电网动态监控之关键

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华东电力咨询公司
1、 纵观电网动态安全
$ ^  \1 D# y# Z自2003 年8 月14 日美加大停电以来，全世界发生了十多起大停电事故，电网的大范围故障造
. Z& X* d! U0 j% p+ {# ]/ e成了严重的政治、经济和社会影响。胡锦涛总书记在美国大停电后2 天即指示“要认真研究电力系统
安全问题”。
" ?- [# G6 X3 T3 s中国电力系统的快速发展已经成为世界上最大,最复杂的电网之一。中国的发电总装机容量用了
# g/ e. P) `; j" u, j% q: j100 多年的时间在1987 年达到103GW[1]，尔后分别用了8 年和5 年时间突破200GW 和300GW；到
了2004 年底全国发电机装机容量已经达到440GW；预计到2010年将达到650GW[2]，2020 年将达到
1000GW。随着全国联网和大容量、长距离送电，电网的安全稳定问题越来越凸现，有效地把握和控
0 o; c" [' e* ^  a: m8 |4 g制电力系统广域动态安全问题是电力工作者面临的一个新挑战！
华东电网目前稳定方面存在的主要问题有：主网潮流不断加重；热稳定问题较为普遍；暂态稳
定问题比较突出；安徽煤炭基地的送出和福建联网后的低频振荡；电压稳定问题已经有所显现；部分
受端系统低电压问题严重；还有潜在的频率稳定问题。
! F  ?- Q/ |- |% Z) C& s而进一步影响电网安全稳定的因素还有：上海及苏南地区负荷密度大，线路走廊匮乏，50万输
电线路将由同杆双回向同杆多回发展[3]；而环保的约束和跨区联网使超长距离送电带来了稳定问题；
而电力市场的开展使设备运行接近热容量，增加运行条件的不可预知性，用户对供电可靠性和保护意
- p0 x4 X" }% q9 e( @  Y5 t; K  X识进一步加强。五大发电集团积极开拓华东发电市场，自2004 年以来经我华东电力咨询公司咨询审
查的电源初步可行性研究项目30 多个，总容量达45.6GW，绝大部分为600-1000MW 单元机组，而电
0 j4 U) N$ y! t2 d源的建设和机组的并网时间不为电网公司所左右，增加了电网建设和管理的难度。
目前电力系统继电保护仅注重装置的可靠性和主保护的快速动作，没有系统级的协调和配合。
/ u; c) d0 Y  P5 R# ~; K在美加大停电事故中，数千台保护装置都是采用局部信息作为动作判据，实施就地控制，增加了连锁
故障的发生，恶化了事故，最终导致系统崩溃。因此，要站在系统全局高度，利用广域信息协调元件
保护与系统保护、局域控制与广域控制，探索研究电力系统广域控制和保护，为电力系统的安全运行
提供强有力的防御手段。
2、 电网动态安全对监控系统的新要求
电的特点要求生产、传输和使用在同时完成，实现瞬时平衡。电力系统是一个整体,当电以光速
  [& Z# W3 I5 ^9 N在电网中传播的时候,各种动态性能各异的发电机、电力设备和负荷通过输电网络联系在一起，形成
8 G$ e- j# I& g6 {一个整体，它们在运行中相互影响，一台设备的动态行为会通过电网影响其他设备，使得电力系统的
动态表现异常复杂，定量分析十分困难。
EMS 系统承担了电网正常运行情况下的稳态数据的监测、分析和控制，但是在电力系统受到扰
. H* g, d4 I$ M+ F" Z! [5 P动的动态过程中，比如发生低频振荡等长期动态过程时（如南方电网曾经连续发生多次低频振荡,华
东电网的福双线和安徽肥洛平小三角地区也曾发生低频振荡）,调度员并没有察觉EMS 系统监控下的
电网有任何异常。
8.14美加大停电事故分析最终报告指出,事故过程中调度中心的EMS系统工作异常,呈现“数据
很多，信息不够”,致使调度人员处理不及时,导致后续连锁故障，最终酿成大停电。
" n- r2 o2 j# q- I$ z因此，在现代大电网中，对电力系统的监控要求其监控信息从稳态信息扩展到动态和暂态信息；
对动态数据的利用从目前WAMS 系统简单的测量、监视发展到分析、决策、保护和控制。从而能够在
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电网发生事故的时候，当海量数据涌来的情况下，能够迅速获取关键信息，及时向调度员提供快速事
! x9 ~8 Q# G+ }8 H3 C故分析和在线预决策支持。
电力系统的动态过程是瞬息万变的、无序的。随着环保的约束,坑口电厂大容量机组的长距离送
7 g6 C$ T) [$ l' c- B+ \电将显著影响电网的稳定；而跨区联网使电网的动态行为更加复杂,局部故障可能波及大范围的停电；
. e- |7 X# v3 [. R缺电局面和电力市场的开展,使设备的运行接近热容量,增加了运行条件的不可预知性；同时,用户对
* E7 L9 T; e4 O, `" l! W! W9 [供电的可靠性和保护意识进一步加强,所有这些都是目前电网调度中心的EMS 监控系统所无法承担
; w& U, t4 l0 d2 N" m2 v的。
4 F* C2 w' }  l# s7 Q+ J2 R因此,为达到电力系统广域安全防御的目的,要求我们站在全局的高度来审视电力系统的动态和
暂态问题。构筑高度信息化和自动化的信息支持系统。利用广域测量技术实现电力系统在线动态安全
分析和控制是我们今后的主要研究重点。
3、 华东电网WAMAP系统主要功能特点
+ V, G( G4 `4 i' ?华东电网广域动态信息监测分析保护控制系统（以下简称WAMAP,Wide Area Monitoring Analysis
Protection-control）的功能分三期开发。
! E, y& @. P$ e3 q* _8 k4 |一期工程：重点建设WAMAP 系统平台，进行PMU 布点，实现动态信息的实时监视；二期工程：
在综合数据集成的平台上，应用先进的电力系统分析方法实现功角、电压和频率稳定性的在线分析和
传输功率实时监视；三期工程：进行电网安全稳定在线控制。
华东电网WAMAP 系统一期工程开发的功能：
1） 电网运行动态监视
将PMU 采集的每秒25帧的动态信息以多种形式显示在画面上，使调度运行人员能及时了解电网当
前的动态运行状态。尤其是对各种方式的低频振荡和发电机功角动态变化或短路故障信息的捕捉和显
示，帮助调度运行人员及时采取处理措施。
, X0 h9 ~; J; m- f( O1 C( q! ~2） 基于PMU信息的电网事故快速分析和智能报警
1 m' U9 w1 \4 M- z) q在有相继故障、多重故障或开关、保护有拒动、误动而造成大面积停电时,根据PMU信息,快速判
/ T/ Y" P6 U6 X' e* d断出故障结论,供电网调度人员决策参考。
3） 基于综合信息的电网事故详细分析
在快速故障分析的基础上，加上故障录波信息和保护动作信息，对实时事故分析结果进行分析
引证，如对究竟是开关还是保护的拒动/误动做出确定性结论，并提供线路故障测距功能。
0 J3 _9 t) a1 _4） 辅助服务质量监测
利用PMU 数据的动态特性，在线分析和监视机组一次调频性能、机组AGC 调节性能、机组调压
+ c3 _/ X7 M' Z, k性能、电网调频性能。实时显示机组有功功率△P 与系统频率△f,以及机组无功△Q 与机端电压△U
- C! j8 T$ G4 G的变化曲线,计算相关特性参数,为参数整定和机组考核提供依据。
2 p( R8 J) \1 c* t  P" I5） 低频振荡在线监视
9 P3 G3 C& d+ P5 M2 E/ e% c低频振荡在线监视功能是根据发电机有功功率、功角和转速变化率，以及联络线有功功率等连
% E1 r, V6 ]- `续的动态过程数据，和发电机的转动惯量，通过分析，计算功角和线路有功功率的振荡模式,确定功
角振荡模式和机组的相关关系,自动刷新阻尼比小于设定门槛值的最严重的振荡模式。低频振荡在线
监视的目的在于帮助电网调度员实时监视系统振荡模式变化，及时发现系统最严重的低频振荡模式，
- {! c  D. Y! k0 c* F! e让调度员有充裕的时间采取预防措施,防止振荡进一步恶化,避免大事故的发生。
/ g% k( i6 |5 x6 l6 i- e0 j' D; I3 m+ f6) 模型和参数校核
9 K" o1 e; f: {" [) `模型和参数校核功能包括内容：实测和仿真数据的分析比较；模型和参数准确度的评估；模型
3 }& Q: B: c: k* E3 C和参数修正。一期工程只开发实测和仿真数据的分析比较功能，离线修改模型类型或参数，再次进行
0 a% G3 w; h# b" x5 D9 k仿真，观察其相似程度。本项目提出根据电网稳定性的特点，从电网的稳定性分析出发，从仿真轨迹
2 o! U" X8 e! h3 C3 p求取轨迹裕度，从实测轨迹求取轨迹裕度，通过裕度之间的差值来得出仿真系统的置信度。
1 Y$ H: f% U/ S1 r8 i, g华东电网WAMAP 系统二期工程将开发的功能：
* [  V) m" M) K0 l" S1） PMU 数据参与的状态估计：传统的状态估计算法不能直接处理电压相角的量测量，而从RTU
& |2 |9 `+ w* \) y5 q* R, r0 f8 V采集到的量测量具有很大的不同时性。在引入PMU相量值后，可以提高状态估计的速度、精度和收敛
性。二期工程将研究状态估计精度的提高程度和电网内配置PMU的数量、布点的情况以及状态估计的
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算法。
2） 低频振荡分析：在低频振荡监视功能的基础上，进行低频振荡裕度关于负荷特性（尤其是
& a! s$ n' G4 k: L动态特性）、发电机励磁系统、直流系统及FACTS 等因素的灵敏度分析，确定引起系统振荡的原因和
# C! f+ y7 d& N% [提出抑制振荡的控制策略。
3） 功角、电压和频率安全稳定的在线分析：根据系统实时运行状况、人工预想事故集、在线
自动给出的预想事故集和可能的控制措施、快速求取系统当前运行的暂态功角稳定裕度、电压稳定裕
7 Y: Y$ ~# {5 @度和电压/频率偏移裕度，并提出和修正预防控制策略表。
4） 传输功率实时监视：引入有PMU数据参与的状态估计和PMU采集的系统动态数据，根据
: r/ h6 \: b4 P+ Y  C预想事故集，在线计算求得联络线极限输送功率，并将实时测到的联络线功率与其相比，给出系统运
行的功率参数稳定裕度。给出制约传送通道功率极限的故障列表，以及功角稳定还是电压安全或频率
安全与否。
5） 模型和参数校核：在线数据和仿真数据比较；模型和参数准确度评估；参数的修正。在线
5 h% L8 W3 N+ s- x0 d: G  p/ y校核时直接利用EMS 状态估计的数据,使其与扰动发生前的实际工况一致，并采用与系统实际发生的
+ ]# p! N8 W6 {5 E扰动相同的扰动方式，然后通过仿真的动态响应与实测动态响应比较来进行校验。
华东电网WAMAP 系统三期工程的开发重点在于控制功能的实施，即在前2期动态实时安全稳定
7 V: u7 U8 W3 C: u# C监视和预决策的基础上，实现预防控制和自动事故处理控制。三期工程将开发的控制功能包括：将在
线预防控制策略表通过AGC 系统，发令至有关机组，进行实时发电调度在线调整；振荡解列装置之间
9 y8 I& [5 t. O$ i7 {- C8 p的协调控制；区域PSS 的协调控制功角定性控制；广域保护；事故处理决策支持。
8 T. F4 Q8 I: l' h6 x- hWAMAP 系统建设要达到的目的是：
. `  A2 c  ^1 [8 r8 e, p% C1）通过PMU 合理布点采集电网动态信息，加上集成的EMS 系统稳态数据和保护系统暂态数据，
2 \( x+ F! M. ]4 ~& {. R& ?7 X组成综合数据平台。
! i- C' @1 @+ |- N* V6 J' J( D( ~! f2）快速进行电网各种运行工况的计算处理和综合分析，向调度员提供预防控制在线决策和紧
急控制预决策，提高电网安全运行水平。
& ~4 V* o& C. N6 P% i5 B3）对电力市场辅助服务的调频和调压进行实时监测，为考核发电企业履行合同情况提供技术
# P4 s# F( S4 x% Y手段。
8 L7 C0 N' N3 Q; W$ k6 z# Z4）快速分析每个时段电网安全裕度，充分挖掘输电线路传输容量，充分利用发电机的发电容
, u8 w9 T$ W1 h6 c* s4 L% Y量，提高电网公司和发电公司的经济效益。
4、 WAMAP与WAMS的区别关键在于三态数据平台
. H8 ?$ W0 B. R# z* m& B1）WAMS 的功能和局限WAMS(wide area monitoring system)是利用高速通信网络把PMU 采集的带有
# ?5 ]2 I) |6 y: i$ T1 K统一时标的相量数据传送到中心站，进行集中处理的系统。它是电力系统动态数据的采集监视系统，
7 P1 H1 ~( r$ z. k. u( P由美国在1990 年首先提出并开展研究。WAMS 通过同步记录电网事件的动态/暂态数据，对电力系统
4 j8 L& @1 I! i/ k7 V5 H( u的运行状况进行监测，帮助调度员准确把握系统运行状况，理解电力系统的动态，提高系统运行的可
( q: B, x; {( D5 M3 D* t4 C- @靠性。其在线功能主要是系统运行的动态监测；离线功能主要有事故追忆和事故后分析、数学模型校
核、参数辨识和保护装置设定值的验证。
WAMS 可以实现系统动态的监测和数据记录。与SCADA的静态监测系统相比，WAMS 的可观性很难
  A, d- j5 J/ p满足。可将WAMS 看成特殊的SCADA，即从系统的稳态监测发展为动态监测，对各单变量的机电暂态
进行监测；对多变量之间的相对动态进行监测和分析。但其最大信息量相当于对实际场景的一次在线
数值仿真，而不可能像数值仿真那样对任何假想的场景进行分析试探。
2）WAMAP 系统与WAMS 系统的区别
表1 WAMAP 系统与WAMS 系统的区别
: U! G9 e1 @- I9 Z: ~9 h内 容 WAMAP WAMS
集成信息 动态,稳态,暂态 动态
; w1 X( |& h2 ?& O多态数据管理 统一时标，综合管理 无
8 ?; s7 ?  f4 q4 j" F' o& W功角,频率,电压在线分析 能 不能
事故处理决策 能 不能
预防和紧急控制在线决策 能 不能
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电网模型参数在线校核 能 不能
  }4 L& X) @7 b6 C- DWAMS 本身不能实现功角稳定性、电压安全稳定性、频率安全稳定性的在线分析，不能直接支持
事故处理决策，包括预防控制、紧急控制的在线决策，以及预防控制与紧急控制的协调。用动态信息
( {) f- ]4 P2 T5 _# O只能建WAMS 系统；只有集成了动态、稳态、暂态三态信息，才能在网络拓扑平台上开发WAMAP 系统
& _) E4 ]/ f' O" ^各种实时的应用功能。
3）三态数据平台是构建WAMAP 系统的关键
WAMAP 系统整合的数据包括：1）PMU：向量、状态和波形记录信息；2）SCADA/EMS：遥测遥信
数据、网络和元件的模型及参数信息；3）继电保护综合管理系统：保护配置、投/停状态、动作信息、
动作电流和电压、录波信息等；4）稳定控制装置：包括配置和动作信息；5）故障录波装置：电流、
电压波形记录信息。表2 三态数据特点比较
采样频率 同步性 数据类型 存贮容量通道带宽 输送速率 传输方式
' ?( L. J& U2 Z" C* z暂态 高 好 瞬时/有效值 大 大 高 批次/连续
稳态 低 差 有效值 小 小 低 连续
# m, c- H# }. T动态 较高 好 相量/有效值 中 大 较高 连续
电网发生事故时,PMU实时采集的动态测量数据，如电网频率、电压、电流、有功、无功和开关
2 E& u! b! s. m  N+ w+ A9 \状态等会发生显著变化。同时，系统中与故障相关的各类保护装置、故障录波装置、自动安全装置、
稳定控制装置等会产生大量的装置动作和故障描述信息，这些信息将分别经过不同的通道被相关的自
动化系统所接受。
: @: I  E6 a- w, d/ IW A M A P
E M S 保护装置故障录波
S P D n e t
稳控装置
" S- W; \6 F2 N* i2 Y. ~& v南瑞
P M U
# S2 e* ]/ T: T/ Z. G电科院
P M U
9 {* [0 u9 M8 e, }* m' M" e3 |四方
P M U
+ r$ V8 A9 M6 S9 d4 p动态监视、分析和控制应用功能
; d5 J, Z4 e) @9 d9 |/ k6 W人机联系、互联通信等支撑软件
5 F% `( m; F3 U, m! [动态、稳态和暂态数据整合平台
计算机、服务器硬件平台
7 m. N) U3 D* y* t台湾
& M' X8 I5 {& H) m4 ^6 `9 F; V$ h9 xP M U
5 {2 f. A8 P! J4 d6 ~图1 华东电网WAMAP 系统结构框图
. A- H. y* X8 @) W  q! w目前电网控制中心各系统之间信息不能共享,很难对这些信息做进一步的挖掘分析,信息价值未
得到充分发挥。WAMAP 系统的三态数据整合功能，就负责提取、汇集、管理并存储故障时PMU实时采
集的动态测量数据、保护动作和故障录波数据、状态估计数据、SOE/PDR数据、电网模型参数，供事
! [5 c! c. C; W' _2 h; D0 X故过程分析、模型与参数校核、稳定极限计算等各种应用分析使用。事故过程信息的存储结构设计要
% z* m+ z4 @$ [) ?% s解决访问速度与存储容量的平衡问题，对应于同一事故的不同记录必须能够快速、方便地检索，以提
高系统整体性能。结语
从2002 年9月开始进行华东电网WAMAP系统总体框架设计以来的3 年多时间里，我们花费了差
不多2/3 的时间先后进行了WAMAP 系统的可行性研究设计、初步设计和详细设计。目前WAMAP 系统一
期工程已经通过FAT测试和部分应用功能的动模测试，PMU 接入主站的调试工作大部分已经完成，近
期将开始二期工程的详细设计和工程实施准备工作，预计将在未来2-3 年时间里完成所有功能开发。
+ @4 u! \$ B1 u2 FWAMAP系统是一个系统工程，3 年多来，先后有近百位各类专业人士参与了华东电网WAMAP
9 e7 X7 i2 s4 M, R% k系统的研究和开发工作，这是集体智慧的结晶。就像初升的太阳露出了晨曦，我们今天搭建的WAMAP
系统平台，将为构建电力系统广域安全防御体系打下坚实基础，中国的明天将难以重现美加大停电的
% t4 s. u' R* z2 Z% T" O, H5 H' y那种黑暗，前途会是一片光明！

meng823222

楼主把原文当附件发上来多好啊

seraphpang

这样可以不用消耗资料流量了:)

sacrohu

谢谢楼主，仔细看看