柔性电力系统的广域信息监测、通信和控制功能优化方案

基于GPS统一时标的电网同步相量测量单元PMU、快速信息传送通道和各级监（测）控（制）调度中心站三部分组成的电力系统广域信息监测和控制系统，其功能可归纳如下：

1.用于电力系统运行的稳态分析

1）PMU可以直接测量节点的电压、支路电流幅值和相位角，可避免一般潮流计算或状态估计的迭代过程，并且其测量准确度较高，可以和现有的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统相结合提高系统状态估计的准确度。

2）基于相量测量的电力系统谐波状态估计方法，可将全系统范围内的谐波状态估计问题转化为多个单母线系统的状态估计问题，降低了问题的求解难度，也简化了谐波的补偿控制。

2.用于实现电力系统全局经济性最优运行

电力系统中负荷功率是时变的，在任何时刻，发电设备和电力电子补偿器所提供的有功功率和无功功率都与负荷的有功、无功功率和系统损耗的有功、无功功率平衡。电力系统中可再生能源发电，如并网的风电、太阳能光伏发电（甚至在一定情况下的水力发电）都应在其时变的最大或最优功率下运行，而各地在不同时期建成的不同类型发电机组其发电效率、成本又不尽相同，它们与负荷点的距离也不相同，加上各地域的大容量电力电子补偿器也应在实现其基本运行功能要求的前提下，所以应尽可能在其额定容量下运行（如STATCOM，提供适当多的无功和谐波补偿），使它得到充分利用。因此，在一定的电网结构、一定的负荷时变和风电、光伏发电时变的最大功率跟踪情况下，由广域测量系统中相量测量单元PMU直接测量各地节点电压、线路电流相量并得到有功、无功功率，在确保系统安全运行的前提下调控各地域电力设备（含重大电力电子补偿设备）的运行工况，就有可能使整个电力系统在发电、输配电经济性全局最优的工况下稳定运行。

3.用于全网动态过程记录及事故分析

WAMS中分布于互联电力系统各个地点的PMU可以在同一参考时间下获取各种扰动下全网的动态过渡过程信息，在这个意义上WAMS相当于一个大的故障录波器。各PMU得到的本地动态过渡过程信息可以实时上传至监测控制中心用于实时监视，也可在事故后用于事故分析。记录全网动态过程是WAMS的基本功能，在北美、日本、欧洲和我国的一些系统中都已装备了WAMS用于电网的动态监视。WAMS记录的实际扰动过程信息能给系统动态性能分析、事故起因分析和调度员培训等提供宝贵的资料。

4.电力系统动态模型辨识及模型校正

有了较精确的电力系统动态模型，才能对电力系统进行正确的动态分析和控制。电力系统动态模型可在各离散时间点上差分化为一系列非线性方程，利用WAMS获取的全网动态过程的时间序列信息，可以进行电力系统动态模型辨识及模型校正，提高电力系统动态建模尤其是负荷建模的准确性。

5.用于暂态稳定预测及控制

已投入实际工业应用的稳定控制系统可分为两种模式。离线计算、实时匹配和在线预决策、实时匹配。理论上完美的稳定控制系统模式应是超实时计算、实时匹配。这种模式可在故障发生时进行快速的暂态分析以确定系统是否会失稳，若判断系统可能失稳则给出相应的控制措施以确保系统的暂态稳定性。如果这种控制系统稳定的整个分析计算、信息传输、执行过程的时间极短，理论上可以对任何导致系统暂态失稳的故障给出相应的稳定控制措施，通过对电力设备及电力电子补偿控制器的快速调控达到对各种系统运行工况、各种故障类型的完全自适应控制。

除了判断系统稳定性外，如果预测结果为系统失稳，该如何对那些电力设备和电力电子补偿控制器给出适当的控制量以避免系统失稳呢？这涉及电力系统稳定量化分析和稳定量化指标对控制变量的灵敏度分析，实时环境下要求对某些电力设备快速给出适当的控制量。以WAMS得到的故障后一小段时间内的实测量为输入向量，通过人工神经网络直接将这些实测量映射到控制矢量（如切机、切负荷量等）空间，这就相当于将暂态稳定预测和求解控制量都隐含在神经网络之中。此外，如果将系统简化等效为两机系统，由WAMS得到的实测信息也可用作稳定控制后备的失步解列装置的控制信号。

6.用于电压和频率稳定监视及控制(www.xing528.com)

相对于暂态稳定问题，静态电压稳定和频率稳定属于较慢动态的范畴，更易于利用WAMS信息实现稳定监视和控制。利用WAMS得到的各节点电压相量测量值将系统等值成两机系统，能快速给出电压稳定裕度；以WAMS提供的节点电压相角差和发电机无功输出为输入变量，可快速评价系统的电压安全水平；利用WAMS提供的实测信息能辨识出一个用于电压稳定分析的系统动态模型，然后基于该模型也可能预测系统的电压稳定性。基于WAMS提供的实测信息辨识出一个用于低频减负荷的系统动态模型，可预测系统的频率稳定性，并对某一给定的频率门槛值（控制目标）给出应该切除的负荷量，这就可避免传统低频减负荷装置的整定困难、时滞和过切等问题。

7.用于低频振荡分析及抑制

随着大电网的互联，区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行也构成了威胁。WAMS也可望在分析和抑制低频振荡方面发挥作用。基于WAMS提供的各离散时间点的测量值采用卡尔曼滤波方法可计算系统的机电振荡模式；与常规离线分析相比，基于WAMS的低频振荡分析具有更高的可信度。

仅基于本地信息的阻尼控制器（如传统的电力系统稳定器PSS）不能很好地抑制区域间的低频振荡，这是由于仅采用本地信息并不能完全反映区域间的振荡特性。WAMS的出现为抑制区域间的低频振荡提供了强有力的工具，可通过WAMS获取区域间发电机的相对转子角和转子角速度信号等全局信息，作为阻尼控制器的反馈信号构成闭环控制。将WAMS信号附加到发电机励磁的电力电子变换控制器中，可较理想地实现抑制区域间振荡的目的；采用WAMS信息作为装设于联络线上的晶闸管控制串联电容器TCSC装置的附加控制输入，可以设计效果较好的TCSC区间阻尼控制器。

8.用于全局反馈控制

以往电力系统控制研究领域一直强调分散性、就地性，即对电力系统中的某一动态元件仅采用本地量测量信息构成反馈控制。当然，这便于控制的实现并简化控制策略，但电力系统的动态行为本质上具有全局性，而分散、就地控制只引入了本地量测量的信息反馈而不包含一些全局性的异地信息，因此在改善全系统稳定性上有一定局限性。随着WAMS的出现和发展，已有可能实现基于WAMS信息的全局信息反馈与控制。研究结果表明全局信息反馈的电力系统稳定控制器PSS的控制效果优于分散、就地PSS的控制效果。当然在全局反馈控制研究中如何根据特定的控制目标，选择哪些合适的异地反馈信息是一个值得研究的问题。

9.用于线路参数测量和故障点定位

在进行电力系统分析和计算时，输电线路参数一般都是假定已知的，这些参数的准确性对计算结果有重要影响。输电线路参数一般在设计或规划时给定，但运行中线路受气候、环境变化特别是运行工况（如故障）等影响会有所改变，因此在线实时测量线路参数很有意义。根据WAMS提供的线路两端的电压和电流相量即可方便地实时计算输电线路的等效参数。

故障点定位对快速排除故障具有重要的意义。故障点定位可通过故障线路距离阻抗检测估测，利用PMU所获得的线路实时电压电流相量，辨识出线路参数。采用改进的离散傅里叶变换可提取暂态电压电流中的基频分量，从而消除线路参数变化测量误差和随机误差对故障点定位准确度的影响。

综上所述，WAMS在电力系统稳态分析、最优发电模式和潮流控制、全网动态过程记录和事后分析、电力系统动态模型辨识和模型校正、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、全局反馈控制、故障点定位及线路参数测量等方面的应用，给电力系统中一系列问题的研究提供了新的手段和方法。广域信息测量、监测、通信和全局反馈协调控制，有助于实现柔性电力系统全局性的安全，经济、高效、优质稳定运行。

在交流输电系统中，引入并联型、串联型和组合型电力电子补偿控制器，可显著改善交流输电的可控性，提高交流输电的极限容量、系统运行的安全稳定性和经济性，使交流输电系统成为控制灵活的柔性交流输电系统。在发电、输电、配电和负荷用电整个电力系统中广泛采用电力电子技术，引入各类电力电子补偿控制器和电力电子变换器，基于将运行参数模拟量数字化的电力电子控制技术和智能化控制策略，在不同的运行工况和运行要求下，对电力系统中发电、输电、配电和重大负荷工况实现综合协调控制，可以改善、优化电力系统结构，为电力系统提供更多快速、精确、灵活、柔性化的控制手段，显著提高电力系统中发电、输电、配电和负载用电的灵活性和可控性，使传统电力系统发展成为控制灵活的智能化的柔性电力系统（Flexible Power System，FPS）。

在柔性电力系统中构建各级运行工况和运行参数的广域信息监测调度控制中心，在统一的时间坐标下，可实时采集各地域系统的运行参数、监视运行工况。通过高速信息通道，在各地监测控制调度中心子站与中央信息监测处理和决策管理调度中心（主站）之间传送信息和控制指令。中央信息监测、处理和决策管理调度中心（主站）则集中完成广域监测信息的数据处理、运行状态的分析和预测，并按一定的控制目标形成控制决策和相关的控制指令，经高速信息网传送至各地域的监测控制调度中心（分站）。在电力系统正常稳态运行、暂态过程中和事故情况下利用基于现代控制理论的智能控制技术，可对各地域的发电厂、变电站和重大的电力电子补偿控制设备的运行进行实时、适式、快速有效的统一协调控制。这也将促进现今由于历史原因结构不够合理，缺乏快速有效控制手段，且仅由本地局部运行参数闭环反馈控制各地电力设备的传统电力系统，发展成为无论是发电、输电、配电和负荷电能应用都能获得更高的安全可靠性、更好的经济效益、更灵活有效的控制特性、更好的运行特性和供电质量的电力系统。随着大型电力电子装备在电力系统更加广泛的应用和电力系统广域监测、通信、控制技术的发展和完善，传统电力系统将成为一个运行更加安全、经济、高效、优质、控制更灵活的柔性电力系统。传统电力系统将发生革命性的变革，同时也将为电力电子技术的发展带来新的巨大机遇，进而推动电力电子技术在更高水平上的新发展。