CN102914712A - 基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法，通过PMU或WAMS的数据，选取一个与电力系统稳定关系密切的机电量，在初始十几个周波内快速识别出某个低频振荡是由于系统缺乏阻尼而导致的负阻尼低频振荡、还是由于系统中存在强迫扰动源引发的强迫振荡，以便快速采取抑制低频振荡的措施。

Description

基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法。

背景技术

随着电力工业市场化进程的深入，电力系统越来越趋于极限运行，低频振荡问题是国内外电网共同面对的技术难题。低频振荡频率低，振荡范围广，振荡持续时间长，对电网安全稳定造成了巨大威胁。产生低频振荡的原因主要有两种，一种是负阻尼低频振荡，负阻尼振荡是逐渐增幅过程，若没有人为干预，将持续保持增幅振荡，振荡的幅度越来越大，直到系统切机或失稳；另一种是强迫共振型的低频振荡，当扰动频率与系统自然振荡频率相同或接近时，产生共振，振荡振幅主要与扰动的幅度及系统阻尼水平有关，振荡过程中扰动源一直存在。强迫振荡引起的低频振荡与负阻尼低频振荡的相似点为：(1)振荡的起始阶段都表现为增幅振荡；(2)增幅振荡都可能发展为等幅振荡。这使得如何正确、快速识别它们成为必须解决而又难于解决的问题。两种机理振荡的起因不同，需要采取的应对措施也不同，因此有效地判别负阻尼振荡和强迫振荡对快速应对低频振荡问题有重要意义。但由于两种振荡的表现形式很相似，目前尚未发现有能有效判别负阻尼振荡和强迫振荡方法的报道。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法，适合用以连续监控电力系统中的低频振荡现象；当电力系统中发生低频振荡时可以根据功率曲线快速准确找出功率峰值序列，构建直线方程，比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值的关系来辨别振荡性质。

为实现上述目的，本发明提供一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统，其改进之处在于，所述系统包括：依次连接的功率峰值计算启动模块、功率峰值提取单元、转存单元、有效性确认单元、直线方程构建单元、中间计算单元和振荡类型判定单元。

本发明提供的优选技术方案中，所述功率峰值计算启动模块包括电流突变量动作检测组件和接收其控制信号的定时计数器。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述转存单元设置有存储功率峰值及相应的时刻的功率峰值序列。

本发明提供的第三优选技术方案中，提供一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

(1).启动功率峰值计算；

(2).提取功率峰值；

(3).将提取的功率峰值及相应的时刻转存在功率峰值序列中；

(4).确认功率峰值的有效性；

(5).构建并计算直线方程；

(6).根据直线方程的计算结果对振荡类型进行判定。

本发明提供的第四优选技术方案中，在所述步骤1中，利用所述电流突变量动作检测组件对电流突变量进行检测，若检测出电流突变量，则向所述定时计数器发出控制命令，在设定时间段内检测扰动源。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述电流突变量动作检测组件依式(1)对电流突变量进行检测：

‖(i_n-i_n-N)|-|(i_n-N-i_n-2N)‖≥I_dset    (1)

其中，i为实时电流采样值；n为采样点序号；N为数据采样周期；I_dset为电流突变量启动设定值。

本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤2中，所述功率峰值提取单元根据式(2)对功率峰值进行提取：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{AVG}}=\frac{1}{n}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(n\right)\\ P(n-3)-P(n-4)\≥\mathrm{\ϵ}\\ P(n-2)-P(n-3)\≥\mathrm{\ϵ}\\ P(n-1)-P(n-2)\≤\mathrm{\ϵ}\\ P\left(n\right)-P(n-1)\≤\mathrm{\ϵ}\\ P(n-2)-P_{\mathrm{AVG}}\≥\mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中，P_AVG为传输功率平均值；P(n)为功率序列；ε为设定的功率阀值；α为设定的功率阀值，α大于ε。

本发明提供的第七优选技术方案中，在所述步骤3中，所述转存单元根据式(3)将提取的功率峰值及相应的时刻转存在功率峰值序列中；

$\left\{\begin{array}{c}{P}_j\left(k\right)=P(n-2)\\ T_j\left(k\right)=n-2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：P_j(k)为功率峰值序列；T_j(k)为对应功率峰值的时间序列；k为功率峰值序号。

本发明提供的第八优选技术方案中，在所述步骤4中，根据式(4)确认功率峰值的有效性；

P_j(k)-P_j(k-1)≥0

T_j(k)-T_j(k-1)≥0.4    (4)

T_j(k)-T_j(k-1)≤20

本发明提供的第九优选技术方案中，当功率峰值不能满足式(4)的条件时，返回(2)式提取功率峰值。

本发明提供的第十优选技术方案中，在所述步骤5中，提取出7个有效功率峰值，用功率峰值的第一点和第六点构建直线方程F(t)：

$F\left(t\right)=P_j\left(1\right)+\frac{P_j\left(6\right)-P_j\left(1\right)}{T_j\left(6\right)-T_j\left(1\right)}[t-T_j\left(1\right)]---\left(5\right)$

根据式6比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值，

G[T_j(k)]＝F[T_j(k)]-P_j(k)    k＝2，3，4，5，7    (6)

本发明提供的较优选技术方案中，在所述步骤6中，根据G[T_j(k)]的计算结果来判断低频振荡的类型，令G[T_j(7)]等于Z，

(a).统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中小于0的个数为R，当R≥3且Z＞0时判定为强迫振荡；

(b).统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中数值大于0的个数为Q，当Q≥3且Z＜0判定为负阻尼振荡。

与现有技术比，本发明提供的一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统和方法，在发生低频振荡的增幅的最初几个或十几个周波内，通过电流突变量启动触发计算，采用枢纽点、变电站母线的频率信号或者联络线、发电机机端的有功功率信号曲线，通过比较计算获取振荡周期内的7个最大值时刻点，选取第一点和第六点构建直线方程，比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值的关系来快速识别出低频振荡的性质是负阻尼振荡还是强迫振荡；这样就解决了在发生低频增幅振荡时振荡性质难以识别的问题，可以有针对性的采取措施抑制振荡；而且，此方法可以不依赖于波形的滤波处理，便于实施、准确度高，通过PMU或WAMS的信号快速识别出对于某个低频振荡是由于系统缺乏阻尼而导致的负阻尼低频振荡，还是由于系统中存在强迫扰动源引发的强迫振荡，以便快速采取抑制低频振荡的措施。

附图说明

图1为基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的流程图。

图2为负阻尼低频振荡的振荡曲线及采用本系统和方法的流程判别结果。

图3为强迫振荡的振荡曲线及采用本系统和方法的判别结果。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题是，当电力系统中发生低频振荡时可以根据功率曲线快速准确找出功率峰值构建直线方程，比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值的关系来辨别振荡性质，本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括如下几个部分：

(1)功率峰值计算启动条件

本方法采用电流突变量的方法启动功率峰值计算启动模块，当电流突变量动作时，进入功率峰值计算启动模块，并启动定时计数器，当在一个设定的时间内未检出扰动源，程序自动返回，电流突变量启动判据见(1)式。

||(i_n-i_n-N)|-|(i_n-N-i_n-2N)||≥I_dset    (1)

式中：

i为实时电流采样值；

n为采样点序号；

N为数据采样周期；

I_dset为电流突变量启动设定值

(2)功率峰值提取组件

功率峰值的提取判据见式(2)，为了区分一般的正常功率波动和功率振荡，引入了传输功率平均值，当功率峰值显著大于传输功率平均值，提取的功率峰值才有效。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{AVG}}=\frac{1}{n}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(n\right)\\ P(n-3)-P(n-4)\≥\mathrm{\ϵ}\\ P(n-2)-P(n-3)\≥\mathrm{\ϵ}\\ P(n-1)-P(n-2)\≤\mathrm{\ϵ}\\ P\left(n\right)-P(n-1)\≤\mathrm{\ϵ}\\ P(n-2)-P_{\mathrm{AVG}}\≥\mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：P(n)为功率序列，ε为设定的功率阀值，α为设定的功率阀值，要求α大于ε。

(3)功率峰值转存组件

将成功提取的功率峰值及相应的时刻转存在功率峰值序列中，见式(3)

$\left\{\begin{array}{c}{P}_j\left(k\right)=P(n-2)\\ T_j\left(k\right)=n-2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：P_j(k)为功率峰值序列，T_j(k)为对应功率峰值的时间序列，k为功率峰值序号。

(4)功率峰值的有效性确认组件

为了进一步确认功率峰值的有效性，要求右侧的功率峰值不小于左侧的功率峰值，电力系统中发生低频振荡时，振荡频率一般在0.05-2.5Hz左右，因此相邻功率峰值的时间间隔在0.4～20S之间，由此得出式(4)，当式(4)的条件不满足时，返回(2)式提取满足要求的功率峰值。

P_j(k)-P_j(k-1)≥0

T_j(k)-T_j(k-1)≥0.4

T_j(k)-T_j(k-1)≤20    (4)

(5)构建直线方程组件

当成功提取出7个有效功率峰值后，用功率峰值的第一点和第六点构建一直线方程，见式(5)。

$F\left(t\right)=P_j\left(1\right)+\frac{P_j\left(6\right)-P_j\left(1\right)}{T_j\left(6\right)-T_j\left(1\right)}[t-T_j\left(1\right)]---\left(5\right)$

(6)中间计算组件

比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值，见式(6)。

G[T_j(k)]＝F[T_j(k)]-P_j(k)    k＝2，3，4，5，7    (6)

(7)振荡类型的判定

根据G[T_j(k)]的计算结果来判断低频振荡的类型，令G[T_j(7)]等于Z，(a)统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中小于0的个数为R，当R≥3且Z＞0时判定为强迫振荡；(b)统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中数值大于0的个数为Q，当Q≥3且Z＜0判定为负阻尼振荡。

实施例：

下面结合附图，对本发明专利进一步详细说明，但本发明不限于所给出的例子。

基于直线法判别负阻尼振荡和强迫振荡的软件实现方法由以下两个部分构成：

通过PMU或WAMS的数据获取实测频率、功率振荡曲线，直接利用实测信号(或者基于PRONY法或HHT法对低频振荡曲线进行信号处理)，得出主导振荡模式的曲线信号。本条相关内容不在本发明范围内，不做详细论述。

一种基于直线法判别负阻尼振荡与强迫振荡的系统，所述方法包括如下步骤：

(1).获取实测振荡曲线；

(2).通过电流突变量启动计算，获取每个振荡周期内最大值时刻点(选取7-9个点)进行分析；

(3).通过比较计算确认这是一个低频增幅振荡；

(4).选取间隔大于5个振荡周期的两点形成直线方程；

(5).比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值的关系来辨别振荡性质，比较直线方程时间段外测量值与直线上对应数值的关系来再次确认振荡性质辨别结果的正确性。

在所述步骤2中，基于实测振荡曲线，取每个振荡周期内最大值点的数值进行分析，为了减少测量误差或者噪声等的影响，应至少取7个周波的数值进行计算。

所述实测振荡曲线包括与电力系统稳定关系密切的机电量：枢纽点、变电站母线的频率信号、联络线和发电机机端的功率、频率、转速信号曲线。

负阻尼振荡实例参见附图2：图例中是振荡周期T＝1.2s的负阻尼振荡曲线，利用式(2)提取增幅振荡过程中的7个周波进行分析计算，分析结果如图2所示。

强迫振荡实例参见附图3：图例中是振荡周期T＝1.25s的强迫振荡曲线，利用式(2)提取增幅振荡过程中的7个周波进行分析计算，分析结果如图3所示。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (12)

1.一种基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的系统，其特征在于，所述系统包括：依次连接的功率峰值计算启动模块、功率峰值提取单元、转存单元、有效性确认单元、直线方程构建单元、中间计算单元和振荡类型判定单元。 

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率峰值计算启动模块包括电流突变量动作检测组件和接收其控制信号的定时计数器。 

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转存单元设置有存储功率峰值及相应的时刻的功率峰值序列。 

4.根据1-3项权利要求任一项所述系统的基于直线法判断负阻尼振荡与强迫振荡的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

(1).启动功率峰值计算； 

(2).提取功率峰值； 

(3).将提取的功率峰值及相应的时刻转存在功率峰值序列中； 

(4).确认功率峰值的有效性； 

(5).构建并计算直线方程； 

(6).根据直线方程的计算结果对振荡类型进行判定。 

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，利用所述电流突变量动作检测组件对电流突变量进行检测，若检测出电流突变量，则向所述定时计数器发出控制命令，在设定时间段内检测扰动源。 

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电流突变量动作检测组件依式(1)对电流突变量进行检测： 

‖(i_n-i_n-N)|-|(i_n-N-i_n-2N)‖≥I_dset    (1) 

其中，i为实时电流采样值；n为采样点序号；N为数据采样周期；I_dset为电流突变量启动设定值。 

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述功率峰值提取单元根据式(2)对功率峰值进行提取： 

其中，P_AVG为传输功率平均值；P(n)为功率序列；ε为设定的功率阀值；α为设定的功率阀值，α大于ε。 

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述转存单元根据式(3)将提取的功率峰值及相应的时刻转存在功率峰值序列中； 

式中：P_j(k)为功率峰值序列；T_j(k)为对应功率峰值的时间序列；k为功率峰值序号。 

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，根据式(4)确认功率峰值的有效性； 

P_j(k)-P_j(k-1)≥0 

T_j(k)-T_j(k-1)≥0.4    (4) 

T_j(k)-T_j(k-1)≤20 。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当功率峰值不能满足式(4)的条件时，返回(2)式提取功率峰值。 

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤5中，提取出7个有效功率峰值，用功率峰值的第一点和第六点构建直线方程F(t)： 

根据式6比较直线方程时间段内各点的功率测量值与直线上对应数值， 

G[T_j(k)]＝F[T_j(k)]-P_j(k)    k＝2，3，4，5，7    (6) 。

12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤6中，根据G[T_j(k)]的计算结果来判断低频振荡的类型，令G[T_j(7)]等于Z， 

(a).统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中小于0的个数为R，当R≥3且Z＞0时判定为强迫振荡； 

(b).统计G[T_j(2)]，G[T_j(3)]，G[T_j(4)]，G[T_j(5)]中数值大于0的个数为Q，当Q≥3日Z＜0判定为负阻尼振荡。 

Images