基于GPS的功角測量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研

作者：時間：2011-02-22 來源：網(wǎng)絡(luò)

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只要已知轉(zhuǎn)子在初始時刻的位置θ₀以及任意時刻的速度ω_r(t)，就可以準確地確定轉(zhuǎn)子在任意時刻的位置θ(t)。ω_r(t)由轉(zhuǎn)速表負責測量，其測量精度與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)無關(guān)，所以在正確確定θ₀后，能通用于電力系統(tǒng)的任意狀態(tài)，并且也通用于汽輪發(fā)電機組和水輪發(fā)電機組。
文獻[8]則提出利用轉(zhuǎn)子位置檢測器和發(fā)電機功角轉(zhuǎn)速測量裝置來直接獲得系統(tǒng)功角和轉(zhuǎn)速，進而監(jiān)視系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中位置檢測器由同軸裝的3個圓盤組成，即發(fā)光盤、遮擋盤、光敏盤。光敏盤固定在定子上，遮擋盤與轉(zhuǎn)子為彈性連接并同軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)光盤上裝有發(fā)光二極管，光敏盤上裝有光敏三極管，遮擋盤上有一個圓孔，當轉(zhuǎn)子帶動遮擋盤旋轉(zhuǎn)后，光敏三極管收到光信號的變化，呈導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)。文獻[9]也提出用發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)來直接測量發(fā)電機功角，是利用轉(zhuǎn)速測量裝置經(jīng)分頻得到與E_q向量的頻率始終保持一致的正弦波，通過一定的算法與系統(tǒng)電壓比相，再對所得相角預(yù)校正求出發(fā)電機的功角。
文獻[10]提出了兩種直接測量功角的方法：傳送波形的測量方法和利用同步時鐘的測量方法，并對兩種測量方法精度和誤差進行了分析。前者對通道的質(zhì)量要求很高，要求調(diào)制解調(diào)器和傳輸通道在傳送過程中不發(fā)生波形失真。另外收端必須對對方傳送過來的波形進行時延和相移補償，而由于氣候、環(huán)境等因素的影響，時延和相移測量結(jié)果往往不很準確，這就嚴重地影響了功角測量的精度。如果利用兩個精度很高的同步時鐘即可避免上述問題。
文獻[11]介紹了一種同步發(fā)電機功角的高精度測量方法。這種方法采用轉(zhuǎn)子位置傳感裝置和誤差軟件補償技術(shù)，并利用GPS高精度授時信號實現(xiàn)異地信息同步采集。用轉(zhuǎn)子位置信號代替空載電勢參與相位比較。轉(zhuǎn)子位置信號通過裝設(shè)轉(zhuǎn)子位置傳感裝置獲得。發(fā)電機功角可以通過測量轉(zhuǎn)子位置信號與發(fā)電機端電壓信號的相位差得到，其值等于空載時的相位差減去負載時的相位差。并對測量誤差的來源、性質(zhì)及其軟件補償技術(shù)作了描述。

2 同步相量的應(yīng)用
隨著基于同步技術(shù)的電網(wǎng)相角監(jiān)測系統(tǒng)的采用，實時精確測量系統(tǒng)中各關(guān)鍵點的電壓電流相量，使得人們能實時地看到系統(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。
相角測量可望在電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計、靜態(tài)穩(wěn)定的監(jiān)視、暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制和自適應(yīng)失步保護方面發(fā)揮其作用^[2,12,13]：
1) 應(yīng)用PMU在電力系統(tǒng)做了很多試驗研究，如短路試驗^[14]、切機試驗和甩負荷試驗、發(fā)電機失磁試驗^[15]、線路的開斷試驗^[16]等。通過PMU做的這些試驗，使人們首次看到了系統(tǒng)的動態(tài)行為，認識到了以往所沒有的現(xiàn)象和規(guī)律。對于動態(tài)電力系統(tǒng)建立的系統(tǒng)元件數(shù)學模型難以通過現(xiàn)場試驗進行驗證，數(shù)學模型的參數(shù)也很難準確確定，從而影響了數(shù)字仿真的精度和數(shù)學模型的適用范圍?；赑MU的同步相量提供了一種驗證數(shù)學模型和對其進行參數(shù)估計的基礎(chǔ)。并能應(yīng)用于系統(tǒng)負荷模型的建立，系統(tǒng)等值等方面。
2)系統(tǒng)的狀態(tài)估計是一種數(shù)學方法，通常狀態(tài)估計是解系統(tǒng)的特征非線性方程求解，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而其計算時間比較長，難以在暫態(tài)過程中得到應(yīng)用。若系統(tǒng)在所有節(jié)點安置相角測量裝置，它對電壓相量的狀態(tài)估計是一個線性估計或狀態(tài)確定；若系統(tǒng)在部分節(jié)點安置相角測量裝置并使系統(tǒng)可觀察時，它對電壓相量的狀態(tài)估計是一個線性估計。因此將同步相量值加入到現(xiàn)有的狀態(tài)估計中，可提高狀態(tài)估計的精度，做到實時運行。
文獻[17]歸納了由同步正序電壓空間矢量族出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)估計只需解線性代數(shù)方程，系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)估計便可方便地實現(xiàn)。文獻[18]提出了稱之為使潮流方程直接可解的PMU配置方案。通過討論電壓型PMU的配置，目標是使潮流方程直接可解。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度的稀疏性，因此有可能通過對部分節(jié)點適當配置PMU，即適當安排節(jié)點類型中PQVΘ節(jié)點和PVΘ節(jié)點的數(shù)量和分布，可使潮流方程按一定順序形成一種可解結(jié)構(gòu)，形成一種非迭代的直接求解潮流方程的方案，進而可以獲得全部節(jié)點的電壓相量。并定量地分析引入PMU以后對狀態(tài)估計精度的改善程度。
3)相角測量得到的同步相量能極大地改善系統(tǒng)穩(wěn)定的預(yù)測及控制。
調(diào)度中心可根據(jù)各個點的實時相角，建立全系統(tǒng)的實時相角集中監(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救辦法，根據(jù)相角信息可采取緊急措施(如切機、甩負荷、解列等)，防止系統(tǒng)的崩潰。
最常用的預(yù)測方法是在實測相角曲線的基礎(chǔ)上利用自回歸(AR)、多項式^[19，^20]或頻角關(guān)系等預(yù)測相對角度的軌跡，然后以角度大于某一限制值或依據(jù)預(yù)測模型的穩(wěn)定性判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是其誤差隨預(yù)測長度的增加變大，在暫態(tài)初期，軌跡變化較劇烈時，預(yù)測精度更難保證。而且角度判穩(wěn)的標準一般為統(tǒng)計值，其正確性缺乏理論證明。
文獻[21]提出分段恒流等效法?；舅枷胧侵苯永秒娏ο到y(tǒng)的詳細模型，用當前時刻的實測的電壓向量作為輸入，通過逐步積分法預(yù)測未來一段時間內(nèi)系統(tǒng)的軌跡，在發(fā)電機角度變化的微小鄰域內(nèi)假定負荷為恒流源，當發(fā)電機角度超出界限時，更新負荷的等效恒流源。
文獻[22]提出的方法的基本思路是由發(fā)電機的同調(diào)特性在大量仿真觀察的基礎(chǔ)上根據(jù)功角對發(fā)電機進行離線預(yù)分群，在線動態(tài)修正。另外還有為自適應(yīng)失步保護^[23]提供出口動作啟動條件的穩(wěn)定預(yù)測方法。它首先把系統(tǒng)等值成雙機系統(tǒng)，然后利用安裝在兩個區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線變電站的相量測量單元(PMU)測量的電壓電流相量推算等值機的運行狀態(tài)，再利用等面積法則(EAC)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失去穩(wěn)定后該裝置可以分離失步區(qū)域。
文獻[24]提出了基于同步相量測量單元的預(yù)測型振蕩解列方法。振蕩中心兩側(cè)母線電壓的相角差反映了功角差，利用該相角差的變化速度及符號，可以判定是同步振蕩還是異步振蕩以及滑差的情況，并實現(xiàn)預(yù)測解列功能。
S.E.Stanton等人從部分能量函數(shù)^[25]出發(fā)，分析多機系統(tǒng)中單機的能量，提出用PMU檢測發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ω的最大數(shù)值，并和由能量函數(shù)理論通過離線仿真求得的轉(zhuǎn)速坎值比較決定切機量。
較新的智能預(yù)測法采用模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等人工智能手段以實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定的快速預(yù)測。如文獻[26]提出的決策樹法通過對不同運行方式和不同故障的仿真計算，僅使用機組的內(nèi)電勢角度作為輸入，針對不同訓(xùn)練機集組合構(gòu)造多個決策樹。文[27]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時預(yù)測系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方案。但它采用PMU在故障切除后8個周波內(nèi)的測量結(jié)果作為輸入，輸入數(shù)為發(fā)電機數(shù)的6倍，當系統(tǒng)規(guī)模較大時，訓(xùn)練過程非常困難。文獻[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)師學習方法按照樣本的特性，對輸入樣本進行模糊分類，然后對各類樣本分別訓(xùn)練徑向基網(wǎng)絡(luò)，進一步提高了訓(xùn)練速度。利用同步相量測量裝置獲得的故障后短時間內(nèi)各發(fā)電機的功角,經(jīng)簡單運算后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,其輸出為多機電力系統(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)雜計算，應(yīng)用于電力系統(tǒng)實時控制時存在一定的困難。國內(nèi)外一些學者直接利用電壓相量進行電壓穩(wěn)定分析和實時控制已作了一定的工作，F(xiàn).Cubina等人的研究^[29]認為，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算法。文獻[30]提出了利用節(jié)點的實時信息:電壓相量、電流等和來自系統(tǒng)的準實時信息，將整個系統(tǒng)等值，導(dǎo)出了電壓穩(wěn)定實用判據(jù)。文獻[31]提出了基于圖論的分簇算法和兩個相關(guān)性的判據(jù)，用一個節(jié)點測量的電壓相量代替整個簇的節(jié)點電壓相量，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，該方案已運用于實時控制中。文獻[32]提出了利用節(jié)點電壓相量計算的新的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定指標(VSI)，計及網(wǎng)絡(luò)的不同拓撲結(jié)構(gòu)，運用修改的圖論方法導(dǎo)出尋找最弱傳輸路徑的簡便算法。
在暫態(tài)穩(wěn)定控制方面，文獻[33]進行了基于GPS同步時鐘測量各發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角度和速度，用它們作為信號對發(fā)電機進行非線性勵磁控制的研究，與取系統(tǒng)中一臺機為無窮大機的控制方法相比，將具有更優(yōu)良的控制性能。
電力系統(tǒng)實時相角測量系統(tǒng)能為集中控制提供相角信息，基于GPS的穩(wěn)定控制只有針對多機大系統(tǒng)才能發(fā)揮其優(yōu)勢，而多機系統(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)定控制理論還待進一步研究。還可以將相量信息提供給就地控制使用，可以實現(xiàn)分散的暫態(tài)穩(wěn)定控制。
4)相角測量用于系統(tǒng)失步保護可以簡化參數(shù)的設(shè)計。應(yīng)用測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)用相角這個量必將會產(chǎn)生新的保護思想和裝置。文[34]針對發(fā)電機失步預(yù)測保護所存在的問題，介紹了一種基于功角直接測量的自回歸預(yù)測失步的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一套完整的保護方案。文[35]提出利用勢能概念的基于同步電壓電流測量相量的精確在線檢測失步技術(shù)。隨著電力系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)的增大，控制系統(tǒng)和保護越來越復(fù)雜，實時相角測量為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護開辟了一個新的領(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，而將相角測量裝置的實時相角送到FACTS中^[36]，可簡化其控制算法，從而得到更加靈活的控制。

3 結(jié)束語
利用GPS同步測量可以快速精確的獲得電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)，GPS技術(shù)的應(yīng)用必將對電力系統(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；基于同步相量區(qū)域穩(wěn)定控制理論的進一步研究，實時相角測量必將為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護開辟一個新的領(lǐng)域。目前的技術(shù)條件已經(jīng)基本滿足，當務(wù)之急是建立和發(fā)展以GPS為基點的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制理論。