电力系统态势感知

电力系统的态势感知韩英铎清华大学电机系柔性输配电系统研究所2014.07.25南方电网主要内容电力系统态势感知的内涵和前期工作1暂态电压稳定是当今互联电网的主要威胁2基于WAMS的实测潮流和暂态电压稳定评估3希望5动态参数不准是现有EMS的重大缺欠4SituatioAwareness和StateEstimation全称:复杂电力系统动态行为和趋势的感知内涵:基于广域动态安全监测系统、多种数据库和数据挖掘、动态参数辨识、超实时间仿真、可视化等技术的集成,解决电力系统安全分析经典难题,实现电力系统运行关键动态数据的在线测量、数据处理、分析,达到对主要动态行为的测量、辨识、显示、预警、控制.态势感知(SituationAwareness)这一概念源于航天飞行的一些研究，此后在军事战场、核反应控制、空中交通监管等领域被广泛地研究。态势感知之所以越来越成为一项热门研究课题，是因为在动态复杂环境中，决策者需要借助态势感知工具显示当前环境的连续变化状况，才能准确地做出决策。1988年，Endsley在文章中把态势感知定义为“在一定的时空条件下，对环境因素的获取、理解以及对未来状态的预测”.早期的广域动态频率测量和研究1.西德1978.4.13Isar核电站跳掉660MW机组时,测得的西欧电力系统中不同地点的频率动态过程.2.韩—复杂扩展式系统功率-频率动态过程研究(82年)3.闵勇—多机系统频率动态过程时间分布和空间分布问题;(89年)距干扰点空间距离1.X=60km2.X=210km,3.X=280km123tf这张图否定了传统低频减载的单机模型!2003年8.14美加大停电的动态过程5清华大学电机系柔性输配电系统研究所两部分系统间角度偏差清华大学电机系柔性输配电系统研究所6三相接地短路现场东北大扰动试验系统主接线(2004年3月25日)0500Kv电压等级下的三相短路清华大学电机系柔性输配电系统研究所7主站实时监测结果---清华-四方区间低频振荡曾成为影响互联电网安全与高效运行的瓶颈。然而，传统PSS可有效解决本地振荡问题，但对于区间模式，存在信号可观性弱、适应性及协调性不足的问题南方电网，已安装超过370台传统PSS，区间低频振荡仍是限制西电东送传输极限的关键因素!一些单位思维僵化，一味让生产单位增加PSS数量，实际问题并没有质的解决！2006.8.29，0.63Hz；2008.8.25，0.6Hz…国家电网情况类似华北2005.9.1，华中2005.10.29，2006.7.1，山东电网2007.1.29，0.3Hz，……清华大学电机系柔性输配电系统研究所88南网8.25振荡，云贵联络线峰峰值120MW，持续3分钟华中10.29振荡，斗双线峰峰值730MW，持续5分钟清华大学电机系柔性输配电系统研究所9基于随机扰动响应的低频振荡特征量感知罗平—百色线路有功功率5分钟曲线（正常稳态运行）实际电网在稳态运行中，由于负荷投切等随机性扰动，在发电机、母线、线路中均存在小幅波动，而这种波动反映了当前系统的固有动态特性---发展了”类噪声识别技术”分析结果可用于调度员监测与决策、控制系统自适应等清华大学电机系柔性输配电系统研究所10频率、阻尼比（特征值）辨识结果平均20次辨识结果采用ARMA模型，基于小幅波动信号的方法能较准确地分析得到电力系统的低频振荡模式参数。对0.7775Hz分量的估计优于对0.9801Hz分量的估计，对振荡模式频率的估计优于对阻尼比的估计4.34844.8535阻尼比(%)0.98010.97175频率(Hz)21.12311.2607阻尼比(%)0.77750.77748频率(Hz)1小干扰稳定分析ARMA模型4.34844.8535阻尼比(%)0.98010.97175频率(Hz)21.12311.2607阻尼比(%)0.77750.77748频率(Hz)1小干扰稳定分析ARMA模型清华吴超博士清华大学电机系柔性输配电系统研究所11发展了多种低频振荡统计与小干扰评估WAMS低频振荡的监测与统计EMS人机系统动态预警系统小干扰计算实测的振荡频率与实测振荡模式相关的机组整合信息实测的振荡概率分布振荡模式分析清华大学电机系柔性输配电系统研究所122005.10.29振荡分群实例群1:三峡送出系统群2:获嘉站清华大学电机系柔性输配电系统研究所13南方电网多直流协调广域闭环控制系统GPS/北斗卫星高坡控制与测量子站兴仁控制与测量子站安顺测量子站罗平测量子站罗洞测量子站深圳测量子站广州控制主站已解决的关键科学问题：1.大规模交直流混合系统阻尼控制规律2.广域反馈信号的选择方法3.广域通信延时的控制与自适应补偿4.延时引发高频振荡机理及其解决技术5.多回直流的协调控制技术等等世界电力系统•第一个广域闭环控制,•第一个不需要给定系统参数,仅根据态势感知的自适应控制!清华大学电机系柔性输配电系统研究所14南方电网多直流广域闭环控制系统经过多次现场大扰动试验验证分别通过天广、兴安、高肇直流单极700MW闭锁、500kV金换线跳开与闭合等大扰动试验，充分测试了该控制系统在多种运行方式与扰动情况下可增加系统阻尼比10%以上、提高西电东送稳定极限约800MW！1456789101112-1.5-1-0.500.511.522.533.5时间（s）贵州—云南相对功角（度）高肇直流协调控制投入高肇、兴安直流协调控制投入协调控制退出012345678910-470-460-450-440-430-420-410-400时间（秒）梧罗线功率（MW）高肇调制控制单独投入协调控制系统投入协调控制系统退出有控制无控制推广应用到四川电网广域励磁控制以四川送出联络线功率为反馈信号、以二滩、瀑布沟等大型水电厂为控制点，抑制“川渝—华中—华北”互联系统低频振荡，解决扰动后“长治—南阳—荆门”特高压交流示范线解列问题，提高四川水电送出能力二滩瀑布沟广域励磁控制提高水电送出极限01234560.50.550.60.650.70.750.80.850.90.95时间(秒)桃乡主变N-1故障，长治-南阳线两侧电压电压/p.u.不投CAWPSS，长治侧二滩投2+瀑布沟投2，长治侧二滩投6+瀑布沟投3，长治侧不投CAWPSS，南阳侧二滩投2+瀑布沟投2，南阳侧二滩投6+瀑布沟投3，南阳侧方式断面输电容量/万KW川西川南九石雅普提康定茂县瀑布沟川渝德宝锦苏复奉基础299.9352.8424.1201.4238.9179.7402.2100.0460.0320.01299.9382.6424.2201.4238.9179.7402.1100.0460.0320.02300.0382.6421.2201.4239.0245.6401.7100.0460.0320.03300.2382.7420.8201.4239.0256.1402.8100.0460.0320.04299.9382.6308.8201.4238.9299.6401.2100.0460.0320.05300.1382.6407.1201.4290.0299.6401.4100.0460.0320.0广域控制投入后，振荡阻尼显著提升，特高压线路振荡电压最低点明显提升投入2台发电机的广域控制，瀑布沟断面送电提高659MW投入8台发电机的广域控制，瀑布沟断面送电提高983MW4.基于WAMS的实测潮流、参数辨识、暂态电压稳定评估严剑锋:《电力系统在线动态安全监测与预警技术》(中国电科院)目前,电力系统在线动态安全监测与预警技术是基于电网在线运行数据，按照15分钟周期对电力系统进行数字仿真，完成电网安全评估，给出可能的预警信息、辅助决策和裕度评估结果。该技术实现了万节点级电网的在线安全预警，计算速度比传统离线计算提高了数百倍，推动了电网安全计算从传统离线方式向在线方式的进步，为大电网在线安全诊断和智能化调度提供了有效技术手段。稳定裕度评估计算调度运行辅助决策预警信息暂态稳定分析动态稳定分析电压稳定分析暂态稳定分析结果动态稳定分析结果电压稳定分析结果在线整合潮流遥测遥信相量量测二次信息设备参数电网模型故障集电网实时监控与智能告警网络分析实时方式数据准备研究方式预警信息静态稳定分析静态稳定分析结果电网实时监控与智能告警预警信息运行分析与评价预警信息预警信息在线安全稳定分析CASE管理模型管理限额管理故障集管理在线整合潮流这里的“在线安全稳定分析”仅指在SCADA和状态估计基础上得到的“在线潮流”，全部动态计算均基于离线模型、参数进行，大误差问题仍未解决，只能靠提高保守度换取可靠性现有的调度安全分析与决策系统存在严重缺欠清华大学电机系柔性输配电系统研究所202008-9-8到2013年底全国500KV变电站100%,220KV变电站约50%以上发电厂30万机以上,都装了PMU,估计超3000个；美国不到1000个,这是我们的优势.中国PMU/WAMS应用情况基于广域信息的电力系统态势感知系统实际电网信息平台（数据库及数据质量分析，大数据）分布式子站节点通信网络及其管理扰动监测与快速识别网络拓扑结构分析状态测量（动态潮流）模型库（模型参数在线辨识）超实时仿真计算准稳态安全计算（静态稳定计算、短路电流计算等）在线安全稳定分析（功角/电压/频率稳定性计算）基于数据/轨迹的系统特性辨识、灵敏度计算与稳定性分析电网监测、预警、告警电力系统稳定裕度评估准稳态控制与辅助决策动态/暂态控制与辅助决策其它中心站节点中心站节点………RTUSCADAPMUWAMS智能表计AMI其它遥信遥测信号控制命令控制命令清华大学电机系柔输所，韩英铎&陆超等21①②③基于WAMS的实测潮流和暂态电压稳定评估—简图基于PMU和WAMS的在线潮流和网络拓扑①--算法基本解决,通过仿真验证,希望进行深入应用研究基于负荷云库的动态参数辨识②--方法基本解决,通过仿真验证,希望在一处500KV变电站进行工程应用研究特定场景的态势分析④暂态电压安全稳定判别⑥系统动态行为与态势可视化⑦暂态电压安全稳定态势判别运行与控制决策在线即测-即辨-即用③-按预想事故扫瞄分析尽快启动应用研究1-2年能工程实用希望3年左右取得突破性进展集中与分散结合的数据库4-1基于WAMS的在线实测潮流和网络拓扑---已经有很好的仿真研究结果现有状态估计的主要问题RTU缺乏统一时标断面数据同步性差（2-3秒）1估计周期较长为分钟级2需要迭代计算，可能不收敛或收敛到局部极值点3难以高效处理多重错误同时出现的情况4难以满足更快更准的要求是拼凑出来的“虚拟”潮流清华大学电机系柔输所，韩英铎&陆超等24基于全PMU的状态测量需要改进数据带有时标同步性好1数据更新周期短子站可到10ms2可获得电压电流相量数据3为系统监测、分析、控制提供有效手段PMU数据质量至关重要123数据中存在误差和不良数据数据精度还不够，难以直接应用清华大学电机系柔输所，韩英铎&陆超等25状态测量及网络拓扑/参数校正清华大学电机系柔输所，韩英铎&陆超等26基于数据挖掘的单PMU数据校核全网基于估计的PMU数据校准网络参数估计辨识实时动态潮流基于PMU的网络拓扑分析实时潮流算法由PMU量测，形成相量量测方程建立复数域相对加权最小二乘准则得到线性估计公式1TTestmmUAWAΑWZDZ22minTiimiwJZUεWεA矩阵为常矩阵，W矩阵给定，无需迭代；相角量测的精度很差，经过该复数算法也可以达到相当的精度。UmTTIb1b2E0εZUAUεεYY南方电网算例---2014年500KV网络清华大学电机系柔输所，韩英铎&陆超等2829最大误差电压电流幅值/%角度/度幅值/%角度/度设定0.20.20.20.5实际10.20.20.23实际20.230.20.5省/区厂站线路计算用节点支路云南509870220广西28523686贵州32583390广东7416877302海南3234总计187392219702南方电网算例---每次计算20