隨著電力系統(tǒng)總容量的不斷增加、網絡結構的不斷擴大、超高壓長距離輸電線路的增多以及用戶對電能質量要求的逐漸提高，對電網的安全穩(wěn)定提出了更高的要求。建立可靠的電力系統(tǒng)運行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，以保證電網的安全經濟運行，已成為十分重要的問題。近來受到廣泛關注的廣域測量系統(tǒng)(Wide-areameasurementsystem，WAMS)可能在一定程度上緩解目前對大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)進行動態(tài)分析與控制的困難。

 

1安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

 

互聯(lián)網穩(wěn)定控制面臨著較多的問題：互聯(lián)系統(tǒng)的低頻振蕩問題及緊急控制等問題。如我國華中系統(tǒng)的低頻振蕩衰減時間較長，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，華中系統(tǒng)的較長的動態(tài)過程勢必會通過聯(lián)絡線影響到華東系統(tǒng)。傳統(tǒng)的基于事件的就地控制不能夠充分觀察系統(tǒng)的動態(tài)過程，因而不能夠較好觀察系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如某些系統(tǒng)目前無法較快地抑制低頻振蕩問題?；陧憫膹V域穩(wěn)定控制增強了互聯(lián)網穩(wěn)定控制的可靠性和靈敏性。

 

目前的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，比如電氣制動、發(fā)電機快速勵磁、發(fā)電機組切除、自適應負荷減載及新興的靈活交流輸電等，發(fā)展到廣域控制都應該是基于廣域電力系統(tǒng)的信息:原來使用就地信息不能夠滿足控制對電力系統(tǒng)充分觀察的要求。廣域測量系統(tǒng)提高了電力系統(tǒng)的可觀察性，通過各種分析手段，進行系統(tǒng)動態(tài)過程的分析，如通過頻譜分析，可以實時計算出系統(tǒng)的振蕩模式、系統(tǒng)狀態(tài)量的變化趨勢等:從而提供給廣域控制充分的動態(tài)信息。

 

1.1暫態(tài)穩(wěn)定預測及控制

 

當今投入實際工業(yè)應用的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可分為兩種模式，即“離線計算、實時匹配”和“在線預決策、實時匹配”。但分析表明，大停電往往由“不可預見”的連鎖故障引起，在這種情況下以上兩種穩(wěn)定控制系統(tǒng)很可能無法響應。理論上最為完美的穩(wěn)定控制系統(tǒng)模式是“超實時計算、實時匹配”。這種模式假設在故障發(fā)生后進行快速的暫態(tài)分析以確定系統(tǒng)是否會失穩(wěn)，若判斷系統(tǒng)失穩(wěn)則給出相應的控制措施以保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定控制系統(tǒng)的整個分析計算、命令傳輸、執(zhí)行過程的時間極短，理論上可以對任何導致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的故障給出相應的穩(wěn)定控制措施，達到對各種系統(tǒng)運行工況、各種故障類型的完全自適應。

 

WAMS在以下幾方面的應用有助于實現(xiàn)上述自適應實時控制系統(tǒng)：

 

(1)對于WAMS提供的系統(tǒng)動態(tài)過程的時間序列響應，直接應用某種時間序列預測方法或人工智能方法預測系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于電力系統(tǒng)在動力學上的復雜性，這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。

 

(2)以WAMS提供的系統(tǒng)故障后的狀態(tài)為初始值，在巨型機或PC機群上進行電力系統(tǒng)超實時暫態(tài)時域仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。僅就算法而言，這種方法是可靠的，但在連鎖故障的情況下，控制中心未必知道該方法需要的電力系統(tǒng)動態(tài)模型;再者，該方法要求的時域仿真的超實時度較高，目前對大規(guī)模系統(tǒng)而言可能還存在困難。

 

(3)基于WAMS提供的系統(tǒng)動態(tài)過程的時間序列響應，首先利用某種辨識方法得到一個簡化的系統(tǒng)動態(tài)模型，然后對該模型進行超實時仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種方法的可靠性比第一種方法好，同時僅基于WAMS提供的實測信息，不需知道第二種方法必需的故障后系統(tǒng)動態(tài)模型的先驗知識，應該是目前比較有前途的方法。

 

除了判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性外，另一個重要問題是若干預測結果為系統(tǒng)失穩(wěn)，那么該如何給出適當?shù)目刂屏恳员苊庀到y(tǒng)失穩(wěn)，這方面的研究相對于暫態(tài)穩(wěn)定預測的研究還較薄弱。它涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定量化分析和穩(wěn)定量化指標對控制變量的靈敏度分析，即使在離線環(huán)境下這也是一個難點，實時環(huán)境下要求快速給出適當?shù)目刂屏繉⒏永щy。有些研究以WAMS得到的故障后一小段時間內的實測量為輸入向量，通過人工神經網絡直接將這些實測量映射到控制向量(如切機、切負荷量等)空間，這種方法相當于將暫態(tài)穩(wěn)定預測和求解控制量都隱含在神經網絡之中。但人工神經網絡的訓練需要大量樣本，如何保證這些樣本對各種系統(tǒng)運行工況和各種可能發(fā)生的故障具有足夠的代表性是一個難題。WAMS得到的實測信息也可用作穩(wěn)定控制后備的失步解列裝置的觸發(fā)信號，在這方面的研究中系統(tǒng)通常被等值成兩機系統(tǒng)。

 

1.2電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)

 

傳統(tǒng)的分散配置的分散控制器實際上是在簡化模型下設計的“孤立”控制器，只考慮本機可測信號，不考慮多機系統(tǒng)之間的關聯(lián)作用及系統(tǒng)中其它控制器的存在和交互作用影響，其結果是這種控制器只對改善本機控制特性有一定好處，但對系統(tǒng)其它相鄰機組的動態(tài)行為不可能有確定的改善，相反存在著各控制器間動作無法協(xié)調，而使各自的控制特性惡化的可能性。北美系統(tǒng)在進一步加裝PSS過程中曾有過由于相互協(xié)調而使低頻振蕩重新出現(xiàn)甚至加劇的實例。

 

廣域測量系統(tǒng)提供了廣域系統(tǒng)的同步狀態(tài)量，為進一步開發(fā)相互協(xié)調動作的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器打下基礎?；趶V域測量系統(tǒng)，PSS可以觀察動作以后系統(tǒng)各點的響應情況，并根據系統(tǒng)的狀態(tài)，確定進一步的動作。

 

2電壓、頻率穩(wěn)定控制

 

2.1慢速電壓穩(wěn)定控制

 

基于廣域測量系統(tǒng)，人們可以開發(fā)較為慢速的廣域控制，比如電壓穩(wěn)定控制。美國BPA公司正在開發(fā)"先進電壓穩(wěn)定控制"項目。該項目基于廣域測量系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)提供的系統(tǒng)電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發(fā)以下控制：基于響應的快速控制，該控制措施包括發(fā)電機跳閘及無功補償調節(jié)。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測量;利用無功補償設備進行電壓控制，基于廣域測量系統(tǒng)提供的電壓幅值及功角，無功補償設備使用模糊邏輯控制來調節(jié)電壓幅度;變壓器自動調壓避免變電站之間并聯(lián)變壓器的環(huán)流現(xiàn)象，提高電壓穩(wěn)定性;發(fā)電廠的電壓調度在電壓緊急的狀態(tài)下，有較多無功儲備的電廠可以提高電壓，從而減少系統(tǒng)的無功損耗，并提高電容器組的無功輸出。這些措施可以提高系統(tǒng)的無功平衡，從而加強電壓的穩(wěn)定。

 

2.2靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制

 

相對于暫態(tài)穩(wěn)定問題，靜態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定屬于慢動態(tài)的范疇，更易于利用WAMS信息實現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)視和控制。如利用WAMS得到的各節(jié)點電壓相量測量值將系統(tǒng)等值成兩節(jié)點系統(tǒng)，能快速給出電壓穩(wěn)定裕度;以各節(jié)點電壓相量測量值作為輸入變量，以潮流雅克比矩陣的最小奇異值作為電壓穩(wěn)定指標，用大量樣本訓練得到一個模糊神經網絡作為電壓

 

穩(wěn)定分類器，輸出變量為很安全、安全、警戒、危險、很危險等5種電壓安全水平;以WAMS提供的節(jié)點電壓相角差和發(fā)電機無功出力為輸入變量，應用決策樹快速評價系統(tǒng)的電壓安全水平。

 

3動態(tài)過程安全分析

 

3.1低頻振蕩分析及抑制

 

隨著大電網的互聯(lián)，區(qū)域間的低頻振蕩對互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構成了威脅。WAMS可望在分析和抑制低頻振蕩方面發(fā)揮作用。直接將系統(tǒng)線性化狀態(tài)空間方程離散化，利用WAMS提供的各離散時間點的測量值，通過最小二乘法計算線性化狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣，進而計算該矩陣的特征根;基于WAMS提供的各離散時間點的測量值采用卡爾曼濾波方法計算系統(tǒng)的機電振蕩模式;應用快速傅立葉變換和小波分析對WAMS提供的節(jié)點間的電壓相角差振蕩時間曲線進行分析，提取低頻振蕩模式。與常規(guī)離線分析相比，基于WAMS的低頻振蕩分析具有更高的可信度。

 

通常僅基于本地信息的阻尼控制器(如PSS)不能很好地抑制區(qū)域間的低頻振蕩，因為本地信息并不能很好反映區(qū)域間的振蕩模式，本地信號對于區(qū)域間的振蕩模式的可觀測性不好。WAMS的出現(xiàn)為抑制區(qū)域間的低頻振蕩提供了強有力的工具，可通過WAMS獲取區(qū)域間的發(fā)電機相對轉子角和轉子角速度信號等全局信息作為阻尼控制器的反饋信號構成閉環(huán)控制。將采用WAMS信號的區(qū)間阻尼控制器附加到發(fā)電機勵磁控制器中，達到抑制區(qū)域間振蕩的目的;采用WAMS信號作為裝設于聯(lián)絡線上的TCSC裝置的控制輸入，基于線性H∞控制理論設計了TCSC區(qū)間阻尼控制器采用WAMS信號作為控制器輸入時，需要引起重視的是WAMS信號的時滯(TimeDelay)問題考慮時滯后閉環(huán)系統(tǒng)成為一個時滯系統(tǒng)，若時滯過大可能引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定采用最小二乘預測算法由歷史PMU測量序列得到控制器當前的反饋輸入，沒有明確說明時滯的處理方法，但其采用的H∞控制是一種魯棒控制方法，對由時滯造成的影響有一定抑制作用。

 

3.2全局反饋控制

 

以往乃至目前的電力系統(tǒng)控制研究領域一直強調分散性/就地性，即對電力系統(tǒng)中的某一動態(tài)元件僅采用本地量測量構成反饋控制，從便于控制實現(xiàn)的角度追求控制的分散性/就地性毫無疑問是可以理解的，但通常電力系統(tǒng)的動態(tài)問題本質上具有全局性(如暫態(tài)穩(wěn)定問題)，而分散/就地控制只是通過本地量測量間接地包含一些全局信息，因此在提高全系統(tǒng)穩(wěn)定性上有一定局限性。隨著WAMS的出現(xiàn)和發(fā)展，研究和實現(xiàn)基于WAMS信號的全局信息反饋與控制成為可能。

 

基于WAMS提供的全局實時信號，將通過聯(lián)絡線互聯(lián)的兩個區(qū)域等值成一個兩機系統(tǒng)，然后采用直接線性化技術設計了聯(lián)絡線上的TCSC控制器，數(shù)值仿真結果表明，所設計的基于WAMS信號的全局TCSC控制器有效提高了互聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在全局反饋控制的研究中，同樣存在遠方反饋信號的時滯問題，有必要采用時滯系統(tǒng)控制理論加以分析研究，以探明時滯對全局反饋控制的影響。另外，對于非線性全局控制，如何根據特定的控制目標選擇合適的遠方反饋信號也是一個值得研究的問題。

 

通過分析可見，建立廣域測量系統(tǒng)成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然，必須從工程技術、經濟等角度對其開發(fā)、應用進行整體規(guī)劃。未來重點要編制現(xiàn)有技術應用的規(guī)范，并提出技術改進的各種方法。根據我國電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃、分析、控制、保護及EMS等系統(tǒng)的未來實際要求，確定與廣域測量系統(tǒng)接口、數(shù)據管理、分析和交換等各種相關課題。