GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

　　隨著基于同步技術(shù)的電網(wǎng)相角監(jiān)測系統(tǒng)的采用，實(shí)時(shí)精確測量系統(tǒng)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(tǒng)的狀態(tài)，從而在電力系統(tǒng)中利用GPS同步相量實(shí)施相量控制這一電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制最直接的方法成為可能。

　　相角測量可望在電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)、靜態(tài)穩(wěn)定的監(jiān)視、暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制和自適應(yīng)失步保護(hù)方面發(fā)揮其作用[2,12,13]：

　　1) 應(yīng)用PMU在電力系統(tǒng)做了很多試驗(yàn)研究，如短路試驗(yàn)[14]、切機(jī)試驗(yàn)和甩負(fù)荷試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)失磁試驗(yàn)[15]、線路的開斷試驗(yàn)[16]等。通過PMU做的這些試驗(yàn)，使人們首次看到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，認(rèn)識到了以往所沒有的現(xiàn)象和規(guī)律。對于動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)建立的系統(tǒng)元件數(shù)學(xué)模型難以通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)也很難準(zhǔn)確確定，從而影響了數(shù)字仿真的精度和數(shù)學(xué)模型的適用范圍?；赑MU的同步相量提供了一種驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和對其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)。并能應(yīng)用于系統(tǒng)負(fù)荷模型的建立，系統(tǒng)等值等方面。

　　2)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)是一種數(shù)學(xué)方法，通常狀態(tài)估計(jì)是解系統(tǒng)的特征非線性方程求解，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而其計(jì)算時(shí)間比較長，難以在暫態(tài)過程中得到應(yīng)用。若系統(tǒng)在所有節(jié)點(diǎn)安置相角測量裝置，它對電壓相量的狀態(tài)估計(jì)是一個(gè)線性估計(jì)或狀態(tài)確定;若系統(tǒng)在部分節(jié)點(diǎn)安置相角測量裝置并使系統(tǒng)可觀察時(shí)，它對電壓相量的狀態(tài)估計(jì)是一個(gè)線性估計(jì)。因此將同步相量值加入到現(xiàn)有的狀態(tài)估計(jì)中，可提高狀態(tài)估計(jì)的精度，做到實(shí)時(shí)運(yùn)行。

　　3)相角測量得到的同步相量能極大地改善系統(tǒng)穩(wěn)定的預(yù)測及控制。

　　調(diào)度中心可根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)相角，建立全系統(tǒng)的實(shí)時(shí)相角集中監(jiān)視系統(tǒng)，給調(diào)度員提供預(yù)防故障的措施或減少事故影響的補(bǔ)救辦法，根據(jù)相角信息可采取緊急措施(如切機(jī)、甩負(fù)荷、解列等)，防止系統(tǒng)的崩潰。

　　最常用的預(yù)測方法是在實(shí)測相角曲線的基礎(chǔ)上利用自回歸(AR)、多項(xiàng)式[19，20]或頻角關(guān)系等預(yù)測相對角度的軌跡，然后以角度大于某一限制值或依據(jù)預(yù)測模型的穩(wěn)定性判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是其誤差隨預(yù)測長度的增加變大，在暫態(tài)初期，軌跡變化較劇烈時(shí)，預(yù)測精度更難保證。而且角度判穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)一般為統(tǒng)計(jì)值，其正確性缺乏理論證明。

　　　較新的智能預(yù)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(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定的快速預(yù)測。如文獻(xiàn)[26]提出的決策樹法通過對不同運(yùn)行方式和不同故障的仿真計(jì)算，僅使用機(jī)組的內(nèi)電勢角度作為輸入，針對不同訓(xùn)練機(jī)集組合構(gòu)造多個(gè)決策樹。文[27]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)測系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方案。但它采用PMU在故障切除后8個(gè)周波內(nèi)的測量結(jié)果作為輸入，輸入數(shù)為發(fā)電機(jī)數(shù)的6倍，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，訓(xùn)練過程非常困難。文獻(xiàn)[28]提出基于模糊分類的徑向基網(wǎng)絡(luò)模型及算法，先利用無導(dǎo)師學(xué)習(xí)方法按照樣本的特性，對輸入樣本進(jìn)行模糊分類，然后對各類樣本分別訓(xùn)練徑向基網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了訓(xùn)練速度。利用同步相量測量裝置獲得的故障后短時(shí)間內(nèi)各發(fā)電機(jī)的功角,經(jīng)簡單運(yùn)算后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,其輸出為多機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類結(jié)果。

　　另外，電壓穩(wěn)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(fù)雜計(jì)算，應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制時(shí)存在一定的困難。國內(nèi)外一些學(xué)者直接利用電壓相量進(jìn)行電壓穩(wěn)定分析和實(shí)時(shí)控制已作了一定的工作，F(xiàn).Cubina等人的研究[29]認(rèn)為，即使在復(fù)雜系統(tǒng)中，電壓相量所含的信息足以確定電壓穩(wěn)定的裕度，并推導(dǎo)出用電壓相量法來決定電壓崩潰的近似指標(biāo)算法。文獻(xiàn)[30]提出了利用節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息:電壓相量、電流等和來自系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息，將整個(gè)系統(tǒng)等值，導(dǎo)出了電壓穩(wěn)定實(shí)用判據(jù)。文獻(xiàn)[31]提出了基于圖論的分簇算法和兩個(gè)相關(guān)性的判據(jù)，用一個(gè)節(jié)點(diǎn)測量的電壓相量代替整個(gè)簇的節(jié)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(wěn)定近似指標(biāo)，該方案已運(yùn)用于實(shí)時(shí)控制中。文獻(xiàn)[32]提出了利用節(jié)點(diǎn)電壓相量計(jì)算的新的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)(VSI)，計(jì)及網(wǎng)絡(luò)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用修改的圖論方法導(dǎo)出尋找最弱傳輸路徑的簡便算法。

　　在暫態(tài)穩(wěn)定控制方面，文獻(xiàn)[33]進(jìn)行了基于GPS同步時(shí)鐘測量各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和速度，用它們作為信號對發(fā)電機(jī)進(jìn)行非線性勵(lì)磁控制的研究，與取系統(tǒng)中一臺機(jī)為無窮大機(jī)的控制方法相比，將具有更優(yōu)良的控制性能。

　　電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)相角測量系統(tǒng)能為集中控制提供相角信息，基于GPS的穩(wěn)定控制只有針對多機(jī)大系統(tǒng)才能發(fā)揮其優(yōu)勢，而多機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定控制理論方法的滯后使得目前的電力暫態(tài)穩(wěn)定在線控制的研究多是基于在線預(yù)決策或暫態(tài)安全分析，真正利用GPS同步監(jiān)測系統(tǒng)提供的同步相量的同步相量區(qū)域穩(wěn)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(xiàn)分散的暫態(tài)穩(wěn)定控制。

　　4)相角測量用于系統(tǒng)失步保護(hù)可以簡化參數(shù)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用測得的相角條件作為判據(jù)，能夠不必考慮故障的類型，設(shè)定參數(shù)非常容易。應(yīng)用相角這個(gè)量必將會(huì)產(chǎn)生新的保護(hù)思想和裝置。文[34]針對發(fā)電機(jī)失步預(yù)測保護(hù)所存在的問題，介紹了一種基于功角直接測量的自回歸預(yù)測失步的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一套完整的保護(hù)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檢測失步技術(shù)。隨著電力系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)的增大，控制系統(tǒng)和保護(hù)越來越復(fù)雜，實(shí)時(shí)相角測量為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

　　5)靈活輸電系統(tǒng)(FACTS) 在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)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]，可簡化其控制算法，從而得到更加靈活的控制。

　　3 結(jié)束語

　　利用GPS同步測量可以快速精確的獲得電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)，GPS技術(shù)的應(yīng)用必將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制帶來革命性的變革,因此必然成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。