CN104134993A - 广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法及系统，该方法包括扰动启动判断、数据修正处理、数据替代处理、状态评估分析四个部分，其中扰动启动判断首先初略判断被监测电力系统是否存在疑似振荡发生；对于疑似振荡的功角监测数据，数据修正处理模块对采样值进行数据预处理；对于数据时滞或数据缺失的功角监测数据，数据替代处理模块基于电气耦合性强弱关系，给出替代数据；最后在状态评估分析模块中利用经典Prony分析方法分析电力系统的振荡模式。该方法能有效提高电力系统振荡监测的鲁棒性，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统状态监测技术领域，特别涉及一种基于数据时滞与缺失广域量测信息的电力系统振荡监测方法及系统。
背景技术
中国地域辽阔，发电基地与负荷中心相距较远，特别是近年来大量的大容量新能源基地相距并网，使得电网的安全稳定余度显著降低；其中低频振荡问题尤为突出。低频振荡大多是由于系统阻尼不足而引发，区域电网互联尤其是通过长距离输电线路互联，大型弱耦合系统使得低频振荡问题更加突出。特别是，大容量新能源出力的动态间歇性以及电源负荷分布的超远距离，使得对该问题在线实时分析尤为重要。
广域测量系统(WAMS)为在线实时分析提供了可能性，但是WAMS对实时通信系统的强依赖性也使得数据传输时滞、报文丢失等问题严重威胁了电力系统安全稳定实时分析的正确性。各种测量信号在WAMS和通信传输网络中传输、交换与处理存在着明显的时滞，而且不同传输介质和不同PMU装置的时滞特性各异，时滞的存在是系统不稳定或性能变差的根源。天津大学贾宏杰等研究指出时滞常数较大时，可能完全改变电力系统小扰动稳定性的性态，如导致系统特征值出现较大偏差、改变主导频率甚至主导特征值等。浙江大学江全元等研究了广域测量系统时滞对可控串联补偿器的影响，研究表明，即使是设计良好的控制器，当反馈信号存在一定的时滞后，也可能导致系统失稳。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于数据时滞与缺失广域量测信息的电力系统振荡监测方法，包括扰动启动判断、数据修正处理、数据替代处理、状态评估分析四部分，实现了对数据缺失或时滞的实时检测与替换，既保证了被监测电力系统振荡监测的实时性，又最大程度上提高了系统状态分析评估的准确性。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，包括以下步骤：
步骤一：计算广域测量系统的数据监测窗口内的系统功角曲线幅值的平均值，并以该幅值的平均值作为基准值，重新绘制系统功角曲线，根据重新绘制系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，监测曲线的振荡形态，当该曲线的振荡是单调递增或单调递减，则不作任何处理，否则判断为振荡疑似发生；
步骤二：根据步骤一获得的过零点时间间隔变化规律，选取频率偏差不超过设定值赫兹的数据进行Prony分析，并采用移动平均法对数据进行平滑；
步骤三：当某个机组的广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞时，用与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测幅值及相位数据即系统的功角数据来替代缺失数据；
步骤四：将与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测数据替代缺失数据后再通过Prony分析法对系统功角数据进行振荡分析。
所述步骤一中，重新绘制系统功角曲线时，保持X轴参数不变，采样点数值均减去该平均值即基准值，作为Y轴数据，重新绘制系统功角曲线。
所述步骤三中，机组电气耦合性强弱的确定步骤如下：
(3-1)优先选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机电气距离近的发电机组；
(3-2)从步骤(3-1)选择出的发电机组中选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机参数相同或相近的发电机组；
(3-3)比较从步骤(3-2)选择出的发电机组中发电机所在母线的参数，选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机相同或最相近的发电机。
(3-4)重复步骤(3-1)-(3-3)对系统中的所有发电机节点进行统计，得到与每台发电机电气耦合性强弱排序的节点表格，当某个节点的WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用查表方法找到与该机组电气耦合性最强的发电机替代。
所述发电机参数包括发电机暂态电抗、同步电抗、时间常数、额定出力及实际出力。
所述母线的参数包括电压等级及母线负荷。
所述设定值赫兹为0.1赫兹。
广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测系统，包括：
扰动启动判断模块、数据修正处理模块、数据替代处理模块及状态评估分析模块；
所述扰动启动判断模块，用于计算广域测量系统的数据监测窗口内的系统功角曲线幅值平均值，并以该幅值平均值作为基准值，重新绘制系统功角曲线；根据重新绘制系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，监测曲线的振荡形态，如果是单调递增或单调递减，则不作任何处理，否则判断为振荡疑似发生；
数据修正处理模块，用于根据扰动启动判断模块中获得的“过零点”间隔情况，选取频率偏差不超过设定值赫兹的数据进行Prony分析，尽可能避免信号频率波动对Prony计算的影响；其次采用移动平均法对数据进行平滑；
数据替代处理模块，当某个发电机节点的WAMS测量数据发生阻塞或时滞时，利用电气耦合性强弱判断模块判定与该发电机电气耦合性最强的发电机的同步量测幅值及相位数据即系统的功角数据来替代；
状态评估分析模块，当WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用上述的系统的功角数据替代缺失数据，再通过Prony分析法进行振荡分析。
所述扰动启动判断模块中还包括功角曲线重新绘制模块，用于在重新绘制系统功角曲线时，保持X轴参数不变，采样点数值均减去该平均值即基准值，作为Y轴数据，重新绘制系统功角曲线。
电气耦合性强弱判断模块，具体包括：
距离选择模块，用于优先选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机电气距离近的发电机组；
电机参数选择模块，用于从利用距离选择模块选择出的发电机组中选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机参数相同或相近的发电机组；
母线的参数选择模块，用于比较从电机参数选择模块中选择出的发电机组中发电机所在母线的参数，选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机相同或最相近的发电机。
统计模块，重复利用距离选择模块、电机参数选择模块及母线的参数选择模块对系统中的节点进行统计，得到与每台发电机电气耦合性强弱排序的节点表格，当某个节点的WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用查表方法找到与该机组电气耦合性最强的发电机替代。
所述发电机参数包括发电机暂态电抗、同步电抗、时间常数、额定出力及实际出力。
所述母线的参数包括电压等级及母线负荷。
本发明的有益效果：
本发明针对电力系统实时广域量测系统中基于数据时滞与缺失问题，发明了一种基于数据预处理与强相关性数据替代的系统振荡监测方法，能够实现不降低系统监测实时性的前提下，最大程度上提高振荡监测的精度，从而在不增加任何的成本的前提下，提高现有监测系统的整体鲁棒性。
附图说明
图1为应用本发明实施例的电力系统单线结构图；
图2为应用本发明实施例的发电机节点3的功角曲线及Prony分析数据窗口示意图；
图3为应用本发明实施例的发电机节点3的振荡分析误差比对图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如附图1所示，应用本发明专利的实施例IEEE(国际电气与电子工程师协会)9节点电力系统单线结构图。为了验证本发明的有效性，在母线3上增加一台发电机4，其参数与发电机3相同。假设母线A和母线2之间0s时发生三相短路故障，0.12s切除，不采取其他紧急措施，计算发电机3相对发电机1的功角曲线，计算的时间总长度为20s。
基于数据时滞与缺失广域量测信息电力系统振荡监测方法，包括以下步骤：
步骤一：计算广域测量系统的数据监测窗口内的系统功角曲线幅值的平均值，并以该幅值的平均值作为基准值，重新绘制系统功角曲线，根据重新绘制系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，监测曲线的振荡形态，当该曲线的振荡是单调递增或单调递减，则不作任何处理，否则判断为振荡疑似发生；
步骤二：根据步骤一获得的过零点时间间隔变化规律，选取频率偏差不超过设定值赫兹的数据进行Prony分析，并采用移动平均法对数据进行平滑；
步骤三：当某个机组的广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞时，用与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测幅值及相位数据即系统的功角数据来替代缺失数据；
步骤四：将与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测数据替代缺失数据后再通过Prony分析法对系统功角数据进行振荡分析。
所述设定值赫兹为0.1赫兹。
所述步骤一中，重新绘制系统功角曲线时，保持X轴参数不变，采样点数值均减去该平均值即基准值，作为Y轴数据，重新绘制系统功角曲线。
所述步骤三中，机组电气耦合性强弱的确定步骤如下：
(3-1)优先选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机电气距离近的发电机组；
(3-2)从步骤(3-1)选择出的发电机组中选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机参数相同或相近的发电机组；
(3-3)比较从步骤(3-2)选择出的发电机组中发电机所在母线的参数，选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机相同或最相近的发电机。
(3-4)重复步骤(3-1)-(3-3)对系统中的所有发电机节点进行统计，得到与每台发电机电气耦合性强弱排序的节点表格，当某个节点的WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用查表方法找到与该机组电气耦合性最强的发电机替代。
所述发电机参数包括发电机暂态电抗、同步电抗、时间常数、额定出力及实际出力。
所述母线的参数包括电压等级及母线负荷。
基于数据时滞与缺失广域量测信息电力系统振荡监测系统，包括：
1、扰动启动判断模块
图2为发电机3功角曲线，计算数据监测窗口(20秒)内的系统功角曲线幅值平均值，并以该幅值平均值作为X轴，重新绘制系统功角曲线；根据调整后的系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，发现监测曲线呈振荡形态。
2、数据修正处理模块
对采样数据进行滤波处理：在移动平均对数据进行平滑的基础上，根据在扰动启动判断中获得的“过零点”间隔情况，选取频率基本一致的数据进行Prony分析，选取的数据窗口如图2中的阴影部分。
3、数据替代处理模块
假设发电机节点待分析的阴影部分数据时滞或缺失，基于电气耦合强相关性替代原则，选择发电机节点4的数据来替代；其中：发电机节点4与缺失的发电机节点3电气距离最近、而且发电机参数相同并接在同一个母线上，符合电气耦合相关性最强的选择要求。
4、状态评估分析模块
使用Prony分析法对发电机节点3(使用发电机节点4数据替代)的功角曲线进行振荡分析，得到发电机节点3功角中的主导低频振荡模式，如图3所示，其中，实线为采用电力系统计算分析软件(BPA)程序计算所得到的精确结果，虚线为采用Prony分析法辨识替代后数据得到的主导分量；可以看到，分析精确度非常高。
Claims (10)
1.广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：计算广域测量系统的数据监测窗口内的系统功角曲线幅值的平均值，并以该幅值的平均值作为基准值，重新绘制系统功角曲线，根据重新绘制系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，监测曲线的振荡形态，当该曲线的振荡是单调递增或单调递减，则不作任何处理，否则判断为振荡疑似发生；
步骤二：根据步骤一获得的过零点时间间隔变化规律，选取频率偏差不超过设定值赫兹的数据进行Prony分析，并采用移动平均法对数据进行平滑；
步骤三：当某个机组的广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞时，用与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测幅值及相位数据即系统的功角数据来替代缺失数据；
步骤四：将与该机组电气耦合性最强的发电机同步量测数据替代缺失数据后再通过Prony分析法对系统功角数据进行振荡分析。
2.如权利要求1所述的广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，其特征是，所述步骤一中，重新绘制系统功角曲线时，保持X轴参数不变，采样点数值均减去该平均值即基准值，作为Y轴数据，重新绘制系统功角曲线。
3.如权利要求1所述的广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，其特征是，所述步骤三中，机组电气耦合性强弱的确定步骤如下：
(3-1)优先选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机电气距离近的发电机组；
(3-2)从步骤(3-1)选择出的发电机组中选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机参数相同或相近的发电机组；
(3-3)比较从步骤(3-2)选择出的发电机组中发电机所在母线的参数，选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机相同或最相近的发电机。
(3-4)重复步骤(3-1)-(3-3)对系统中的所有发电机节点进行统计，得到与每台发电机电气耦合性强弱排序的节点表格，当某个节点的WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用查表方法找到与该机组电气耦合性最强的发电机替代。
4.如权利要求3所述的广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，其特征是，所述发电机参数包括发电机暂态电抗、同步电抗、时间常数、额定出力及实际出力。
5.如权利要求3所述的广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法，其特征是，所述母线的参数包括电压等级及母线负荷。
6.如权利要求1所述的广域量测数据时滞与缺失下电力系统振荡监测方法的系统，其特征是，包括：
扰动启动判断模块、数据修正处理模块、数据替代处理模块及状态评估分析模块；
所述扰动启动判断模块，用于计算广域测量系统的数据监测窗口内的系统功角曲线幅值平均值，并以该幅值平均值作为基准值，重新绘制系统功角曲线；根据重新绘制系统功角曲线的相邻过零点时间间隔变化规律，监测曲线的振荡形态，如果是单调递增或单调递减，则不作任何处理，否则判断为振荡疑似发生；
数据修正处理模块，用于根据扰动启动判断模块中获得的“过零点”间隔情况，选取频率偏差不超过设定值赫兹的数据进行Prony分析，尽可能避免信号频率波动对Prony计算的影响；其次采用移动平均法对数据进行平滑；
数据替代处理模块，当某个发电机节点的WAMS测量数据发生阻塞或时滞时，利用电气耦合性强弱判断模块判定与该发电机电气耦合性最强的发电机的同步量测幅值及相位数据即系统的功角数据来替代；
状态评估分析模块，当WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用上述的系统的功角数据替代缺失数据，再通过Prony分析法进行振荡分析。
7.如权利要求6所述的系统，其特征是，所述扰动启动判断模块中还包括功角曲线重新绘制模块，用于在重新绘制系统功角曲线时，保持X轴参数不变，采样点数值均减去该平均值即基准值，作为Y轴数据，重新绘制系统功角曲线。
8.如权利要求6所述的系统，其特征是，电气耦合性强弱判断模块，具体包括：
距离选择模块，用于优先选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机电气距离近的发电机组；
电机参数选择模块，用于从利用距离选择模块选择出的发电机组中选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机参数相同或相近的发电机组；
母线的参数选择模块，用于比较从电机参数选择模块中选择出的发电机组中发电机所在母线的参数，选择与广域测量系统测量数据发生阻塞或时滞的发电机相同或最相近的发电机。
统计模块，重复利用距离选择模块、电机参数选择模块及母线的参数选择模块对系统中的节点进行统计，得到与每台发电机电气耦合性强弱排序的节点表格，当某个节点的WAMS测量数据出现阻塞或时滞时，采用查表方法找到与该机组电气耦合性最强的发电机替代。
9.如权利要求8所述的系统，其特征是，所述发电机参数包括发电机暂态电抗、同步电抗、时间常数、额定出力及实际出力。
10.如权利要求8所述的系统，其特征是，所述母线的参数包括电压等级及母线负荷。
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