電力系統電壓穩定在線監控系統設計

潘少華

（仙居縣供電局， 浙江 仙居 317300）

電力系統電壓穩定在線監控系統設計

潘少華

（仙居縣供電局， 浙江 仙居 317300）

電壓穩定在線監控軟件實現了廣域測量系統的基本功能，如數據顯示、遠方控制、數據庫、事件記錄等。 在此基礎上又利用 Matcom 軟件將 MATLAB 強大的矩陣運算功能應用于 VC 中實現電壓穩定指標的計算，實現對電網電壓穩定性的監控。

電壓穩定；廣域測量系統；同步相量測量單元；就地電壓穩定指標；電壓穩定監控

0 引言

對于廣域電力系統，傳統的電力系統數據采集方法缺乏準確的共同時間標記，記錄數據只是局部有效，無法用于對全系統安全穩定性的分析。同步相量測量裝置（PhasorMeasurementUnit,PMU）和廣域 測量系 統 （Wide Area Measurement System, WAMS）的提出解決了時間同步和空間廣域的問題，研發工作在國內外方興未艾。基于全球定位系 統 （Global Positioning System,GPS） 的 PMU 裝置能不間斷監視和測量各母線電壓、電流幅值和相角， 通過 GPS 對測量的各種狀態量打上統一時標，為電力系統電壓穩定分析提供有效的實時數據。 基于 PMU 的 WAMS 系統， 以 PMU 為底層測量單元，經通信系統將測量值傳送到數據采集器，經過一定的數據處理后對電力系統進行實時監測并實現其他高級功能。 基于 PMU 的 WAMS系統結構如圖1所示。

圖1 基于 PMU 的 WAMS系統結構

1 系統設計的理論基礎

1.1 基于相量測量的就地電壓穩定指標

（1）阻抗模指標用 IZ表示：

式中：Zth為系統等值阻抗； ZLD為負荷等值阻抗。

當 IZ＜1 時， 系統電壓穩定， 且 IZ越小穩定程度越高； IZ接近于 1 時， 說明系統臨近電壓失穩；當 IZ=1 時， 系統達到電壓失穩臨界； 當 IZ＞1 時，系統電壓失去穩定。

（2）基于電壓相量投影關系的就地電壓穩定指標用 IUP表示：

式 中 ： U 為 負 荷 節 點 電 壓 幅 值 ； Eth為 系 統 等 值 電源電壓幅 值； θu為 負荷 節點電 壓相角 ； θth為系統等值電源電壓相角。

當 IUP＞0 時 ， 系 統 電 壓 穩 定 ， IUP越 接 近 于 0，系 統 越 接 近 電 壓 失 穩 臨 界 ； 當 IUP=0 時 ， 系 統 達到電壓失穩臨界； 當 IUP＜0 時， 系統電壓失去穩定。

（3）基 于 電 壓 降 落 的 就 地 電 壓 穩 定 指 標 以 IdU表示：

當 IdU＞1 時 ，系 統 電 壓 穩 定 ，IdU越 接 近 1， 系統 越 接 近 電 壓 失 穩 臨 界 ； 當 IdU=1 時 ， 系 統 達 到電壓 失 穩 臨界 ； 當 IdU＜1 時 ， 系 統電壓失 去 穩定。

1.2 戴維南等值系統參數的辨識

1.2.1 戴維南等值系統

對于任意的一個系統，從某一負荷節點看進去，均可以利用戴維南等值定理將其等值為一個電壓源經等值阻抗向所研究負荷節點供電的兩節點系統，如圖2所示。

圖2 等值兩節點系統

對于圖2所示的等值兩節點系統，有：

表示成矩陣形式：

Y 和 H 矩陣中的元素可以利用 PMU 裝置直接測量得到，所以通過狀態估計即可求出戴維南等值系統參數。

1.2.2 遺忘遞推最小二乘法

最小二乘估計法是電力系統狀態估計中應用最為廣泛的方法之一。

對于量測相量方程 Y=HX+e（e 為誤差相量），按照誤差平方準則， 建立目標函數 J， 則：

選擇一組X^使目標函數J為最小， 則：

解得：

即為靜態最小二乘狀態估計公式。

1.3 IZ， IUP， IdU指標的有效性

本設計以 WSCC 3 機 9 節點系統為例進行仿真，分析驗證電壓穩定指標的有效性與準確性。

采用連續潮流計算靜態電壓穩定臨界點時獲得的一組運行點作為數據輸入。數據窗每次連續記錄5個運行點，取各節點的電壓和電流相量進行曲線擬合，計算等值參數，然后計算穩定性指標 IZ， IUP， IdU， 計算結果如表1-表3 所示。

（1）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節點 5， 6 和 8 的 IZ指標不斷增大， 到達臨界點時 IZ指 標分 別 等 于 0.968 1， 0.631 2 和 0.412 7，其中節點 5 的 IZ指標十分接近于 1，說明節點 5的電壓接近臨界點，這與事實相符。利用這種辦法可以判別節點5為系統電壓薄弱節點。

表1 節點5計算結果

表2 節點6計算結果

表3 節點8計算結果

（2）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節點 5， 6 和 8 的 IUP指標不斷減小， 到達臨界點時， IUP指標分別等于 0.008 2， 0.155 3 和 0.251 9，其中節點 5 的 IUP指標十分接近于 0， 說明節點 5的電壓接近臨界點，與事實相符。

（3）從表1-表3 可看出， 在電壓臨界點附近，節點 5， 6 和 8 的 IdU指標不斷減小， 到達臨界點時， IdU指標分別等于 1.021 9， 1.569 4 和 2.419 4，其中節點 5 的 IdU指標十分接近于 1，說明節點 5的電壓接近臨界點，與事實相符。

2 PMU配置及廣域測量系統通信規約

2.1 PMU 配置及算法

本次電網建模中，PMU 的配置方法采用最小生成樹法（Minimum Spanning Tree， MST）。

針對 3 機 9 節點的 PMU 配置， 采用 MST 應用PSAT 中的分析工具，得出 3 機 9 節點網絡圖解， 最終分析得出 3機 9節點優化配置后 PMU的數目為 3， 以及 PMU 的放置節點為節點 4， 7和 9。 根據 PMU 配置規則可得出全網中各節點的同步相量數據。 配置了 PMU 的 3機 9節點模型如圖3所示。

圖3 配置了 PMU 的 3機 9節點模型

2.2 WAMS 通信規約

針對廣域測量系統中主站與子站 PMU 之間的通信互聯， 國家電力調度通信中心于 2006 年制定并頒布了 Q/GDW131-2006《電力系統實時動態監測系統技術規范》， 對應 TCP/IP 參考模型的是應用層協議，并要求底層網絡傳輸協議采用TCP。 PMU 能夠與其他系統進行信息交換， 可以和主站交換4種類型的信息：數據幀、配置幀、頭幀和命令幀。 前 3種幀由 PMU 發出，命令幀支持 PMU 與主站的雙向通信。 本次設計中考慮到軟件環境和系統結構的要求，采用了簡化的WAMS通信規約， 僅傳輸數據幀， 數據幀是 PMU的測量結果，傳輸的測量量遵循幀傳輸次序表。

3 主要功能展示

3.1 電壓穩定監視

為了實時監控系統的電壓穩定性，軟件具備指標監視組件，通過點擊系統監視，然后單擊指標監視，即可彈出監視窗口，通過柱狀圖直觀反映系統的穩定裕度和穩定狀態。本設計定義了4種穩定狀態，分別是正常運行狀態、裕度偏低狀態、警戒運行狀態和臨界狀態，電壓穩定性也依次降低，以 2D 柱狀圖或 3D 柱狀圖顯示，如圖4、圖5所示。

3.2 數據庫

圖4 2D 顯示指標狀態

圖5 3D 顯示指標狀態

圖6 母線參數監視

基于 WAMS的系統可以實時獲取系統的動態信息，并且能夠在發生故障時記錄故障前后一定時間的信息。 設計添加了 PMU 數據庫的功能，使操作員能夠隨時查看歷史動態信息記錄。采用VC++的 DataGrid 控件與 ADO 控件， 通過 Access數據庫實現 PMU 數據庫記錄功能以及事件記錄功能，如操作員登錄、越限信息和遙控信息等。

3.3 母線監視

點擊系統監視按鈕，選擇母線監視，即可彈出各母線電壓相角監視圖，如圖6所示，操作員可以實時監控母線參數的變化，如果有異常，可以盡早做好預防。通過設置按鈕可以設定母線電壓的限值， 默認情況下上、 下限分別為1.05 和0.95。

4 結語

電力系統電壓穩定在線監控系統設計了WSCC 3 機 9 節 點 仿 真 系 統 模 型 ， 利 用 MATLAB電力系統分析工具箱 PSAT 的仿真計算結果作為模擬 PMU 得到的同步相量數據， 然后通過簡化的PMU通信規約將該數據傳送給電壓穩定監控系統。監控系統將接收到的通信報文解釋成各個數據量后，對數據進行計算和處理，得到就地電壓穩 定 指 標 IZ， IUP和 IdU， 并 根 據 指 標 是 否 越 限 來 判定系統的電壓穩定程度。當系統的電壓穩定程度不滿足要求，即指標越限時，監控系統彈出警告對話框并提示可行的操作， 包括 SVC 投切和切負荷等，當指標嚴重越限時，監控系統發出警報。通過仿真計算和軟件演示，驗證了就地電壓穩定指標的有效性和監控系統的實用性，結果表明，該軟件設計合理、算法正確、可靠性高、使用便捷。

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[3]熊 志 金 ， 陳 三 寶.基 于 嵌 入 式 Internet 的 電 力 系 統 在 線監 控 系 統 設 計[J].電 子 設 計 應 用 ，2003（9）∶49-51.

[4]傅旭，王錫凡.電力系統靜態電壓穩定性在線監控（二）—一種在線確定負荷裕度的方法[J].電力自動化設備，2005，25（9）∶25-28.

（本文編輯：徐 晗）

Design of Online Monitoring System for Voltage Stability in Power System

PAN Shao-hua
（Xianju Power Supply Bureau，Xianju Zhejiang 317300，China）

The online voltage stabilitymonitoring software achieves the basic functions ofwide areameasurement system， such as data display， remote control， database， event log etc.On that basis,the Matcom software is used to apply the powerfulmatrix calculation function ofMATLAB to the VC to achieve voltage stability index calculation in order to perform the power grid voltage stabilitymonitoring.

voltage stability； wide area measurement system； synchronized phasormeasurement unit； local voltage stability index；voltage stabilitymonitoring

TM714.2

： B

： 1007-1881（2011）12-0016-04

2011-10-21

潘少華（1968-）， 男， 浙江黃巖人， 工程師， 從事電力系統及其自動化工作。