電力防衛系統之研究-總計畫(1/2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫(1/2)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-002-101-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日

執行單位： 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所

計畫主持人： 劉志文

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

電力防衛系統之研究-總計畫(1/2)

A Study on Power Defense Systems

計畫編號：NSC 92-2213-E-002-101

執行期限：92年8月01日至93年7月31日止

主持人：劉志文 台灣大學電機系

Tel：(02)23635251-243；E-mail：

cwliu@cc.ee.ntu.edu.tw

Abstract: Nine subprojects related to power defense

systems areintegrated together in this project. The main target of this project is to study the most advanced technology for power defense systems. The function of this project is to support each subproject in administration, purchase, coordination of research resource, etc.

Keywords: power defense systems, power system

stabilizer, dynamic stability, Multiple Software Agent System, Real-time monitoring, Flywheel Energy Storage System 1. 成果 各子計畫成果摘要如下： 子計畫一：電力即時監視與分析系統(1/2) 本計畫採用具跨平台特性之物件導向程式語言 Java開發適用於多種作業平台、網路通訊環境及使用 者裝置之電力即時監測與分析整合系統，並以全球衛 星定位系統(GPS)為基礎之相量量測單元(PMU)做為 系統量測端設備，以達到全系統時間取樣同步化。近 年來，網際網路及無線通訊技術的進步，各種網路上 之應用亦蓬勃發展，為了使系統監測分析更具多選擇 性與機動性，本計畫應用目前廣為使用之個人數位助 理 (PDA) 、 智 慧 型 手 機 (Smart Phone) 及 網 路 瀏 覽 器 (Web Browser)作為使用者裝置，並設計簡單易操作 之圖形化使用者介面(GUI)，在Client / Server主從式 架構下，透過網際網路、無線網路及行動通訊網路， 即時監測與分析遠端電力系統的運轉狀況與用電品 質，其中並整合資料庫系統，更新各遠端站之即時資 料及儲存歷史數據，用來追蹤系統運轉效能，並檢視 系統潛在的電力品質問題。本系統已完成之監測分析 項目包含有三相電壓電流即時監測、系統頻率即時監 測、實虛功率即時監測、功率因數即時監測、三相電 壓不平衡因數即時監測、三相電流不平衡因數即時監 測、兩地功角即時監測、歷史資料查詢及動態觸發文 件查詢。經由系統完整的建立及實際訊號量測的測 試，足可證明本計畫所研製之整合系統的實用性與可 行性。 子計畫三：電力系統之電磁脈衝技術分析與防衛 能力之研究(1/2) 由於電磁脈衝的能量極大，發生時間極短，所 以 各 種 結 構 物 就 有 如 天 線 接 收 體 ， 接 收 巨 大 的 能 量，經由電力饋線感應至各種電子設備以及電腦網 路 ， 造 成 許 多 無 法 估 計 的 損 失 。 電 磁 脈 衝 可 由 雷 擊、高空核爆以及開關突波所產生，它能在極短時 間內，以電磁波的形式將強大能量由雷擊點或爆點 傳至遠處，而電磁脈衝又具涵蓋面積大、時間短暫 及高能量與頻率範圍寬廣之特性，因此將使所有的 電力系統、電腦資訊系統、通訊系統、電器設備等 設施受干擾或產生熱輻射效應，以致無法有效動作 而導致系統的癱瘓。 電力系統中，電力之傳導與配電皆仰賴傳輸配電線 及其它保護設備與裝置來完成，電磁脈衝經由高壓 傳 輸 線 感 應 獲 得 能 量 ， 藉 由 架 空 電 力 輸 配 電 線 導 引，再連接至低壓配電饋線穿透至建築物，然後傳 導至建築物配電箱之電路斷路器，而破壞整個系統 設備與裝置。因此，本計畫依據電磁脈衝耦合穿透 之路徑，首先針對電磁脈衝防護元件做詳細說明。 接著利用火花間隙或氣體放電管響應時間非常快之 突波抑制元件，將電磁脈衝抑制至保護絕緣設備規 格內。然後，再對電力傳輸線受電磁脈衝影響其數 學模型做推導、分析與模擬。最後，以台電汐止~板 橋段30公里之354KV特高壓傳輸線受電磁脈衝影響 做模擬與分析。本計畫亦提出傳輸線受電磁脈衝衝 擊下之模型，並詳細討論其幾何結構方向性與土壤 特性之影響狀況。最後，據此推論傳輸電力線之電 磁脈衝耦合影響，可藉由傳輸線之模型驗證之。 子計畫四：以同步相量量測為基礎之電力系統低 頻震盪監測與改善(1/2) 本計畫”以同步相量量測為基礎之電力系統低頻 震盪監測與改善”為兩年期的計畫。為了逐步完成此 計畫，在第一年的研究中，我們著重於低頻震盪的 監測。隨後我們發展出一個新型的數位演算法，用 以 配 合 同 步 相 量 測 資 料 來 達 到 監 測 低 頻 震 盪 的 目 1

的。在本篇報告中，我們將介紹我們所研發出來的 數位演算法，並利用其可結合其它演算法的優點， 來提高本演算法的實用性。同時也對其它相關的演 算法加以討論，並且將我們所提出之演算法與離散 傅立葉轉換、普羅尼法在Matlab模擬中比較與驗證其 準確性；更進一步的，我們將使用實測資料證明其 實用性，以證明本計畫所發展出的數位演算法極具 實用價值。 子計畫五：以同步相量量測單元為基礎之輸電線 保護技術研究暨延伸型離散傅立葉轉換 之SOC晶片研製(II) 本計畫發展以同步相量量測單元為基礎之輸電 線保護技術，其中包括電弧性與永久性輸電線故障 之偵測、定位及電弧性故障判定。此外、為消除因 指數衰減直流成分所引起之相量計算誤差，計畫中 亦發展一延伸型離散傅立葉轉換以計算基頻與諧波 相量。在大量的電腦模擬後，對於提出之故障偵測 器，其對於電弧性與永久性輸電線故障之跳脫時間 最快可達3.25 ms 且平均跳脫時間大約是8 ms，對於 所提出之故障定位器，其準確度最高可達99.99% 且 最大誤差不超過0.45%。此外，所提出之電弧性故障 判別器可在故障後4 週內判定故障為電弧性或永久 性。藉由電腦模擬可知其為避免輸電線復閉於永久 性故障之有效工具，最後，一利用實測資料的測試 例子證明所提技術的可行性。 子計畫六：以同步量測為基礎之彈性交流輸電系 統新型電驛與穩定度控制器之研究(1/2) 在本計劃中發展一種增強雜訊免疫能力的新型 離散傅立葉演算法用以衰減故障電流之中的衰減直 流成分，並將此一新型演算法利用FPGA以硬體線路 的方式實現完成。本計劃所提出的演算法在計算時 僅需要”一個週期再加上一個取樣點”即可完成衰減直 流成分的衰減濾波。相較於先前所提出的相關演算 法，本計劃所提出之濾波演算法具有較強的抗雜訊 干擾能力以容忍量測訊號之中的雜訊。此外當量測 訊號之中所含有的指數衰減直流成分消失之後，本 演算法不需經過訊號內容的分析即可收斂至傳統離 散傅立葉演算法的結果而不會發散。因此本計劃所 提出之演算法亦具有計算時的強健性。本演算法將 利用一些特定的測試訊號以及一組由實際電力系統 參數設定之MATLAB程式所產生的測試訊號分別利 用MATLAB程式以及FPGA電路驗證本演算法。由結 果可看出本計劃所提出之演算法不論在MATLAB的 程式以及FPGA的電路之中均可正確而有效的運作。 子計畫七：特殊保護策略之研究(1/2) 本計畫所需之研究時間長達三年，而本年度的 主要工作為討論民國92及95兩年台電系統低頻振盪 的情況，並提出適當的建議及改善方案，而現階段 已完成92年系統的討論，95年系統的討論則預計在 期末時完成。研究所需的模擬軟體包括PTI的PSS/E 及EPRI的SSSP，若軟體內未內建所需的設備模型時 則 必 須 使 用 自 建 模 型 ， 例 如 勵 磁 機 使 用 者 自 建 模 型。先在頻域觀察台電系統中未加入及加入全部的 電力系統穩定器時0~3Hz之間的低頻振盪情況，再利 用特徵值及右特徵向量判別振盪模式，並觀察參與 振盪機組中已裝設穩定器機組的參與因數以判斷該 機組有無裝置穩定器的必要性。以上的分析結果需 要再以時域分析來做驗證，最後若發現低頻振盪的 阻尼比未大於0.05時，則再依據個別的情況提出解決 方案，其中包含決定是否需要新增電力系統穩定器 以使整個台電系統的動態穩定度符合需求。 子計畫八：基於廣域量測值之電力系統穩定控制 器(1/2) 本計畫為「電力防衛系統之研究」總計畫下的 一項子計畫，主要目的在於探討電力系統廣域量測 值於電力系統穩定控制器設計之應用。 由於全球衛星定位系統科技的進步，使得大型 電力系統在大範圍區域之間的信號同步相量量測成 為準確可行，並已在電力系統的控制及監測領域中 獲得有效的應用。本計畫主要目的在運用電力系統 的廣域量測值，來改進以往電力系統穩定器大多仰 賴於當地或局部的資訊而導致控制能力上的限制。 利用廣域量測到的遠端同步量測資訊，配合局部區 域的量測值，提昇穩定器的控制能力，以改善局部 區域及整體電力系統的穩定度。 本年度主要工作項目在於分析以廣域訊號為輸 入之電力系統穩定控制器以及訊號傳輸過程的延遲 效應對電力系統穩定控制器性能的影響。本計畫採 用特徵結構分析理論配合時域模擬為研究方法，設 計電力系統穩定控制器，並進一步考量廣域量測值 訊號傳輸過程的訊號延遲效應，以比較分析廣域量 測值訊號傳輸延遲下與原設計穩定控制器的性能表 現。實例研究以一多區域電力系統為對象，於擷取 不同遠端與當地訊號下，考量不同的廣域量測值訊 號 傳 輸 延 遲 時 間 ， 計 算 分 析 其 特 徵 結 構 與 時 域 響 應，以比較電力系統穩定控制器的性能，並探討對 於電力系統穩定度改善的可行性。 計畫九: 整合彈性交流輸電和儲能系統作電力系統 防衛(1/2) 由於許多科技的進步，使得高速飛輪能量儲存 系統(FESS)，飛輪電池變成可能取代電化學電池， 最近幾年飛輪電池吸引許多研究者興趣。在此計畫 中，一自我組織模糊類神經網路控制器(SOFNC)被設 計用於控制FESS，以改善電力系統暫態穩定度及增 加系統傳輸能力。此控制器與傳統控制器的主要相 異處是自由模型描述控制系統和平行計算能力。以 所提控制方法控制的FESS 加入台電系統後，由模擬 2

的結果，顯示台電系統特性獲得明顯改善。 子計畫十：智慧型代理人技術於電力系統故障診 斷與復電決策之研究(1/2) 本研究計畫係應用多代理人技術，發展一套智慧 型線上故障診斷與復電決策系統，作為控制中心系統 調度人員之輔助性工具。由於電力網路具有高度互連 且相互影響的特性，資料來源散佈於各區域，而在控 制行為上又必須對整體作考慮，因此非常適合應用智 慧型代理人技術。本研究採用多代理人系統架構，輔 以人工智慧技術作為實現電力系統故障診斷與復電決 策之設計目標。研究方向考量實際應用之可行性，期 能整合於電力公司既有之能源管理/監控系統中。 2. 成果自評 本總計畫達成預期目標。 3