电力系统电压稳定在线监控系统设计

潘少华

（仙居县供电局， 浙江 仙居 317300）

电力系统电压稳定在线监控系统设计

潘少华

（仙居县供电局， 浙江 仙居 317300）

电压稳定在线监控软件实现了广域测量系统的基本功能，如数据显示、远方控制、数据库、事件记录等。 在此基础上又利用 Matcom 软件将 MATLAB 强大的矩阵运算功能应用于 VC 中实现电压稳定指标的计算，实现对电网电压稳定性的监控。

电压稳定；广域测量系统；同步相量测量单元；就地电压稳定指标；电压稳定监控

0 引言

对于广域电力系统，传统的电力系统数据采集方法缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，无法用于对全系统安全稳定性的分析。同步相量测量装置（PhasorMeasurementUnit,PMU）和广域 测量系 统 （Wide Area Measurement System, WAMS）的提出解决了时间同步和空间广域的问题，研发工作在国内外方兴未艾。基于全球定位系 统 （Global Positioning System,GPS） 的 PMU 装置能不间断监视和测量各母线电压、电流幅值和相角， 通过 GPS 对测量的各种状态量打上统一时标，为电力系统电压稳定分析提供有效的实时数据。 基于 PMU 的 WAMS 系统， 以 PMU 为底层测量单元，经通信系统将测量值传送到数据采集器，经过一定的数据处理后对电力系统进行实时监测并实现其他高级功能。 基于 PMU 的 WAMS系统结构如图1所示。

图1 基于 PMU 的 WAMS系统结构

1 系统设计的理论基础

1.1 基于相量测量的就地电压稳定指标

（1）阻抗模指标用 IZ表示：

式中：Zth为系统等值阻抗； ZLD为负荷等值阻抗。

当 IZ＜1 时， 系统电压稳定， 且 IZ越小稳定程度越高； IZ接近于 1 时， 说明系统临近电压失稳；当 IZ=1 时， 系统达到电压失稳临界； 当 IZ＞1 时，系统电压失去稳定。

（2）基于电压相量投影关系的就地电压稳定指标用 IUP表示：

式 中 ： U 为 负 荷 节 点 电 压 幅 值 ； Eth为 系 统 等 值 电源电压幅 值； θu为 负荷 节点电 压相角 ； θth为系统等值电源电压相角。

当 IUP＞0 时 ， 系 统 电 压 稳 定 ， IUP越 接 近 于 0，系 统 越 接 近 电 压 失 稳 临 界 ； 当 IUP=0 时 ， 系 统 达到电压失稳临界； 当 IUP＜0 时， 系统电压失去稳定。

（3）基 于 电 压 降 落 的 就 地 电 压 稳 定 指 标 以 IdU表示：

当 IdU＞1 时 ，系 统 电 压 稳 定 ，IdU越 接 近 1， 系统 越 接 近 电 压 失 稳 临 界 ； 当 IdU=1 时 ， 系 统 达 到电压 失 稳 临界 ； 当 IdU＜1 时 ， 系 统电压失 去 稳定。

1.2 戴维南等值系统参数的辨识

1.2.1 戴维南等值系统

对于任意的一个系统，从某一负荷节点看进去，均可以利用戴维南等值定理将其等值为一个电压源经等值阻抗向所研究负荷节点供电的两节点系统，如图2所示。

图2 等值两节点系统

对于图2所示的等值两节点系统，有：

表示成矩阵形式：

Y 和 H 矩阵中的元素可以利用 PMU 装置直接测量得到，所以通过状态估计即可求出戴维南等值系统参数。

1.2.2 遗忘递推最小二乘法

最小二乘估计法是电力系统状态估计中应用最为广泛的方法之一。

对于量测相量方程 Y=HX+e（e 为误差相量），按照误差平方准则， 建立目标函数 J， 则：

选择一组X^使目标函数J为最小， 则：

解得：

即为静态最小二乘状态估计公式。

1.3 IZ， IUP， IdU指标的有效性

本设计以 WSCC 3 机 9 节点系统为例进行仿真，分析验证电压稳定指标的有效性与准确性。

采用连续潮流计算静态电压稳定临界点时获得的一组运行点作为数据输入。数据窗每次连续记录5个运行点，取各节点的电压和电流相量进行曲线拟合，计算等值参数，然后计算稳定性指标 IZ， IUP， IdU， 计算结果如表1-表3 所示。

（1）从表1-表3 可看出， 在电压临界点附近，节点 5， 6 和 8 的 IZ指标不断增大， 到达临界点时 IZ指 标分 别 等 于 0.968 1， 0.631 2 和 0.412 7，其中节点 5 的 IZ指标十分接近于 1，说明节点 5的电压接近临界点，这与事实相符。利用这种办法可以判别节点5为系统电压薄弱节点。

表1 节点5计算结果

表2 节点6计算结果

表3 节点8计算结果

（2）从表1-表3 可看出， 在电压临界点附近，节点 5， 6 和 8 的 IUP指标不断减小， 到达临界点时， IUP指标分别等于 0.008 2， 0.155 3 和 0.251 9，其中节点 5 的 IUP指标十分接近于 0， 说明节点 5的电压接近临界点，与事实相符。

（3）从表1-表3 可看出， 在电压临界点附近，节点 5， 6 和 8 的 IdU指标不断减小， 到达临界点时， IdU指标分别等于 1.021 9， 1.569 4 和 2.419 4，其中节点 5 的 IdU指标十分接近于 1，说明节点 5的电压接近临界点，与事实相符。

2 PMU配置及广域测量系统通信规约

2.1 PMU 配置及算法

本次电网建模中，PMU 的配置方法采用最小生成树法（Minimum Spanning Tree， MST）。

针对 3 机 9 节点的 PMU 配置， 采用 MST 应用PSAT 中的分析工具，得出 3 机 9 节点网络图解， 最终分析得出 3机 9节点优化配置后 PMU的数目为 3， 以及 PMU 的放置节点为节点 4， 7和 9。 根据 PMU 配置规则可得出全网中各节点的同步相量数据。 配置了 PMU 的 3机 9节点模型如图3所示。

图3 配置了 PMU 的 3机 9节点模型

2.2 WAMS 通信规约

针对广域测量系统中主站与子站 PMU 之间的通信互联， 国家电力调度通信中心于 2006 年制定并颁布了 Q/GDW131-2006《电力系统实时动态监测系统技术规范》， 对应 TCP/IP 参考模型的是应用层协议，并要求底层网络传输协议采用TCP。 PMU 能够与其他系统进行信息交换， 可以和主站交换4种类型的信息：数据帧、配置帧、头帧和命令帧。 前 3种帧由 PMU 发出，命令帧支持 PMU 与主站的双向通信。 本次设计中考虑到软件环境和系统结构的要求，采用了简化的WAMS通信规约， 仅传输数据帧， 数据帧是 PMU的测量结果，传输的测量量遵循帧传输次序表。

3 主要功能展示

3.1 电压稳定监视

为了实时监控系统的电压稳定性，软件具备指标监视组件，通过点击系统监视，然后单击指标监视，即可弹出监视窗口，通过柱状图直观反映系统的稳定裕度和稳定状态。本设计定义了4种稳定状态，分别是正常运行状态、裕度偏低状态、警戒运行状态和临界状态，电压稳定性也依次降低，以 2D 柱状图或 3D 柱状图显示，如图4、图5所示。

3.2 数据库

图4 2D 显示指标状态

图5 3D 显示指标状态

图6 母线参数监视

基于 WAMS的系统可以实时获取系统的动态信息，并且能够在发生故障时记录故障前后一定时间的信息。 设计添加了 PMU 数据库的功能，使操作员能够随时查看历史动态信息记录。采用VC++的 DataGrid 控件与 ADO 控件， 通过 Access数据库实现 PMU 数据库记录功能以及事件记录功能，如操作员登录、越限信息和遥控信息等。

3.3 母线监视

点击系统监视按钮，选择母线监视，即可弹出各母线电压相角监视图，如图6所示，操作员可以实时监控母线参数的变化，如果有异常，可以尽早做好预防。通过设置按钮可以设定母线电压的限值， 默认情况下上、 下限分别为1.05 和0.95。

4 结语

电力系统电压稳定在线监控系统设计了WSCC 3 机 9 节 点 仿 真 系 统 模 型 ， 利 用 MATLAB电力系统分析工具箱 PSAT 的仿真计算结果作为模拟 PMU 得到的同步相量数据， 然后通过简化的PMU通信规约将该数据传送给电压稳定监控系统。监控系统将接收到的通信报文解释成各个数据量后，对数据进行计算和处理，得到就地电压稳 定 指 标 IZ， IUP和 IdU， 并 根 据 指 标 是 否 越 限 来 判定系统的电压稳定程度。当系统的电压稳定程度不满足要求，即指标越限时，监控系统弹出警告对话框并提示可行的操作， 包括 SVC 投切和切负荷等，当指标严重越限时，监控系统发出警报。通过仿真计算和软件演示，验证了就地电压稳定指标的有效性和监控系统的实用性，结果表明，该软件设计合理、算法正确、可靠性高、使用便捷。

[1]鞠 平 ， 郑 世 宇 ， 徐 群 ， 等.广 域 测 量 系 统 研 究 综 述[J].电力自动化设备，2004，24（7）∶37-40.

[2]贺仁睦.电网动态实时监控及管理系统的构想[J].电力系统自动化，2002（5）∶1-4.

[3]熊 志 金 ， 陈 三 宝.基 于 嵌 入 式 Internet 的 电 力 系 统 在 线监 控 系 统 设 计[J].电 子 设 计 应 用 ，2003（9）∶49-51.

[4]傅旭，王锡凡.电力系统静态电压稳定性在线监控（二）—一种在线确定负荷裕度的方法[J].电力自动化设备，2005，25（9）∶25-28.

（本文编辑：徐 晗）

Design of Online Monitoring System for Voltage Stability in Power System

PAN Shao-hua
（Xianju Power Supply Bureau，Xianju Zhejiang 317300，China）

The online voltage stabilitymonitoring software achieves the basic functions ofwide areameasurement system， such as data display， remote control， database， event log etc.On that basis,the Matcom software is used to apply the powerfulmatrix calculation function ofMATLAB to the VC to achieve voltage stability index calculation in order to perform the power grid voltage stabilitymonitoring.

voltage stability； wide area measurement system； synchronized phasormeasurement unit； local voltage stability index；voltage stabilitymonitoring

TM714.2

： B

： 1007-1881（2011）12-0016-04

2011-10-21

潘少华（1968-）， 男， 浙江黄岩人， 工程师， 从事电力系统及其自动化工作。