GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

　　隨著基于同步技術(shù)的電網(wǎng)相角監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采用，實(shí)時(shí)精確測(cè)量系統(tǒng)中各關(guān)鍵點(diǎn)的電壓電流相量，使得人們能實(shí)時(shí)地看到系統(tǒng)的狀態(tài)，從而在電力系統(tǒng)中利用GPS同步相量實(shí)施相量控制這一電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制最直接的方法成為可能。

　　相角測(cè)量可望在電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)、靜態(tài)穩(wěn)定的監(jiān)視、暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測(cè)及控制和自適應(yīng)失步保護(hù)方面發(fā)揮其作用[2,12,13]：

　　1) 應(yīng)用PMU在電力系統(tǒng)做了很多試驗(yàn)研究，如短路試驗(yàn)[14]、切機(jī)試驗(yàn)和甩負(fù)荷試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)失磁試驗(yàn)[15]、線路的開斷試驗(yàn)[16]等。通過PMU做的這些試驗(yàn)，使人們首次看到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，認(rèn)識(shí)到了以往所沒有的現(xiàn)象和規(guī)律。對(duì)于動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)建立的系統(tǒng)元件數(shù)學(xué)模型難以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)也很難準(zhǔn)確確定，從而影響了數(shù)字仿真的精度和數(shù)學(xué)模型的適用范圍。基于PMU的同步相量提供了一種驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和對(duì)其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)。并能應(yīng)用于系統(tǒng)負(fù)荷模型的建立，系統(tǒng)等值等方面。

　　2)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)是一種數(shù)學(xué)方法，通常狀態(tài)估計(jì)是解系統(tǒng)的特征非線性方程求解，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而其計(jì)算時(shí)間比較長，難以在暫態(tài)過程中得到應(yīng)用。若系統(tǒng)在所有節(jié)點(diǎn)安置相角測(cè)量裝置，它對(duì)電壓相量的狀態(tài)估計(jì)是一個(gè)線性估計(jì)或狀態(tài)確定;若系統(tǒng)在部分節(jié)點(diǎn)安置相角測(cè)量裝置并使系統(tǒng)可觀察時(shí)，它對(duì)電壓相量的狀態(tài)估計(jì)是一個(gè)線性估計(jì)。因此將同步相量值加入到現(xiàn)有的狀態(tài)估計(jì)中，可提高狀態(tài)估計(jì)的精度，做到實(shí)時(shí)運(yùn)行。

　　3)相角測(cè)量得到的同步相量能極大地改善系統(tǒng)穩(wěn)定的預(yù)測(cè)及控制。

　　調(diào)度中心可根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)相角，建立全系統(tǒng)的實(shí)時(shí)相角集中監(jiān)視系統(tǒng)，給調(diào)度員提供預(yù)防故障的措施或減少事故影響的補(bǔ)救辦法，根據(jù)相角信息可采取緊急措施(如切機(jī)、甩負(fù)荷、解列等)，防止系統(tǒng)的崩潰。

　　最常用的預(yù)測(cè)方法是在實(shí)測(cè)相角曲線的基礎(chǔ)上利用自回歸(AR)、多項(xiàng)式[19，20]或頻角關(guān)系等預(yù)測(cè)相對(duì)角度的軌跡，然后以角度大于某一限制值或依據(jù)預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)定性判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是其誤差隨預(yù)測(cè)長度的增加變大，在暫態(tài)初期，軌跡變化較劇烈時(shí)，預(yù)測(cè)精度更難保證。而且角度判穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)一般為統(tǒng)計(jì)值，其正確性缺乏理論證明。

　　　較新的智能預(yù)測(cè)法采用模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等人工智能手段以實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定的快速預(yù)測(cè)。如文獻(xiàn)[26]提出的決策樹法通過對(duì)不同運(yùn)行方式和不同故障的仿真計(jì)算，僅使用機(jī)組的內(nèi)電勢(shì)角度作為輸入，針對(duì)不同訓(xùn)練機(jī)集組合構(gòu)造多個(gè)決策樹。文[27]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方案。但它采用PMU在故障切除后8個(gè)周波內(nèi)的測(cè)量結(jié)果作為輸入，輸入數(shù)為發(fā)電機(jī)數(shù)的6倍，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，訓(xùn)練過程非常困難。文獻(xiàn)[28]提出基于模糊分類的徑向基網(wǎng)絡(luò)模型及算法，先利用無導(dǎo)師學(xué)習(xí)方法按照樣本的特性，對(duì)輸入樣本進(jìn)行模糊分類，然后對(duì)各類樣本分別訓(xùn)練徑向基網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了訓(xùn)練速度。利用同步相量測(cè)量裝置獲得的故障后短時(shí)間內(nèi)各發(fā)電機(jī)的功角,經(jīng)簡(jiǎn)單運(yùn)算后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,其輸出為多機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類結(jié)果。

　　另外，電壓穩(wěn)定分析中的方法如潮流多解法、雅可比矩陣奇異、靈敏度分析法等，都需要不同程度的復(fù)雜計(jì)算，應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制時(shí)存在一定的困難。國內(nèi)外一些學(xué)者直接利用電壓相量進(jìn)行電壓穩(wěn)定分析和實(shí)時(shí)控制已作了一定的工作，F(xiàn).Cubina等人的研究[29]認(rèn)為，即使在復(fù)雜系統(tǒng)中，電壓相量所含的信息足以確定電壓穩(wěn)定的裕度，并推導(dǎo)出用電壓相量法來決定電壓崩潰的近似指標(biāo)算法。文獻(xiàn)[30]提出了利用節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息:電壓相量、電流等和來自系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息，將整個(gè)系統(tǒng)等值，導(dǎo)出了電壓穩(wěn)定實(shí)用判據(jù)。文獻(xiàn)[31]提出了基于圖論的分簇算法和兩個(gè)相關(guān)性的判據(jù)，用一個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的電壓相量代替整個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)電壓相量，形成近似雅可比矩陣，求出最小奇異值作為電壓穩(wěn)定近似指標(biāo)，該方案已運(yùn)用于實(shí)時(shí)控制中。文獻(xiàn)[32]提出了利用節(jié)點(diǎn)電壓相量計(jì)算的新的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)(VSI)，計(jì)及網(wǎng)絡(luò)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用修改的圖論方法導(dǎo)出尋找最弱傳輸路徑的簡(jiǎn)便算法。

　　在暫態(tài)穩(wěn)定控制方面，文獻(xiàn)[33]進(jìn)行了基于GPS同步時(shí)鐘測(cè)量各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和速度，用它們作為信號(hào)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行非線性勵(lì)磁控制的研究，與取系統(tǒng)中一臺(tái)機(jī)為無窮大機(jī)的控制方法相比，將具有更優(yōu)良的控制性能。

　　電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)相角測(cè)量系統(tǒng)能為集中控制提供相角信息，基于GPS的穩(wěn)定控制只有針對(duì)多機(jī)大系統(tǒng)才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，而多機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定控制理論方法的滯后使得目前的電力暫態(tài)穩(wěn)定在線控制的研究多是基于在線預(yù)決策或暫態(tài)安全分析，真正利用GPS同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的同步相量的同步相量區(qū)域穩(wěn)定控制理論還待進(jìn)一步研究。還可以將相量信息提供給就地控制使用，可以實(shí)現(xiàn)分散的暫態(tài)穩(wěn)定控制。

　　4)相角測(cè)量用于系統(tǒng)失步保護(hù)可以簡(jiǎn)化參數(shù)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用測(cè)得的相角條件作為判據(jù)，能夠不必考慮故障的類型，設(shè)定參數(shù)非常容易。應(yīng)用相角這個(gè)量必將會(huì)產(chǎn)生新的保護(hù)思想和裝置。文[34]針對(duì)發(fā)電機(jī)失步預(yù)測(cè)保護(hù)所存在的問題，介紹了一種基于功角直接測(cè)量的自回歸預(yù)測(cè)失步的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一套完整的保護(hù)方案。文[35]提出利用勢(shì)能概念的基于同步電壓電流測(cè)量相量的精確在線檢測(cè)失步技術(shù)。隨著電力系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)的增大，控制系統(tǒng)和保護(hù)越來越復(fù)雜，實(shí)時(shí)相角測(cè)量為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

　　5)靈活輸電系統(tǒng)(FACTS) 在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，而將相角測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)相角送到FACTS中[36]，可簡(jiǎn)化其控制算法，從而得到更加靈活的控制。

　　3 結(jié)束語

　　利用GPS同步測(cè)量可以快速精確的獲得電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)，GPS技術(shù)的應(yīng)用必將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制帶來革命性的變革,因此必然成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。