关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述.pdf

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关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述薛禹胜1,2,徐伟2,1,ZhaoyangDONG3,万秋兰2（1.国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003;2.东南大学电气工程系,江苏省南京市210096）（3.UniversityofQueensland,Australia）摘要:

评述广域测量系统及广域控制保护系统的构成、关键技术及应用领域,提出广域测量预警控制系统的概念。

分别讨论了基于纯相量测量单元（PMU）数据的应用功能,以及结合PMU数据与模型仿真结果的应用功能。

在此基础上指出广域测量预警控制系统理论和应用的瓶颈及可能的解决途径。

关键词:

广域测量系统;广域控制保护系统;相量测量单元;数据挖掘中图分类号:

TM712;TM761收稿日期:

2007205213;修回日期:

2007205222。

国家自然科学基金重大项目（50595413）;国家电网公司科技项目（SGKJ200798）;AustralianResearchCouncilProject（DP0559461）。

0引言基于相量测量单元（PMU）的广域测量系统（WAMS）最早用于美国WSCC电网,在1996年大停电的事后分析中发挥了重要作用1。

国内外已先后建成不少WAMS,可以为电力系统的动态预警和稳定控制提供同步采集的广域数据。

但至今,大多限于显示同步的动态数据、仿真校核和监测低频振荡2。

探索性的应用仅限于参与状态估计（西班牙CSE）、识别扰动、解列电网并减负荷（法国EDF）,广域电力系统稳定器（PSS）的研究（加拿大魁北克水电）,尚未在电网在线动态分析和控制中充分发挥效果。

世界范围内对于这项技术的兴趣正在不断增加,当从PMU数据中挖掘深层次信息、知识和智慧的核心技术取得突破后,WAMS、广域预警系统（WAAS）和广域控制保护系统（WACS）的应用将突飞猛进。

其中,WAAS在WAMS基础上实现安全分析、态势预测和风险预警功能;WACS在WAMS和WAAS的基础上实现设备保护、系统保护和其他自动控制功能。

本文讨论WAMS主站、广域预警和控制功能,以及在其基础上发展的广域测量预警控制系统（WAMACS）或简称为广域防御系统。

1从SCADA/EMS到PMU/WAMS的扩展从字面上讲,数据采集与监控（SCADA）系统就是一种WAMS,能量管理系统（EMS）就是一种WAAS,只是它们局限于静态范畴。

控制远方高压母线电压的励磁调节器可以看成广域调节系统（WARS）的雏形。

特殊保护系统（或称系统保护装置）就是一种WACS,但局限于少量的近地信息,难以妥善处理大范围的相继故障。

现代电力系统对广域测量及防御提出的改进要求包括从静态到动态范畴,从定性到定量,从离线到在线,从保守到最优,从确定性的观点到风险的观点,从局部孤立的观点到全局协调的观点,从简单故障场景到复杂相继故障。

为此,需要在动态数据采集、广域数据平台、网络通信和应用软件等方面采用先进技术,确保二次系统的开放性和信息的可靠性,提升基于轨迹的数据挖掘、实现量化评估、灵敏度分析、稳定极限的在线估计及决策的在线优化3。

电网的动态行为要用同步采样的相量来描述,基于卫星授时（或其他高精度稳定时钟）的PMU成为新型WAMS的基础4。

不同于SCADA系统,PMU/WAMS提供的广域数据的特点为:

带有统一时标的高速采样;高速的数据传输;可提供瞬时值及相位值;可提供暂态或动态响应。

WAMS将各广域量的时间断面对齐,可得到完整的系统动态曲线,既可用以校核模型和参数,也可从中提取关于电能动态质量和系统动态安全的各种信息。

PMU数据作为SCADA数据的补充,有利于提高状态估计的精度,但必须在PMU测点的比例足够高时才有较明显的效果。

不妨将基于PMU数据的WAMS看做是基于远程终端单元（RTU）数据的SCADA系统的扩展,包括在空间中覆盖更广的地域,在时间的不同尺度1第31卷第15期2007年8月10日Vol.31No.15Aug.10,2007上监控系统的动态,以及在功能上整合原先孤立的二次系统。

PMU/WAMS的快速采样/通信能力也克服了继电保护管理系统和故障录波器的采集点有限及事后分析的局限。

2系统构成和关键技术WAMS主站通过高速通信系统接收来自子站或其他主站的相量数据,并可与EMS等系统交换信息,实现实时频率特征分析、扰动识别、仿真曲线对比及全网录波触发等功能5。

平台包括前置机、实时数据库、历史数据库、监测系统与外部系统的接口、数据的转发等部分。

WACS的功能主要是根据广域数据在线分析稳定性,包括暂态功角稳定、小信号稳定、频率稳定、暂态与长期电压稳定、低频振荡、次同步振荡,确定实时输电能力,分析相继故障风险,以及优化控制决策627。

为此,必须通过可靠的通信系统将控制命令传送到分层分散的控制装置。

WAMACS要协调许多矛盾,例如系统安全的全局性与控制手段的局部性,选择性切除故障的常规保护与保证系统动态安全的系统保护,动态控制的实时要求与决策支持的大量计算。

因此,最好与SCADA/EMS等系统完全融合,即采用一体化的信息平台、数据库管理系统和人机交互系统等8。

WAMACS有望克服现有局部和分散控制系统的不足,实现全局的优化协调控制。

关键技术包括:

WAMACS的框架设计;网络通信的实时性、可靠性和安全性保障;相量测量技术,非时标信息和时标信息的融合;从动态响应曲线中挖掘深层信息,包括在没有与实际轨线对应的数学模型及参数下,从PMU轨线中提取量化指标;实测数据和仿真数据相结合的数据挖掘,基于广域动态信息的定量分析和优化控制的理论和算法;自适应控制的优化和协调;可视化技术。

其中和是目前推广WAMS和WAMACS的主要障碍。

3应用领域WAMS对采集到的系统动态进行监测和分析,包括导线温度、电能质量、辅助服务质量、低频振荡、故障定位与演化,可以按该真实动态来校核仿真模型及参数。

此外,还可以识别振荡模式及解列边界,评估受扰轨迹的稳定性,广域调节,参与状态估计,验证模型和参数。

将PMU提供的相量测量和RTU的量测量一起加到状态估计中可以增加冗余度,如果能充分利用统一时标的信息,将进一步改善估计精度。

WAMACS还可以与基于模型的动态仿真相结合,实现各种稳定性的定量分析与预警,评估相继故障的风险,优化与协调各道安全防线。

将WAMS数据直接用于电网的闭环控制（如正常运行时的远方电压调节,以及检测到不安全行为后的校正控制）时,必须妥善考虑通信网络的拓扑、时延及不确定性9210。

虽然目前还缺乏工程应用的实例,但未来几年内有可能实现热稳定极限和广域二次电压闭环控制。

将PMU数据直接用于开环控制（如检测到故障后的紧急控制）时,由于WAMS无法在实施控制前验证控制的效果,故“实时决策,实时控制”的开环控制方案并不可行。

PMU数据只能用来与已有的决策表实时匹配,而不能直接确定合适的控制量。

PMU信息不受模型、参数与故障信息等误差影响的优点也难以在预测型控制中发挥作用。

国际大电网会议（CIGRE）工作组在2006年预测WAMS的3个应用领域为:

改进基于传统技术的缓慢二次电压控制;振荡阻尼、电压稳定和热稳定极限的控制;广域的暂态稳定保护。

4基于纯PMU数据及其信息挖掘的应用功能PMU数据不依赖对系统模型和参数的先验知识,反映全网真实的动态行为。

仅仅根据PMU数据,不与模型仿真结合时,可能的应用如下。

4.1已经或将要实施的功能PMU/WAMS与数值仿真方法相结合,实现电网安全稳定的预警和决策支持的功能有:

1）实时的动态监测,在线路温度11、电压、相角、频率等出现静态或动态异常时报警,还包括传输功率、电能质量（谐波分析,不对称分量,电压质量,频率质量）及辅助服务质量监测、分布发电的监视、保护和控制、全网联动记录的触发等。

2）辨识异常运行的特征和故障类型12,利用线路双端量测量改进瞬时性故障的定位13215,进而实现广域保护16及广域后备保护17219。

3）动态行为分析,包括时变的低频振荡特性（模式、模态、阻尼、振荡界面）20223、定性判稳并识别同调群和失稳模式24,捕捉振荡中心及其转移,选择不平衡功率小的解列方案并与切负荷方案协调,快速确定解列面,识别解列时刻及其方式。

4）在不知道精确模型与参数的情况下,评估实测轨迹的稳定裕度25226,但目前尚无突破性的进展。

5）事故追忆和演化过程分析27。

22007,31（15）6）数学模型及参数的校核,在线测定线路的各序参数,如特性阻抗、传播参数、分布电感及电容等,进而实现自适应保护28。

7）决策与控制,包括:

互联系统解列的协调;闭环控制,由PMU提供反馈信号,为PSS及可控串联补偿（TCSC）等控制器提供远方的附加稳定控制信号29232;电压静态失稳的预测与控制33234,频率稳定的预测与控制35,加快故障后的诊断和处理。

4.2有较大争议的功能虽然很有吸引力但前景有争议的研究方向有:

根据已有的测量数据来预测未来一段时间内的系统动态36237;各种灵敏度分析;直接根据对功角动态的预测进行暂态稳定的紧急控制等38240。

5PMU数据与模型仿真结合后的应用功能数值仿真可通过改变模型、参数或场景来了解不同因素对系统动态的影响,而广域采集量可校核仿真模型和参数,并提供仿真的初值。

将各种广域监测系统和数值仿真置于统一平台中,有助于识别相继故障的先兆特征,掌握相继故障的临界条件和传播模式,提升预警、防御停电和事后分析的能力。

5.1已经或将要实施的功能1）将PMU数据加入状态估计,改进其速度、精度、收敛性和坏数据处理能力41243。

2）分析及决策支持功能,包括充裕性、安全性和稳定性的在线评估,以及行为模式和机理分析。

给出当前工况下,每个预想故障的暂态功角稳定裕度、暂态电压偏移可接受性裕度和暂态频率偏移可接受性裕度,稳定程度排序和风险排序,以及相应的稳定域、发电机极限功率、联络线极限功率和负荷极限功率。

3）复杂相继性故障的在线风险评估和风险预警。

4）预防控制、紧急控制和校正控制的预决策、优化和协调。

包括:

紧急控制与预防控制之间的协调;反馈型控制与预测型控制之间的协调;校正控制与紧急控制之间的协调;恢复控制与其他控制的协调;继电保护与其他控制的协调。

5）多级调度的协调控制。

6）与EMS、动态培训仿真器、电力市场支持系统和动态仿真器等融合,分析电力市场与电力系统的交互影响。

7）低频振荡起因分析、预防和抑制。

5.2有较大争议的功能对故障发生后进行控制方案的超实时优化功能有较大争议;此外,动态模型与参数的在线辨识也有较大难度44。

6理论与应用的瓶颈WAMS至今还没有像预期那样广泛用于稳定分析和控制的主要原因是:

在PMU采集的相量信息的利用上缺乏突破,数据挖掘工具限于傅里叶变换及Prony分析,缺乏可行的方法来求取实测轨迹（特别是稳定轨迹）的稳定裕度;缺乏将WAMS与数字仿真结合的理论及思路;WAMS通道的可靠性及其时延的不确定性。

将PMU用于实时稳定性分析及开环控制,根据受扰后短期实测数据预估稳定性,并在失稳前选择并执行控制措施,这是当前研究热点之一。

但在非自治因素下单纯依靠轨迹的外推来预测并不可靠,并且即使在没有时间约束的离线环境下,要对有数学模型的仿真曲线进行稳定性量化分析也并非易事。

若在计算已有轨迹的稳定裕度时没有模型参数可用,其量化分析就更难。

更重要的是,只有通过仿真才能在措施实施前确认其效果。

不与仿真工具结合,就难以按合理的保守性来确保控制的充分性。

可能的解决途径是将各种广域监测系统和数值仿真系统置于统一的平台上,开发适合WAMS应用的电网在线安全稳定评估、预警和决策支持软件,用轨迹分析指导在线计算,用在线计算修正控制对策。

通过实测数据和仿真数据相结合的数据挖掘,识别相继故障的先兆特征,掌握相继故障的临界条件和传播模式,从而增强分析和防御停电的能力。

7展望为有效防御大停电,需要构建综合的防御框架。

WAMACS融合了WAMS,WAAS,WACS与SCADA/EMS的功能,有机地集成由PMU、RTU、故障录波器、保护信息管理系统等不同的数据采集渠道提供的广域信息,辅以数字仿真,实现大电网广域监测、动态分析、保护和控制的整体框架。

在世界范围内的多次大停电后,在从局部解决方案向全局防御框架发展这一点上已基本形成共识。

WAMACS实现不同时间尺度的数据之间融合、通信融合、设备融合、二次系统融合、分析融合、功能融合、显示融合、决策融合和控制融合的概念和需求,并将提供给调度员的信息提升到知识（理解）甚至智慧（决策）的层次。

全面实现在线的稳定量化分析和预决策,基于风险概念,实现预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制和恢复控制的自适应优化及多道防线的协调,安全稳定性和运行经济性的协调。

3专家论坛薛禹胜,等关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述但WAMS和WAMACS技术尚处于发展初期,虽然在广域动态数据的同步采集的设备与技术方面已经取得了长足的进展,但在如何利用PMU数据、从中挖掘深层信息方面还需要大量开创性的工作。

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