电力系统频率监测管理系统

适用于智能电网的电力系统频率监测信息管理系统PowerSystemsFrequencyMonitoringNetworkApplicabletoSmartGrid肖登明教授上海交通大学电气工程系2013年9月一．研究背景二．国内外研究现状三．FNET的基本原理四．FNET的主要功能五．基于FNET的应用一、研究背景研究背景“十二五”规划纲要强调要进一步扩大西电东送的规模，发展特高压、大容量、高效率、远距离的输电技术，依托先进技术，推进智能电网的建设。大区电网的互联使得电网结构更加复杂、分布地域更加广泛、元件种类更加繁多、动态行为(如超低频振荡、振荡传播、暂态电压不稳定等)也更加复杂。电网正面临越来越多新的挑战,运行的稳定性分析和监测也显得越来越重要。研究背景我国电力系统长期沿用的是基于局部信息的电力系统控制和保护设计方法以及静态安全防御系统的构架。随着智能电网建设的深入，现有的技术将不能满足超大规模电力系统振荡抑制与控制、系统保护和动态安全防御的要求。要求有新的技术方法和新的技术手段。研究背景上世纪90年代，基于全球定位系统（GPS）的同步相量测量单元（PMU）研制成功。PMU是用于进行同步相量测量和输出以及进行状态记录的装置。主要的功能包括：①实时采集电力系统各节点相角信息；②实时记录电网运行状态；通过PMU，使得运行人员能够直接看到系统的运行状态，为系统状态估计、故障分析以及潮流计算等都提供了新的研究思路和方法。研究背景但是PMU成本过高，大规模推广难度较大：①PMU造价不菲；②必须安装在高电压等级的输电网中，通常安装在500kV主变单元内，安装成本高；③需要建设专用的数据传输通道；基于此，美国田纳西大学的刘奕路教授提出建立一个基于互联网的低成本的广域频率监控网络(FrequencyMonitoringNetwork，FNET)二、国内外研究现状国内外研究现状FNET始于2000年，初衷是建立一个低成本、高精度、实时同步并具有广泛适用性的电力系统广域频率监控网络。FNET目前由美国田纳西大学刘奕路教授（IEEEFellow）负责和主持，于2003年11月在弗吉尼亚理工大学启动，并于次年7月在美国12个地点安装了频率扰动监测装置（FDR）并挂网运行，取得了良好的效果。目前已经有接近200个FDR广泛分布于美国及全球各地。实现了对北美地区电网频率和相角的实时监控，为电网的安全稳定发挥了重要的作用。国内外研究现状图1.北美地区FDR分布图国内外研究现状图2.2013年3月10日由FNET测得的北美地区频率梯度图国内外研究现状图3.2013年3月10日由FNET测得的北美地区相角等位分布图国内外研究现状FNET的特点：①高精度的频率、相角、电压等电网运行数据的采集；②高速互联网桥接，数据可视化展示；③安装便捷，直接接入220/380配网即可实现数据采集；④可以像家用电器一样即插即用，无需额外的安装费用，成本低廉；⑤安装地点灵活选择，布置迅速，调整方便；⑥扩展性强，适用范围广；国内外研究现状相比于PMU组建的广域测量网，FNET有以下几点优势：①采用了新的设计思路和算法手段，大幅降低成本；②PMU需要通过电压互感器从高压端采集信号，FDR不需要，直接接入低压配网即可实现对频率数据的采集，省去了安装费用；③功能设置比PMU更加丰富，不仅能监测系统频率，还能监测相角、电压的变化；④FDR的测量结果比PMU更加准确可靠，更能实时连续的反映系统频率的变化情况；国内外研究现状(a)PMU经过滤波处理后的数据（b）FDR采集的原始数据图4.FDR与PMU测量得到系统频率对比不存在截断误差国内外研究现状国内目前的研究仍停留在采用PMU来构建广域实时动态监测系统：①清华大学电机工程系1997年在黑龙江东部电网安装了7个PMU；②山东电网从2005年开始在省内九个500kV变电站内安装了PMU，并采用北斗卫星导航系统为PMU提供授时信号。评价：未能实现高速的网络互联，缺少一个高效的中心管理系统。在功能上主要作为故障录波器使用，没有达到对电网运行状态进行广域在线实时监测的目的。我国目前尚没有高校、科研机构或电力部门对FNET展开系统性研究。国内外研究现状FNET自从在北美地区投入运行以来，已实现对多个电力故障的监测与分析，使人们首次看到了系统的动态行为，认识到了以往所没有的现象和规律。运行经验表明，FNET能准确定位系统频率扰动故障，在监测和解读电力系统震荡起到独特的作用。目前已开展第二代FDR的研制工作，以期进一步提高频率测量的精度，消除测量电压等级下的噪声干扰。三、FNET的基本原理FNET的基本原理1.FNET的物理构架框架现场采集单元FDRs信息管理系统IMSFNET的基本原理：物理框架A.频率扰动监测装置(FDR)组成部分：①电压传感器②低通滤波器③模数转换模块（D/A）④GPS接收装置⑤数字信号处理器⑥通讯模块FNET的理论依据：物理框架A.频率扰动监测装置(FDR)技术参数：①北美额定频率为60Hz情况下采样频率达1440Hz；②频率计算误差不超过±0.0005Hz；③50Hz或60Hz额定频率自适应，滤波装置自动匹配；FNET的理论依据：物理框架A.频率扰动监测装置(FDR)安装方式FNET的理论依据：物理框架B.FNET信息管理系统IMS采用基于多层客户端/服务器的构架模型；便于建摸、协调和集成频率采集处理和展示功能；IMS服务器需要能够支持4种角色：①互联网客户服务②FDR通讯功能③数据库运行④Web服务FNET的理论依据：物理框架B.FNET信息管理系统IMS功能：①动态数据展示；②数据集成；③数据挖掘；特点：①采用多层客户端/服务器构架有助于软件的开发；②保证数据交换的完整可靠；③灵活方便的增删新的数据单元；FNET的理论依据：构架C.数据传输通道采用互联网Internet作为数据交换的通道；保证了高速性、可靠性、以及快速接入的特点；通过互联网即可实现对频率数据的访问；☆针对我国电网的特殊国情，可以采用电网公司内部局域网作为数据传输通道，也可开发无线模块进行数据传输；FNET的基本原理2.FNET的软件框架与数据流向四、FNET的主要功能FNET的主要功能总体概述：频率是电力系统最重要的参数之一，电力系统许多保护和控制需要准确快速评估区域系统频率，它也被常规地用于发电机的控制和管理，频率的快速准确测量是电力传输系统操作的基本要求。FNET是一个实时、连续、复合的频率测量和控制系统，通过Internet网络的高速数据传递，实现对电力系统频率的动态监测。FNET的主要功能1.解读全局频率动态信息频率信息在不同的区域电网之间并不共享，因此，观察和解读电力系统全局的频率动态信息通常很难实现。通过FNET获取的实时同步的广域频率信息给电力系统当局和运行人员提供了一个窗口，任何地方都可以获取准实时的系统频率特征。从全局角度出发，使用广域频率将有助于研究电力系统的动态特性。FNET的主要功能2.扰动事件检测和事后故障分析在系统频率扰动过后，FNET采集的信息能被用于事后分析。这可以帮助解答诸如此类的问题：①发生了什么事？②为什么会发生？③将来怎样避免再发生？当停电发生时，如此详细的频率信息将用于追查停电的发源地和停电顺序。FNET的主要功能3.解读电力系统震荡区域间震荡和涉及频率摆动的典型扰动是复杂的物理现象。由于系统的复杂性，系统动态和震荡特征仍然难以解读。在监测和解读电力系统机电震荡的模式和结构方面，FNET能起到独特的作用。FNET的主要功能4.FACTS设备的协调与控制对柔性交流输电（FACTS）设备的控制不应仅仅局限于采用电压控制和使用来自本地的监测信号。来自远处测点的信号，比如偏远地区的发电机组，也是我们在FACTS控制中所关注并应予以考虑的，其中频率的动态特性就是其中的关键参数之一，因其能用于对发电机的出力控制。即使FACTS设备位于震荡监测的盲区，FACTS也能根据来自其他地区的频率监测信号做出恰当的反应。FNET的主要功能5.辅助广域电力系统稳定装置（PSS）的控制PSS的目的是减少或者限制区域震荡，在瞬态过程中控制功率的有效途径是采用闭环控制回路的远程信号来抑制震荡。通过FNET，控制器可以设计成依据本地和远程信号来动作，从而更加有效的抑制区域间系统震荡。FNET的主要功能6.改善区域控制偏差(ACE)的计算方法通过采集多点频率信号，FNET可以用于提高区域控制偏差的计算精度。尤其是当系统正在经历某些扰动，使得频率在不同点，甚至是在一个相对较小的系统里出现差异时，FNET的作用尤其明显；进一步地，我们可以利用改善过精度的ACE设计出更加优化的减载方案，使系统能更快的恢复正常供电。FNET的主要功能7.加速电网系统恢复和故障定位电网恢复期间，系统可能解列成几个孤岛。由于大扰动后电力系统是否会形成孤岛无法提前预测，因此在电网恢复期间加强各续存系统的监控显得尤为重要。快速而准确的确定大型输电系统的故障位置是在系统恢复过程中关键的第一步。FNET的定位程序可以使用跟踪扰动并具有GPS时间戳记的FDR数据来准确定位停电区域。FNET的主要功能8.加强FDR、PMU和SCADA之间的数据融合未来各测量系统数据间的融合能进一步增强FNET的实用性。每一种测量方案都有一些其它方案所不具备的特点，因此，分步建立一个合并了每一个测量方案优点的系统就能大大加强系统的动态可观测性，从而设计出最优化的控制方案以减少系统事故。五、基于FNET的应用基于FNET的应用总体概述：根据响应时间范围，可以将基于FNET的应用分为实时应用和非实时应用。实时应用是指在接收数据后的做出响应时间为秒级甚至次秒级，非实时应用对响应时间的要求则灵活得多。FNET定义基于快速缓冲存储区中的数据运行的应用为实时应用，而基于任何其它存储的数据运行的为非实时应用。基于FNET的应用1.频率监测平台在左边列表中选择单位并双击，则单位名称、它的IP地址、连接状态以及动态频率曲线就显示出来窗口的下方是以Access数据库的格式显示的数据数据栈右侧窗口显示的是FNET实时应用记录的一天开始以来所发生的事件基于FNET的应用1.频率监测平台频率监测平台是一种实时应用。监测平台不仅是FNET系统诊断的重要因素，也是可以把FNET系统升级成运行接口的平台，从而在将来集成为控制中心。电力系统健康状况将以实时的方式与运行人员交互以便人为介入，预防事件级联扩大。基于FNET的应用2.检测频率扰动事件电力系统频率变化总是反映了发电与负荷的不平衡。FNET事件触发模块通过连续扫描FDR的记录来检测系统内的频率扰动。FNET的扫描窗口计算10秒宽度内数据的导数，当计算结果超过预设限值时，则说明电力系统发生了频率扰动。然后事件触发模块自动给运行人员发送一个报警信息，并记录扰动前15秒到扰动后20秒内的数据，并用这些数据做出频率曲线图。基于FNET的应用算法说明基于FNET的应用2.检测频率扰动事件电力系统频率变化总是反映了发电与负荷的不平衡。FNET事件触发模块通过连续扫描FDR的记录来检测系统内的频率扰动。FNET的扫描窗口计算10秒宽度内数据的导数，当计算结果超过预设限值时，则说明电力系统发生了频率扰动。然后事件触发模块自动给运行人员发送一个报警信息，并记录扰动前15秒到扰动后20秒内的数据，并用这些数据做出频率曲线图。基于FNET的应用2.检测频率扰动事件2011年9月8日美国、墨西哥发生大停电事故。系统内超过4.3GW的发电能力退出运行，影响的居民总人数超过500万。基于FNET的应用3.频率扰动事件定位频率扰动事件发生之后，触发模块即时响应，同时事件定位模块也立即启动。事件定位的实现方法是基于抵达时间差（TDOA）的几何三角算法。在不同的测点，频率扰动的到达时间是不同的，我们可以通过印有GPS时标的FDR数据来确定故障发生的时间、地点。基于F