摘要：随着电力系统规模的不断扩大和结构的日益复杂，故障的快速定位与有效保护成为保障电力系统安全稳定运行的关键。广域测量系统（WAMS）为电力系统故障的快速定位与保护提供了新的技术手段。本文首先介绍了广域测量系统的基本构成与工作原理，包括相量测量单元（PMU）等关键组件的功能。接着深入探讨基于广域测量系统的电力系统故障快速定位方法，如基于行波法、基于状态估计等。最后详细阐述了与之相适应的保护策略，涵盖广域保护的概念、结构与动作逻辑等内容。通过对这些方面的研究，旨在提高电力系统应对故障的能力，减少故障带来的损失，确保电力供应的可靠性。

关键词：广域测量系统、电力系统故障、快速定位、保护策略、相量测量单元

一、广域测量系统概述

广域测量系统（WAMS）主要由相量测量单元（PMU）、通信系统和数据处理中心三大部分构成。相量测量单元（PMU）是WAMS的基础数据采集设备，它能够对电力系统中的电压、电流等电气量进行高精度、高采样率的同步测量，并将测量得到的相量数据（如幅值、相位等信息）通过通信系统传输到数据处理中心。PMU的高精度测量能力得益于其采用的全球定位系统（GPS）提供的高精度同步时钟信号，这使得不同地点的PMU能够实现同步测量，从而为后续的广域分析提供了准确的数据基础。

二、基于广域测量系统的电力系统故障快速定位方法

1.基于行波法的故障定位

行波法是一种利用故障产生的行波信号进行故障定位的方法。当电力系统发生故障时，会产生向线路两端传播的行波。在广域测量系统中，通过安装在不同位置的PMU可以捕捉到这些行波信号的到达时间。由于行波在输电线路上的传播速度近似为光速，根据行波到达不同PMU的时间差以及行波的传播速度，就可以计算出故障点到各个PMU的距离，从而确定故障位置。然而，行波法在实际应用中也面临一些挑战，例如行波信号容易受到线路参数不均匀、噪声干扰等因素的影响，导致行波到达时间的测量误差，进而影响故障定位的精度。为了提高基于行波法的故障定位精度，需要采用高精度的PMU设备、优化行波信号的检测算法以及对线路参数进行精确的校准等措施[1]。

2.基于状态估计的故障定位

状态估计是广域测量系统中另一种常用的故障定位方法。它基于电力系统的数学模型和PMU测量得到的广域电气量数据，通过对电力系统的状态变量（如节点电压幅值、相角等）进行估计来判断故障位置。在正常运行情况下，电力系统的状态变量满足一定的数学关系（如潮流方程等）。当发生故障时，这些状态变量会发生变化，导致测量数据与正常运行时的数学模型不匹配。通过对这种不匹配情况进行分析，利用优化算法（如最小二乘法等）对故障后的状态变量进行重新估计，根据估计结果与正常状态的偏差来确定故障的大致位置。与行波法相比，状态估计法对硬件设备的要求相对较低，并且能够利用电力系统的整体运行信息进行故障定位，但它的计算复杂度较高，需要强大的计算能力来保证实时性[2]。

3.其他故障定位方法

除了行波法和状态估计法之外，还有一些基于广域测量系统的故障定位方法，如基于故障分量的定位方法。这种方法利用故障前后电气量的故障分量（如电压故障分量、电流故障分量等）进行故障定位。故障分量只与故障点有关，不受正常运行状态下负荷电流等因素的影响，因此具有较好的故障定位特性。另外，基于人工智能算法的故障定位方法也逐渐受到关注。例如，利用神经网络算法对PMU测量得到的大量历史数据和故障数据进行学习，建立故障定位模型。当发生新的故障时，将实时测量数据输入到训练好的神经网络模型中，就可以快速得到故障位置的预测结果。这种基于人工智能的方法具有很强的自适应性和学习能力，但需要大量的训练数据来保证模型的准确性[3]。

三、基于广域测量系统的电力系统保护策略

1.广域保护的概念

广域保护是一种基于广域测量系统的电力系统保护概念。它突破了传统保护装置基于本地电气量进行保护的局限性，而是综合考虑广域范围内的电气量信息来进行保护决策。广域保护能够实时监测电力系统的整体运行状态，当检测到故障时，不仅仅依据本地保护装置的测量信息，还结合其他相关区域的电气量信息，如相邻线路的电流、电压等，对故障的类型、位置和影响范围进行准确判断，从而采取更加合理、有效的保护措施。这种保护策略能够更好地适应现代复杂电力系统的运行需求，提高电力系统保护的可靠性和选择性。

2.广域保护的结构

广域保护的结构通常包括广域测量系统、广域保护决策中心和本地保护装置三个层次。广域测量系统负责采集广域范围内的电气量信息并传输到广域保护决策中心。广域保护决策中心是广域保护的核心部分，它对来自广域测量系统的大量数据进行分析、处理，根据预设的保护算法和策略判断是否发生故障以及故障的位置和性质等信息，然后向本地保护装置发送保护指令。本地保护装置在接收到广域保护决策中心的指令后，根据指令执行相应的保护动作，如跳闸、闭锁等操作。这种分层结构使得广域保护既能够充分利用广域测量系统的优势，又能够与现有的本地保护装置相结合，实现对电力系统的全面保护[4]。

3.广域保护的动作逻辑

广域保护的动作逻辑基于对广域电气量信息的综合分析。在正常运行状态下，广域保护决策中心持续监测电力系统的运行状态，通过对广域测量系统采集到的电气量数据进行分析，建立正常运行状态下的电力系统模型。当发生故障时，广域保护决策中心检测到测量数据与正常模型之间的偏差，根据偏差的大小和特征判断故障的类型（如短路故障、接地故障等）和位置。根据故障的类型和位置以及电力系统的网络结构、保护配置等因素，制定相应的保护方案，如确定需要跳闸的线路、需要闭锁的保护装置等。将保护方案以指令的形式发送给本地保护装置，本地保护装置按照指令执行保护动作。在这个过程中，为了确保广域保护动作的准确性和可靠性，还需要设置一系列的保护逻辑判据，如故障检测判据、动作时间判据等，以防止误动作和拒动作的发生[5]。

结语：

在现代电力系统不断发展的背景下，基于广域测量系统的故障快速定位与保护策略具有极其重要的意义。广域测量系统为电力系统故障的快速定位提供了多种有效的方法，无论是基于行波法、状态估计法还是其他新兴的方法，都在不同程度上提高了故障定位的精度和速度。基于广域测量系统的广域保护策略为电力系统的保护带来了新的理念和技术手段。通过其独特的结构和动作逻辑，广域保护能够更好地适应复杂电力系统的运行需求，提高保护的可靠性、选择性和灵敏性。然而，在实际应用中，仍然面临着一些挑战，如数据传输的可靠性、算法的复杂度与实时性之间的平衡、不同保护装置之间的兼容性等问题。未来的研究需要进一步优化广域测量系统的性能，完善故障定位和保护策略，加强不同技术之间的融合，以确保电力系统在面对各种故障时能够安全、稳定地运行，满足社会对电力供应日益增长的需求。

参考文献：

[1]张旭平.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2020.

[2]李里的.广域测量技术在电网中的应用研究[J].电力自动化设备，2019，39（6）：1-7.

[3]王震.智能电网故障诊断与保护策略[D].北京：华北电力大学，2021.

[4]赵家.基于PMU的电力系统动态监测方法[J].电网技术，2020，44（3）：987-993.

[5]陈娥.现代继电保护原理及应用[M].南京：东南大学出版社，2018.