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摘要：廣域測(cè)量技術(shù)是近年來電力系統(tǒng)前沿技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。論述了廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wide-AreaMeasurementSystem，WAMS）在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、全網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程記錄和暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測(cè)及控制、電壓和頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制等方面的應(yīng)用，對(duì)其應(yīng)用前景做了簡(jiǎn)要分析，并提出WAMS的發(fā)展規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）；同步相量測(cè)量裝置；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

隨著電力系統(tǒng)總?cè)萘康牟粩嘣黾?、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大、超高壓長(zhǎng)距離輸電線路的增多以及用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的逐漸提高，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求。建立可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，以保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，已成為十分重要的問題。近來受到廣泛關(guān)注的廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wide-areameasurementsystem，WAMS）可能在一定程度上緩解目前對(duì)大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與控制的困難。

1安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨著較多的問題：互聯(lián)系統(tǒng)的低頻振蕩問題及緊急控制等問題。如我國華中系統(tǒng)的低頻振蕩衰減時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，華中系統(tǒng)的較長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過程勢(shì)必會(huì)通過聯(lián)絡(luò)線影響到華東系統(tǒng)。傳統(tǒng)的基于事件的就地控制不能夠充分觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，因而不能夠較好觀察系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如某些系統(tǒng)目前無法較快地抑制低頻振蕩問題。基于響應(yīng)的廣域穩(wěn)定控制增強(qiáng)了互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定控制的可靠性和靈敏性。

目前的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，比如電氣制動(dòng)、發(fā)電機(jī)快速勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)組切除、自適應(yīng)負(fù)荷減載及新興的靈活交流輸電等，發(fā)展到廣域控制都應(yīng)該是基于廣域電力系統(tǒng)的信息:原來使用就地信息不能夠滿足控制對(duì)電力系統(tǒng)充分觀察的要求。廣域測(cè)量系統(tǒng)提高了電力系統(tǒng)的可觀察性，通過各種分析手段，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的分析，如通過頻譜分析，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出系統(tǒng)的振蕩模式、系統(tǒng)狀態(tài)量的變化趨勢(shì)等:從而提供給廣域控制充分的動(dòng)態(tài)信息。

1．1暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測(cè)及控制

當(dāng)今投入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可分為兩種模式，即“離線計(jì)算、實(shí)時(shí)匹配”和“在線預(yù)決策、實(shí)時(shí)匹配”。但分析表明，大停電往往由“不可預(yù)見”的連鎖故障引起，在這種情況下以上兩種穩(wěn)定控制系統(tǒng)很可能無法響應(yīng)。理論上最為完美的穩(wěn)定控制系統(tǒng)模式是“超實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)匹配”。這種模式假設(shè)在故障發(fā)生后進(jìn)行快速的暫態(tài)分析以確定系統(tǒng)是否會(huì)失穩(wěn)，若判斷系統(tǒng)失穩(wěn)則給出相應(yīng)的控制措施以保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定控制系統(tǒng)的整個(gè)分析計(jì)算、命令傳輸、執(zhí)行過程的時(shí)間極短，理論上可以對(duì)任何導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的故障給出相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，達(dá)到對(duì)各種系統(tǒng)運(yùn)行工況、各種故障類型的完全自適應(yīng)。

WAMS在以下幾方面的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：

（1）對(duì)于WAMS提供的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間序列響應(yīng)，直接應(yīng)用某種時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法或人工智能方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于電力系統(tǒng)在動(dòng)力學(xué)上的復(fù)雜性，這種直接外推方法的可靠性值得懷疑。

（2）以WAMS提供的系統(tǒng)故障后的狀態(tài)為初始值，在巨型機(jī)或PC機(jī)群上進(jìn)行電力系統(tǒng)超實(shí)時(shí)暫態(tài)時(shí)域仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。僅就算法而言，這種方法是可靠的，但在連鎖故障的情況下，控制中心未必知道該方法需要的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型；再者，該方法要求的時(shí)域仿真的超實(shí)時(shí)度較高，目前對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)而言可能還存在困難。

（3）基于WAMS提供的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間序列響應(yīng)，首先利用某種辨識(shí)方法得到一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，然后對(duì)該模型進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真，得到系統(tǒng)未來的受擾軌跡，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種方法的可靠性比第一種方法好，同時(shí)僅基于WAMS提供的實(shí)測(cè)信息，不需知道第二種方法必需的故障后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的先驗(yàn)知識(shí)，應(yīng)該是目前比較有前途的方法。

除了判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性外，另一個(gè)重要問題是若干預(yù)測(cè)結(jié)果為系統(tǒng)失穩(wěn)，那么該如何給出適當(dāng)?shù)目刂屏恳员苊庀到y(tǒng)失穩(wěn)，這方面的研究相對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測(cè)的研究還較薄弱。它涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定量化分析和穩(wěn)定量化指標(biāo)對(duì)控制變量的靈敏度分析，即使在離線環(huán)境下這也是一個(gè)難點(diǎn)，實(shí)時(shí)環(huán)境下要求快速給出適當(dāng)?shù)目刂屏繉⒏永щy。有些研究以WAMS得到的故障后一小段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)量為輸入向量，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接將這些實(shí)測(cè)量映射到控制向量（如切機(jī)、切負(fù)荷量等）空間，這種方法相當(dāng)于將暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測(cè)和求解控制量都隱含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量樣本，如何保證這些樣本對(duì)各種系統(tǒng)運(yùn)行工況和各種可能發(fā)生的故障具有足夠的代表性是一個(gè)難題。WAMS得到的實(shí)測(cè)信息也可用作穩(wěn)定控制后備的失步解列裝置的觸發(fā)信號(hào)，在這方面的研究中系統(tǒng)通常被等值成兩機(jī)系統(tǒng)。

1.2電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）

傳統(tǒng)的分散配置的分散控制器實(shí)際上是在簡(jiǎn)化模型下設(shè)計(jì)的“孤立”控制器，只考慮本機(jī)可測(cè)信號(hào)，不考慮多機(jī)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)作用及系統(tǒng)中其它控制器的存在和交互作用影響，其結(jié)果是這種控制器只對(duì)改善本機(jī)控制特性有一定好處，但對(duì)系統(tǒng)其它相鄰機(jī)組的動(dòng)態(tài)行為不可能有確定的改善，相反存在著各控制器間動(dòng)作無法協(xié)調(diào)，而使各自的控制特性惡化的可能性。北美系統(tǒng)在進(jìn)一步加裝PSS過程中曾有過由于相互協(xié)調(diào)而使低頻振蕩重新出現(xiàn)甚至加劇的實(shí)例。

廣域測(cè)量系統(tǒng)提供了廣域系統(tǒng)的同步狀態(tài)量，為進(jìn)一步開發(fā)相互協(xié)調(diào)動(dòng)作的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器打下基礎(chǔ)。基于廣域測(cè)量系統(tǒng)，PSS可以觀察動(dòng)作以后系統(tǒng)各點(diǎn)的響應(yīng)情況，并根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，確定進(jìn)一步的動(dòng)作。

2電壓、頻率穩(wěn)定控制

2．1慢速電壓穩(wěn)定控制

基于廣域測(cè)量系統(tǒng)，人們可以開發(fā)較為慢速的廣域控制，比如電壓穩(wěn)定控制。美國BPA公司正在開發(fā)"先進(jìn)電壓穩(wěn)定控制"項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于廣域測(cè)量系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)提供的系統(tǒng)電壓、電流相量、有功、無功及頻率等綜合信息開發(fā)以下控制：基于響應(yīng)的快速控制，該控制措施包括發(fā)電機(jī)跳閘及無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)。該控制主要需要提供電壓相量、頻率、有功及無功的測(cè)量；利用無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行電壓控制，基于廣域測(cè)量系統(tǒng)提供的電壓幅值及功角，無功補(bǔ)償設(shè)備使用模糊邏輯控制來調(diào)節(jié)電壓幅度；變壓器自動(dòng)調(diào)壓避免變電站之間并聯(lián)變壓器的環(huán)流現(xiàn)象，提高電壓穩(wěn)定性；發(fā)電廠的電壓調(diào)度在電壓緊急的狀態(tài)下，有較多無功儲(chǔ)備的電廠可以提高電壓，從而減少系統(tǒng)的無功損耗，并提高電容器組的無功輸出。這些措施可以提高系統(tǒng)的無功平衡，從而加強(qiáng)電壓的穩(wěn)定。

2．2靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制

相對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定問題，靜態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定屬于慢動(dòng)態(tài)的范疇，更易于利用WAMS信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)視和控制。如利用WAMS得到的各節(jié)點(diǎn)電壓相量測(cè)量值將系統(tǒng)等值成兩節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，能快速給出電壓穩(wěn)定裕度；以各節(jié)點(diǎn)電壓相量測(cè)量值作為輸入變量，以潮流雅克比矩陣的最小奇異值作為電壓穩(wěn)定指標(biāo)，用大量樣本訓(xùn)練得到一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為電壓穩(wěn)定分類器，輸出變量為很安全、安全、警戒、危險(xiǎn)、很危險(xiǎn)等5種電壓安全水平；以WAMS提供的節(jié)點(diǎn)電壓相角差和發(fā)電機(jī)無功出力為輸入變量，應(yīng)用決策樹快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的電壓安全水平。

3動(dòng)態(tài)過程安全分析

3.1低頻振蕩分析及抑制

隨著大電網(wǎng)的互聯(lián)，區(qū)域間的低頻振蕩對(duì)互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了威脅。WAMS可望在分析和抑制低頻振蕩方面發(fā)揮作用。直接將系統(tǒng)線性化狀態(tài)空間方程離散化，利用WAMS提供的各離散時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量值，通過最小二乘法計(jì)算線性化狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣，進(jìn)而計(jì)算該矩陣的特征根；基于WAMS提供的各離散時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量值采用卡爾曼濾波方法計(jì)算系統(tǒng)的機(jī)電振蕩模式；應(yīng)用快速傅立葉變換和小波分析對(duì)WAMS提供的節(jié)點(diǎn)間的電壓相角差振蕩時(shí)間曲線進(jìn)行分析，提取低頻振蕩模式。與常規(guī)離線分析相比，基于WAMS的低頻振蕩分析具有更高的可信度。

通常僅基于本地信息的阻尼控制器（如PSS）不能很好地抑制區(qū)域間的低頻振蕩，因?yàn)楸镜匦畔⒉⒉荒芎芎梅从硡^(qū)域間的振蕩模式，本地信號(hào)對(duì)于區(qū)域間的振蕩模式的可觀測(cè)性不好。WAMS的出現(xiàn)為抑制區(qū)域間的低頻振蕩提供了強(qiáng)有力的工具，可通過WAMS獲取區(qū)域間的發(fā)電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)子角速度信號(hào)等全局信息作為阻尼控制器的反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制。將采用WAMS信號(hào)的區(qū)間阻尼控制器附加到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器中，達(dá)到抑制區(qū)域間振蕩的目的；采用WAMS信號(hào)作為裝設(shè)于聯(lián)絡(luò)線上的TCSC裝置的控制輸入，基于線性H∞控制理論設(shè)計(jì)了TCSC區(qū)間阻尼控制器采用WAMS信號(hào)作為控制器輸入時(shí)，需要引起重視的是WAMS信號(hào)的時(shí)滯（TimeDelay）問題考慮時(shí)滯后閉環(huán)系統(tǒng)成為一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)，若時(shí)滯過大可能引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定采用最小二乘預(yù)測(cè)算法由歷史PMU測(cè)量序列得到控制器當(dāng)前的反饋輸入，沒有明確說明時(shí)滯的處理方法，但其采用的H∞控制是一種魯棒控制方法，對(duì)由時(shí)滯造成的影響有一定抑制作用。

3.2全局反饋控制

以往乃至目前的電力系統(tǒng)控制研究領(lǐng)域一直強(qiáng)調(diào)分散性/就地性，即對(duì)電力系統(tǒng)中的某一動(dòng)態(tài)元件僅采用本地量測(cè)量構(gòu)成反饋控制，從便于控制實(shí)現(xiàn)的角度追求控制的分散性/就地性毫無疑問是可以理解的，但通常電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)問題本質(zhì)上具有全局性（如暫態(tài)穩(wěn)定問題），而分散/就地控制只是通過本地量測(cè)量間接地包含一些全局信息，因此在提高全系統(tǒng)穩(wěn)定性上有一定局限性。隨著WAMS的出現(xiàn)和發(fā)展，研究和實(shí)現(xiàn)基于WAMS信號(hào)的全局信息反饋與控制成為可能。

基于WAMS提供的全局實(shí)時(shí)信號(hào)，將通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)的兩個(gè)區(qū)域等值成一個(gè)兩機(jī)系統(tǒng)，然后采用直接線性化技術(shù)設(shè)計(jì)了聯(lián)絡(luò)線上的TCSC控制器，數(shù)值仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于WAMS信號(hào)的全局TCSC控制器有效提高了互聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在全局反饋控制的研究中，同樣存在遠(yuǎn)方反饋信號(hào)的時(shí)滯問題，有必要采用時(shí)滯系統(tǒng)控制理論加以分析研究，以探明時(shí)滯對(duì)全局反饋控制的影響。另外，對(duì)于非線性全局控制，如何根據(jù)特定的控制目標(biāo)選擇合適的遠(yuǎn)方反饋信號(hào)也是一個(gè)值得研究的問題。

通過分析可見，建立廣域測(cè)量系統(tǒng)成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然，必須從工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等角度對(duì)其開發(fā)、應(yīng)用進(jìn)行整體規(guī)劃。未來重點(diǎn)要編制現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范，并提出技術(shù)改進(jìn)的各種方法。根據(jù)我國電力系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃、分析、控制、保護(hù)及EMS等系統(tǒng)的未來實(shí)際要求，確定與廣域測(cè)量系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)管理、分析和交換等各種相關(guān)課題。

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