基于GPS的功角測量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
加入技術(shù)交流群
只要已知轉(zhuǎn)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(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子在任意時(shí)刻的位置θ(t)。ωr(t)由轉(zhuǎn)速表負(fù)責(zé)測量，其測量精度與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)無關(guān)，所以在正確確定θ0后，能通用于電力系統(tǒng)的任意狀態(tài)，并且也通用于汽輪發(fā)電機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組。
文獻(xiàn)[8]則提出利用轉(zhuǎn)子位置檢測器和發(fā)電機(jī)功角轉(zhuǎn)速測量裝置來直接獲得系統(tǒng)功角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而監(jiān)視系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中位置檢測器由同軸裝的3個(gè)圓盤組成，即發(fā)光盤、遮擋盤、光敏盤。光敏盤固定在定子上，遮擋盤與轉(zhuǎn)子為彈性連接并同軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)光盤上裝有發(fā)光二極管，光敏盤上裝有光敏三極管，遮擋盤上有一個(gè)圓孔，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)遮擋盤旋轉(zhuǎn)后，光敏三極管收到光信號(hào)的變化，呈導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]也提出用發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來直接測量發(fā)電機(jī)功角，是利用轉(zhuǎn)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，通過一定的算法與系統(tǒng)電壓比相，再對所得相角預(yù)校正求出發(fā)電機(jī)的功角。
文獻(xiàn)[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(diào)制解調(diào)器和傳輸通道在傳送過程中不發(fā)生波形失真。另外收端必須對對方傳送過來的波形進(jìn)行時(shí)延和相移補(bǔ)償，而由于氣候、環(huán)境等因素的影響，時(shí)延和相移測量結(jié)果往往不很準(zhǔn)確，這就嚴(yán)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)鐘即可避免上述問題。
文獻(xiàn)[11]介紹了一種同步發(fā)電機(jī)功角的高精度測量方法。這種方法采用轉(zhuǎn)子位置傳感裝置和誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)，并利用GPS高精度授時(shí)信號(hào)實(shí)現(xiàn)異地信息同步采集。用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)代替空載電勢參與相位比較。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過裝設(shè)轉(zhuǎn)子位置傳感裝置獲得。發(fā)電機(jī)功角可以通過測量轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與發(fā)電機(jī)端電壓信號(hào)的相位差得到，其值等于空載時(shí)的相位差減去負(fù)載時(shí)的相位差。并對測量誤差的來源、性質(zhì)及其軟件補(bǔ)償技術(shù)作了描述。
2 同步相量的應(yīng)用
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(shí)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。基于PMU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。
文獻(xiàn)[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(jì)只需解線性代數(shù)方程，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)便可方便地實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[18]提出了稱之為使潮流方程直接可解的PMU配置方案。通過討論電壓型PMU的配置，目標(biāo)是使潮流方程直接可解。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度的稀疏性，因此有可能通過對部分節(jié)點(diǎn)適當(dāng)配置PMU，即適當(dāng)安排節(jié)點(diǎn)類型中PQVΘ節(jié)點(diǎn)和PVΘ節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布，可使潮流方程按一定順序形成一種可解結(jié)構(gòu)，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(jié)點(diǎn)的電壓相量。并定量地分析引入PMU以后對狀態(tài)估計(jì)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(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。
文獻(xiàn)[21]提出分段恒流等效法?；舅枷胧侵苯永秒娏ο到y(tǒng)的詳細(xì)模型，用當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)測的電壓向量作為輸入，通過逐步積分法預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的軌跡，在發(fā)電機(jī)角度變化的微小鄰域內(nèi)假定負(fù)荷為恒流源，當(dāng)發(fā)電機(jī)角度超出界限時(shí)，更新負(fù)荷的等效恒流源。
文獻(xiàn)[22]提出的方法的基本思路是由發(fā)電機(jī)的同調(diào)特性在大量仿真觀察的基礎(chǔ)上根據(jù)功角對發(fā)電機(jī)進(jìn)行離線預(yù)分群，在線動(dòng)態(tài)修正。另外還有為自適應(yīng)失步保護(hù)[23]提供出口動(dòng)作啟動(dòng)條件的穩(wěn)定預(yù)測方法。它首先把系統(tǒng)等值成雙機(jī)系統(tǒng)，然后利用安裝在兩個(gè)區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，再利用等面積法則(EAC)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失去穩(wěn)定后該裝置可以分離失步區(qū)域。
文獻(xiàn)[24]提出了基于同步相量測量單元的預(yù)測型振蕩解列方法。振蕩中心兩側(cè)母線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(hào)，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(xiàn)預(yù)測解列功能。
S.E.Stanton等人從部分能量函數(shù)[25]出發(fā)，分析多機(jī)系統(tǒng)中單機(jī)的能量，提出用PMU檢測發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω的最大數(shù)值，并和由能量函數(shù)理論通過離線仿真求得的轉(zhuǎn)速坎值比較決定切機(jī)量。
較新的智能預(yù)測法采用模式識(shí)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(hào)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(tái)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)；基于同步相量區(qū)域穩(wěn)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(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開辟一個(gè)新的領(lǐng)域。目前的技術(shù)條件已經(jīng)基本滿足，當(dāng)務(wù)之急是建立和發(fā)展以GPS為基點(diǎn)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制理論。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/156473.htm
接地電阻相關(guān)文章:接地電阻測試方法
評(píng)論