1、电力系统的态势感知 韩英铎 清华大学电机系 柔性输配电系统研究所 2014.07.25 南方电网 主要内容 电力系统态势感知的内涵和前期工作 1 暂态电压稳定是当今互联电网的主要威胁 2 基于 WAMS的实测潮流和暂态电压稳定评估 3 希望 5 动态参数不准是现有 EMS的重大缺欠 4 Situatio Awareness 和 State Estimation 全称 : 复杂电力系统动态行为和趋势的感知 内涵 :基于广域动态安全监测系统、多种数据库和数据挖掘、动态参数辨识、超实时间仿真、可视化等技术的集成 ,解决电力系统安全分析经典难题 ,实现电力系统运行关键动态数据的在线测量、数据处理、分析
2、 ,达到对主要动态行为的测量、辨识、显示、预警、控制 . 态势感知 (Situation Awareness)这一概念源于航天飞行的一些研究，此后在军事战场、核反应控制、空中交通监管等领域被广泛地研究。态势感知之所以越来越成为一项热门研究课题，是因为在动态复杂环境中，决策者需要借助态势感知工具显示当前环境的连续变化状况，才能准确地做出决策。 1988年， Endsley在文章中把 态势感知定义为“在一定的时空条件下，对环境因素的获取、理解以及对未来状态的预测” . 早期的广域动态频率测量和研究 1.西德 1978.4.13 Isar核电站跳掉 660MW机组时 ,测 得的西欧电力系统 中不同地
3、点的频率 动态过程 . 2.韩 复杂扩展式 系统功率 -频率动态 过程研究 (82年 ) 3.闵勇 多机系统频 率动态过程时间分布 和空间分布问题 ; (89年 ) 距干扰点空间距离 1.X= 60km 2.X=210km, 3.X=280km 1 2 3 t f 这张图否定了传统低频减载的单机模型 ! 2003年 8.14美加大停电的动态过程 5 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 两部分系统间角度偏差 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 6 三相接地短路现场 东北大扰动试验系统主接线 (2004年 3月 25日 ) 0 500Kv电压等级下的三相短路 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 7
4、 主站实时监测结果 -清华 -四方 区间低频振荡曾成为影响互联电网安全与高效运行的瓶颈。 然而，传统 PSS可有效解决本地振荡问题，但对于区间模式，存在信号可观性弱、适应性及协调性不足的问题 南方电网，已安装超过 370台传统 PSS，区间低频振荡仍是限制西电东送传输极限的关键因素 !一些单位思维僵化，一味让生产单位增加 PSS数量，实际问题并没有质的解决！ 2006.8.29 ， 0.63 Hz ； 2008.8.25， 0.6 Hz 国家电网情况类似 华北 2005.9.1，华中 2005.10.29， 2006.7.1， 山东电网 2007.1.29 ， 0.3 Hz， 清华大学电机系柔
5、性输配电系统研究所 8 8 南网 8.25振荡，云贵联络线峰峰值 120MW，持续 3分钟 华中 10.29振荡，斗双线峰峰值 730MW，持续 5分钟 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 9 基于随机扰动响应的低频振荡特征量感知 罗平 百色线路有功功率 5分钟曲线 （正常稳态运行） 实际电网在稳态运行中，由于负荷投切等随机性扰动，在发电机、母线、线路中均存在小幅波动，而这种波动反映了当前系统的固有动态特性 -发展了 ”类噪声识别技术 ” 分析结果可用于调度员监测与决策、控制系统自适应等 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 10 频率、阻尼比（特征值）辨识结果 平均 20次辨识结果 采用 AR
6、MA模型，基于小幅波动信号的方法 能较准确地分析得到电力系统的低频振荡模式参数。 对0.7775Hz分量的估计优于对 0.9801Hz分量的估计，对振荡模式频率的估计优于对阻尼比的估计 4.3484 4.8535 阻尼比 ( % )0.9801 0.97175 频率 (H z )21.1231 1.2607 阻尼比 ( % )0.77750.77748 频率 (H z )1小干扰稳定分析A RMA 模型清华吴超博士 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 11 发展了多种低频振荡统计与小干扰评估 WAMS 低频振荡的监测与统计 EMS人机系统 动态预警系统 小干扰计算 实测的振荡频率 与实测振荡模
7、式相关的机组 整合信息 实测的振荡概率分布 振荡模 式分析 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 12 2005.10.29 振荡分群实例 群 1:三峡送出系统 群 2:获嘉站 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 13 南方电网多直流协调广域闭环控制系统 G P S / 北 斗卫 星高 坡控 制 与 测 量 子 站兴 仁控 制 与 测 量 子 站安 顺测 量 子 站罗 平测 量 子 站罗 洞测 量 子 站深 圳测 量 子 站广 州控 制 主 站已解决的关键科学问题： 1.大规模交直流混合系统阻尼控制规律 2.广域反馈信号的选择方法 3.广域通信延时的控制与自适应补偿 4.延时引发高频振荡机理及其
8、解决技术 5.多回直流的协调控制技术 等等 世界电力系统 第一个广域闭环控制 , 第一个不需要给定系统参数 , 仅根据态势感知的自适应控制 ! 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 14 南方电网多直流广域闭环控制系统 经过多次现场大扰动试验验证 分别通过天广、兴安、高肇 直流单极 700MW闭锁 、500kV金换线跳开与闭合 等大扰动试验，充分测试了该控制系统在多种运行方式与扰动情况下 可增加系统阻尼比10%以上、提高西电东送稳定极限约 800MW！ 14 5 6 7 8 9 10 11 12- 1 . 5-1- 0 . 500 . 511 . 522 . 533 . 5时间（ s ）贵州云南
9、相对功角（度）高肇直流协调控制投入高肇、兴安直流协调控制投入协调控制退出0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10- 4 7 0- 4 6 0- 4 5 0- 4 4 0- 4 3 0- 4 2 0- 4 1 0- 4 0 0时间（秒）梧罗线功率（MW）高肇调制控制单独投入协调控制系统投入协调控制系统退出有控制 无控制 推广应用到四川电网 广域励磁控制 以四川送出联络线功率为反馈信号、以二滩、瀑布沟等大型水电厂为控制点， 抑制“川渝 华中 华北”互联系统低频振荡，解决扰动后“长治 南阳 荆门”特高压交流示范线解列问题，提高四川水电送出能力 二滩 瀑布沟 广域励磁控制提高水电送出极限 0 1
10、2 3 4 5 60 . 50 . 5 50 . 60 . 6 50 . 70 . 7 50 . 80 . 8 50 . 90 . 9 5时间 ( 秒 ) 桃乡主变 N - 1 故障，长治 - 南阳线两侧电压电压/p.u.不投 C A W P S S ，长治侧二滩投 2+ 瀑布沟投 2 ，长治侧二滩投 6+ 瀑布沟投 3 ，长治侧不投 C A W P S S ，南阳侧二滩投 2+ 瀑布沟投 2 ，南阳侧二滩投 6+ 瀑布沟投 3 ，南阳侧方式 断面输电容量 / 万 KW 川西川南 九石雅 普提 康定 茂县 瀑布沟 川渝 德宝 锦苏 复奉 基础 299.9 352.8 424.1 201.4 2
11、38.9 179.7 402.2 100.0 460.0 320.0 1 299 . 9 382 . 6 42 4 . 2 201 .4 238 . 9 179 .7 402 . 1 100.0 460.0 320.0 2 3 00.0 382 . 6 42 1 . 2 201 .4 23 9 . 0 245 . 6 401 . 7 100.0 460.0 320.0 3 3 00.2 382 . 7 4 20 . 8 201 .4 23 9 . 0 256 . 1 402 . 8 100.0 460.0 320.0 4 299.9 382 . 6 308 . 8 201 .4 23 8 .
12、9 299 . 6 401 . 2 100.0 460.0 320.0 5 300.1 382 . 6 407.1 201 .4 2 90 . 0 299.6 401.4 100.0 460.0 320.0 广域控制投入后，振荡阻尼显著提升，特高压线路振荡电压最低点明显提升 投入 2台发电机的广域控制，瀑布沟断面送电提高659MW 投入 8台发电机的广域控制，瀑布沟断面送电提高983MW 4.基于 WAMS的 实测潮流 、 参数辨识 、 暂态电压稳定评估 严剑锋 : 电力系统在线动态安全监测与预警技术 (中国电科院 ) 目前 ,电力系统在线动态安全监测与预警技术是 基于电网在线运行数据 ， 按
13、照 15分钟周期对电力系统进行数字仿真， 完成电网安全评估，给出可能的预警信息、辅助决策和裕度评估结果。该技术 实现了万节点级电网的在线安全预警 ，计算速度比传统离线计算提高了数百倍， 推动了电网安全计算从传统离线方式向在线方式的进步 ，为大电网在线安全诊断和智能化调度提供了有效技术手段。 稳 定 裕 度 评 估 计 算调 度 运 行 辅 助 决 策预 警 信 息暂 态 稳 定 分 析动 态 稳 定 分 析电 压 稳 定 分 析暂 态 稳 定分 析 结 果动 态 稳 定分 析 结 果电 压 稳 定分 析 结 果在 线 整 合 潮 流遥 测 遥 信相 量 量 测二 次 信 息设 备 参 数电 网
14、 模 型故 障 集电 网 实 时 监 控与 智 能 告 警网 络 分 析实 时 方 式数 据 准 备研 究 方 式预 警 信 息静 态 稳 定 分 析静 态 稳 定分 析 结 果电 网 实 时 监 控与 智 能 告 警预 警 信 息运 行 分 析 与 评 价预 警 信 息预 警 信 息在 线 安 全 稳 定 分 析C A S E 管 理模 型 管 理限 额 管 理故 障 集 管 理在 线 整 合 潮 流这里的 “ 在线安全稳定分析 ” 仅指在 SCADA和状态估计基础上得到的“ 在线潮流 ” ，全部动态计算均基于离线模型、参数进行 ， 大误差问题仍未解决，只能靠提高保守度换取可靠性 现有的调度
15、安全分析与决策系统存在严重缺欠 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 20 2008-9-8 到 2013年底全国 500KV变电站 100%, 220KV变电站约 50%以上发电厂 30万 机以上 ,都装了 PMU, 估计超 3000个； 美国不到 1000个 , 这是我们的优势 . 中国 PMU/WAMS应用情况 基于广域信息的电力系统态势感知系统 实际电网信息平台（ 数据库及数据质量分析 ，大数据 ）分布式子站节点通信网络及其管理扰动监测与快速识别网络拓扑结构分析状态测量 （ 动态潮流 ）模型库（ 模型参数在线辨识 ）超实时仿真计算准稳态安全计算（ 静态稳定计算 、短路电流计算等 ）在线安
16、全稳定分析（ 功角 / 电压 / 频率稳定性计算 ）基于数据 / 轨迹的系统特性辨识 、 灵敏度计算与稳定性分析电网监测 、 预警 、 告警电力系统稳定裕度评估准稳态控制与辅助决策动态 / 暂态控制与辅助决策其它中心站节点中心站节点R T US C A D AP M UW A M S智能表计AM I其它遥信遥测信号控制命令 控制命令清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 21 基于 WAMS的实测潮流和暂态电压稳定评估 简图 基于 PMU和 WAMS的在线潮流和网络拓扑 -算法基本解决 ,通过仿真验证 ,希望进行深入应用研究 基于负荷云库的动态参数辨识 -方法基本解决 ,通过仿真验证 ,希望在
17、 一处 500KV变电站进行工程应用研究 特定场景的态势分析 暂态电压安全稳定判别 系统动态行为与态势可视化 暂态电压安全稳定态势判别 运行与控制决策 在线即测 -即辨 -即用 -按预想事故扫瞄分析 尽快启动应用研究 1-2年能工程实用 希望 3年左右取得 突破性进展 集中与分散 结合的数据库 4-1基于 WAMS的在线实测潮流和网络拓扑 -已经有很好的仿真研究结果 现有状态估计的主要问题 RTU缺乏统一时标 断面数据同步性差（ 2-3秒） 1 估计周期较长 为分钟级 2 需要迭代计算，可能不收敛 或收敛到局部极值点 3 难以高效处理多重 错误同时出现的情况 4 难以满足更快更准的要求 是拼凑
18、出来的“虚拟”潮流 清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 24 基于全 PMU的状态测量需要改进 数据带有时标 同步性好 1 数据更新周期短 子站可到 10ms 2 可获得电压电流 相量数据 3 为系统监测、分析、控制提供有效手段 PMU数据质量至关重要 1 2 3 数据中存在误差和不良数据 数据精度还不够，难以直接应用 清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 25 状态测量及网络拓扑 /参数校正 清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 26 基于数据挖掘的单P M U 数据校核全网基于估计的P M U 数据校准网络参数估计辨识实时动态潮流基于 P M U 的网络拓扑分析实时潮流算法 由 P
19、MU量测，形成相量量测方程 建立复数域 相对加权最小二乘准则 得到线性估计公式 1TTe s t mmU A W A W Z D Z 22m in Ti imiwJZ U W A矩阵为常矩阵， W矩阵给定，无需迭代；相角量测的精度很差，经过该复数算法也可以达到相当的精度。 Um T TIb 1 b 2 E0 Z U A U YY南方电网算例 -2014年 500KV网络 清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 28 29 最大误差 电压 电流 幅值 /% 角度 /度 幅值 /% 角度 /度 设定 0.2 0.2 0.2 0.5 实际 1 0.2 0.2 0.2 3 实际 2 0.2 3 0.2 0.5 省 /区 厂站 线路 计算用节点 支路 云南 50 98 70 220 广西 28 52 36 86 贵州 32 58 33 90 广东 74 168 77 302 海南 3 2 3 4 总计 187 392 219 702 南方电网算例 -每次计算 20-30毫秒 清华大学电机系柔输所，韩英铎 &陆超等 结果误差 4.2 负荷主导动态参数辨识 -已经有很好的仿真研究结果 -正在装置研制 -希望尽快开展工程应用研究
