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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要分析，并提出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
隨著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，已成為十分重要的問題。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著較多的問題：互聯系統的低頻振蕩問題及緊急控制等問題。如我國華中系統的低頻振蕩衰減時間較長，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。傳統的基于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蕩問題。基于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于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蕩模式、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為兩種模式，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。理論上最為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后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于實現上述自適應實時控制系統：
（1）對于 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，并判斷系統的穩定性。但由于電力系統在動力學上的復雜性，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為初始值，在巨型機或 PC 機群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）基于 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，然后對該模型進行超實時仿真，得到系統未來的受擾軌跡，并判斷系統的穩定性。這種方法的可靠性比第一種方法好，同時僅基于WAMS 提供的實測信息，不需知道第二種方法必需的故障后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 得到的故障后一小段時間內的實測量為輸入向量，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，這種方法相當于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后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為不可能有確定的改善，相反存在著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過程中曾有過由于相互協調而使低頻振蕩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，為進一步開發相互協調動作的電力系統穩定器打下基礎。基于廣域測量系統，PSS可以觀察動作以后系統各點的響應情況，并根據系統的狀態，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
基于廣域測量系統，人們可以開發較為慢速的廣域控制，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、無功及頻率等綜合信息開發以下控制：基于響應的快速控制，該控制措施包括發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，基于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并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，并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
相對于暫態穩定問題，靜態電壓穩定和頻率穩定屬于慢動態的范疇，更易于利用 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模糊神經網絡作為電壓
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