基于GPS的功角測(cè)量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

作者：時(shí)間：2011-04-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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只要已知轉(zhuǎn)子在初始時(shí)刻的位置θ0以及任意時(shí)刻的速度ωr(t)，就可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子在任意時(shí)刻的位置θ(t)。ωr(t)由轉(zhuǎn)速表負(fù)責(zé)測(cè)量，其測(cè)量精度與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)無(wú)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(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組。
文獻(xiàn)[8]則提出利用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和發(fā)電機(jī)功角轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置來(lái)直接獲得系統(tǒng)功角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而監(jiān)視系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中位置檢測(cè)器由同軸裝的3個(gè)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(gè)圓孔，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)遮擋盤旋轉(zhuǎn)后，光敏三極管收到光信號(hào)的變化，呈導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]也提出用發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)直接測(cè)量發(fā)電機(jī)功角，是利用轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置經(jīng)分頻得到與Eq向量的頻率始終保持一致的正弦波，通過(guò)一定的算法與系統(tǒng)電壓比相，再對(duì)所得相角預(yù)校正求出發(fā)電機(jī)的功角。
文獻(xiàn)[10]提出了兩種直接測(cè)量功角的方法：傳送波形的測(cè)量方法和利用同步時(shí)鐘的測(cè)量方法，并對(duì)兩種測(cè)量方法精度和誤差進(jìn)行了分析。前者對(duì)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(guò)程中不發(fā)生波形失真。另外收端必須對(duì)對(duì)方傳送過(guò)來(lái)的波形進(jìn)行時(shí)延和相移補(bǔ)償，而由于氣候、環(huán)境等因素的影響，時(shí)延和相移測(cè)量結(jié)果往往不很準(zhǔn)確，這就嚴(yán)重地影響了功角測(cè)量的精度。如果利用兩個(gè)精度很高的同步時(shí)鐘即可避免上述問(wèn)題。
文獻(xiàn)[11]介紹了一種同步發(fā)電機(jī)功角的高精度測(cè)量方法。這種方法采用轉(zhuǎn)子位置傳感裝置和誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)，并利用GPS高精度授時(shí)信號(hào)實(shí)現(xiàn)異地信息同步采集。用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)代替空載電勢(shì)參與相位比較。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過(guò)裝設(shè)轉(zhuǎn)子位置傳感裝置獲得。發(fā)電機(jī)功角可以通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與發(fā)電機(jī)端電壓信號(hào)的相位差得到，其值等于空載時(shí)的相位差減去負(fù)載時(shí)的相位差。并對(duì)測(cè)量誤差的來(lái)源、性質(zhì)及其軟件補(bǔ)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(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(guò)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(méi)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(guò)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(zhǎng)，難以在暫態(tài)過(guò)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。
文獻(xiàn)[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(jì)只需解線性代數(shù)方程，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)便可方便地實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[18]提出了稱之為使潮流方程直接可解的PMU配置方案。通過(guò)討論電壓型PMU的配置，目標(biāo)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(guò)對(duì)部分節(jié)點(diǎn)適當(dāng)配置PMU，即適當(dāng)安排節(jié)點(diǎn)類型中PQVΘ節(jié)點(diǎn)和PVΘ節(jié)點(diǎn)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(jìn)而可以獲得全部節(jié)點(diǎn)的電壓相量。并定量地分析引入PMU以后對(duì)狀態(tài)估計(jì)精度的改善程度。
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(zhǎng)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。
文獻(xiàn)[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(xì)模型，用當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)測(cè)的電壓向量作為輸入，通過(guò)逐步積分法預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的軌跡，在發(fā)電機(jī)角度變化的微小鄰域內(nèi)假定負(fù)荷為恒流源，當(dāng)發(fā)電機(jī)角度超出界限時(shí)，更新負(fù)荷的等效恒流源。
文獻(xiàn)[22]提出的方法的基本思路是由發(fā)電機(jī)的同調(diào)特性在大量仿真觀察的基礎(chǔ)上根據(jù)功角對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行離線預(yù)分群，在線動(dòng)態(tài)修正。另外還有為自適應(yīng)失步保護(hù)[23]提供出口動(dòng)作啟動(dòng)條件的穩(wěn)定預(yù)測(cè)方法。它首先把系統(tǒng)等值成雙機(jī)系統(tǒng)，然后利用安裝在兩個(gè)區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線變電站的相量測(cè)量單元(PMU)測(cè)量的電壓電流相量推算等值機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，再利用等面積法則(EAC)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)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(xiàn)[24]提出了基于同步相量測(cè)量單元的預(yù)測(cè)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(hào)，可以判定是同步振蕩還是異步振蕩以及滑差的情況，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)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(jī)系統(tǒng)中單機(jī)的能量，提出用PMU檢測(cè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω的最大數(shù)值，并和由能量函數(shù)理論通過(guò)離線仿真求得的轉(zhuǎn)速坎值比較決定切機(jī)量。
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(guò)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(guò)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(wú)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(guó)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(lái)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(lái)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(wú)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(wèn)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(lái)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(wú)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(yǔ)
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(lái)革命性的變革,因此必然成為今后發(fā)展的重點(diǎn)；基于同步相量區(qū)域穩(wěn)定控制理論的進(jìn)一步研究，實(shí)時(shí)相角測(cè)量必將為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開辟一個(gè)新的領(lǐng)域。目前的技術(shù)條件已經(jīng)基本滿足，當(dāng)務(wù)之急是建立和發(fā)展以GPS為基點(diǎn)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制理論。