荊睿，唐如

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410076)

1 引言

智能電網(wǎng)是國內(nèi)外對新一代電網(wǎng)研究的熱點。它將先進的測量傳感技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電力電子設備等高度集成，可以對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時、動態(tài)、連續(xù)的監(jiān)控，并進而采取相應的措施［1］。智能電網(wǎng)要想實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)控以及基于此的應用功能，離不開廣域測量系統(tǒng)(Wide-Area Measurement System，WAMS)的幫助。

基于相量測量單元(Phasor Measurement Unit，PMU)和現(xiàn)代通信技術(shù)的WAMS實現(xiàn)了對發(fā)電機功角和母線電壓相量的實時測量，將電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)水平監(jiān)測提高到動態(tài)水平監(jiān)測。相關(guān)學者［1，2］認為WAMS是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎技術(shù)之一。本文將重點討論近兩年來我國基于WAMS技術(shù)的應用研究對實現(xiàn)智能電網(wǎng)可能存在的幫助。

2 智能電網(wǎng)簡述

智能電網(wǎng)是將來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，世界各國都對其給予了高度重視。美國奧巴馬政府2009年上任伊始就提出了包含智能電網(wǎng)的經(jīng)濟復蘇計劃，宣布鋪設3000英里輸電線路，并為全國4000萬用戶安裝智能電表，隨后奧巴馬簽署《美國恢復和再投資法案》，進一步加大對智能電網(wǎng)的扶持力度，并計劃在未來安裝至少850臺PMU，實現(xiàn)對美國電網(wǎng)的完全覆蓋［3］。

2009年5 月，國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞提出了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略:以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，按照安全可靠、自愈可調(diào)的要求，構(gòu)建統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)［4］。由于能源基地與負荷中心分布的不平衡，使得我國智能電網(wǎng)必須向著“遠距離、大容量、特高壓、互聯(lián)化”的方向發(fā)展，在此背景下，具有“時鐘同步、空間廣域”特點的WAMS技術(shù)將會發(fā)揮重要作用。

3 WAMS技術(shù)的應用研究現(xiàn)狀

自愈性和堅強性是智能電網(wǎng)的兩個重要特點，自愈性是指能夠?qū)崟r動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和診斷并迅速隔離故障隱患;而堅強性則是指系統(tǒng)在受到擾動或發(fā)生故障的情況下，仍然能夠保持供電［1］。WAMS技術(shù)為智能電網(wǎng)實現(xiàn)堅強自愈提供了強有力的支持。

2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析

電網(wǎng)安全預警是實現(xiàn)自愈的重要前提，而電網(wǎng)穩(wěn)定性分析則是實現(xiàn)安全預警的關(guān)鍵。在我國智能電網(wǎng)“堅強互聯(lián)”的背景下，大規(guī)?；ヂ?lián)也會增加系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、頻率失穩(wěn)的風險。智能電網(wǎng)可以根據(jù)WAMS提供的信息對相關(guān)風險進行分析評估，并采取智能決策規(guī)避風險的發(fā)生。

2.1.1 電壓穩(wěn)定

利用WAMS的量測數(shù)據(jù)，文獻［6］計算單電源功率傳輸?shù)戎迪到y(tǒng)參數(shù)及負荷裕度指標，克服了基于參數(shù)辨識的指標不能對聯(lián)絡節(jié)點進行電壓穩(wěn)定評估的缺陷。傳統(tǒng)的電壓穩(wěn)定靜態(tài)分析法矩陣運算量較大且不能很好地計及系統(tǒng)的動態(tài)變化，為了克服此缺點，文獻［7］利用廣域測量數(shù)據(jù)，推導了由節(jié)點電壓在小擾動下迭代不收斂所引起的電壓單調(diào)失穩(wěn)模式，引入PV節(jié)點的靈敏度等效導納來實時修正節(jié)點導納矩陣，較好地計及了系統(tǒng)的動態(tài)變化，適于互聯(lián)電網(wǎng)的在線電壓穩(wěn)定監(jiān)控。

2.1.2 頻率穩(wěn)定

頻率是反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)。文獻［8］根據(jù)直角坐標潮流二次方程及其泰勒展開式，推導節(jié)點注入功率增量表達式，建立穩(wěn)態(tài)頻率預測方程并利用擾動后瞬間系統(tǒng)廣域量測數(shù)據(jù)，計算擾動后的穩(wěn)態(tài)頻率，但是該算法在構(gòu)建預測方程時矩陣運算量大，較為復雜;文獻［9］對文獻［8］中的穩(wěn)態(tài)頻率預測方程進行改進，進行FORTRAN編程，通過蒙特卡洛法求解實現(xiàn)了快速算法。

2.2 低頻振蕩分析及抑制

低頻振蕩阻礙了電網(wǎng)規(guī)模的擴大以及區(qū)域間的功率交換，甚至會導致系統(tǒng)解列乃至崩潰。準確、及時的振蕩模式分析和有效的振蕩抑制對我國構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)有著重大現(xiàn)實意義。

WAMS對全局數(shù)據(jù)的實時動態(tài)測量為低頻振蕩的分析帶來了新的契機。文獻［10］將奇異熵用于模態(tài)階數(shù)的提取，以WAMS實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，直接分析系統(tǒng)的固有振蕩模式;文獻［11］結(jié)合經(jīng)驗模態(tài)分解與隨機子空間辨識算法，基于發(fā)電機有功功率的動態(tài)量測信息，進行低頻振蕩辨識與分析的研究。

對于低頻振蕩問題，除了準確的分析，還需要進行有效的抑制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer，PSS)是目前抑制低頻振蕩最普遍的辦法，但是PSS受限于本地信息，對于區(qū)域間的低頻振蕩不能發(fā)揮有效的抑制作用。而采用WAMS信號的廣域阻尼控制器的出現(xiàn)為抑制區(qū)間振蕩提供了有力的工具。文獻［12，13］分別提出了基于開關(guān)控制和運用細菌群體趨藥性優(yōu)化的廣域阻尼控制器(Wide Area Damping Controller，WADC)設計方案，文獻［14］在 WADC 的基礎上提出了一種電力系統(tǒng)廣域附加區(qū)間阻尼控制器設計的直接迭代方法。當以WAMS信號作為控制輸入時，將會引入WAMS信號的時滯問題，如果時滯過大，將會給系統(tǒng)帶來不良影響，文獻［12，13］均已采取相關(guān)措施抑制信號的時滯。

2.3 故障定位與診斷

故障的快速準確定位和診斷是智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈的基礎，也是防止大停電、保證系統(tǒng)可靠性的前提。

基于PMU的量測數(shù)據(jù)，故障定位將變得更加精確容易。傳統(tǒng)的單端測距法無法克服過渡電阻對其測距精度的影響，文獻［15］在系統(tǒng)正常運行情況下，形成網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，故障發(fā)生后，根據(jù)網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，用變步長搜索技術(shù)定位故障線路和確定故障位置。該方法僅需要配置有限的PMU，不受故障類型和過渡電阻的影響。

隨著電力系統(tǒng)構(gòu)造的日益復雜，三端或多端線路在未來電網(wǎng)中必將更加普遍，文獻［16］將N端線路的故障測距問題轉(zhuǎn)化為T型線路的故障測距問題，在PMU幫助下由離參考端最遠的母線推算離參考端最近的T節(jié)點電壓、電流，在該T節(jié)點和參考端之間利用雙端測距算法求出故障距離，克服了以往方法在各T節(jié)點附近有測距死區(qū)的缺點。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和日益復雜、各種新技術(shù)的不斷使用成熟，電網(wǎng)中來源于各種應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息大大增加，如何妥善進行信息融合并利用好這些數(shù)據(jù)信息來為電網(wǎng)的故障診斷服務成了一個熱門研究方向。文獻［17－19］提出了基于信息融合的故障診斷方法，其中文獻［17］將監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition System，SCADA)、廣域測量系統(tǒng)(WAMS)和保護故障信息管理系統(tǒng)(RPMS)提供的信息進行融合，構(gòu)建基于多層信息融合的故障診斷輔助決策架構(gòu)，將概率 Petri網(wǎng)和WAMS數(shù)據(jù)結(jié)合用于輔助決策中的特征層融合;文獻［18］結(jié)合WAMS、SCADA和RPMS構(gòu)造多源信息融合的故障診斷法，采用小波能量譜分析、改進RBF神經(jīng)網(wǎng)絡、蘊含時序貝葉斯網(wǎng)絡進行故障特征提取，采用改進D－S證據(jù)理論進行信息融合，并由模糊C－均值聚類方法實現(xiàn)故障診斷;而文獻［19］在文獻［17，18］的基礎上提出了分層多源的診斷方法，將SCADA開關(guān)量和多源信息融合作為兩個層次，以SCADA開關(guān)量實現(xiàn)單一故障診斷，結(jié)合開關(guān)量和WAMS數(shù)據(jù)實現(xiàn)多元件故障診斷。

4 結(jié)語

本文通過討論WAMS技術(shù)在智能電網(wǎng)中可能存在的應用，指出了WAMS是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎技術(shù)之一，將為智能電網(wǎng)實現(xiàn)其功能提供巨大幫助。為了讓WAMS技術(shù)在智能電網(wǎng)中發(fā)揮更大作用，筆者認為在WAMS現(xiàn)有的應用功能之上，還需要在以下幾個方面進行更加深入的研究:

(1)充分挖掘和利用測量數(shù)據(jù)，將WAMS擴展成智能化的輸電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng);

(2)加強PMU最優(yōu)配置的研究，滿足系統(tǒng)可觀性和經(jīng)濟性的要求;

(3)基于WAMS開發(fā)高級應用系統(tǒng)，實現(xiàn)智能預測、分析和決策;

(4)加強WAMS技術(shù)在智能變電、智能配電、智能用電和智能調(diào)度等方面的研究。

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