基于PMU的WAMS的研究概述

基于PMU的WAMS的研究概述

摘要：基于相量测量单元的广域监控系统在我国电力系统的监控等方面发挥着日益重要的作用。本文在首先对PMU 的测量原理以及WAMS的构成进行了简要的概述并比较了WAMS系统平台与传统SCADA系统的平台的优缺点。其后介绍了WAMS系统的应用，并对其在电力系统中低频振荡分析及抑制进行了针对性介绍。最后我国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。

关键词：电力系统；PMU；W AMS；GPS；低频振荡

1 引言

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（Supervisory Control And Acquisition,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（Phasor Measurement Unit,PMU）为基础的广域测量系统（Wide Area Measurement System,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，W AMS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W AMS研究工作的文献，对PMU的测量原理以及W AMS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W AMS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。

2 PMU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1 PMU的结构框图

图2 PMU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。W AMS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3 WAMS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W AMS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W AMS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W AMS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W AMS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W AMS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W AMS，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。