基于GPS功角測量及同步相量的電力系統應用研究
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只要已知轉子在初始時(shí)刻的位置θ0以及任意時(shí)刻的速度ωr(t)，就可以準確地確定轉子在任意時(shí)刻的位置θ(t)。ωr(t)由轉速表負責測量，其測量精度與電力系統的穩定狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以在正確確定θ0后，能通用于電力系統的任意狀態(tài)，并且也通用于汽輪發(fā)電機組和水輪發(fā)電機組。
文獻[8]則提出利用轉子位置檢測器和發(fā)電機功角轉速測量裝置來(lái)直接獲得系統功角和轉速，進(jìn)而監視系統穩定性。其中位置檢測器由同軸裝的3個(gè)圓盤(pán)組成，即發(fā)光盤(pán)、遮擋盤(pán)、光敏盤(pán)。光敏盤(pán)固定在定子上，遮擋盤(pán)與轉子為彈性連接并同軸旋轉。發(fā)光盤(pán)上裝有發(fā)光二極管，光敏盤(pán)上裝有光敏三極管，遮擋盤(pán)上有一個(gè)圓孔，當轉子帶動(dòng)遮擋盤(pán)旋轉后，光敏三極管收到光信號的變化，呈導通和截止兩個(gè)狀態(tài)。文獻[9]也提出用發(fā)電機調速系統來(lái)直接測量發(fā)電機功角，是利用轉速測量裝置經(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)一定的算法與系統電壓比相，再對所得相角預校正求出發(fā)電機的功角。
文獻[10]提出了兩種直接測量功角的方法：傳送波形的測量方法和利用同步時(shí)鐘的測量方法，并對兩種測量方法精度和誤差進(jìn)行了分析。前者對通道的質(zhì)量要求很高，要求調制解調器和傳輸通道在傳送過(guò)程中不發(fā)生波形失真。另外收端必須對對方傳送過(guò)來(lái)的波形進(jìn)行時(shí)延和相移補償，而由于氣候、環(huán)境等因素的影響，時(shí)延和相移測量結果往往不很準確，這就嚴重地影響了功角測量的精度。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[11]介紹了一種同步發(fā)電機功角的高精度測量方法。這種方法采用轉子位置傳感裝置和誤差軟件補償技術(shù)，并利用GPS高精度授時(shí)信號實(shí)現異地信息同步采集。用轉子位置信號代替空載電勢參與相位比較。轉子位置信號通過(guò)裝設轉子位置傳感裝置獲得。發(fā)電機功角可以通過(guò)測量轉子位置信號與發(fā)電機端電壓信號的相位差得到，其值等于空載時(shí)的相位差減去負載時(shí)的相位差。并對測量誤差的來(lái)源、性質(zhì)及其軟件補償技術(shù)作了描述。
2 同步相量的應用
隨著(zhù)基于同步技術(shù)的電網(wǎng)相角監測系統的采用，實(shí)時(shí)精確測量系統中各關(guān)鍵點(diǎn)的電壓電流相量， 使得人們能實(shí)時(shí)地看到系統的狀態(tài)，從而在電力系統中利用GPS同步相量實(shí)施相量控制這一電力系統穩定控制最直接的方法成為可能。
相角測量可望在電力系統的狀態(tài)估計、靜態(tài)穩定的監視、暫態(tài)穩定的預測及控制和自適應失步保護方面發(fā)揮其作用[2,12,13]：
1) 應用PMU在電力系統做了很多試驗研究，如短路試驗[14]、切機試驗和甩負荷試驗、發(fā)電機失磁試驗[15]、線(xiàn)路的開(kāi)斷試驗[16]等。通過(guò)PMU做的這些試驗，使人們首次看到了系統的動(dòng)態(tài)行為，認識到了以往所沒(méi)有的現象和規律。對于動(dòng)態(tài)電力系統建立的系統元件數學(xué)模型難以通過(guò)現場(chǎng)試驗進(jìn)行驗證，數學(xué)模型的參數也很難準確確定，從而影響了數字仿真的精度和數學(xué)模型的適用范圍?；赑MU的同步相量提供了一種驗證數學(xué)模型和對其進(jìn)行參數估計的基礎。并能應用于系統負荷模型的建立，系統等值等方面。
2)系統的狀態(tài)估計是一種數學(xué)方法，通常狀態(tài)估計是解系統的特征非線(xiàn)性方程求解，確定系統的穩定性，然而其計算時(shí)間比較長(cháng)，難以在暫態(tài)過(guò)程中得到應用。若系統在所有節點(diǎn)安置相角測量裝置，它對電壓相量的狀態(tài)估計是一個(gè)線(xiàn)性估計或狀態(tài)確定；若系統在部分節點(diǎn)安置相角測量裝置并使系統可觀(guān)察時(shí)，它對電壓相量的狀態(tài)估計是一個(gè)線(xiàn)性估計。因此將同步相量值加入到現有的狀態(tài)估計中，可提高狀態(tài)估計的精度，做到實(shí)時(shí)運行。
文獻[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)估計只需解線(xiàn)性代數方程，系統的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計便可方便地實(shí)現。文獻[18]提出了稱(chēng)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，目標是使潮流方程直接可解。電力系統結構的高度的稀疏性，因此有可能通過(guò)對部分節點(diǎn)適當配置PMU，即適當安排節點(diǎn)類(lèi)型中PQVΘ節點(diǎn)和PVΘ節點(diǎn)的數量和分布，可使潮流方程按一定順序形成一種可解結構，形成一種非迭代的直接求解潮流方程的方案，進(jìn)而可以獲得全部節點(diǎn)的電壓相量。并定量地分析引入PMU以后對狀態(tài)估計精度的改善程度。
3)相角測量得到的同步相量能極大地改善系統穩定的預測及控制。
調度中心可根據各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)相角，建立全系統的實(shí)時(shí)相角集中監視系統，給調度員提供預防故障的措施或減少事故影響的補救辦法，根據相角信息可采取緊急措施(如切機、甩負荷、解列等)，防止系統的崩潰。
最常用的預測方法是在實(shí)測相角曲線(xiàn)的基礎上利用自回歸(AR)、多項式[19，20]或頻角關(guān)系等預測相對角度的軌跡，然后以角度大于某一限制值或依據預測模型的穩定性判斷系統的穩定性。但是其誤差隨預測長(cháng)度的增加變大，在暫態(tài)初期，軌跡變化較劇烈時(shí)，預測精度更難保證。而且角度判穩的標準一般為統計值，其正確性缺乏理論證明。
文獻[21]提出分段恒流等效法?；舅枷胧侵苯永秒娏ο到y的詳細模型，用當前時(shí)刻的實(shí)測的電壓向量作為輸入，通過(guò)逐步積分法預測未來(lái)一段時(shí)間內系統的軌跡，在發(fā)電機角度變化的微小鄰域內假定負荷為恒流源，當發(fā)電機角度超出界限時(shí)，更新負荷的等效恒流源。
文獻[22]提出的方法的基本思路是由發(fā)電機的同調特性在大量仿真觀(guān)察的基礎上根據功角對發(fā)電機進(jìn)行離線(xiàn)預分群，在線(xiàn)動(dòng)態(tài)修正。另外還有為自適應失步保護[23]提供出口動(dòng)作啟動(dòng)條件的穩定預測方法。它首先把系統等值成雙機系統，然后利用安裝在兩個(gè)區域間聯(lián)絡(luò )線(xiàn)變電站的相量測量單元(PMU)測量的電壓電流相量推算等值機的運行狀態(tài)，再利用等面積法則(EAC)判斷系統的穩定性，當發(fā)現系統失去穩定后該裝置可以分離失步區域。
文獻[24]提出了基于同步相量測量單元的預測型振蕩解列方法。振蕩中心兩側母線(xiàn)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，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)現預測解列功能。
S.E.Stanton等人從部分能量函數[25]出發(fā)，分析多機系統中單機的能量，提出用PMU檢測發(fā)電機的轉速ω的最大數值，并和由能量函數理論通過(guò)離線(xiàn)仿真求得的轉速坎值比較決定切機量。
較新的智能預測法采用模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和模糊推理等人工智能手段以實(shí)現暫態(tài)穩定的快速預測。如文獻[26]提出的決策樹(shù)法通過(guò)對不同運行方式和不同故障的仿真計算，僅使用機組的內電勢角度作為輸入，針對不同訓練機集組合構造多個(gè)決策樹(shù)。文[27]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)預測系統暫態(tài)穩定性的方案。但它采用PMU在故障切除后8個(gè)周波內的測量結果作為輸入，輸入數為發(fā)電機數的6倍，當系統規模較大時(shí)，訓練過(guò)程非常困難。文獻[28]提出基于模糊分類(lèi)的徑向基網(wǎng)絡(luò )模型及算法，先利用無(wú)導師學(xué)習方法按照樣本的特性，對輸入樣本進(jìn)行模糊分類(lèi)，然后對各類(lèi)樣本分別訓練徑向基網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)一步提高了訓練速度。利用同步相量測量裝置獲得的故障后短時(shí)間內各發(fā)電機的功角,經(jīng)簡(jiǎn)單運算后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸入,其輸出為多機電力系統穩定性的分類(lèi)結果。
另外，電壓穩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雜計算，應用于電力系統實(shí)時(shí)控制時(shí)存在一定的困難。國內外一些學(xué)者直接利用電壓相量進(jìn)行電壓穩定分析和實(shí)時(shí)控制已作了一定的工作，F.Cubina等人的研究[29]認為，即使在復雜系統中，電壓相量所含的信息足以確定電壓穩定的裕度，并推導出用電壓相量法來(lái)決定電壓崩潰的近似指標算法。文獻[30]提出了利用節點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息:電壓相量、電流等和來(lái)自系統的準實(shí)時(shí)信息，將整個(gè)系統等值，導出了電壓穩定實(shí)用判據。文獻[31]提出了基于圖論的分簇算法和兩個(gè)相關(guān)性的判據，用一個(gè)節點(diǎn)測量的電壓相量代替整個(gè)簇的節點(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定近似指標，該方案已運用于實(shí)時(shí)控制中。文獻[32]提出了利用節點(diǎn)電壓相量計算的新的電力系統電壓穩定指標(VSI)，計及網(wǎng)絡(luò )的不同拓撲結構，運用修改的圖論方法導出尋找最弱傳輸路徑的簡(jiǎn)便算法。
在暫態(tài)穩定控制方面，文獻[33]進(jìn)行了基于GPS同步時(shí)鐘測量各發(fā)電機轉子的角度和速度，用它們作為信號對發(fā)電機進(jìn)行非線(xiàn)性勵磁控制的研究，與取系統中一臺機為無(wú)窮大機的控制方法相比，將具有更優(yōu)良的控制性能。
電力系統實(shí)時(shí)相角測量系統能為集中控制提供相角信息，基于GPS的穩定控制只有針對多機大系統才能發(fā)揮其優(yōu)勢，而多機系統穩定控制理論方法的滯后使得目前的電力暫態(tài)穩定在線(xiàn)控制的研究多是基于在線(xiàn)預決策或暫態(tài)安全分析，真正利用GPS同步監測系統提供的同步相量的同步相量區域穩定控制理論還待進(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)現分散的暫態(tài)穩定控制。
4)相角測量用于系統失步保護可以簡(jiǎn)化參數的設計。應用測得的相角條件作為判據，能夠不必考慮故障的類(lèi)型，設定參數非常容易。應用相角這個(gè)量必將會(huì )產(chǎn)生新的保護思想和裝置。文[34]針對發(fā)電機失步預測保護所存在的問(wèn)題，介紹了一種基于功角直接測量的自回歸預測失步的方法，并在此基礎上提出了一套完整的保護方案。文[35]提出利用勢能概念的基于同步電壓電流測量相量的精確在線(xiàn)檢測失步技術(shù)。隨著(zhù)電力系統互連網(wǎng)絡(luò )的增大，控制系統和保護越來(lái)越復雜，實(shí)時(shí)相角測量為電力系統的穩定控制和保護開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。
5)靈活輸電系統(FACTS) 在提高線(xiàn)路輸送能力、阻尼系統振蕩、快速調節系統無(wú)功、提高系統穩定等方面的優(yōu)越性能，而將相角測量裝置的實(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 結束語(yǔ)
利用GPS同步測量可以快速精確的獲得電力系統的歷史數據和實(shí)時(shí)狀態(tài)，GPS技術(shù)的應用必將對電力系統的安全穩定控制帶來(lái)革命性的變革,因此必然成為今后發(fā)展的重點(diǎn)；基于同步相量區域穩定控制理論的進(jìn)一步研究，實(shí)時(shí)相角測量必將為電力系統的穩定控制和保護開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域。目前的技術(shù)條件已經(jīng)基本滿(mǎn)足，當務(wù)之急是建立和發(fā)展以GPS為基點(diǎn)的電力系統安全穩定控制理論。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/194146.htm
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