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探析廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：廣域測量技術(shù)是近年來電力系統(tǒng)前沿技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。論述了廣域測量系統(tǒng)（Wide-Area MeasurementSystem，WAMS）在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、全網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程記錄和暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測 及控制、電壓和頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制等方面的應(yīng)用，對(duì)其應(yīng)用前景做了簡要分析，并提出WAMS的發(fā)展規(guī)劃。
關(guān)鍵詞：廣域測量系統(tǒng)（WAMS）；同步相量測量裝置；動(dòng)態(tài)監(jiān)測
隨著電力系統(tǒng)總?cè)萘康牟粩嘣黾�、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大、超高壓長距離輸電線路的增多以及用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的逐漸提高，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求。建立可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，以保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，已成為十分重要的問題。近來受到廣泛關(guān)注的廣域測量系統(tǒng)（Wide-area measurement system，WAMS）可能在一定程度上緩解目前對(duì)大規(guī)�；ヂ�(lián)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與控制的困難。
1安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)
互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨著較多的問題：互聯(lián)系統(tǒng)的低頻振蕩問題及緊急控制等問題。如我國華中系統(tǒng)的低頻振蕩衰減時(shí)間較長，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，華中系統(tǒng)的較長的動(dòng)態(tài)過程勢必會(huì)通過聯(lián)絡(luò)線影響到華東系統(tǒng)。傳統(tǒng)的基于事件的就地控制不能夠充分觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，因而不能夠較好觀察系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如某些系統(tǒng)目前無法較快地抑制低頻振蕩問題�；陧憫�(yīng)的廣域穩(wěn)定控制增強(qiáng)了互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制的可靠性和靈敏性。
目前的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，比如電氣制動(dòng)、發(fā)電機(jī)快速勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)組切除、自適應(yīng)負(fù)荷減載及新興的靈活交流輸電等，發(fā)展到廣域控制都應(yīng)該是基于廣域電力系統(tǒng)的信息:原來使用就地信息不能夠滿足控制對(duì)電力系統(tǒng)充分觀察的要求。廣域測量系統(tǒng)提高了電力系統(tǒng)的可觀察性，通過各種分析手段，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的分析，如通過頻譜分析，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出系統(tǒng)的振蕩模式、系統(tǒng)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(wěn)定預(yù)測及控制
當(dāng)今投入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可分為兩種模式，即“離線計(jì)算、實(shí)時(shí)匹配”和“在線預(yù)決策、實(shí)時(shí)匹配”。但分析表明，大停電往往由“不可預(yù)見”的連鎖故障引起，在這種情況下以上兩種穩(wěn)定控制系統(tǒng)很可能無法響應(yīng)。理論上最為完美的穩(wěn)定控制系統(tǒng)模式是“超實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)匹配”。這種模式假設(shè)在故障發(fā)生后進(jìn)行快速的暫態(tài)分析以確定系統(tǒng)是否會(huì)失穩(wěn)，若判斷系統(tǒng)失穩(wěn)則給出相應(yīng)的控制措施以保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定控制系統(tǒng)的整個(gè)分析計(jì)算、命令傳輸、執(zhí)行過程的時(shí)間極短，理論上可以對(duì)任何導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的故障給出相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，達(dá)到對(duì)各種系統(tǒng)運(yùn)行工況、各種故障類型的完全自適應(yīng)。
WAMS 在以下幾方面的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：
�。�1）對(duì)于 WAMS 提供的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間序列響應(yīng)，直接應(yīng)用某種時(shí)間序列預(yù)測方法或人工智能方法預(yù)測系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于電力系統(tǒng)在動(dòng)力學(xué)上的復(fù)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(tǒng)故障后的狀態(tài)為初始值，在巨型機(jī)或 PC 機(jī)群上進(jìn)行電力系統(tǒng)超實(shí)時(shí)暫態(tài)時(shí)域仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)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(duì)大規(guī)模系統(tǒng)而言可能還存在困難。
�。�3）基于 WAMS 提供的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間序列響應(yīng)，首先利用某種辨識(shí)方法得到一個(gè)簡化的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，然后對(duì)該模型進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的先驗(yàn)知識(shí)，應(yīng)該是目前比較有前途的方法。
除了判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性外，另一個(gè)重要問題是若干預(yù)測結(jié)果為系統(tǒng)失穩(wěn)，那么該如何給出適當(dāng)?shù)目刂屏恳员苊庀到y(tǒng)失穩(wěn)，這方面的研究相對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的研究還較薄弱。它涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定量化分析和穩(wěn)定量化指標(biāo)對(duì)控制變量的靈敏度分析，即使在離線環(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(dāng)?shù)目刂屏繉⒏永щy。有些研究以WAMS 得到的故障后一小段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測量為輸入向量，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接將這些實(shí)測量映射到控制向量（如切機(jī)、切負(fù)荷量等）空間，這種方法相當(dāng)于將暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)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(xùn)練需要大量樣本，如何保證這些樣本對(duì)各種系統(tǒng)運(yùn)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(wěn)定控制后備的失步解列裝置的觸發(fā)信號(hào)，在這方面的研究中系統(tǒng)通常被等值成兩機(jī)系統(tǒng)。
1.2電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）
傳統(tǒng)的分散配置的分散控制器實(shí)際上是在簡化模型下設(shè)計(jì)的“孤立”控制器，只考慮本機(jī)可測信號(hào)，不考慮多機(jī)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)作用及系統(tǒng)中其它控制器的存在和交互作用影響，其結(jié)果是這種控制器只對(duì)改善本機(jī)控制特性有一定好處，但對(duì)系統(tǒng)其它相鄰機(jī)組的動(dòng)態(tài)行為不可能有確定的改善，相反存在著各控制器間動(dòng)作無法協(xié)調(diào)，而使各自的控制特性惡化的可能性。北美系統(tǒng)在進(jìn)一步加裝PSS過程中曾有過由于相互協(xié)調(diào)而使低頻振蕩重新出現(xiàn)甚至加劇的實(shí)例。
廣域測量系統(tǒng)提供了廣域系統(tǒng)的同步狀態(tài)量，為進(jìn)一步開發(fā)相互協(xié)調(diào)動(dòng)作的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器打下基礎(chǔ)�；趶V域測量系統(tǒng)，PSS可以觀察動(dòng)作以后系統(tǒng)各點(diǎn)的響應(yīng)情況，并根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，確定進(jìn)一步的動(dòng)作。
2 電壓、頻率穩(wěn)定控制
2．1 慢速電壓穩(wěn)定控制
基于廣域測量系統(tǒng)，人們可以開發(fā)較為慢速的廣域控制，比如電壓穩(wěn)定控制。美國BPA公司正在開發(fā)"先進(jìn)電壓穩(wěn)定控制"項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于廣域測量系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)提供的系統(tǒng)電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發(fā)以下控制：基于響應(yīng)的快速控制，該控制措施包括發(fā)電機(jī)跳閘及無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測量；利用無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行電壓控制，基于廣域測量系統(tǒng)提供的電壓幅值及功角，無功補(bǔ)償設(shè)備使用模糊邏輯控制來調(diào)節(jié)電壓幅度；變壓器自動(dòng)調(diào)壓避免變電站之間并聯(lián)變壓器的環(huán)流現(xiàn)象，提高電壓穩(wěn)定性；發(fā)電廠的電壓調(diào)度在電壓緊急的狀態(tài)下，有較多無功儲(chǔ)備的電廠可以提高電壓，從而減少系統(tǒng)的無功損耗，并提高電容器組的無功輸出。這些措施可以提高系統(tǒng)的無功平衡，從而加強(qiáng)電壓的穩(wěn)定。
2．2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制
相對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定問題，靜態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定屬于慢動(dòng)態(tài)的范疇，更易于利用 WAMS 信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)視和控制。如利用 WAMS 得到的各節(jié)點(diǎn)電壓相量測量值將系統(tǒng)等值成兩節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，能快速給出電壓穩(wěn)定裕度；以各節(jié)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(wěn)定指標(biāo)，用大量樣本訓(xùn)練得到一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為電壓
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