3.2 国内外技术与产业发展现状

3.2.1 继电保护国内外技术与产业发展现状

鉴于交流保护和直流保护技术、产业的不同，下文将分类介绍交流保护技术、直流保护技术及其产业的发展现状。

1.交流保护技术和产业发展现状

交流保护的技术分为两类，即工频量保护和暂态量保护。前者利用工频分量构成保护，后者利用非工频暂态分量构成保护。工频量保护目前在电力行业中已经普遍应用。其中，差动保护、基于R-L模型的保护、工频突变量保护已被厂商采用，技术最为成熟，下面分别介绍。

（1）纵联差动保护 基于差动保护原理的保护装置已逐渐成为电力系统继电保护中大多数元件的主保护。例如，我国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的1000kV交流输变电工程晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程在2009年1月6日22时，顺利通过168h试运行。其1000kV特高压输电线路、特高压变压器继电保护配置电流差动保护。其线路保护主要配置为：晋东南—南阳采用CSC101A+RCS903A、CSC125A+RCS921A；南阳—荆门采用CSC103A+RCS902A、CSC125A+RCS921A。其中，北京四方继保自动化股份有限公司（北京四方继保）的CSC103A和南京南瑞继保电气有限公司（南瑞继保）的RCS921A均为纵联电流差动保护产品。其特高压变压器保护配置为：南瑞继保RCS-978HB/RCS-978C3/RCS-974FG+国电南京自动化股份有限公司（国电南自）SGT756/SGT756T/FST-BT500；国电南自SGT756/SGT756T+南瑞继保RCS-978HB/RCS-978C3。

因不同设备或系统（线路、变压器、母线）故障后的故障暂态特性存在差别，因此，相应的差动保护判据表达式和所受影响因素也不同。为提高灵敏性，实用中差动保护普遍采用浮动的制动特性。

特别地，式（3-1）采用的是全电流。其相应的电流，可采用故障分量，从而构成故障分量差动保护。

在实际应用中，影响电流差动保护灵敏度及可靠性的因素较多。差动保护应用于线路保护时，主要受线路电容电流、电流互感器（TA）饱和的影响；应用于变压器保护时，主要受励磁涌流的影响。下述将简单介绍解决上述问题的技术和产业的进展。

1）线路电容电流的影响。线路分布电容在线路空载、空载合闸、内部故障、外部故障时均会影响故障暂态过程中计算出的电流相量精度，而且其电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，从而直接影响差动保护的灵敏度和可靠性。

针对线路电容电流，目前主要采取两个方面的措施：一是从保护方案的选择和保护定值的整定入手，选取受电容电流影响小的保护方案，并针对电容电流衰减特性，自适应地调整保护判据和定值；二是采取电容电流补偿措施，把动作电流中的电容电流分量完全补偿。常用补偿方法有全补偿和半补偿两种。实际中，“半补偿”被广泛采用。

2）TA饱和对电流差动保护的影响。在多端、强电源、短线路严重故障时，高压线路保护TA饱和时可能引起电流差动保护在区内故障时延时动作，区外故障时误动作。

解决上述问题的关键是检测TA是否饱和，然后在TA饱和时，抬高保护的制动系数。代表性检测方法如下：三菱公司的MBP-D母线差动保护采用波形识别方法，南瑞继保915型保护采用自适应阻抗加权制动和谐波制动，国电南自WMZ-41型和北京四方继保分布式母线差动采用差动动作时刻和TA饱和时刻不一致构成检测，ABB的REB500采用静态最大值保持法等。这些方法从本质上都是基于对TA饱和时二次电流和励磁电流的波形特征的识别和提取，其中时差法最为简单可靠。目前，针对TA极度饱和时，时差法存在误判TA不饱和的可能，还提出了利用小波技术鉴别起动时刻的新方法。

3）励磁涌流对电流差动保护的影响。励磁涌流对于差动保护影响巨大。目前主要采用鉴别方法闭锁差动保护的策略。其鉴别方法可分为两类：一是仅依靠电流量进行判别，以识别电流波形特征为主要依据，如二次谐波制动、间断角原理、波形对称、虚拟三次谐波制动原理等方法；二是同时利用电压量和电流量进行判别，如基于变压器电路方程、基于磁通特性、基于励磁阻抗变化和等效瞬时电感变化等方法。

例如，美国SEL的变压器保护产品中587/787系列产品主要采用二次、四次和五次谐波制动来抑制空投变压器和变压器过励磁条件下的励磁涌流导致的保护误动。国内厂家如南瑞继保、许继电气股份有限公司（许继电气）、北京四方继保等都是应用二次谐波判别和波形判别的差动保护。如北京四方继保的CSC-326系列数字式变压器保护装置、南瑞继保的RCS-978系列数字式变压器保护装置、国电南自的PST-1200系列数字式变压器保护装置、许继电气的WBH-800A系列微机变压器保护装置。

（2）基于R-L模型的保护 在假定输电线路可用集中参数的R-L等效电路来表征的基础上，利用解微分方程确定阻抗的方法，称为R-L模型算法。该方法具有不必滤除非周期分量，算法总时间数据窗短，不受电网频率变化的影响等优点，因此，在线路距离保护中得到了广泛应用。但是，该算法存在忽略分布电容的高频分量，使阻抗计算误差较大的问题。为解决上述问题，避免暂态超越, 基于R-L模型算法的距离保护采用了反时限动作特性。为克服针对中远端故障反时限特性的缺陷, 学者们又提出了各种改进措施，如基于波形系数的自适应距离保护、基于噪声估计的自适应距离保护、基于模型参数的二次估计算法、利用专用有限冲击响应数字滤波器配合R-L模型算法的阻抗计算方法、基于时域线性微分方程参数识别的计算方法等。

基于R-L模型的微分方程算法在国内也得到了比较普遍的应用。基于微分方程距离保护中具有代表性的为北京四方继保的CSC100系列，其配合使用短数据窗的窄带通滤波器，可得到很高的精度，同时还保留了不受电网频率变化影响的优点。利用其原理实现了四边形的阻抗动作特性，该特性既可以有效防止相邻线路出口经过渡电阻接地时的超越，又可以在区内经较大过渡电阻接地时保证可靠动作，还可以在振荡闭锁期间通过减小R方向的数值降低振荡的影响。

（3）工频突变量保护 工频突变量保护利用反应50Hz工频电气变化量构成保护，其变化量为故障前后状态之差，即认为故障后符合叠加原理，故障后状态为故障前状态和故障状态之和。该方法于20世纪80年代推出，有比相式的突变量距离保护、工频突变量方向保护、反应补偿电压幅值相位变化的工频变化量距离继电器等。

在保证安全性的前提下，工频突变量保护能自适应过渡电阻的变化，比反应补偿电压相位突变的继电器具有更大的耐过渡电阻能力；且因其比相式的动作判据易由半周积分实现，因而能以特高速切除对系统稳定威胁最大的出口故障，并能自适应系统运行方式、振荡和串补线路，进而获得了广泛的应用。其中代表性的产品为南瑞继保的RCS900系列。

（4）交流继电保护产业状况 自20世纪90年代初开始，以我国科研院所开发的微机型继电保护装置为突破点，具有自主知识产权的电力自动化设备和系统相继开发成功，电力自动化行业由此进入了国产化时代，尤其在电网自动化领域，国产高压线路保护、调度自动化系统、变电站综合自动化等装置和系统迅速得到应用和推广。与此同时，在国家政策指导和支持下，国内企业加强与科研院所的合作，加大研发投入力度，不断推出具有自主知识产权的技术和产品。目前，在继电保护领域，具备自主知识产权的国内企业已成为行业主力军，并占据着大部分的市场份额。在国外，继电保护设备的制造商均为具有多年设备制造经验的国际知名企业，如ABB、西门子（Siemens）和美国通用电气公司（GE）等，但在国内的继电保护市场中并不具有竞争优势。主要原因有：一是由于国外的继电保护产品难以满足我国电网对保护控制原理设计高可靠性的需求；二是其产品价格和售后服务成本相对较高。近年来，我国的继电保护装置技术水平不断提高，我国自主研制的微机保护设备已经发展到以数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）为核心器件的新一代产品阶段，在保护原理、保护技术方面已达到世界领先水平。

从国内继电保护领域已经形成的市场竞争态势来看，业内厂商之间的竞争结果已经使得整个继电保护市场形成了高端市场和中低端市场两个不同竞争态势的市场领域。

高端市场即高压电网领域（220kV及以上电压等级），由于技术门槛较高，现已基本上形成许继电气、南瑞继保、北京四方继保、国电南瑞科技股份有限公司（简称国电南瑞）、国电南自及深圳南瑞科技有限公司（简称深圳南瑞）等几大国内厂商相对垄断的局面，并形成了基本稳定的竞争格局。根据中国电器工业协会继电保护及自动化设备分会数据显示，2007年之后220kV及以上交流系统国产继电保护市场占有率均超过93%，±500kV及以上直流系统继电保护已实现全部国产化。目前，高压电网交流继电保护设备制造厂商产品市场占有率如图3-7所示。其中，南瑞继保、许继电气、国电南自、北京四方继保四大国内厂家占有保护市场的85.12%份额；国内其他公司占14.88%。主要国外厂家继电保护市场占有率为：ABB公司占56.68%，Alstom公司占20.54%，GE公司占9.45%，国外其他公司占13.33%。

特别地，2011年前四次二次设备中标国家电网的结果表明，按照中标金额计算的市场份额排序如下，南瑞继保占24.88%，北京四方继保占17.45%，国电南自占15.72%，许继电气占13.21%，深圳南瑞占9.90%，国电南瑞占7.23%，东方电子占5.26%，如图3-8所示。

中低端市场即中低压电网领域（110kV及以下电压等级），由于技术门槛相对较低，国内存在着数量众多的继电保护设备生产厂商，如东方电子、金智科技、积成电子、磐能科技、万力达、德威特等，市场竞争日趋激烈。

2. 直流系统保护技术和产业发展现状

直流保护所保护的设备包括换流阀、直流场设备（包括平波电抗器、极母线、中性母线）、直流线路、接地极引线以及换流变压器。直流输电系统发生的典型故障及其基本特点见表3-5。

以直流线路保护为例，经典的直流线路保护是以电压导数法为主保护，线路纵差保护、直流欠电压保护作为后备保护。电压导数和电压水平法的原理是直流故障下直流电压在很短的时间内下降到很低的水平。此保护可以在2～3ms内检测到故障，检测部分由电压导数部分、低电压水平部分和电流差值部分共同决定保护是否动作。实际应用中需考虑延时、通信故障等因素。除电压保护导数法以外，还有利用极母线电流和接地极引线电流检测行波的行波法。例如，三峡—常州500kV直流输电工程直流线路保护按照两套主保护（行波法和电压导数法）进行配置。

在直流保护领域，国外具有代表性的直流继电保护设备厂家为西门子和ABB公司。

ABB公司的MACH2型高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）输电线路全数字式控制系统在多处直流站使用。其直流线路保护主要采用行波保护原理构成。

目前，西门子公司的直流保护主要是SIMADYND系统，其应用实例包括德国的Etzenricht、奥地利东南的HVDC输电线路和美国的Welsh等。其保护判据之一也是行波保护。

国内针对特高压直流系统的保护，南瑞继保研制了PCS9500和PCS9550产品。南瑞继保的PCS9550直流控制保护系统，在消化吸收引进技术的基础上，自主创新，自主设计、制造并已成功运用于国内多个重点直流工程。该系列产品拥有众多超越性的技术成果，申请了10多项发明专利。

许继电气研制出了拥有自主知识产权和具备世界先进水平的换流站成套直流控制保护系统DPS-2000，已应用于云广±800kV特高压直流工程。

北京四方继保的直流保护系统，是基于ABB最新的且经过多个工程验证的DCC800/MACH2.1平台技术，并结合自身交流保护产品及监控平台的优势，根据国内需求开发的高压直流输电控制保护系统。

3.2.2 电子式互感器与数字化变电站的技术和产业发展现状

1. 电子式互感器技术与产业发展现状

保护信号的测量装置，从传统的电磁型互感器，发展到电子式互感器。电子式电流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）、电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）在IEC 60044-8中是这样定义的：一种装置，由连接到传输系统和二次系统的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量，供给测量仪器、仪表、继电保护和测量控制装置，其通用框图如图3-9所示。

电子式互感器的显著优点有：通过由绝缘材料做成的玻璃光纤传输高压信息，对绝缘强度要求较低，造价一般随电压等级呈线性增加，相对成本较低；不包含铁心，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，运行暂态响应好，具有宽频带性能；抗电磁干扰性能好，低压侧没有开路和短路危险，保证了设备以及工作人员的安全；测量精度较高，既可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除多个电磁式电流互感器的冗余需求；不会因充油而存在易燃、易爆等危险；体积小，重量轻，节约空间，适应电力设备向集成化方向发展的趋势；适应计量和保护数字化以及微机化和自动化发展的潮流。

电子式互感器的研究起始于20世纪60年代初，经过40余年的广泛研究，已得到很大的发展。

电子式互感器可分为有源型和无源型两种，在高电压侧不需要电源的称为无源电子式互感器；与之相反，在高电压侧需要电源的称为有源电子式互感器。由于无源电子式互感器在高压侧不需要电源，可靠性较高，无疑是最为可取的下一代互感器。下面将重点介绍无源电子式互感器的技术和产业的发展。

（1）无源电子式电流互感器 无源电子式电流互感器多采用法拉第效应，即所谓的磁光效应，故称为磁光式电流互感器（Magneto-Optic Current Transformer, MOCT）。磁光式电流互感器有两大类：一类是全光纤式的，其光纤本身就是传感元件；另一类是混合式的，它的传感头是一块玻璃晶体，光纤只起传输光信号的作用。

所谓全光纤型电子式电流互感器，是指传光部分、传感部分都采用光纤，其中光纤一般选用单模光纤。从原理上讲可分成光纤干涉型与全光纤Faraday效应型两类。光纤干涉型电流互感器有利用全光纤Mach-Zechnder干涉仪的，也有利用全光纤Sagnac干涉仪的。但光纤型电子式电流互感器中最有代表性的还是基于法拉第磁光效应的型式，称之为全光纤MOCT。其传感头的优点是结构简单、灵敏度可随光纤长度变化等。但在实现接入电网时，提高准确度与长期稳定性的理论与实践问题很复杂，需在理论与工艺性能等方面开展深入研究。

所谓混合型MOCT，是指传光采用光纤、传感采用磁光材料，传感一般采用磁光玻璃。可以通过仔细选择传感头的光学材料与结构，制作出高性能的MOCT。比较常用的结构形式是将磁光材料做成围绕电流的闭合环形块状物体，它的测量结果不受外界杂散磁场影响，准确度能得到保证。目前在美国研制成功并投入现场试运行多年的MOCT即属此种类型。

闭环式混合型MOCT的测量只与磁光材料的Verdet常数有关，与光路和通流导体的相对位置无关，从而比较容易实现高性能的磁光式电流互感器。

光传感头的材料一般选用光学玻璃。光学玻璃与晶体一样，在外场作用下将会产生不同的光学效应，它们与磁光效应都是温度的函数，因此在MOCT中发生的光学效应实际上是各种效应综合的结果。其中，温度及应力将会对磁光式电流互感器的测量准确度产生较大影响。

（2）无源电子式电压互感器 无源电子式电压互感器多采用电光晶体来实现电压信号的传感，其工作原理是所谓的电光效应，或称Pockels效应。图3-10所示为利用电光晶体传感器测量电压的原理图，在电光晶体上横向地施加了被测电压U。如果施加电压的方向和光路垂直，则为横向的Pockels效应；如果施加电压的方向和光路平行，则为纵向的Pockels效应。早期的电光晶体常采用铌酸锂晶体，其缺点是温度系数较大，近年来采用更稳定的锗酸铋等晶体。

在较高的电压等级下，无源电子式电压互感器需要较为复杂的绝缘结构。为了克服这个缺点，加拿大NxtPhase公司设计制造了具有多个电场探头的分布电场电压互感器，如图3-11所示，采用所谓的分布电场法来实现对高压的测量。

2. 产业和标准状况

由于电子式电流/电压互感器具有多方面的优点，美国、日本、德国、英国、法国和我国等国家均在电子式电流/电压互感器的研究方面投入了大量的人力和物力。

国际上大型电气制造商已经从研发阶段发展到小规模生产阶段，ABB、Areva （Alstom）、Siemens、NxtPhase等厂家可生产有源的或无源的用于高压电网的电子式电流/电压互感器的全线产品，高压侧额定电流达4000A，最高电压等级达765kV，准确度达到0.2级（IEC标准），输出为弱电的模拟信号及数字信号，也可输出功率为2.5W，额定电压为69V、115V、120V，额定电流为1A的强电信号。

在我国，哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、华中科技大学、清华大学、西安理工大学、大连理工大学、燕山大学和上海大学等高校进行过光学电流互感器方面的研究，其规模较小，多处于实验研究阶段。西安同维电力技术有限责任公司在磁光式电流互感器方面的研究规模较大，其产品水平接近实用。由于有源电子式电流/电压互感器本身的技术较为简单，我国在此方面的研究已经达到较实用的水平。南京南瑞继电保护有限责任公司、南京新宁科技公司、北京浩霆光电技术有限责任公司、西安华伟电力电子有限责任公司等均可小规模地生产符合国家标准的有源电子式电流/电压互感器。电子式互感器于1993年开始接入电网运行，在江苏、浙江等地的部分数字化变电站已试点投入使用。

国际电工委员会（IEC）在1999年制定了电子式互感器标准IEC 60044-7《电子式电压互感器》和IEC 60044-8《电子式电流互感器》。2007年我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下，参照国际电工委员会制定的标准IEC 60044-7和IEC 60044-8，并结合我国的实际情况，颁布了基于IEC标准的电子式互感器国家标准GB/T 20840.7—2007和GB/T 20840.8—2007。这两个标准为电子式互感器的推广应用奠定了基础。电子式互感器必须在这些标准的规范下进行设计、制造、试验和运行。

3. 数字化变电站技术与产业发展现状

国外自10年前开始进行数字化变电站的理论研究，目前基于IEC 61850标准的数字化变电站系统已从研究阶段进入实际应用阶段。国家电网公司制定了未来5年内研究和推广数字化变电站技术的实施方案，先后有20多个网、省局申报了数字化变电站示范工程项目。

数字化变电站是指变电站内一次电气设备和二次电子装置均实现数字化通信，并具有全站统一的数据模型和数据通信平台，在此平台的基础上实现智能装置之间的互操作性。它的特点主要是：一次设备数字化，二次装置网络化，数据平台标准化。

数字化变电站技术应包括：数字体系架构，数字化一次设备技术（ECT、EVT、智能化断路器、智能化变压器、一次设备在线检测等），自动化系统技术（继电保护数字化技术、测控装置数字化技术、故障录波数字化技术、数字化变电站对安全稳定装置的支撑、动态检测数字化技术、电能质量检测数字化技术、变电站仿真和数字化遥视系统等），其他内容（计量数字化技术、相关技术标准及实验验证环境等）。

其中涉及的重要应用主要体现在：电子式互感器，IEC 61850标准，网络通信技术，智能断路器技术。其中，电子式互感器是建设数字化变电站的决定性设备，上述已有较为详细的描述。

IEC 61850标准是新一代的变电站通信网络和系统协议，适应分层的智能电子装置和变电站自动化系统，该协议根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络发展；采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求；采用变电站配置语言，在信息源定义数据和数据属性；定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能，传输采样测量值等。该系列标准还包括变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等。IEC 61850标准体系使变电站信息建模标准化成为可能，信息共享具备了可实施的基础前提，为数字化变电站技术的应用提供了信息建模的基础。

保护通信体系的发展目标是实现过程总线通信和符合IEC 61850标准，实现各类平台的兼容互操作。IEC 61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准，它使得变电站内的智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED），如测控设备和继电保护装置均采用统一的协议，通过网络进行信息互换。它解决了变电站自动化产品互操作性和协议转换问题，采用该标准可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。

目前，我国已投、在建数字化变电站数百座，主要是两种技术模式：一是间隔层以上应用IEC 61850标准的建设模式，主要是在间隔层和站控层之间采用IEC 61850标准建模和进行通信交互，采用映射到制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）的方法，应用IEC 61850标准；二是过程层以上应用IEC 61850标准的建设模式，该模式较之传统变电站的变化，在于信息的数字化进程触及了过程层及其一次设备。就应用情况而言，由于开关类设备目前尚不具备智能化条件，多以智能操作箱对其进行测控、保护跳闸等；对于互感器，则采用数字输出电子式互感器、模拟输出电子式互感器或传统互感器。

目前参与基于IEC 61850标准的相关设备研发的主要厂家有南京南瑞继保有限公司、北京四方继保自动化股份有限公司、国电南京自动化有限公司、许继电气股份有限公司、南京新宁光电自动化有限公司、国电南瑞科技有限公司、深圳南瑞科技股份有限公司及中国电力科学研究院等，部分厂家拿到了国际权威机构荷兰KEMA公司的IEC 61850标准一致性检测与认证。

电力系统二次系统作为一次系统的辅助回路，主要是由测量仪表、控制及信号装置、继电保护装置、自动控制及监测或反馈装置、远动装置及相关控制电路等组成的。二次系统包括信号电路和控制电路。随着光纤通信技术、网络技术的飞速发展及其在变电站自动化系统中的不断深入应用，用数字通信手段传递电量信号，用光纤作为传输介质取代传统的金属电缆具备了实现的可能。

网络技术是变电站自动化技术从集中式向分布式发展的基础，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。以太网技术正被广泛引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层保护、控制单元中，构成了分布式变电站自动化系统应用基础。

非常规互感器的出现以及计算机的发展，使断路器设备内部的电、磁、温度、机械、机构动作状态监测已经成为可能。智能化一次设备采用数字化的监视和控制手段，机械结构简单，体积小。既减少了设备停电检修的概率和时间，减少了运行成本，也减少人为因素造成的设备损坏。智能操作断路器根据所检测到的电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调整操动机构以及与灭弧室状态相适应的合理工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性。在无载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等，就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果。

上述技术构成了数字化变电站应用技术的基础，使数字化变电站体现了几个方面的技术特征：数据采集数字化，系统分层分布化，系统结构紧凑化，系统建模标准化，信息交互网络化，信息应用集成化，设备检修状态化，设备操作智能化。

变电站自动化领域，我国厂家众多，参差不齐，多数只提供个别种类设备，或面向厂矿企业低端客户提供技术含量低的设备，能向国家大电网提供成套系统的主要设备供应商有：国电南瑞、国电南自、北京四方继保、许继电气、积成电子、东方电子、南瑞继保和深圳南瑞等。从国家电网2010年前四批监控系统中标情况看，国电南瑞的市场份额为23.60%；其次，市场份额较大的依次为国电南自16.85%、南瑞继保16.85%、东方电子13.48%、许继电气12.92%。

3.2.3 PMU及WAMS技术与产业发展现状

现有PMU及WAMS技术可分广域功角稳定控制技术、广域电压稳定控制技术和广域频率稳定控制技术这三个方面，这些方面也是实现WAMS功能的重要组成部分。下面首先介绍有关PMU及WAMS产品的产业现状及应用情况，然后将分类介绍广域功角稳定控制技术、广域电压稳定控制技术和广域频率稳定控制技术的发展现状与应用。

1. PMU及WAMS产品现状及应用

我国从引入WAMS技术开始阶段就特别重视PMU/WAMS产品的产业化发展工作。1997年，PMU测量系统在黑龙江省电网投入试验运行，标志着我国已经初步具备了自主研发WAMS的能力。随后1998年中国电力科学研究院引进中国台湾欧华电子有限公司的ADX3000监录装置，在华东和南方电网建设了我国早期的具有WAMS部分特征的电网动态过程监测和记录系统。虽然受当时条件的限制，ADX3000系统采用了Modem传输方式，通信协议不满足IEEE 1344，但它仍然对我国电力系统认识WAMS技术发挥了积极作用。

国际上发生的一系列停电事故为我国电力系统的安全和稳定性问题敲响了警钟，并得到中央和各级电力部门的高度重视。WAMS技术由于几乎与美国东部电网相量测量工程同步，与EMS等传统测量和控制手段的技术相比具有优势，所以备受各大电网公司的关注，进而加速了我国WAMS技术产业化的发展进程。2002年北京四方继保和清华大学合作，这是我国WAMS产品生产的重要开端，这种产、学、研紧密结合的方式也充分发挥了双方的优势，当年即推出CSS-200系列电力系统动态安全监测第一代产品，这套系统实现了低频振荡辨识、在线小干扰振荡模式评估与预警、在线扰动识别、辅助服务质量评价、在线辅助暂态稳定预警以及动态监测功能。2002年年底，CSS-200/1系列产品首先在江苏电网WAMS一期工程中投入使用，图3-12是在应用过程中所采用的产品，图3-13是国内首个WAMS工程（江苏电网）。

图3-12中的同步相量采集单元CSS-200/1A主要完成相电压、相电流、开关量和直流量的实时同步测量任务；GPS授时单元CSS-200/1G主要为CSS-200/1提供统一的时钟基准；数据集中处理单元GPS授时单元CSS-200/1P是CSS-200/1系列装置的核心处理单元，主要完成实时数据处理、本地存储和远方通信等功能。

为了规范PMU/WAMS产品的应用，2003年3月北京四方继保、中国电力科学研究院、华北电力设计院和国内各大地区电网公司共同参与，颁布了《电力系统实时动态监测（控制）系统技术规范》（试行版）（以下简称《规范》）。《规范》以IEEE C37.118为基础，根据我国实际情况补充完成。其通信协议与IEEE C37.118完全一致，使国外的PMU也可以接入我国主站系统，《规范》还补充了WAMS子站和主站的通信流程和方式。此后，华北电网、国家电力调度控制中心（国调中心）和东北电网WAMS的工程实践证明《规范》有效保证了国内外厂家PMU的数据共享。2003年年底，国调中心、华北、东北和南方电网等按照《规范》要求，采用CSS-200产品，设计、建设了各自的广域测量系统。2004年，华东电网广域测量、分析和保护计划也把WAMS建设纳入其中，并采用了中国电力科学研究院生产的PAC-2000和南瑞继保生产的SMU-1相量测量装置。2004年10月《规范》完成第一次修订，各大电网公司参与热情显著提高。此次修订进一步明确了相位和发电机内电动势的概念，使各PMU设备不仅在通信协议上方便互联，在数据内容和物理意义上也保持一致，对进一步制定PMU的检测标准具有重要指导意义。《规范》明确要求相量测量装置优先接入测量TA回路，以电网动态过程监测为主，暂态过程记录为辅，把相量测量装置和故障录波器严格区分开。由于国内已经建成若干WAMS主站，《规范》补充规定了WAMS主站数据交换的协议和内容，为构建全国WAMS联合动态监测系统提供了参考。随后，国内的生产厂家如雨后春笋般地对PMU/WAMS产品进行生产。例如（主要生产厂家的典型产品），南瑞继保生产了PCS-9012安全稳定控制信息管理系统、RCS-992分布式稳定控制系统、RCS-900系列电网安全稳定控制系统、PCS-9009电网在线稳定控制决策系统，用于区域电网及大区互联电网的安全稳定控制；在加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力方面，生产了PCS-994频率电压紧急控制装置、PCS-996系列同步相量测量装置等，用来构建电力系统实时动态监测系统。国电南瑞生产的OPEN-3300 WAMS系统综合应用PMU采集的动态数据、数据采集与监控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统的稳态数据和故障录波等暂态数据（三态数据），建立了广域信息集成数据平台，由此实现基于PMU实时数据的在线监视与分析、基于状态估计（计及PMU数据）结果的安全稳定在线预警和辅助决策、基于三态历史数据的离线分析等应用功能，为构建现代电力系统安全稳定协调防御体系提供基础，这套系统于2006年投入华东电网，用于广域监测分析保护控制，至2011年3月共接入PMU子站140多个，成功地建立了广域的动态监测、分析、保护、预警、控制系统，除实时在线汇集PMU采集的动态测量数据、监测电网运行状态外，还能综合来自不同子系统的数据源，并对这些数据进行实时、准实时及离线分析。2008年投入山西电网实时动态监测，至2010年底接入子站50多个，通过调度综合数据平台接收SCADA系统的电网实时数据，以及EMS系统的电网公共信息模型（Common Information Model，CIM）和厂站、潮流等电网可缩放矢量图形（Scalable Vector Graphics，SVG），实现电力系统的稳态和动态的监视、控制和分析，保存电网模型等静态数据和三态（稳态、动态和暂态）历史数据。

到目前为止，从我国自主研发的WAMS系统及其产品在国内各省电网公司的应用和运行情况来看，就应用总体水平而言，国内基本上和国外同步；就制造产品总体水平和生产能力而言，国内与国外相比并不逊色。但在WAMS系统的规范标准、技术性能、先进功能、运行管理与规划建设等方面，与国外先进水平相比，还存在一些问题和差距，主要体现在：①在《规范》中未给出关于电网稳定控制方面的相关要求；②PMU装置、WAMS系统的关键技术，如PMU同步采样精度和海量数据压缩，还有提升的空间；③大多数投运的WAMS系统仅用于功角摇摆的观察、低频振荡事件的捕捉以及暂态过程的记录等方面，尚不能充分利用相量数据的功用，离预期目标还有一定距离；④尚未将WAMS系统的建设同电网规划和建设结合起来，也未将其列入电网重要厂站常规装备设计中；⑤与原有SCADA系统整合也显不足。

随着我国WAMS产品和技术逐渐走向成熟，新的应用也将不断涌现。在未来应注意做好以下几项工作：①建立全国WAMS互联系统，实现国调中心—东北—华北—西北—华中—华东WAMS数据共享，实现中国南方电网电力调度控制中心（南网总调）—广东—广西—贵州—云南WAMS数据共享；②落实基于WAMS数据修正仿真计算模型，建立WAMS电网事故分析的管理制度，使仿真计算模型校核与修正工作制度化；③落实将WAMS测量结果提供给调度员，用最简单直观的方式辅助调度员决策；④建立PMU的质量检测体系，包括相量测量的精度检测，角度和频率、静态和动态、通信协议标准化检测，实时数据传输协议、相量测量的时效性检测，数据处理时间和相量存储功能检测等。

2. 广域功角稳定控制技术与应用

（1）暂态功角稳定监测与控制 电力系统暂态功角稳定性是电力系统最重要的稳定特性之一，它是指电力系统受到大扰动后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行状态的能力。失去同步运行稳定性的后果是系统发生振荡，引起系统中枢点电压、输电设备中的电流和电压大幅度地周期性波动，电力系统因不能继续向负荷正常供电而不能继续运行，可能造成大面积停电。暂态稳定的判据是：电网遭受每一次大扰动（如短路、重合闸于故障线路、切除线路或机组等）后，引起电力系统机组之间的相对角度增大，在经过第一个角度最大值后作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。

应用广域测量技术，可以在同一时间参考轴下获取大规模电力系统中大量的实时动态和稳态信息，在一定程度上缓解目前大规模互联电力系统的动态分析与控制的困难，为暂态功角稳定问题的解决提供了新的思路。与静态稳定与控制相比，暂态功角稳定问题属于电力系统快动态范畴，对于计算的速度有着更高的要求，暂态功角稳定经常需要在快速性与可靠性之间做出折中。

基于广域测量系统的暂态功角稳定评估与监测经常采用“超实时仿真计算，实时匹配，在线决策”的模式，对可能出现的暂态功角稳定问题进行评估与预测。目前暂态稳定预测的判据主要有两种：一种是通过判断故障后系统中最超前和最滞后的临界机组的功角差，来判断系统是否稳定；另一种是通过判断系统中每台发电机功角偏离故障电气中心的距离，来判断系统是否稳定。对于多机系统而言，功角最超前和最滞后机组对间的动态行为能够反映整个系统的稳定性，即多机电力系统的暂态功角稳定问题等价于系统中这一特殊机组对是否保持相对同步的问题。目前暂态稳定评估的方法较多：一是直接将等面积准则（Equal Area Criterion，EAC）应用于多机系统稳定评估的方法，通过捕捉故障后最超前和最滞后的相对摇摆最厉害的机组对，拟合其相对功角特性曲线，并应用等面积法则进行暂态功角稳定类型的快速判别和稳定性指标的快速计算，可以利用较少的关键PMU量测信息得到系统的暂态功角稳定情况，计算时间短；二是利用系统操作的连续性定义暂态功角稳定性，得到不连续的稳定性边界，进而利用同步相量信息和突变理论把不连续的故障切除角稳定边界转化为连续的最超前的与最滞后的机组对之间的相对摇摆角稳定边界，可以找到多机系统在不同情况下的共同稳定判据；三是利用WAMS数据的快速性与EMS系统详细模型来预测系统暂态功角稳定，可以处理单点故障以及连锁故障。

应用于暂态稳定的控制手段相对较少，一般都基于前面所述的评估与监测的结果采取预测控制来处理暂态稳定问题，控制手段包括切除发电机、切除部分发电机负荷、发电机快关气门等。目前采取的是一种基于PMU的暂态稳定自愈控制方法。首先对系统进行离线仿真，记录失稳发电机在受扰动情况下偏离电气故障中心的距离。对不稳定的功角曲线进行聚类并提取特征曲线，生成失稳发电机的受扰动轨迹模式库。利用发电机的广域测量短时上传数据，结合受扰动轨迹模式库，判断该发电机的稳定性。如果该发电机失稳时间小于特定值，则将该发电机切除；如果该发电机失稳时间大于特定值，则启动自愈控制策略，切除部分发电机容量，以保证系统稳定运行。

（2）小扰动功角稳定控制 小扰动稳定性是指系统受到小扰动后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统在运行过程中无时不遭受到一些小的扰动，例如负荷的随机变化及随后的发电机组调节，因风吹引起架空线路线间距离变化，从而导致线路等效阻抗的变化等。和暂态稳定分析中的大扰动不同，小扰动的发生一般不会引起系统结构的变化。电力系统小扰动稳定分析的主要任务是研究遭受小扰动后电力系统的稳定性。系统在小扰动作用下所产生的振荡如果能够被抑制，并且在相当长的时间以后，系统状态的偏移足够小，则系统是稳定的。相反，如果振荡的幅值不断增大或无限地维持下去，则系统是不稳定的。

随着电网跨区互联的逐步增多，低频振荡成为了较严重的一种小扰动功角稳定的问题。大区电网的互联在提高电力系统运行经济性的同时，使整个互联系统的动态过程变得更为复杂，可能导致整个互联系统的安全稳定裕度变小，诱发低频振荡和次同步振荡。电网低频振荡的频率一般在0.1～2.0Hz的范围内，按照振荡参与机组和振荡频率的不同，可以将其分成两种模式——本地振荡模式和区间振荡模式。一般来说，本地振荡模式（Local Modes）表现为本地发电厂的发电机与系统余下机组之间的振荡；区间振荡模式（Inter-area Modes）表现为系统一个区域的发电机群与另一区域发电机群之间的相对摇摆。区间振荡模式的复杂性和弱阻尼特性远远大于本地振荡模式，在故障激励下更易发生长时间的振荡，叠加在系统动态过程中，恶化了各类稳定极限，一经发生在全网均能感受到，如果处理不当，将会导致互联电网的解列，甚至大面积的停电事故。

通过广域阻尼控制可以抑制区间低频振荡。而进行广域阻尼控制的基础是WAMS的运行数据，辨识出区间低频振荡的基本模式，以便进行进一步的抑制。基于扰动后WAMS测得的广域动态信息，分析振荡数据，计算振荡参数，可以进行低频振荡的在线辨识，主要的算法包括滤波器类方法、回归分析类方法、傅里叶类方法、Prony算法等。滤波器类方法把实测数据经滤波器处理，如果幅值越限超过一定的时间，就发出振荡告警信号，卡尔曼滤波是非线性的，而且收敛速度很快；回归分析类方法利用自回归（Auto Regressive，AR）和自回归滑动平均（Auto Regressive and Moving Average，ARMA）模型进行参数谱估计；傅里叶类方法利用傅里叶变换对平稳信号数据进行频谱分析；Prony算法用信号数据拟合指数函数的线性组合，估计信号的线性化模型，是在低频振荡分析中应用较多的一种方法。以上这些方法都需要事先在电网中加入一个扰动信号，这将对电网的运行产生一定干扰，因此近年来发展了基于不加入扰动的电网运行信息进行低频振荡的在线辨识。具体的数据处理方法与上面所述的基于扰动的低频振荡辨识类似，也包括滤波器类方法、回归分析类方法、傅里叶类方法、Prony算法等。采用快速傅里叶变换，仅利用运行中的PMU数据就可以来辨识低频振荡。基于对大量广域实测数据的分析发现，因负荷的随机变化，电网内持续存在类似噪声信号的小幅波动，采用自回归滑动平均法对这类噪声信号进行处理，并且基于ARMA模型对应Green函数系数与低频振荡模态之间的比例关系，实现对节点间相位关系的估计。

基于广域信息可以对电力系统进行广域阻尼控制，抑制低频振荡。以往的电力系统稳压器（Power System Stabilizer，PSS）主要针对就地模式的低频振荡抑制，但对于区域间的低频振荡效果不佳。广域阻尼控制就是针对抑制区域间的低频振荡而提出的。

根据控制对象的不同，阻尼控制可以分为：①发电机励磁附加阻尼控制；②发电机调速附加阻尼控制；③高压直流输电系统附加阻尼控制；④柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）装置的附加阻尼控制，其中包括了可控串联补偿器（Thyristor Controlled Series Compensator，TCSC）、静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）和静止同步补偿器（STATic synchronous COMpensator，STATCOM）等装置的附加阻尼控制。目前采用较多的广域阻尼控制是发电机励磁附加阻尼控制，也就是向PSS引入相对功角、区域间联络线功率变化量等构成反馈，实现广域阻尼控制。这种控制策略不会牺牲本地控制模式的控制性能。

近年来，在广域阻尼控制方面的发展和应用主要有以下四个方面：

1）现代控制理论在广域阻尼控制系统设计当中的运用。20世纪60年代后期，Yaonan Yu教授等率先开展了将现代控制理论应用于电力系统的研究，为多机电力系统的阻尼控制开拓了新的有效途径。在典型运行方式下，通过线性化的办法可以得到系统的线性定常状态空间模型，进而在状态空间描述下可以通过解析的方法得出考虑全系统的最优控制。实际多机电力系统存在着大量的不确定性因素，因此还可以利用H∞鲁棒控制方法解决考虑建模误差、参数不确定和未知扰动时的阻尼控制器鲁棒设计问题。但是，上述现代控制理论的应用都需要系统的模型，因此准确系统模型的获取成为阻尼控制器设计的关键。

2）通过柔性输配电设备与高压直流（HVDC）输电线路实现广域阻尼控制。传统的广域阻尼控制都是通过发电机励磁附加控制PSS实现的。近年来，随着FACTS与HVDC输电设备的大规模建设与投运，广域阻尼控制也开始采用这些设备作为控制系统的执行器，作为PSS的有效补充与替代。针对含有电压源变换高压直流输电的广域阻尼控制，可采用二次线性高斯模型法针对特定的振荡模式设计多输入单输出的广域阻尼控制系统；利用Lyapunov稳定性理论的能量函数对协调控制器建模，通过传递附加信号到本地控制器，可以实现广域PSS与SVC的协调控制，达到了抑制低频振荡与提高电网稳定性的作用；利用广域测量信号为输入设计SVC的附加阻尼控制（Power System Damping Control，PSDC），据此选择具体的控制输入信号，并基于测试信号法和留数根轨迹方法相结合进行参数设计。

3）在PMU优化布点与输入输出信号优化选择方面的研究。广域反馈信号和控制地点的合理选择分别决定了控制系统的可控性与可观性，对广域阻尼控制系统抑制低频振荡的能力起着决定性作用。近年来，国内外学者对广域阻尼控制装置的选点和选信号进行了大量研究，并提出多种实用化的选点和选信号指标。目前已有的方法有可控可观法、留数法和汉克尔奇异值法，此外还有一些智能算法，如遗传算法、禁忌搜索算法、神经网络及模拟退火等方法。每种方法都对应着特定的目标，在实际选择的过程中需要同时考虑实际情况的多方面约束因素和实现的难易程度。

4）通信系统的影响与补偿的研究。广域阻尼控制系统是以高速通信系统作为取得广域数据的技术基础的，然而通信网络运行中难免会存在延时、丢包和错序等问题，这些问题都会对广域阻尼控制系统的控制效果带来很大的影响，甚至会影响到系统的稳定性，所以延时等问题的影响是不可忽略的，在设计控制器时也必须考虑到延时的影响。一般可通过延时补偿的方法来设计广域阻尼控制器。近年来，这一方面的研究有新的进展，不局限于网络延时对控制性能的影响，而且考虑了通信系统的其他因素。目前主要有三种方法：①通过应用层提高用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）传输可靠性的机制，包括发送时间间隔机制、数据缺失检查和重发机制、排序机制、实时插值机制、请求应答机制和伪连接机制，这些提高数据可靠性的机制只在发现数据有问题时，由应用层的程序实现，而非在网络传输层实现，避免了在网络传输层对所有原始数据施加可靠性检验措施，从而大幅提高了原始数据送达应用层的速度；②基于时滞电力系统模型，通过自由权重矩阵法和极点配置法完成考虑延时的广域阻尼控制系统的控制器设计；③利用基于结构约束的最优控制方法，采用两层控制结构完成了考虑延时的广域阻尼控制设计，采用降阶系统，以确保设计算法更快收敛。

（3）广域功角稳定控制工程 目前尚无暂态稳定控制系统，面向实际系统研发、投运的主要是阻尼控制系统。利用广域阻尼控制系统可以实现多种电力系统监测与保护的功能，在国内外已经有很多工程实例采用了广域阻尼控制，见表3-6。

加拿大魁北克水电局正在借鉴发电机电力系统稳定器（PSS）研发上的经验，将PMU信号引入已有的可控串补以及静止无功补偿器（SVC）的控制电路，以提升对于0.6Hz的区域振荡模式的阻尼。

考虑到华中电网中交直流并联运行的特点，利用直流系统快速调节能力，采用直流附加阻尼控制方法，我国提出适用于华中-华北互联系统的控制策略，并基于PSASP仿真平台对华中电网内部各种典型的交流大扰动故障进行暂态稳定仿真研究，仿真结果表明直流附加阻尼控制能有效抑制特高压线路功率振荡，提高互联系统稳定性。针对巴西南部和东南部电力系统的小扰动稳定问题设计了考虑结构约束的最优控制PSS，采用了两级控制的结构，在控制器设计过程中考虑了通信延时的影响，并且在巴西南部以及巴西东南部的电力系统当中进行了仿真试验，结果表明PSS的引入有效地提高了系统的阻尼以及抑制低频振荡的能力。清华大学电机工程与应用电子技术系在南方电网进行了多直流广域阻尼控制系统的实施，包括分布于3个省的6个测量点、位于南网总调的中央站和位于高肇、兴安两回直流整流站的2个控制子站等。2008年和2009年三次不同直流单极闭锁的现场大扰动试验表明：控制系统投入可提高南方电网主导振荡模式阻尼比10%以上、西电东送极限650MW以上。此工作已获2008年中国电力科学技术奖一等奖。

上面所介绍的发电机励磁附加控制是最常见的阻尼控制手段；目前调速阻尼控制还处于研究以及动态模拟实验阶段，尚无工程实例；FACTS装置附加阻尼控制中最成功的应用实例是TCSC附加阻尼控制在巴西的工程应用；直流附加阻尼控制最早成功的例子是美国太平洋联络线工程，通过抑制低频振荡，将交流联络线的输电功率提高了400MW。

3. 广域电压稳定控制技术与应用

电力系统电压稳定性问题最早是在20世纪40年代由马尔柯维奇提出，随着电网规模的扩大，系统的电压稳定问题日趋严重。20世纪70年代后世界上许多国家发生了电压崩溃事故，造成了巨大的经济损失和社会影响，才引起人们对电力系统电压稳定性的注意。如1978年12月19日法国大停电事故，1987年7月23日日本大停电事故，1996年7月2日，美国西部电力系统电压崩溃事故等。

（1）技术介绍 电压稳定按其分析方法不同，可分为静态电压稳定分析和动态电压稳定分析。静态电压稳定分析方法主要是通过代数方程来计算分析，而动态电压稳定分析主要是通过微分—代数方程来计算分析。动态电压稳定根据扰动的大小可分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。根据持续时间的长短不同，可分为暂态稳定、中期稳定和长期稳定。目前，对电压稳定的研究已有多种分析方法和手段，包括各种静态稳定分析方法和动态稳定分析方法，并在此基础上形成了静态电压稳定控制和动态电压稳定控制方法。

WAMS的迅速发展和广泛应用为大电网电压稳定性的在线监测和在线控制奠定了基础，它以PMU量测的动态数据为基础，评估当前系统的电压稳定性水平，并通过控制发电侧、输电侧和负荷侧等的参数来改善系统的无功潮流分布，提高整个系统的电压稳定水平。电压稳定评估和预测研究主要是评估系统在正常或偶然状态下保持所有节点电压在可接受水平的能力。电压稳定性的离线分析不仅计算量大，而且难以适应实际系统运行方式的改变，因而电压稳定性的实时监视和控制逐渐变得重要。WAMS能实现广域电网运行状态的在线同步测量，借助于高速通信网络还可将测得的相量数据进行汇总，这就为实现全局型的电压稳定性在线监测创造了条件。

（2）技术应用 基于广域测量的在线电压稳定控制主要采用在线测量的局部指标法。近年来关于这一方面的研究主要集中在利用广域信息的局部指标的推导方面。电压稳定性指标通常是一个在0～1范围内波动的变量，其数值越小，系统电压的稳定性越好，当这一指标达到1时，系统失稳。局部指标法具体有以下三种方式：一是利用被监测负荷节点的同步电压相量及由与其相连接的等值电压相量所组成的局部相量信息，根据简单传输线模型建立一个等价于两节点的系统，以被监测负荷节点的同步电压相量在等值电压相量的投影与等值电压相量幅值的一半之差作为计算电压稳定与否的指标；二是利用WAMS测得的广域母线电压相量、线路潮流等电气量，根据线路潮流电压方程计算比较线路两侧电压水平，提出了电压稳定性指标，较以前的电压稳定性指标具有不用区分线路潮流受送端、不用判别线路电阻是否为零、在临界点指标值很接近1、线性度好等优点；三是基于功率偏差的电压稳定线路指标，它能比较准确地反映运行点到功率传输极限点的距离，解决了此前的指标处理多机系统发生问题时，构造的无穷大等值母线电压幅值相对于被监测点的电压幅值有强耦合问题，以及不能监测系统联络节点的问题。

一般认为，造成电压不稳定的主要原因是由于系统的功率（有功，特别是无功）传输能力或动态无功储备不足，因此在给定系统和给定运行状态下，电压稳定控制的手段也应该从提高系统的功率传输能力和无功储备着手。电压稳定与发电系统、传输系统和负荷系统的特性有关，因此应从这三个方面寻找增强电压稳定的控制措施。

从发电系统看，应提高发电机的有功和无功输出能力以及运行备用容量。在负荷慢速增长时，发电机的调速系统可以自动调节气门（或水门）开度，以提高输出功率；而在故障等紧急情况下，发电机的热旋转备用容量也可以在短时间内提高发电机的有功和无功输出，增强系统的稳定性；目前发电机的热容量利用是比较保守的，发电机暂态过负荷能力具有可挖掘的潜力；在某些情况下，发电机少发有功功率而多发无功功率也是增强电压稳定性的一个可行的方法。提高发电机的机端电压水平也有助于提高发电机的功率输出能力。目前的发电机自动电压调节器（Automatic Voltage Regulator，AVR）控制目标一般是维持机端电压恒定，若采用发电机主变压器高压侧电压控制，可以控制高压侧电压恒定，相当于缩短了电源与负荷之间的电气距离，有利于增强系统的功角稳定性和电压稳定性。同步调相机是很好的电压和无功控制设备，和发电机一样有自动电压调节器，不仅能提供一个恒定电压节点，而且它的无功调节是不受所在电网电压影响的。在发电系统侧增加无功补偿，使发电机正常工作在高功率因数状态，这样就提高了发电机的动态无功储备，在系统无功紧张时，发电机可以提供更多的动态无功/电压支持。静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）以及可控串联补偿（TCSC）是响应快速的无功电源，它们的广域协调控制是增强电力系统电压稳定性的重要措施。

从输电系统来考虑，电压崩溃常常发生在线路重负荷的情况下。网络电抗的大小不仅影响有功的传输，更制约着系统无功的传输能力，电压稳定控制应该尽量减少传输网络中的有功和无功损耗。串联无功补偿可以减少线路的等值电抗，从而减少线路的无功传输损耗，这有助于提高网络的功率传输能力。在枢纽节点增加并联电容器或电抗器，或者用FACTS设备进行合理的无功和电压调节，可以改善系统的潮流分布和无功流向，保持网络最小的有功和无功损耗，使系统具有最大的功率储备。利用广域信号作为SVC的输入信号，在此情况下运行的SVC可以有效地提高系统的电压稳定性。而对于在系统中已经安装的大量并联FACTS补偿装置来说，大多数依赖于本地信号，仅用于对本地的局部范围的电压稳定进行控制。利用WAMS系统的广域信号，可以对分布广泛的各补偿设备进行一种全局的协调优化控制，既能达到本地电压控制的要求，也能在更高的系统层面上对全局的无功进行优化控制，从而更加有效地达到电压稳定控制的目的。邻近区域高压交流（High Voltage Alternating Curren，HVAC）输电或HVDC输电的支援通常也是有效的，HVDC输电的有功支援可以在秒级时间范围内获得。目前HVDC输电在抑制系统的功率振荡上有不少研究，而在控制系统的电压稳定性方面还鲜有研究。

负荷（配电）系统的控制目的应该是维持负荷的电压水平和满足负荷的需求。负荷种类繁多，具有不同的电压/频率特性，因此对电压稳定的影响不同。负荷系统对电压稳定影响较大的是负荷并联无功补偿和带负荷调节变压器（On-Load Tap Changer，OLTC）。预防控制时调节并联补偿可以保持最大的“动态无功裕度”，校正控制时投入并联无功补偿可以提高电压水平。并联无功补偿可以减少负荷对系统的无功需求，从而提高负荷侧的电压，但其最大补偿量受电压水平的限制。带负荷调节变压器（OLTC）是现代电力系统中主要的电压控制设备之一，它的自动调节功能可以控制负荷的电压水平在一定的范围内。但在系统接近运行极限点的情况下，OLTC在发生扰动后就力图恢复到原有二次电压水平，从而恢复相应的负荷功率，而这被视为导致电压崩溃的一个重要机理。因此在紧急情况下，对OLTC分接头的闭锁，是保持系统电压稳定的一个重要手段。电压崩溃的根本原因是负荷的功率需求超出了系统的供电能力，因此切除负荷是电压稳定控制的最根本的方法，也是最有效的方法。切除负荷在恢复系统的同时也给系统和用户带来了经济损失和社会影响，因此应该尽可能减少所需切除的负荷量。预防性控制和校正性控制都可以应用切除负荷的方法。在紧急情况下，断开优先权低的负荷是避免电压崩溃最常用且有效的方法。虽然用户不喜欢，但如果不切除负荷会造成更大的麻烦。快速电压崩溃必须采取自动切除负荷的方法，因为这时因通信和运行人员分析存在固有延时，使手动切除负荷没有效果。通过广域测量信号辨识负荷的特性，可以达到评估电压稳定裕度以防止电压失稳的目的，对辨识出的不同负荷特性可采取不同的控制手段，如并联电容器、带负荷调节变压器分接头以及切除负荷等，该方法可以有效地防止电压崩溃，并使切除负荷的区域最小化。

随着我国高电压、远距离、大容量输电以及全国联网的快速发展，一个巨型的交直流混合电网已经出现。为了保证电网的安全稳定运行，基于交直流混合电网的控制和调节设备纷纷上马，这些设备中大部分是基于本地信号的控制，只有极少数是利用广域信号来完成控制的。随着广域测量技术的发展，对电网的实时动态监测提高到了一个新的水平，在电网动态和广域可观性的基础上，应该能够更加快速有效地进行电压稳定控制。当前对于广域电压稳定控制的研究还不算多，而这些研究又基本集中在广域电网稳定的评估以及多FACTS无功补偿装置的协调控制上，也就是在输电这一环节上的关注度比较高。无功功率的供给和平衡水平决定着电压的稳定程度，而无功功率的平衡又是和发电机侧、输电侧和负荷侧息息相关的。未来在广域多发电机无功功率优化控制以及广域负荷在线辨识和控制上应该有更大的作为。同时，将发电机侧、输电侧和负荷侧等联系起来构建更高层级的广域控制，也不失为一种可行的方法。

4. 广域频率稳定控制技术与应用

电力系统频率稳定性是指电力系统受到严重扰动，造成出力和负荷出现较大不平衡时，维持系统频率在可接受范围内的能力。电力系统频率稳定性问题是电力系统稳定性问题的一个方面，它与电力系统安全稳定运行密切相关，是电力系统运行的重要质量指标，有着重要的研究意义及实际意义。

随着电力系统容量的增大和联网的不断发展，电力系统正常运行时的频率会越来越平稳。然而，单机容量的增大也使得电力系统可能遭受的冲击也加大了，并且一些大型火电机组从自身安全角度考虑，对其运行频率的上、下限又提出很苛刻的要求，这些因素的存在无疑又加重了维持电力系统频率稳定的难度。通常情况下发电机输出的电磁功率是由电力系统的负荷运行状态所决定的，但是由于电力系统的负荷是时刻变化的，并且任何一个负荷的变化都要引起全系统功率的不平衡，从而导致电力系统频率的变化。一般而言，当电力系统负荷增加时，频率降低；负荷减小时，频率增大。因此，通常在电力系统中采用两类控制措施：一类是正常运行时的自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC），在这类控制措施中，以调节发电功率为主要手段；另一类是紧急状态下的频率控制，其任务是在电力系统中有功功率出现大的扰动和频率出现大的偏差时，尽快恢复频率至正常值，以保证电力系统的安全。目前在电力系统中最常见的频率异常现象是频率降低现象，在国内外的电力系统中曾发生过很多由于频率异常降低而扩大事故，甚至全系统崩溃的事故。例如，我国湖北省电网系统1970年的停电事故，1996年马来西亚大停电，1999年中国台湾大停电以及2003年意大利大停电等。1999年中国台湾大停电事故是由于未预料到的故障，再加上措施不力而导致频率崩溃所造成的。2003年意大利大停电是由于瑞士至意大利一条输电线跳闸引起与欧洲的全部联络线连锁跳闸，从而造成频率崩溃和发电机全停的窘境。在上述情况发生时，一切正常的自动调节手段已经起不到太大的作用，此时采用防止频率下降的主要措施是切除负荷。切除负荷分为低频减载和自动切除负荷两类。

（1）低频减载（Under Frequency Load Shedding，UFLS） UFLS作为保证电网安全稳定运行的一道防线，是一种实现频率控制的有效方法和非常重要的电力系统保护措施，并在各国电力系统中得到应用。在20世纪40年代，前苏联首先提出了低频减载这个概念，随后世界各国电力系统相继采用并取得了良好的结果。1948年，前苏联电力系统中低频减载安装数目为265个，成功动作次数为325次，显示出这一新的安全自动装置对确保电力系统安全运行的显著功效。我国也在50年代有感应型低频减载装置投入使用。自从40年代到现在低频减载仍然是电力系统频率紧急控制的主要手段，对稳定电力系统的频率以及防止频率崩溃起到了很好的作用。在近50年来的应用过程中，低频减载方案大致可分成四类：传统方案、半适应方案、自适应方案以及人工智能方案。

在应用过程中，大量应用的低频减载装置分散安装在电力系统的各变电站之中，由它们共同作用来实现电力系统频率的控制。各变电站的低频减载装置只对本地频率或者频率变化率进行观测，然后与离线整定的频率或者频率变化率阈值比较，来判断是否切除本地负荷。各变电站的低频减载装置一般处于孤立的运行状态，仅仅依靠本地信息是不可能准确地反映电力系统不同运行情况的，而且在扰动后复杂多机系统之间的振荡等现象都影响了本地信息观测的准确性，从而影响装置的动作性能。通常情况下，频率偏移以及由此导致的停电事故的时间尺度大多在0.1～10s之间，而传统的SCADA系统的反应时间在1s以上，因此并不能完全覆盖这一时间范围。

GPS的出现和计算机、通信技术的迅速发展，大电网WAMS的实现，为实现全局型的频率稳定控制创造了条件，也同时为现代电力系统频率稳定控制拓宽了研究空间。这是因为WAMS系统的最小采样时间为10ms，它是最适合低频减载控制的数据源，可以避免响应过慢或者减载过多等问题出现。基于WAMS的频率稳定研究是一个非常前沿的课题，静态的频率稳定控制属于慢动态范畴，易于利用WAMS的广域量测信息结合数值仿真，实现稳定的监视与控制。目前利用WAMS提供的实时信息进行电压稳定性和频率稳定性监视和预测已有不少研究。但是，基于WAMS的频率稳定控制处于起步阶段，关于WAMS进行稳定控制方面的研究主要有以下几方面：①基于WAMS提供的实测信息辨识出一个用于低频减载的系统动态模型，然后基于该模型预测系统的频率稳定性，并对某一给定的频率门槛值（控制目标）给出应该切除的负荷量，该方法避免了传统低频减载装置的整定困难、时滞、过切等问题；②基于WAMS惯性中心频率变化率来估计系统功率缺额，作为低频减载基本段的负荷切除量，用综合权值由小到大确定负荷切除顺序；③使用WAMS提供的系统中心频率变化率作为负荷切除的启动信号，提出了用快速排序非支配遗传算法结合小生境技术对低频减载进行优化；④利用WAMS提供的实时广域数据计算扰动功率，提出一种同时考虑频率稳定与电压稳定的两步自适应减载策略。

（2）自动切除负荷 1990年广东电网在北部解列后发电功率缺额大，部分低频减载装置拒动，致使切除负荷量不够，再加上调度失误造成大停电事故。1998年中国台湾大停电是由于低频减负荷容量严重不足，低频减载方案与机组低频跳闸值不协调，大量机组低频跳闸使事故迅速恶化并发生频率崩溃。这些事故表明，当系统有功功率缺额较大时，仅仅依靠低频减载是较难保证系统频率下降在允许范围内的，因此需要补充采用自动切除负荷方式，即首先连锁切除相应的集中负荷，然后依靠低频减载装置切除部分负荷，使电网频率恢复。自动切除负荷属于第二道防线所采取的技术措施，即电力系统自动切除负荷，频率稳定控制是在电力系统扰动时使频率稳定，以尽可能减少切除负荷总量，这在极端严重的扰动时防止频率崩溃，防止大面积停电等方面具有非常重要的意义。有效的快速自动切除负荷控制与低频减载相比，其切除负荷量相对较少。

目前国内外自动切除负荷控制针对暂态稳定研究得较多，对于自动切除负荷频率稳定控制，国内外仅有一些初步的理论研究。切除负荷的量是与电力系统运行状态有联系的，但是至今尚缺乏系统的理论研究，缺乏对电力系统频率动态特性深刻认识基础之上的频率预测控制实时算法，以及在切除负荷控制时综合考虑电网过负荷和电网电压水平的研究。自动切除负荷频率稳定控制存在的基本问题是何时、何地切除负荷，以及切除多少负荷。由于功率缺额较大时就需要补充采用自动切除负荷方法，因此功率缺额的估算十分重要。目前对功率缺额的估算主要有以下方法：一是利用扰动前基于WAMS的同步相量测量来估计系统有功功率缺额，实现频率预测控制的目的，其中考虑了频变和压变负荷参数辨识，但是忽略了扰动过程中网络损耗变化以及负荷切除后负荷模型参数的变化；二是开发基于WAMS的同步相量测量的有功功率缺额和频率预测控制算法，其特点是在发电机一次调频时考虑了原动机的实际阀门限制，根据同步相量测量信息对负荷及网络损耗在扰动时的影响进行了估计，但是所试验电力系统的负荷是由恒定功率和恒定阻抗负荷组成的，励磁和调速器采用经典的模型，这种算法有待于在进一步研究理解频率动态变化规律的基础上完善和深入；三是利用最近一次潮流计算的雅可比矩阵因子表，快速求得系统在扰动后的稳态频率，并将受扰系统的减载控制描述成线性规划问题。自动切除负荷量可由离线计算分析确定，也可以在线预决策，即在线计算分析，每隔一定时间更新切除负荷整定值。但是在目前所有的理论研究中，切除负荷量的确定都还只是个粗略的估计。

由此可见，低频减载和自动切除负荷作为简单而且有效的反频率事故措施，在防止有功功率严重缺额导致系统频率下降中得到广泛应用。但随着现代电力系统结构日益复杂，在系统遭受严重有功功率缺额时，电力系统维持频率稳定方面存在新的挑战。基于PMU的广域测量系统在电力系统中应用的实现，为现代电力系统频率稳定紧急控制研究提供了新的数据观测平台。如何利用广域测量系统数据实现全局性的电力系统频率稳定紧急控制，逐渐成为当前电力系统稳定研究方面的另一个重要课题。在频率稳定控制未来的研究中，以下问题是值得进一步深入讨论的：①研究可靠的频率测量方法，使得新方法既要满足实时性要求，又要有很好的动态响应特性，即在电力系统动态过程中，如故障以及各种正常操作过程下也能实现准确同步测量；②考虑信号传输和处理过程中时延对控制效果的影响，如何求解最佳切除负荷的时间等。

（3）工程应用 频率稳定性揭示了电力系统在正常运行条件下以平均系统频率运行的能力，是发电和负荷间电力平衡的一种反映，频率失稳可能对发电设备和负荷设备造成损害，而低频减载是针对频率失稳最经常使用的策略。目前在应用方面做了大量的研究。

瑞典的University Project将PMU安装在瑞典的几所大学里，并且在400V的低压水平对电力系统频率进行检测，主要目的是通过对电力系统动态事件的检测来揭示一般相量测量技术的潜力和低压测量技术的可能性。ABB向瑞典兰德大学、吕勒奥大学、哥德堡大学各捐赠了一台RES521型PMU，并且通过400V的传输线连接起来。在400V的低压水平对频率进行测量，然后依托于国家校园网，通过因特网不断地把数据输送到数据汇总机，可以通过一个专门的PC（Personal Computer）来运行，它把数据排成列并且产生始终如一的数据集，并且每隔5min就把数据集以文件形式命名并写入磁盘。另外还需安装一些触发器，触发条件如下：下限为49.85Hz，上限为50.15Hz。

用低压水平的数据已检测到并确认了许多不同类型的事件，以下着重对两个例子进行阐述。

1）当频率超出上限时，随后对数据的分析显示稳态频率出现+0.08Hz的误差。在北欧电网系统中留有至少6000MW/Hz的频率控制余量，这就意味着北欧电网中出现至少480MW的负荷或出力损失。随后在德国诺德发现了紧急的市场信息，由于连接丹麦东部与德国的HVDC输电线路跳闸而少输送了近550MW的电量，很明显，这很好地契合了PMU数据。

2）上例中的频率在所有的PMU安装点都升高了，但也可能有的升高有的降低了。试验中发现吕勒奥监测点的频率开始升高了，而哥德堡和兰德的却降低了，这表明北欧同步电网中连接瑞典和芬兰的HVDC输电线路出现了跳闸，并且由连接两者的400kV交流线路替代，这可以由兰德和其他站点间的相位差反映出来，负荷的阶跃变化激发了瑞典西部和芬兰之间的欠阻尼区间振荡，这样就使输电系统的动态过程在较低的电压等级也可以观测到。

将WAMS对系统频率的监测应用到实际工程中的主要有：瑞士的ETRANS，它通过对系统频率的连续监测，而迫使机组在超出稳定运行极限时停运并发出警告信息；美国的WECC，已将频率控制列为主要工作之一；美国的EIPP，将频率变化以图表形式展现出来以详细地揭示互联系统中的发电—用电不平衡，同时本地频率测量可用来评估正常运行条件下的系统共振和动态压力，并且估计扰动下的降速或加速点；意大利的TERNA，正在计划把监控功能应用到频率稳定性分析和控制设计方面，通过检测频率对电力不平衡进行评估并且进行离线扰动分析，频率调控的有效性和响应速度以及旋转备用容量都会被考虑；奥地利的APG，引进WAMS的一个重要目的就是为操作员提供一种有效的对过负荷情况进行监测的手段，它可以向操作员提供实时的信息，当监测出系统运行在超正常状态时，系统就会向操作员发出早期警告，然后就可以采取行动，或者重新制定发电规划或者切除负荷；泰国的EGAT，对WAMS的期望很重要一点就是通过对电网动态条件的监测来发出早期警告，阻止扰动的进一步蔓延，从而避免系统失稳；我国电网是世界上最大的电网之一，如何安全有效地运行如此庞杂的系统是一个富有挑战性的问题，WAMS的引入将为这类问题的解决提供新的视角，并且定下了发展WAMS的目标：“短期用于监测和分析，长期用于电力系统动态行为的控制”，近些年来已获得了迅速发展。