[科普中国]-广域测量系统-

广域测量系统（Wide Area Measurement System，WAMS）是指基于同步相量技术构成的新一代电网动态监测和控制系统。广域测量系统具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，非常适合用于大跨度电网的动态过程实时监控。

简述广域测量系统（Wide Area Measurement System，WAMS）技术的提出和研究可以追溯到1990年以前。在1996年8月10日的美国西部大停电中，基于PMU的监测系统因成功记录了在系统解列前相角增长使系统变弱的过程而备受关注。2003年的美加大停电极大推进了WAMS的建设，并促进WAMS应用研究成果向工业领域转化。

WAMS由以PMU为基层信息采集单元，位于调度中心的主站系统和满足两者进行信息交换的通信系统组成，相比传统的SCADA系统，WAMS系统的采集单元不仅由PMU替换RTU，主站系统功能增强外，对通信系统的要求更加苛刻。

由于WAMS的信息来源是PMU所采集的精确、实时和同步信息，所以WAMS具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，非常适合大规模电网调度。相对于稳态监测和控制的SCADA，WAMS可以看作它的进一步延伸系统。1

主要包括电力系统同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）、相量数据集中器（Phasor Data Concentrator，PDC）、控制中心（Controller Centre，CC）以及作为数据传输基础的高速数据通信网络（Communication Networks，CN）等。WAMS可借助GPS等高精度时钟采集广域电网的实时状态参数，包括电气相量，再通过高速通信网络将分散的相量数据集中起来，得到电网全局统一时空坐标下的动态信息，从而实现对系统动态过程的实时监控，提高电网的自动控制和安全稳定水平。

特点较之传统的基于扰动检测的晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）系统，WAMS系统特点为：

①采用相对功角或角速度判别系统的暂态功角稳定性并实施控制策略，概念简单直观，较好地反映了系统的本质。对于所有扰动（包括区外扰动引起的暂态稳定性问题）均能正确响应。

②有望从根本上克服现有局部和分散控制系统的不足，实现全局的优化协调控制。

③它是一种基于直接响应的控制，直观方便，易于实现，有利于减少检测点，只需要在（发端）电厂和（受端）大系统母线上安装PMU，无须大量安装故障检测装置，而且还能较好地避免离线仿真与实际测量之间难以预知的误差所带来的控制失效。

相对于传统的SCADA系统，WAMS是一种能对电力系统动态过程进行监测的工具，尤其是它能够快速测量发电机的内电势、功角、角速度和母线电压等与发电机机电暂态过程密切相关的量，并能及时地将信息传送到中心站，为实现基于全网的在线安全稳定分析提供了平台。

不同于SCADA系统，PMU/WAMS提供的广域数据的特点为：

①带有统一时标的高速采样；

②高速的数据传输；

③可提供瞬时值及相位值；

④可提供暂态或动态响应。

WAMS将各广域量的时间断面对齐，可得到完整的系统动态曲线，既可用以校核模型和参数，也可从中提取关于电能动态质量和系统动态安全的各种信息。PMU数据作为SCADA数据的补充，有利于提高状态估计的精度，但必须在PMU测点的比例足够高时才有较明显的效果。2

结构广域测量系统（WAMS）总体结构如图1所示。

广域测量系统由三大部分组成，即分布在各厂、站的同步相量测量单元、覆盖全网的通信网络和安装在调度端的相量数据集中器。

PMU基本功能是利用GPS信号对电压、电流同步测量，进行分析，提供频率、相位和幅值信息。PMU的测量原理是使用GPS信号对电力系统运行中的电压和电流进行采样，利用采样得到的相量，通过离散傅立叶变换求取基频分量。

相量测量必须同时测幅值和相角，而相角的测量必须有统一的参考时间，GPS精确的时间传递功能在PMU中得到了很好的应用。GPS接收器可以提供间隔为1s的脉冲信号1PPS，它是以秒为计时单位、精度为1us的国际标准时间信号，对于50Hz的工频量而言，其相位误差不超过0.018°，完全可以满足功角测量的要求。2

功能WAMS为电网实时动态监控提供了信息平台，可以进一步对互联电网的动态过程特性进行分析和评估，辨识系统的失稳现象，向调度运行部门提供预警、预防控制的在线决策和紧急控制决策，提高电网安全运行水平。概括起来，基于广域测量系统的关键技术的研究内容包括系统监侧、系统分析以及电网稳定控制等方面。

1）在线低频振荡分析

随着电网规模的不断增大，负荷的不断增加，互联区域低频系统振荡成为了电力系统一个越来越严重的问题。WAMS的在线低频振荡分析功能可以在线跟踪此类现象并主导一个深入分析调查。首先，“振荡检测”功能扫描敏感动态信息，如联络线潮流和相应发电机相角，用以检查是否发生振荡。如果发生，改进的Prony算法将精细分析所获得的振荡详细信息，包括频率、阻尼系数和相关发电机和母线。同时主站将发布信息探查全网扰动记录。分析结果和记录的数据最后被存储在数据库并报告给调度员。

2）混合系统状态估计

该功能包括了以传统SCADA/RTU为同步向量测量手段的动态检测功能和改进速度和精度的状态估计功能。传统算法被适当地用于修正所获得的混合系统状态估计结果，该法能够兼容不同种类、不同精度和不同更新速度的测量技术。

3）在线紧急控制计划预决策

当电力系统发生大扰动的紧急状态，紧急控制将启动各项应对措施。由于响应必须很快，在几十毫秒至几百毫秒内作出反应。WAMS的该项功能中，能够在所获数据中迅速作出稳定估计，并通过广域通信系统将控制计划传递到本地控制装置。控制动作的数据将被保存，并被用来确定预决策系统过程的有效性。

4）电力系统相角稳定预决策和预警

在WAMS中，电机转子相角和母线电压相角都被直接同步送至检测系统。此外，这些相角数据在频率50Hz附近或者稍高。这样主站对整个网络有同步和动态的全局观，帮助稳定整个系统。改进的先进算法在本功能中利用相角数据来评测和预报观测系统的转子相角稳定性。

5）在线扰动辨识

传统扰动辨识方法无法实时处理系统故障。WAMS能够收集实时信息，实时监测扰动情况、辨识并处理扰动信息。考虑到PMU无法包含所有节点，精确辨识和位置确定不能够完全实现。WAMS在此情况下将会把扰动稳定和大致区域的列表传递给调度员，以便调度员采取下一步措施。

6）动态电压稳定监测

在EMS系统中只有静态电压分布信息能够取得。但是在WAMS中，系统能够提供一整套动态电压信息，这对于电压暂态稳定的详细监测有很大作用。

WAMS的该项功能应能检测长期和短期的电压升降。

7）模型/参数辨识

精确的模型和参数辨识对电力系统分析和控制都十分重要。但由于极其庞大的电力系统元件和实时变化性，获取精确的模型和参数非常困难，尤其是负荷建模。WAMS利用广域和动态测量技术来辨识发电机、传输线、负荷和其他电力系统装置的模型和参数。由于可以在线同步采集单个装置的足量信息，所需模型和参数能更加精确。在我国东北电网的WAMS系统中，该功能的结果已和当地模型/参数辨识设备较接近。

8）仿真验证

在我国，电力系统操作调度和控制都是基于数字仿真分析，但其与实际系统的相容性仍有待考证。应能够根据采集的动态和暂态数据，分析仿真程序的仿真曲线与实际记录的曲线之间的差别，给出元件模型和参数的修改建议。

9）自动电压控制

由于WAMS系统可以采集到所有节点的电压、无功功率、无功发电机的信息，因此基于WAMS的系统应能够自动优化电压。

10）WAMS数据共享

由于我国电网实行分级调度——省调只管理省内220kV及以下电网，网调仅管理500kV电网，同一省网内的发电厂分别由省调和网调管理，造成省调自建的WAMS只能观察到省网内的220kV以下电网，大区电网WAMS仅能观察到本区网内的500kV骨干网架。我国各大区电网互连后，大区电网除关心区内运行情况外还应关心区域边界对侧、甚至相邻区域重要电源的运行情况，省网缺乏省内500kV骨干网架的动态信息，也不利于全面分析省内电网的动态过程。因此省调、网调和国调的WAMS应对重要数据实现共享。WAMS数据实时共享，可充分发挥广域测量的技术特点。WAMS监测的区域电网越广阔，WAMS技术的优势越突出。3

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学