基于廣域測量系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性研究

郭 翔，黃瀟文，茍 競

(1.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550002;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

隨著負荷的增長，復(fù)雜化與大范圍是地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，安全性與穩(wěn)定性將成為地區(qū)電網(wǎng)運行的主要計算和分析內(nèi)容［1］。

廣域測量系統(tǒng)具有良好的實時特性，能夠在同一參考時間框架下捕捉到大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)多地點的實時動態(tài)、穩(wěn)態(tài)信息，為電力系統(tǒng)潮流計算、狀態(tài)估計、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、頻率穩(wěn)定分析和反饋控制等提供數(shù)據(jù)支撐。隨著廣域測量系統(tǒng)的發(fā)展，其在一定程度上能夠緩解大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)動態(tài)分析和控制上的難題。

貴州電網(wǎng)位于南方電網(wǎng)中部，作為主要送端電網(wǎng)，其西電東送輸電系統(tǒng)具有典型的長距離、多回和交直流并聯(lián)等特點。目前，貴州電網(wǎng)通過青巖—河池500 kV雙回線、興仁—天二500 kV線路、安龍—天二和興義—天二220 kV線路以及貴廣2回直流(高肇直流、興安直流)與南方電網(wǎng)相連，2007年夏季向南方電網(wǎng)送電規(guī)模達5 700 MW。貴州電網(wǎng)已經(jīng)形成較為堅強的“日”形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)已全部打開。一旦500 kV變壓器跳閘后將導(dǎo)致與其相聯(lián)的220 kV電網(wǎng)與主網(wǎng)解列運行，解列地區(qū)電網(wǎng)可能出現(xiàn)大幅度的頻率上升。

主網(wǎng)解列運行和地區(qū)電網(wǎng)解列運行的問題雖然歸屬不同層次，但其安全穩(wěn)定措施的相互配合具有重要意義，廣域測量系統(tǒng)在地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行中的應(yīng)用能夠為其提供新的視角。

1 WAMS的概念與架構(gòu)

廣域測量系統(tǒng)(wide－area measurement system，WAMS)是以相量測量單元(phase measurement unit，PMU)為底層測量單元，經(jīng)通信系統(tǒng)將測量值實時傳送到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后對電力系統(tǒng)運行進行動態(tài)監(jiān)測及實現(xiàn)其他高級功能的系統(tǒng)。相量測量單元作為廣域測量系統(tǒng)的核心部件，能夠利用全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)的授時功能，給以相量形式測量到的各節(jié)點或者線路的各種狀態(tài)量打上時標的一種測量裝置。

WAMS系統(tǒng)一般主要包括處于調(diào)度中心的主站服務(wù)器(包括超級相量數(shù)據(jù)集中器super phasor data concentrator，super PDC等)、分布于系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點的子站(即同步相量測量單元PMU以及相量數(shù)據(jù)集中器PDC)以及聯(lián)系兩者的高速數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)組成。其拓撲結(jié)構(gòu)一般采用主站—子站樹狀層級結(jié)構(gòu)。

子站位于發(fā)電廠或變電站，是以其為基礎(chǔ)安裝的同步相量測量裝置，其性能的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在三方面:可靠性、準確性和實時性。而PMU同步采樣精度的提高和海量數(shù)據(jù)壓縮是其關(guān)鍵技術(shù)兩大方面，主要涉及時標精度提高、失去GPS信號時的高精度守時鐘、系統(tǒng)頻率變化下的自適應(yīng)采樣和相量數(shù)據(jù)無損壓縮等技術(shù)環(huán)節(jié)。

主站位于調(diào)度中心，一般由基礎(chǔ)平臺及之上的高層應(yīng)用功能組成，用于對子站實時動態(tài)測量的數(shù)據(jù)進行接收、管理、儲存、轉(zhuǎn)發(fā)、分析等步驟。其關(guān)鍵技術(shù)涉及基于電力系統(tǒng)動態(tài)特征識別的運行狀態(tài)監(jiān)測與告警技術(shù)、WAMS與現(xiàn)存監(jiān)測系統(tǒng)(SCADA/EMS)數(shù)據(jù)的交互整合、基于數(shù)據(jù)挖掘的實時相量數(shù)據(jù)分析處理和分類儲存技術(shù)、自適應(yīng)廣域保護、在線穩(wěn)定計算分析及其安穩(wěn)控制技術(shù)等。

2 地區(qū)電網(wǎng)PMU優(yōu)化配置

PMU具有較高成本，如何在系統(tǒng)中的PMU優(yōu)化配置，成為WAMS在地區(qū)電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵。優(yōu)化配置問題通常以保證系統(tǒng)完全可觀測下PMU配置最少為目標。

若一個含有n條母線的電力系統(tǒng)，設(shè)m維測量向量z包含有m個電壓和電流的量測值，n維狀態(tài)向量x包含有2n－1個狀態(tài)變量，則系統(tǒng)量測方程為

式中，H為m×(2n－1)維測量矩陣;e為m維測量誤差向量。進一步將向量z分解為電壓向量zU和電流向量zI，同時把狀態(tài)向量x分解為量測向量VM和非量測向量VC，則式(1)變?yōu)?/p>

式中，I為單位矩陣;YIM和YIC分別為網(wǎng)絡(luò)支路的串聯(lián)和并聯(lián)導(dǎo)納矩陣。

系統(tǒng)拓撲可觀測性的判斷可通過式(3)得到。

式(3)意味著測量矩陣滿秩，系統(tǒng)完全滿足可觀測性的條件。

圖1 PMU優(yōu)化配置算法流程

深度優(yōu)先算法(depth first，DF):深度優(yōu)先算法基于網(wǎng)絡(luò)圖論。該方法以在系統(tǒng)中連接最多支路的母線上配置一臺PMU作為初始步驟，若存在連接最多支路數(shù)目的母線有一條以上的情況，則隨機選取其中任意一條母線配置初始PMU，并據(jù)此規(guī)則繼續(xù)配置，直到整個電網(wǎng)達到可觀測。DF算法只是基于深度最大原則，缺陷在于增加了PMU的重復(fù)配置，難以保證在可觀測條件下的PMU配置最少。深度優(yōu)先算法的主要流程如圖1(a)所示。

模擬退火算法(simulated annealing，SA):模擬退火算法可以簡單描述為，模擬退火過程是在給定結(jié)構(gòu)后，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的隨機游動?；谀M退火的優(yōu)化方法，在優(yōu)化過程中，不用考慮初始配置原則確定出的必須配置和不必配置的節(jié)點，采用模擬退火法減少PMU的數(shù)量，優(yōu)化配置位置，直至配置最優(yōu)。在傳統(tǒng)模擬退火算法的發(fā)展基礎(chǔ)上，發(fā)展出了考慮靈敏度約束的系統(tǒng)可觀測下采用模擬退火法達到最優(yōu)PMU配置的方法。顯而易見，模擬退火算法詳細地考慮了各種規(guī)則，具有良好的收斂性，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，算法的收斂速度成為模擬退火算法的缺陷，模擬退火算法的主要流程如圖1(b)所示。

最小生成樹算法(minimum spanning tree，MST):從原理上看，可以理解為一種改進的深度優(yōu)先算法。MST算法以電網(wǎng)中每條母線進行枚舉，執(zhí)行n次運算，根據(jù)上一步得到的配置方案，重新放置PMU到最初安裝這臺PMU的節(jié)點相連的母線上，以能否實現(xiàn)系統(tǒng)可觀測性為判據(jù)，判定這個方案的保留與否。另外，若系統(tǒng)中存在純傳輸節(jié)點，即每個配置方案都取出一臺PMU仍使得系統(tǒng)可觀，那么PMU數(shù)目就可以減少。MST算法的流程如圖1(c)所示，它利用不同的初始配置進行多次迭代求解，將尋找能最大限度覆蓋全網(wǎng)的母線j作為尋優(yōu)規(guī)則，綜合提高了算法的收斂速度和收斂效果。

N－1安全遞歸算法:事實上，某條線路或者某個PMU的故障影響到整個系統(tǒng)的可觀測性。以上幾種算法均是在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和PMU裝置完全可靠工作的情況下的最優(yōu)配置。所以，優(yōu)化配置問題應(yīng)該考慮由故障引起的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化的情況，即優(yōu)化配置方法應(yīng)該具有解的多樣性。N－1安全遞歸算法是基于這一點，發(fā)展出的PMU最優(yōu)配置算法。該算法的核心是N－1安全規(guī)則，該算法流程如圖1(d)所示。

3 地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用研究

地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用方框圖見圖2。

3.1 系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測

目前，電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測系統(tǒng)電壓、電流和功率，與系統(tǒng)穩(wěn)定關(guān)系密切的相角特性只能離線計算。通過PMU監(jiān)測電網(wǎng)各節(jié)點不同母線間的相角差，可直接計算出系統(tǒng)潮流分布。電力系統(tǒng)中用于控制電壓幅值的無功注入與負荷特性及傳輸中的無功損耗密切相關(guān)。

當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變或發(fā)生事故而產(chǎn)生振蕩時，功角δ可直接反映系統(tǒng)的潮流和穩(wěn)定程度，振蕩過程直接反映在功角變化上。電網(wǎng)各樞紐節(jié)點上的相量信息可用于指導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制措施和調(diào)度策略。

3.2 狀態(tài)估計及穩(wěn)定預(yù)測控制

圖2 地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用

傳統(tǒng)的狀態(tài)估計是根據(jù)各測量點的遙測量(有功、無功、電壓、電流)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，利用非線性方程的求解方法求出狀態(tài)量。PMU能夠提供相角量測，作為系統(tǒng)潮流計算中的松弛節(jié)點直接帶入方程，為狀態(tài)估計提供更準確的狀態(tài)解。

首先，改寫方程如下。

其中，△Xm、△Xe分別為配置和未配置PMU的母線電壓相量狀態(tài)偏差。

對已配置PMU母線構(gòu)建附加方程為

其中，當節(jié)點 i配有 PMU 時，Ma、Fa、Ga、Na對應(yīng)的行矢量只有一個非零元素位于第i列;同理節(jié)點j;當i、j同時配有PMU時，則對應(yīng)行矢量完全相同，由此建立狀態(tài)方程如下。

同步相量測量實時監(jiān)測全系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象的進程，為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析提供了新的途徑。其提供的狀態(tài)變量及導(dǎo)出量不僅用于觀測，同時可通過一定的指標計算，預(yù)測未來一段時間內(nèi)系統(tǒng)運行的可靠性，并依此采取相應(yīng)的保護和控制措施。

“離線計算、實時匹配”和“在線與決策、實時匹配”成為目前實際應(yīng)用系統(tǒng)中的兩個主流。但由連鎖故障引起的“不可預(yù)見性事故”威脅著電網(wǎng)安全與穩(wěn)定，WAMS系統(tǒng)在地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用能夠在縱向上為區(qū)域電網(wǎng)和地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度人員提供實時信息，為“超實時計算、實時匹配”提供了基礎(chǔ)，提升地區(qū)電網(wǎng)整體安全性。

3.3 系統(tǒng)模型驗證與參數(shù)校正

電力系統(tǒng)的設(shè)計、監(jiān)視、控制、保護及運行和維護等，都需依據(jù)一定的系統(tǒng)模型參數(shù)。模型的有效性，是電力系統(tǒng)動態(tài)分析和控制的起點，而模型的有效性并沒有得到評估。因為SCADA數(shù)據(jù)采集在非統(tǒng)一時標下完成，對于同一個斷面的電力系統(tǒng)狀態(tài)不能有效反映。WAMS的時間序列信息能夠為系統(tǒng)模型辨識和參數(shù)校正提供支持，保障地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)模型的有效性和實時性，為地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供支撐。

3.4 系統(tǒng)廣域保護與故障定位

作為簡單快速的保護方式，傳統(tǒng)電流縱差保護因時鐘同步精度不高，在對長線路進行保護時存在多種困難。在GPS時鐘同步下，若采樣同步誤差小于1 μs，電流值帶上時間標簽后送到對端，可簡單完成線路縱差保護。

目前的故障定位方法分為行波法和阻抗法，而以行波法為基礎(chǔ)的單端測量和雙端測量成為目前故障定位主要采用的方式，總體來說，行波法優(yōu)于阻抗法，雙端測量優(yōu)于單端測量，WAMS的發(fā)展，為統(tǒng)一時標下精確雙端故障定位奠定了基礎(chǔ)，提高了定位精度。對于故障原因電網(wǎng)發(fā)生解列之后，縮短了地區(qū)電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)安全穩(wěn)定運行的時間。

3.5 故障錄波

通過配置PMU記錄動態(tài)過程全相量參數(shù)(幅值、相角、瞬時頻率、正序分量)。在同一參考時間框架下，全網(wǎng)動態(tài)過程的信息能夠被PMU記錄，實現(xiàn)故障錄波功能。動態(tài)過程信息，既可以上傳至地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度中心進行實時監(jiān)視和控制，也可以對事故進行分析。

4 結(jié)論與展望

以WAMS為依托，通過總結(jié)WAMS在系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測、狀態(tài)估計及穩(wěn)定預(yù)測控制、系統(tǒng)模型驗證與參數(shù)校正、系統(tǒng)廣域保護與故障定位、故障錄波等方面的應(yīng)用，針對地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的要求對WAMS的應(yīng)用進行了相關(guān)探索。

快速仿真和建模是一個自愈系統(tǒng)的必備條件，傳統(tǒng)的模式識別的電網(wǎng)靜態(tài)安全分析方法有較高的快速性，如能進一步有機結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)信息提供其準確性，可為快速的仿真與建模做出有益的探索。

基于WAMS技術(shù)構(gòu)建地區(qū)電力系統(tǒng)的廣域安全監(jiān)測及控制系統(tǒng)將作為一個獨特視角，同時，多元化與統(tǒng)一建模、多源信息融合、超實時仿真、全網(wǎng)數(shù)字化與協(xié)同決策技術(shù)將進一步促進地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行高層應(yīng)用與控制的發(fā)展。

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