基于PMU的WAMS的研究概述

随着我国经济社会的不断向前发展，电力行业方面全国联网的程度也不断加深，逐渐形成大区交直流互联的局面。整个互联系统容量的不断增大，在获得效益的同时，我国电力系统也面临这许多新的问题，比如：大区电网暂态稳定在线预警与协调控制问题；复杂电力系统实时监视、便是和方针问题；弱联系的长链式同步交流电网的区域间低频振荡问题等。这些问题的出现对现有电力系统提出了更高的要求，必将促进电力系统的不断向前发展，建设智能电网已成为我国电力工业发展的必然选择，而作为智能电网框架中三个关键研究领域之一——“广域测量与控制”担当者重要的角色[1]。传统电力系统的数据采集及监控系统（SupervisoryControlAndAcquisition,SCADA）侧重于对电力系统稳态的监测，对其动态过程无法有效监测。近年来，逐步建立的以同步相量测量装置（PhasorMeasurementUnit,PMU）为基础的广域测量系统（WideAreaMeasurementSystem,WAMS）为电力系统的“广域测量与控制”的开创了新的平台，并由此成为各国公司和高效等研究机构争相研究的新型科技领域。这套系统能够获得同一时间参考轴下大型互联电力系统中的稳态信息和动态信息，为电力系统区间动态监视、分析并决策提供数据基础，使电力系统的监视能从稳态阶段延伸到动态阶段。因此，WAMS在全网动态过程记录和事件后分析、电力系统动态模型评估辨识和模型校正、低频振荡分析及抑制、暂态稳定预测及控制、电压和频率稳态监视及控制、全局反馈控制、故障定位及线路参数测量等方面都有广阔的前景[2,9]。在此，笔者通过调研上近十年来WAMS研究工作的文献，对PMU的测量原理以及WAMS的构成进行概述的基础上针对电力系统中低频振荡分析及其抑制进行综述，对结合我国WAMS的研究、建设与应用情况，指出我国目前WAMS发展的现状和差距，并给出相关技术的研究方向和实施建议。2PMU与WAMS简介及其与EMS/SCADA的比较

广域测量与控制系统是向量测量单元（PMU）、高速数字通信设备、电网动态过程分析设备的结合体。其中基于时间同步的向量测量单元对系统性能的影响非常关键。2.1基于GPS的同步向量测量原理

基于GPS的同步向量测量单元的功能是，在线连续监视和测量各发动机和个母线的电压与电流的幅值和相角，并作有功或无功的实时计算，最后将数据传送至控制中心。PMU一般由A/D转换器、微处理器、GPS接收器、同步信号发生器和通信模块组成，其结构框图如图1所示[3,13]。其工作原理为：GPS接收器给出1pps信号，同步信号发生器给出信号用于采样，微处理器按照递归离散傅里叶变换原理计算出向量。按照IEEE标准1344-1995规定的形式将正序向量、时间标记等转载成报文，通过通信模块传送到数据集中器。数据集中器收集来自各个PMU的信息，作为全系统的监视、保护和控制的数据。PMU的测量示意图如图2所示[4]。图1PMU的结构框图图2PMU的测量示意图PMU可测量的数据包括三相基波电压向量和三相基波电流向量、基波正序电压向量和基波正序电流向量、有功功率和无功功率、系统频率、开关量信号、噶电机内点事和发电机功角、发电机励磁电压和励磁电流等信号数据。而体现测量性能优劣的主要包括两个方面即：GPS时钟信号精度和信号误差精度。相量计算方法主要包括过零检测法、离散傅里叶变化法（DFT），递归DFT法、均值算法和旋转变换法，并以前二者为主。过零检测法的原理是：利用GPS提供的秒脉冲时间信号，对测量装置的本机晶振信号进行同步，建立标准的50Hz信号，在信号处理器内，对过零点打上时间标签并求出相对于标准50Hz信号的角度。而傅里叶变换法主要通过N个采样点数据根据傅里叶变换的公式得到秒脉冲时刻的相量。过零点检测法的抗干扰能力差，傅里叶变换的精度优于过零点检测法，因为过零点检测法每周期采样一次，采样周期为20ms。但是傅里叶变换法也有缺点：需要更多的采样点（N个），需要更多的计算。所以，对于实时性较高的情况可采用过零检测法，除此之外的一般情况都采用傅里叶变换法[4]。2.2WAMS

可以说，WSMS是随着现代通信技术的不断发展才可以诞生的，它是基于同步相量测量和现代通信技术的一种对广域大电网进行状态监测、分析和控制的综合系统。WAMS主要包括以PMU为核心的子站系统，广域通信网和数据集中器三部分，其简易结构示意图如图3所示[4]。图3WAMS简易结构框图2.3WAMS与SCADA的比较

基于远程数据终端的数据采集与检测系统（SCADA）只能采集稳态量，可以用于进行状态估计和优化潮流计算等，但是由于其主站数据刷新时间一般长达2-5s而只能记录稳态或是准稳态过程。而故障录波器只能记录电磁暂态过程瞬时值，可以用于故障和保护，但是难以反映系统扰动后整个动态过程。基于PMU的WAMS则正好弥补了上述两种设备和系统的不足，可以数十Hz的数据采样率准确测量系统扰动后的整个动态过程。正是由于WAMS能更好的监控电力系统的整个动态工程，这就解决了传统的利用最小二乘进行估计的状态检测问题，而SCADA与能量管理系统（EMS）也只能进行基于系统准稳态的状态估计。但是由于WAMS是新技术，部分关键技术还不够成熟并且价格昂贵，现有电力系统采用基本为基于能量管理系统（EMS）的数据采集与监测系统（SCADA）的系统[5]。现有电力系统需要新一代的EMS，按照现在的发展趋势，EMS应该逐步与SCADA结合并最终代替SCADA，以便建立更加坚强可靠的智能电网。3广域监控技术的应用[4]近二十年来，基于PMU的WAMS发展迅速，在电力系统的很多方面得到了很好的应用。比如：电力系统的监测与实验、电力系统的状态估计与预警、电力系统的保护和控制等。下面首先对状态估计、电力系统的非连续和连续控制、继电保护中的双端故障测距和广域保护进行概述，然后对在线低频分析进行较为详尽的阐述并列举可能的抑制措施。3.1电力系统的状态估计

利用WAMS系统进行状态估计需要处理好WAMS数据和传统SCADA数据之间的关系。有两种做法：可以讲WAMS测得的相量数据和SCADA数据结合起来，改善系统状态估计的速度和精度；也可以利用WAMS的数据来增加测量冗余度，从而提高测量精度。3.2电力系统的非连续和连续控制

电力系统的控制包括连续和非连续两种控制模式。其中非连续控制的控制器输出并不与输入一一对应，非连续控制包括保护开关的动作及其电抗器的投切等控制方式。连续控制是指类似于发电机励磁或调速器的控制形式。利用WAMS，可以得到广域的测量信息，便于进行连续和非连续控制。3.3继电保护中的双端故障测距

由于全球定位系统的加入，测量系统中的高精度同步时钟有了保证，使基于双端同步采样的精确测距成为可能。通过在线路两段加装PMU装置，可获得线路连段的电压电流相量，从而计算出故障距离，从而比较准确的确定故障发生的地点。3.4广域保护

广域保护随随着WAMS的出现而出现的。广域保护的目标是对故障进行快速、可靠和准确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定的影响，并采取相应的控制措施，提高输电线路的可靠性和可输送容量，这就需要电力系统中多点的相量信息，而WAMS平台使其成为了可能。3.5低频振荡分析及抑制综述

由于近年来互联电网的规模逐渐加大，容量逐渐加大，大型互联电力系统间的低频振荡日益严峻。利用WAMS可以对低频振荡进行在线分析并给出一定的抑制方法。3.5.1低频振荡产生的机理在低频振荡研究领域，对于低频振荡的产生机理还没有统一的定论。现有的解释主要包括：负阻尼机理、强波振荡机理和强谐振机理、分岔理论和混沌震荡机理。其中基于分岔理论及混沌机理的分析都还仅限于简单系统。而负阻尼机理的解释相对更易被人们所接受。它认为系统中发电机经输电线并联运行时，不可避免的扰动会使各发电机的转子发生相对摇摆，高放大倍数的快速励磁系统在增加系统同步转矩的同时也会增加这个相对摇摆的转矩。当这个转矩为负值，并且绝对值大到抵消掉发电机原有的正阻尼的时，系统由于阻尼不足便会产生低频振荡。其说服力来自于现代电力系统中广泛使用的减小阻尼振荡的电力系统稳定器。电力系统稳定器的基本原理就是通过相位补偿来增强阻尼转矩从而抑制低频振荡，由于经济且有效，它已经成为抑制低频振荡最有效的装置[6]。3.5.2低频振荡的辨识算法在线低频振荡算法应该满足以下要求：良好的频率分辨率、良好的抗噪性能、有效的辨识系统的主导振荡模式和算法时间复杂度低并较易实现等。区别于力王的卡尔曼滤波、傅里叶变换和小波分析，Prony算法能克服难以提取衰减特征等局限性，它可以利用WAMS提供的实测数据得到一个指数函数的线性组合来分析等间距采样数据，较易得到原始信号的幅值、频率、初相和衰减，无需进行频域计算，可以使计算量大为减少。文献[11]在对Prony算法进行研究和改进的基础上对现场实测数据进行了分析，首次验证了Prony算法对电力系统低频振荡分析的可行性。另外，为了减少噪声对辨识结果的影响，可用模糊滤波的方法辅助Prony算法进行辨识，这样可使结果更加的准确[6]。3.5.3基于WAMS的低频振荡在线分析框架在实际的工程运用中，由于存在不确定因素，WAMS系统可能出现杂散分量，从而影响对低频振荡的辨识结果精度。为了提高结果精度，一般需要读数据进行预处理。而后，进行辨识模型阶次估计，Prony分析，并最终进行综合分析，得到电力系统功率振荡的幅值、频率和阻尼比等等，进而得到基于WAMS在线数据的电力系统小扰动的稳定性能。下线分析的建议流程图如图4所示[6]。图4基于WAMS的低频振荡在线分析框架3.5.4基于WAMS的低频振荡抑制分析区别于传统的基于本地信息的阻尼控制器不能很好分反映区域间的振荡模式，基于WAMS实测数据对区域间的区域模式具有较好的观测性。我们可以通过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从而抑制低频振荡。文献[12]将基于WAMS数据的区间阻尼控制器不知道发电机励磁控制其中，获得了抑制区间低频振荡的良好效果，总而说明了基于WAMS的低频振抑制措施的可行性[6]。4我国WAMS的发展现状和研究方向

4.1我国WAMS的发展现状

我国对于WAMS的研制比美国晚十多年，从1994年开始起步，但是由于社会需求的推动和国家的大力支持，国内WAMS的研究取得了飞速发展，分别于个电网公司陆续在一些区域电网开展了试点应用[8]。我国北京四方等公司自主研发的WAMS系统在国内各电网公司的运行情况表明：国内WAMS的总体水平与国外同步；制造和生产能力也与外国持平。但是我们也需要注意到，在WAMS的规范标准、技术性能、先进功能、运行管理和规划建设等方面，我国海域国外先进水平存在一定的差距[10]。4.2我国WAMS的研究方向

由于我国的WAMS标准还欠规范，上层高级应用技术与预期目标还有一定插于，与原有SCADA系统的整合也有不足等问题的存在，为了建设更加坚强可靠的只能电网。我国WAMS的研究需要针对现有问题明确研究方向。可能的研究方向包括以下几个方面[7]：（1）运行管理方面。由于我国经济社会发展的特殊性，我国电力系统的运行监控手段直接从EMS和SCADA系统跨入到WAMS系统基本不可能，很可能需要经过SCADA系统和WAMS系统配合使用的过程，因此，研究如何更加经济有效地完成现有SCADA系统和WAMS系统的无缝整合是有很价值的，并在此基础上准备迎接WAMS时代的到来。（2）上层高级应用技术方面。我国现有WAMS系统在集成相量数据平台和广域动态监视和分析以及同步扰动数据记录和反演等基本功能方面已经取得成果，我们还需要集中力量进行上层供给应用技术的研发。积极引进国外先进PMU技术，深入研发数据挖掘技术、状态感知技术和数据融合技术等，不断提高我国WAMS的高级应用水平。（3）规划建设方面。我国WAMS发展总体还处于研发阶段，尚未将WAMS系统的建设与电网的规划和建设结合起来，这样的发展速度相对较慢。在我国电力建设过程中，我们应该重视WAMS系统和电网一次系统在规划和建设中的结合，并逐步将WAMS等二次设备列为电网重要厂站常规设备设计中，二者相互推动，不断推进WAMS的研发和加快电网的完善进度。5结语

本文主要调查了近二十年来国内WAMS的研发和应用现状，在对其原理和应用进行介绍的介绍的基础上探讨了现有WAMS系统可能存在的一些问题和对应的研究方向。WAMS作为一种新生事物，在其发展壮大的过程中，必然会遇到不少问题和严峻的挑战，但因为社会有需要，其必当取的长足的发展，已有的和我国正在研发和建设的WAMS就说明了这个问题。相信在不久的将来，WAMS必将成为我国坚强可靠智能电网的重要组成部分。参考文献

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