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电网广域动态信息监测分析保护控制系统

发表时间:2012-03-15 阅读次数:6545次

 

 

 

 

 

 

                                                                                                  上海华东电集能源咨询有限公司

 

  1. 案例名称

电网广域动态信息监测分析保护控制系统

  1. 背景

世界上频繁发生的大停电事故,对人民生活和国民经济建设造成了很大损失。中国电力系统是全世界发展速度最快的国家,大容量机组的长距离送电,使电网的安全稳定问题日益凸现。华东电网的快速发展,给电网安全运行带来了一系列问题:主网潮流不断加重;热稳定问题较为普遍;暂态稳定问题比较突出;安徽煤炭基地的送出和福建联网后的低频振荡;电压稳定问题有所显现;部分受端系统低电压问题严重;还有潜在的频率稳定问题。同时,网厂分开后大电源接入的随机性和电力市场运营带来潮流分布不确定性的增加,等等。现代电力系统的动态特性,包括同调性、失稳模式和关键断面等越来越复杂,电力市场的开放突出了对优化和协调的要求,更增加了电网稳定分析和运行控制的难度,因而构建电网安全稳定协调防御体系是现代电力系统可持续发展的必然要求。

2002年4月,华东电网有限公司(以下简称ECG)启动了“电网广域动态信息监测分析保护控制系统”(Wide Area Monitoring Analysis Protection-control,以下简称WAMAP)的建设工作。在国外有关厂商所做的框架设计不能满足中方要求后,ECG遂决定依靠国内力量开展设计工作。2002年9月,ECG正式委托上海华东电力咨询有限公司(以下简称ECEC。是本案例申报单位上海华东电集能源咨询有限公司前身)负责WAMAP系统项目的总体设计工作。

  1. 咨询标的

WAMAP系统建设目标是构建一个广域的动态监测、分析、保护、预警、控制系统,通过相角测量装置(以下简称PMU)的合理布点采集电网动态信息,集成能量管理系统(EMS)的稳态数据和保护及故障信息管理系统的暂态数据,组成电网运行全过程的三态(稳态、暂态、动态)数据综合平台,对三态数据有效整合和管理,快速进行电网各种运行工况的实时、准实时以及离线的计算处理和分析,为调度员提供预防控制在线决策和紧急控制预决策,把电网调度运行决策从离线预案型提升到在线预警和决策型,进一步提高电网安全运行水平;快速分析各个时段电网的安全裕度,挖掘电网已有输电线路传输容量的裕度,充分利用发电机的发电容量,提高电网公司和发电公司的经济效益;对电力市场辅助服务的调频和调压进行实时监测,预防电网功角和频率以及电压的失稳,为电网公司实时监测和考核发电企业履行合同情况提供技术手段。

ECG要求:WAMAP系统整体设计水平要达到国内领先、国际先进水平,部分应用功能要达到国际领先水平。

本项目是科研项目,全部费用包括设计、研发、设备采购和动模测试、安装、调试等,合计人民币3177万元(不含厂站的软硬件费用)。其中ECEC承担的设计费用和项目建设管理费用218万元。

  1. 咨询诊断

WAMAP系统的设计范围包括华东电网WAMAP系统主站端应用软件功能设计开发和系统结构设计建设,以及四省一市(江苏、浙江、安徽、福建、上海)500kV网架主要厂站动态信息的采集、传输设计和实施。要实现WAMAP系统的应用功能,在设计和开发上有下述主要技术难点:

  1. 动态、稳态和暂态信息统一时间基准和统一数据库管理。三态数据整合平台是构建WAMAP系统的关键,只有集成了动态、稳态和暂态信息,才能在网络拓扑平台上开发WAMAP系统的各种实时的应用功能。

(2)快速计算的数学模型和硬件平台。按照应用功能实时性指标,基于PMU动态数据(100帧/秒)的电压和频率的安全评估,计算速度平均周期不大于1分钟,基于100个预想故障的暂态功角稳定裕度和稳定模式、静态电压稳定极限功率、暂态电压安全稳定裕度和稳定模式等的在线定量分析和预防控制在线辅助决策,计算速度平均周期不大于5分钟。

(3)被集成系统各类五花八门的通信接口标准化问题。WAMAP系统总体框架的要求,其主站系统需与SCADA/EMS系统(ABB的E&TS系统、NARI的OPEN-2000系统)、继电保护信息管理系统、电力交易系统以及各省调的广域监测系统等互联。

(4)50多个厂站PMU布点优化、建设次序和信息的传输及共享。在保证应用功能所需信息的前提下,从暂态功角稳定和暂态电压跌落安全裕度指标以及低频振荡模式的角度,研究不受运行方式影响的PMU布点,包括PMU布点的最小集及安装顺序等,并兼顾通信网络信息的可靠传输。

(5)安全稳定定量分析。面向调度运行,基于预想故障集的暂态功角、电压、频率安全稳定的快速定量分析技术是电网安全稳定评估、模式分析、极限计算和预防控制与辅助决策的基础,是为调度员提供在线监视和提高安全稳定水平的手段。

(6)应用软件在开发过程中的验证方法和测试手段。用数字仿真动模测试来验证软件开发的正确性。WAMAP系统构建的是一个集三态数据于一体的广域信息平台,为有效验证各应用功能软件的正确性,需要搭建包括继电保护、故障录波器、RTU、PMU、EMS系统等设备,模拟电网实际运行环境,在实时数字仿真动模装置上进行严格的全面测试。

 

  1. 咨询方案

为达到WAMAP系统“整体设计水平达到国内领先,国际先进水平,部分应用功能达到国际领先水平”的设计目标,确定了主要设计原则和技术路线。

(1) 应用功能开发立足国内,要技术先进,功能实用,操作方便,安全可靠。

(2) 系统结构设计和数据流程要满足可靠性、实时性和开放性要求。调度中心相关计算机系统已经采集的电网信息和已具备的功能不再WAMAP系统中重现,保护已有投资。本项目直接采集的信息是PMU动态数据,稳态数据和暂态数据通过网络集成获取,组成三态数据综合平台。

(3) 快速进行电网各种运行工况计算处理和综合分析,向调度员提供预防控制在线决策和紧急控制预决策,提高电网安全运行水平。快速分析各时段电网安全裕度,挖掘输电线传输容量,充分利用发电机的发电容量,提高电网公司和发电公司的经济效益。对电力市场辅助服务的调频和调压进行实时监测,为电网公司实时监测和考核发电企业履行合同情况提供技术手段。

WAMAP系统的主要功能包括:(1)数据采集和汇集,建立全数据库(或称三态数据库)及其管理;(2)实时动态数据监测;(3)基于PMU数据的动态电压和频率安全评估;(4)计及PMU数据的状态估计;(5)功角、电压和频率安全稳定的在线分析;(6)低频振荡在线监视与分析;(7)预防控制在线决策;(8)传输功率实时监视(给出实时稳定裕度);(9)快速事故分析(包括实时快速事故分析和在线事故详细分析);(10)事故处理决策支持;(11)辅助服务质量监视;(12)事故记录;(13)模型和参数校核;(14)基于在线数据的离线稳定研究;(15)电力市场运行暂态稳定约束评估。

 

  1. 咨询过程

6.1 WAMAP项目总体设计阶段

2002年9月ECEC受ECG委托负责WAMAP系统总体设计,并于当月编制出系统总体设计内容深度规定。2002年10月ECEC通过议标方式,选择国家电网公司电力科学研究院/南瑞集团公司(以下简称NARI)作为设计合作伙伴。 ECEC与NARI共同于2003年2月完成WAMAP项目可行性研究报告。同年3月该报告通过专家评审。

2003年2月,ECG委托ECEC开展WAMAP系统的初步设计。ECEC继续与NARI合作编制完成WAMAP系统初步设计。在2003年9月召开的“华东电网WAMAP系统初步设计”专家评审会上,专家们高度评价这个项目的总体设计思路新颖,理论概念清晰,应用功能可行,信息流程优化,总体方案合理。

在可行性研究、专题研究和初步设计阶段,ECEC先后召开8次设计联络会,不断研究、修正和确定总体设计方案。2003年11月ECG批准了WAMAP总体设计方案。ECEC开始了WAMAP实施前的准备工作,包括完成主站系统技术规范书的编写和WAMAP系统建设阶段开发联合体各成员单位所有合同文件的起草。与NARI合作编制完成WAMAP主站系统平台和应用软件的详细设计。

 

6.2 WAMAP项目开发建设阶段

2004年6月WAMAP系统开发建设工作正式启动。在ECG的领导下成立了由ECEC、NARI和DITD(负责厂站PMU安装调试)三方组成的项目开发联合体,ECEC承担项目经理单位,负责项目开发过程中的组织管理和协调工作,全面负责WAMAP项目的质量控制、进度控制、资金控制和文档管理。

经过ECEC组织的4次设计联络会审定详细设计后,WAMAP系统正式进入工程实施和软件编程阶段。在项目研发过程中,ECEC每月召开工作协调会,编写会议纪要、出版月度简报,组织编写WAMAP系统工厂试验验收大纲和数字动模试验大纲。由于严格把关,FAT先后进行了3次。为保证WAMAP投运后立即发挥效益,ECEC于2005年8月、10月及2006年3月先后三次组织进行了动模试验。动模试验做了无数次高度仿真案例测试,合计时间超过400个小时。

在现场安装调试阶段,ECEC组织资深专家和NARI开发人员编写主站系统各个软件模块的技术手册和运行维护手册,并对WAMAP系统操作层和维护层的人员进行工厂培训和现场培训。整个WAMAP系统开发过程中约有超过百名的工程技术研究人员参与其中,主要技术骨干有30多名,仅仅是动模试验就有近10家企业参加。

 

  1. 咨询效果

本项目通过4年多的设计、开发和建设,建立了电网广域动态信息监测分析保护控制系统,构建了大电网安全稳定协调防御体系。提供了一整套可供工程推广的大电网安全稳定在线预警分析与优化控制的技术和装备,把电网调度运行决策从离线预案型提升到在线预警和决策型。其咨询效果体现在如下方面。

7.1、在国内外处于领先地位的创新技术

WAMAP系统自主开发成功,其综合水平达到国际领先,取得了多项创新技术:

(1)在国际上首次提出了由广域动态信息、量化的稳定分析以及自适应优化控制系统组成的WAMAP系统的概念和总体解决方案;

(2)从电力系统的同调性出发,在国际上首次提出了基于安全稳定量化理论的PMU优化布点方法,确定PMU的最小安装数,以及安装顺序。

(3)国内首创以扰动事件为存储依据,实现由SCADA/EMS的稳态数据和保护/故障信息系统的暂态数据以及PMU的动态数据的三态数据的有效平稳整合与管理。

(4)首次提出基于EEAC主导模式理论,结合Prony算法的低频振荡在线监视和在线辨识技术。

(5)国内首创能够有效评估机组一次调频响应情况,进行系统一次调频监视,实测电网自然频率特性系数,有效实现了机组一次调频性能和电网自然频率特性系数的在线定量分析。

(6)国内首次在运行电网中实现了计及PMU数据的状态估计以及电压和频率动态安全定量评估,提高并改善了状态估计效果,正确指导电网调度运行。

(7)首次在运行电网中,整体实现了电网在线静态电压安全及过载、暂态功角、暂态电压和暂态频率安全稳定的综合定量评估,以及在多个故障和不同失稳模式下功角稳定和暂态电压安全预防控制的优化决策支持。

(8)首次在电网运行中实现了对电力交易计划进行在线暂态稳定评估,协调电力交易计划的安全性和经济性。

(9)国内首创在线监视PMU数据的传输延时、丢帧和通道情况,并对PMU数据合理性和一致性进行校核。

(10)国内首创基于实时数据的电网扰动识别,快速确定故障类型和地点,为快速准确分析故障创造了良好条件。

 

7.2、安全可靠、有效和实用性

WAMAP系统运行初期,就成功捕捉了“桑美”台风登陆浙江、福建造成的多次电网短路故障事件,以及乌沙山电厂60万千瓦机组的甩负荷试验等系统扰动事件,为华东电网安全稳定动态监视、预警和在线决策提供了技术手段,为运行方式的研究、电力交易的稳定校核和离线事故分析提供了有效的技术支持。

WAMAP系统建设的目的是面向调度运行,提供电网安全稳定动态监视、预警和在线辅助决策手段,把运行决策从预案型提升到预警型,从全局角度协调安全稳定和经济运行,提高电网输送能力,产生了极大的经济效益和社会效益。

(1)通过WAMAP系统在线安全评估,快速计算输电线实际输送稳定限额,改变离线计算偏于保守状况,极大提高了系统运行的经济性。如华东电网苏北送出、浙江东南沿海送出、安徽送出等几个重要输电通道经过在线安全评估,稳定限额大幅度提高,输电能力提高约230万千瓦,相当于少建两回大截面导线的500kV线路,可节约投资约十亿元。

(2)WAMAP系统动态、准确、完整地反映电网运行信息,改变以往事故时电话联系现场,故障信息的时效性、完整性和准确度的缺陷,对事故的反映速度由原来的分钟级提高到秒级。辅助运行人员及时判断故障类型和故障地点,加快事故处理速度,降低大面积停电机率,极大地减少经济损失、提高电网的安全性。。

例如,2007年7月25日15:47,苏北盐都-泰兴两回500kV线路间隔8秒相继故障跳闸,WAMAP系统即时准确反映了故障信息。当事故尚在处理中,16:12安徽-浙江的一回500kV省际联络线又发生故障跳闸,又是WAMAP提供的信息使华东网调面对如此复杂的局面作出了正确的判断和处理,在夏季用电高峰期间成功保住电网的安全。2008年1月10日-2月3日冰灾期间,华东电网500kV线路发生61次故障,60次的故障信息都及时传送到主站(未送的1次是通信光缆断裂)。WAMAP系统快速判断故障过程,正确预警,使调度员得以快速正确处置。2009年11月,华东电网面临冬季首轮高峰,负荷快速攀升,而浙江部分线路覆冰严重,华东网调充分利用WAMAP系统的实时潮流,及时准确研究解决了浙江电网融冰运行方式,保证了向上海电网的送电。

(3)WAMAP系统的辅助服务质量监测功能,动态监视发电机一次调频调节系数和反应速度,以及华东全网和五省(市)的频率响应系数,有效管理电网,保证电网的电能质量。

(4)WAMAP系统对电力市场日前竞价出清结果的暂态稳定评估,改变了用典型方式计算电网暂态稳定的方法,有利减少电网堵塞,改善电力市场竞争度,提高电力市场优化资源配置的能力,使电力交易计划切实可行。华东电网日前竞价试运行结果表明,若不用WAMAP系统进行安全校核和调整,有18.2%的计划不可行。

(5)PMU记录的是电力系统动态过程的海量信息,通过WAMAP系统软件的分析处理,并辅以直观清晰友好的人机界面的提示,给调度员动态监控电网运行带来极大便利,减轻了调度人员的劳动强度。

(6)从电力系统的同调性出发,基于安全稳定性量化理论的PMU优化布点方法,确定PMU最小安装数,在技术上PMU采集的动态信息满足WAMAP系统应用功能的要求,在经济上所投资金最少,因而技术经济比较最优,获得了间接的经济效益。

7.3、广泛推广,综合经济效益明显

WAMAP系统的各项应用功能,已经在国内众多电网得到规模性推广,其中WAMAP系统的在线稳定评估、预防控制辅助决策等功能已经融入了国家电网公司智能电网调度技术支持系统建设中。下表是成果推广在部分网省电网的应用情况(2007年底数据)。NARI在WAMAP系统应用推广过程中,实现销售收入达到2.1亿元(2008年数据),经济效益明显。

 

WAMAP系统项目组成员在国内外专业会议或核心期刊上已发表论文38篇,其中国际论文13篇(2篇SCI,7篇IEEE GM等级的邀请报告)。

除了在国内积极推广外,WAMAP系统还向国际推广。2005年10月,受“ECLEE 2005 中国-欧盟电力合作会议"邀请,时任ECEC总经理、WAMAP系统联合开发体项目经理洪宪平在上海交通大学召开的大会作题为“The Key on Construction of Dynamic Supervisory Control System in Power Grid”的技术报告,介绍动态监控系统建设中的关键技术。2007年9月,洪宪平总经理受北美电力可靠性协会(NERC)和美国能源部邀请,出席加拿大蒙特利尔市召开的北美同步相量标准化工作组会议,在会上作题为“Power Grid Monitoring and Controlling”专题演讲,介绍中国电网动态监控技术开发和应用情况,发言报告刊登在NERC网站。洪总的发言引起会议极大兴趣,美国开发出PMU技术已有十几年历史,但应用和推广一直步履艰难。北美同行非常震惊和敬佩中国电网能在短短的几年内系统性大规模地推广应用动态监控技术,并取得良好效果。

 

  1. 评价

8.1 成果奖励和知识产权

   WAMAP项目已获得的科技成果奖励和知识产权有:

  • 2007年中国电力科学技术进步一等奖,证书号2007-1-2-D03,获奖名称:华东电网广域动态实时防御系统WAMAP,发证单位:中国电机工程学会。
  • 2007年上海市科学技术进步二等奖,证书号20074599-2-D03,获奖名称:华东电网广域动态实时监控系统WAMAP,发证单位:上海市人民政府
  • 2007年国家电网公司科学技术进步一等奖,证书号20072048-D03,获奖名称:华东电网广域动态实时监控系统WAMAP,发证单位:国家电网公司。
  • WAMAP系统项目还获得一项软件著作权;二项实用新型专利授权;四项发明专利受理的自主知识产权。

 

 

8.2 后评价结论

ECG在WAMAP系统投运数年后委托有关咨询中介机构对该项目进行了全面的后评估。评估专家组认为:WAMAP系统自主开发成功,具有自主知识产权,综合水平达到国际领先。WAMAP系统最突出的优点是为电网运行人员直观、准确、快速处理故障提供了技术平台。其研究成果在国内众多电网得到了实际应用,运行稳定可靠,经济技术效果明显。

后评估报告认为:华东电网WAMAP系统,综合利用不同渠道提供的广域监测信息,建立了电网运行全过程的广域信息数据平台,对这些数据进行实时、准实时和离线分析,为调度和运行分析人员监视和评估电网动态运行状态、分析和处理各种电网事故提供技术支持,实现了电网在线预警和辅助决策,将电网调度运行决策从离线预案型提升到在线预警和决策型,提高了电网的输电能力,协调了电力交易的经济性和安全性,初步构建了现代电力系统安全稳定协调防御体系,实施成功并可供工程推广的大电网安全稳定在线预警分析与优化控制的技术和装备,为我国未来特高压互联大电网安全稳定运行奠定了基础。

WAMAP系统综合利用三态数据的概念设计和总体方案,提出了全新的设计思想,取得了多项国内外首创新技术,实现了各应用功能的实时性要求;WAMAP项目立项依据充分,决策适时,选择合作伙伴正确,前期工作规范细致,具有前瞻性和开创性。实施过程中领导重视,组织机构完善,工作程序规范有序,设计文档齐全,版本管理严格,分工明确,专业配合协调,资源优化配置明显、效果显著,保证了项目的顺利进行;项目资金使用合理,专项专用,严格控制,决算表真实规范,计划执行情况良好,按合同要求分期付款,无超支,无计划外支出;WAMAP系统的投运,使电网输电能力大幅度提高,产生的经济效益极为显著,提高了电网的安全性和电能质量,所产生的社会效益也极为明显。

后评估专家给予了WAMAP系统95分的高评分,后评价结论为“优秀”。

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