摘要:廣域測量技術是近年來電力系統前沿技術中最活躍的領域之一。論述了廣域測量系統(Wide-Area MeasurementSystem,WAMS)在電力系統穩態分析、全網動態過程記錄和暫態穩定預測 及控制、電壓和頻率穩定監視及控制、低頻振盪分析及抑制、全局反饋控制等方面的應用,對其應用前景做了簡要分析,並提出WAMS的發展規劃。
關鍵詞:廣域測量系統(WAMS);同步相量測量裝置;動態監測
隨着電力系統總容量的不斷增加、網絡結構的不斷擴大、超高壓長距離輸電線路的增多以及用戶對電能質量要求的逐漸提高,對電網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,以保證電網的安全經濟運行,已成爲十分重要的問題。近來受到廣泛關注的廣域測量系統(Wide-area measurement system,WAMS)可能在一定程度上緩解目前對大規模互聯電力系統進行動態分析與控制的困難。
1安全穩定控制系統
互聯網穩定控制面臨着較多的問題:互聯繫統的低頻振盪問題及緊急控制等問題。如我國華中系統的低頻振盪衰減時間較長,當系統出現故障時,華中系統的較長的動態過程勢必會通過聯絡線影響到華東系統。傳統的基於事件的就地控制不能夠充分觀察系統的動態過程,因而不能夠較好觀察系統的各種狀態,比如某些系統目前無法較快地抑制低頻振盪問題。基於響應的廣域穩定控制增強了互聯網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、發電機快速勵磁、發電機組切除、自適應負荷減載及新興的靈活交流輸電等,發展到廣域控制都應該是基於廣域電力系統的信息:原來使用就地信息不能夠滿足控制對電力系統充分觀察的要求。廣域測量系統提高了電力系統的可觀察性,通過各種分析手段,進行系統動態過程的分析,如通過頻譜分析,可以實時計算出系統的振盪模式、系統狀態量的變化趨勢等:從而提供給廣域控制充分的動態信息。
1.1 暫態穩定預測及控制
當今投入實際工業應用的穩定控制系統可分爲兩種模式,即“離線計算、實時匹配”和“在線預決策、實時匹配”。但分析表明,大停電往往由“不可預見”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法響應。理論上最爲完美的穩定控制系統模式是“超實時計算、實時匹配”。這種模式假設在故障發生後進行快速的暫態分析以確定系統是否會失穩,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穩定性。這種穩定控制系統的整個分析計算、命令傳輸、執行過程的時間極短,理論上可以對任何導致系統暫態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、各種故障類型的完全自適應。
WAMS 在以下幾方面的應用有助於實現上述自適應實時控制系統:
(1)對於 WAMS 提供的系統動態過程的時間序列響應,直接應用某種時間序列預測方法或人工智能方法預測系統未來的受擾軌跡,並判斷系統的穩定性。但由於電力系統在動力學上的複雜性,這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。
(2)以 WAMS 提供的系統故障後的狀態爲初始值,在巨型機或 PC 機羣上進行電力系統超實時暫態時域仿真,得到系統未來的受擾軌跡,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態模型;再者,該方法要求的時域仿真的超實時度較高,目前對大規模系統而言可能還存在困難。
(3)基於 WAMS 提供的系統動態過程的時間序列響應,首先利用某種辨識方法得到一個簡化的系統動態模型,然後對該模型進行超實時仿真,得到系統未來的受擾軌跡,並判斷系統的穩定性。這種方法的可靠性比第一種方法好,同時僅基於WAMS 提供的實測信息,不需知道第二種方法必需的故障後系統動態模型的先驗知識,應該是目前比較有前途的方法。
除了判斷系統穩定性外,另一個重要問題是若干預測結果爲系統失穩,那麼該如何給出適當的控制量以避免系統失穩,這方面的研究相對於暫態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,即使在離線環境下這也是一個難點,實時環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 得到的故障後一小段時間內的實測量爲輸入向量,通過人工神經網絡直接將這些實測量映射到控制向量(如切機、切負荷量等)空間,這種方法相當於將暫態穩定預測和求解控制量都隱含在神經網絡之中。但人工神經網絡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生的故障具有足夠的代表性是一個難題。WAMS 得到的實測信息也可用作穩定控制後備的失步解列裝置的觸發信號,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際上是在簡化模型下設計的“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聯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態行爲不可能有確定的改善,相反存在着各控制器間動作無法協調,而使各自的控制特性惡化的可能性。北美系統在進一步加裝PSS過程中曾有過由於相互協調而使低頻振盪重新出現甚至加劇的實例。
廣域測量系統提供了廣域系統的同步狀態量,爲進一步開發相互協調動作的電力系統穩定器打下基礎。基於廣域測量系統,PSS可以觀察動作以後系統各點的響應情況,並根據系統的狀態,確定進一步的動作。
2 電壓、頻率穩定控制
2.1 慢速電壓穩定控制
基於廣域測量系統,人們可以開發較爲慢速的廣域控制,比如電壓穩定控制。美國BPA公司正在開發"先進電壓穩定控制"項目。該項目基於廣域測量系統和SCADA系統提供的系統電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發以下控制:基於響應的快速控制,該控制措施包括髮電機跳閘及無功補償調節。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測量;利用無功補償設備進行電壓控制,基於廣域測量系統提供的電壓幅值及功角,無功補償設備使用模糊邏輯控制來調節電壓幅度;變壓器自動調壓避免變電站之間並聯變壓器的環流現象,提高電壓穩定性;發電廠的電壓調度在電壓緊急的狀態下,有較多無功儲備的電廠可以提高電壓,從而減少系統的無功損耗,並提高電容器組的無功輸出。這些措施可以提高系統的無功平衡,從而加強電壓的穩定。
2.2 靜態電壓穩定控制
相對於暫態穩定問題,靜態電壓穩定和頻率穩定屬於慢動態的範疇,更易於利用 WAMS 信息實現穩定監視和控制。如利用 WAMS 得到的各節點電壓相量測量值將系統等值成兩節點系統,能快速給出電壓穩定裕度;以各節點電壓相量測量值作爲輸入變量,以潮流雅克比矩陣的最小奇異值作爲電壓穩定指標,用大量樣本訓練得到一個模糊神經網絡作爲電壓
穩定分類器,輸出變量爲很安全、安全、警戒、危險、很危險等 5 種電壓安全水平;以 WAMS 提供的節點電壓相角差和發電機無功出力爲輸入變量,應用決策樹快速評價系統的電壓安全水平。
3動態過程安全分析
3.1 低頻振盪分析及抑制
隨着大電網的互聯,區域間的低頻振盪對互聯電力系統的安全穩定運行構成了威脅。WAMS 可望在分析和抑制低頻振盪方面發揮作用。直接將系統線性化狀態空間方程離散化,利用WAMS 提供的各離散時間點的測量值,通過最小二乘法計算線性化狀態空間方程的係數矩陣,進而計算該矩陣的特徵根;基於 WAMS 提供的各離散時間點的測量值採用卡爾曼濾波方法計算系統的機電振盪模式;應用快速傅立葉變換和小波分析對 WAMS 提供的節點間的電壓相角差振盪時間曲線進行分析,提取低頻振盪模式。與常規離線分析相比,基於 WAMS 的低頻振盪分析具有更高的可信度。
通常僅基於本地信息的阻尼控制器(如 PSS)不能很好地抑制區域間的低頻振盪,因爲本地信息並不能很好反映區域間的振盪模式,本地信號對於區域間的振盪模式的可觀測性不好。WAMS 的出現爲抑制區域間的低頻振盪提供了強有力的工具,可通過 WAMS 獲取區域間的發電機相對轉子角和轉子角速度信號等全局信息作爲阻尼控制器的反饋信號構成閉環控制。將採用 WAMS 信號的區間阻尼控制器附加到發電機勵磁控制器中,達到抑制區域間振盪的目的;採用 WAMS 信號作爲裝設於聯絡線上的 TCSC 裝置的控制輸入,基於線性 H∞控制理論設計了 TCSC 區間阻尼控制器採用 WAMS 信號作爲控制器輸入時,需要引起重視的是 WAMS 信號的時滯(Time Delay)問題考慮時滯後閉環系統成爲一個時滯系統,若時滯過大可能引起閉環系統的不穩定採用最小二乘預測算法由歷史 PMU 測量序列得到控制器當前的反饋輸入,沒有明確說明時滯的處理方法,但其採用的 H∞控制是一種魯棒控制方法,對由時滯造成的影響有一定抑制作用。
3.2 全局反饋控制
以往乃至目前的電力系統控制研究領域一直強調分散性/就地性,即對電力系統中的某一動態元件僅採用本地量測量構成反饋控制,從便於控制實現的角度追求控制的分散性/就地性毫無疑問是可以理解的,但通常電力系統的動態問題本質上具有全局性(如暫態穩定問題),而分散/就地控制只是通過本地量測量間接地包含一些全局信息,因此在提高全系統穩定性上有一定侷限性。隨着 WAMS的出現和發展,研究和實現基於 WAMS 信號的全局信息反饋與控制成爲可能。
基於 WAMS 提供的全局實時信號,將通過聯絡線互聯的兩個區域等值成一個兩機系統,然後採用直接線性化技術設計了聯絡線上的 TCSC 控制器,數值仿真結果表明,所設計的基於 WAMS 信號的全局 TCSC 控制器有效提高了互聯繫統的暫態穩定性。在全局反饋控制的研究中,同樣存在遠方反饋信號的時滯問題,有必要採用時滯系統控制理論加以分析研究,以探明時滯對全局反饋控制的影響。另外,對於非線性全局控制,如何根據特定的控制目標選擇合適的遠方反饋信號也是一個值得研究的問題。
通過分析可見,建立廣域測量系統成爲我國電力系統發展的必然,必須從工程技術、經濟等角度對其開發、應用進行整體規劃。未來重點要編制現有技術應用的規範,並提出技術改進的各種方法。根據我國電力系統運行、規劃、分析、控制、保護及EMS等系統的未來實際要求,確定與廣域測量系統接口、數據管理、分析和交換等各種相關課題。
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