基于GPS同步相量的电力系统暂态稳定预测控制

基于GPS同步相量的电力系统暂态稳定预测控制时伯年、崔文进、吴京涛、韩英铎、黄志刚2（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.澳门大学，澳门，中国）量的电力系统暂态稳定控制的实现前提和理论模式。分类综述了国内外在利用GPS同步相量技术研究电力系统暂态稳定实时控制方面的研究成果：基于简化模型、同调组法、角度曲线外推法、能量函数法和人工智能法等；总结了GPS技术与电网稳定控制结合的多种途径；并提出了基于同步相量实现电力系统的区域暂态稳定控制是GPS应用于电力系统的*高形式，*后提出轨迹分析和数值计算相结合的在线安全稳定监控理论框架。

20世纪90年代以来基于全球同步卫星定位系统（GPS）的高精度定时技术逐步被引入电力系统。由于利用GPS提供的高精度时钟实现对电网运行数据的实时同步采集，并可在此基础上得到电压相量这一反映系统运行状态的重要参数，在系统实时监测和控制方面具有巨大的潜在应用前景，因而受到各国电力系统运行和研究部门的高度重视1995年后国外出现大量有关利用GPS实现电网动态过程监测8高精度故障定位11的报道1996年后我国首次在黑龙江东部电网实现GPS同步相量监测系统*近新投入的故障录波设备也都必须配有GPS同步时钟信号。但是，90年代初期预想的GPS在稳定控制中的大规模推广应用并没有出现，这期间仅有少量研究论文发表，实际投运的控制系统很少。GPS稳定控制应用的低谷来自两方面原因：1）基于GPS的稳定控制只有针对多机大系统才能发挥其优势，而多机系统稳定控制方法一直没有形成一套快速、有效、系统的理论体系，目前各国的电力暂态稳定在线控制的研究许多是基于在线预决策或暂态安全分析（TSA）的框架，而没有在利用GPS同步监测系统提供的相量信息上有所突破；2）电网暂态过程持续时间短，要求稳定控制系统的反映速度不得超过1s，有的甚至必须在200ms内完成从数据采集到控制措施完成的过程在如此短的时间内集中各地的数据，要求有高速数据通信系统的支持，而当前多数电力系统的数据通信速度还停留在9.6kb/s以下，难以发挥全网同步数据的优势*近，随着世界范围内计算机网络和数字通信技术的进步，廉价高速计算机和高速数字通信技术正在逐步替换电力系统陈旧设备，国内各大电网都在加紧光纤通信网的建设可以预见，当数据通信延Keywordspowersystemtransientstability；PublishU时I伯年s（汉t江办h博士研究生。cnki.net时伯年，等：基于GPS同步相量的电力系统暂态稳定预测控制细的应用报道，其其它。都处于理论研段潘shing也有学者提出sbookmark3迟仅有今5ms时，硬件技术己经不是障碍，而暂态稳定控制理论研究的滞后问题将进一步突出本文将对1990年至今GPS相量测量技术在暂态稳定控制中的研究和应用做一简要介绍。

1问题的定位利用GPS同步相量实现安全稳定控制是一种在系统受到严重扰动后以实时综合异地输出量（电压、电流相量，功率，保护信号等）形成控制对策为特征的事后型安全稳定控制丨仅依据事前分析或仅依据控制站本地实测输出量的控制对策并不需要GPS同步相量测量系统的支持。

因此，基于GPS同步相量的稳定控制系统应该至少具备以下特点：1）控制系统的输入量至少包括电网交流量的角度信息；2）控制对象必须是电网的暂态过渡过程或中长期动态过程，其中由以暂态过渡过程的控制*困难；3）必须进行异地瞬态数据综合；4）必须能度量稳定性；5）可以考虑其它常规控制措施的影响。

实现该控制方案必须有两方面的支持：技术支持一一包括数据通信（异地数据通信，必须保证通信延迟小于工频周期，保证扰动信息实时集中）、暂态过渡过程中的数据辨识技术和数据同步技术等，在这方面己经有了相当多的研究和实践；理论支持一一多机实时稳定控制理论，必须兼备稳定预测功能和控制对策优选功能基于GPS相量测量技术的稳定控制方法与其它控制方法的主要不同是它可以实时得到电网的状态量，即可以得到实际系统精确模型的历史数据和当前轨迹难点是如何根据历史轨迹判断未来轨迹的稳定性，如何根据稳定判断结果优选控制措施考虑到GPS暂稳控制的实时性要求，轨迹判稳和控制对策计算不能依赖于求解电网的复杂模型。但由于得到多机系统的轨迹解析解几乎是不可能的，国内外研究工作的重点便转向对电力系统稳定性的近似计算方法的研究上目前己有的各种计算方法将在下文逐一讨论。

2暂态稳定预测控制理论研宄己有的研究多侧重于稳定性（或不稳定性）的预测，少量文章涉及到控制措施的选择预测方法包括基于详细模型的预测、基于双机等值的预测、角度外推预测；控制方法有基于等值双机模型的控制、能量函数的控制等。其中，仅双机模型法有较详2.1详细模型预测法这类方法直接利用电力系统的详细模型，通过逐步积分法预测系统的运动轨迹由于逐步积分法的计算时间长，所以必须适当简化电力系统的模型，以提高计算速度。

比较有代表性的是分段恒流等效（pccle）方法基本思想是：用当前时刻的测量数据预测未来一段时间内系统的轨迹，在发电机角度变化的微小邻域内假定负荷为恒流源，当发电机角度超出限界时，更新负荷的等效恒流源它利用实测的电压向量作为输入，用解耦潮流计算法求解等效负荷电流，用四阶Runge-Kutta方法计算转子二阶微分方程新英格兰10机39母线系统仿真计算比较表明：当角度邻域为10*以下时，PCCLE的计算时间小于2.2同调群双机群等值模型）预测控制法这类方法首先把实际电网的机组分成同调群，然后预测同调群的稳定性如果只系统机组*终等值成两机系统，则可以依据等面积定则快速选择控制策略这类方法的前提是电力系统在暂态过程中的失稳模式可以归结为双机模式，但是，研究实践表明该失稳模式不具有普适性，即使相同的电力网架，在运行方式变化时其失稳模式也是变化的因此双机等值方案只能是特例研究的成果。

组，然后用低阶模型等值同调组，等值模型根据相量测量结果不断更新该方法可以预测未来d5s的系统动态轨迹通过在新英格兰10机39母线系统的仿真计算表明当用两机系统等值时，CEI方法能够比较有效地做到对失稳情况提前报警，同时我们注意到，仿真结果表明采用3群或4群同调组划分的预测结果并不比双机分群的预测结果妊另外还有为自适应失步保护提供出口动作启动条件的稳定预测方法它首先把系统等值成双机系统，然后利用安装在两个区域间联络线变电站的相量测量单元（PMU）测量的电压电流相量推算等值机的运行状态，再利用等面积法则（EAC）判断系统的稳定性，当发现系统失去稳定后该装置可以分离失步区域。

其不仅可以提高信道的可靠性，还可以提高通信的暂态稳定的快速预测。其主要特点是为了了得到丨预测速度同时，随着计算机微处理器速度的提高-机参数，利用EAC决定切机控制量2.3角度曲线外推预测控制法这类方法主要是在实测相角曲线的基础上利用自回归（AR）、多项式或频角关系等预测相对角度的轨迹，然后以角度大于某一限制值或依据预测模型的稳定性判断系统的稳定丨性这类方法的误差随预测长度的加变大，且在暂态初期，轨迹变化较剧烈时，其预测精度更难保证角度判稳的标准大多是根据特定系统的仿真计算统计得到的*大相对角，其正确性缺乏理论证明。

文根据研究对象相对角度为近似衰减的正弦信号的特点，构造相对相角预测算法，其数据可以预测未来200ms的轨迹文构造发电机和点的频率与角度差的复合外推关系式，根据发电机的动态方程估计切机量，控制转子角小于给定值。文能量函数法在系统不满足双机失稳模式时失效机的能量，提出用PMU检测发电机的转速k的*大数值，并和转速坎值比较决定切机量其转速坎值k是根据能量函数理论通过离线仿真求得的文中只是研究特定电厂是否应该采取控制措施，没有研究如何选择控制量。文利用角度曲线外推法和势能边界法判断系统的稳定性2.5智能预测法这类方法基于实时预测的快速性考虑，采用模式识别、神经网络和模糊推理等人工智能手段实现模型的参数需要进行大量系统化的离线计算生成训练样本，然后用非样本集检验决策模型的正确性这类方法从本质上和传统的对策表方法是一致的，都存在离线计算结果不能完全与实际运行方式一致的问题，只是前者使用了更加系统化的方法构造对策表，且有一定的内插功能，但是它并没有从稳定的机理上深入研究，这也是电力系统研究复杂性和运行经验性的一种折中方向有代表性的方法是决策树法，文通过对不同运行方式（固定的和随机构造的运行方式）和不同故障（地点，持续时间）的上万次仿真计算，仅使用机组的内电势角度作为输入，针对不同训练机集组合构造多个决策树。随着训练集的变大，决策树的接点树和深度也相应加另外还有神经网络法，文。

线路故障定位|J|.电力系统自动化，1998，测距技术及应用|J|.电网技术，1998，统的研究与开发|J|.清华大学学报，1997，37（6卜态稳定性预测和控制|J|.电力系统自动化，1998，22（6）：1卜华北电力大学，1997.的相角预测|J|.电力系统自动化，1998，清华大学，1991.稳定性预测丨J|.中国电机工程学报，2000，（上接第311页）4）由仿真和实验可知，使电机效率*高的压频比曲线基本上是一条直线，而目前用于风机的通用变频器的压频比曲线基本上是按指数规律变化的，并不能使电机效率在调速运行范围内都达到*高。所以，现在应用于风机的通用变频器的压频比曲线需要改进在某一频率下电机效率*高点的电压可通过仿真或实验来确定