广域系统

广域测量系统

前言（引言）

随着电力系统总容量的不断增加、网络结构的不断扩大、超高压长距离输电线路的增多以及用户对电能质量要求的逐渐提高，对电网的安全稳定提出了更高的要求。建立可靠的电力系统运行监视、分析和控制系统，以保证电网的安全经济运行，已成为十分重要的问题。近来受到广泛关注的广域测量系统（Wide-area measurement system，WAMS）可能在一定程度上缓解目前对大规模互联电力系统进行动态分析与控制的困难。

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(New York Power Authority)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[1]。

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——江苏输电线、福建——华东联络线实时功角监测装置。

电网广域监测系统采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元（PMU），实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。采集数据通过电力调度数据网络实时传送到广域监测主站系统，从而提供对电网正常运行与事故扰动情况下的实时监测与分析计算，并及时获得并掌握电网运行的动态过程。WAMS作为电网动态测量系统，兼顾了SCADA系统和故障录波系统的功能。其前置单元相量测量装置PMU能够以数百Hz的速率采集电流、电压信息，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向主站发送。PMU通过全球定位系统（GPS）对时，能够保证全网数据的同步性，时标信息与数据同时存储并发送到主站。因此，WAMS能够使调度人员实时监视到电网的动态过程。

（1）对于WAMS提供的系统动态过程的时间序列响应，直接应用某种时间序列预测方法或人工智能方法预测系统未来的受扰轨迹，并判断系统的稳定性。

但由于电力系统在动力学上的复杂性，这种直接外推方法的可靠性值得怀疑。

（2）以WAMS提供的系统故障后的状态为初始值，在巨型机或PC机群上进行电力系统超实时暂态时域仿真，得到系统未来的受扰轨迹，从而判断系统的稳定性。仅就算法而言，这种方法是可靠的，但在连锁故障的情况下，控制中心未必知道该方法需要的电力系统动态模型；再者，该方法要求的时域仿真的超实时度较高，目前对大规模系统而言可能还存在困难。

（3）基于WAMS提供的系统动态过程的时间序列响应，首先利用某种辨识方法得到一个简化的系统动态模型，然后对该模型进行超实时仿真，得到系统未来的受扰轨迹，并判断系统的稳定性。

当前广域测量系统（WAMS）的PMU装置以GPS为采样基准，能全网同步采集机组和线路的电压、电流以及重要的开关保护信号；并能计算得到电压和电流相量、频率和频率变化率、机组和线路功率、发电机内电势(功角)以及根据机组键相信号实测机组功角；同时还能提供扰动触发的暂态记录[2]。

2、WAMS组成功能

1、PMU子站

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。

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、WAMS主站

WAMS主站和EMS主站同在第一数据安全区，WAMS主站用于动态监测，且将与安全稳定控制结合，EMS系统用于静态监测，两个主站的计算机系统通常应分别配置。

通信前置服务器接收PMU上送的实时数据。实时数据服务器接收通信前置服务器和互联网关的数据构造实时数据库(RTDB)，响应分析工作站、图形终端等的实时数据请求，向分析工作站和图形终端等提供实时数据服务，并定期将过期数据转存到历史数据库。历史数据库保存WAMS系统记录的动态数据，宜采用磁盘阵列保存数据，数据库应为通用商业数据库[3]。Web服务器位于第3类数据安全区，通过数据安全隔离设备从主站历史数据库或实时数据库获得数据并存人Web服务器的数据库。高级应用服务器从实时数据库获得数据，在线分析电网的动态过程，对异常情况给出报警或触发主站数据记录。

目前在国内已经投运的WAMS系统中，几乎全都采用ORACLE的关系数据库作为动态信息的历史数据库[6]。这一方面是因为EMS系统中的商用数据库一直是关系数据库，另一方面还没有发现更好的适用于PMU动态数据的商用数据库。随着PMU布点的增多，WAMS的历史数据库必须采取特别的处理措施来确保其性能满足动态信息的存储需求，否则很难满足大量海量的数据存储，而Pl 数据储存(PI Data Storage)是为有效地处理和储存实时数据而专门设计的，非常适合于类似WAMS的实时动态系统[9]。

WAMS主站功能：

（1）动态监测功能

实时监测是广域测量系统应用到调度台上的重要功能。根据WAMS直接测量母线电压角度的优势，实现与角度相关的静态和动态过程监视、发电机功角监视;根据WAMS数据密度大，实时性强的优势，应重点实现功率、频率、电压等调度常规监测物理量的动态过程监视。以曲线图的形式同时显示频率、电压、潮流的动态过程，曲线动态过程连续无间断，以协助调度运行人员观察调度操作或自动控制措施的效果[5]。

（2）系统低频振荡在线分析

随着电网的互联，系统规模的扩大，近年来国内电网低频振荡屡有发生，因此WAMS要实现对低频振荡的实时判别，能连续跟踪电网的电压相对相角、频率和功率动态曲线，实时计算分析动态曲线的频谱，当发现在0.2一2.SH:范围内较强的弱阻尼振荡分量存在时，向调度运行人员发出告警信息，在电网区域图上标注异常区域，同时触发数据平台高速记录当前的实时数据。

目前通常采用PRONY算法进行低频振荡的在线分析。PRONY算法用指数函数的l个线性组合来描述等间距采样数据的数学模型，后经过适当扩充，形成了能够直接估算给定信号的频率、衰减、幅值和初相的算法[8]。PRONY算法是针对等间距采样点，假设模型是一系列的具有任意振幅、相位、频率和衰减因子的指数函数的线性组合。

（3）历史数据管理

在电网出现扰动后，快速集中各PMU子站和相关主站的记录数据，供系统分析人员使用，并能根据用户要求自动生成曲线图和报表。