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探析廣域測量系統在電力系統中的應用
摘要：廣域測量技術(shù)是近年來(lái)電力系統前沿技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。論述了廣域測量系統（Wide-Area MeasurementSystem，WAMS）在電力系統穩態(tài)分析、全網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程記錄和暫態(tài)穩定預測 及控制、電壓和頻率穩定監視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制等方面的應用，對其應用前景做了簡(jiǎn)要分析，并提出WAMS的發(fā)展規劃。
關(guān)鍵詞：廣域測量系統（WAMS）；同步相量測量裝置；動(dòng)態(tài)監測
隨著(zhù)電力系統總容量的不斷增加、網(wǎng)絡(luò )結構的不斷擴大、超高壓長(cháng)距離輸電線(xiàn)路的增多以及用戶(hù)對電能質(zhì)量要求的逐漸提高，對電網(wǎng)的安全穩定提出了更高的要求。建立可靠的電力系統運行監視、分析和控制系統，以保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，已成為十分重要的問(wèn)題。近來(lái)受到廣泛關(guān)注的廣域測量系統（Wide-area measurement system，WAMS）可能在一定程度上緩解目前對大規�；ヂ�(lián)電力系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與控制的困難。
1安全穩定控制系統
互聯(lián)網(wǎng)穩定控制面臨著(zhù)較多的問(wèn)題：互聯(lián)系統的低頻振蕩問(wèn)題及緊急控制等問(wèn)題。如我國華中系統的低頻振蕩衰減時(shí)間較長(cháng)，當系統出現故障時(shí)，華中系統的較長(cháng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程勢必會(huì )通過(guò)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)影響到華東系統。傳統的基于事件的就地控制不能夠充分觀(guān)察系統的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而不能夠較好觀(guān)察系統的各種狀態(tài)，比如某些系統目前無(wú)法較快地抑制低頻振蕩問(wèn)題�；陧憫膹V域穩定控制增強了互聯(lián)網(wǎng)穩定控制的可靠性和靈敏性。
目前的穩定控制系統，比如電氣制動(dòng)、發(fā)電機快速勵磁、發(fā)電機組切除、自適應負荷減載及新興的靈活交流輸電等，發(fā)展到廣域控制都應該是基于廣域電力系統的信息:原來(lái)使用就地信息不能夠滿(mǎn)足控制對電力系統充分觀(guān)察的要求。廣域測量系統提高了電力系統的可觀(guān)察性，通過(guò)各種分析手段，進(jìn)行系統動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析，如通過(guò)頻譜分析，可以實(shí)時(shí)計算出系統的振蕩模式、系統狀態(tài)量的變化趨勢等:從而提供給廣域控制充分的動(dòng)態(tài)信息。
1．1 暫態(tài)穩定預測及控制
當今投入實(shí)際工業(yè)應用的穩定控制系統可分為兩種模式，即“離線(xiàn)計算、實(shí)時(shí)匹配”和“在線(xiàn)預決策、實(shí)時(shí)匹配”。但分析表明，大停電往往由“不可預見(jiàn)”的連鎖故障引起，在這種情況下以上兩種穩定控制系統很可能無(wú)法響應。理論上最為完美的穩定控制系統模式是“超實(shí)時(shí)計算、實(shí)時(shí)匹配”。這種模式假設在故障發(fā)生后進(jìn)行快速的暫態(tài)分析以確定系統是否會(huì )失穩，若判斷系統失穩則給出相應的控制措施以保證系統的暫態(tài)穩定性。這種穩定控制系統的整個(gè)分析計算、命令傳輸、執行過(guò)程的時(shí)間極短，理論上可以對任何導致系統暫態(tài)失穩的故障給出相應的穩定控制措施，達到對各種系統運行工況、各種故障類(lèi)型的完全自適應。
WAMS 在以下幾方面的應用有助于實(shí)現上述自適應實(shí)時(shí)控制系統：
�。�1）對于 WAMS 提供的系統動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間序列響應，直接應用某種時(shí)間序列預測方法或人工智能方法預測系統未來(lái)的受擾軌跡，并判斷系統的穩定性。但由于電力系統在動(dòng)力學(xué)上的復雜性，這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。
�。�2）以 WAMS 提供的系統故障后的狀態(tài)為初始值，在巨型機或 PC 機群上進(jìn)行電力系統超實(shí)時(shí)暫態(tài)時(shí)域仿真，得到系統未來(lái)的受擾軌跡，從而判斷系統的穩定性。僅就算法而言，這種方法是可靠的，但在連鎖故障的情況下，控制中心未必知道該方法需要的電力系統動(dòng)態(tài)模型；再者，該方法要求的時(shí)域仿真的超實(shí)時(shí)度較高，目前對大規模系統而言可能還存在困難。
�。�3）基于 WAMS 提供的系統動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間序列響應，首先利用某種辨識方法得到一個(gè)簡(jiǎn)化的系統動(dòng)態(tài)模型，然后對該模型進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真，得到系統未來(lái)的受擾軌跡，并判斷系統的穩定性。這種方法的可靠性比第一種方法好，同時(shí)僅基于WAMS 提供的實(shí)測信息，不需知道第二種方法必需的故障后系統動(dòng)態(tài)模型的先驗知識，應該是目前比較有前途的方法。
除了判斷系統穩定性外，另一個(gè)重要問(wèn)題是若干預測結果為系統失穩，那么該如何給出適當的控制量以避免系統失穩，這方面的研究相對于暫態(tài)穩定預測的研究還較薄弱。它涉及電力系統穩定量化分析和穩定量化指標對控制變量的靈敏度分析，即使在離線(xiàn)環(huán)境下這也是一個(gè)難點(diǎn)，實(shí)時(shí)環(huán)境下要求快速給出適當的控制量將更加困難。有些研究以WAMS 得到的故障后一小段時(shí)間內的實(shí)測量為輸入向量，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )直接將這些實(shí)測量映射到控制向量（如切機、切負荷量等）空間，這種方法相當于將暫態(tài)穩定預測和求解控制量都隱含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )之中。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練需要大量樣本，如何保證這些樣本對各種系統運行工況和各種可能發(fā)生的故障具有足夠的代表性是一個(gè)難題。WAMS 得到的實(shí)測信息也可用作穩定控制后備的失步解列裝置的觸發(fā)信號，在這方面的研究中系統通常被等值成兩機系統。
1.2電力系統穩定器（PSS）
傳統的分散配置的分散控制器實(shí)際上是在簡(jiǎn)化模型下設計的“孤立”控制器，只考慮本機可測信號，不考慮多機系統之間的關(guān)聯(lián)作用及系統中其它控制器的存在和交互作用影響，其結果是這種控制器只對改善本機控制特性有一定好處，但對系統其它相鄰機組的動(dòng)態(tài)行為不可能有確定的改善，相反存在著(zhù)各控制器間動(dòng)作無(wú)法協(xié)調，而使各自的控制特性惡化的可能性。北美系統在進(jìn)一步加裝PSS過(guò)程中曾有過(guò)由于相互協(xié)調而使低頻振蕩重新出現甚至加劇的實(shí)例。
廣域測量系統提供了廣域系統的同步狀態(tài)量，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相互協(xié)調動(dòng)作的電力系統穩定器打下基礎�；趶V域測量系統，PSS可以觀(guān)察動(dòng)作以后系統各點(diǎn)的響應情況，并根據系統的狀態(tài)，確定進(jìn)一步的動(dòng)作。
2 電壓、頻率穩定控制
2．1 慢速電壓穩定控制
基于廣域測量系統，人們可以開(kāi)發(fā)較為慢速的廣域控制，比如電壓穩定控制。美國B(niǎo)PA公司正在開(kāi)發(fā)"先進(jìn)電壓穩定控制"項目。該項目基于廣域測量系統和SCADA系統提供的系統電壓、電流相量、有功、無(wú)功及頻率等綜合信息開(kāi)發(fā)以下控制：基于響應的快速控制，該控制措施包括發(fā)電機跳閘及無(wú)功補償調節。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無(wú)功的測量；利用無(wú)功補償設備進(jìn)行電壓控制，基于廣域測量系統提供的電壓幅值及功角，無(wú)功補償設備使用模糊邏輯控制來(lái)調節電壓幅度；變壓器自動(dòng)調壓避免變電站之間并聯(lián)變壓器的環(huán)流現象，提高電壓穩定性；發(fā)電廠(chǎng)的電壓調度在電壓緊急的狀態(tài)下，有較多無(wú)功儲備的電廠(chǎng)可以提高電壓，從而減少系統的無(wú)功損耗，并提高電容器組的無(wú)功輸出。這些措施可以提高系統的無(wú)功平衡，從而加強電壓的穩定。
2．2 靜態(tài)電壓穩定控制
相對于暫態(tài)穩定問(wèn)題，靜態(tài)電壓穩定和頻率穩定屬于慢動(dòng)態(tài)的范疇，更易于利用 WAMS 信息實(shí)現穩定監視和控制。如利用 WAMS 得到的各節點(diǎn)電壓相量測量值將系統等值成兩節點(diǎn)系統，能快速給出電壓穩定裕度；以各節點(diǎn)電壓相量測量值作為輸入變量，以潮流雅克比矩陣的最小奇異值作為電壓穩定指標，用大量樣本訓練得到一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )作為電壓
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