广域测量系统在电力系统中的应用研究

童进波，胡非，杨绍春，林秋华，王彦康，吴晗

(1.华能景洪水电厂，云南 景洪 666100;2.黄石供电公司，湖北 黄石 435000;3.安徽省安庆供电公司，安徽 安庆 246000)

1 引言

广域测量系统WAMS(Wide Area Measurement System)主要源自电力系统时间上同步和空间上广域的要求，利用全球定位系统GPS(Global Position System)时钟同步，进行广域电力系统状态测量。WAMS是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一，其核心技术是相角测量单元PMU。

PMU(phase measurement united)的研究起步于20世纪80年代的美国，1982～1986年处于概念阶段，1986～1988年处于试验装置阶段，1988～1991年处于系统中试运行阶段。1992年以后工业产品问世，当时的采样频率达到2 880Hz，A/D16位。标准化工作，在1995年诞生了 IEEE 1344，2001年修订为 C37.118。目前，美国西部WECC系统安装了近50台PMU主要用于动态记录和模型修正。北美WECC系统(包括BPA，SCE，ISO)安装了47台的PMU，监视约1200个信号，主要用于动态记录、分析和建模。TVA经过优化设计，在600条线路中的69条主干线上安装了PMU，可以观测到整个系统，美国的许多电力公司都安装了PMU，少则2台，多则10多台。在欧洲，西班牙的CSE首次将PMU信息用于状态估计，法国东南部系、北欧系统、英国电网也都部分安装了PMU。

国内在相角测量方面处于起步阶段，电力科学研究院、清华大学和上海交通大学等都已开展这方面的研究工作。南瑞公司于2003年研制出PMU装置，在江苏、华北、河南和华东等电网安装。东北电网于2004年初组建了实时动态监测系统。在2004年3月25日和2005年3月29日的2次东北电网大扰动试验中，该系统完整记录了2次扰动过程的数据，为事后分析提供了准确的数据。目前国内有接近50%的网(省)公司建成了或正在新建WAMS系统，这些建成的WAMS系统为电网扰动提供了可靠的事故后分析资料，在2005年9月1日内蒙古低频振荡事故下完整记录了整个扰动低频振荡的数据和波形;江苏电网在2005年10月28日系统出现扰动时也完整记录下扰动的波形和数据;2006年8月10日桑美台风登陆时，造成华东电网甄海和宁德2个厂站的部分线路频繁故障跳闸，WAMS扰动识别应用正确，并记录下了相应的扰动情况。

2 PMU测量原理

PMU是基于全球定位系统(GPS)的相量测量单元，它是多功能信号采集系统，不仅要完成对电压相角的实时测量以获得参考相位角，还能实现对电压、电流、有功的实时测量与计算，最后将数据帧送至调度中心。

其基本原理为:GPS接收器给出1pps(1个脉冲每秒)信号，锁相振荡器将其划分成一定数量的脉冲用于采样，滤波处理后的交流信号经A/D转换器量化，微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。对三相相量，微处理器采用对称分量法计算出正序相量。依照IEEE标准1344-1995规定的形式将正序相量、时间标记等装配成报文，通过专用通道传送到远端的数据集中器。数据集中器收集来自各个PMU的信息为全系统的监视、保护和控制提供数据。相角的测量是相量测量中的关键，时间误差1ms就会带来18°工频相角误差，测量误差若要求达到0.1°的话，那么时间同步精度应为5μs，GPS的1PPS脉冲信号与国际标准时间(UCT)同步误差小于1μs，可以保证相位测量。

3 WAMS的应用

3.1 全网动态过程记录及事故分析

3.1.1 动态过程安全分析

在系统扰动的动态过程中，会出现频率下降，电压下降，稳定破坏，系统震荡等现象，在这一过程中，涉及到电压稳定，功角稳定及频率稳定问题。

(1)频率稳定

同步相量测量技术提供了一种监视频率动态过程的方法，同时监视系统各点的频率动态情况可以对系统的运行状态作出准确预测，以提高系统在线安全稳定分析的精度;

(2)功角稳定

在电力系统的稳定分析与控制研究中，电力系统的功角稳定是最早受到关注并给与认真研究的问题，其分析方法比较成熟，控制手段也比较多。功角稳定是一个涉及到广域范围发电机相互作用的动态问题，广域测量系统提供了功角数据，加强了系统的状态的可观性，提高了一些稳定装置的动作选择性。目前某些系统分析方法，结合广域测量系统提供的频率和相量，可以对系统进行更有效的控制。

3.1.2 电压稳定分析

基于广域测量系统提供的同步状态量信息，人们可以建立系统关键节点的安全失稳预测目标函数。目前有学者采用系统等值阻抗和电压来计算出系统电压的稳定边缘。

电压稳定控制系统从广域测量系统取得若干节点稳定指标后，进行全局的比较，若发现有某些节点的指标进入电压稳定边缘，立即执行协调控制措施，同时，广域测量系统反馈电压稳定控制的效果，控制系统根据反馈效果，进行进一步调整，从而形成电压稳定的闭环控制系统。实际上，这也是广域范围的电压协调控制。

3.1.3 在线安全监测

实时动态安全监测系统能够实时监测系统振荡和系统其他状态变化情况，当系统受到扰动时，调度员根据监测系统提供的动态信息统一调度电网运行，能有效平息系统振荡，从而避免大停电事故的发生，实时动态安全监测系统提高了调度员准确把握系统状态的能力，能有效阻止事故蔓延，提高电网运行的可靠性。

(1)直接检测

直接检测不需要状态评估和紧急状态仿真，它使用广域测量系统提供的实时数据，可以提供系统状态的标志。直接检测包括无功监测和功角监测;

(2)动态安全监测

基于广域测量系统和EMS的状态估计，可以对系统进行实施频谱分析等数据分析，得出系统的振荡模式，并在此基础上，可以进行系统的动态安全的分析与检测。

3.2 电力系统动态模型辨识及模型校正

一个正确有效的电力系统动态模型是对所有电力系统进行动态分析和控制的起点。目前对于既定模型的分析和研究已经很多，但模型本身的有效性却没有得到认真的评估，例如，1996年8月10日的WSCC系统大停电事故并不能依据WSCC一直采用的动态参数库通过计算机仿真重现。电力系统动态模型可在各离散时间点上差分化为一系列非线性方程，利用WAMS获取的全网动态过程的时间序列信息可以进行电力系统动态模型辨识及模型校正，提高电力系统动态建模尤其是负荷建模的准确性。

3.3 稳态分析

PMU可以直接测量所装节点的电压幅值和相角，避免了一般潮流计算或状态估计的迭代过程，并且其测量精度较高，可以和现有的SCADA系统相结合提高系统状态估计的精度。随着电力电子设备、高压直流输电装置及电弧炉、调速电动机等非线性负荷不断被引入电力系统，谐波问题日益严重，文献［1，2］提出了基于相量测量的电力系统谐波状态估计方法，将全系统范围内的谐波状态估计问题转化为多个单母线系统的状态估计问题，降低了问题的求解难度。文献［3］采用线性矩阵不等式方法，给出了带有不确定时延的离散时间系统的时滞依赖稳定性判据，并在此基础上给出了离散时间系统带时滞的状态反馈控制器的设计方法;在基于WAMS的闭环电力系统动态稳定分析及控制方面，有人推导出一种新的线性多时滞系统稳定判据，该判据采用辐角原理来判定线性多时滞系统的特征方程在复平面的右半平面是否有根。这种判据不涉及任何符号计算，对系统阶次和时滞空间的维数不敏感，因此可以判定高阶多时滞系统的稳定性。同时，该判据是线性多时滞系统稳定的充要条件，可以无保守地判定高阶多时滞线性系统的稳定性。

3.4 暂态稳定预测及控制

当前投入实际工业应用的稳定控制系统可分为两种模式即“离线计算、实时匹配”和“在线预决策、实时匹配”。但分析表明，大停电往往由“不可预见”的连锁故障引起，在这种情况下，以上两种稳定控制系统很可能无法响应。理论上最为完美的稳定控制系统模式是“超实时计算、实时匹配”。这种模式假设在故障发生后进行快速的暂态分析以确定系统是否会失稳，若判断系统失稳则给出相应的控制措施以保证系统的暂态稳定性。这种稳定控制系统的整个分析计算、命令传输、执行过程的时间极短，理论上可以对任何导致系统暂态失稳的故障给出相应的稳定控制措施，达到对各种系统运行工况、各种故障类型的完全自适应。

WAMS在以下几方面的应用有助于实现上述自适应实时控制系统:

(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;

(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。这种方法的可靠性比第一种方法好，同时仅基于WAMS提供的实测信息，不需知道第二种方法必需的故障后系统动态模型的先验知识，应该是目前比较有前途的方法。

3.5 低频振荡分析及抑制

随着大电网的互联，区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行构成了威胁。WAMS可望在分析和抑制低频振荡方面发挥作用。

通常仅基于本地信息的阻尼控制器(如PSS)不能很好地抑制区域间的低频振荡，因为本地信息并不能很好反映区域间的振荡模式，本地信号对于区域间的振荡模式的可观测性不好。WAMS的出现为抑制区域间的低频振荡提供了强有力的工具，可通过WAMS获取区域间的发电机相对转子角和转子角速度信号等全局信息作为阻尼控制器的反馈信号构成闭环控制。文献［4］将采用WAMS信号的区间阻尼控制器附加到发电机励磁控制器中，达到抑制区域间振荡的目的;采用WAMS信号作为控制器输入时，需要引起重视的是WAMS信号的时滞(Time Delay)问题，考虑时滞后闭环系统成为一个时滞系统，若时滞过大可能引起闭环系统的不稳定，文献［4］采用最小二乘预测算法由历史PMU测量序列得到控制器当前的反馈输入。

3.6 全局反馈控制

目前的电力系统控制研究领域一直强调分散性/就地性，在提高全系统稳定性上有一定局限性。随着WAMS的出现和发展，研究和实现基于WAMS信号的全局信息反馈与控制成为可能。

在全局反馈控制研究中如何选择适当的远方信号作为反馈信号是一个重要问题，为了考虑电力系统的固有非线性，文献［5］研究了基于WAMS信号的全局非线性励磁控制器，仿真结果表明，与完全分散的非线性励磁控制相比，这种全局非线性励磁控制可进一步提高系统的暂态稳定性。文献［6］基于WAMS提供的全局实时信号，将通过联络线互联的两个区域等值成一个两机系统，然后采用直接线性化技术设计了联络线上的TCSC控制器，数值仿真结果表明，所设计的基于WAMS信号的全局TCSC控制器有效提高了互联系统的暂态稳定性。在全局反馈控制的研究中，同样存在远方反馈信号的时滞问题，有必要采用时滞系统控制理论加以分析研究，以探明时滞对全局反馈控制的影响。另外，对于非线性全局控制，如何根据特定的控制目标选择合适的远方反馈信号也是一个值得研究的问题。

3.7 电压、频率稳定监视及控制

相对于暂态稳定问题，静态电压稳定和频率稳定属于慢动态的范畴，更易于利用WAMS信息实现稳定监视和控制。如文献［7］利用WAMS得到的各节点电压相量测量值将系统等值成两节点系统，能快速给出电压稳定裕度;文献［8］以各节点电压相量测量值作为输入变量，以潮流雅克比矩阵的最小奇异值作为电压稳定指标，用大量样本训练得到一个模糊神经网络作为电压稳定分类器，输出变量为很安全、安全、警戒、危险、很危险等5种电压安全水平;文献［9］首先利用WAMS提供的实测信息辨识出一个用于电压稳定分析的系统动态模型，然后基于该模型预测系统的电压稳定性。目前，利用WAMS提供的实时信息进行电压稳定性监视和预测已有不少研究，但如何利用WAMS进行电压稳定控制方面的研究还较少。文献［10］首先基于WAMS提供的实测信息辨识出一个用于低频减载的系统动态模型，然后基于该模型预测系统的频率稳定性，并对某一给定的频率门槛值(控制目标)给出应该切除的负荷量，该方法避免了传统低频减载装置的整定困难、时滞、过切等问题。

3.8 故障定位及线路参数测量

故障定位系统对保持电力系统正常运行、快速排除故障有重要意义。故障定位的方法主要有阻抗法和行波法两种，阻抗法在原理上不能排除故障过渡电阻的影响，而行波法不受过渡电阻的影响。无论采用阻抗法还是行波法，采用输电线路双端量测量的方案在理论上都明显优于仅采用单端量测量的方案。WAMS的发展使同一时标下精确的双端测量成为可能，从而可以大大提高故障定位的精度。C.W.Liu等人关于应用PMU进行故障定位的一系列研究成果，提出了一种基于PMU的自适应故障定位方法，其基本思想是利用PMU获得的输电线路实时电压、电流相量在线辨识出线路参数，并采用一种改进的离散傅立叶变换提取暂态电气量中的基频分量，从而消除线路参数变化、测量误差和随机干扰对故障定位精度的影响;他们还提出了当输电线路有串联补偿装置时基于PMU的故障定位方法，与常规方法不同，这种方法不需要串联补偿元件的精确数学模型和运行状态的先验知识，适用于各种对线路电流没有附加相移的串联FACTS元件，EMTP仿真结果表明该方法达到了极高的故障定位精度(99.95%)。

3.9 WAMS在系统保护的应用

总的来说，在继电保护领域，广域测量系统有两个主要的应用:(1)建立系统保护;(2)增加传统保护的目适应性。

传统的继电保护主要集中于元件保护，比如线路保护、母线保护、变压器保护等;传统的保护用来隔离、保护故障元件，保证系统的其它部分继续正常工作。

系统保护用来避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故。系统保护并不针对个别元件故障，而是保护整个系统的安全稳定运行。系统保护通过识别系统的各种运行状态:正常状态、警戒状态、紧急状态和恢复状态，来判断系统是否处于紧急状态，并通过各种保护措施，使系统恢复到正常状态。

系统保护基于广域测量系统及灵活的保护措施，系统的稳定保护、控制将形成最终的统一方案;失步保护是传统保护中的最难设计的保护之一，广域测量系统提供给失步保护功角数据，用于失步解列就使大电网失步保护设计迎刃而解。广域测量技术提供系统的同步状态量，辅以高速通信手段，可以弥补传统保护信息的某些缺点，从而加强传统保护的自适应性。

4 结论

WAMS给电力系统中一系列问题的研究提供了新的视角和方法，探讨WAMS在电力系统中各种可能的新的应用，尤其是基于WAMS技术构建大规模互联电力系统的广域安全监测及控制系统将是很有意义的研究方向。

目前阶段仍需要从理论及工程上对以下问题作进一步的深入研究:

(1)基于稳定预测原理，开发在线快速的稳定预警及控制系统，实现电力系统稳定的快速协调控制;

(2)研究工程上实用的基于WAMS的低频振荡协调优化控制方法，解决大区互联电网的低频振荡问题;

(3)随着相量测量技术逐步成熟，如何利用相量测量的结果是研究的重点。在稳态方面，相对来说做了不少的研究。但暂态方面研究相对来说就少的多，目前只是对两机系统有了实用案例，但是对于多机系统理论和实际都没有大的突破;

(4)全局控制系统:以分布式系统代替原有以EMS为中心的集中式系统是未来电力系统发展的趋势，研究如何利用全局的PMU量来协调各个局部的控制使全局最优;

(5)参数辨识和检验模型仿真结果:PMU出现后，如何将原有的模型和参数与PMU量测值进行结合;

(6)低频振荡分析与控制:各个PSS如何协调，考虑通信时延时怎样控制算法;

(7)全网同步监测和事故分析以及界面可视化:实时提供系统中的故障、振荡、失步和运行量越界等报警信息，能够记录扰动后的详细信息，同时开发友好的人机界面，使必要时操作员做出正确的策略;

(8)电压和频率稳定评估和控制:电压稳定是一个相对慢过程，因此利用PMU更容易来实现。目前仅限于对两机系统的研究。研究关键负荷点的电压裕度和崩溃情况，如何预测电压失稳，以及电压控制装置如何和保护协调。稳定控制和系统保护一体化，PMU可提供系统全局的量，这为研究新型保护提供了很好的机会，保护和控制是否有必要一体化。

［1］吴笃贵，徐政.基于相量量测的电力系统谐波状态估计(I)——理论、模型与求解方法［J］.电工技术学报，2004，19(2):64-68.

WU Du-gui，XU Zheng.Power System Harmonic State Estimation Based on Phasor Measurements(I)——Theory、Model and Solution Algorithm［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(2):64-68.

［2］吴笃贵，徐政.基于相量量测的电力系统谐波状态估计(II)——可观性、质量评估与算例研究［J］.电工技术学报，2004，19(3):76-81.

WU Du-gui，XU Zheng.Power System Harmonic State Estimation Based on Phasor Measurements(II)——Observability Analysis，Quality Evaluation Algorithm and Example Studies［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(3):76-81.

［3］O.Sename，D.Simon，D.Robert.Feedback Scheduling for Realtime Control of Systems with Communication Delays［J］.Proceedings ETFA’03.IEEE Conference Volume 2，16-19 Sept.2003.

［4］谢小荣，肖晋宇，童陆园，等.采用广域量测信号的互联电网区间阻尼控制［J］.电力系统自动化，2004，28(2):37-40.

XIE Xiao-rong，XIAO Jin-ning，TONG Lu-yuan，etal.Inter-area Damping Control of Interconnected Power Systems Using Wide-area Measurements［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28(2):37-40.

［5］常乃超，郭志忠.基于广域量测的全局非线性控制［J］.中国电机工程学报，2004，24(2):43-48.

CHANG Nai-chao，GUO Zhi-zhong.Global Nonlinear Excitation Control Based on Wide-area Measurements［J］.Proceedings of the Csee，2004，24(2):43-48.

［6］Yu C S，Liu C W.Self-correction two-machine equivalent model for stability control of FACT system using real-time phasor measurements［J］.IEE Proceedings-Generation，Transmission and Distribution，2002，149(4):389-396.

［7］黄志刚，邬炜，韩英铎.基于同步相量测量的电压稳定评估算法［J］.电力系统自动化，2002，26(2):28-33.

Huang Zhi-gang，Wu Wei，Han Ying-duo.An Algorthm for Voltage Stability Assessment Based on Synchronized Phasor Measurement［J］.Automation of Electric Power Systems，2002，26(2):28-33.

［8］Liu C W，Chang C C，Su M C.Neuro-fuzzy networks for voltage security monitoring based on synchronized phasor measurements［J］.IEEE Trans on Power Systems，1998，13(2):326-332.

［9］Rehtanz C，Bertsch J.Wide area measurement and protection system for emergency voltage stability control［C］.IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2002，2:842-847.

［10］Larsson M，Rehtanz C.Predictive frequency stability control based on wide-area phasor measurements［C］.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2002，1:233-238.