和控制需要准确快速评估区域系统频率 它也被常规地用于发电机的控制和管理 频率的快速准确测量是电力传输系统操作的基本要求 FNET是一个实时 连续 复合的频率测量和控制系统 通过Internet网络的高速数据传递 实现对电力系统频率的动态监测 FNET的主要功能 解读全局频率动态信息频率信息在不同的区域电网之间并不共享 因此 观察和解读电力系统全局的频率动态信息通常很难实现 通过FNET获取的实时同步的广域频率信息给电力系统当局和运行人员提供了一个窗口 任何地方都可以获取准实时的系统频率特征 从全局角度出发 使用广域频率将有助于研究电力系统的动态特性 FNET的主要功能 扰动事件检测和事后故障分析在系统频率扰动过后 FNET采集的信息能被用于事后分析 这可以帮助解答诸如此类的问题 发生了什么事 为什么会发生 将来怎样避免再发生 当停电发生时 如此详细的频率信息将用于追查停电的发源地和停电顺序 FNET的主要功能 解读电力系统震荡区域间震荡和涉及频率摆动的典型扰动是复杂的物理现象 由于系统的复杂性 系统动态和震荡特征仍然难以解读 在监测和解读电力系统机电震荡的模式和结构方面 FNET能起到独特的作用 FNET的主要功能 FACTS设备的协调与控制对柔性交流输电 FACTS 设备的控制不应仅仅局限于采用电压控制和使用来自本地的监测信号 来自远处测点的信号 比如偏远地区的发电机组 也是我们在FACTS控制中所关注并应予以考虑的 其中频率的动态特性就是其中的关键参数之一 因其能用于对发电机的出力控制 即使FACTS设备位于震荡监测的盲区 FACTS也能根据来自其他地区的频率监测信号做出恰当的反应 FNET的主要功能 辅助广域电力系统稳定装置 PSS 的控制PSS的目的是减少或者限制区域震荡 在瞬态过程中控制功率的有效途径是采用闭环控制回路的远程信号来抑制震荡 通过FNET 控制器可以设计成依据本地和远程信号来动作 从而更加有效的抑制区域间系统震荡 FNET的主要功能 改善区域控制偏差 ACE 的计算方法通过采集多点频率信号 FNET可以用于提高区域控制偏差的计算精度 尤其是当系统正在经历某些扰动 使得频率在不同点 甚至是在一个相对较小的系统里出现差异时 FNET的作用尤其明显 进一步地 我们可以利用改善过精度的ACE设计出更加优化的减载方案 使系统能更快的恢复正常供电 FNET的主要功能 加速电网系统恢复和故障定位电网恢复期间 系统可能解列成几个孤岛 由于大扰动后电力系统是否会形成孤岛无法提前预测 因此在电网恢复期间加强各续存系统的监控显得尤为重要 快速而准确的确定大型输电系统的故障位置是在系统恢复过程中关键的第一步 FNET的定位程序可以使用跟踪扰动并具有GPS时间戳记的FDR数据来准确定位停电区域 FNET的主要功能 加强FDR PMU和SCADA之间的数据融合未来各测量系统数据间的融合能进一步增强FNET的实用性 每一种测量方案都有一些其它方案所不具备的特点 因此 分步建立一个合并了每一个测量方案优点的系统就能大大加强系统的动态可观测性 从而设计出最优化的控制方案以减少系统事故 五 基于FNET的应用 基于FNET的应用 总体概述 根据响应时间范围 可以将基于FNET的应用分为实时应用和非实时应用 实时应用是指在接收数据后的做出响应时间为秒级甚至次秒级 非实时应用对响应时间的要求则灵活得多 FNET定义基于快速缓冲存储区中的数据运行的应用为实时应用 而基于任何其它存储的数据运行的为非实时应用 基于FNET的应用 频率监测平台 在左边列表中选择单位并双击 则单位名称 它的IP地址 连接状态以及动态频率曲线就显示出来 窗口的下方是以Access数据库的格式显示的数据 数据栈右侧窗口显示的是FNET实时应用记录的一天开始以来所发生的事件 基于FNET的应用 频率监测平台 频率监测平台是一种实时应用 监测平台不仅是FNET系统诊断的重要因素 也是可以把FNET系统升级成运行接口的平台 从而在将来集成为控制中心 电力系统健康状况将以实时的方式与运行人员交互以便人为介入 预防事件级联扩大 基于FNET的应用 检测频率扰动事件 电力系统频率变化总是反映了发电与负荷的不平衡 FNET事件触发模块通过连续扫描FDR的记录来检测系统内的频率扰动 FNET的扫描窗口计算10秒宽度内数据的导数 当计算结果超过预设限值时 则说明电力系统发生了频率扰动 然后事件触发模块自动给运行人员发送一个报警信息 并记录扰动前15秒到扰动后20秒内的数据 并用这些数据做出频率曲线图 基于FNET的应用 算法说明 基于FNET的应用 检测频率扰动事件 电力系统频率变化总是反映了发电与负荷的不平衡 FNET事件触发模块通过连续扫描FDR的记录来检测系统内的频率扰动 FNET的扫描窗口计算10秒宽度内数据的导数 当计算结果超过预设限值时 则说明电力系统发生了频率扰动 然后事件触发模块自动给运行人员发送一个报警信息 并记录扰动前15秒到扰动后20秒内的数据 并用这些数据做出频率曲线图 基于FNET的应用 检测频率扰动事件 2011年9月8日美国 墨西哥发生大停电事故 系统内超过4 3GW的发电能力退出运行 影响的居民总人数超过500万 基于FNET的应用 频率扰动事件定位 频率扰动事件发生之后 触发模块即时响应 同时事件定位模块也立即启动 事件定位的实现方法是基于抵达时间差 TDOA 的几何三角算法 在不同的测点 频率扰动的到达时间是不同的 我们可以通过印有GPS时标的FDR数据来确定故障发生的时间 地点 基于FNET的应用 算法说明 当故障事件发生时 FDR监测点的位置和扰动信号的波前到达时间都是已知量 故障发生的位置 xe ye 以及故障发生的时间点te是未知的 故障信号的传播速度v也是未知量 图7 牛顿算法示意图 基于FNET的应用 算法说明 图7 牛顿算法示意图 基于FNET的应用 算法说明 图7 牛顿算法示意图 联合求解以上公式即可得到故障点的地理位置信息 xe ye 以及故障发生时间te 基于FNET的应用 频率扰动事件定位 2007年8月6日北美地区的一次切机甩负荷事件 红圈是估算的位置 其坐标是 39 05 81 86 而实际的坐标是 38 51 81 89 事件期间估算的电力损失为1037MW 实际上是1298MW 基于FNET的应用 频率扰动事件定位 由于事件位置和测量点之间的电气距离与几何距离是有差异的 因此存在一定的测量误差 但从实际运行情况来看 该方法已经证明是非常有效和准确的 从电网运行部门获得电网的电路图和模型是特别难的 如果能够获取这些信息 那么FNET事件定位模块就能改善坐标精度 提高定位准确性 基于FNET的应用 区域间震荡触发 电力系统震荡是FNET重点关注的研究对象 可能与系统内的切机和甩负荷事件息息相关 为此 FNET系统创建了一个单独的通道来处理系统震荡数据 得益于FNET采集到的高精度信号 FNET可以从相角和频率两方面对电力系统震荡进行监测 基于FNET的应用 区域间震荡触发 2003年发生在佛罗里达州的一次区间震荡的频率和相应的相角记录 事件期间总的频率偏差大约是0 34Hz 总的角度偏差接近99度 基于FNET的应用 区域间震荡触发 震荡触发模块扫描传入的数据记录当出现以下判据时FNET判定系统发生震荡 相角上下震荡的幅度超过一定的阈值 相角上下震荡的最大值与最小值只差超过阈值 FNET是如何判断系统内出现了震荡 基于FNET的应用 区域间震荡模态分析 当震荡触发模块收到震荡数据后 区间震荡模态分析模块开始自动进行处理 采用的方法 矩阵约束法 Thematrixpencilapproach 不受噪声干扰为精确的模态分析分解重构系统信号 通过共享数据确定来自不同监测位置的主震荡模式 并计算出主震荡的的振幅和相角 绘出区域间震荡图形 基于FNET的应用 区域间震荡模态分析 柱的颜色表征所在测量点的震荡角度方向柱的高度与震荡强度成正比 基于FNET的应用 区域间震荡模态分析 从图中可以看出 美国东部电网被分割为两块 系统震荡从东北和西北地区朝东南地区传播蔓延 通过对FNET采集到的数据进行分析 可以看到三个地区都有剧烈的震荡发生 表明这几块区域电网阻尼效果较差 基于FN