智能電網(wǎng)背景下我國(guó)廣域測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀綜述

荊睿，唐如

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

1 引言

智能電網(wǎng)是國(guó)內(nèi)外對(duì)新一代電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)。它將先進(jìn)的測(cè)量傳感技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子設(shè)備等高度集成，可以對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的監(jiān)控，并進(jìn)而采取相應(yīng)的措施［1］。智能電網(wǎng)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控以及基于此的應(yīng)用功能，離不開廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide-Area Measurement System，WAMS)的幫助。

基于相量測(cè)量單元(Phasor Measurement Unit，PMU)和現(xiàn)代通信技術(shù)的WAMS實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)功角和母線電壓相量的實(shí)時(shí)測(cè)量，將電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)水平監(jiān)測(cè)提高到動(dòng)態(tài)水平監(jiān)測(cè)。相關(guān)學(xué)者［1，2］認(rèn)為WAMS是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。本文將重點(diǎn)討論近兩年來我國(guó)基于WAMS技術(shù)的應(yīng)用研究對(duì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)可能存在的幫助。

2 智能電網(wǎng)簡(jiǎn)述

智能電網(wǎng)是將來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，世界各國(guó)都對(duì)其給予了高度重視。美國(guó)奧巴馬政府2009年上任伊始就提出了包含智能電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃，宣布鋪設(shè)3000英里輸電線路，并為全國(guó)4000萬用戶安裝智能電表，隨后奧巴馬簽署《美國(guó)恢復(fù)和再投資法案》，進(jìn)一步加大對(duì)智能電網(wǎng)的扶持力度，并計(jì)劃在未來安裝至少850臺(tái)PMU，實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)電網(wǎng)的完全覆蓋［3］。

2009年5 月，國(guó)家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞提出了我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略:以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，按照安全可靠、自愈可調(diào)的要求，構(gòu)建統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)［4］。由于能源基地與負(fù)荷中心分布的不平衡，使得我國(guó)智能電網(wǎng)必須向著“遠(yuǎn)距離、大容量、特高壓、互聯(lián)化”的方向發(fā)展，在此背景下，具有“時(shí)鐘同步、空間廣域”特點(diǎn)的WAMS技術(shù)將會(huì)發(fā)揮重要作用。

3 WAMS技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自愈性和堅(jiān)強(qiáng)性是智能電網(wǎng)的兩個(gè)重要特點(diǎn)，自愈性是指能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷并迅速隔離故障隱患;而堅(jiān)強(qiáng)性則是指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)或發(fā)生故障的情況下，仍然能夠保持供電［1］。WAMS技術(shù)為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)自愈提供了強(qiáng)有力的支持。

2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析

電網(wǎng)安全預(yù)警是實(shí)現(xiàn)自愈的重要前提，而電網(wǎng)穩(wěn)定性分析則是實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的關(guān)鍵。在我國(guó)智能電網(wǎng)“堅(jiān)強(qiáng)互聯(lián)”的背景下，大規(guī)?；ヂ?lián)也會(huì)增加系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、頻率失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。智能電網(wǎng)可以根據(jù)WAMS提供的信息對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)估，并采取智能決策規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

2.1.1 電壓穩(wěn)定

利用WAMS的量測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)［6］計(jì)算單電源功率傳輸?shù)戎迪到y(tǒng)參數(shù)及負(fù)荷裕度指標(biāo)，克服了基于參數(shù)辨識(shí)的指標(biāo)不能對(duì)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓穩(wěn)定評(píng)估的缺陷。傳統(tǒng)的電壓穩(wěn)定靜態(tài)分析法矩陣運(yùn)算量較大且不能很好地計(jì)及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，為了克服此缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［7］利用廣域測(cè)量數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了由節(jié)點(diǎn)電壓在小擾動(dòng)下迭代不收斂所引起的電壓?jiǎn)握{(diào)失穩(wěn)模式，引入PV節(jié)點(diǎn)的靈敏度等效導(dǎo)納來實(shí)時(shí)修正節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，較好地計(jì)及了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，適于互聯(lián)電網(wǎng)的在線電壓穩(wěn)定監(jiān)控。

2.1.2 頻率穩(wěn)定

頻率是反映電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。文獻(xiàn)［8］根據(jù)直角坐標(biāo)潮流二次方程及其泰勒展開式，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)注入功率增量表達(dá)式，建立穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測(cè)方程并利用擾動(dòng)后瞬間系統(tǒng)廣域量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)頻率，但是該算法在構(gòu)建預(yù)測(cè)方程時(shí)矩陣運(yùn)算量大，較為復(fù)雜;文獻(xiàn)［9］對(duì)文獻(xiàn)［8］中的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測(cè)方程進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行FORTRAN編程，通過蒙特卡洛法求解實(shí)現(xiàn)了快速算法。

2.2 低頻振蕩分析及抑制

低頻振蕩阻礙了電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及區(qū)域間的功率交換，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)解列乃至崩潰。準(zhǔn)確、及時(shí)的振蕩模式分析和有效的振蕩抑制對(duì)我國(guó)構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)有著重大現(xiàn)實(shí)意義。

WAMS對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量為低頻振蕩的分析帶來了新的契機(jī)。文獻(xiàn)［10］將奇異熵用于模態(tài)階數(shù)的提取，以WAMS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，直接分析系統(tǒng)的固有振蕩模式;文獻(xiàn)［11］結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與隨機(jī)子空間辨識(shí)算法，基于發(fā)電機(jī)有功功率的動(dòng)態(tài)量測(cè)信息，進(jìn)行低頻振蕩辨識(shí)與分析的研究。

對(duì)于低頻振蕩問題，除了準(zhǔn)確的分析，還需要進(jìn)行有效的抑制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer，PSS)是目前抑制低頻振蕩最普遍的辦法，但是PSS受限于本地信息，對(duì)于區(qū)域間的低頻振蕩不能發(fā)揮有效的抑制作用。而采用WAMS信號(hào)的廣域阻尼控制器的出現(xiàn)為抑制區(qū)間振蕩提供了有力的工具。文獻(xiàn)［12，13］分別提出了基于開關(guān)控制和運(yùn)用細(xì)菌群體趨藥性優(yōu)化的廣域阻尼控制器(Wide Area Damping Controller，WADC)設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)［14］在 WADC 的基礎(chǔ)上提出了一種電力系統(tǒng)廣域附加區(qū)間阻尼控制器設(shè)計(jì)的直接迭代方法。當(dāng)以WAMS信號(hào)作為控制輸入時(shí)，將會(huì)引入WAMS信號(hào)的時(shí)滯問題，如果時(shí)滯過大，將會(huì)給系統(tǒng)帶來不良影響，文獻(xiàn)［12，13］均已采取相關(guān)措施抑制信號(hào)的時(shí)滯。

2.3 故障定位與診斷

故障的快速準(zhǔn)確定位和診斷是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈的基礎(chǔ)，也是防止大停電、保證系統(tǒng)可靠性的前提。

基于PMU的量測(cè)數(shù)據(jù)，故障定位將變得更加精確容易。傳統(tǒng)的單端測(cè)距法無法克服過渡電阻對(duì)其測(cè)距精度的影響，文獻(xiàn)［15］在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，形成網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，故障發(fā)生后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，用變步長(zhǎng)搜索技術(shù)定位故障線路和確定故障位置。該方法僅需要配置有限的PMU，不受故障類型和過渡電阻的影響。

隨著電力系統(tǒng)構(gòu)造的日益復(fù)雜，三端或多端線路在未來電網(wǎng)中必將更加普遍，文獻(xiàn)［16］將N端線路的故障測(cè)距問題轉(zhuǎn)化為T型線路的故障測(cè)距問題，在PMU幫助下由離參考端最遠(yuǎn)的母線推算離參考端最近的T節(jié)點(diǎn)電壓、電流，在該T節(jié)點(diǎn)和參考端之間利用雙端測(cè)距算法求出故障距離，克服了以往方法在各T節(jié)點(diǎn)附近有測(cè)距死區(qū)的缺點(diǎn)。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和日益復(fù)雜、各種新技術(shù)的不斷使用成熟，電網(wǎng)中來源于各種應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息大大增加，如何妥善進(jìn)行信息融合并利用好這些數(shù)據(jù)信息來為電網(wǎng)的故障診斷服務(wù)成了一個(gè)熱門研究方向。文獻(xiàn)［17－19］提出了基于信息融合的故障診斷方法，其中文獻(xiàn)［17］將監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition System，SCADA)、廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)和保護(hù)故障信息管理系統(tǒng)(RPMS)提供的信息進(jìn)行融合，構(gòu)建基于多層信息融合的故障診斷輔助決策架構(gòu)，將概率 Petri網(wǎng)和WAMS數(shù)據(jù)結(jié)合用于輔助決策中的特征層融合;文獻(xiàn)［18］結(jié)合WAMS、SCADA和RPMS構(gòu)造多源信息融合的故障診斷法，采用小波能量譜分析、改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蘊(yùn)含時(shí)序貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障特征提取，采用改進(jìn)D－S證據(jù)理論進(jìn)行信息融合，并由模糊C－均值聚類方法實(shí)現(xiàn)故障診斷;而文獻(xiàn)［19］在文獻(xiàn)［17，18］的基礎(chǔ)上提出了分層多源的診斷方法，將SCADA開關(guān)量和多源信息融合作為兩個(gè)層次，以SCADA開關(guān)量實(shí)現(xiàn)單一故障診斷，結(jié)合開關(guān)量和WAMS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多元件故障診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過討論WAMS技術(shù)在智能電網(wǎng)中可能存在的應(yīng)用，指出了WAMS是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，將為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其功能提供巨大幫助。為了讓W(xué)AMS技術(shù)在智能電網(wǎng)中發(fā)揮更大作用，筆者認(rèn)為在WAMS現(xiàn)有的應(yīng)用功能之上，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行更加深入的研究:

(1)充分挖掘和利用測(cè)量數(shù)據(jù)，將WAMS擴(kuò)展成智能化的輸電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng);

(2)加強(qiáng)PMU最優(yōu)配置的研究，滿足系統(tǒng)可觀性和經(jīng)濟(jì)性的要求;

(3)基于WAMS開發(fā)高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)、分析和決策;

(4)加強(qiáng)WAMS技術(shù)在智能變電、智能配電、智能用電和智能調(diào)度等方面的研究。

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