潘少華

（仙居縣供電局， 浙江 仙居 317300）

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

潘少華

（仙居縣供電局， 浙江 仙居 317300）

電壓穩(wěn)定在線監(jiān)控軟件實現(xiàn)了廣域測量系統(tǒng)的基本功能，如數(shù)據(jù)顯示、遠方控制、數(shù)據(jù)庫、事件記錄等。 在此基礎(chǔ)上又利用 Matcom 軟件將 MATLAB 強大的矩陣運算功能應用于 VC 中實現(xiàn)電壓穩(wěn)定指標的計算，實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的監(jiān)控。

電壓穩(wěn)定；廣域測量系統(tǒng)；同步相量測量單元；就地電壓穩(wěn)定指標；電壓穩(wěn)定監(jiān)控

0 引言

對于廣域電力系統(tǒng)，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法缺乏準確的共同時間標記，記錄數(shù)據(jù)只是局部有效，無法用于對全系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的分析。同步相量測量裝置（PhasorMeasurementUnit,PMU）和廣域 測量系 統(tǒng) （Wide Area Measurement System, WAMS）的提出解決了時間同步和空間廣域的問題，研發(fā)工作在國內(nèi)外方興未艾?；谌蚨ㄎ幌?統(tǒng) （Global Positioning System,GPS） 的 PMU 裝置能不間斷監(jiān)視和測量各母線電壓、電流幅值和相角， 通過 GPS 對測量的各種狀態(tài)量打上統(tǒng)一時標，為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析提供有效的實時數(shù)據(jù)。 基于 PMU 的 WAMS 系統(tǒng)， 以 PMU 為底層測量單元，經(jīng)通信系統(tǒng)將測量值傳送到數(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)進行實時監(jiān)測并實現(xiàn)其他高級功能。 基于 PMU 的 WAMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于 PMU 的 WAMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

1.1 基于相量測量的就地電壓穩(wěn)定指標

（1）阻抗模指標用 IZ表示：

式中：Zth為系統(tǒng)等值阻抗； ZLD為負荷等值阻抗。

當 IZ＜1 時， 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定， 且 IZ越小穩(wěn)定程度越高； IZ接近于 1 時， 說明系統(tǒng)臨近電壓失穩(wěn)；當 IZ=1 時， 系統(tǒng)達到電壓失穩(wěn)臨界； 當 IZ＞1 時，系統(tǒng)電壓失去穩(wěn)定。

（2）基于電壓相量投影關(guān)系的就地電壓穩(wěn)定指標用 IUP表示：

式 中 ： U 為 負 荷 節(jié) 點 電 壓 幅 值 ； Eth為 系 統(tǒng) 等 值 電源電壓幅 值； θu為 負荷 節(jié)點電 壓相角 ； θth為系統(tǒng)等值電源電壓相角。

當 IUP＞0 時 ， 系 統(tǒng) 電 壓 穩(wěn) 定 ， IUP越 接 近 于 0，系 統(tǒng) 越 接 近 電 壓 失 穩(wěn) 臨 界 ； 當 IUP=0 時 ， 系 統(tǒng) 達到電壓失穩(wěn)臨界； 當 IUP＜0 時， 系統(tǒng)電壓失去穩(wěn)定。

（3）基 于 電 壓 降 落 的 就 地 電 壓 穩(wěn) 定 指 標 以 IdU表示：

當 IdU＞1 時 ，系 統(tǒng) 電 壓 穩(wěn) 定 ，IdU越 接 近 1， 系統(tǒng) 越 接 近 電 壓 失 穩(wěn) 臨 界 ； 當 IdU=1 時 ， 系 統(tǒng) 達 到電壓 失 穩(wěn) 臨界 ； 當 IdU＜1 時 ， 系 統(tǒng)電壓失 去 穩(wěn)定。

1.2 戴維南等值系統(tǒng)參數(shù)的辨識

1.2.1 戴維南等值系統(tǒng)

對于任意的一個系統(tǒng)，從某一負荷節(jié)點看進去，均可以利用戴維南等值定理將其等值為一個電壓源經(jīng)等值阻抗向所研究負荷節(jié)點供電的兩節(jié)點系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 等值兩節(jié)點系統(tǒng)

對于圖2所示的等值兩節(jié)點系統(tǒng)，有：

表示成矩陣形式：

Y 和 H 矩陣中的元素可以利用 PMU 裝置直接測量得到，所以通過狀態(tài)估計即可求出戴維南等值系統(tǒng)參數(shù)。

1.2.2 遺忘遞推最小二乘法

最小二乘估計法是電力系統(tǒng)狀態(tài)估計中應用最為廣泛的方法之一。

對于量測相量方程 Y=HX+e（e 為誤差相量），按照誤差平方準則， 建立目標函數(shù) J， 則：

選擇一組X^使目標函數(shù)J為最小， 則：

解得：

即為靜態(tài)最小二乘狀態(tài)估計公式。

1.3 IZ， IUP， IdU指標的有效性

本設(shè)計以 WSCC 3 機 9 節(jié)點系統(tǒng)為例進行仿真，分析驗證電壓穩(wěn)定指標的有效性與準確性。

采用連續(xù)潮流計算靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點時獲得的一組運行點作為數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)窗每次連續(xù)記錄5個運行點，取各節(jié)點的電壓和電流相量進行曲線擬合，計算等值參數(shù)，然后計算穩(wěn)定性指標 IZ， IUP， IdU， 計算結(jié)果如表1-表3 所示。

（1）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節(jié)點 5， 6 和 8 的 IZ指標不斷增大， 到達臨界點時 IZ指 標分 別 等 于 0.968 1， 0.631 2 和 0.412 7，其中節(jié)點 5 的 IZ指標十分接近于 1，說明節(jié)點 5的電壓接近臨界點，這與事實相符。利用這種辦法可以判別節(jié)點5為系統(tǒng)電壓薄弱節(jié)點。

表1 節(jié)點5計算結(jié)果

表2 節(jié)點6計算結(jié)果

表3 節(jié)點8計算結(jié)果

（2）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節(jié)點 5， 6 和 8 的 IUP指標不斷減小， 到達臨界點時， IUP指標分別等于 0.008 2， 0.155 3 和 0.251 9，其中節(jié)點 5 的 IUP指標十分接近于 0， 說明節(jié)點 5的電壓接近臨界點，與事實相符。

（3）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節(jié)點 5， 6 和 8 的 IdU指標不斷減小， 到達臨界點時， IdU指標分別等于 1.021 9， 1.569 4 和 2.419 4，其中節(jié)點 5 的 IdU指標十分接近于 1，說明節(jié)點 5的電壓接近臨界點，與事實相符。

2 PMU配置及廣域測量系統(tǒng)通信規(guī)約

2.1 PMU 配置及算法

本次電網(wǎng)建模中，PMU 的配置方法采用最小生成樹法（Minimum Spanning Tree， MST）。

針對 3 機 9 節(jié)點的 PMU 配置， 采用 MST 應用PSAT 中的分析工具，得出 3 機 9 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)圖解， 最終分析得出 3機 9節(jié)點優(yōu)化配置后 PMU的數(shù)目為 3， 以及 PMU 的放置節(jié)點為節(jié)點 4， 7和 9。 根據(jù) PMU 配置規(guī)則可得出全網(wǎng)中各節(jié)點的同步相量數(shù)據(jù)。 配置了 PMU 的 3機 9節(jié)點模型如圖3所示。

圖3 配置了 PMU 的 3機 9節(jié)點模型

2.2 WAMS 通信規(guī)約

針對廣域測量系統(tǒng)中主站與子站 PMU 之間的通信互聯(lián)， 國家電力調(diào)度通信中心于 2006 年制定并頒布了 Q/GDW131-2006《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》， 對應 TCP/IP 參考模型的是應用層協(xié)議，并要求底層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用TCP。 PMU 能夠與其他系統(tǒng)進行信息交換， 可以和主站交換4種類型的信息：數(shù)據(jù)幀、配置幀、頭幀和命令幀。 前 3種幀由 PMU 發(fā)出，命令幀支持 PMU 與主站的雙向通信。 本次設(shè)計中考慮到軟件環(huán)境和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，采用了簡化的WAMS通信規(guī)約， 僅傳輸數(shù)據(jù)幀， 數(shù)據(jù)幀是 PMU的測量結(jié)果，傳輸?shù)臏y量量遵循幀傳輸次序表。

3 主要功能展示

3.1 電壓穩(wěn)定監(jiān)視

為了實時監(jiān)控系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，軟件具備指標監(jiān)視組件，通過點擊系統(tǒng)監(jiān)視，然后單擊指標監(jiān)視，即可彈出監(jiān)視窗口，通過柱狀圖直觀反映系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和穩(wěn)定狀態(tài)。本設(shè)計定義了4種穩(wěn)定狀態(tài)，分別是正常運行狀態(tài)、裕度偏低狀態(tài)、警戒運行狀態(tài)和臨界狀態(tài)，電壓穩(wěn)定性也依次降低，以 2D 柱狀圖或 3D 柱狀圖顯示，如圖4、圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫

圖4 2D 顯示指標狀態(tài)

圖5 3D 顯示指標狀態(tài)

圖6 母線參數(shù)監(jiān)視

基于 WAMS的系統(tǒng)可以實時獲取系統(tǒng)的動態(tài)信息，并且能夠在發(fā)生故障時記錄故障前后一定時間的信息。 設(shè)計添加了 PMU 數(shù)據(jù)庫的功能，使操作員能夠隨時查看歷史動態(tài)信息記錄。采用VC++的 DataGrid 控件與 ADO 控件， 通過 Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn) PMU 數(shù)據(jù)庫記錄功能以及事件記錄功能，如操作員登錄、越限信息和遙控信息等。

3.3 母線監(jiān)視

點擊系統(tǒng)監(jiān)視按鈕，選擇母線監(jiān)視，即可彈出各母線電壓相角監(jiān)視圖，如圖6所示，操作員可以實時監(jiān)控母線參數(shù)的變化，如果有異常，可以盡早做好預防。通過設(shè)置按鈕可以設(shè)定母線電壓的限值， 默認情況下上、 下限分別為1.05 和0.95。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了WSCC 3 機 9 節(jié) 點 仿 真 系 統(tǒng) 模 型 ， 利 用 MATLAB電力系統(tǒng)分析工具箱 PSAT 的仿真計算結(jié)果作為模擬 PMU 得到的同步相量數(shù)據(jù)， 然后通過簡化的PMU通信規(guī)約將該數(shù)據(jù)傳送給電壓穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)將接收到的通信報文解釋成各個數(shù)據(jù)量后，對數(shù)據(jù)進行計算和處理，得到就地電壓穩(wěn) 定 指 標 IZ， IUP和 IdU， 并 根 據(jù) 指 標 是 否 越 限 來 判定系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定程度。當系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定程度不滿足要求，即指標越限時，監(jiān)控系統(tǒng)彈出警告對話框并提示可行的操作， 包括 SVC 投切和切負荷等，當指標嚴重越限時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報。通過仿真計算和軟件演示，驗證了就地電壓穩(wěn)定指標的有效性和監(jiān)控系統(tǒng)的實用性，結(jié)果表明，該軟件設(shè)計合理、算法正確、可靠性高、使用便捷。

[1]鞠 平 ， 鄭 世 宇 ， 徐 群 ， 等.廣 域 測 量 系 統(tǒng) 研 究 綜 述[J].電力自動化設(shè)備，2004，24（7）∶37-40.

[2]賀仁睦.電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)的構(gòu)想[J].電力系統(tǒng)自動化，2002（5）∶1-4.

[3]熊 志 金 ， 陳 三 寶.基 于 嵌 入 式 Internet 的 電 力 系 統(tǒng) 在 線監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計[J].電 子 設(shè) 計 應 用 ，2003（9）∶49-51.

[4]傅旭，王錫凡.電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性在線監(jiān)控（二）—一種在線確定負荷裕度的方法[J].電力自動化設(shè)備，2005，25（9）∶25-28.

（本文編輯：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

潘少華（1968-）， 男， 浙江黃巖人， 工程師， 從事電力系統(tǒng)及其自動化工作。