專利名稱：靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)計一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的廣域電網(wǎng)是地理上的概念，它由發(fā)電機、變電站及重要節(jié)點組成，其最小單位是省網(wǎng)，再上一級為區(qū)域網(wǎng)(如華東、華北、華中)，再上一級為全國互聯(lián)電網(wǎng)。廣域電網(wǎng)測量系統(tǒng)(WAMS)主要由位于廠站端同步相量測量裝置(PMU)、通信系統(tǒng)和位于調(diào)度中心的數(shù)據(jù)采集中心組成，其簡化結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。借助于全球定位系統(tǒng)GPS的精確對時功能，由各個PMU采集到的帶時標的相角、電壓等信息通過以太網(wǎng)接入現(xiàn)場局域網(wǎng)，再通過光纖連接到調(diào)度中心，以太網(wǎng)和光纖的快速傳輸能力保證了實時性的要求，使得調(diào)度中心能夠?qū)崟r得到各個被測量點電壓、相角的準確值。其工作模式為各個PMU固定安裝于現(xiàn)場，長期在線監(jiān)測。廣域電網(wǎng)測量系統(tǒng)(WAMS)主要實現(xiàn)如下功能(1)測量發(fā)電機功角和母線相角，實時進行電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析與控制。( 全網(wǎng)動態(tài)過程事故記錄及事故分析。安裝在各地的PMU可以在全網(wǎng)同一時間參考下記錄電網(wǎng)的動態(tài)過程。(3)穩(wěn)態(tài)分析PMU可以和現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)相結(jié)合提高系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度。廣域電網(wǎng)測量系統(tǒng)(WAMS)的主要特點和關(guān)鍵技術(shù)在于(I)WAMS具有固定組網(wǎng)的模式。目前，WAMS中的PMU裝設(shè)不再移動，永久地只在線監(jiān)測該節(jié)點的相量，現(xiàn)場需要安裝PMU屏柜。(2)網(wǎng)絡(luò)拓撲及節(jié)點信息不易改變。因為WAMS的監(jiān)測對象不變，所以其對應的網(wǎng)絡(luò)拓撲及節(jié)點信息不用改變，該信息一般由廠家在監(jiān)測系統(tǒng)的軟件中預先裝入，用戶的人員不能進行修改或重設(shè)。(3)高速數(shù)據(jù)通道及海量信息存儲技術(shù)。為了滿足大量實時數(shù)據(jù)的測量、存貯和對外發(fā)送，必須具有高速信息通道及海量信息存儲技術(shù)。一般不注意考慮所用通信方式的靈活性與方便性。(4)廣域測量的同步技術(shù)。所有PMU均以精確的同步時鐘信號(如GPS)作為采樣過程的基準，采樣脈沖的同步誤差一般在士ly s左右。廣域電網(wǎng)測量系統(tǒng)(WAMS)測得的是電力系統(tǒng)的相量，它們對分析電力系統(tǒng)的故障或異常具有很高的價值。電力系統(tǒng)在任何時候、任何地方都有可能發(fā)生故障或異常，因此按照現(xiàn)有的WAMS固定組網(wǎng)方式，系統(tǒng)的大部分節(jié)點都安裝PMU才能監(jiān)測到整個系統(tǒng)出現(xiàn)的故障或異常。所以，按照目前WAMS的方式發(fā)展下去，就必須使監(jiān)測點覆蓋整個電網(wǎng)，監(jiān)測點的數(shù)量非常多，成本太高，電力系統(tǒng)是無法承擔如此高額費用的，而且龐大的WAMS系統(tǒng)的信息量太大，會造成“海量信息”效應，反而使有效信息提取困難，不利于問題的分析與決策。
由于上述問題的存在，使得具有很好理念的WAMS實際上只獲得很少的應用。WAMS 目前只是應用在電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)中，而且裝設(shè)PMU節(jié)點的比例極低，主要用作對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的輔助手段，事實上對于輸電系統(tǒng)的大部分節(jié)點都還沒有裝設(shè)PMU。與輸電系統(tǒng)相比，在電力系統(tǒng)中配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為龐大和復雜，更容易出現(xiàn)異常和故障，WAMS 技術(shù)在配電系統(tǒng)中具有更廣闊的應用價值，而現(xiàn)在的事實是WAMS在配電系統(tǒng)中基本還沒有獲得應用。因此如何克服現(xiàn)有WAMS的缺點，使得相量測量技術(shù)在整個電力系統(tǒng)獲得普遍應用，具有極大的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，用以解決廣域電網(wǎng)測量系統(tǒng)(WAMS)存在的問題。技術(shù)方案是，一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，其特征是所述方法包括些列步驟步驟1 根據(jù)廣域電網(wǎng)出現(xiàn)的故障或者異常及其發(fā)生的區(qū)域，確定被測電網(wǎng)；步驟2 建立被測電網(wǎng)的拓撲模型；步驟3 根據(jù)拓撲模型，對被測節(jié)點進行布局優(yōu)化；步驟4 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在被測節(jié)點布設(shè)可移動相量測量單元；步驟5 可移動相量測量單元同步采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理，得到采樣數(shù)據(jù)；而后，將采樣數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心平臺；步驟6 中心平臺收到采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析并保存分析結(jié)果。所述建立被測電網(wǎng)的拓撲模型具體是根據(jù)被測電網(wǎng)的主接線圖表示的各設(shè)備圖元之間的連接關(guān)系，利用深度優(yōu)先搜索算法逐步搜索，將最終的搜索結(jié)果組成被測電網(wǎng)的拓撲模型。所述可移動相量測量單元同步采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理具體包括步驟101 可移動相量測量單元同步采集被測節(jié)點的電流信號和電壓信號；步驟102 對被采集的信號進行相位調(diào)節(jié)，對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)的信號進行放大處理， 對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)和放大處理的信號進行低通濾波；步驟103 在同步采樣波形的控制下，將步驟102處理后的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；步驟104 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號附加時間信息，然后送入通信端口或存入數(shù)據(jù)存儲器。所述進行數(shù)據(jù)分析具體是對采樣數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到被測電網(wǎng)的頻域信息，然后再對頻域信息作對稱分量分析，得到被測節(jié)點的電壓和各支路電流量的基波以及各次諧波的正序分量、負序分量和零序分量。本發(fā)明根據(jù)廣域電網(wǎng)的故障或者異常，確定被測電網(wǎng)范圍，利用布局優(yōu)化算法，布設(shè)相量測量單元，然后獲取并分析測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)相量的靈活測量，既避免了整個電網(wǎng)布設(shè)相量測量單元產(chǎn)生的成本過高的問題，又解決了相量測量單元過多導致的信息量過大的問題。


圖1是廣域電網(wǎng)相量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法流程圖；圖3是被測電網(wǎng)的電網(wǎng)主接線圖；圖4是可移動相量測量單元工作原理圖；圖5是通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。本發(fā)明的設(shè)計思路是由于絕大部分時間里電力系統(tǒng)(電網(wǎng))處于正常狀態(tài)，既無異常又無故障，只是在個別時間里在個別地點可能出現(xiàn)異?；蚬收?。電力系統(tǒng)的日常工作， 可以通過多種途徑發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障或異常，如通過SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)的異常現(xiàn)象，巡視人員發(fā)現(xiàn)變電站內(nèi)供電設(shè)備出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，工作人員發(fā)現(xiàn)局部電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)不明原因異?；蚬收系?。上述各種途徑取得的信息只是表面現(xiàn)象，這些都無法有效、準確的分析問題產(chǎn)生的原因。此時，一旦發(fā)現(xiàn)或懷疑電網(wǎng)某處存在故障或異常，那么在大部分情況下問題應該存在于它周邊的局部電網(wǎng)內(nèi)，此時可在該局部電網(wǎng)合理地設(shè)置若干臨時測量點并接入可移動廣域電網(wǎng)相量測量單元，根據(jù)現(xiàn)場的實際條件選擇使用“靈活通信網(wǎng)絡(luò)”，設(shè)置并啟動“中心平臺”的系統(tǒng)參數(shù)和監(jiān)測任務(wù)， 便可利用“靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法”進行一次檢測。合理設(shè)置監(jiān)測的時間段及同步采樣的密度，從而可以捕捉足夠的高有效率的同步狀態(tài)信息，為電力系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚬收显虻牟檎姨峁┮罁?jù)。等該次臨時監(jiān)測任務(wù)完成后，可將臨時裝設(shè)的靈活的廣域電網(wǎng)相量測量系統(tǒng)收回，完成本次監(jiān)測任務(wù)。待以后電力系統(tǒng)中出現(xiàn)新的故障或異常時，使用相同的方法在局部電網(wǎng)組成進行新的監(jiān)測。圖2是靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法流程圖。圖2中，靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，包括步驟1 根據(jù)廣域電網(wǎng)出現(xiàn)的故障或者異常及其發(fā)生的區(qū)域，確定被測電網(wǎng)。電力系統(tǒng)(電網(wǎng))在絕大部分時間處于正常工作狀態(tài)，日常工作中，可以通過多種途徑發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的故障或異常，如通過SCADA系統(tǒng)反映的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、巡視人員發(fā)現(xiàn)的供電設(shè)備的異?，F(xiàn)象、工作人員發(fā)現(xiàn)局部電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)的不明原因的異常情況。一旦發(fā)現(xiàn)或懷疑電網(wǎng)某處存在故障或異常，那么在大部分情況下，問題應該存在于它周邊的局部電網(wǎng)內(nèi)。將問題可能存在的局部電網(wǎng)作為被測電網(wǎng)。步驟2 建立被測電網(wǎng)的拓撲模型。在本發(fā)明中，被測電網(wǎng)的拓撲模型由中心平臺負責建立。中心平臺存儲有與電網(wǎng)元件對應的圖形化元件庫，包括變壓器、輸電線、母線、斷路器等元件。利用實際被測電網(wǎng)的電網(wǎng)主接線圖(圖3所示)，根據(jù)主接線圖表示的各設(shè)備圖元之間的連接關(guān)系，使用深度優(yōu)先搜索算法逐步搜索，將最終的搜索結(jié)果組成被測電網(wǎng)的拓撲模型。步驟3 根據(jù)拓撲模型，對被測節(jié)點進行布局優(yōu)化。搭建好被測電網(wǎng)拓撲模型后，確定被測電網(wǎng)中的被測節(jié)點。利用“保證被測電網(wǎng)全網(wǎng)可觀測”的計算方法，對被測節(jié)點進行布局優(yōu)化，得到可移動相量測量單元的優(yōu)化布局方案，實現(xiàn)可移動相量測量單元的優(yōu)化布局。如圖3所示，優(yōu)化布局方案只需在被測節(jié)點2裝設(shè)可移動相量測量單元，測量被測節(jié)點2的電壓相量和被測節(jié)點2所有的進出線的電流相量，其余被測節(jié)點1、被測節(jié)點3和被測節(jié)點4處的電壓相量可經(jīng)計算得出，這樣裝設(shè)1臺可移動相量測量單元就可測得整個被測電網(wǎng)狀態(tài)。若不經(jīng)過布點優(yōu)化布局，可能得不到最優(yōu)配置方案，例如，若不在被測節(jié)點 2裝設(shè)可移動相量測量單元，則需在被測節(jié)點1、被測節(jié)點3和被測節(jié)點4裝設(shè)共3臺可移動相量測量單元才能監(jiān)測整個被測電網(wǎng)的狀態(tài)。步驟4 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在被測節(jié)點布設(shè)可移動相量測量單元。可移動相量測量單元配置多種信號采集方式，對被測電網(wǎng)的電流信號拾取采用寬量程線性鉗形電流互感器，使得測量時無需打開被測的電流回路；對被測電網(wǎng)的電壓信號采用夾、卡、片等各種電壓信號拾取接入端子，無需松動原有電壓端子即可接入，然后經(jīng)過小型PT(電壓互感器)進行電壓信號的隔離轉(zhuǎn)換。這種靈活的信號采集方式能夠?qū)崿F(xiàn)對被測電網(wǎng)的無干擾接入。步驟5 可移動相量測量單元采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理，得到采樣數(shù)據(jù)；之后，將采樣數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心平臺。圖4是可移動相量測量單元工作原理圖，圖4中，可移動相量測量單元采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理具體包括步驟101 可移動相量測量單元采集被測節(jié)點的電流信號和電壓信號。步驟102 對被采集的信號進行相位調(diào)節(jié)，對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)的信號進行放大處理， 對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)和放大處理的信號進行低通濾波。相位調(diào)節(jié)可以提高不同相量測量單元之間所測相量的相角同步精度。放大處理可根據(jù)被測信號實際大小對其進行最合適放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，使得被測信號在較寬范圍內(nèi)都有較好的測量精度，具有自適應寬量程的特點。低通濾波用于濾除高頻干擾，提高測量精度。步驟103 在同步采樣波形的控制下，將步驟102處理后的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。數(shù)字化過程使用具有16位多通道輸入高速A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有采樣保持電路。在同步采樣波形的控制下，A/D轉(zhuǎn)換器將步驟102處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量?？梢允褂镁哂蠫PS接收功能的設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號，并輸出秒脈沖。同時使用復雜可編程邏輯器，在具有GPS接收功能的設(shè)備輸出的秒脈沖的觸發(fā)下，輸出與秒脈沖同步的同步采樣波形。步驟104 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號附加時間信息，然后送入通信端口或存入數(shù)據(jù)存儲器。時間信息可以從具有GPS接收功能的設(shè)備接收的GPS衛(wèi)星信號中獲得。將采樣輸出的數(shù)字信號附加時間信息，用于中心平臺的的數(shù)據(jù)分析。圖5是通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖。圖5中，布設(shè)的各個可移動相量測量單元將采集并經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心平臺。其中，通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際情況，可采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，包括局域網(wǎng)(傳輸介質(zhì)為光纖、電話線等)、GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)、 485總線等。
步驟6 中心平臺收到采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析并保存分析結(jié)果。中心平臺安裝相量測量數(shù)據(jù)分析軟件，該軟件用于對采樣數(shù)據(jù)進行分析，包括對采樣數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到被測電網(wǎng)的頻域信息，然后再對頻域信息作對稱分量分析，得到被測節(jié)點的電壓和各支路電流量的基波以及各次諧波的正序分量、負序分量和零序分量。采樣數(shù)據(jù)分析的結(jié)果存儲在中心平臺的數(shù)據(jù)庫中。中心平臺還提供標準的外部應用接口，通過標準的外部應用接口，外部程序可以訪問采樣數(shù)據(jù)、快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)以及對稱分量分析后的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)對被測電網(wǎng)進行深入的數(shù)據(jù)挖掘，包括被測電網(wǎng)諧波特性分析、被測電網(wǎng)狀態(tài)估計等。該軟件還可以把采集數(shù)據(jù)上載到被測電網(wǎng)拓撲圖上顯示，分析問題更直觀。本發(fā)明根據(jù)電網(wǎng)中的異?；蛘吖收洗_定被測電網(wǎng)，利用優(yōu)化布局方法在被測節(jié)點接入可移動相量測量單元進行電網(wǎng)相量的采集，并通過多種通信網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到中心平臺進行分析，與現(xiàn)有廣域電網(wǎng)測量方法固定相量測量單元的組網(wǎng)方式相比，避免大量布設(shè)固定相量測量單元造成的成本過高，數(shù)據(jù)中心處理數(shù)據(jù)量過大的問題。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，其特征是所述方法包括些列步驟 步驟1 根據(jù)廣域電網(wǎng)出現(xiàn)的故障或者異常及其發(fā)生的區(qū)域，確定被測電網(wǎng)； 步驟2 建立被測電網(wǎng)的拓撲模型；步驟3 根據(jù)拓撲模型對被測節(jié)點進行布局優(yōu)化； 步驟4 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在被測節(jié)點布設(shè)可移動相量測量單元； 步驟5 可移動相量測量單元同步采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理，得到采樣數(shù)據(jù)；而后，將采樣數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心平臺；步驟6 中心平臺收到采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析并保存分析結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，其特征是所述建立被測電網(wǎng)的拓撲模型具體是根據(jù)被測電網(wǎng)的主接線圖表示的各設(shè)備圖元之間的連接關(guān)系，利用深度優(yōu)先搜索算法逐步搜索，將最終的搜索結(jié)果組成被測電網(wǎng)的拓撲模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，其特征是所述可移動相量測量單元同步采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理具體包括步驟101 可移動相量測量單元同步采集被測節(jié)點的電流信號和電壓信號； 步驟102 對被采集的信號進行相位調(diào)節(jié)，對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)的信號進行放大處理，對經(jīng)過相位調(diào)節(jié)和放大處理的信號進行低通濾波；步驟103 在同步采樣波形的控制下，將步驟102處理后的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 步驟104 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號附加時間信息，然后送入通信端口或存入數(shù)據(jù)存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法，其特征是所述進行數(shù)據(jù)分析具體是對采樣數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到被測電網(wǎng)的頻域信息，然后再對頻域信息作對稱分量分析，得到被測節(jié)點的電壓和各支路電流量的基波以及各次諧波的正序分量、負序分量和零序分量。
全文摘要
本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中的一種靈活的廣域電網(wǎng)相量測量方法。包括根據(jù)廣域電網(wǎng)出現(xiàn)的故障或者異常及其發(fā)生地區(qū)，確定被測電網(wǎng)；建立被測電網(wǎng)的拓撲模型；根據(jù)拓撲模型對被測節(jié)點進行布局優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在被測節(jié)點布設(shè)可移動相量測量單元；可移動相量測量單元同步采集被測電網(wǎng)的信號并進行處理，得到采樣數(shù)據(jù)；而后，將采樣數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心平臺；中心平臺收到采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析并保存分析結(jié)果。本發(fā)明實現(xiàn)了電網(wǎng)相量的靈活測量，降低了電網(wǎng)布設(shè)成本和采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息量過大的問題。
文檔編號G06F17/00GK102183685SQ201110058318
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者梁志瑞, 牛勝鎖, 蘇海鋒 申請人:華北電力大學(保定)