对于这种振荡是否不属于弱阻尼振荡,是否有系统层面的控制方法或者是否可以系统地进行预防等问题,有必要进行深入研究.现有的文献偏重于利用WAMS对强迫振荡源进行识别,而对于强迫振荡发生的系统条件和系统层次的预防控制方法还没有明确的阐述.从强迫振荡的系统控制角度考虑,如果能将强迫振荡的本质在理论上仍归结到一种弱阻尼振荡,就可以采用现有的特征值控制理论来实现振荡的预防和控制.而目前基于特征值的控制理论的失效,有可能是因为没有对电网的控制系统进行更详细地建模所导致的.因此,有必要对现有的强迫振荡机理,从控制系统数学建模的角度进行更深入的研究,探寻将强迫振荡和现有弱阻尼振荡在系统控制机理上实现统一的方法,从而找出更合理的基于WAMS进行低频振荡检测和控制的方法.
2.2PMU在电磁暂态分析中的局限性
电力系统中有些问题必须基于电磁暂态方程而不是机电暂态方程进行分析,如对发电机在扰动后次暂态过程的分析、次暂态参数辨识以及次同步振荡现象等,对于这些问题不适宜采用现有PMU进行分析研究,其原因如下.
PMU不能用于次暂态过程分析和次暂态参数辨识主要是由于相量的定义造成的.PMU的相量定义是对一个完整工频录波的表示方法[10],暂态扰动期间,一个工频周期(约20ms)往往还未完成,就被扰动改变了相量参数,因此,目前PMU算法不能准确计算这种被中断了的相量值,或者说不能按统一的标准计算这种相量值,计算结果可能随定义和算法的不同而不同,存在不唯一性.这也决定了PMU只适合基于机电暂态模型的电力系统应用,而不适合涉及电磁暂态方程的电力系统高级应用.同样,发电机参数辨识中的次同步参数辨识,需要用电磁暂态方程描述其动态过程,因此不宜采用基于PMU的量测进行发电机次暂态参数的辨识,否则由于次暂态过程中相量的计算没有合理的定义,将导致辨识出的参数误差很大.
PMU不能用于次同步振荡的监测是由于相量算法和频率测量范围造成的.对于次同步振荡,其典型机械振荡频率或功率次同步振荡频率为10~45Hz,对应的电压次同步振荡频率为5~40Hz,其对工频电压幅值调制后,利用三角函数的积化和差公式可转化为两个正弦信号的和,分别为10~45Hz的次同步正弦信号和55~95Hz的超同步正弦信号.而国际和国内标准规定PMU的有效测量范围为45~55Hz[1,10G11],超过该范围的频率即使没有被过滤掉,幅值也将大幅度消减.因此,PMU不适用于次同步振荡的监测.(注:低频振荡的频率范围是0.1~2.5Hz,其对工频进行幅值调制后,利用积化和差公式可转化为两个正弦和信号,其频率范围为47.5~52.5Hz,均在PMU的有效测量范围之内,因此可以由PMU进行低频振荡的监测.)
需要指出的是,虽然PMU不能通过测量交流电气量(包括功率)监测次同步振荡,但若将PMU上送主站频率改为100Hz,则PMU可通过监测机组的机械转速、励磁电压和励磁电流等直流量监测次同步振荡.
2.3现有PMU/WAMS应用于实时广域控制
对于目前已分布于主干电网和主要发电厂的2500多个PMU子站以及39个省级及以上WAMS主站,电网运行人员通常希望其采集到的PMU动态数据可以直接服务于电网的动态过程控制.然而,实际基于PMU数据原理的广域控制应用和项目,例如广域保护、广域直流阻尼控制、基于PSS的广域阻尼控制等基本上都是另外建设PMU数据采集系统和控制主站[12G16],现有的PMU装置和WAMS主站无法得到复用.出现这种情况的主要技术原因在于以下几点.
1)目前PMU数据普遍采用调度数据网传输,基于传输控制协议/网间协议(TCP/IP)的通信协议,其数据传输延时的平均值接近100ms,但是并不确定;因为其采用加性增长和乘性减少(AIMD)拥塞控制算法,随着网络拥塞程度的加大,信息发送速度迅速下降,可能产生秒级或更长时间的延迟.
2)广泛应用的与SCADA同平台的WAMS主站系统的数据缓冲周期普遍超过1s,甚至接近2s,其设计目的主要是用于动态监视,其实时性无法满足大多数广域控制应用的要求.
3)目前PMU普遍采用测量电流互感器(TA),无法兼顾事故中的稳定控制对电流量测精度的要求.
4)对于某些涉及快速暂态过程的特定应用,PMU从原理上无法正确表达快速变化的电磁暂态过程;此外,对于灵活交流输电系统(FACTS)或高压直流的交流回路,某些PMU对谐波处理不好,导致在频率扰动期间,量测中伪振荡成分偏大.
从上述分析可见,已有PMU和WAMS主要是侧重于对电网动态过程的在线监视,其实时性和扰动期间的测量精度,以及可靠性方面还无法达到快速实时广域控制的要求.
针对上述现状,已经开展的基于PMU原理的控制应用通常采取以下措施来解决现存问题.
1)PMU的数据采集部分普遍采用专线替代调度数据网,只有个别基于PSS的广域阻尼控制项目尝试采用调度数据网进行数据采集,但对长数据延迟所造成的控制问题仍未得到很好解决.
2)采用专用的快速响应控制主站替代通用的WAMS主站,其数据缓存和刷新周期约为10ms级.
3)基于PMU的广域控制应用的控制指令下发均采用专线通信.
4)针对大扰动情况下PMU测量精度的问题,很多项目另外加装专门PMU以从保护TA获取录波数据;还有些项目对现有的保护或稳定控制装置进行改造,使其能够基于PMU的原理进行相量计算,从而利用保护和稳定控制的测量资源。可见经过上述措施处理的PMU和WAMS,已在物理资源上与应用于调度监视的PMU有所不同.
2.4现有PMU/WAMS高级应用范围的局限性
目前PMU仍存在以下局限性:①本身原理上不适宜监测快速的暂态过程;②从性价比上考虑,目前不适合准静态的观测;③由于角度误差接近线路两端相角差,不适用于线路参数估计;④现有的用于电网监测的PMU实际并不能被控制应用所利用.
因此从功能上看,PMU/WAMS目前最适合用于电网动态过程监测.在目前已经实施的WAMS高级应用中,引起电网用户普遍重视的有效应用主要是低频振荡和发电机/厂性能监视.但对于地调来说,
一方面其几乎不控制也不评价大型电厂,另一方面地调管辖范围内基本是负荷,受低频振荡影响小,且缺乏解决低频振荡问题的手段,因此几乎没有对低频振荡监视的需求.上述两方面原因决定了目前WAMS的应用功能对于地调而言并非必需的功能,因此,目前WAMS的应用范围还只局限于省级及以上调度.
2.5海量PMU数据对通信和存储资源的占用
随着PMU布点的增多,调度数据网中传送的PMU数据的比例越来越大,PMU长期不间断且高刷新频率的传送,对调度数据网的影响也得以显现.从统计数据上看,WAMS本身收到的数据中断和坏数据发生的频率,也有随量测增多或上送频率变大而增多的趋势.另一方面,调度中心WAMS主站的历史数据库存储的压力越来越大,硬盘空间要连续存储1个月的历史数据,以及长期存储某些高级应用分析结果的要求越来越难以满足,需要频繁扩展历史数据磁盘阵列,同时磁盘发生故障的概率也较高.对所存储的海量历史数据,目前也未找到好的数据挖掘算法对其进行有效利用.因此,需要探讨是否有必要大范围、持续地以50Hz等高频率传输PMU数据.