广域测量系统功能

WAMS为电网实时动态监控提供了信息平台，可以进一步对互联电网的动态过程特性进行分析和评估，辨识系统的失稳现象，向调度运行部门提供预警、预防控制的在线决策和紧急控制决策，提高电网安全运行水平。概括起来，基于广域测量系统的关键技术的研究内容包括系统监侧、系统分析以及电网稳定控制等方面。

1）在线低频振荡分析

随着电网规模的不断增大，负荷的不断增加，互联区域低频系统振荡成为了电力系统一个越来越严重的问题。WAMS的在线低频振荡分析功能可以在线跟踪此类现象并主导一个深入分析调查。首先，“振荡检测”功能扫描敏感动态信息，如联络线潮流和相应发电机相角，用以检查是否发生振荡。如果发生，改进的Prony算法将精细分析所获得的振荡详细信息，包括频率、阻尼系数和相关发电机和母线。同时主站将发布信息探查全网扰动记录。分析结果和记录的数据最后被存储在数据库并报告给调度员。

2）混合系统状态估计

该功能包括了以传统SCADA/RTU为同步向量测量手段的动态检测功能和改进速度和精度的状态估计功能。传统算法被适当地用于修正所获得的混合系统状态估计结果，该法能够兼容不同种类、不同精度和不同更新速度的测量技术。

3）在线紧急控制计划预决策

当电力系统发生大扰动的紧急状态，紧急控制将启动各项应对措施。由于响应必须很快，在几十毫秒至几百毫秒内作出反应。WAMS的该项功能中，能够在所获数据中迅速作出稳定估计，并通过广域通信系统将控制计划传递到本地控制装置。控制动作的数据将被保存，并被用来确定预决策系统过程的有效性。

4）电力系统相角稳定预决策和预警

在WAMS中，电机转子相角和母线电压相角都被直接同步送至检测系统。此外，这些相角数据在频率50Hz附近或者稍高。这样主站对整个网络有同步和动态的全局观，帮助稳定整个系统。改进的先进算法在本功能中利用相角数据来评测和预报观测系统的转子相角稳定性。

5）在线扰动辨识

传统扰动辨识方法无法实时处理系统故障。WAMS能够收集实时信息，实时监测扰动情况、辨识并处理扰动信息。考虑到PMU无法包含所有节点，精确辨识和位置确定不能够完全实现。WAMS在此情况下将会把扰动稳定和大致区域的列表传递给调度员，以便调度员采取下一步措施。

6）动态电压稳定监测

在EMS系统中只有静态电压分布信息能够取得。但是在WAMS中，系统能够提供一整套动态电压信息，这对于电压暂态稳定的详细监测有很大作用。

WAMS的该项功能应能检测长期和短期的电压升降。

7）模型/参数辨识

精确的模型和参数辨识对电力系统分析和控制都十分重要。但由于极其庞大的电力系统元件和实时变化性，获取精确的模型和参数非常困难，尤其是负荷建模。WAMS利用广域和动态测量技术来辨识发电机、传输线、负荷和其他电力系统装置的模型和参数。由于可以在线同步采集单个装置的足量信息，所需模型和参数能更加精确。在我国东北电网的WAMS系统中，该功能的结果已和当地模型/参数辨识设备较接近。

8）仿真验证

在我国，电力系统操作调度和控制都是基于数字仿真分析，但其与实际系统的相容性仍有待考证。应能够根据采集的动态和暂态数据，分析仿真程序的仿真曲线与实际记录的曲线之间的差别，给出元件模型和参数的修改建议。

9）自动电压控制

由于WAMS系统可以采集到所有节点的电压、无功功率、无功发电机的信息，因此基于WAMS的系统应能够自动优化电压。

10）WAMS数据共享

由于我国电网实行分级调度——省调只管理省内220kV及以下电网，网调仅管理500kV电网，同一省网内的发电厂分别由省调和网调管理，造成省调自建的WAMS只能观察到省网内的220kV以下电网，大区电网WAMS仅能观察到本区网内的500kV骨干网架。我国各大区电网互连后，大区电网除关心区内运行情况外还应关心区域边界对侧、甚至相邻区域重要电源的运行情况，省网缺乏省内500kV骨干网架的动态信息，也不利于全面分析省内电网的动态过程。因此省调、网调和国调的WAMS应对重要数据实现共享。WAMS数据实时共享，可充分发挥广域测量的技术特点。WAMS监测的区域电网越广阔，WAMS技术的优势越突出。 2100433B

广域测量系统（WAMS）总体结构如图1《 广域测量系统结构图》所示。

广域测量系统由三大部分组成，即分布在各厂、站的同步相量测量单元、覆盖全网的通信网络和安装在调度端的相量数据集中器。

PMU基本功能是利用GPS信号对电压、电流同步测量，进行分析，提供频率、相位和幅值信息。PMU的测量原理是使用GPS信号对电力系统运行中的电压和电流进行采样，利用采样得到的相量，通过离散傅立叶变换求取基频分量。

相量测量必须同时测幅值和相角，而相角的测量必须有统一的参考时间，GPS精确的时间传递功能在PMU中得到了很好的应用。GPS接收器可以提供间隔为1s的脉冲信号1PPS，它是以秒为计时单位、精度为1us的国际标准时间信号，对于50Hz的工频量而言，其相位误差不超过0.018°，完全可以满足功角测量的要求。

较之传统的基于扰动检测的晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）系统，WAMS系统特点为：

①采用相对功角或角速度判别系统的暂态功角稳定性并实施控制策略，概念简单直观，较好地反映了系统的本质。对于所有扰动（包括区外扰动引起的暂态稳定性问题）均能正确响应。

②有望从根本上克服现有局部和分散控制系统的不足，实现全局的优化协调控制。

③它是一种基于直接响应的控制，直观方便，易于实现，有利于减少检测点，只需要在（发端）电厂和（受端）大系统母线上安装PMU，无须大量安装故障检测装置，而且还能较好地避免离线仿真与实际测量之间难以预知的误差所带来的控制失效。

相对于传统的SCADA系统，WAMS是一种能对电力系统动态过程进行监测的工具，尤其是它能够快速测量发电机的内电势、功角、角速度和母线电压等与发电机机电暂态过程密切相关的量，并能及时地将信息传送到中心站，为实现基于全网的在线安全稳定分析提供了平台。

不同于SCADA系统，PMU/WAMS提供的广域数据的特点为：

①带有统一时标的高速采样；

②高速的数据传输；

③可提供瞬时值及相位值；

④可提供暂态或动态响应。

WAMS将各广域量的时间断面对齐，可得到完整的系统动态曲线，既可用以校核模型和参数，也可从中提取关于电能动态质量和系统动态安全的各种信息。PMU数据作为SCADA数据的补充，有利于提高状态估计的精度，但必须在PMU测点的比例足够高时才有较明显的效果。

广域测量系统（Wide Area Measurement System，WAMS）技术的提出和研究可以追溯到1990年以前。在1996年8月10日的美国西部大停电中，基于PMU的监测系统因成功记录了在系统解列前相角增长使系统变弱的过程而备受关注。2003年的美加大停电极大推进了WAMS的建设，并促进WAMS应用研究成果向工业领域转化。

WAMS由以PMU为基层信息采集单元，位于调度中心的主站系统和满足两者进行信息交换的通信系统组成，相比传统的SCADA系统，WAMS系统的采集单元不仅由PMU替换RTU，主站系统功能增强外，对通信系统的要求更加苛刻。

由于WAMS的信息来源是PMU所采集的精确、实时和同步信息，所以WAMS具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，非常适合大规模电网调度。相对于稳态监测和控制的SCADA，WAMS可以看作它的进一步延伸系统。

主要包括电力系统同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）、相量数据集中器（Phasor Data Concentrator，PDC）、控制中心（Controller Centre，CC）以及作为数据传输基础的高速数据通信网络（Communication Networks，CN）等。WAMS可借助GPS等高精度时钟采集广域电网的实时状态参数，包括电气相量，再通过高速通信网络将分散的相量数据集中起来，得到电网全局统一时空坐标下的动态信息，从而实现对系统动态过程的实时监控，提高电网的自动控制和安全稳定水平。

广域继电保护系统广域继电保护系统的故障判别原理

在广域继电保护系统的应用过程中，故障元件的机制可以被看作是系统中的一个重要内容。从学者对这一问题的研究情况来看，一些学着认为这一系统中所应用的故障判别原理是对广域电流差动原理的一种表现。在这一技术的应用过程中，对广域电流误差和电容电流的问题的优化处理，对这一技术的自身价值的充分发挥，起到了一定的促进作用。还有一些学者认为，这一技术中的故障判别原理涉及到了故障电压分布原理等故障判别原理。这一系统在实际应用过程中的表现来看，智能算法在这一领域中的应用，对广域信息改善的可靠性的提升，具有一定的促进作用 。

广域继电保护系统广域继电保护系统中的其他技术问题

在这技术的应用过程中，信息同步问题、互操作性问题和风险评估问题等问题是系统中存在的主要技术问题。受到我国相关领域的技术现状的影响，在信息同步问题的处理过程中，我们目前只能通过GPS技术的应用，对这一问题进行解决。IEC61850信息标准的出台，对这一系统的互操作性问题的解决提供了一定的帮助。

同步相量测量技术可对广域分布电力系统的电气量进行实时测量,为大型电力系统的安全分析和稳定控制提供了新的契机。卫星授时、电力通信网络和数字信号处理技术的快速发展为同步相量测量技术的应用提供了必要的基础。文章介绍了以同步相量测量技术为基础的广域测量系统(WAMS)的发展概况,在体系结构、相量测量单元(PMU)分布、通信通道的选择、中心站功能设计等方面进行了分析。在回顾国内外WAMS工程应用情况的基础上,集中介绍了WAMS现有的在线监测、分析与控制功能,并展望了WAMS在未来电力系统闭环控制中的应用前景。2100433B

众多 对广域继电保护决策任务的划分方法进行了探讨，提出了集中式、分散式、分层区域式三种系统结构。集中式保护系统由控制中心进行决策，如图1所示，控制中心集中决策可

以做到系统全局最优控制，更能体现广域保护的优势。但是集中式结构对控制中心设备要求过高，因此必须配置备用的中心设备;而且大量信息的集中处理使得控制中心计算量大，并对通信系统的依赖程度特别高，通信系统的准确性、可靠性、实时性决定着控制中心的分析结果。分散式保护系统由各分散的保护终端SPT进行决策，如图1所示，各保护终端利用一定范围内的信息，通过相对简单的算法和判据，实现可靠、灵敏的系统保护功能。即使某个保护终端决策功能失效，邻近终端可以作为后备。分散式结构能较好地克服集中式对控制中心设备要求过高的问题。但作为分散式系统的决策单元，保护终端获得电网信息有限，分析和决策能力有限，因此分散式结构往往不能做到全局最优控制。分层区域式的保护系统由三层构成位于最底层的本地测量单元(Local Measure UnitLMU、位于中问层的区域决策层(Region DecisionUnit RD U)和位于最顶层的系统监控中心(SystemMonitor Center SMC)，如图1中（c）所示。LMU是用来采集电网实时信息或同时附带保护功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成数据采集以及保护控制功能，实现一个保护分区的系统保护;SMC对本地保护中心进行协调，实现安全防御计划。在分层区域式保护系统中，RDU与此区域内LMU通过光纤连接，正常运行时，监测本区域内LMU的运行状态，在扰动发生后，对LMU上传信息综合分析并作出相应的决策。决策作出后，一方面下传至LMU，执行闭锁或操作相应的断路器;另一方面将判断结果送至SMC } SMC负责实时协调和监控各区域保护系统。分层式系统中保护中心SMC根据下级单元的判断结果从逻辑上进行故障定位和全局决策，理论上能有效解决集中式广域保护中心计算量大的弊端，对通讯系统的要求也相应降低。

系统结构主要解决在哪里决策的问题。分散式结构是把数据分析和决策过程放在分散于系统各处的保护终端上，虽然能够解决集中式结构对于控制中心要求过高的问题，但是其决策能力有限;集中 式结构是在控制中心集中进行数据分析和控制决策，能够实现全局最优控制，在通信系统和控制中心分析决策能力能够达到要求的前提下，集中式结构是优于分散式结构的。集中式结构虽然功能强大，但是随着电力系统规模的逐渐扩大，保护系统需要的数据采集点增多，数据传输距离增长，对通信系统带宽和计算机运算处理能力提出更高要求。分层式结构结合分散式和集中式结构的优点，把大量原始数据的处理分散在各RDU进行，将大量原始数据传输限制在各有限区域之内，RDU把运算结果上传到保护中心SMC；SMC根据下级单元的判断结果从逻辑上进行故障定位和全局决策。分层式结构不仅能够解决集中式控制中心计算量大的问题，其对通信系统的要求也相应降低，而且还能够从系统角度进行分析和决策，实现全局最优控制，是集中式结构的改进和优化，因此分层式结构是目前更为合理的系统结构。

目前广域继电保护分层式结构是可以改进的，控制中心SMC除了接收区域保护RDU的判断结果外，还应当接收LMU中的部分电网信息，全面利用控制中心信息处理决策能力，更好地实现全局优化控制。例如在某个区域保护中，可以考虑将区域的边界点构成一个大差，大差中的信息处理及决策在控制中心进行，而内部的判别结果由下级判定结果上报。此外，笔者认为分层式结构还存在一些问题，比如说RDU和SMC的权限划分问题，当RDU的判断结果与上级SMC的判断结果不一致时，保护终端应该采用谁的决策结果才更为合理，这也是广域继电保护系统结构中值得深入探讨的问题。