GPS在電力系統中的應用研究

　　隨著基于同步技術的電網相角監測系統的采用，實時精確測量系統中各關鍵點的電壓電流相量，使得人們能實時地看到系統的狀態，從而在電力系統中利用GPS同步相量實施相量控制這一電力系統穩定控制最直接的方法成為可能。

　　相角測量可望在電力系統的狀態估計、靜態穩定的監視、暫態穩定的預測及控制和自適應失步保護方面發揮其作用[2,12,13]：

　　1) 應用PMU在電力系統做了很多試驗研究，如短路試驗[14]、切機試驗和甩負荷試驗、發電機失磁試驗[15]、線路的開斷試驗[16]等。通過PMU做的這些試驗，使人們首次看到了系統的動態行為，認識到了以往所沒有的現象和規律。對于動態電力系統建立的系統元件數學模型難以通過現場試驗進行驗證，數學模型的參數也很難準確確定，從而影響了數字仿真的精度和數學模型的適用范圍。基于PMU的同步相量提供了一種驗證數學模型和對其進行參數估計的基礎。并能應用于系統負荷模型的建立，系統等值等方面。

　　2)系統的狀態估計是一種數學方法，通常狀態估計是解系統的特征非線性方程求解，確定系統的穩定性，然而其計算時間比較長，難以在暫態過程中得到應用。若系統在所有節點安置相角測量裝置，它對電壓相量的狀態估計是一個線性估計或狀態確定;若系統在部分節點安置相角測量裝置并使系統可觀察時，它對電壓相量的狀態估計是一個線性估計。因此將同步相量值加入到現有的狀態估計中，可提高狀態估計的精度，做到實時運行。

　　3)相角測量得到的同步相量能極大地改善系統穩定的預測及控制。

　　調度中心可根據各個點的實時相角，建立全系統的實時相角集中監視系統，給調度員提供預防故障的措施或減少事故影響的補救辦法，根據相角信息可采取緊急措施(如切機、甩負荷、解列等)，防止系統的崩潰。

　　最常用的預測方法是在實測相角曲線的基礎上利用自回歸(AR)、多項式[19，20]或頻角關系等預測相對角度的軌跡，然后以角度大于某一限制值或依據預測模型的穩定性判斷系統的穩定性。但是其誤差隨預測長度的增加變大，在暫態初期，軌跡變化較劇烈時，預測精度更難保證。而且角度判穩的標準一般為統計值，其正確性缺乏理論證明。

　　　較新的智能預測法采用模式識別、神經網絡和模糊推理等人工智能手段以實現暫態穩定的快速預測。如文獻[26]提出的決策樹法通過對不同運行方式和不同故障的仿真計算，僅使用機組的內電勢角度作為輸入，針對不同訓練機集組合構造多個決策樹。文[27]提出一種基于模糊神經網絡實時預測系統暫態穩定性的方案。但它采用PMU在故障切除后8個周波內的測量結果作為輸入，輸入數為發電機數的6倍，當系統規模較大時，訓練過程非常困難。文獻[28]提出基于模糊分類的徑向基網絡模型及算法，先利用無導師學習方法按照樣本的特性，對輸入樣本進行模糊分類，然后對各類樣本分別訓練徑向基網絡，進一步提高了訓練速度。利用同步相量測量裝置獲得的故障后短時間內各發電機的功角,經簡單運算后作為神經網絡的輸入,其輸出為多機電力系統穩定性的分類結果。

　　另外，電壓穩定分析中的方法如潮流多解法、雅可比矩陣奇異、靈敏度分析法等，都需要不同程度的復雜計算，應用于電力系統實時控制時存在一定的困難。國內外一些學者直接利用電壓相量進行電壓穩定分析和實時控制已作了一定的工作，F.Cubina等人的研究[29]認為，即使在復雜系統中，電壓相量所含的信息足以確定電壓穩定的裕度，并推導出用電壓相量法來決定電壓崩潰的近似指標算法。文獻[30]提出了利用節點的實時信息:電壓相量、電流等和來自系統的準實時信息，將整個系統等值，導出了電壓穩定實用判據。文獻[31]提出了基于圖論的分簇算法和兩個相關性的判據，用一個節點測量的電壓相量代替整個簇的節點電壓相量，形成近似雅可比矩陣，求出最小奇異值作為電壓穩定近似指標，該方案已運用于實時控制中。文獻[32]提出了利用節點電壓相量計算的新的電力系統電壓穩定指標(VSI)，計及網絡的不同拓撲結構，運用修改的圖論方法導出尋找最弱傳輸路徑的簡便算法。

　　在暫態穩定控制方面，文獻[33]進行了基于GPS同步時鐘測量各發電機轉子的角度和速度，用它們作為信號對發電機進行非線性勵磁控制的研究，與取系統中一臺機為無窮大機的控制方法相比，將具有更優良的控制性能。

　　電力系統實時相角測量系統能為集中控制提供相角信息，基于GPS的穩定控制只有針對多機大系統才能發揮其優勢，而多機系統穩定控制理論方法的滯后使得目前的電力暫態穩定在線控制的研究多是基于在線預決策或暫態安全分析，真正利用GPS同步監測系統提供的同步相量的同步相量區域穩定控制理論還待進一步研究。還可以將相量信息提供給就地控制使用，可以實現分散的暫態穩定控制。

　　4)相角測量用于系統失步保護可以簡化參數的設計。應用測得的相角條件作為判據，能夠不必考慮故障的類型，設定參數非常容易。應用相角這個量必將會產生新的保護思想和裝置。文[34]針對發電機失步預測保護所存在的問題，介紹了一種基于功角直接測量的自回歸預測失步的方法，并在此基礎上提出了一套完整的保護方案。文[35]提出利用勢能概念的基于同步電壓電流測量相量的精確在線檢測失步技術。隨著電力系統互連網絡的增大，控制系統和保護越來越復雜，實時相角測量為電力系統的穩定控制和保護開辟了一個新的領域。

　　5)靈活輸電系統(FACTS) 在提高線路輸送能力、阻尼系統振蕩、快速調節系統無功、提高系統穩定等方面的優越性能，而將相角測量裝置的實時相角送到FACTS中[36]，可簡化其控制算法，從而得到更加靈活的控制。

　　3 結束語

　　利用GPS同步測量可以快速精確的獲得電力系統的歷史數據和實時狀態，GPS技術的應用必將對電力系統的安全穩定控制帶來革命性的變革,因此必然成為今后發展的重點。