基于PMU的电力系统稳定的探讨
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摘要：PMU技术和电力系统高速通信技术发展到今天，实时、可靠地传输异地的电气量已不再困难，本文基于以上技术介绍了PMU在电力系统中的运用。
关键词：PMUGPS继电保护
0 引言
PMU系统能够以较高的数据采集速率获得比电力系统传统数据采集系统多的数据，而且这些数据还带有同步精度很高的时标。这就意味着控制中心(中心必须配备WAMS或升级SCADA使其可以处理PMU数据)可以获得更加丰富的实时信息，使原来很难完成的一些任务，比如实时在线监测系统稳定运行状况成为可能。更加准确和快速地对电网运行状况进行监测，及时作出控制反应，可以增加电网运行安全性，压缩运行时的安全裕度，提高电网输送功率。基于PMU的监控系统所具备的这些诱人特性使其成为各大公司和学者注意的焦点，值得我们关注。随着GPS(全球定位系统)全面民用化及计算机技术、网络技术和快速通信技术的发展，PMU (向量测量单元)在电力系统获得了广泛应用，它可以根据GPS提供的高精度时钟构造全网一致的同步参考相量，从而实现系统内任意节点之间的相对相角测量，实现全网数据的同步采集、实时记录、远距离实时传输及对数据的同步分析处理，并在此基础上得到电压、电流向量这些反映系统运行状态的重要参数，从而在时空坐标下动态地监测电力系统运行状况，弥补了现有SCADA系统和故障录波仪的不足。由于系统的任何变化均可反映在量测的同步相量中，广域相角测量技术的出现打破了传统系统控制的死区，为电力系统广域保护系统的建立和完善奠定了基础。本文主要针对电力系统相关领域中基于PMU的应用研究情况展开综述，主要介绍PMU在电力系统动态、电力系统稳态、二次保护等领域的应用研究情况，以期对该领域的研究工作有所促进。
2 PMU技术简介
PMU是一多功能信号采集系统。它能实时测量电压相角、电压和电流，作有功的实时计算，将数据帧送调度中心。PMU的典型结构见图l。它的基本原理是：GPS接收器给出lpps(1pulse persecond，每秒1个脉冲)信号，锁相振荡器将其划分成一定数量的脉冲用于采样，滤波处理后的交流信号经A／D转换器量化，微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。对三相相量，微处理器采用对称分量法计算出正序相量。依照IEEE标准1344．1995规定的形式将正序相量、时间标记等装配成报文，通过专用通道传送到远端的数据集中器。数据集中器收集来自各个PMU的信息，作为全系统的监视、保护和控制的数据。
相量是交流电路分析中的基本工具，PMU提供了系统的电压、电流相量和频率、功率等测量值并在这些测量值上打上了GPS时标。相量测量的关键在于相角测量，相角测量的关键又在于获得一个全系统统一的同步时钟，这个时钟靠GPS来提供。借助于这个同步时钟，在各个厂站建立一个以工频旋转的参考相量，厂站测得的相量相对于这个参考相量以绝对值的形式传送到控制中心，控制中心获得各站数据后利用参考相量信息就得到了各个相量测量值的相对相位关系。
3 PMU在电力系统稳定控制中的应用
3.1 阻尼控制
互联电网的规模越来越大，远距离功率传输的容量也日益扩大，使得低频振荡问题日渐突出。要抑制低频振荡，保持系统的动态稳定，首先必须对低频振荡的模式等有深入的了解。传统的经典低频振荡分析方法是特征值分析法，只能适用于离线分析。而电力系统的振荡模式总是随着运行条件的改变而变化，离线获得的结果并不能保证在线计算的精确性。传统的稳定控制装置均是采取就地信息进行控制，随着电力系统的不断扩大和复杂化，这种分散就地控制的缺陷日益显现：缺乏全系统的信息，分装在不同点的装置之间不能相互协调，在严重的情况下甚至不能有效地实现稳定控制。而完全由一个控制中心实现全局的集中控制，相对于电力系统的大规模、分散性、多层次、地理分布广、暂态过程快的特点，也是较困难的。
3.2 暂稳分析及控制
稳定破坏是电网中较为严重的事故之一，大型电力系统的稳定破坏事故，往往会引起大面积的停电，因此快速、准确的暂稳分析及控制对于防止系统的稳定破坏意义重大。现有的暂态稳定分析方法按其采用的系统模型情况，大致可以分为三类：一是经典的时域仿真法，或称逐次积分法，需要考虑系统的精确模型；二是经验型预测方法，这类方法无需考虑系统的物理模型；三是介于前两者之间的考虑系统简化模型的分析方法，例如直接法等，这类方法通常都采用了合理的系统简化模型。经典的时域仿真法是一种可靠的暂稳分析方法，可以精确地考虑各种复杂模型。但是其计算量很大，计算速度慢，且不能给出系统稳定裕度的定量指标，在现有技术条件下还较难应用于电力系统的在线稳定分析。而经验型预测方法和考虑系统简化模型的分析方法，前者不考虑系统模型，后者采用简化的系统模型，这样就大大减少了计算工作量。提高了暂稳分析的速度；再结合PMU装置提供的快速广域同步量测数据，有望取得较好的在线应用效果。
3.3 PMU在电压稳定中的应用
电压稳定的指标的发展也还处于一个比较不完善的阶段，虽然电压失稳是动态过程这一结论已经得到公认，但现在得到应用的指标都是静态指标，计算量大速度较慢，应用范围受到限制。PMU和WAMS的出现使人们看到解决问题的希望，因此近来有很多学者对此作了大量的研究。利用PMU信息构建的电压稳定指标本质上也都基本属于静态电压稳定指标，因为这些指标大都是以功率传送极限作为电压稳定的临界点，围绕PV曲线及潮流解在临界点附近的性质来提出的。究其方法基本都是基于阻抗解析的，主要研究如何将系统等值成戴维南电路即如何确定等效电路的参数，如何处理节点负荷，然后分析等效电源内阻和节点负荷阻抗之间的关系。对基于阻抗解析方法分析电压稳定性作了深入的探讨，文中将负荷阻抗的变化分为两类，一为由于用户投切用电设备等引起的阻抗模值的变化，另一为节点负荷自身非线性引起的第二类变化。静态的分析只考虑第一类变化而忽略由于电压变化而导致的第二类变化。作者用负荷节点的ZL--V特性取代P―V特性，节点Z--V特性和负荷Z―V特性交互作用决定新的平衡点(两条曲线的交点)，并由此得出了两条曲线在平衡点附近的特性.但在负荷紧张的情况下，和被观测节点相连的节点可能由于发电机无功越限而变成PQ节点等原因，对该节点提供无功支持的主要节点不是临近节点反而可能是原先的外层节点，所以必然会在负荷紧张的情况下获得不正确的结果。
3.4 二次保护应用功能
现代电力系统日趋复杂，对二次保护的要求也越来越高，主要表现在以下几点：1)需要动态的测量和描述事件；2)必须在保护设计中引入广域系统的观点；3)需要对保护动作进行协调和优化；4)要有处理连锁故障的能力。而传统的保护装置显然无法适应这些要求。因此，必须引入以同步动态量测数据为基础的广域保护系统来适应这些要求。直接利用广域信息完成继电保护功能是当前该领域的研究方向之一。
4 结语
PMU的出现为电力系统稳定控制增添了新的活力。基于PMU的电力系统的研究，是近年来电力系统研究的热点课题。可以预见，随着研究的深入，PMU的广泛应用将使电力系统的运行推上一个新的水平。
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