智能电网背景下我国广域测量系统的应用研究现状综述

荆睿，唐如

(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410076)

1 引言

智能电网是国内外对新一代电网研究的热点。它将先进的测量传感技术、控制技术、通信技术、计算机技术和电力电子设备等高度集成，可以对系统状态进行实时、动态、连续的监控，并进而采取相应的措施［1］。智能电网要想实现对系统状态的实时动态监控以及基于此的应用功能，离不开广域测量系统(Wide-Area Measurement System，WAMS)的帮助。

基于相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)和现代通信技术的WAMS实现了对发电机功角和母线电压相量的实时测量，将电力系统的稳态水平监测提高到动态水平监测。相关学者［1，2］认为WAMS是构建智能电网的关键基础技术之一。本文将重点讨论近两年来我国基于WAMS技术的应用研究对实现智能电网可能存在的帮助。

2 智能电网简述

智能电网是将来电网发展的必然趋势，世界各国都对其给予了高度重视。美国奥巴马政府2009年上任伊始就提出了包含智能电网的经济复苏计划，宣布铺设3000英里输电线路，并为全国4000万用户安装智能电表，随后奥巴马签署《美国恢复和再投资法案》，进一步加大对智能电网的扶持力度，并计划在未来安装至少850台PMU，实现对美国电网的完全覆盖［3］。

2009年5 月，国家电网公司总经理刘振亚提出了我国智能电网的发展战略:以特高压电网为骨干网架，按照安全可靠、自愈可调的要求，构建统一的坚强智能电网［4］。由于能源基地与负荷中心分布的不平衡，使得我国智能电网必须向着“远距离、大容量、特高压、互联化”的方向发展，在此背景下，具有“时钟同步、空间广域”特点的WAMS技术将会发挥重要作用。

3 WAMS技术的应用研究现状

自愈性和坚强性是智能电网的两个重要特点，自愈性是指能够实时动态监控系统运行状态，及时发现和诊断并迅速隔离故障隐患;而坚强性则是指系统在受到扰动或发生故障的情况下，仍然能够保持供电［1］。WAMS技术为智能电网实现坚强自愈提供了强有力的支持。

2.1 电力系统稳定分析

电网安全预警是实现自愈的重要前提，而电网稳定性分析则是实现安全预警的关键。在我国智能电网“坚强互联”的背景下，大规模互联也会增加系统出现电压、频率失稳的风险。智能电网可以根据WAMS提供的信息对相关风险进行分析评估，并采取智能决策规避风险的发生。

2.1.1 电压稳定

利用WAMS的量测数据，文献［6］计算单电源功率传输等值系统参数及负荷裕度指标，克服了基于参数辨识的指标不能对联络节点进行电压稳定评估的缺陷。传统的电压稳定静态分析法矩阵运算量较大且不能很好地计及系统的动态变化，为了克服此缺点，文献［7］利用广域测量数据，推导了由节点电压在小扰动下迭代不收敛所引起的电压单调失稳模式，引入PV节点的灵敏度等效导纳来实时修正节点导纳矩阵，较好地计及了系统的动态变化，适于互联电网的在线电压稳定监控。

2.1.2 频率稳定

频率是反映电力系统运行状态的一个重要参数。文献［8］根据直角坐标潮流二次方程及其泰勒展开式，推导节点注入功率增量表达式，建立稳态频率预测方程并利用扰动后瞬间系统广域量测数据，计算扰动后的稳态频率，但是该算法在构建预测方程时矩阵运算量大，较为复杂;文献［9］对文献［8］中的稳态频率预测方程进行改进，进行FORTRAN编程，通过蒙特卡洛法求解实现了快速算法。

2.2 低频振荡分析及抑制

低频振荡阻碍了电网规模的扩大以及区域间的功率交换，甚至会导致系统解列乃至崩溃。准确、及时的振荡模式分析和有效的振荡抑制对我国构建坚强智能电网有着重大现实意义。

WAMS对全局数据的实时动态测量为低频振荡的分析带来了新的契机。文献［10］将奇异熵用于模态阶数的提取，以WAMS实测数据为依据，直接分析系统的固有振荡模式;文献［11］结合经验模态分解与随机子空间辨识算法，基于发电机有功功率的动态量测信息，进行低频振荡辨识与分析的研究。

对于低频振荡问题，除了准确的分析，还需要进行有效的抑制。电力系统稳定器(Power System Stabilizer，PSS)是目前抑制低频振荡最普遍的办法，但是PSS受限于本地信息，对于区域间的低频振荡不能发挥有效的抑制作用。而采用WAMS信号的广域阻尼控制器的出现为抑制区间振荡提供了有力的工具。文献［12，13］分别提出了基于开关控制和运用细菌群体趋药性优化的广域阻尼控制器(Wide Area Damping Controller，WADC)设计方案，文献［14］在 WADC 的基础上提出了一种电力系统广域附加区间阻尼控制器设计的直接迭代方法。当以WAMS信号作为控制输入时，将会引入WAMS信号的时滞问题，如果时滞过大，将会给系统带来不良影响，文献［12，13］均已采取相关措施抑制信号的时滞。

2.3 故障定位与诊断

故障的快速准确定位和诊断是智能电网实现自愈的基础，也是防止大停电、保证系统可靠性的前提。

基于PMU的量测数据，故障定位将变得更加精确容易。传统的单端测距法无法克服过渡电阻对其测距精度的影响，文献［15］在系统正常运行情况下，形成网络关联系数矩阵，故障发生后，根据网络关联系数矩阵，用变步长搜索技术定位故障线路和确定故障位置。该方法仅需要配置有限的PMU，不受故障类型和过渡电阻的影响。

随着电力系统构造的日益复杂，三端或多端线路在未来电网中必将更加普遍，文献［16］将N端线路的故障测距问题转化为T型线路的故障测距问题，在PMU帮助下由离参考端最远的母线推算离参考端最近的T节点电压、电流，在该T节点和参考端之间利用双端测距算法求出故障距离，克服了以往方法在各T节点附近有测距死区的缺点。

随着电网规模的不断扩大和日益复杂、各种新技术的不断使用成熟，电网中来源于各种应用系统的数据信息大大增加，如何妥善进行信息融合并利用好这些数据信息来为电网的故障诊断服务成了一个热门研究方向。文献［17－19］提出了基于信息融合的故障诊断方法，其中文献［17］将监控与数据采集系统(Supervisory Control And Data Acquisition System，SCADA)、广域测量系统(WAMS)和保护故障信息管理系统(RPMS)提供的信息进行融合，构建基于多层信息融合的故障诊断辅助决策架构，将概率 Petri网和WAMS数据结合用于辅助决策中的特征层融合;文献［18］结合WAMS、SCADA和RPMS构造多源信息融合的故障诊断法，采用小波能量谱分析、改进RBF神经网络、蕴含时序贝叶斯网络进行故障特征提取，采用改进D－S证据理论进行信息融合，并由模糊C－均值聚类方法实现故障诊断;而文献［19］在文献［17，18］的基础上提出了分层多源的诊断方法，将SCADA开关量和多源信息融合作为两个层次，以SCADA开关量实现单一故障诊断，结合开关量和WAMS数据实现多元件故障诊断。

4 结语

本文通过讨论WAMS技术在智能电网中可能存在的应用，指出了WAMS是构建智能电网的关键基础技术之一，将为智能电网实现其功能提供巨大帮助。为了让WAMS技术在智能电网中发挥更大作用，笔者认为在WAMS现有的应用功能之上，还需要在以下几个方面进行更加深入的研究:

(1)充分挖掘和利用测量数据，将WAMS扩展成智能化的输电网监控系统;

(2)加强PMU最优配置的研究，满足系统可观性和经济性的要求;

(3)基于WAMS开发高级应用系统，实现智能预测、分析和决策;

(4)加强WAMS技术在智能变电、智能配电、智能用电和智能调度等方面的研究。

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