同步相量技术应用于电力系统暂态
稳定性控制的可行性分析谢小荣¹，李红军¹，吴京涛²，张涛²，童陆园¹（1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2．北京四方同创保护与控制设备有限公司，北京100085）摘要：在同步相量技术迅速发展和广泛应用的基础上，提出了基于同步相量响应的广域暂态稳定性控制的概念，阐述了其原理和系统结构，重点讨论了系统实现所涉及的关键技术，包括功角测量、暂态稳定性判别和控制决策、响应时间、通信方式和可靠性设计等，从而论证了同步相量技术应用于电力系统暂态稳定性控制的可行性和优越性。
关键词：同步相量；相量测量单元；广域测量系统；暂态稳定性控制；电力系统1引言
20世纪90年代初，基于全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）的相量测量单元（PhasorMeasurementUnit，PMU）的成功研制，标志着同步相量（synchrophasor）技术的诞生。它在电力系统中的广泛应用，促进了大电网广域测量/监视系统（Wide-AreaMeasurement/MonitoringSystem，WAMS）的形成和发展。这是现代电力工业最重要的技术之一^[1~3]。现代电网的规模不断扩大，动态特性非常复杂，稳定性控制越来越需要从系统整体来考虑。WAMS能实现广域电网运行状态的实时同步测量，借助于高速通信网络还可将测得的相量数据进行汇总，这就为实现全局型的稳定性控制系统创造了条件。
将同步相量技术应用于大电网的稳定性控制已经得到广泛关注。我国国家电力调度中心在2002年制定的《电力系统实时动态监测系统技术规范》（试行）中提出：同步相量技术应用的“近期目标是对电力系统的动态过程进行监测和分析，逐步实现与能量管理系统（EMS）及安全自动控制系统的联接，远期目标是对电力系统的动态过程进行控制。”
暂态稳定性是电力系统最重要的稳定性特性之一，也是目前国内各大电网重点构建的区域稳定性控制系统所要解决的主要问题。本文重点讨论同步相量技术应用于电力系统暂态稳定性控制的可行性。
2技术现状
自1993年美国研制出第一台PMU以来，在信息、通信等技术的推动下，同步相量技术得到很大发展和广泛应用，逐渐形成了一个新的技术领域。该领域的理论研究与应用开发已初步取得效果^[3]。如美国WSCC的WAMS、法国的协调防御系统，均取得了较好的社会效益和经济效益。在我国，1995年前后清华大学开始该领域的理论研究和应用开发，并于1997至2000年在黑龙江省东部电网安装了7台PMU^[4]。目前，一些科研院校、电力和电网公司已经启动了相应的科研和应用计划。总的来说，同步相量技术中的关键测量技术已基本解决，应用理论体系正在逐步完善。该技术在大电网的稳定性分析、预报与控制方面的应用将是今后的研究目标。
同时，作为保证电网安全稳定运行的第二道防线的暂态稳定性控制（TransientStabilityControl，TSC），在近十年也得到了长足发展。可以预见，在我国电网结构相对薄弱的现状得到根本改善之前，TSC系统对于保证电力系统安全稳定运行仍将起着关键作用。这也是目前国内各大型电力和电网公司重点投资研制TSC系统的主要原因。TSC系统一般包括3个环节：采集电网的电气参数和状态信息的测量环节，根据测量获得的数据进行判断并决策采取控制措施的决策环节，实现具体控制的执行环节。其中决策环节是控制系统的核心。它的关键问题是如何根据观测量来预测系统的暂态稳定性，进而选取可行乃至优化的控制措施。目前广泛应用的TSC系统，控制决策上大多采用的模式是：在系统不同的运行方式下，检测到特定的扰动发生后，按照断面或单线潮流的档位来选择控制措施。而运行方式、扰动类型和控制措施的对应关系都是预先规划好存放在“策略表”中的。由于控制作用是由扰动检测启动的，故可将此模式的暂态稳定性控制称为“基于扰动检测的暂态稳定性控制”（Disturbance-DetectionBasedTSC，DDB-TSC）。其不足之处是：①保守度难以估量，跟负荷特性相关的不确定性因素的影响难以排除，可能会导致过于乐观或过于谨慎的控制；②运行方式变化较大时，特别是当电源、网络拓扑结构和负荷发生较大变化时，控制装置的定值需要及时更新，改动量大，升级换代困难；③更为严重的是策略表往往是基于离线参数和数学模型的，而目前的仿真计算与实测数据之间存在着明显差异，这就有可能导致错误的控制决策；④暂态稳定性是电力系统的全局特性，局部测量缺乏对系统整体的认识，因而难以获得精确而可靠的控制作用，从而可能导致过切机组或过切负荷，造成大面积停电。在TSC系统中引进同步相量技术，正是为了克服其不足之处。
在20世纪80年代，人们就认识到相对角度能更好地反映电网结构强度和暂态稳定性^[5]，但直到同步相量技术出现以后，直接利用相对角度来动态地监视系统的稳定性水平和实现暂态稳定性控制时才成为实现的可能。现在此项工作已取得了初步结果^[6~9]。但这些研究工作大多还停留在纯粹的理论研究上，并限于采用功角差作为判稳和选择控制策略的算法设计上，而对于其他一些关键性问题，如控制系统结构、功角测量、通信延时与可靠性等还未涉及。因此，全面而系统地阐述将同步相量技术应用于暂态稳定性控制的关键技术及其可行性是十分必要的。
3基于同步相量技术的TSC系统原理与结构
将同步相量技术应用于TSC有多种方式：
（1）利用相量数据改造传统的控制策略表。即在传统的策略表（包括运行方式、扰动方式、断面潮流等要素）中引入“相对功角”等量测量，形成新的控制策略表和决策方案。实现要点是：在数据通信要求较低的情况下，借助于PMU准实时（分钟级）地得到电网中各主要机组和母线间的相角差，并将其作为策略表的要素之一，实现控制策略的优化和搜索。
（2）构造基于同步相量响应的广域暂态稳定性控制（SynchrophasorResponseBasedWide-AreaTSC，SRBWA-TSC）。这是一种更为直接和有效的方式。其基本原理是：控制中心利用基于WAMS的高速通信网络将PMU测得的同步相量数据汇集起来，得到有关机组和母线间的相对相位角和角频率等动态信息，并作为系统稳定性判别和控制决策的依据。本文重点讨论SRBWA-TSC系统。
对具体电网而言，SRBWA-TSC系统有多种结构模式，如单厂模式和多层递阶模式。
（1）单厂控制模式。当电厂安装TSC系统的主要目的是解决窝电问题时可采用如图1所示的单厂模式TSC系统。其中PMU用来同步采集本厂和代表系统惯性中心的某些关键母线或发电机的相量数据，所有相量数据传递给电厂的控制器，以便进行集中决策和控制。　（2）多层递阶模式。图2为一两层结构的TSC系统。其底层为分布在电厂和变电站的PMU及控制器（C）（它们也可能合成一个装置，如电厂3），PMU测得的相量数据通过广域通信网络上传到中心站，以便据此作出控制决策，并下发到各控制站实施控制。对于复杂的大型互联电网，可能构成更多层次的递阶控制系统。4关键技术
4.1功角测量
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