（电力系统及其自动化专业论文）新型广域测量系统控制中心的实现及应用.pdf

r e a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n o ft h en e ww i d e a r e a m e a s u r e m e n t s y s t e m c o n t r o lc e n t e r b yz h e n gs h i y u ，f o rm a s t e rd e g r e e o fh o h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t w a m s ( w i d e a r e am e a s u r e m e n t s y s t e m ) i sd e v e l o p e d t om e e tt h er e q u i r e m e n t s o f s y n c h r o n i z a t i o ni nt i m ea n d w i d ea r e ai ns p a c e ，a n di ti sav e r yi m p o r t a n tt o o lf o r i m p r o v i n gt h es e c u r i t y o fp o w e rs y s t e m s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： 1 an e ww i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w a m s ) w i t han e wt y p eo fp h a s e m e a s u r e m e n tu n i t ( p m u ) i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sm e a s u r e m e n tu n i tc a nb e a p p l i e di ne n g i n e e r i n ge a s i l ya n dh a v eh i g hp r e c i s i o n t h er o t o ra n g l ei sc a l c u l a t e di n r e a l t i m eb yi n t e g r a t i n gt h er o t o r s s p e e d ，w h i c hi s m e a s u r e db yt h et a c h o m e t e r a c c u r a t e l y w h e nt h ed e w m e t h o di sa p p l i e di ns t e a mt u r b o g e n e r a t o ra n dh y d r a u l i c g e n e r a t o r , i tw i l ln o tm a k ea n yv i b r a t i o n t h eh i g ha c c u r a c yt i m eb a s e ，w h i c hi s p r o v i d e db y t h eg p s r e c e i v e r , i su t i l i z e di nt h em e a s u r e m e n t 2 t h ew a m s sc o n t r o lc e n t e gi n c l u d i n gi t sd e s i g np r i n c i p i u m ，e x c e l l e n c ea n d s h o r t c o m i n g ，a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o lc e n t e rh a sb e e np u ti nu s ei n h e n a ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ( h n e p c ) t o s u p e r i n t e n daw a m s f o rp e r i o do f t i m e ， a n di tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f p o w e rn e t w o r kr e a lt i m e m o n i t o r i n gv e r yw e l l 3 t h em e t h o da n dm o d e lo fs t a t i c s e c u r i t ya n a l y s i s b a s e do nw a m sa r e i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h ee x a c t i t u d ea n d a v a i l a b i l i t yo f t h em e t h o d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，w a m s ，s t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i s ，i m p r o v e dd i r e c tc u r r e n t l o a df l o w a l g o r i t h m 学位沦文独创性声明： 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者( 签名) ： 丝 刍 日期：沙r 年；月己髟日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 学位论文作者( 签名) ： 垄 笪童 日期：泔年；月洲日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 自从电力作为能量被利用以来，世界各国都致力于在广泛的地域内实现电 源、负荷的相互联系，从而形成了所谓的互联系统( i n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e m s ) 。随着电力系统总容量的不断增加、网络结构的不断扩大、超高压长距 离输电线路的增多以及用户对电能质量要求的逐渐提高，对电网的安全稳定提出 了更高的要求。建立可靠的电力系统运行监视、分析和控制系统，以保证电网的 安全经济运行，已成为十分重要的问题。发生在2 0 0 3 年的美加东部“8 1 4 ”大 停电，发展过程长达1 个小时。由于时值盛夏负荷高峰，许多线路接近极限运行。 开始时有一条线路由于故障开断，潮流发生转移，从而引起周边线路的负担加重， 使几条线路相继开断。一系列的线路开断和发电机跳闸，使潮流发生大范围的串 动，联络线出现功率振荡，电压出现崩溃，最终导致大停电。在此期间，调度员 并不了解系统结构和安全的全面情况，也没有采取有效的控制措施。如果能够进 行实时监视并进行有效控制，是有可能避免这次大停电事故的。这给我国超大规 模电网建设敲响了警钟。 我国电力工业在未来几十年内有三大战略目标，即西电东送、全国联网和电 力市场。这三大目标是互相关联的。随着我国电力工业的发展，尤其是电力市场 条件下线路往往会尽量多送电，在夏季高峰负荷时就有可能产生安全可靠性问 题。因此，建立电网稳定与安全的实时监控系统、对电网运行的安全可靠性进行 恰当的评价和分析是十分必要的，对我国电网安全经济的运行具有十分重要的意 义。 我国新的电力系统安全稳定导则第5 7 条要求：电力系统应配备连续 的动态安全稳定监视与事故录波装置，并能按要求将时间上同步的数据送到电网 调度中心故障信息数据库，实现故障信息的自动传输和集中处理，以确定事故的 起因和扰动特性，并为电力系统事故仿真分析提供依据。目前大量应用的电力系 统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波仪和侧重于记录系 统稳态运行情况的s c a d a 系统。电网安全稳定监控主要面l 临两个困难：是时问 河海大学硕士学位论文 上同步。由于不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效， 难以用于全系统动态特性的分析。目前，全球定位系统( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m g p s ) 提供了一个很好的统一系统时标的工具，在电力系统中已经有 相当多的应用。与其他应用领域不同，电力系统不是利用g p s 的精密定位技术， 而是利用它的精确时间传递。二是空间上广域。随着西电东送、全国联网和电力 市场的推进，电力系统的空间范围不断扩大，形成广域电力系统。广域电力系统 的运行分析与控制都是以状态测量为基础的。传统的s c a d a 系统侧重于对系统稳 态运行情况的监测，以s c a d a e m s 及有关的应用软件为代表的调度监测系统实际 上是建立在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统。 根据电力系统的发展需求，人们开始研究相量测量单元和广域测量系统。所 谓相量测量单元( p h a s em e a s u r e m e n tu n i t p m u ) ，就是利用g p s 同步时钟的 特点，测量各节点以及线路的各种状态量，通过g p s 对时，将各个状态量统一在 同一个时间坐标上。与传统r t u 测量所不同的是，各个p m u 不但在时间上可以保 持同步，而且可以测量相角。这样就可以获得各个节点和母线状态的相量而不仅 仅是有效值，从而直观地了解各个状态之间的相量关系。所谓广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s ) ，就是以相量测量装置p m u 为基层单元来采 集信息，经过通讯系统上传至调度中心，从而实现对电网监测的系统“1 。 利用g p s 提供的时间信号和从发电机采集的相关信号，可以同步、准确地测 量出系统中发电机的转子角度。为了清楚起见，本文将相量测量单元称为p m u ， 单纯的功角测量单元称为a m u ( a n g l em e a s u r e m e n tu n i t ) ，兼具功角和相量测 量功能的测量单元称为a p m u ( a n g l e p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ) 。以p m u a p m u 为基础的w a m s 为电力系统安全监视和控制创造了良好条件。以此为基础，首先， 在运行时调度人员在屏幕上能够可视化地了解系统的状态和安全程度，必要时采 取合适的预防控制措施。其次，在故障条件下有可能通过这些角度和转速信息进 行动态安全分析，使调度人员在屏幕上能够可视化地了解系统的动态安全程度， 必要时采取紧急控制，以防止系统失稳。这可以有效提高电网的安全水平，产生 很大的经济和社会效益。同时，发电机功角信息还可以用于电网事件分析以及暂 态稳定计算中模型的校核等，对电网分析是十分有用的。因此，可以说，广域测 量系统的应用前景是非常广泛的。 2 第一章绪论 1 2 广域测量系统的发展过程及研究现状 电力系统中的电量( 如电流、电压等) 均为正弦量，正弦量的三要素 分别为幅值、频率和初始相角。对于同频率的电量来讲，幅值和相角是关 键因素。长期以来电量的幅值可以方便地测量但功角测量却是比较困难 的。由于功角无法直接测量，造成潮流计算需解非线性方程，计算出发电 机相对功角和母线节点之间相角的变化，调度员依据计算结果和经验间接 校核实际系统运行方式的稳定性。受数学模型选取、参数不准等因素的影 响，计算结果的可信度差，实际检验其精度又十分困难，电力系统的紧急 安全控制无法应用简单的相角条件来实现。 卫星技术、计算机技术和通信技术的快速发展为功角测量提供了良好的基 础。这项技术从8 0 年代初就开始研究，但由于当时缺乏精确的时间同步装置， 同步相角测量技术并未得到很好的发展。进入9 0 年代，随着全球定位系统g p s 全面建成并投入运行，其精确的时间传递功能在电力系统中得到了越来越广泛的 应用l 2 - - 6 1 g p s 每秒提供一个精度为1ps 的秒脉冲信号，其相位误差不超过0 0 1 8 。 ( 对5 0 h z 的工频信号而言，l m s 的同步误差将造成1 8 。的相位误差) ，完全可以 满足功角测量的要求。因此，近年来，越来越多的学者在基于g p s 的相角测量装 置方面展开研究，并开始将其装备于电力系统7 - - 1 1 1 0 其中最有意义的是把g p s 用于电力系统相角测量，使人们直接观测到系统的运行状态。世界上许多国家的 电力公司、科研机构和高等院校投入了大量的人力和物力，开发、研制同步相角 测量装置，研究p m l 3 在电力系统状态估计、静态稳定监视、暂态稳定预测、控制 和自适应失步保护等多方面的应用。 世界范围内，安大略电力局、太平洋公司等单位使用的是过零相角测量装置， a g p h a d k e 博士开发的相角测量装置利用的是傅立叶变换法，法国国家电力公 司的相角测量装置、美国m a c r o d y n e 公司出品的m o d e l l 6 9 0 ( p m u ) 采用的也是 傅立叶变换法。其中a g p h a d k e 博士开发的相角测量装置广为美国各电力公司 使用。它具有3 0 路模拟输入和3 2 路开关量输入，输出有显示屏、打印机和4 个 串行口，模拟输入经低通滤波器和1 6 位a d 变化给6 8 0 3 0 c p u 。其工作原理是： 三相电力线上的波形每个周期被采样1 2 次，用递推傅立叶变换的方法提取基波 河海大学硕士学位论文 分量，用对称分量法将三相组合起来产生正序向量。这样，对应u t c ( 国际标准 时间) 时间就有了一个绝对的相角。此外，瑞典a b b 公司出品的r e s 5 2 1 ( p m u ) 直接采集电压、电流的瞬时值，用来自g p s 卫星的时间信号来进行数据采集的同 步，拥有巨大的灵活性，直接相角测量的精度小于0 1 。 在国内，华北电力大学自1 9 9 4 年开始对相角测量进行研究，1 9 9 5 年采用过 零检测原理研制出了基于g p s 的相角测量装置，建立了一整套关于相角测量、 数据传送方面的理论和方法，申请了国内和国际专利，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；1 9 9 5 年，电科院针对引 进的台湾的相角测量装置自行开发了配套的应用软件；1 9 9 6 年，清华大学用相 角测量装置在动模实验室进行了仿真研究，在考虑了波形畸变、采样误差、离散 化误差及相量测量算法的误差等影响因素的情况下，实际的相角测量误差小于 i 。，并在黑龙江省实现了相角测量和相邻点间的相角观测；2 0 0 1 年，西安交通大 学用a t 8 9 c 5 1 单片机实现了发电机转子位置测量，测量的精度为1 。；2 0 0 2 年， 华东电网在多个厂站实现了多功能实时监测系统。 总之，目前，基于g p s 的p m u 装置的研制已有不少。但欧美国家的大多数 装置只是测量电气相角而非功角。我国研制的部分p m u 装置能够直接测量发电机 功角，但仍然存在一定不足。比如，有的只能应用于汽轮机，有的暂态精度不够， 有的需要停机安装等等。更重要的是，p m u 安装范围小，应用功能窄，还未见在 省网全面安装功角和相角测量装置并应用的报道。 1 3 静态安全分析的含义及研究现状 1 3 1 含义 电力系统静态安全分析，又有文章称为静态安全评估，是指应用电力系统的 实时数据，对一个或一组可能出现的假想事故进行分析的计算过程，用以校验事 故后稳态电力系统运行方式的安全性，以便预先使运行人员提高警惕或采取措 施。这些假想事故通常包括支路开断与发电机开断两类。为了加强电力系统的安 全性，在已普遍建立的s c a d a 系统以及正蓬勃发展的广域测量系统的基础上实现 静态安全分析已是一个必然的趋势“”。 第一章绪论 1 3 2研究现状 目前，电力系统静态安全分析领域的研究已经较为成熟，它已成为许多e m s 系统的重要组成部分之一 1 3 - - 17 。其主要思想一般是模拟线路开断和发电机开断 等扰动事故，将非线性问题线性化，建立数学模型，然后利用线性系统的重叠原 理，直接解出事故后系统的各状态变量的值，从而评定事故后稳态电力系统运行 方式的安全性。比如： 文献 1 8 系统介绍了直流法、补偿法、分布系数法、计及电力系统频率特性 法等多种模拟支路开断和发电机开断的方法。这些方法大多利用了线性系统的叠 加原理，因此可以直接解出事故后系统的各状态变量的值。它们虽然具有简单、 快速、便于实时计算等优点，但是处理过于严重的事故( 如重负荷线路或者大机 组的开断) 往往精度较差。而为了提高精度，往往采用与快速解耦潮流算法相结 合的办法，但这样一来，在执行时间上又有所增加。 文献口9 介绍了一种灵敏度分析法来模拟支路开断。这种方法采用牛顿潮流 的灵敏度矩阵，并以节点注入功率的增量来模拟相应的断线。此法的优点是计算 速度较快，缺点是精度不高。 文献 2 0 采用稀疏向量法、基于因子表路径树的矩阵部分重新因子化法、快 速前代、回代法等稀疏向量技术，充分利用了矩阵的稀疏性，避免了求解电力网 络方程中的不必要计算，使静态安全分析程序的计算效率得到显著的提高。但该 方法并未解决计算精度不高的问题 文献 2 1 提出了一种改进的直流法用于静态安全分析，并提出了在n - 1 情况 下应用本方法进行计算的模型和方法。此法在保持传统直流法简单、快速的基础 上提高了计算精度。但是，由于计算过程中要用e m s 状态估计所得到的节点电压， 而这个结果往往是有误差的，因此会对计算结果产生影响。 文献 2 2 将电力系统与实际的地理图形和信息相结合，提供了一种直观的更 接近于实际的静态安全分析表现形式，强化了静态安全分析的效果。其算法采用 的仍是传统的静态安全分析的方法。 总之，目前有关电力系统静态安全分析的理论虽然已经较为成熟，有相当一 部分研究成果已经应用到实际工作当中，取得了较好的效果。但是，如何同时兼 河海丈学硕士学位论文 顾计算的精度和速度，更加快速、高效、准确的进行静态安全评估，一直都没有 得到很好的解决。目前采用的方法往往是根据研究项目的实际情况，在准确性和 快速性上选择其中某一方面予以保证。 由以上的介绍可以看出，近年来，随着基于全球定位系统g p s 的同步测量技 术应用到电力系统，我们能够方便的得到跨区域电网的主要发电机的实测功角 量，记录电力系统运行和故障时功角量的变化过程。这为电力系统静态安全问题 的研究提供了新的契机。 1 4 本文的主要工作 针对目前广域测量系统和静态安全分析问题的研究现状，本文主要从 事了以下三个方面的工作： ( i ) 介绍了。一种新型广域测量系统。该系统目前已经在河南电网成功实现 并投入运行。新型广域测量系统采用了一种全新的测量发电机功角的方法一一利 用发电机转速信号测量。该方法利用发电机本身具有的转速表准确测量发电机转 速，以对转速求积分的方式计算发电机转子位置的变化情况n ”，利用文献 2 4 中的间接测量功角的方法计算积分常数。工程应用中，该方法在安装时不需在发 电机机组上进行施工，并解决了文献 2 5 中存在的径向震动问题。同时，引入 g p s 中的时钟信号，提高了测量的精度，增加了该方法的工程实用性。新方法的 主要优点是：工程上易于实现、现场抗干扰能力强、且能通用于汽轮发电机机组 和水轮发电机组，满足了建设大规模的电网安全稳定监测系统的实际需要。 ( 2 ) 提出了新型广域测量系统高性能控制中心平台的设计和实现方法。作 为电力系统安全分析的信息源，基于g p s 的广域测量系统必须确保有足够的可靠 性、准确性和实时性，否则，以此为基础的安全分析和控制设计便无从谈起。根 据现场实际经验，准确性的关键是p m u 的同步方法和测量的算法，主要是状态量 的测量精度；实时性主要取决于通信网络的性能和中心站软件系统的设计；而可 靠性则是由系统各模块的软硬件间的协调和整体性能决定的。本文介绍的在河南 省新型广域测量系统项目中设计并实现了的系统中心控制平台，较好的解决了数 据的可靠性、准确性、同步性和实时性的问题，为电网的安全性分析和控制设计 提供了良好的基础。 第一章绪论 ( 3 ) 研究了引进实测功角量的电力系统静态安全分析方法，重点在于如何 将广域测量系统的测量结果同传统的静态安全分析方法结合起来。文章在传统静 态安全分析方法的基础上，提出了一种改进的基于g p s p m u 的静态安全评估模型 和算法，并按此模型对e p r i - - 3 6 和w s c c 一9 节点系统进行了仿真计算。通过从计 算精度和速度等方面对使用传统方法和新方法的结果进行的对比，验证了改进算 法的正确性和有效性。 塑塑查堂婴主兰垡丝茎一 第二章新型广域测量系统介绍 2 1g p s 简介 如何统一全电网的时标一直是困扰电力工作者的一大难题。各厂站的时标不 能精确地统一，在很大程度上限制了许多安全稳定监控方案在电网中的实际应 用。g p s 的出现，为我们提供了一个很好的统一系统时标的工具。全球定位系统 ( g 1 0 b a lp o s i t i o ns y s t e m g p s ) 是美国于1 9 9 3 年全面建成并运行的新一代 卫星导航、定位和授时系统。它由空间卫星、地面测控站和用户设备三大部分组 成，空间卫星共计2 4 颗，分布在6 条近似圆形轨道。h ，在距地球大约一万英里 的高度上每1 2 小时绕地球运行一周。g p s 的工作频率大约为1 5 g i _ j z ，以载码的 形式向地面发射信号。它能覆盖全球，全天候工作，2 4 小时连续实时地向用户 提供高精度的位置、速度和时间信息。g p s 传递的时间在地面测控站的监控下能 与国际标准时间保持高度同步。这一特点使它成为目前世界上传播范围最广，精 度最高的时间发布系统。由于美国政府已同意将g p s 无条件用于全世界民用领 域，因此g p s 实际上已成为一项全球共享的高技术资源。表2 1 列出了各种提供 同步时钟的方法所能达到的时间精度“6 1 ”。 表2 - 1 各种同步时钟信号源误差比较 信号源误差m s 胛v5 w w v b2 0 m e g a1 0 m s f d c f1 0 l o r a n co 0 2 g o e s1 g p so 0 0 0 5 模拟微波传输系统 l 数字微波传输系统 o ，0 0 7 光线传输系统0 5 第二章新型广域测量系统介绍 表2 2 列出了电力系统中不同应用场合对数据同时性的要求a 由此可见，无 沦从时间、精度还是从可靠性角度考虑，g p s 都是实现全网统一时间的最佳选择。 理论上g p s 的定时精度可达到0 5 微秒，且接收设备成本较为低廉，采用g p s 技 术构成的全系统统一时钟可以满足电力系统中绝大部分应用场合对同时性的要 求。 表2 2电力系统中不同应用领域对数据同时性的要求 应用范围角度精度( 。)位簧精度m时间精度us 状态估计( 静态) 0 52 5 状态估计( 动态) 1 55 0 - 2 5 0 稳定监测和控制 15 0 相角测量 o 15 故障定位 3 0 4 8o 5 自适应继电保护 0 15 与其他应用领域不同，电力系统不是利用g p s 的精密定位技术，而是利用它 的精确时间传递，即以g p s 接收器接收到的信号作为标准时钟源去同步电网中运 行的各时钟，从而保证各厂站时钟的高精度同步运行，这样就解决了电网的时间 统一问题。g p s 作为一种全新的时钟同步方式，与传统方法相比，具有精度高( 可 达到微秒级) 、范围大、不需要通道联络、不受地理和气候条件限制等众多优点， 是电网时间统一的理想方法。 近十几年来，国内外电力系统在g p s 应用方面已经进行了不少研究工作，比 如利用这种高精度、高可靠性的时间信号进行继电保护、故障录波的设计等等， 同时它还被用在状态估计、故障定位、线路参数的带电测量以及稳定控制等方面， 来解决以前难以解决或无法解决的问题。所取得的一系列成果表明，g p s 在继电 保护、故障录波和测距等方面的应用正在逐步走向实用化。 河海大学硕士学位论文 2 2 功角测量的一般方法 相角测量从原理上基本可分为两大类：类是采用过零检测法；另一类是富 里叶变换法1 2 8 - 3 0 1 。 过零检测法的原理是：利用g p s 提供的秒脉冲信号，对测量装置中的本机晶 振信号进行同步，建立标准的5 0 1 t z 信号。在c p u 内，对过零点打上时间标签， 并求出其相对于标准5 0 h z 信号的角度。采用g p s 技术构成全网统一时钟后，借 助于通讯手段，还可得到不同地点交流量之间的相角差。由于g p s 提供的统一时 间精度可以达到“s ，理论上同步参考相量的相角精度为0 0 1 8 。，即使考虑了 各种测量误差后，相角测量精度实际上也可以控制在1 。范围内。在硬件上，过零 检测法中使用的a d 转换器必须有较高的分辨率，理想目标是2 。1 2 。过零检测法 的实质是每周波采样一次，所以数据采集周期为0 0 2 秒，下发命令周期应为毫 秒级。 傅立叶变换法的测量精度优于过零检测法，但它需要的数据采样点远远多于 后者，且还要经过一系列的运算才能得到最终结果，在耗费c p u 资源的同时，还 将影响c p u 的反应时间。所以，对于实时性要求较高的情况可考虑选用过零检测 法，对于实时性要求不高的情况则可考虑选用富里叶变换法。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 p h a d k e 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。 对于某台发电机的功角点，只要能够确定出该发电机q 轴与其端口电压之 间的夹角，加上端口电压与系统参考轴之间的相角谚( 可以通过相角测量获得) ， 即可获得4 。功角测量的原理有两种一种是间接测量法，即通过测量发电机出 口的电气量，按照同步发电机的方程计算得出功角。这种方法受发电机数学模型 和参数误差的影响较大，如果采用的是稳态方程则显然只能用于稳态情况。另外 一种是直接测量法，即直接测量发电机的转速或大轴位置，从而确定发电机的功 角。应该说，直接测量法比间接测量法测量精度要高，但实施起来要困难。大部 分采用直接法的功角测量都需要停机安装，而且需要空载启动，实施起来就更加 困难，如何获得口轴位置是难点。 兰三兰堑型苎型量墨竺窒塑 一 2 3 新型广域测量系统 2 3 1 系统简介 随着电网互联步伐的加快，全国电网的稳定监视和控制越来越重要，而监视 发电机的功趣和母线电压向量，将是电力系统稳定监视最重要的手段。基于g p s 的p m u 、现代计算机技术、网络通信技术、测量技术以及在线参数测辨技术的 发展，给实现电力系统的在线安全稳定监视和控n g j 造了必要的条件。 新颁布的电力系统安全稳定导则明确的指出：电力系统应配备连续的动 态安全稳定监视与事故录波装置，并能按要求将时间上同步的数据送到电网调度 中心故障信息数据库，实现故障信息的自动传输和集中处理，以确定事故的起因 和扰动特性。并为电力系统事故仿真分橱提供依据。g p s 的出现为我们提供了一 个很好的统一系统时标的工具。然而，虽然目前基于g p s 的p m u 的研制不少，但 欧美国家的大多数装置只是测量电气相角而非功角。我国研制的一些装置能够直 接测量发电机功角，但仍然存在一定不足。比如，有的只能应用于汽轮机，有的 暂态精摩不够，有的需要停机安装。更重要的是，应用范围小，应用功能窄，还 未见在省网全面安装功角和相角测量装置并应用的报道。为此，在河南电网设计、 实现并投入使用了新型广域测量系统。该系统包括以下主要内容： ( 1 ) 研制开发了基于g p s 的发电机功角测量装置( a p m u ) 及变电站相角测量 装置( p m u ) 。a p m u 尽量利用发电机已有的测速装置，不需停机安装，具有较高 的暂态精度。 ( 2 ) 对河南省电网内的发电厂全面安装了a p m u ，对4 个5 0 0 k v 枢纽变电所安 装了p m u ，从而构成了河南全网系统级的广域测量系统( w a m s ) 。这在国内外还 未觅报道。 ( 3 ) 研制开发了省网调度通信中心的功角与相量实时采集系统。 ( 4 ) 实现了功角监视。根据w a m s 的测量结果，可以获得发电机以及各节点的 空间矢量族和功角轨迹演变趋势图，使调度人员在屏幕上能够可视化地了解系统 功角情况，进而了解安全稳定程度。 ( 5 ) 可以在线进行全网时间同步的故障录波，用于事故反演和分析。 ( 6 ) 将w a f t s 测量结果引入状态估计，改变了状态估计的条件，从而改善估计 河海大学硕士学位论文 的精度和收敛性。这在国内属首次。 由上述新型广域测量系统的功能可见，本系统具有较强的创新性和先进性， 其应用前景非常广泛。上述成果把河南电网的运行监测、控制以及安全稳定水平 提高到了新的阶段。 2 3 2 发电机功角测量的新方法一一利用发电机转速信号测量 a p m u 的关键在于相角和功角的测量，至于有效值等量的测量则与传统装置 无异。这里的相角是指母线电压或线路电流相对于系统参考轴之间的夹角，某台 发电机的功角点是指该机q 轴与系统参考轴之间的夹角。目前，欧美国家安装 的绝大部分p m u 实际上只能测量相角，国内部分电网安装的a p m u 能够测量功角。 在河南电网实施的新型广域测量系统，在采用间接方法计算稳态情况下发电机功 角的基础上，利用发电机自有的转速信号跟踪发电机功角在暂态情况下的变化， 较好地解决了上述问题。采用的方法目前已申请了专利。下面详细介绍一下该方 法。 在现代电力系统中，无论是汽轮发电机组还是水轮发电机组都装有测速装 置一一转速表。该装置的构成是：在发电机的轴上安装一个6 0 个齿的齿轮，这6 0 个齿大小完全一样，均匀分布在圆盘上，每一个齿在发电机转轴上都代表一固定 的机械位置，转速表的测量电路负责检测齿轮所发出的脉冲，每6 0 个脉冲代表转 子旋转一周，转子的瞬时速度由( 2 1 ) 式表示： q o ) = 2 刀6 0 r o( 2 - - 1 ) 式中，t o 为两个相邻脉冲的时间间隔。 在确定转子转速后，转子位置由( 2 2 ) 式确定： 口o ) = f ，( f 4 - 吼( 2 2 ) 在( 2 2 ) 式中，只要己知转子在初始时刻的位置以及任意时刻的速度q ( f ) ，就 可以准确地确定转子在任意时刻的位置臼( r ) ，由转速表负责测量( 其测量精度与 电力系统的稳定状态无关) ，所以在正确确定最后，式( 2 - - 2 ) 能通用于电力系 1 2 塑三兰堑型塑型量墨丝坌望一 统的任意状态，并且也通用于汽轮发电机组和水轮发电机组。文献 3 1 中间接测 量功角的方法不能适用于暂态情况，但在稳态情况下，其测量误差小于l 度，与 现有的功角测量方法同处于一个数量级，利用这一特点，可以来确定在初始时刻 时的转子位置。 在稳态i 青t 况t ，利用发电机出口端的电压相量、电流相量以及发电机有关参 数计算发电机的空载电势三。： e a = u + j d e o = u 七3 l l x d 七i lq xq ( 隐极机) ( 凸极机) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 在计算出三。后，进一步可以得到如下式所示的三。与玉的相位差，即发电机 的实时功角j ： 占：a r c c 。t _ r e e o a r c c 。t i r e u ( 2 5 ) i m bi m u 为便于计算，不妨选择发电机出口端a 相电压正向过零的时刻瓦为测量点 则此时a 相电压玉一的相角为要，如果空载电势三。的相位角为q ，则功角j 为： 5 = b 一州2 ( 2 6 ) 在t 。时刻，空载电势三。与电压6 。的相位关系如图2 1 所示： 三。 q u a d 0 - 一 圈2 1 在l 时刻的向量图 ! ! 童= = ! j ；兰婴主兰些堡茎一 转子位鼹( 即转予d 轴与定子绕组的相对空间位置) 如图2 2 所示 图2 2 在t o 时刻的转子图 由图2 2 可见，在瓦时刻转子d 轴与a 相绕组中心线的夹角为q ，与a 相绕组 正向轴线的夹角为研一要，取a 绕组中心线的位置为转子d 轴的零点，则在t 。时刻， 转子的位置为e o = b 。在任意时刻，转子的位置为： 0 ( 0 = f q ( f 如+ e o = f q ( f 陟+ 鼠( 2 - - 7 ) 任意时刻发电机功角为： 占( f ) = f ，( f + b 一必) ( 2 8 ) 式中妒( f ) 是发电机出口端电压实测相位角。 工程中，我们利用过零检测法测量发电机端口电压相量，即所取的检测时 刻为电压过零时刻，即矿o ) = 州2 ，故上式可简写为 6 ( f ) = fq o ) c 矗+ q 一叫2 ( 2 9 ) 在装置重新恢复直流电源后，计算出发电机当前运行的功角占，再找到对应 于定子旋转磁场方向最接近于计算功角j 的那个脉冲，就再次找出了转子旋转磁 场的方向，并重新“记忆”，装置又可以正常运行了。 运用本方法测量转子位置和发电机功角，具有以下优点： 1 4 塑三兰堑型 塑型里至堑坌塑一 ( 1 ) 不需要专门设置测量探头，尤其避免了在发电机内部安装探测组件，降 低了方法的工程施工难度： ( 2 ) 不需要停机，不需要在发电机每次大修或因意外事故停机后对初始功角 进行校正： ( 3 ) 测量设备可以在发电机运行过程中的的任意时刻进行起动，在对系统进 行调校的过程中不会对正常的生产带来影响。 2 3 3 新型广域测量系统的构架及各部分功能 1 构架 图2 - 3 霄a 崂结构 目前使用比较普遍的广域测量系统的结构如图2 - 3 所示m 1 。一般来说，图 中主站位于调度中心，子站为各功角监测点，子站由相角和功角测量装置、时间 同步装置、通信系统和工控机组成。为了保证实时性，主站与子站之间的通信通 道一般采用专用的微波通道。 以图2 - 3 所示的架构为基础，同时结合本项目的实际情况和需要，我们的新 型广域测量系统的构架示意图见图2 4 。系统采用传统的c s ( 客户服务器) 结 构。在c s 结构系统中，主站位于省电力调度中心，子站位于全省的各个发电 河海大学硕士学位论文 1 6 引入状态估计数据报文监视 扰动数据查询及显示 功角实时监视 可视化监视子系统 t 数据接收 li 数据缓冲 l 实时数据转发 i 扰动数据辨识及记录 数据库 接收及响应客户端请求 数据服务器 t 交换机 匝丌； s d h 1 网桥 图2 4 新型广域测量系统的结构 s d hi i t 网桥 f 功角测量单元1 功角测量单元2 功角测量单元n 厂站n )一 第二章新型广域测量系统介绍 厂和变电站，它们分别由相角及功角测量装置、时间同步装置、通讯系统及工控 机组成。主站和各子站间的通讯主干网采用专用的基于光放大技术的同步光纤 网，这可以为进一步的实时决策系统提供有力保证。 可见，新型广域测量系统主要由位于厂站端的p a m u p m u 、通信系统、位 于调度中心的数据服务器和可视化监视子系统组成。整个系统的工作流程为：在 子站，数据采集单元将带有g p s 时标的电网相量数据在中断响应的方式下写入内 存缓冲区；通信模块定期扫描缓冲区，并通过串口转以太网设备发送给子站的 p c 机；子站p c 机对数据进行整理，剔除异常数据，合并前后两次相同部分，然 后同时发送给主站和当地数据库，并定时对图形界面进行刷新；位于中调的主站 在接受到子站数据后，进行全网统一时标下的相角计算，向e m s s c a d a 提供有关 数据，计算系统稳定状态：抛弃正常数据，将异常数据进入历史库中作为资料保 存下来。 2 、各部分功能 新型广域测量系统各个部分完成的主要功能如下： ( 1 ) 基于g p s 的功角与相量测量单元( a p m u ) 基于g p s 的功角与相量测量单元的功能是在线连续不断地监视和测量发电 机的功角、各母线电压、电流的幅值和相角等状态量。在系统中各发电机以及枢 纽变电站安装a p m u ，并通过通信网络和主站相连。各a p m u 单元通过g p s 对 时，在同一时刻采集功角，并在测量的功角上“贴上”时标，实时地向控制中 心传送。 各厂站的每一台发电机以及变压器的任何一侧都安装有自己的测量单元， 厂站的所有数据通过同一个通道上传到控制中心。各a p m u 的测量结果除向控 制中心实时传送外，还按需要在本地进行适当的显示和记录。 ( 2 ) 通信系统 通信系统是控制中心和各a p m u 单元之间联系的纽带，可靠、快捷的通信 系统是各a p m u 采集的信息实时地传送到控制中心的保证。根据实时采集、在 线安全监测和控制系统的特点，必须采用通信专用通道或实时通信网等以达到相 角监控的实时性。为了满足以上要求，针对当前电力系统动态安全监控系统中 p m u 数据传输延时大，系统规模有限的现象，本系统采用了数字通信技术，借助 1 7 河海大学硕士学位论文 计算机网络在数据传输中的准确性和高波特率性，利用以太网的优良性能，通过 全光纤通道，构建了一套实时性非常好的全网相角信息实时传输系统。各个功角 测量单元通过专用光纤通道实时的向控制中心传送数据，实现了数据的实时采集 和实时传输。 ( 3 ) 控制中心数据服务器 测量单元上传的发电机转子角度、电流、电压相量、时间、机组编号等数据， 通过数字通信网络由控制中心的数据服务器进行接收。数据服务器接收到子站传 来的数据后，对其进行预处理、扰动判断及动态数据的存储，并将数据转发至e m s 主机及其他客户机，实现电网状态的可视化监视。因此，中心站的数据服务器是 连接安装于各电厂的相量测量单元和控制中心主站的纽带，是p m u s 系统是否能 实现对电网实时监视的关键，必须确保其高效和稳定。关于数据服务器的设计实 现、特点、功能等将在第3 2 节详细介绍。 ( 4 ) 可视化监视子系统 可视化监视系统利用数据服务器整理出来的各厂站的数据，对河南全网系统 的状态进行实时监视，从而为调度员提供实时的系统安全可视化信息和控制策 略。在此基础上，一方面可以协助大型电力系统的全局控制，另一方面有可能实 时调整一些当地控制，使它们之间相互协调。此外，监测的结果还可以用于电网 事件分析以及暂稳计算的模型校核。可视化状态监视系统主要包括数据报文监 视、扰动数据查询及显示、状态估计引入、全网功角实时监视等几个模块。这部 分内容在第3 3 节详细说明。 2 4 本章小结 本章首先介绍了全球定位系统g p s 的特点及其在电力系统中的应用，然后介 绍了传统的测量发电机功角的方法，最后较为详细的介绍了在河南电网实施的新 型广域测量系统，包括功角测量单元采用的测量方法、系统的构架、各模块的功 能等。其中，a p m u 测量发电机功角采用的方法是的一种全新的利用发电机转速 信号测量的方法，该方法的优点是不需要专门设置测量探头、安装不需要停机、 不需要在发电机每次大修或因意外事故停机后对初始功角进行校正、测量设备可 以在发电机运行过程中的的任意时刻进行起动、在对系统进行调校的过程中不会 第二章新型广域测量系统介绍 对正常的生产带来影响等等。新型广域测量系统主要由位于厂站端的功角与相量 测量单元、通信系统、位于调度中心的数据服务器和可视化监视子系统等部分组 成。 河海大学硕士学位论文 第三章新型广域测量系统控制中心的设计及实现 3 1 概述 前面已经介绍，在子站，新型广域测量系统的数据采集单元将带有g p s 时标 的电网相量数据在中断响应的方式下写入内存缓冲区；通信模块定期扫描缓冲 区，并通过串口转以太网设备发送给予站的p c 机；子站p c 机对数据进行整理， 剔除异常数据，合并前后两次相同部分，然后同时发送给主站和当地数据库，并 定时对图形界面进行刷新；位于中调的控制中心在接受到子站数据后，对数据进 行缓冲、预处理、故障的判断及动态数据的存储，并将数据转发至e m s 主机及其 他客户机，实现电网状态的可视化监视。这样一来，中心站的数据服务器就成为 连接安装于各电厂的相量测量单元和控制中心主站以及可视化监视系统的纽带， 数据服务器软件系统的开发成为p m u s 系统是否能实现对电网实时监视的关键之 一。 新型广域测量系统安装于各子站电厂的a p m u 装置采集每个周波( 2 0 m s ) 发电 机出口的电压、电流相量( 包括幅值和相位) 和转子角度，全网机组同时向控制 中心数据服务器传送数据，这就要求数据服务器要能高速的接收数据，并且尽快 的处理，以实现对电网实时监控及故障信息的存储。本章介绍了已在河南电网开 发成功并投入运行的新型广域测量系统的高性能控制中心平台的设计和实现方 法。包括数据服务器、客户端和e m $ 主机。系统现场运行的实际情况表明，该平 台能较好的适应新型广域测量系统数据流量大，传输频率高，服务器任务众多、 负担繁重等特点，从而满足全网发电机功角的实时监测、数据记录、故障复核等 需求。 控制中心的系统结构如图3 一l 。可以看出，控制中心系统主要由数据服务器 和可视化监视子系统两部分组成。数据服务器通过通信系统，采用多线程的处理 方式，接受各个厂站上传的信息，建立数据缓冲区，实现各个厂站上传数据的同 步，然后将数据转发给服务器和可视化监视系统各个模块；可视化监视子系统的 客户机和e m s 主机接入局域网即可收到前置机转发的实时数据，进而对数据进行 分