电网动态实时监测技术.docx

1、电网动态实时监测技术电网动态实时监测技术1 技术原理电网实时动态监测是近年来发展起来的一项新技术, 又称为广域测量, 是电力系 统三项前沿课题之一。20世纪 90年代初,基于全球定位系统(GPS 的相量测量单元(PMU 的成功研 制,标志着同步相量测量技术的诞生。它在电力系统中的广泛应用,促进了电网实时 动态监测系统(WAMS 的形成和发展。美国于 1992年开始装设相量测量装置,我国 也于 1995年开始组建了电网的功角监测系统。1.1 电网实时动态监测系统的作用随着区域电力系统互联的发展, 电力系统动态行为的监测和控制日益受到广泛关 注。国家电力调度通信中心于 2003年 2月颁布试行的电

2、力系统实时动态监测系统 技术规范(试行 中提到:“为配合全国联网,进一步加强电力系统调度中心对电力 系统的动态稳定监测和分析能力,应在重要的变电站和发电厂安装同步相量测量装 置, 构建电力系统实时动态监测系统, 并通过调度中心分析中心站实现对电力系统动 态过程的监测和分析。 该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据平台的主要数 据源, 并逐步与 EMS 系统及安全自动控制系统相结合, 以加强对电力系统动态安全稳 定的监控” 。该技术规范强调了对电力系统动态过程的实时监测。利用电网实时动态监测系统的动态监测特点, 结合 EMS 系统的稳态监测优势, 可 以建立保证复杂大电网安全运行的调度辅助系

3、统。 依托电网实时动态监测系统, 可以 建立大区电网动态模型参数识别、仿真计算校核、修正系统,为电力系统模型尤其是 负荷模型的选择提供了科学依据。 电网实时动态监测系统还是建立安全稳定控制装置 协调管理系统、 大区电网级的预防控制和恢复控制系统的基础, 能进一步充分发挥电 网安全自动控制装置作用、提高电网输送能力。大量的应用实践证明, 电网实时动态监测系统能监测电网运行状态、 进行系统特 性分析, 准确捕捉电力系统在故障扰动、 低频振荡和系统试验等情况下的动态过程及 行为特性, 成为校核电力系统稳定计算模型的有效手段, 取得了较好的社会效益和经济效益。电力系统动态过程的实时监测对电力系统的稳定

4、分析、预警、调度、事故分析、 参数辨识及在线稳定决策都大为有益, 将给电力系统的运行及控制带来巨大变革性影 响, 为解决复杂电力系统的系列难题提供了新的有效的手段。 WAMS 实时同步测量、 快 速传输的特点非常适合实现大范围快速控制, 是控制区间功率交换、 限制事故区域扩 展、提高主网架安全稳定水平的最具潜力的手段之一。因此,认真研究、正确评估、 大力发展电网实时动态监测系统是十分必要的。1.2 电网实时动态监测系统技术原理交流电网各母线电压间的相对相角及发电机功角是电网运行的重要状态变量。 功 角和相对相角的大小反映了电网的稳定裕度, 功角和相对相角的周期变化反映了电网 的振荡频率。因此,

5、实时监测功角和相对相角是了解电网动态特性的重要手段,为保 证电网稳定运行提供了重要前提。电力系统实时动态监测系统由相量测量装置(PMU 子站和电力系统实时动态监 测系统主站构成。相量测量装置用于同步相量的测量和输出以及进行动态记录。 相量测量装置的核 心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、 失去标准时钟信号的守时能力、 相量 测量装置与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。 在一些电网, 其安装在发电 厂的相量测量装置还可以通过测量与计算相结合的方法输出发电机内电势、 功角等信 息。实时动态监测系统主站是安装在电力系统调度中心、 变电站或发电厂的计算机系 统。 主站管理和控制相量测量装置

6、的工作状态; 接收来自子站或其他主站的测量数据、 事件标识、暂态记录文件、动态记录文件等,对这些数据进行分析、处理、存储、归 档,利用这些数据开展电力系统稳态分析、全网动态过程记录和事后分析、电力系统 动态模型辩识和校正、暂态稳定预测及控制、电压和频率稳定监视及控制、低频振荡 分析及抑制、 故障定位及线路参数测量等方面的研究和应用。 主站可以接收 EMS 等其 它系统的数据;开放相量数据给其他应用软件系统调用,并转存到历史数据库。主站 中还包括高级应用层,集中了在线电网运行动态监测系统(直观的图形显示、调度决 策辅助系统、数据处理,数据的管理与维护及离线分析等工具与软件。所有这些应 用给电力系

7、统分析和控制提供了新的视角和方法, 成为制定电力系统控制策略和确定电力系统设计、运行、规划方案的重要依据。同步相量测量的基本原理如下:利用高精度同步时钟实现对电网母线电压和线路 电流相量的同步测量,通过通信系统传送到电网的控制中心或保护、控制器中,用于 实现全网运行监测控制或实现区域保护和控制。交流电力系统的电压、电流信号可以使用相量表示,相量由两部分组成,即幅值 X (有效值和相角 ,用直角坐标则表示为实部和虚部。所以相量测量就必须同时 测量幅值和相角。 幅值可以用交流电压电流表测量; 而相角的大小取决于时间参考点, 同一个信号在不同的时间参考点下,其相角值是不同的。所以,在进行系统相量测量

8、 时,必须有一个统一的时间参考点,高精度同步时钟就提供了一个这样的参考点。任 意两个相量在统一时间参考点下测得的两个相角的“差”即为两地相对相角,这就是 相量测量的基本原理。设正弦信号:x (t = 2cos(2+ft X(式 9-1可以采用相量表示为:sin cos . jX X Xe X j +=I R jX X + (式 9-2由式 9-2可见,相量有两种表示方法:直角坐标法(实部和虚部和极坐标法 (幅度值和相位 。交流信号通过傅里叶变换,将输入的采样值转换到频域信号,从 而得到相量值。式 9-1可以用相量的形式表示出来:I R k N j N k kjX X e x N X +=210

9、2 (式 9-3实 部 虚 部 r V图 9-1 交流信号相量图如图 9-1所示, V (t 代表变换器要处理的瞬时电压信号,通过傅里叶变换, 电压或电流可以用相量的形式表示出来。假 设 电 力 系 统 中 的 两 个 节 点 对 应 的 电 压 信 号 分 别 为 2cos(211ft V f =、 2/2cos(222=ft V f ,其对应的相量分别为 1V 、 2V 。当 t=0时刻接收到 GPS 系 统发送的秒脉冲信号(1PPS ,两节点同步电压相量如图 9-2所示,在统一的坐标系 中 1V 超前 2V 90。 图 9-2 同步相量测量原理2 国内外应用情况2.1 国外应用情况美国

10、NYPA (New York Power Authority于 1992年开始装设相量测量装置,除 了用于相量测量以外,还用于系统谐波监测、系统扰动监测。1995年, 在美国能源部的支持下, 广域电网监测系统/动态运行监测系统在美国 西部电力联盟(WSCC 投入试运行,此工程项目主要是确定在大电网的输变电系统里 新的数据测量与信息需要, 经过运行, 以便制订为了满足复杂的大电网运行所需要的 电网运行状态监测、预警、动态控制的指南。广域电网监测系统/动态运行监测系统 (WAMS 技术已经证实是维护电力基础设施在大电网长距离高效率输电条件下的可靠与安全运行的工具。这一技术的采用,提高了美国西部输电

11、能力,在西部大停电事故 中记录了极其珍贵的数据。由于广域电网监测系统 /动态运行监测系统(WAMS 技术的采用, 1996年 8月 10日美国西部大停电事故的数据在两分钟之内就得到了分析, 对恢复供电给出了准确的 指导。由于广域电网监测系统/动态运行监测系统(WAMS 的在线数据支持,大古力 (Dalles 水电站的发电能力大大提高。美国佛罗里达(Florida 和佐治亚(Georgia 电力系统装设了由三个 PMU 组成 的监测系统。在一次系统扰动中,监测系统在佛罗里达电网和 Florida -Georgia 联 络线上同时监测到系统有功率摇摆,完整地记录下了动态过程系统的电压、功率、频 率

12、的变化情况,而传统的故障录波器无法检测到这种扰动。美国能源部(DOE 在总结大型互联电力系统事故的基础上,在 20世纪 90年代 中发起“广域电网测量系统”项目研究,由美国邦纳维尔电力局(BPA 和西部电力 局 (WAPA 牵头进行。 1996年夏美国西部大停电事故后, 加强了对该项目的支持力度。 该系统的建设计划分为 3个阶段:(1开发、安装先进的西部电力系统动态测量、监控信息系统;(2研究开发先进的产品级数学工具,处理广域测量的数据;(3应用广域测量的数据,进行西部电力系统全网动态分析。该项目将有着广泛的应用领域:(1美国电科院的 FACTS 项目;(2动态安全评估(DSA 和电压安全评估

13、(VSA ;(3互联系统安全网络(ISN ;(4开放式实时信息系统(OASIS ;(5电力系统可靠性维护(RCM 。自 2000年,在电力可靠性技术咨询集团(CERTS 的组织之下,美国西部电力联 盟(WSCC 与美国能源部国家实验室、美国电科院(EPRI 、几所大学合作,开始了 用于检验西部电网稳定特性的运行试验及电网动态运行稳定性的控制等领域的工作 与研究。在开发负荷监测系统、负荷模拟方法及负荷模型方面,美国也做了不少工作。美 国电科院(EPRI 与新墨西哥州大学(New Mexico State University合作,选择典型的居民负荷、商业负荷、工业负荷和农业负荷馈线安装数据采集装

14、置,安装在带 负荷调压变压器(LTC 的二次侧。捕捉负荷对电压扰动的响应,用所测得的数据, 识别每一类负荷的响应,转换并简化,利用分类数据进行外推。为了开发负荷监测系统、 负荷模拟方法及负荷模型, 在新墨西哥电力公司 3个低 压配电站安装了监视系统(PMU 和 PPSM ,收集试验和扰动数据,开发基于物理的负 荷模型识别方法,提出了用于切负荷方案设计的模型,证明了 ZIP (恒定阻抗、恒定 电流、恒定功率模型不能反映实测结果,并开发了 12条馈线的负荷模型,将负荷 模型更新为(ZIP +马达模型,模型看来是合理的,但还需要更多的数据和验证, 包括不同季节模型的验证,并将模型转换到 PSLF (

15、GE 开发的潮流、稳定程序格式。 美国 PTI 、 BPA 、南加州爱迪生公司的 WAMS 目前还主要用于事件记录和系统振荡 模式研究,系统模型的改进主要是通过 WAMS 系统记录故障信息,通过离线分析、计 算,比较实测曲线,滚动修改模型。虽然美国 WAMS 系统应用时间较长、范围也比较广,但目前主要用在系统正常监 视及事故分析上,用于电力系统稳定控制还任重道远。法国电力公司的协调防御计划是由 24个同步相量测量装置和位于控制中心的两 台计算机组成。 90年初,在完成了许多前期研究工作的同时, 5台相量测量装置在法 国电网中投入运行,同步时钟采用了 GPS 授时信号。相量测量装置将电压、相角和

16、频 率信号送往控制中心, 信号发送频率为每秒钟 20帧。 到 97年法国电网中已装设了 12台相量测量装置, 系统其余的相量测量装置正在安装之中。 控制中心的一台计算机用 于决策处理,另一台用于分析系统状态行为。为了提高系统的可靠性,采用了两套独 立的通信通道:卫星通信网和地面微波通信网,整个系统的响应时间为 11.3s ,控 制中心收集相量测量装置送来的数据后,进行实时分析以检测是否会出现同步失稳, 是否要解列及切负荷。 切负荷的信号通过卫星通信发送到变电站, 解列的命令则同时 由微波和卫星传送。日本东京电力公司基于相角预测的失步保护投入试运行多年。日本东北电力公司在电网中多个节点安装了具有

17、同步相量测量功能的实时监测 与记录系统,用于电力系统控制和保护装置投运试验,其记录情况如下:(1在 PSS 试验中,记录电力系统波动情况;(2在自动电压无功控制器(Automatic Voltage and Q Controller试验中, 记录电压波动数据;(3在利用 SVC 进行系统稳定试验中,记录系统波动情况;(4记录系统意外事件中电力系统波动情况;(5在实时监测中,用于研究远方母线间电压相角差;(6记录东北电网与东京电网互联线间的功率振荡情况。国外大量同步相量测量装置投入到电力系统实际应用中,应用于状态实时监测、 电力系统控制和保护装置投运试验、继电保护、电力系统扰动记录等多个领域,为

18、电 网动态运行提供了可靠与精确的连续性监测与连续性记录, 如:低频振荡时的振荡频 率和振幅、功角稳定越限时的功角测量角度、电压稳定越限时的电压幅值等。2.2 国内应用情况国内自 20世纪 90年代中期开始进行同步相量测量技术的研究和推广应用, 随着 信息、通信等技术的发展,同步相量技术在国内得到了很大发展和广泛应用,逐渐形 成了一个新的技术领域。中国电力科学研究院和台湾欧华科技有限公司合作, 研制了 ADX3000电网功角监 测系统,在国内得到了较广泛的应用,从 1995年开始组建了以下电网的功角监测系 统:(1南方电网于 1995年开始组建实时功角监测系统,目前已在 11个变电站安 装了功角

19、监测装置。主站设在南方网调。(2华东电网于 1997年开始构建基于相量测量的实时功角监测系统, 目前已在 9个厂站安装了实时功角监测装置,基本构成了一个可以监测华东电网主要节点功角 及潮流等实时运行参数的稳定监录系统。该系统还实现了功角的 WEB 浏览,并实现动 态记录文件的 WEB 浏览。 系统还首次在相量测量系统中实现了发电机内电势测量功能。 (3国调中心在阳城-江苏输电线、福建-华东联络线上安装了实时功角监测 装置。主站设在国家调度中心。(4福建电网于 2001年也构建了实时功角监测系统, 现已在 6个厂站安装了实 时功角监测装置。主站设在省中调。(5四川电网于 2002年构建了实时功角

20、监测系统, 现已在 8个厂站安装了实时 功角监测装置。主站设在省中调。(6华北电网于 2004年组建了实时动态监测系统, 现已在 7个厂站安装了实时 功角监测装置(PMU 。主站设在华北网调。以上各系统多次记录到了电网出现的各种扰动, 使分析人员看到了在此过程中整个电网的动态变化情况, 也使分析人员可直接看到在此过程中的系统各站的功角变化 情况, 为电网的稳定运行提供了有力的支持, 为事后的稳定分析提供了极为宝贵的现 场记录数据。中国电力科学研究院于 2004年初研发了自主知识产权的 PAC -2000电力系统相 量测量装置及 PSWAMS -2000实时动态监测系统主站。 并于 2004年投

21、入东北电网运行。 在华东电网新的实时动态监测系统中,也有 7个厂站即将投入运行。清华大学于 19972000 年在黑龙江东部电网安装了 7 个实验性的 PMU 装置, 组 建了一套监测系统。华北电力大学在内蒙古电网安装了 PMU 装置,组建了一套监测系统。河海大学在河南电网安装了 PMU 装置,组建了一套监测系统。四方公司从 2003年初研制出 SSC -200相量测量装置, 并陆续组建了以下电网的 功角监测系统:(1江苏电网于 2003年组建实时功角监测系统, 现已在 9个厂站安装了实时功 角监测装置。主站设在省中调。(2国调中心于 2003年底组建了实时动态监测系统, 共有 8个厂站安装了

22、实时 功角监测装置。主站设在国调中心。(3华北电网于 2004年组建了实时动态监测系统。 共有 6个厂站安装了实时功 角监测装置。主站设在华北网调。(4广东电网于 2004年组建了实时动态监测系统。 共有 7个厂站安装了实时功 角监测装置。主站设在广东省调。上海南瑞公司于 2003年研制出 PMU 装置,在江苏、华北、河南等电网安装。在 华东电网 WAMAP 系统中 PMU 部分与中国电力科学研究院共同中标。北京中海智公司与美国 MACRODYN 公司合作,在东北电网实时动态监测系统中安 装了 7个厂站的 PMU 装置。东北电网于 2004年初组建了实时动态监测系统。 系统中安装了美国 MAC

23、RODYN 公 司的 PMU 装置、 四方公司的 PMU 装置以及中国电力科学研究院的 PAC -2000相量测量 装置, 共 12个厂站。 该系统主站的后台机是电科院 PSWAMS -2000实时动态监测系统, 前置通讯由四方公司提供。 在 2004年 3月 25日和 2005年 3月 29日的两次东北电网 大扰动试验中, 该系统完整记录了两次扰动过程的数据, 为事后分析提供了准确的数 据。华东电网在 2005年初组建了新的实时动态监测系统共 16个厂站。 系统中安装了 中国电力科学研究院的 PAC -2000相量测量装置和上海南瑞的相量测量装置, 主站由 南瑞稳控公司提供。目前该系统正在投

24、运阶段。由以上情况可知,国内许多网、省电网已组建了实时动态监测系统,共有 100多 个厂站的相量测量装置已经投入运行。其它网、省电网公司也已经在着手准备了。运 行实践证明, 同步相量测量系统不仅为电网的安全运行提供准确的实时功角数据, 还 能成为电网运行的“黑匣子” ,忠实、精确地记录电网中发生的所有异常工况,成为 电网安全稳定运行不可缺少的工具。可以预见, 12年之内全国各网、省电网的实时动态监测系统将全部投入运行。 相量测量装置的覆盖面将大大增加, 部分高级应用功能也将实现。 这将使全国电网的 稳定运行有更可靠的保证,运行水平将进一步提高。2.3 国内外同步相量测量装置及 WAMS 系统功

25、能对比分析表 9-1给出了国内外同步相量测量装置性能指标、功能、通讯、触发方式、输 入通道等的差异,从模拟量输入通道、开关量输入通道、 A/D采样频率、相量输出频 率、输出的计算量、电压精度、电流精度、相角精度、频率精度、时间同步精度、 GPS 定位功能、守时能力、 A/D精度、 PMU 数据存储时间、频率越限触发、频率变化率触 发、电压越限触发、电流越限触发、零序越限触发、负序越限触发、最大偏移功角触 发、状态量变化触发、手动触发、远方触发、实时监测功能、实时记录功能、暂态录 波功能、谐波分析功能、通道组织、通讯协议等关键指标对比情况看,国内同步相量 测量装置技术水平与国外相比毫不逊色。表

26、9-2给出了国内外 WAMS 系统功能情况。 从表 9-2中可以看出, 国外 WAMS 系 统与国内 WAMS 系统功能各具特点,主要差异表现在:(1在电力系统正常、异常运行状态监测与记录的应用上,国内较国外考虑的 更为细致,增加了发电机内电势测量及发电机内电势计算、功角的 WEB 浏览、 WAMS 间系统互联、联网触发记录暂态数据、动态记录文件的 WEB 浏览等功能。(2在负荷模型及参数的应用上,国内与国外同步。(3在电力系统稳定性应用功能上,国内与国外相比仍有差距,主要体现在缺 少电力系统实时动态分析、电网动态运行稳定性的控制、相量测量的自适应失步保护 及基于相角预测的失步保护等功能应用。

27、总体看来,国内 WAMS 与国外 WAMS 系统应用水平基本同步。表 9-1 国内外同步相量测量装置对比分析表 国家电网公司先进适用技术评估报告 国家电网公司先进适用技术评估报告 表 9-2 国内外 WAMS 系统功能情况对比表WAMS 系统功能美国 法国 日本 中国 相量测量 状态监测与记录(包括监测功角、潮流 谐波监测 发电机内电势测量及发电机内电势计算 功角的 WEB 浏览 WAMS 间系统互联 电力系统 正常运行 状态监测研究远方母线间电压相角差 系统扰动监测及记录 事件记录 系统振荡模式记录及研究 联网触发记录暂态数据 电力系统 异常运行 状态监测 与记录动态记录文件的 WEB 浏览

28、 电网运行状态监测、预警、动态控制的指南 电力系统实时动态分析,检验电网稳定特性 电网动态运行稳定性的控制, 检测同步失稳以采取解列及切负荷等措施 动态越限告警电力系统 稳定性相量测量的自适应失步保护、 基于相角预测的失步保护负荷模型 及参数负荷监测、负荷模拟方法及负荷模型 3 综合效益分析3.1 东北电网 WAMS 系统情况及应用效益分析(1东北电网 WAMS 系统建设情况东北电网按照“统一规划,分步实施”的原则,于 2002年底开始建设东北电网 500kV 主网架电力系统实时动态监测(控制系统(简称东北 WAMS 系统 。 2004年 3月投入现场试运行,正常稳定运行至今。东北 WAMS

29、系统一期工程在东北网调设置分析中心站,对电力系统运行状态进行国家电网公司先进适用技术评估报告 监视、分析、控制、预警。截止目前,东北电网已在伊敏、绥中、元宝山、方正、哈 南、合心、东丰、辽阳、沙岭、董家、包家、徐家等十二个厂站配置了相量测量单元 装置(PMU 子站。东北 WAMS 体系结构如图 9-1所示,物理结构如 9-2所示。 图 9-1 东北 WAMS 体系结构图 图 9-2 东北 WAMS 系统物理结构图由于电网运行时故障及扰动的发生具有随机性,为确保东北 WAMS 系统能够随时 记录与捕捉系统动态行为,在硬件结构上分析中心站按独立系统组网(如图 9-2所 示 ,前置通信机和后台服务器

30、均按双机配置,采取主备工作方式,备用机切换自动 进行,并与 DMIS 之间具有可靠的安全隔离措施;在软件结构上分析中心站采用了如 图 9-3所示的三层体系结构,其中:数据层用于实现接收、转发、存储和管理来自 子站、 数据集中器或其它主站的测量数据; 中间层用于实现接收和转发子站的事件标 识、联网触发事故记录、监视下级子站上送的测量数据、管理子站和数据集中器的工 作状态;客户层用于实现基本的离线分析和安全预警功能。国家电网公司先进适用技术评估报告 图 9-3 东北 WAMS 系统分析中心站体系结构图分析中心站通过专用数字通信通道与各子站相联, 能同时接收多个子站上传的实 时动态信息,按 20ms

31、 的时间间隔记录动态数据,可以调用 PMU 子站所记录的暂态数 据,通过对动态数据和暂态数据的合成,再现系统在故障扰动、低频振荡等情况下的 动态行为和特征。 分析中心站既可根据相角差越限、 频率越限和人工干预信号等条件 联网启动本地和下级子站的暂态数据记录,又可根据个别子站上送的内部触发信息, 自动联网触发其它子站暂态数据记录,以得到所有 WAMS 系统子站测点在扰动过程中 的暂态行为,更全面和准确的反映系统动态过程。当相对相角(包括电网送受端母线 电压相角差、 区域联络线两侧母线电压相角差、 送端机组内电势相对受端母线电压相 角差、重要发电厂机组功角接近其预定最大值时,分析中心站可及时向相关运行人 员发出系统动态越限告警信息。为便于对比离线仿真结果与实测动态过程的差异, 分析中心站采用开放式数据库 存储历史数据,能够处理母线电压相量、线路电流相量、发电机功角、功率和开关量 等多种表征系统动态行为的数据类型, 具备依据子站测量数据计算动态过程中发电机 组内电势相量的功能, 可以从历史数据库和子站记录文件中复现电网扰动中的全部测 量数据,按 EXCEL 电子表格