WASC-广域稳定性和电压控制系统

特邀论文作为技术背景，回顾了经常使用的前馈广域断续电力系统稳定性控制。通过在线实例，展示了一种新型反馈广域稳定性和电压控制系统。这种系统运用有效的不连续动作对电力系统的稳定进行控制。这种控制系统包括变电站的相量测量，光纤通信，用来切变电站和发电厂的输出信号。最后，展望了WASC未来的发展趋势。WASC会成为防止电力系统中断的柔性平台，并可以推动电力的商业化进程。关键字：断电的避免，紧急控制，相位测量，电力系统稳定性，不稳定极限环，电压稳定性，广域测量和控制。I引言波特兰BPA实验室，CiberInc.,Beaverton实验室和华盛顿州立大学（普尔曼）在设计和实施一种广域稳定性和电压控制系统（WACS）。在WACS柔性平台上，可以提供切机快速解决方案以及对大型电力系统的暂态稳定性和电压提供无功功率补偿转换。其要点是：同步正序相量的测量，500-kV变电站的数字光纤通信，一台运行G语言程序的实时控制计算机，用来切机和500-kV电容器/电感切换的输出信号通道。WACS软件平行地运行两种算法。作为技术背景，我们先看一下目前广泛使用的紧急控制系统SpecialPretectionSystems(SPS)。SPS根据的是对预设的开断的直接判断，运用输送到控制中心的高速二进制信号进行逻辑判断，然后进行发电厂和变电站的切机和电容器/电感转换操作。SPS的缺点是单纯根据预设事件进行控制，而且比较复杂，相关成本比较高。对比SPS，WACS使用传感器来反应电力系统对扰动的响应。WACS提供单一间断稳定性操作或真实反馈控制。作为真实反馈控制，需要以下条件：判断是否需要间断稳定性操作，对电力系统响应的观测，诸如切机和电容器转换等后续间断操作。WACS也可以发电机和电力电子装置传输电平的广域调节控制，也可以作为控制中心的警报和监视。下面主要讲述WACS的优点和用大规模仿真来显示在大扰动下WACS主基面稳定性。我们还将进一步阐述WACS的设计（测量、通信和控制）和初始联机实现。在线测试结果考虑了GPS跟踪变电站测量和控制计算机对GPS信息的接收所带来的通信延迟。II电力系统稳定性控制很多书和文献（如文献1～5）都描叙了电力系统稳定性控制，如文献6描述了间断控制，是早期的方法，但仍然很有价值。图1显示了电力系统稳定控制。电力系统的稳定包括了同步电机组的电磁稳定（功角稳定）和负载变化对电压变化的影响。RMS型的传感器一般用于测量电压频率在50HZ～60HZ的电压波形的电磁振荡和各种各样的电压幅值缓慢变化。除了考虑传感器滤波外，电磁暂态现象一般不考虑。在发电厂许多稳定性控制是连续的反馈控制：自动电压调节器，发动机的自动励磁装置，转速调节器。控制器是单输入单输出器件，使用经典的反馈控制方法。传输电功率的电子器件也是连续控制，如静止无功补偿器，但是它们对于无功补偿和甩负荷是间断控制。全域安装稳定控制器主要是基于检测指定处的损耗，这种控制装置叫做SPS或者叫做动作式矫正装置。我们将在第四部分讨论这种装置。现在最先进的全域测量控制装置还很少应用在实际。我们将在第4和第5部分讨论目前在工程实际中使用的控制装置。间断控制可以使瞬时故障点平稳运行，或提供平衡运行点，间断控制可以对连续控制起到补充的作用。连续控制可以使电力系统运行在很小范围的非线性区域内。显然，全域前馈控制，反馈控制，连续控制，间断控制等对于提高电力系统的可观测性和可控制性就有潜在的巨大作用。III美国西部的电力系统第六部分的图8描述了美国西部电力系统的接线情况。东部和西部电力系统是通过高压直流输电变电站连接到一起的。长距离输电电压等级一般为500kv,,345KV,230KV。有两条500kv高压直流输电线路：分别为从哥伦比亚到洛杉矶的容量3100-MW长1360-km的太平洋高压直流输电和从犹他到加利福尼亚容量1920-MW长787-km的线路。火电厂在东部和南部小地区占主要大部分。加利福尼亚的发电厂则以烧媒和汽为主。在春天和夏天，有良好的水资源条件，大量的水从PNW流到加利福尼亚，从东部（有很多媒发电厂）流到加利福尼亚。太平洋区的加利福尼亚直流输电包含三组电容器组补偿500kv的功率，输送4800MW的功率给俄勒冈州和加利福尼亚的线路。潜在的干扰限制超大规模功率输送和暂态稳定性。潮流计算包括超过10000个节点，要解超过20000个非线性代数方程。而电磁暂态稳定又有数千个方程。在定义好的多个功率极限，主要的灵敏度在仪器（列线装置）中显示。一部分列线图的界限受电磁稳定，短暂的阻尼振荡，过电压扰动限制。IV前馈全域稳定控制运用广泛的SPS可以减少电力系统中单端或多端的损耗。相比于传输线的价格和架设难度，SPS费用更少，架设更容易。当传送的功率增大时，SPS的损耗不会随着增大。在BPA里面模拟了各种各样的扰动情况。数千万美元已经投入到实际工程里。在实际控制里，很重要的一项是控制传输时的网损和生产电能的损耗。太平洋区的50条500KV的高压线路的网损控制是最复杂，难度最大之一。故障的可编程控制在BPA的两个控制中心：一个在portland，一个在Spokane。其中一个最重要的控制是水力发电厂的PNW波的平稳传输，它们很容易控制也容易得到反馈的信息。发电厂在输送PNW到加利福尼亚的机端和西南的发电厂息息相关。可以节省太平洋网和高压直流网超过2700MW的功率。还有另外的控制手段，在500KV线路并联电容器组，拆分BPA500KV的电容效应。控制损耗约在150MS之后，这个延迟时间包括探测时间，信号到逻辑控制的时间，数字计算机的时间，和断路器的熔断时间。SPS的通讯信号速度用的是与传输电一样的速度去隔开短路电流。在BPA这些主要的频率高于微波的频率。新的控制系统用数字模拟器或同步光纤网联络数字微波。结果SPS的故障可以大范围的消除。控制器不像传输线路那么难控制，必须经过高精度的设计。有很多的冗余问题在探测中，通讯，数字计算机必须考虑，在BPA中更加复杂。BPA有专门的算法解开和在线监测许多电路方案。除了复杂性外，预先计划控制的缺点就是故障会发生在我们事先没有考虑到的地方，这也许会来源于与其关联在一起的电力系统。V反馈式广域控制稳定性反馈控制可以对任意的干扰作出响应。控制器可以使连续的或不联系的。稳定性控制用的不是新信号，是从全域控制中来的信号。在1976年，BPA调节器用的是太平洋高压直流网的有功功率而电流信号来自很远的与太平洋网并联的交流线路。连续控制的电磁振荡在PNW发电厂和太平洋西南的发电厂之间。振荡周期为3S。其中使用微波模拟通讯和模拟控制，调节器是是单输入－四输出的，输出的有功功率和无功功率在北部俄勒冈州和南部的接近洛杉矶的高压直流输电端。调节器是不连续的。Fig.2配电控制中心A：综述虽然有多种类型的有效值检测器可供选用，对于大面积控制来说通常使用文献【4】、【5】、【14】介绍的GPS同步正序相量检测法。“正序”是指将一组不平衡的三相电压或电流由对称的正序（这里的正序指一组幅值相同、互差120度、相位旋转正常的电压或电流分量，见【5，ch.8】）、负序、零序分量来表示。在没有短路故障或单相停电的正常情况下相电压和电流与正序电压和电流几乎相等。有几家制造商提供相量检测仪。通常都会提供多种三相电压和电流检测通道。这些检测仪计算出正序电压和电流分量并且每两个周期标出GPS时间，更新的此类设备则每个电网频率周期标记一次（对60Hz系统数据率为30或60Hz）。同时根据GPS提供的精确时间及频率基准计算系统频率与额定频率的偏差。设备需要兼顾响应速度和滤波。相量测量分成若干组，将数据包传输到中心站，中心站接收来自不同测量点（子站）的数据包并根据它们的时间标签【15】，【16】组织起来。“相量数据集中器”（PDC）的输出通过网络传输至监视和控制设备（图2）。这些装置可以根据电压和电流的相量来计算有功和无功功率。随着IT比如子站自动化的进展将来相量测量将越来越普及。作为子站其它测量如继电保护测量【17】的一部分，相量测量有可能只需低廉的费用即可实现。网络化的相量测量是BPA/EPRI/西部电力管理局的大面积测量系统（WAMS）【5，Ch.11.8】计划的关键一部分。WAMS对电力系统特性、监测、控制中心状态估计以及由于大停电等造成的干扰的系统的动态分析都是非常有用的。Fig.3WASC模块示意图B.持续性广域控制持续性广域控制有可查性和可控制性得优点，而这正是传统得局域控制的缺陷。可能性包括“广域电力系统稳定器”[19]与对高压电力电子器件的控制，诸如高压直流输电，晶闸管控制的电容器和静止无功补偿器。广域控制对于特殊系统结构具有很好的作用。远方信号可以通过局域的测量增强控制性。由于增强了的控制杠杆作用和持续的反作用，对于局域控制的检查是必不可少的。通讯反映时间是其中之一，对于振动的动态机电仿真是其二[20][21]。这些可能包括传感器对之前信号的处理例如电网谐振现象的混淆发电机轴受到动态扭曲。水电站蓄水容量的波动会产生机电振动。对控制的额外的监控和监督是必要的。C.离散广域控制相对于连续控制来说，离散控制是更安全的——其只在必要时才产生动作。离散控制与响应必须高于生效界限的生物系统具有相似性。与前馈式控制相似，反馈式离散控制可产生一个相当大的稳定效果，可以减少压力以提高阻尼振动性和产生对于故障后更加安全的操作点有吸引力的更大的区域。我们接下来会对一个特殊的广域离散控制的发展和证实进行描述。VI．广域稳定性和电压稳定系统A．概要图3展示了广域稳定性的电压稳定系统的实物电路图。用现有的相位测量技术用于输入，对输出电路应用现有的SPS转换解口电路。其升级形式是实时控制器。基于1996年8月10日的崩溃事故，BPA的初始理念是把大量的电压测量方发与发电机无功测量方法用模糊逻辑的方法合成。它的前提是发电机的无功测量是一种比电压等级更加灵敏的探测器——电压可以在正常值附近波动而发电机无功输出是在预测失稳极限的情况下。而用WAU展示的R＆D表明，基于电压等级的控制对于暂态稳定来说是一种更快和更简单的方法。两种方法现在均在使用。最近的实践表明Vmag和VmagQ算法具有相同的速度，这是由于进来在两座大型电厂中对低速旋转电机配有现代晶闸管触发的励磁绕组装备的替换。文献[23]-[25]分析了当前的WACS的研究成果和发展。对七条500kV变电站的十二个电压幅值的测量方法被使用。两个电站是在俄勒冈州和加利福尼亚州的边界，一个是在俄勒冈州的中央，三个是在俄勒冈州北部或华盛顿州北部的哥伦比亚河附近。十五个无功发电机测量法在位于哥伦比亚河附近的五个发电厂换流站中使用。该水电站注入分别具有十八，十六和十二机组的BigEddy,JohnDay和Mcnary。四个机组中有两个与从发电厂至换流站的使用相位测量的传输线相连。我们设计WACS可以使对于单个位置或多个位置的测量之间少的控制性能。在广阔空间位置的测量方法提供个一种时空的平均作用或是一种对上文涉及到的混淆影响的过滤作用。时空过滤与离散控制一起作用使相位测量的需求更侧重于响应的速度而不是过滤的安全性。B．控制动作允许时间对于第一摇摆周期的暂态稳定性，控制器必须在先前基面角波动峰值到来之前动作，而且动作越快效果越好。对于在三分之一自然频率的非阻尼动态系统下，这一阶段的响应波峰会在1.5秒时达到。该触发响应波峰在0.75秒达到。大多数的扰动都接近于一种阶段性的响应而非一个触发尖峰（在极端的三相短路故障下接近一个触发尖峰，但是如果切除故障线路就会产生一个阶段性的响应）。当前Pacific电力网的频率模式是在0.25秒左右（4秒每周期），其为控制动作提供勒较多的时间。这种振荡频率甚至对于高压操作来说慢。对于暂态的频率，控制动作仅在一秒钟之内完成，尤其是对于较弱的电容器或是再反映切换器。相位测量、光纤通讯、包括对迟缓到达信息包等待时间的配电网流量、切换操作和断路器跳闸（发电机和离响应堆）或是合闸（接入旁路电容器）的延迟时间分别是3，2，2，1与周期分别是2－560Hz，或是跳闸十个周