郭 翔，黃瀟文，茍 競

(1.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550002;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

隨著負(fù)荷的增長，復(fù)雜化與大范圍是地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，安全性與穩(wěn)定性將成為地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行的主要計算和分析內(nèi)容［1］。

廣域測量系統(tǒng)具有良好的實時特性，能夠在同一參考時間框架下捕捉到大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)多地點(diǎn)的實時動態(tài)、穩(wěn)態(tài)信息，為電力系統(tǒng)潮流計算、狀態(tài)估計、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、頻率穩(wěn)定分析和反饋控制等提供數(shù)據(jù)支撐。隨著廣域測量系統(tǒng)的發(fā)展，其在一定程度上能夠緩解大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)動態(tài)分析和控制上的難題。

貴州電網(wǎng)位于南方電網(wǎng)中部，作為主要送端電網(wǎng)，其西電東送輸電系統(tǒng)具有典型的長距離、多回和交直流并聯(lián)等特點(diǎn)。目前，貴州電網(wǎng)通過青巖—河池500 kV雙回線、興仁—天二500 kV線路、安龍—天二和興義—天二220 kV線路以及貴廣2回直流(高肇直流、興安直流)與南方電網(wǎng)相連，2007年夏季向南方電網(wǎng)送電規(guī)模達(dá)5 700 MW。貴州電網(wǎng)已經(jīng)形成較為堅強(qiáng)的“日”形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)已全部打開。一旦500 kV變壓器跳閘后將導(dǎo)致與其相聯(lián)的220 kV電網(wǎng)與主網(wǎng)解列運(yùn)行，解列地區(qū)電網(wǎng)可能出現(xiàn)大幅度的頻率上升。

主網(wǎng)解列運(yùn)行和地區(qū)電網(wǎng)解列運(yùn)行的問題雖然歸屬不同層次，但其安全穩(wěn)定措施的相互配合具有重要意義，廣域測量系統(tǒng)在地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中的應(yīng)用能夠為其提供新的視角。

1 WAMS的概念與架構(gòu)

廣域測量系統(tǒng)(wide－area measurement system，WAMS)是以相量測量單元(phase measurement unit，PMU)為底層測量單元，經(jīng)通信系統(tǒng)將測量值實時傳送到數(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)運(yùn)行進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測及實現(xiàn)其他高級功能的系統(tǒng)。相量測量單元作為廣域測量系統(tǒng)的核心部件，能夠利用全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)的授時功能，給以相量形式測量到的各節(jié)點(diǎn)或者線路的各種狀態(tài)量打上時標(biāo)的一種測量裝置。

WAMS系統(tǒng)一般主要包括處于調(diào)度中心的主站服務(wù)器(包括超級相量數(shù)據(jù)集中器super phasor data concentrator，super PDC等)、分布于系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的子站(即同步相量測量單元PMU以及相量數(shù)據(jù)集中器PDC)以及聯(lián)系兩者的高速數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用主站—子站樹狀層級結(jié)構(gòu)。

子站位于發(fā)電廠或變電站，是以其為基礎(chǔ)安裝的同步相量測量裝置，其性能的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在三方面:可靠性、準(zhǔn)確性和實時性。而PMU同步采樣精度的提高和海量數(shù)據(jù)壓縮是其關(guān)鍵技術(shù)兩大方面，主要涉及時標(biāo)精度提高、失去GPS信號時的高精度守時鐘、系統(tǒng)頻率變化下的自適應(yīng)采樣和相量數(shù)據(jù)無損壓縮等技術(shù)環(huán)節(jié)。

主站位于調(diào)度中心，一般由基礎(chǔ)平臺及之上的高層應(yīng)用功能組成，用于對子站實時動態(tài)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、管理、儲存、轉(zhuǎn)發(fā)、分析等步驟。其關(guān)鍵技術(shù)涉及基于電力系統(tǒng)動態(tài)特征識別的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與告警技術(shù)、WAMS與現(xiàn)存監(jiān)測系統(tǒng)(SCADA/EMS)數(shù)據(jù)的交互整合、基于數(shù)據(jù)挖掘的實時相量數(shù)據(jù)分析處理和分類儲存技術(shù)、自適應(yīng)廣域保護(hù)、在線穩(wěn)定計算分析及其安穩(wěn)控制技術(shù)等。

2 地區(qū)電網(wǎng)PMU優(yōu)化配置

PMU具有較高成本，如何在系統(tǒng)中的PMU優(yōu)化配置，成為WAMS在地區(qū)電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵。優(yōu)化配置問題通常以保證系統(tǒng)完全可觀測下PMU配置最少為目標(biāo)。

若一個含有n條母線的電力系統(tǒng)，設(shè)m維測量向量z包含有m個電壓和電流的量測值，n維狀態(tài)向量x包含有2n－1個狀態(tài)變量，則系統(tǒng)量測方程為

式中，H為m×(2n－1)維測量矩陣;e為m維測量誤差向量。進(jìn)一步將向量z分解為電壓向量zU和電流向量zI，同時把狀態(tài)向量x分解為量測向量VM和非量測向量VC，則式(1)變?yōu)?/p>

式中，I為單位矩陣;YIM和YIC分別為網(wǎng)絡(luò)支路的串聯(lián)和并聯(lián)導(dǎo)納矩陣。

系統(tǒng)拓?fù)淇捎^測性的判斷可通過式(3)得到。

式(3)意味著測量矩陣滿秩，系統(tǒng)完全滿足可觀測性的條件。

圖1 PMU優(yōu)化配置算法流程

深度優(yōu)先算法(depth first，DF):深度優(yōu)先算法基于網(wǎng)絡(luò)圖論。該方法以在系統(tǒng)中連接最多支路的母線上配置一臺PMU作為初始步驟，若存在連接最多支路數(shù)目的母線有一條以上的情況，則隨機(jī)選取其中任意一條母線配置初始PMU，并據(jù)此規(guī)則繼續(xù)配置，直到整個電網(wǎng)達(dá)到可觀測。DF算法只是基于深度最大原則，缺陷在于增加了PMU的重復(fù)配置，難以保證在可觀測條件下的PMU配置最少。深度優(yōu)先算法的主要流程如圖1(a)所示。

模擬退火算法(simulated annealing，SA):模擬退火算法可以簡單描述為，模擬退火過程是在給定結(jié)構(gòu)后，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的隨機(jī)游動。基于模擬退火的優(yōu)化方法，在優(yōu)化過程中，不用考慮初始配置原則確定出的必須配置和不必配置的節(jié)點(diǎn)，采用模擬退火法減少PMU的數(shù)量，優(yōu)化配置位置，直至配置最優(yōu)。在傳統(tǒng)模擬退火算法的發(fā)展基礎(chǔ)上，發(fā)展出了考慮靈敏度約束的系統(tǒng)可觀測下采用模擬退火法達(dá)到最優(yōu)PMU配置的方法。顯而易見，模擬退火算法詳細(xì)地考慮了各種規(guī)則，具有良好的收斂性，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，算法的收斂速度成為模擬退火算法的缺陷，模擬退火算法的主要流程如圖1(b)所示。

最小生成樹算法(minimum spanning tree，MST):從原理上看，可以理解為一種改進(jìn)的深度優(yōu)先算法。MST算法以電網(wǎng)中每條母線進(jìn)行枚舉，執(zhí)行n次運(yùn)算，根據(jù)上一步得到的配置方案，重新放置PMU到最初安裝這臺PMU的節(jié)點(diǎn)相連的母線上，以能否實現(xiàn)系統(tǒng)可觀測性為判據(jù)，判定這個方案的保留與否。另外，若系統(tǒng)中存在純傳輸節(jié)點(diǎn)，即每個配置方案都取出一臺PMU仍使得系統(tǒng)可觀，那么PMU數(shù)目就可以減少。MST算法的流程如圖1(c)所示，它利用不同的初始配置進(jìn)行多次迭代求解，將尋找能最大限度覆蓋全網(wǎng)的母線j作為尋優(yōu)規(guī)則，綜合提高了算法的收斂速度和收斂效果。

N－1安全遞歸算法:事實上，某條線路或者某個PMU的故障影響到整個系統(tǒng)的可觀測性。以上幾種算法均是在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和PMU裝置完全可靠工作的情況下的最優(yōu)配置。所以，優(yōu)化配置問題應(yīng)該考慮由故障引起的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況，即優(yōu)化配置方法應(yīng)該具有解的多樣性。N－1安全遞歸算法是基于這一點(diǎn)，發(fā)展出的PMU最優(yōu)配置算法。該算法的核心是N－1安全規(guī)則，該算法流程如圖1(d)所示。

3 地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用研究

地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用方框圖見圖2。

3.1 系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測

目前，電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測系統(tǒng)電壓、電流和功率，與系統(tǒng)穩(wěn)定關(guān)系密切的相角特性只能離線計算。通過PMU監(jiān)測電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)不同母線間的相角差，可直接計算出系統(tǒng)潮流分布。電力系統(tǒng)中用于控制電壓幅值的無功注入與負(fù)荷特性及傳輸中的無功損耗密切相關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變或發(fā)生事故而產(chǎn)生振蕩時，功角δ可直接反映系統(tǒng)的潮流和穩(wěn)定程度，振蕩過程直接反映在功角變化上。電網(wǎng)各樞紐節(jié)點(diǎn)上的相量信息可用于指導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制措施和調(diào)度策略。

3.2 狀態(tài)估計及穩(wěn)定預(yù)測控制

圖2 地區(qū)電網(wǎng)WAMS應(yīng)用

傳統(tǒng)的狀態(tài)估計是根據(jù)各測量點(diǎn)的遙測量(有功、無功、電壓、電流)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用非線性方程的求解方法求出狀態(tài)量。PMU能夠提供相角量測，作為系統(tǒng)潮流計算中的松弛節(jié)點(diǎn)直接帶入方程，為狀態(tài)估計提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)解。

首先，改寫方程如下。

其中，△Xm、△Xe分別為配置和未配置PMU的母線電壓相量狀態(tài)偏差。

對已配置PMU母線構(gòu)建附加方程為

其中，當(dāng)節(jié)點(diǎn) i配有 PMU 時，Ma、Fa、Ga、Na對應(yīng)的行矢量只有一個非零元素位于第i列;同理節(jié)點(diǎn)j;當(dāng)i、j同時配有PMU時，則對應(yīng)行矢量完全相同，由此建立狀態(tài)方程如下。

同步相量測量實時監(jiān)測全系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象的進(jìn)程，為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析提供了新的途徑。其提供的狀態(tài)變量及導(dǎo)出量不僅用于觀測，同時可通過一定的指標(biāo)計算，預(yù)測未來一段時間內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并依此采取相應(yīng)的保護(hù)和控制措施。

“離線計算、實時匹配”和“在線與決策、實時匹配”成為目前實際應(yīng)用系統(tǒng)中的兩個主流。但由連鎖故障引起的“不可預(yù)見性事故”威脅著電網(wǎng)安全與穩(wěn)定，WAMS系統(tǒng)在地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用能夠在縱向上為區(qū)域電網(wǎng)和地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度人員提供實時信息，為“超實時計算、實時匹配”提供了基礎(chǔ)，提升地區(qū)電網(wǎng)整體安全性。

3.3 系統(tǒng)模型驗證與參數(shù)校正

電力系統(tǒng)的設(shè)計、監(jiān)視、控制、保護(hù)及運(yùn)行和維護(hù)等，都需依據(jù)一定的系統(tǒng)模型參數(shù)。模型的有效性，是電力系統(tǒng)動態(tài)分析和控制的起點(diǎn)，而模型的有效性并沒有得到評估。因為SCADA數(shù)據(jù)采集在非統(tǒng)一時標(biāo)下完成，對于同一個斷面的電力系統(tǒng)狀態(tài)不能有效反映。WAMS的時間序列信息能夠為系統(tǒng)模型辨識和參數(shù)校正提供支持，保障地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)模型的有效性和實時性，為地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

3.4 系統(tǒng)廣域保護(hù)與故障定位

作為簡單快速的保護(hù)方式，傳統(tǒng)電流縱差保護(hù)因時鐘同步精度不高，在對長線路進(jìn)行保護(hù)時存在多種困難。在GPS時鐘同步下，若采樣同步誤差小于1 μs，電流值帶上時間標(biāo)簽后送到對端，可簡單完成線路縱差保護(hù)。

目前的故障定位方法分為行波法和阻抗法，而以行波法為基礎(chǔ)的單端測量和雙端測量成為目前故障定位主要采用的方式，總體來說，行波法優(yōu)于阻抗法，雙端測量優(yōu)于單端測量，WAMS的發(fā)展，為統(tǒng)一時標(biāo)下精確雙端故障定位奠定了基礎(chǔ)，提高了定位精度。對于故障原因電網(wǎng)發(fā)生解列之后，縮短了地區(qū)電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的時間。

3.5 故障錄波

通過配置PMU記錄動態(tài)過程全相量參數(shù)(幅值、相角、瞬時頻率、正序分量)。在同一參考時間框架下，全網(wǎng)動態(tài)過程的信息能夠被PMU記錄，實現(xiàn)故障錄波功能。動態(tài)過程信息，既可以上傳至地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行實時監(jiān)視和控制，也可以對事故進(jìn)行分析。

4 結(jié)論與展望

以WAMS為依托，通過總結(jié)WAMS在系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測、狀態(tài)估計及穩(wěn)定預(yù)測控制、系統(tǒng)模型驗證與參數(shù)校正、系統(tǒng)廣域保護(hù)與故障定位、故障錄波等方面的應(yīng)用，針對地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的要求對WAMS的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)探索。

快速仿真和建模是一個自愈系統(tǒng)的必備條件，傳統(tǒng)的模式識別的電網(wǎng)靜態(tài)安全分析方法有較高的快速性，如能進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)信息提供其準(zhǔn)確性，可為快速的仿真與建模做出有益的探索。

基于WAMS技術(shù)構(gòu)建地區(qū)電力系統(tǒng)的廣域安全監(jiān)測及控制系統(tǒng)將作為一個獨(dú)特視角，同時，多元化與統(tǒng)一建模、多源信息融合、超實時仿真、全網(wǎng)數(shù)字化與協(xié)同決策技術(shù)將進(jìn)一步促進(jìn)地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行高層應(yīng)用與控制的發(fā)展。

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