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廣域相量測量系統(tǒng)
廣域相量測量系統(tǒng)
[摘要]本文首先對廣域同步相量測量系統(tǒng)(WAMS)進(jìn)行了簡要介紹，然后對其主要單元PMU的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，最后對WAMS在電力系統(tǒng)各方向的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。
[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng);相量測量裝置(PMU);廣域相量測量系統(tǒng)(WAMS)
引言
隨著特高壓輸電和“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”工程的建設(shè)，我國電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模越來越大，將引起低頻振蕩，電力市場進(jìn)程的不斷推進(jìn)使得某些斷面經(jīng)常運行在接近于滿負(fù)荷或滿負(fù)荷狀態(tài)，電力系統(tǒng)運行的復(fù)雜程度日益增加，電網(wǎng)安全問題日益突出，使得對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來越高。
傳統(tǒng)的SCADA/EMS調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，由于缺少電力系統(tǒng)不同地點之間的基準(zhǔn)時間，所以只能用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時動態(tài)特性分析。
基于PMU的廣域測量系統(tǒng)(wide Area Measurement System，簡稱WAMS)，利用成熟的GPS技術(shù)，能夠為全系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時間，能夠?qū)崟r地反映全網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起到了重要的作用。
1.廣域電網(wǎng)相量測量系統(tǒng)的發(fā)展
國外對于PMU的研究起始于20世紀(jì)80年代的美國，1983年美國GPS的出現(xiàn)，為相角測量提供了時鐘精度上的保證。1993年美國研發(fā)出了第一臺PMU，標(biāo)志著同步相量技術(shù)的實用化。美國西部電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)委員會(western System Coordinating Council簡稱WSCc)已經(jīng)基本建成了以PMU為基礎(chǔ)的WAMS，投入了近百個PMU。1997年法國電力公司計劃組建基于PMU的協(xié)調(diào)防御控制系統(tǒng)。
1995年前后國內(nèi)開始了對PMU的研究，率先開始該領(lǐng)域研究的是清華大學(xué)電機工程系，1997年同黑龍江東部電網(wǎng)合作，安裝了7個PMU。近年，隨著GPS技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，
加快了PMU應(yīng)用的發(fā)展，全國各大電網(wǎng)正在實施或已部分完成龐大的WAMS。
2.PMU基本原理及結(jié)構(gòu)
基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的相量測量單元PMU具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，即對電流、電壓等電氣量的幅值和頻率的采集，同時還具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能：對相角的采集。
圖1是基于GPS的PMU基本原理結(jié)構(gòu)圖，其基本原理為：
GPS接收器接收來自衛(wèi)星的信號，輸出1pps(1個脈沖每秒)信號給鎖相振蕩器，鎖相振蕩器用分頻方法將其劃分成采樣脈沖，對輸入模擬量進(jìn)行同步采樣，采樣值經(jīng)濾波器處理然后傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送給微處理機，用快速傅里葉算法計算出基頻相量，用對稱分量法將三相向量變換為三序相量，最后PMU將正序分量、時間標(biāo)記等傳送給調(diào)度中心。
3.廣域電網(wǎng)相量測量系統(tǒng)的應(yīng)用
基于PMU的廣域測量技術(shù)發(fā)展迅速，近年來已經(jīng)在很多方面得到了應(yīng)用，主要包括電力系統(tǒng)狀態(tài)估計、低頻振蕩在線監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測和廣域保護(hù)。
3.1狀態(tài)估計
現(xiàn)如今的狀態(tài)估計是能量管理系統(tǒng)(EMS)的基本內(nèi)容，它根據(jù)sCADA采集到的電壓、電流等電氣量的幅值和頻率的測量值，用迭代方法求解非線性方程組，求得系統(tǒng)狀態(tài)變量的最佳估計值。
電力系統(tǒng)的安全約束調(diào)度、靜態(tài)穩(wěn)定性分析和暫態(tài)穩(wěn)定性分析都依賴于狀態(tài)估計的結(jié)果，若能直接測量相角，將大大提高狀態(tài)估計的速度和精度，但由于沒有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，相角測量難于實現(xiàn)。
隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的發(fā)展使相角測量得以實現(xiàn)。同步相量測量單元PMU借助于GPS技術(shù)，直接測得系統(tǒng)各節(jié)點的電壓幅值和相角，狀態(tài)方程中的雅各比矩陣就變成了常數(shù)矩陣。
應(yīng)用同步相量測量技術(shù)所得到的是電網(wǎng)匯總所有廠、站的正序相量，而且是確切的同步測量結(jié)果，如果不考慮壞數(shù)據(jù)，則不需要再次進(jìn)行狀態(tài)估計，這不僅提高了狀態(tài)估計的迭代收斂速度，而且提高了結(jié)果的精度。
3.2低頻振蕩在線監(jiān)測
隨著我國各大電網(wǎng)的互聯(lián)，低頻振蕩成為電力系統(tǒng)中的嚴(yán)重問題，因此，必須對平時的小干擾振蕩進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計分析，從而了解當(dāng)前電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生振蕩的頻率和阻尼特性，便于提前發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的薄弱點，有利于調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，及早制定校正控制預(yù)案，合理安排運行方式，有效的遏制大規(guī)模低頻振蕩的發(fā)生。
電力系統(tǒng)的低頻振蕩的頻率波動范圍一般為0.1-2.0Hz，當(dāng)此范圍內(nèi)存在較強的負(fù)阻尼或弱阻尼時，WAMS要能夠及時發(fā)出告警信息，并在區(qū)域圖上標(biāo)明異常地方，給數(shù)據(jù)平臺發(fā)送觸發(fā)信號，記錄當(dāng)前的實時數(shù)據(jù)，用于低頻振蕩的在線監(jiān)測和分析。因此，只有WAMS能夠提供統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)低頻振蕩的在線分析。
數(shù)據(jù)經(jīng)過中央處理器的處理，根據(jù)結(jié)果快速判別發(fā)生振蕩的機組，最后對現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出有用信息。
3.3動態(tài)監(jiān)測
傳統(tǒng)的SCADA/EMS系統(tǒng)無法實現(xiàn)系統(tǒng)的實時動態(tài)監(jiān)測，是因為無法實現(xiàn)全網(wǎng)各節(jié)點電壓相角和各發(fā)電機功角的測量，相角是判斷電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)，而PMU采用成熟的GPS技術(shù)實現(xiàn)了相角的直接測量，極大地改善了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制。
當(dāng)故障時，調(diào)度中心可根據(jù)各個節(jié)點的實時相角數(shù)據(jù)，分析發(fā)電機功角的變化情況，通過功角的變化趨勢來預(yù)測哪個機組可能失穩(wěn)并采取相應(yīng)的對策，如切機、切負(fù)荷、解列等，以防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大：也可以用來進(jìn)行就地控制，如勵磁、調(diào)速、電容器的接入等。
3.4廣域保護(hù)
廣域保護(hù)系統(tǒng)的核心思想是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，快速隔離故障，保證系統(tǒng)在故障切除后能夠安全穩(wěn)定的運行。不同于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)只是通過開關(guān)的通斷實現(xiàn)故障的切除，保證單個設(shè)備的安全，廣域保護(hù)需要全網(wǎng)的無功、電壓等信息，分析系統(tǒng)的當(dāng)前運行狀態(tài)，采取必要的措施，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。
近年來WAMS系統(tǒng)迅速發(fā)展，除了以上高級應(yīng)用外，WAMS還在其他很多方面像模型的有效性評估、阻尼控制、電壓穩(wěn)定性控制、線路參數(shù)估計以及頻率控制等有著極其廣泛的應(yīng)用。如今智能電網(wǎng)的廣泛研究給WAMS帶來了更大的發(fā)展空間和應(yīng)用方向。
4.結(jié)論
隨著電力系統(tǒng)規(guī)模、結(jié)構(gòu)和運行方式的不斷改變，傳統(tǒng)的監(jiān)控策略和分析方法，難以滿足電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求，基于PMU的WANS的出現(xiàn)具有重要意義，提供了一種新的方法用于電力系統(tǒng)中的問題研究。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的不斷完善，WAMS的發(fā)展將越來越容易，應(yīng)用前景越來越廣，必將取代傳統(tǒng)的SCADA/EMS系統(tǒng)。
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