電力系統(tǒng)頻率監(jiān)測管理系統(tǒng)

適用于智能電網(wǎng)的電力系統(tǒng)頻率監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

PowerSystemsFrequencyMonitoringNetworkApplicabletoSmartGrid肖登明教授上海交通大學電氣工程系2021年9月研討背景國內(nèi)外研討現(xiàn)狀FNET的根本原理FNET的主要功能基于FNET的運用一、研討背景研討背景“十二五〞規(guī)劃綱要強調(diào)要進一步擴展西電東送的規(guī)模，開展特高壓、大容量、高效率、遠間隔的輸電技術，依托先進技術，推進智能電網(wǎng)的建立。大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)使得電網(wǎng)構造更加復雜、分布地域更加廣泛、元件種類更加繁多、動態(tài)行為(如超低頻振蕩、振蕩傳播、暫態(tài)電壓不穩(wěn)定等)也更加復雜。電網(wǎng)正面臨越來越多新的挑戰(zhàn),運轉的穩(wěn)定性分析和監(jiān)測也顯得越來越重要。研討背景我國電力系統(tǒng)長期沿用的是基于部分信息的電力系統(tǒng)控制和維護設計方法以及靜態(tài)平安防御系統(tǒng)的構架。隨著智能電網(wǎng)建立的深化，現(xiàn)有的技術將不能滿足超大規(guī)模電力系統(tǒng)振蕩抑制與控制、系統(tǒng)維護和動態(tài)平安防御的要求。要求有新的技術方法和新的技術手段。研討背景上世紀90年代，基于全球定位系統(tǒng)〔GPS〕的同步相量丈量單元〔PMU〕研制勝利。PMU是用于進展同步相量丈量和輸出以及進展形狀記錄的安裝。主要的功能包括：實時采集電力系統(tǒng)各節(jié)點相角信息；實時記錄電網(wǎng)運轉形狀；經(jīng)過PMU，使得運轉人員可以直接看到系統(tǒng)的運轉形狀，為系統(tǒng)形狀估計、缺點分析以及潮流計算等都提供了新的研討思緒和方法。研討背景但是PMU本錢過高，大規(guī)模推行難度較大：PMU造價不菲；必需安裝在高電壓等級的輸電網(wǎng)中，通常安裝在500kV主變單元內(nèi)，安裝本錢高；需求建立公用的數(shù)據(jù)傳輸通道；基于此，美國田納西大學的劉奕路教授提出建立一個基于互聯(lián)網(wǎng)的低本錢的廣域頻率監(jiān)控網(wǎng)絡(FrequencyMonitoringNetwork，F(xiàn)NET)二、國內(nèi)外研討現(xiàn)狀國內(nèi)外研討現(xiàn)狀FNET始于2000年，初衷是建立一個低本錢、高精度、實時同步并具有廣泛適用性的電力系統(tǒng)廣域頻率監(jiān)控網(wǎng)絡。FNET目前由美國田納西大學劉奕路教授〔IEEEFellow〕擔任和主持，于2003年11月在弗吉尼亞理工大學啟動，并于次年7月在美國12個地點安裝了頻率擾動監(jiān)測安裝〔FDR〕并掛網(wǎng)運轉，獲得了良好的效果。目前曾經(jīng)有接近200個FDR廣泛分布于美國及全球各地。實現(xiàn)了對北美地域電網(wǎng)頻率和相角的實時監(jiān)控，為電網(wǎng)的平安穩(wěn)定發(fā)揚了重要的作用。國內(nèi)外研討現(xiàn)狀圖1.北美地域FDR分布圖國內(nèi)外研討現(xiàn)狀圖2.2021年3月10日由FNET測得的北美地域頻率梯度圖國內(nèi)外研討現(xiàn)狀圖3.2021年3月10日由FNET測得的北美地域相角等位分布圖國內(nèi)外研討現(xiàn)狀FNET的特點：高精度的頻率、相角、電壓等電網(wǎng)運轉數(shù)據(jù)的采集；高速互聯(lián)網(wǎng)橋接，數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)；安裝便利，直接接入220/380配網(wǎng)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；可以像家用電器一樣即插即用，無需額外的安裝費用，本錢低廉；安裝地點靈敏選擇，布置迅速，調(diào)整方便；擴展性強，適用范圍廣；國內(nèi)外研討現(xiàn)狀相比于PMU組建的廣域丈量網(wǎng)，F(xiàn)NET有以下幾點優(yōu)勢：采用了新的設計思緒和算法手段，大幅降低本錢；PMU需求經(jīng)過電壓互感器從高壓端采集信號，F(xiàn)DR不需求，直接接入低壓配網(wǎng)即可實現(xiàn)對頻率數(shù)據(jù)的采集，省去了安裝費用；功能設置比PMU更加豐富，不僅能監(jiān)測系統(tǒng)頻率，還能監(jiān)測相角、電壓的變化；FDR的丈量結果比PMU更加準確可靠，更能實時延續(xù)的反映系統(tǒng)頻率的變化情況；國內(nèi)外研討現(xiàn)狀(a)PMU經(jīng)過濾波處置后的數(shù)據(jù)〔b〕FDR采集的原始數(shù)據(jù)圖4.FDR與PMU丈量得到系統(tǒng)頻率對比不存在截斷誤差國內(nèi)外研討現(xiàn)狀國內(nèi)目前的研討仍停留在采用PMU來構建廣域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：清華大學電機工程系1997年在黑龍江東部電網(wǎng)安裝了7個PMU；山東電網(wǎng)從2005年開場在省內(nèi)九個500kV變電站內(nèi)安裝了PMU，并采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為PMU提供授時信號。評價：未能實現(xiàn)高速的網(wǎng)絡互聯(lián)，短少一個高效的中心管理系統(tǒng)。在功能上主要作為缺點錄波器運用，沒有到達對電網(wǎng)運轉形狀進展廣域在線實時監(jiān)測的目的。我國目前尚沒有高校、科研機構或電力部門對FNET展開系統(tǒng)性研討。國內(nèi)外研討現(xiàn)狀FNET自從在北美地域投入運轉以來，已實現(xiàn)對多個電力缺點的監(jiān)測與分析，使人們初次看到了系統(tǒng)的動態(tài)行為，認識到了以往所沒有的景象和規(guī)律。運轉閱歷闡明，F(xiàn)NET能準確定位系統(tǒng)頻率擾動缺點，在監(jiān)測和解讀電力系統(tǒng)震蕩起到獨特的作用。目前已開展第二代FDR的研制任務，以期進一步提高頻率丈量的精度，消除丈量電壓等級下的噪聲干擾。三、FNET的根本原理FNET的根本原理

FNET的物理構架框架現(xiàn)場采集單元FDRs信息管理系統(tǒng)IMSFNET的根本原理：物理框架頻率擾動監(jiān)測安裝(FDR)組成部分：電壓傳感器低通濾波器模數(shù)轉換模塊〔D/A〕GPS接納安裝數(shù)字信號處置器通訊模塊FNET的實際根據(jù)：物理框架頻率擾動監(jiān)測安裝(FDR)技術參數(shù)：北美額定頻率為60Hz情況下采樣頻率達1440Hz；頻率計算誤差不超越±0.0005Hz；50Hz或60Hz額定頻率自順應，濾波安裝自動匹配；FNET的實際根據(jù)：物理框架頻率擾動監(jiān)測安裝(FDR)安裝方式FNET的實際根據(jù)：物理框架FNET信息管理系統(tǒng)IMS采用基于多層客戶端/效力器的構架模型；便于建摸、協(xié)調(diào)和集成頻率采集處置和展現(xiàn)功能；IMS效力器需求可以支持4種角色：互聯(lián)網(wǎng)客戶效力FDR通訊功能數(shù)據(jù)庫運轉Web效力FNET的實際根據(jù)：物理框架FNET信息管理系統(tǒng)IMS功能：動態(tài)數(shù)據(jù)展現(xiàn)；數(shù)據(jù)集成；數(shù)據(jù)發(fā)掘；特點：采用多層客戶端/效力器構架有助于軟件的開發(fā)；保證數(shù)據(jù)交換的完好可靠；靈敏方便的增刪新的數(shù)據(jù)單元；FNET的實際根據(jù)：構架數(shù)據(jù)傳輸通道采用互聯(lián)網(wǎng)Internet作為數(shù)據(jù)交換的通道；保證了高速性、可靠性、以及快速接入的特點；經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)對頻率數(shù)據(jù)的訪問；針對我國電網(wǎng)的特殊國情，可以采用電網(wǎng)公司內(nèi)部局域網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，也可開發(fā)無線模塊進展數(shù)據(jù)傳輸；FNET的根本原理

FNET的軟件框架與數(shù)據(jù)流向四、FNET的主要功能FNET的主要功能

總體概述：頻率是電力系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一，電力系統(tǒng)許多維護和控制需求準確快速評價區(qū)域系統(tǒng)頻率，它也被常規(guī)地用于發(fā)電機的控制和管理，頻率的快速準確丈量是電力傳輸系統(tǒng)操作的根本要求。FNET是一個實時、延續(xù)、復合的頻率丈量和控制系統(tǒng)，經(jīng)過Internet網(wǎng)絡的高速數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)監(jiān)測。FNET的主要功能

解讀全局頻率動態(tài)信息頻率信息在不同的區(qū)域電網(wǎng)之間并不共享，因此，察看和解讀電力系統(tǒng)全局的頻率動態(tài)信息通常很難實現(xiàn)。經(jīng)過FNET獲取的實時同步的廣域頻率信息給電力系統(tǒng)當局和運轉人員提供了一個窗口，任何地方都可以獲取準實時的系統(tǒng)頻率特征。從全局角度出發(fā)，運用廣域頻率將有助于研討電力系統(tǒng)的動態(tài)特性。FNET的主要功能

擾動事件檢測和事后缺點分析在系統(tǒng)頻率擾動過后，F(xiàn)NET采集的信息能被用于事后分析。這可以協(xié)助解答諸如此類的問題：發(fā)生了什么事？為什么會發(fā)生？未來怎樣防止再發(fā)生？當停電發(fā)生時，如此詳細的頻率信息將用于清查停電的發(fā)源地和停電順序。FNET的主要功能

解讀電力系統(tǒng)震蕩區(qū)域間震蕩和涉及頻率擺動的典型擾動是復雜的物理景象。由于系統(tǒng)的復雜性，系統(tǒng)動態(tài)和震蕩特征依然難以解讀。在監(jiān)測和解讀電力系統(tǒng)機電震蕩的方式和構造方面，F(xiàn)NET能起到獨特的作用。FNET的主要功能

FACTS設備的協(xié)調(diào)與控制對柔性交流輸電〔FACTS〕設備的控制不應僅僅局限于采用電壓控制和運用來自本地的監(jiān)測信號。來自遠處測點的信號，比如偏遠地域的發(fā)電機組，也是我們在FACTS控制中所關注并應予以思索的，其中頻率的動態(tài)特性就是其中的關鍵參數(shù)之一，因其能用于對發(fā)電機的出力控制。即使FACTS設備位于震蕩監(jiān)測的盲區(qū)，F(xiàn)ACTS也能根據(jù)來自其他地域的頻率監(jiān)測信號做出恰當?shù)姆错?。FNET的主要功能

輔助廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定安裝〔PSS〕的控制PSS的目的是減少或者限制區(qū)域震蕩，在瞬態(tài)過程中控制功率的有效途徑是采用閉環(huán)控制回路的遠程信號來抑制震蕩。經(jīng)過FNET，控制器可以設計成根據(jù)本地和遠程信號來動作，從而更加有效的抑制區(qū)域間系統(tǒng)震蕩。FNET的主要功能

改善區(qū)域控制偏向(ACE)的計算方法經(jīng)過采集多點頻率信號，F(xiàn)NET可以用于提高區(qū)域控制偏向的計算精度。尤其是當系統(tǒng)正在閱歷某些擾動，使得頻率在不同點，甚至是在一個相對較小的系統(tǒng)里出現(xiàn)差別時，F(xiàn)NET的作用尤其明顯；進一步地，我們可以利用改善過精度的ACE設計出更加優(yōu)化的減載方案，使系統(tǒng)能更快的恢復正常供電。FNET的主要功能

加速電網(wǎng)系統(tǒng)恢復和缺點定位電網(wǎng)恢復期間，系統(tǒng)能夠解列成幾個孤島。由于大擾動后電力系統(tǒng)能否會構成孤島無法提早預測，因此在電網(wǎng)恢復期間加強各續(xù)存系統(tǒng)的監(jiān)控顯得尤為重要?？焖俣鴾蚀_確實定大型輸電系統(tǒng)的缺點位置是在系統(tǒng)恢復過程中關鍵的第一步。FNET的定位程序可以運用跟蹤擾動并具有GPS時間戳記的FDR數(shù)據(jù)來準確定位停電區(qū)域。FNET的主要功能

加強FDR、PMU和SCADA之間的數(shù)據(jù)交融未來各丈量系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的交融能進一步加強FNET的適用性。每一種丈量方案都有一些其它方案所不具備的特點，因此，分步建立一個合并了每一個丈量方案優(yōu)點的系統(tǒng)就能大大加強系統(tǒng)的動態(tài)可觀測性，從而設計出最優(yōu)化的控制方案以減少系統(tǒng)事故。五、基于FNET的運用基于FNET的運用

總體概述：根據(jù)呼應時間范圍，可以將基于FNET的運用分為實時運用和非實時運用。實時運用是指在接納數(shù)據(jù)后的做出呼應時間為秒級甚至次秒級，非實時運用對呼應時間的要求那么靈敏得多。FNET定義基于快速緩沖存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)運轉的運用為實時運用，而基于任何其它存儲的數(shù)據(jù)運轉的為非實時運用?；贔NET的運用

頻率監(jiān)測平臺在左邊列表中選擇單位并雙擊，那么單位稱號、它的IP地址、銜接形狀以及動態(tài)頻率曲線就顯示出來窗口的下方是以Access數(shù)據(jù)庫的格式顯示的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)棧右側窗口顯示的是FNET實時運用記錄的一天開場以來所發(fā)生的事件基于FNET的運用

頻率監(jiān)測平臺頻率監(jiān)測平臺是一種實時運用。監(jiān)測平臺不僅是FNET系統(tǒng)診斷的重要要素，也是可以把FNET系統(tǒng)晉級成運轉接口的平臺，從而在未來集成為控制中心。電力系統(tǒng)安康情況將以實時的方式與運轉人員交互以便人為介入，預防事件級聯(lián)擴展?；贔NET的運用

檢測頻率擾動事件電力系統(tǒng)頻率變化總是反映了發(fā)電與負荷的不平衡。FNET事件觸發(fā)模塊經(jīng)過延續(xù)掃描FDR的記錄來檢測系統(tǒng)內(nèi)的頻率擾動。FNET的掃描窗口計算10秒寬度內(nèi)數(shù)據(jù)的導數(shù)，當計算結果超越預設限值時，那么闡明電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率擾動。然后事件觸發(fā)模塊自動給運轉人員發(fā)送一個報警信息，并記錄擾動前15秒到擾動后20秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)做出頻率曲線圖?；贔NET的運用

算法闡明基于FNET的運用

檢測頻率擾動事件電力系統(tǒng)頻率變化總是反映了發(fā)電與負荷的不平衡。FNET事件觸發(fā)模塊經(jīng)過延續(xù)掃描FDR的記錄來檢測系統(tǒng)內(nèi)的頻率擾動。FNET的掃描窗口計算10秒寬度內(nèi)數(shù)據(jù)的導數(shù)，當計算結果超越預設限值時，那么闡明電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率擾動。然后事件觸發(fā)模塊自動給運轉人員發(fā)送一個報警信息，并記錄擾動前15秒到擾動后20秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)做出頻率曲線圖?；贔NET的運用

檢測頻率擾動事件2021年9月8日美國、墨西哥發(fā)生大停電事故。系統(tǒng)內(nèi)超越4.3GW的發(fā)電才干退出運轉，影響的居民總人數(shù)超越500萬?；贔NET的運用

頻率擾動事件定位頻率擾動事件發(fā)生之后，觸發(fā)模塊即時呼應，同時事件定位模塊也立刻啟動。事件定位的實現(xiàn)方法是基于抵達時間差〔TDOA〕的幾何三角算法。在不同的測點，頻率擾動的到達時間是不同的，我們可以經(jīng)過印有GPS時標的FDR數(shù)據(jù)來確定缺點發(fā)生的時間、地點。基于FNET的運用

算法闡明當缺點事件發(fā)生時，F(xiàn)DR監(jiān)測點的位置和擾動信號的波前到達時間都是知量。缺點發(fā)生的位置〔xe，ye〕以及缺點發(fā)生的時間點te是未知的。缺點信號的傳播速度v也是未知量.圖7.牛頓算法表示圖基于FNET的運用

算法闡明圖7.牛頓算法表示圖

基于FNET的運用

算法闡明圖7.牛頓算法表示圖

結合求解以上公式即可得到缺點點的地理位置信息〔xe，ye〕以及缺點發(fā)生時間te?；贔NET的運用

頻率擾動事件定位2007年8月6日北美地域的一次切機甩負荷事件。紅圈是估算的位置，其坐標是(39.05o,-81.86o)，而實踐的坐標是(38.51o,81.89o)，事件期間估算的電力損失為1037MW，實踐上是1298MW。基于FNET的運用

頻率擾動事件定位由于事件位置和丈量點之間的電氣間隔與幾何間隔是有差別的，因此存在一定的丈量誤差，但從實踐運轉情況來看，該方法曾經(jīng)證明是非常有效和準確的。從電網(wǎng)運轉部門獲得電網(wǎng)的電路圖和模型是特別難的，假設可以獲取這些信息，那么FNET事件定位模塊就能改善坐標精度，提高定位準確性?；贔NET的運用

區(qū)域間震蕩觸發(fā)電力系統(tǒng)震蕩是FNET重點關注的研討對象，能夠與系統(tǒng)內(nèi)的切機和甩負荷事件息息相關。為此，F(xiàn)NET系統(tǒng)創(chuàng)建了一個單獨的通道來處置系統(tǒng)震蕩數(shù)據(jù)。得益于FNET采集到的高精度信號，F(xiàn)NET可以從相角和頻率兩方面對電力系統(tǒng)震蕩進展監(jiān)測?；贔NET的運用

區(qū)域間震蕩觸發(fā)2003年發(fā)生在佛羅里達州的一次區(qū)間震蕩的頻率和相應的相角記錄。事件期間總的頻率偏向大約是0.34Hz，總的角度偏向接近99度?；贔NET的運用

區(qū)域間震蕩觸發(fā)震蕩觸發(fā)模塊掃描傳入的數(shù)據(jù)記錄當出現(xiàn)以下判據(jù)時FNET斷定系統(tǒng)發(fā)生震蕩：相角上下震蕩的幅度超越一定的閾值；相角上下震蕩的最大值與最小值只差超越閾值；FNET是如何判別系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了震蕩？基于FNET的運用

區(qū)域間震蕩模態(tài)分析當震蕩觸發(fā)模塊收到震蕩數(shù)據(jù)后，區(qū)間震蕩模態(tài)分析模塊開場自動進展處置；采用的方法：矩陣約束法(Thematrixpencilapproach)不受噪聲干擾為準確的模態(tài)分析分解重構系統(tǒng)信號；經(jīng)過共享數(shù)據(jù)確定來自不同監(jiān)測位置的主震蕩方式，并計算出主震蕩的的振幅和相角，繪出區(qū)域間震蕩圖形?；贔NET的運用

區(qū)域間震蕩模態(tài)分析柱的顏色表征所在丈量點的震蕩角度方向柱的高度與震蕩強度成正比基于FNET的運用

區(qū)域間震蕩模態(tài)分析從圖中可以看出，美國東部電網(wǎng)被分割為兩塊，系統(tǒng)震蕩從東北和西北地域朝東南地域傳播蔓延。經(jīng)過對FNET采集到的數(shù)據(jù)進展分析，可以看到三個