广域测量技术在电力系统中的应用
广域测量技术在电力系统中的应用
摘要：阐述了广域实时动态监测系统对电力系统安全稳定运行的重要性，介绍了该系统在国内外的工程应用情况，概述了子站、主站和通信系统的结构及功能，探讨了广域动态监测系统面临的问题，展望了广城动态监测系统的发展方向和在电力系统中进一步的应用前景。
关键词：电力系统；广域测量系统；相里测量单元；全球定位系统应用广域网动态测量(Wide Area Measurement System，简称W AMS)技术可以在同一时间参考轴下获取大规模的电力系统实时动态信息和稳态信息，为电力系统的运行和控制提供了新的途径和方法。
电网动态安全监测系统是由同步相量测量单元(Phasor Measurement Unit，简称PMU)、高速数字通信设备、电网动态过程分析设备的有机组合体，是近年来发展起来的一项新技术，被称为电力系统三项前沿课题之一。
采用PMU技术能方便地实现相量测量、扰动监测，可直接反映系统的各种扰动，检测和记录电力系统的非常运行状态，将现有的监测由静态提高到动态水平。可实现动态电网安全稳定预警，最早时间内实现预先调整，最大程度地减小事故范围，是加强电网监测、提高安全预警能力和趋势分析的重要手段，同时也可为能量管理系统(EMS)、计算分析软件等提供实时数据，从而提高系统监测的实时性，为电网的安全稳定运行和电力市场服务。
1 WAMS在国内外的应用情况
20世纪90年代初期，基于全球定位系统(GPS)的相量测量单元PMU的成功研制，标志着同步相量技术的诞生。美国NYPA(NewY orkPowerAuthority)于1992年开始装设相量测量装置，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。
1995年，在美国能源部的支持下，广域电网监测系统/动态运行监测系统在美国西部电力联盟(WSCC)投人试运行，19%年8月10日美国西部大停电事故的数据在2min内就得到了分析，对恢复供电给出了准确的指导。此外，美国还运用W AMS技术进行负荷模型校正和系统振荡模式研究等。对系统模型的改进主要是通过W AMS系统记录故障信息，通过离线分析、计算，比较实测曲线，滚动修改模型。
法国电力公司的协调防御计划是由24个同步相量测量装置和位于控制中心的2台计算机组成。该计划于20世纪90年代初开始分步实施。控制中心的l台计算机用于决策处理，另1台用于分析系统状态行为。
日本应用W AMS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PMU，通过小波变化来提取振荡频率，在传统的电力系统稳定器(PSS)中加入广域信号，构成广域PSS。
韩国2002年9月投运8台PMU设备组成集中式系统，PMU数据更新速率为10Hz，每15min完成l次预想事故的稳定计算，实现暂态稳定控制。
西班牙Sevillanade Eleetrieidad电力公司专门使用WAMS测量的电压相角及幅值，大大简化状态估计。
我国PMU的研究起步于1995年，中国电力科学研究院引进台湾欧华科技有限公司的ADX3仪旧电网功角监测系统，从1995年开始组建了南方电网、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。
1996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PMU测量系统。此后在东北电网和广西电网都试验性安装了PMU监测系统。标志着我国对PMU的研究成果已初步具备产品化的条件。2002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IEEE13科标准的CSS-200系列电网动态安全监测系统，成为我国第1个具有自主知识产权的广域测量系统。
东北电网于2004年初组建了实时动态监测系统。在2004年3月25日和2005年3月29日的2次东北电网大扰动试验中，该系统完整记录了2次扰动过程的数据，为事后分析提供了准确的数据。南瑞公司于2003年研制出PMU装里，在江苏、华北、河南和华东等电网安装。目前国内有接近50%的网(省)公司建成了或正在新建W AMS系统，这些建成的WAMS系统为电网扰动提供了可靠的事故后分析资料，在2005年9月1日内蒙古低频振荡事故下完整记录了整个扰动低频振荡的数据和波形;江苏电网在2005年10月28日系统出现扰动时也完整记录下扰动的波形和数据;2006年8.10桑美台风登陆时，造成华东电网甄海和宁德2个厂站的部分线路频繁故障跳闸，W AMS扰动识别应用正确，并记录下了相应的扰动情况。
2 PMU子站
2.1 PMU子站布点原则
由于现代电力系统的互联，电力系统规模日益庞大，对每个节点进行布点是没有必要的，也是不经济的。通常PMU的厂站选择应根据实现的功能不同而不同，主要可从暂态功角稳定、电压稳定、低频振荡、线路故障定位、参数测量及谐波测量等方面考虑。发电厂PMU的布点依据暂态功角稳定和低频振荡来确定，变电所PMU的布点依据其他方面来确定。
国家电力调度通信中心在2005年下发的《关于加强广域相量测量系统建设及实用化工作的要求》文件中指出了PMU的布点原则—应根据各电网的具体情况，在330kV及以上系统主网架上枢纽变电站和对系统稳定比较敏感的发电厂配备PMU。
2.2 功角测量方法
目前发电机的功角测量方法有两种:电气量估计法和直接测量法。
（1）电气量估计法
根据发电机内电势和机端电压及阻抗关系，利用机组参数及测量的发电机机端的三相电压、三相电流，来估算发电机功角及发电机内电势。该方法测量结果受机组参数影响，精度较低，只适宜稳态和动态测量，但工程实施较为简单，无需从机组内接线。
（2）直接测量法
利用内电势测量装置，接入从机组内引出的50Hz键相脉冲信号，以及机组A相电压，通过与GPS秒脉冲信号比对，得到发电机功角和发电机内电势。直接测量法要求现场机组具备键相信号引出结点，因此方法受机组条件限制，如果现场不能提供50H:的键相脉冲输出，则必须加装发电机转速传感器，实施较为复杂;优点是不受机组参数和暂态过程影响，内电势测量精度较高。
2.3 相量计算方法
相量数据处理单元计算相量的方法有傅立叶算法和过零点检测方法。
傅立叶算法通过灯D转换单元对三相电压、电流瞬时信号进行采样，经离散傅立叶变换得到三相的电压、电流相量值。在获得电压和电流的相量后可以计算
有功功率、无功功率。电压和电流信号的频率波动会影响到计算精度。
过零点检测方法由CPU时钟建立标准50Hz信号，对测量信号过零点打上时间标签，并求出其相对于标准50Hz信号的角度。
傅里叶算法精度优于过零点检测方法，但是需要较多的数据采样点，占用CPU资源较多，同时也会影响PMU的反应时间。
2.4 PMU子站的设置
目前PMU子站由集中式和分布式两种结构。国家电力调度通信中心2005年下发的《关于加强广域相量测量系统建设及实用化工作的要求》文件建议采用分布式结构。
PMU的电流测量的接入目前在国内外有两种方式:一种是接人测量用TA，另一种是接人保护用电流互感器TA。通常测量TA在稳态情况下具有较高的测量精度，但在事故情况下，由于磁饱和，测量TA的精度将受到影响;而保护TA则正好相反，在正常情况下，其测量精度不高，而在事故情况下具有较高的测量精度。
2.5 GPS授时
当发电厂机组多、厂房大，联络光缆传输距离超过1km时，GPS的信号传输延时将超过5sμ，故将造成测量精度下降。因此必须对传输延时进行精确补偿，保证最终授时精度达到1sμ。
2.6 PMU子站当地监测功能
（1）实时监测
装置实时测量和显示三相基波电压相量、三相基波电流相量、基波正序电压相量、基波正序电流相量、有功功率、无功功率、系统频率、开关状态态、非交流电压电流信号，以及发电机内电势和发电机功角。
（2）实时记录和暂态记录
装置连续不间断地记录所测量的(正常方式和故障方式)三相基波电压相量、三相基波电流相量、基波正序电压相量、基波正序电流相量、系统频率、发电机内电势，且具有主动向主站传送记录数据和响应主站召唤向主站传送记录数据的能力。
（3）当地分析功能
在线和离线观察分析实时测量数据，包括相量分析、谐波分析、故障录波波形分析、差流分析和序量分析。
3 WAMS通信
3.1子站向主站的传输频率
目前正常方式下国内子站向主站上传的传输频率为25-100帧/s。当系统出现扰动时，要求子站向主站上传的传输频率不低于100帧/s。
3.2通道
W AMS通过电力数据网进行上传数据，接人已有调度数据网路由器的安全I 区。由于W AMS上传海量的数据，且其密度很大，为了保证PMU子站的数据传输正常，数据网必须有足够的带宽。随着PMU子站布点的扩大，ZM或ZM 以上的带宽将是理想的选择。同时根据《国家电网公司18项电网重大反事故措施》“调度范围内的发电厂及重要变电站的自动化设备至调度主站应具有两路不同路由的通信通道(主/备双通道))”的要求，随着W AMS在电力系统中扮演的角色日益重要，需要考虑在现有通道的基础上再增加备用通道。
4 WAMS主站
4.1 W AMS主站结构
W AMS主站和EMS主站同在第一数据安全区，WAMS主站用于动态监测，且将与安全稳定控制结合，EMS系统用于静态监测，两个主站的计算机系统通常应分别配置。
为了保证W AMS主站的可靠性，WAMS主站采用双机双网配置。WAMS主站应包括通信前置服务器、实时数据服务器、历史数据库、网络服务器、分析工作站、图形终端等，它们通过10M/100M以太网互联。W AMS主站应与EMS具有相同的可靠等级。
通信前置服务器接收PMU上送的实时数据。实时数据服务器接收通信前置服务器和互联网关的数据构造实时数据库(RTDB)，响应分析工作站、图形终端
等的实时数据请求，向分析工作站和图形终端等提供实时数据服务，并定期将过期数据转存到历史数据库。历史数据库保存W AMS系统记录的动态数据，宜采用磁盘阵列保存数据，数据库应为通用商业数据库。Web服务器位于第3类数据安全区，通过数据安全隔离设备从主站历史数据库或实时数据库获得数据并存人Web服务器的数据库。高级应用服务器从实时数据库获得数据，在线分析电网的动态过程，对异常情况给出报警或触发主站数据记录。
4.2 W AMS系统平台
目前在国内已经投运的W AMS系统中，几乎全都采用ORACLE的关系数据库作为动态信息的历史数据库。这一方面是因为EMS系统中的商用数据库一直是关系数据库，另一方面还没有发现更好的适用于PMU动态数据的商用数据库。随着PMU布点的增多，WAMS的历史数据库必须采取特别的处理措施来确保其性能满足动态信息的存储需求，否则很难满足大量海量的数据存储，而Pl数据储存(PI Data Storage)是为有效地处理和储存实时数据而专门设计的，非常适合于类似W AMS的实时动态系统。PI数据库的最大优点是按照时间序列存储和压缩能力，因此对于密集的海量的PMU动态历史数据而言具有可以长时间连续存储的能力，可在线存储大量准确的、一致性的运行数据达数年，且数据存储分辨率可为min级、s级或ms级，甚至达到娜级的实时运行数据，且系统性能不会恶化。对于海量历史数据的查询访问，以时间序列为主要特征的PI数据库能很好地满足需求，克服了传统的关系型数据库难以满足查询速度和性能的要求。但PI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的描述的支持很弱，而ORACLE数据库用于描述电网模型等方面的技术非常成熟。因此理想的数据平台应该是PI数据库作为实时数据库和历史数据库+ORACLE 数据库作为电网模型/参数库。
4.3 W AMS主站功能
（1）动态监测功能
实时监测是广域测量系统应用到调度台上的重要功能。根据W AMS直接测量母线电压角度的优势，实现与角度相关的静态和动态过程监视、发电机功角监视;根据W AMS数据密度大，实时性强的优势，应重点实现功率、频率、电压等调度常规监测物理量的动态过程监视。以曲线图的形式同时显示频率、电压、潮流的动态过程，曲线动态过程连续无间断，以协助调度运行人员观察调度操作或
自动控制措施的效果。这种监视补充EMS只能进行静态监视的不足，在调度执行操作或电网中出现异常情况时可辅助调度员快速了解电网的受影响程度。
（2）系统低频振荡在线分析
随着电网的互联，系统规模的扩大，近年来国内电网低频振荡屡有发生，因此W AMS要实现对低频振荡的实时判别，能连续跟踪电网的电压相对相角、频率和功率动态曲线，实时计算分析动态曲线的频谱，当发现在0.2一2.SH:范围内较强的弱阻尼振荡分量存在时，向调度运行人员发出告警信息，在电网区域图上标注异常区域，同时触发数据平台高速记录当前的实时数据。
目前通常采用PRONY算法进行低频振荡的在线分析。PRONY算法用指数函数的l个线性组合来描述等间距采样数据的数学模型，后经过适当扩充，形成了能够直接估算给定信号的频率、衰减、幅值和初相的算法。PRONY算法是针对等间距采样点，假设模型是一系列的具有任意振幅、相位、频率和衰减因子的指数函数的线性组合。
（3）历史数据管理
在电网出现扰动后，快速集中各PMU子站和相关主站的记录数据，供系统分析人员使用，并能根据用户要求自动生成曲线图和报表。
（4）扰动识别
由于W AMS能连续跟踪电网动态响应曲线，在频率突变、频率越限、电压跌落等异常情况下，当满足预定条件时，向调度运行人员发出告普信息，并在电网区域图上标注异常区域，并触发数据平台高速记录当前的实时数据。
（5）线路参数测量和快速故障定位
根据PMU提供的线路两端电压和电流相量，直接计算出线路参数。此外，利用PMU获得的输电线路实时电压和电流相量在线辨识线路参数，采用改进的离散傅立叶变化提取暂态电气量中的基频分量，从而消除线路参数变化、测量误差和随机干扰对故障定位精度的影响，给出故障时序、元件和大致位置，为调度员处理故障提供决策支持。
（6）辅助服务质量监视
通过采集机组、励磁、调度AGC控制、PSS系统的输出，可实现对电力市场辅助服务的记录、统计和性能评价及电厂并网协议运行指标的统计考核，包括:机组一次调频调差率、AGC可调速率、力率范围、升降功率特性曲线等。
（7）基于PMU的状态估计
利用PMU传输数据的同时性提高传输数据
的精确性，同时利用PMU能测量功角的性能，纠正SCADA数据传输的不
精确性，并与SCADA数据进行混合状态估计，提高状态估计的精度。状态估计精度对利用W AMS进行在线稳定计算精度和在线预决策的准确度起着至关重要的作用。利用W AMS进行在线稳定计算同传统的利用EMS/SCADA进行在线稳定计算的区别在于其状态估计精度的提高。因此如何利用PMU的测量量和SCADA数据进行状态估计是面临的重要问题。
（8）阻尼控制
随着电网规模的扩大，区域间的低频振荡对电力系统安全稳定控制构成了严重的威胁，近期国内已发生多起低频振荡事故。基于本地信息控制的阻尼控制不能很好地抑止区域间的低频振荡，这是因为传统的PSS是通过控制发电机励磁系统的本地阻尼控制器发挥作用的，不能直接利用相对功角和角速度形成闭环控制，故而缺乏动态协调能力。因此，利用W AMS获取区域间的发电机相对转子角和转子角速度等广域信号作为阻尼控制器的反馈信号构成闭环控制，从而实现对区域间低频振荡的有效控制。
（9）在线整定计算
在线稳定计算包括在线暂态功角稳定计算、在线暂态电压安全计算和在线频率稳定计算分析。针对实时状态和预想事故集进行在线稳定计算，判断系统的稳定运行状况。
（10）在线稳定预决策
在线稳定预决策包括在线稳定预防控制预决策和在线稳定紧急控制预决策。在线稳定预防控制预决策指的是在功角稳定、暂态电压安全约束、频率稳定约束下的预防控制，对各种控制预案进行经济比较，确定系统的优化运行方式。在线紧急控制预决策指的是在暂态功角稳定、暂态电压安全和暂态频率稳定下的紧急控制策略搜索，找出最经济的控制手段和策略。
此外，在线稳定预决策还包括在线低频振荡的在线预决策，即针对低频振荡的在线控制策略。
（11）在线稳定控制
实现在线稳定的闭环控制还需要一段时间的探索。
5 结语
电力系统实时动态监测系统的建立对提高电网的动态监测水平和安全运行水平起着重要的作用，特别是在全国电网互联的今天更是如此。随着电网和科技的发展，需要进一步研究电力系统实时动态监测系统动态稳定控制的理论和方法，并逐步完善电力系统实时动态监测系统的功能。