华东电网多功能功角实时监测系统的开发及应用王兆家¹，岑宗浩²，陈汉中¹（1.中国电力科学研究院，北京100085；2.华东电力调度局，上海200002）摘要：基于GPS技术的广域相量测量是近年来发展的新技术，作者阐述了同步相量测量技术的原理及其在电力系统中稳定监测的应用，即功角实时监测，并介绍了华东电网多功能功角实时监测系统的构成及其在华东电网的应用及发展。
关键词：GPS；相量测量；功角监测
1引言
随着全国联网、西电东送、南北互供工程建设步伐的加快，我国互联电网规模正日益扩大，对电网的稳定运行也提出了新的要求。基于GPS技术的广域相量测量是近年来发展的一项新技术，被称为电力系统三项前沿课题之一。电力系统中的发电机功角和母线电压相量是系统运行的主要状态变量，也是判断系统运行是否稳定的依据，因此必须对其进行精确监测。利用GPS和相量测量技术对系统中各关键点的电压、电流相量进行精确监测，就能够实时地观测整个电网运行状态，从而为研究分析大系统的动态特性、系统的经济调度和电网安全稳定运行与控制提供了有力的手段。
2相量测量的原理及监测的意义
在电网稳定中，电压稳定和功角稳定是两种主要的稳定问题。电压相量的幅值代表了电压信号的有效值，电压相量的相角是电压信号相对于给定参考相量的相对角。所以稳定问题可主要归结为维持电压相量的稳定。
相量分析是电力系统分析中的重要工具，相量的变化可以精确地描述电力系统运行状态的变化，因而相量实时测量能够在电网运行中发挥重要的作用。
电力系统相量测量就是在高精度的时钟同步下，在电网的各枢纽点测量电压和电流的相量，并传送到中央站和相应的装置中供实时监测、保护和控制之用。它是近年来得到迅速发展的一项新技术，推动这一技术的主要动因是全球定位卫星系统（GlobalPositioningSystem，GPS）同步授时的应用。相量测量技术的实现除了要求通信的支持之外，对同步时钟的精度要求非常高。一般认为，各个测量点之间的时钟同步精度高于40μs时，相量测量才有意义。采用GPS的同步授时时，任何两个测量点间的同步精度可达1μs，因而使相量测量变得容易了。
在电力工程中将正弦量信号用相量表示。设图1所示的正弦信号为

采用相量表示为
由式（2）知，相量由幅值X（有效值）和相位φ组成，用直角坐标表示为实部X_R和虚部X_t。所以进行相量测量时必须同时测量幅值和相位。幅值的测量比较容易，而相位的大小取决于时间参考点（t=0）的时刻，在图1中同一个信号，在不同的时间参考点下，相角值是不同的。如果要比较两个相同频率的正弦信号的相位，它们之间的时间参考点必须相同。
下面说明正弦信号的相量与其信号频谱的关系。将式（1）改写成
根据式（5）知，可以通过傅立叶变换的方法来求相量，这就是用FFT和DFT求相量的基础。
在无穷大系统中，当发电机等值电势一定时，发电机送出的功率与电压的相对角δ的函数为
引入等值机的概念，我们也将母线电压间的相对相角δ称为功角。它是系统运行的重要状态变量之一。功角的大小反映了静稳裕度的大小，功角的周期变化表明系统发生了功率振荡，利用功角，可以得知两端电力潮流的方向与大小和监测出低频振荡现象。进行实时功角监测对于电力系统特别是有高压远距离大容量输电线路的系统具有重要的实际意义。由于造成失稳的振荡的频率往往很低，持续的时间也比较长，所以功角的实时监测能为调度员进行系统状态的准确判断提供及时有力的依据，以便及时采取措施，维持系统稳定运行。
由于相量测量监测系统能实时监测系统振荡和其他系统状态变化情况，利用相量测量值便可以预测系统状态。在系统受到扰动时，调度员决策的正确性和快速性是非常重要的，相量测量技术从根本上提高了调度员准确把握系统状态的能力，在控制装置失灵等意外情况下，能有效阻止故障蔓延，这是提高电网运行可靠性的重要环节。
相量测量装置能同步记录扰动数据，使得同时分析系统扰动过程中多点的动态情况成为可能，这有助于研究大电网的动态规律，为制订系统稳定控制策略和运行规划方案提供基础。国内外的应用表明：系统出现扰动时，功角的变化往往最先表现出来，而系统的振荡现象也总是能被相量测量装置及时地捕捉到。系统扰动记录数据是研究系统动态规律的重要研究对象，对这类数据的分析有助于建立正确的系统模型，校验数学模型中的参数，提高我们的系统分析能力。
因此推广相量测量的监测与扰动记录应用，不仅是深化相量测量技术应用的必要准备，其本身也是极具应用价值的。
3华东电网多功能功角实时监测系统的基本构成
中国电力科学研究院、国家电力公司华东公司及台湾欧华科技公司联合研制开发的华东电网多功能功角实时监测系统，正是基于GPS技术研制成功的实时系统。它不仅可以用于功角稳定监测，还可以记录更复杂的系统扰动过程，同时具备实时在线监测以及记录系统运行的长期稳态数据等功能。
该系统的基本结构如图2所示。
华东电网多功能功角实时监测系统采用了下列新技术：
（1）多重DSP结构，具有强大的数据处理能力；（2）内置GPS卡，实现同步采样技术；
（3）以表头及波形的形式实时显示系统功角并监测低频振荡；
（4）采用基于改进的非递归DFT实现相量测量的算法；
（5）提出了一种快速精确地测量节点频率的正序电压相角差算法；
（6）进行系统长期稳态数据记录，实现“黑匣子”功能；
（7）建立功角网站，将实时功角数据发布到系统中，相关工作人员可直接通过浏览器实时监测。
该系统由ADX3000前置机、数据集中器、通信设备、通信线路、中央监控站、网络服务器及资料分析站组成，具体功能如下：
（1）监测点。厂站端ADX3000前置机同步采集信号，通过通信线路将各种数据根据命令上送到中央监控站。如有必要可在厂站端或局部监测中心配置数据集中器以实现对ADX3000前置机的就地控制、数据的筛选和转送，达到集中及分散控制的结合。ADX3000装置均内置GPS，具有实时监测功能，可以从显示器上观测到各种相量幅值和相角，以及三相原始波形，同时具有故障录波器的所有功能，并满足行标要求。
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