电力系统相角测量综述

2009-04-11 21:22阅读：

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§1.2.1 电力系统相角测量系统的发展
由于相角对于电力系统具有重要意义，因此，世界上许多国家的电力公司、科研机构和高校投入了大量的人力和物力，开发、研制相角测量装置(PMU)，研究相角测量装置在暂态稳定预测、控制和自适应失步保护中的应用。
早期的相角测量方法是将交流电压波形送到控制中心进行比较显示，由于存在不确定的延时，造成这种方法的测量精度太低[4]。
1980年，加拿大人G.Missout首次采用无线电导航定位系统：罗兰-C提供的时间作为同步时钟，进行相角测量[5]；由于罗兰-C接收困难，1981年又采用卫星系统GOES（Goestationary Operational Environment Satellites）提供的时间作为同步时钟[6]。
1981年，瑞士人P.Bonanomi采用无线电广播授时，其时间作为同步时钟信号进行相角测量，并首次展望了相角的应用前景[7]。
1983年，美国人A.G.Phadke采用无线电广播授时的时间作为同步时钟，提出了用递推的离散富里叶变换（DFT）求解电压相角[8]；由于同步时钟精度低，又采用冗余的办法来提高测量的精度[9]。
由于测量采用的同步时钟精度低和接收困难，因此使相角测量和应用的研究停滞不前。
电力系统实时相角测量长期未能实现的根本原因在于，电力系统地域辽阔采用常规的方法和技术难以实现。电磁波虽是以光速30万公里/秒传播，但是对工频信号(50Hz)而言，每传播100公里相角就滞后6度，采用直接将交流信号传送的办法，误差太大。采用同步时钟进行相角测量时，对于50Hz的工频信号来讲1ms的同步时钟误差，会带来18度的相位偏差。过去由于时钟精度低，再加上过去通讯技术和计算机技术水平的限制，阻碍了这个问题的解决。美国的全球定位系统GPS(Gloabal Position System)出现，为相角

测量提供了时钟精度上的保证[10,11]。
美国是从60年代开始进行空中定位研究，1974年基于GPS概念的全球定位系统开始正式研制，又叫导航卫星测时和测距：Navstar(Navigation satellite timing and ranging)，分为民用和军用。1985年进入民用领域，1993年此系统正式建成。GPS系统由空间分布的24颗卫星、地面测控站和用户接收机三大部分组成，其中空间部分的24颗卫星包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，它可以实时和全天候地为全球任一位置的接收机提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息，其时间误差小于1 s，对于50Hz的工频信号其相位误差不超过0.018 。现有同步时钟的比较见表1 [12]，从表中可以看出GPS系统最好，其接收机的价格只有2000元左右。因此现有相角测量装置都选用GPS作为同步时钟。
1990年，A.G.Phadke研制了基于GPS时钟的同步相角测量装置[13]，并将其应用于BPA的两个变电站之间的连线上。
1990年，法国也研制了基于GPS时钟的同步相角测量装置，并将测量电压相量和基于电压相量的控制作为法国电网防止崩溃的措施[14]。
从1993年开始，A.G.Phadke连续发表文章推动了相角测量和应用的研究。至此，研究和使用PMU加强对大型电力系统的监控的热潮正在全世界各国电力公司和研究机构兴起。
表1 同步时钟的比较
种类误差特点
无线电广播 1ms 时间误差大
LORANC 1～3us 接收困难
OMEGS 2ms 时间误差大
GOES 0.1～0.3ms 不稳定
GPS 1us 稳定性好，接收容易
GLONASS 10us 商品化不够（苏联）
§1.2.2 电力系统相角测量系统的应用现状
目前国内外主要是利用GPS同步时钟技术，一方面进行集中相角的监视和稳定控制理论方面的研究，即将电压相角信息上送到调度中心，由调度中心对相角信息进行处理后，进行相角的监视；和在已知相角信息的条件下，应用相角信息进行暂态稳定的分析和控制。另一方面是基于相角测量装置的试验研究，通过相角测量装置记录相角信息，对系统的动态行为进行研究。
在美国，IEEE 在电力系统继电保护和控制委员会下，设立了一个专门委员会H－7，由A.G.Phadke任主席，研究同步相角测量、通讯接口的规则、推荐的标准和可能的应用等[15]。美国的电力科学研究协会（EPRI）正在协调“美国西部电力系统协调委员会监控用相角实时测量”项目，自93年他们组织了北美整个西部有关电力公司，计划装设许多相角测量装置，进行多种试验以研究电力系统在各种故障条件下的动态行为，并研究相角数据的实时传递和处理等。至95年在乔治亚、佛罗里达、田纳西、纽约、邦纳维尔电管局（BPA）、加里佛尼亚、安大略、太平洋公司等，安装了数量不等的PMU，少则2台，多则十台[13]。
法国电力公司制定了一个通过测量电压相角防止系统失步的计划[14，16]，就是通过安装在超高压网络节点上的PMU测量电压相角，通过通信线路把数据传送到主机，主机根据这些不同点的相位情况，在故障时确定系统如何解裂和切负荷，以避免事故的进一步扩大。到95年法国的东南部安装了更多的PMU。
美国BPA在约翰迪和马林两个变电站配备了由A.G.Phadke博士开发的PMU，测量数据通过微波以12次/秒在4800b/s的信道上送到BPA实验中心，整个系统运行得一直非常好[13]。
佛罗里达电力公司（FPL）和乔治亚电力公司（GPC）的联络线上，于93年安装了基于同步相角测量的自适应失步保护装置[17]，该装置原理上将联络线两端等值成双机系统模型，把测得的电压和电流相量送到中心机，根据测量信息修正系统模型，计算等价系统的转子角，用它和开关状态一起决定系统是否稳定。另外，这套装置多次记录了扰动时联络线上的功率摆动情况，其数据非常有意义。
田纳西流域管理局（TVA）是个大电力公司[18]，有600条主干线，因PMU价格较高，经过优化设计，可把PMU放在69条主干线上，通过这些点的电流、电压和相角测量，可观测到整个系统的状态，他们正在分期实施此方案。
西班牙一电力公司Sevillana de Electricidud 与美国Siement Empros Power System Control 公司合作将相角测量加入SCADA系统，修正状态估计。试验研究是在100条母线上加入23个相角测量装置的条件下进行的，结果是，当相角测量的误差小于0.12 时能提高估计精度，当相角测量的误差大时对估计无害[19]。
加拿大魁北克水电局研究了相角测量装置在串补网络上的应用[20]，并分析了谐振频率。
英国研制了基于GPS的扰动录波器，当系统受到扰动时，记录下电压相量的变化情况[21]。
到目前为至，应用PMU在电力系统做了很多试验研究，如在乔治亚电力公司进行的线路的开断试验、励磁以及电力系统的模型校验[22,23]、在California-Oregon Transsmion Project 的500KV线路的短路试验[24,25,26]、在德克萨斯的切机试验和甩负荷试验、发电机失磁试验[27]等。通过PMU做的这些试验，使人们首次看到了系统的动态行为，认识到了以往所没有的现象和规律。
利用相角测量以观测事故后的系统动态行为，并校核电力仿真中用的暂态和动态模型是非常重要的，因为，现在所用模型从来还没有现场校验过；只有同步技术才使得这个想法得于实现。如：1992年7月25～26日，500 KV线路开断实验，6台PMU分别安装于乔治亚州（GPC）的Scherer和Vogtle电厂、佛罗里达州（FPL）的Duval、Martin和Andytown电厂、田纳西州（TVA）的Sequoyah电厂。潮流从TVA到GPC 3160 MW（另一条500KV线路3520 MW）、再到FPL。测量并录波正序电压和正序电流，计算正序功率。仿真模型都用最复杂的，如发电机用E'、系统不简化，共3301母线、652台发电机。PMU每秒30点（每2周波1点），录事前1分钟、事后12分钟。对比结果，前2秒还可以，之后，仿真输出的阻尼明显比实际系统差，误差也较大。这是第一次得到模型的校核结果。
1993年3月底，在California-Oregon Transsmion Project 的500KV线路上进行了线路串联电容和保护装置的试验，在试验中人为制造了11次短路故障，用PMU记录了大量的试验数据，根据不同地点的短路事故（四组电容），对各个谐振频率进行了分析。
又如：在Texas的Commanche Ⅱ Nuclear Plant发电厂做了一个切机试验，切机后失去约1100MW功率，50ms后又掉了40MW负荷，四个不同地点的PMU分别记录了频率的变化情况。从记录结果看，四个不同地点的频率变化规律大体相同，频率都降低了约0.2Hz，约4s后频率开始上升。然而频率的变化又各不相同，最远的一点比最近一点频率下降的时间延迟了近0.5秒，频率的变化呈振荡形式，这可能使根据频率减负荷的对策导致失误。
这次试验还被佛罗里达电力公司和乔治亚电力公司的联络线上的PMU记录下了联络线上功率和相角的摆动情况，功率摆幅300MW，而网络上的其它录波装置都没有动作。另外一个例子是佛罗里达电力公司有一台400MW发电机失磁后被切除，导致佛罗里达电力公司和乔治亚电力公司的联络线上有近700MW的功率振荡，正常时联络线上的功率为1200MW，PMU记录了这一事件，而网络上的其它录波器也都没有动作。
除了用相角测量装置进行试验外，基于相角测量的理论和应用研究也在进行中。文献[28]用相角测量检测和计算暂态的混沌摇摆，并预测多摇摆的稳定性。
文献[29]应用相角测量和部分能量函数镇定大的扰动，它通过离线求出受控机组相对于系统惯性中心的临界转速，然后在线测量各发电机的转速，一旦发现机组的转速超过临界值，则进行切机控制[29]，这种方法是一种局部控制，而且临界转速与故障方式有关。
文献[30]是基于相角测量的暂态稳定预测，它首先将电力系统简化成只有发电机节点和常值电流负荷的等值网络。将发电机功角测量值每0.02秒收集一次，根据测量值和预测值修正电流负荷值，使模型的电流负荷值趋近于真值。用等值网络计算系统1秒后功角的变化，其预测偏差小于10度。然而要达到发电机功角测量值每0.02秒收集一次，从通讯角度看困难比较大。
文献[31]根据相角测量确定电压崩溃指数，文中给出了从电压相量提取电压崩溃指数的方法。
文献[32]将回归神经网络应用于电力系统控制和保护中的相量检测、辨识和预测中，采取离线训练，在线修正的办法，用回归神经网络建立相量的模型，并用它进行预测。
文献[33]当相角测量用于电网监视时，可以在有限点上测量电压和电流相量然后估计系统的整个状态变量，采用深度优先搜索法和模拟退火法相结合，对相角测量装置安装地点进行寻优。
文献[19]将相角测量加入到基于潮流的状态估计中，由于仍然存在非线性方程和迭代运算，因此并不能减少计算量，但可提高估计的精度。文献[34,35]基于相角测量的状态估计是一个线性估计，在得到了线性估计表达式后，进行了仿真研究。
文献[36]研究了基于GPS的动态故障录波器的启动及录波数据的分析，用相角的变化作为系统启动故障录波的指标之一。
国内在相角测量方面处于起步研究阶段，天津大学、电科院、清华大学和西安交通大学等都已开展这方面的研究工作[37,38,39]。
95年，电科院在引进台湾的相角测量装置硬件基础上，自己开发应用软件，并首先在广东天广线上安装了两台相角测量装置，用于监视联络线相角的摆动。
96年，清华大学用相角测量装置在动模进行了实验研究，并在黑龙江实现了相角测量和相邻点间相角观测[40,41]。
华北电力大学自94年就开始对相角测量进行研究；95年研制出了基于GPS的相角测量装置，于96年2月通过专家评审，并获得一致好评；他们还建立了一整套关于相角测量、数据传送方面的理论和方法，并申请了国内和国际专利。目前他们正在与河北省电力公司合作，进入到了实验和实施阶段[42]。
文献[43]将实时相角应用于暂态稳定的集中切机控制，采用自回归(AR)模型，预测系统稳定性，当系统失稳时，采取切机控制。
文献[31]通过对相角测量装置测得的相位角在线追踪观测，实现状态方程的线性化，构成追踪目标励磁控制，提高系统的稳定极限和改善系统动态特性。
文献[32]将实时相角应用于励磁控制，其基本思想是在全系统建立一个以GPS同步时钟为基准的同步旋转参考系，从而测量各发电机转子相对于这一参考系的角度和转速，用它进行励磁控制，仿真表明它具有优良的控制性能。
相角测量原理上基本可分为两大类：一类是采用过零检测法；另一类是富里叶变换法[12]。安大略电力局、太平洋公司使用过零检测相角测量装置；而A.G.Phadke博士开发的相角测量装置是后一类，法国电力公司开发的相角测量装置也是后一类。

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