电力系统态势感知.pdf
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1、电力系统的态势感知 韩英铎 清华大学电机系清华大学电机系 柔性输配电系统研究所柔性输配电系统研究所 2014.07.25 2014.07.25 南方电网南方电网 主要内容主要内容 电力系统态势感知的内涵和前期工作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暂态电压稳定是当今互联电网的主要威胁 2 基于基于WAMSWAMS的实测潮流和暂态电压稳定评估的实测潮流和暂态电压稳定评估 3 希望希望 5 动态参数不准是现有动态参数不准是现有EMS的重大缺欠的重大缺欠 4 Situatio Awareness 和和 State Estimation 全称全称: : 复杂电力系
2、统动态行为和趋势的感知复杂电力系统动态行为和趋势的感知 内涵内涵: :基于广域动态安全监测系统、多种数据库和数据挖掘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、动态参数辨识、超实时间仿真、可视化等技术的集成, ,解解 决电力系统安全分析经典难题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、分析数据的在线测量、数据处理、分析, ,达到对主要动态行为的达到对主要动态行为的 测量、辨识、显示、预警、控制测量、辨识、显示、预警、控制. . 态势感知态势感知(Situation Aware
3、ness)这一概念源于航天飞行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。策。1988年,年,Endsley在文章中把在文章中把态势感知定义为“在一态势感知定义为“在一 定的时空条件下,对环境因
4、素的获取、理解以及对未来状态定的时空条件下,对环境因素的获取、理解以及对未来状态 的预测”的预测”. 早期的广域动态频率测量和研究 1.西德1978.4.13 Isar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) 距干扰点空间距离距干扰点空间距离 1.X= 60km 2.X=210km, 3.X=280km 1 2 3 t f 这张图否定了传统低频减载的单机模型! 2003年年8.14美加大停电的动态过程美加大停电的动态过程 5 清
5、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) 0 500Kv电压等级下电压等级下 的三相短路的三相短路 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。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,已安装超过南方电网,已安装超过370370台传统台传统PSSPSS,区间低频振荡仍是,区间
6、低频振荡仍是 限制西电东送传输极限的关键因素限制西电东送传输极限的关键因素! !一些单位思维僵化,一一些单位思维僵化,一 味让生产单位增加味让生产单位增加PSSPSS数量,实际问题并没有质的解决!数量,实际问题并没有质的解决! 2006.8.29 ,0.63 Hz ; 2008.8.25,0.6 Hz 国家电网情况类似国家电网情况类似 华北 2005.9.1,华中2005.10.29,2006.7.1, 山东电网 2007.1.29 , 0.3 Hz, 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 8 8 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73
7、0MW,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基于随机扰动响应的低频振荡特征量感知 罗平罗平百色线路有功功率百色线路有功功率5分钟曲线分钟曲线(正常稳态运行)(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、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- -发展了发展了”类噪声识别技术类噪声识别技术” 分析结果可用于调度员监测与决策、控制系统自适应等分析结果可用于调度员监测
8、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)辨识结果频率、阻尼比(特征值)辨识结果 平均平均20次辨识结果次辨识结果 采用采用ARMA模型,基于小幅波动信号的方法模型,基于小幅波动信号的方法能较准确地分能较准确地分 析得到电力系统的低频振荡模式参数。析得到电力系统的低频振荡模式参数。 对对 0.7775Hz分量的估计优于对分量的估计优于对0.9801Hz分量的估计,对振荡模分量的估计,对振荡模 式频率的估计优于对阻尼比的估计式频率的估计优于对阻尼比的估计 4.3484 4.8535 阻尼比阻尼比(%) 0.9801 0.97175 频率频率(Hz)
9、 2 1.1231 1.2607 阻尼比阻尼比(%) 0.77750.77748 频率频率(Hz) 1 小干扰稳定分析小干扰稳定分析ARMA模型模型 4.3484 4.8535 阻尼比阻尼比(%) 0.9801 0.97175 频率频率(Hz) 2 1.1231 1.2607 阻尼比阻尼比(%) 0.77750.77748 频率频率(Hz) 1 小干扰稳定分析小干扰稳定分析ARMA模型模型 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发展了多种低频振荡统计与小干扰评估 WAMSWAMS 低频振荡的监测与统计低频振荡的监测与统计 EMS人机系统 动态
10、预警系统动态预警系统 小干扰计算小干扰计算 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 振荡模振荡模 式分析式分析 清华大学电机系柔性输配电系统研究所 12 2005.10.29 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 GPSGPS/ /北斗北斗 卫星卫星 高坡高坡 控制与测量子站控制与测量子站 兴仁兴仁 控制与测量子站控制与测量子站 安顺安顺 测量子站测量子站 罗平罗平 测量子站测量子站 罗洞罗洞 测量子站测量子站 深圳深圳 测量子站测量子站 广州广州 控制主站控制主站 已解决的
11、关键科学问题:已解决的关键科学问题: 1. 1.大规模交直流混合系统阻尼控制规律大规模交直流混合系统阻尼控制规律 2.2.广域反馈信号的选择方法广域反馈信号的选择方法 3.3.广域通信延时的控制与自适应补偿广域通信延时的控制与自适应补偿 4.4.延时引发高频振荡机理及其解决技术延时引发高频振荡机理及其解决技术 5.5.多回直流的协调控制技术多回直流的协调控制技术 等等等等 世界电力系统世界电力系统 第一个广域闭环控制第一个广域闭环控制, , 第一个不需要给定系统参数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 1
12、4 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! 14 56789101112 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 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 -40
13、0 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 以四川送出联络以四川送出联络 线功率为反馈信线功率为反馈信 号、以二滩、瀑号、以二滩、瀑 布沟等大型水电布沟等大型水电 厂为控制点,厂为控制点,抑抑 制“川渝制“川渝华华 中中华北”互华北”互 联系统低频振联系统低频振 荡,解决扰动荡,解决扰动 后“长治后“长治南南 阳阳荆门”特荆门”特 高压交流示范高压交流示范 线解列问题,线解列问题, 提高四川水电提高四川水电 送出能力送出能力 二滩 瀑布沟 广域励磁控制提高水电送出极限 0123456 0.
14、5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 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 299.9 352.8 424.1 201.4 238.9 179.7 402.2 100.0 460.0 320.0 1 299.9 382.6 424.2 201.
15、4 238.9 179.7 402.1 100.0 460.0 320.0 2 300.0 382.6 421.2 201.4 239.0 245.6 401.7 100.0 460.0 320.0 3 300.2 382.7 420.8 201.4 239.0 256.1 402.8 100.0 460.0 320.0 4 299.9 382.6 308.8 201.4 238.9 299.6 401.2 100.0 460.0 320.0 5 300.1 382.6 407.1 201.4 290.0 299.6 401.4 100.0 460.0 320.0 广域控制投入后,振 荡阻尼显
16、著提升,特 高压线路振荡电压最 低点明显提升 投入投入2 2台发电机的台发电机的 广域控制,瀑布沟广域控制,瀑布沟 断面送电提高断面送电提高 659MW659MW 投入8台发电机的 广域控制,瀑布 沟断面送电提高 983MW 4.4.基于基于WAMSWAMS的的 实测潮流实测潮流、 参数辨识参数辨识、 暂态电压稳定评估暂态电压稳定评估 严剑锋严剑锋:电力系统在线动态安全监测与预警技电力系统在线动态安全监测与预警技 术术(中国电科院中国电科院) 目前目前, ,电力系统在线动态安全监测与预警技术是电力系统在线动态安全监测与预警技术是基基 于电网在线运行数据于电网在线运行数据,按照按照1515分钟周
17、期对电力系统分钟周期对电力系统 进行数字仿真,进行数字仿真,完成电网安全评估,给出可能的预完成电网安全评估,给出可能的预 警信息、辅助决策和裕度评估结果。该技术警信息、辅助决策和裕度评估结果。该技术实现了实现了 万节点级电网的在线安全预警万节点级电网的在线安全预警,计算速度比传统离,计算速度比传统离 线计算提高了数百倍,线计算提高了数百倍,推动了电网安全计算从传统推动了电网安全计算从传统 离线方式向在线方式的进步离线方式向在线方式的进步,为大电网在线安全诊,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。断和智能化调度提供了有效技术手段。 稳定裕度评估计算稳定裕度评估计算 调度运行辅助决
18、策调度运行辅助决策 预警信息预警信息 暂态稳定分析暂态稳定分析 动态稳定分析动态稳定分析 电压稳定分析电压稳定分析 暂态稳定暂态稳定 分析结果分析结果 动态稳定动态稳定 分析结果分析结果 电压稳定电压稳定 分析结果分析结果 在线整合潮流在线整合潮流 遥测遥信遥测遥信 相量量测相量量测 二次信息二次信息 设备参数设备参数 电网模型电网模型 故障集故障集 电网实时监控电网实时监控 与智能告警与智能告警 网络分析网络分析 实时方式实时方式 数据准备数据准备 研究方式研究方式 预警信息预警信息 静态稳定分析静态稳定分析 静态稳定静态稳定 分析结果分析结果 电网实时监控电网实时监控 与智能告警与智能告警
19、 预警信息预警信息 运行分析与评价运行分析与评价 预警信息预警信息 预警信息预警信息 在线安全稳定分析在线安全稳定分析 CASE管理管理 模型管理模型管理 限额管理限额管理 故障集管理故障集管理 在线整合潮流在线整合潮流 这里的这里的“在线安全稳定分析在线安全稳定分析”仅指在仅指在SCADASCADA和状态估计基础上得到的和状态估计基础上得到的 “在线潮流在线潮流”,全部动态计算均基于离线模型、参数进行,全部动态计算均基于离线模型、参数进行,大误差大误差 问题仍未解决,只能靠提高保守度换取可靠性问题仍未解决,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现有的调度安全分析
20、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 20 2008-9-8 到到20132013年底全国年底全国 500KV500KV变电站变电站100%,100%, 220KV220KV变电站约变电站约 50%50%以上发电厂以上发电厂3030万万 机以上机以上, ,都装了都装了PMU,PMU, 估计超估计超30003000个;个; 美国不到美国不到10001000个个, , 这是我们的优势这是我们的优势. . 中国中国PMU/WAMSPMU/WAMS应用情况应用情况 基于广域信息的电力系统态势感知系统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,
21、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 RTU SCADA PMU WAMS 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 新的提升包括新的提升包括
22、: 1) 在线即测在线即测-即辨即辨即修正即修正即用即用, ,克服随机性和时变性克服随机性和时变性; ; 2)2) 阐明了阐明了”负荷主导动态参数负荷主导动态参数”的物理本质的物理本质, ,解决了解决了”负荷动态参数负荷动态参数 辨识的多值性问题辨识的多值性问题; ;提出多种改进的总体测辨算法、多电压等级提出多种改进的总体测辨算法、多电压等级 参数聚合算法参数聚合算法; ; 3)3) 多种信号、多电压等级辨识多种信号、多电压等级辨识, ,对负荷动态特性变化的一天对负荷动态特性变化的一天2424小时小时 跟踪,克服负荷辨识依赖有限系统扰动的困难,进一步解决负荷跟踪,克服负荷辨识依赖有限系统扰动的
23、困难,进一步解决负荷 参数时变性问题;参数时变性问题; 4)4) 克服保守克服保守- -小改小革的技术路线小改小革的技术路线, ,结合能源物联网技术结合能源物联网技术, ,发展负荷发展负荷 云库技术云库技术, ,参数辨识与监测动态行为相结合参数辨识与监测动态行为相结合, ,每个每个500KV500KV变电站都变电站都 要装负荷云库要装负荷云库, ,不是凑合地解决问题不是凑合地解决问题, ,而是从系统和全局层面解而是从系统和全局层面解 决负荷参数问题决负荷参数问题; ; 5) 5) 结合在线实测潮流结合在线实测潮流, ,彻底解决电力系统暂态安全分析的经典难题彻底解决电力系统暂态安全分析的经典难题
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