广域测量技术在电力系统中的应用

广域测量技术在电力系统中的应用

摘要：阐述了广域实时动态监测系统对电力系统安全稳定运行的重要性，介绍了该系统在国内外的工程应用情况，概述了子站、主站和通信系统的结构及功能，探讨了广域动态监测系统面临的问题，展望了广城动态监测系统的发展方向和在电力系统中进一步的应用前景。

关键词：电力系统；广域测量系统；相里测量单元；全球定位系统应用广域网动态测量(Wide Area Measurement System，简称W AMS)技术可以在同一时间参考轴下获取大规模的电力系统实时动态信息和稳态信息，为电力系统的运行和控制提供了新的途径和方法。

电网动态安全监测系统是由同步相量测量单元(Phasor Measurement Unit，简称PMU)、高速数字通信设备、电网动态过程分析设备的有机组合体，是近年来发展起来的一项新技术，被称为电力系统三项前沿课题之一。

采用PMU技术能方便地实现相量测量、扰动监测，可直接反映系统的各种扰动，检测和记录电力系统的非常运行状态，将现有的监测由静态提高到动态水平。可实现动态电网安全稳定预警，最早时间内实现预先调整，最大程度地减小事故范围，是加强电网监测、提高安全预警能力和趋势分析的重要手段，同时也可为能量管理系统(EMS)、计算分析软件等提供实时数据，从而提高系统监测的实时性，为电网的安全稳定运行和电力市场服务。

1 WAMS在国内外的应用情况

20世纪90年代初期，基于全球定位系统(GPS)的相量测量单元PMU的成功研制，标志着同步相量技术的诞生。美国NYPA(NewY orkPowerAuthority)于1992年开始装设相量测量装置，除了用于相量测量以外，还用于系统谐波监测、系统扰动监测。

1995年，在美国能源部的支持下，广域电网监测系统/动态运行监测系统在美国西部电力联盟(WSCC)投人试运行，19%年8月10日美国西部大停电事故的数据在2min内就得到了分析，对恢复供电给出了准确的指导。此外，美国还运用W AMS技术进行负荷模型校正和系统振荡模式研究等。对系统模型的改进主要是通过W AMS系统记录故障信息，通过离线分析、计算，比较实测曲线，滚动修改模型。

法国电力公司的协调防御计划是由24个同步相量测量装置和位于控制中心的2台计算机组成。该计划于20世纪90年代初开始分步实施。控制中心的l台计算机用于决策处理，另1台用于分析系统状态行为。

日本应用W AMS技术开发了在线全局动态监测系统，用于低频振荡研究:在主要的厂站安装PMU，通过小波变化来提取振荡频率，在传统的电力系统稳定器(PSS)中加入广域信号，构成广域PSS。

韩国2002年9月投运8台PMU设备组成集中式系统，PMU数据更新速率为10Hz，每15min完成l次预想事故的稳定计算，实现暂态稳定控制。

西班牙Sevillanade Eleetrieidad电力公司专门使用WAMS测量的电压相角及幅值，大大简化状态估计。

我国PMU的研究起步于1995年，中国电力科学研究院引进台湾欧华科技有限公司的ADX3仪旧电网功角监测系统，从1995年开始组建了南方电网、华东电网、国调阳城一江苏输电线、福建一华东联络线实时功角监测装置。

1996年清华大学与黑龙江省电力公司合作，首次在黑龙江东部电网建成自主开发的PMU测量系统。此后在东北电网和广西电网都试验性安装了PMU监测系统。标志着我国对PMU的研究成果已初步具备产品化的条件。2002年，清华大学与北京四方同创保护与控制设备有限公司合作，共同开发了符合IEEE13科标准的CSS-200系列电网动态安全监测系统，成为我国第1个具有自主知识产权的广域测量系统。

东北电网于2004年初组建了实时动态监测系统。在2004年3月25日和2005年3月29日的2次东北电网大扰动试验中，该系统完整记录了2次扰动过程的数据，为事后分析提供了准确的数据。南瑞公司于2003年研制出PMU装里，在江苏、华北、河南和华东等电网安装。目前国内有接近50%的网(省)公司建成了或正在新建W AMS系统，这些建成的WAMS系统为电网扰动提供了可靠的事故后分析资料，在2005年9月1日内蒙古低频振荡事故下完整记录了整个扰动低频振荡的数据和波形;江苏电网在2005年10月28日系统出现扰动时也完整记录下扰动的波形和数据;2006年8.10桑美台风登陆时，造成华东电网甄海和宁德2个厂站的部分线路频繁故障跳闸，W AMS扰动识别应用正确，并记录下了相应的扰动情况。

2 PMU子站

2.1 PMU子站布点原则

由于现代电力系统的互联，电力系统规模日益庞大，对每个节点进行布点是没有必要的，也是不经济的。通常PMU的厂站选择应根据实现的功能不同而不同，主要可从暂态功角稳定、电压稳定、低频振荡、线路故障定位、参数测量及谐波测量等方面考虑。发电厂PMU的布点依据暂态功角稳定和低频振荡来确定，变电所PMU的布点依据其他方面来确定。

国家电力调度通信中心在2005年下发的《关于加强广域相量测量系统建设及实用化工作的要求》文件中指出了PMU的布点原则—应根据各电网的具体情况，在330kV及以上系统主网架上枢纽变电站和对系统稳定比较敏感的发电厂配备PMU。

2.2 功角测量方法

目前发电机的功角测量方法有两种:电气量估计法和直接测量法。

（1）电气量估计法

根据发电机内电势和机端电压及阻抗关系，利用机组参数及测量的发电机机端的三相电压、三相电流，来估算发电机功角及发电机内电势。该方法测量结果受机组参数影响，精度较低，只适宜稳态和动态测量，但工程实施较为简单，无需从机组内接线。

（2）直接测量法

利用内电势测量装置，接入从机组内引出的50Hz键相脉冲信号，以及机组A相电压，通过与GPS秒脉冲信号比对，得到发电机功角和发电机内电势。直接测量法要求现场机组具备键相信号引出结点，因此方法受机组条件限制，如果现场不能提供50H:的键相脉冲输出，则必须加装发电机转速传感器，实施较为复杂;优点是不受机组参数和暂态过程影响，内电势测量精度较高。

2.3 相量计算方法

相量数据处理单元计算相量的方法有傅立叶算法和过零点检测方法。

傅立叶算法通过灯D转换单元对三相电压、电流瞬时信号进行采样，经离散傅立叶变换得到三相的电压、电流相量值。在获得电压和电流的相量后可以计算