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广域相量测量系统
广域相量测量系统
[摘要]本文首先对广域同步相量测量系统(WAMS)进行了简要介绍，然后对其主要单元PMU的基本原理和结构进行了论述，最后对WAMS在电力系统各方向的应用进行了阐述。
[关键词]电力系统;相量测量装置(PMU);广域相量测量系统(WAMS)
引言
随着特高压输电和“西电东送、全国联网”工程的建设，我国电网互联规模越来越大，将引起低频振荡，电力市场进程的不断推进使得某些断面经常运行在接近于满负荷或满负荷状态，电力系统运行的复杂程度日益增加，电网安全问题日益突出，使得对电力系统的稳定性要求也越来越高。
传统的SCADA/EMS调度监控系统，由于缺少电力系统不同地点之间的基准时间，所以只能用于电力系统的稳态特性分析，难以实现系统的实时动态特性分析。
基于PMU的广域测量系统(wide Area Measurement System，简称WAMS)，利用成熟的GPS技术，能够为全系统提供准确的基准时间，能够实时地反映全网系统的动态变化，对系统的安全稳定运行起到了重要的作用。
1.广域电网相量测量系统的发展
国外对于PMU的研究起始于20世纪80年代的美国，1983年美国GPS的出现，为相角测量提供了时钟精度上的保证。1993年美国研发出了第一台PMU，标志着同步相量技术的实用化。美国西部电力系统协调委员会(western System Coordinating Council简称WSCc)已经基本建成了以PMU为基础的WAMS，投入了近百个PMU。1997年法国电力公司计划组建基于PMU的协调防御控制系统。
1995年前后国内开始了对PMU的研究，率先开始该领域研究的是清华大学电机工程系，1997年同黑龙江东部电网合作，安装了7个PMU。近年，随着GPS技术和通讯技术的快速发展和不断完善，
加快了PMU应用的发展，全国各大电网正在实施或已部分完成庞大的WAMS。
2.PMU基本原理及结构
基于全球定位系统(GPS)的相量测量单元PMU具有传统数据采集系统的功能，即对电流、电压等电气量的幅值和频率的采集，同时还具有传统数据采集系统无法实现的功能：对相角的采集。
图1是基于GPS的PMU基本原理结构图，其基本原理为：
GPS接收器接收来自卫星的信号，输出1pps(1个脉冲每秒)信号给锁相振荡器，锁相振荡器用分频方法将其划分成采样脉冲，对输入模拟量进行同步采样，采样值经滤波器处理然后传送给模数转换器A/D，转换后的数字信号传送给微处理机，用快速傅里叶算法计算出基频相量，用对称分量法将三相向量变换为三序相量，最后PMU将正序分量、时间标记等传送给调度中心。
3.广域电网相量测量系统的应用
基于PMU的广域测量技术发展迅速，近年来已经在很多方面得到了应用，主要包括电力系统状态估计、低频振荡在线监测、动态监测和广域保护。
3.1状态估计
现如今的状态估计是能量管理系统(EMS)的基本内容，它根据sCADA采集到的电压、电流等电气量的幅值和频率的测量值，用迭代方法求解非线性方程组，求得系统状态变量的最佳估计值。
电力系统的安全约束调度、静态稳定性分析和暂态稳定性分析都依赖于状态估计的结果，若能直接测量相角，将大大提高状态估计的速度和精度，但由于没有统一的基准，相角测量难于实现。
随着全球定位系统(GPS)的发展使相角测量得以实现。同步相量测量单元PMU借助于GPS技术，直接测得系统各节点的电压幅值和相角，状态方程中的雅各比矩阵就变成了常数矩阵。
应用同步相量测量技术所得到的是电网汇总所有厂、站的正序相量，而且是确切的同步测量结果，如果不考虑坏数据，则不需要再次进行状态估计，这不仅提高了状态估计的迭代收敛速度，而且提高了结果的精度。
3.2低频振荡在线监测
随着我国各大电网的互联，低频振荡成为电力系统中的严重问题，因此，必须对平时的小干扰振荡进行连续统计分析，从而了解当前电网经常发生振荡的频率和阻尼特性，便于提前发现电网的薄弱点，有利于调整控制系统参数，及早制定校正控制预案，合理安排运行方式，有效的遏制大规模低频振荡的发生。
电力系统的低频振荡的频率波动范围一般为0.1-2.0Hz，当此范围内存在较强的负阻尼或弱阻尼时，WAMS要能够及时发出告警信息，并在区域图上标明异常地方，给数据平台发送触发信号，记录当前的实时数据，用于低频振荡的在线监测和分析。因此，只有WAMS能够提供统一的实时数据，才能实现低频振荡的在线分析。
数据经过中央处理器的处理，根据结果快速判别发生振荡的机组，最后对现象进行分析，得出有用信息。
3.3动态监测
传统的SCADA/EMS系统无法实现系统的实时动态监测，是因为无法实现全网各节点电压相角和各发电机功角的测量，相角是判断电力系统稳定的重要参数，而PMU采用成熟的GPS技术实现了相角的直接测量，极大地改善了系统暂态稳定的预测及控制。
当故障时，调度中心可根据各个节点的实时相角数据，分析发电机功角的变化情况，通过功角的变化趋势来预测哪个机组可能失稳并采取相应的对策，如切机、切负荷、解列等，以防止事故的进一步扩大：也可以用来进行就地控制，如励磁、调速、电容器的接入等。
3.4广域保护
广域保护系统的核心思想是：当系统发生故障时，快速隔离故障，保证系统在故障切除后能够安全稳定的运行。不同于传统的继电保护只是通过开关的通断实现故障的切除，保证单个设备的安全，广域保护需要全网的无功、电压等信息，分析系统的当前运行状态，采取必要的措施，保证整个系统的稳定。
近年来WAMS系统迅速发展，除了以上高级应用外，WAMS还在其他很多方面像模型的有效性评估、阻尼控制、电压稳定性控制、线路参数估计以及频率控制等有着极其广泛的应用。如今智能电网的广泛研究给WAMS带来了更大的发展空间和应用方向。
4.结论
随着电力系统规模、结构和运行方式的不断改变，传统的监控策略和分析方法，难以满足电力系统安全性、稳定性和经济性的要求，基于PMU的WANS的出现具有重要意义，提供了一种新的方法用于电力系统中的问题研究。随着计算机、网络和通讯技术的不断完善，WAMS的发展将越来越容易，应用前景越来越广，必将取代传统的SCADA/EMS系统。
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