廣域測量系統

廣域測量系統（Wide Area Measurement System，WAMS）技術的提出和研究可以追溯到1990年以前。在1996年8月10日的美國西部大停電中，基於PMU的監測系統因成功記錄了在系統解列前相角增長使系統變弱的過程而備受關注。2003年的美加大停電極大推進了WAMS的建設，並促進WAMS應用研究成果向工業領域轉化。

WAMS由以PMU為基層信息採集單元，位於調度中心的主站系統和滿足兩者進行信息交換的通信系統組成，相比傳統的SCADA系統，WAMS系統的採集單元不僅由PMU替換RTU，主站系統功能增強外，對通信系統的要求更加苛刻。

由於WAMS的信息來源是PMU所採集的精確、實時和同步信息，所以WAMS具有異地高精度同步相量測量、高速通信和快速反應等技術特點，非常適合大規模電網調度。相對於穩態監測和控制的SCADA，WAMS可以看作它的進一步延伸系統。 ^[1] 

主要包括電力系統同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）、相量數據集中器（Phasor Data Concentrator，PDC）、控制中心（Controller Centre，CC）以及作為數據傳輸基礎的高速數據通信網絡（Communication Networks，CN）等。WAMS可藉助GPS等高精度時鐘採集廣域電網的實時狀態參數，包括電氣相量，再通過高速通信網絡將分散的相量數據集中起來，得到電網全局統一時空座標下的動態信息，從而實現對系統動態過程的實時監控，提高電網的自動控制和安全穩定水平。

較之傳統的基於擾動檢測的晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）系統，WAMS系統特點為：

①採用相對功角或角速度判別系統的暫態功角穩定性並實施控制策略，概念簡單直觀，較好地反映了系統的本質。對於所有擾動（包括區外擾動引起的暫態穩定性問題）均能正確響應。

②有望從根本上克服現有局部和分散控制系統的不足，實現全局的優化協調控制。

③它是一種基於直接響應的控制，直觀方便，易於實現，有利於減少檢測點，只需要在（發端）電廠和（受端）大系統母線上安裝PMU，無須大量安裝故障檢測裝置，而且還能較好地避免離線仿真與實際測量之間難以預知的誤差所帶來的控制失效。

相對於傳統的SCADA系統，WAMS是一種能對電力系統動態過程進行監測的工具，尤其是它能夠快速測量發電機的內電勢、功角、角速度和母線電壓等與發電機機電暫態過程密切相關的量，並能及時地將信息傳送到中心站，為實現基於全網的在線安全穩定分析提供了平台。

不同於SCADA系統，PMU/WAMS提供的廣域數據的特點為：

①帶有統一時標的高速採樣；

②高速的數據傳輸；

③可提供瞬時值及相位值；

④可提供暫態或動態響應。

WAMS將各廣域量的時間斷面對齊，可得到完整的系統動態曲線，既可用以校核模型和參數，也可從中提取關於電能動態質量和系統動態安全的各種信息。PMU數據作為SCADA數據的補充，有利於提高狀態估計的精度，但必須在PMU測點的比例足夠高時才有較明顯的效果。 ^[2] 

廣域測量系統（WAMS）總體結構如圖1《 廣域測量系統結構圖》所示。

廣域測量系統由三大部分組成，即分佈在各廠、站的同步相量測量單元、覆蓋全網的通信網絡和安裝在調度端的相量數據集中器。

PMU基本功能是利用GPS信號對電壓、電流同步測量，進行分析，提供頻率、相位和幅值信息。PMU的測量原理是使用GPS信號對電力系統運行中的電壓和電流進行採樣，利用採樣得到的相量，通過離散傅立葉變換求取基頻分量。

相量測量必須同時測幅值和相角，而相角的測量必須有統一的參考時間，GPS精確的時間傳遞功能在PMU中得到了很好的應用。GPS接收器可以提供間隔為1s的脈衝信號1PPS，它是以秒為計時單位、精度為1us的國際標準時間信號，對於50Hz的工頻量而言，其相位誤差不超過0.018°，完全可以滿足功角測量的要求。 ^[2] 

WAMS為電網實時動態監控提供了信息平台，可以進一步對互聯電網的動態過程特性進行分析和評估，辨識系統的失穩現象，向調度運行部門提供預警、預防控制的在線決策和緊急控制決策，提高電網安全運行水平。概括起來，基於廣域測量系統的關鍵技術的研究內容包括系統監側、系統分析以及電網穩定控制等方面。

1）在線低頻振盪分析

隨着電網規模的不斷增大，負荷的不斷增加，互聯區域低頻系統振盪成為了電力系統一個越來越嚴重的問題。WAMS的在線低頻振盪分析功能可以在線跟蹤此類現象並主導一個深入分析調查。首先，“振盪檢測”功能掃描敏感動態信息，如聯絡線潮流和相應發電機相角，用以檢查是否發生振盪。如果發生，改進的Prony算法將精細分析所獲得的振盪詳細信息，包括頻率、阻尼係數和相關發電機和母線。同時主站將發佈信息探查全網擾動記錄。分析結果和記錄的數據最後被存儲在數據庫並報告給調度員。

2）混合系統狀態估計

該功能包括了以傳統SCADA/RTU為同步向量測量手段的動態檢測功能和改進速度和精度的狀態估計功能。傳統算法被適當地用於修正所獲得的混合系統狀態估計結果，該法能夠兼容不同種類、不同精度和不同更新速度的測量技術。

3）在線緊急控制計劃預決策

當電力系統發生大擾動的緊急狀態，緊急控制將啓動各項應對措施。由於響應必須很快，在幾十毫秒至幾百毫秒內作出反應。WAMS的該項功能中，能夠在所獲數據中迅速作出穩定估計，並通過廣域通信系統將控制計劃傳遞到本地控制裝置。控制動作的數據將被保存，並被用來確定預決策系統過程的有效性。

4）電力系統相角穩定預決策和預警

在WAMS中，電機轉子相角和母線電壓相角都被直接同步送至檢測系統。此外，這些相角數據在頻率50Hz附近或者稍高。這樣主站對整個網絡有同步和動態的全局觀，幫助穩定整個系統。改進的先進算法在本功能中利用相角數據來評測和預報觀測系統的轉子相角穩定性。

5）在線擾動辨識

傳統擾動辨識方法無法實時處理系統故障。WAMS能夠收集實時信息，實時監測擾動情況、辨識並處理擾動信息。考慮到PMU無法包含所有節點，精確辨識和位置確定不能夠完全實現。WAMS在此情況下將會把擾動穩定和大致區域的列表傳遞給調度員，以便調度員採取下一步措施。

6）動態電壓穩定監測

在EMS系統中只有靜態電壓分佈信息能夠取得。但是在WAMS中，系統能夠提供一整套動態電壓信息，這對於電壓暫態穩定的詳細監測有很大作用。

WAMS的該項功能應能檢測長期和短期的電壓升降。

7）模型/參數辨識

精確的模型和參數辨識對電力系統分析和控制都十分重要。但由於極其龐大的電力系統元件和實時變化性，獲取精確的模型和參數非常困難，尤其是負荷建模。WAMS利用廣域和動態測量技術來辨識發電機、傳輸線、負荷和其他電力系統裝置的模型和參數。由於可以在線同步採集單個裝置的足量信息，所需模型和參數能更加精確。在我國東北電網的WAMS系統中，該功能的結果已和當地模型/參數辨識設備較接近。

8）仿真驗證

在我國，電力系統操作調度和控制都是基於數字仿真分析，但其與實際系統的相容性仍有待考證。應能夠根據採集的動態和暫態數據，分析仿真程序的仿真曲線與實際記錄的曲線之間的差別，給出元件模型和參數的修改建議。

9）自動電壓控制

由於WAMS系統可以採集到所有節點的電壓、無功功率、無功發電機的信息，因此基於WAMS的系統應能夠自動優化電壓。

10）WAMS數據共享

由於我國電網實行分級調度——省調只管理省內220kV及以下電網，網調僅管理500kV電網，同一省網內的發電廠分別由省調和網調管理，造成省調自建的WAMS只能觀察到省網內的220kV以下電網，大區電網WAMS僅能觀察到本區網內的500kV骨幹網架。我國各大區電網互連後，大區電網除關心區內運行情況外還應關心區域邊界對側、甚至相鄰區域重要電源的運行情況，省網缺乏省內500kV骨幹網架的動態信息，也不利於全面分析省內電網的動態過程。因此省調、網調和國調的WAMS應對重要數據實現共享。WAMS數據實時共享，可充分發揮廣域測量的技術特點。WAMS監測的區域電網越廣闊，WAMS技術的優勢越突出。 ^[3]