CN105891625A - 基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，包括：在待测设备工作状态下，在预设时间段内采集待测设备的三相电压值和电流值；对采集的电流值中的任一相电流进行识别获取基频、次同步频率和超同步频率，以及扭振频率；对采集的电压值和电流值进行变换获得XY坐标下的电压值和电流值；根据XY坐标下的电压值、电流值和扭振频率获得扭振频率的电压分量值和电流分量值；根据电压分量值和电流分量值获取能量流并计算能流功率；根据能流功率值的正负值确定扰动源和设备阻尼状态。本发明利用流入设备的能量流辨别扰动源并评估设备的阻尼特性。

Description

基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法。

背景技术

次同步振荡是威胁电力系统安全运行的一个突出问题。次同步振荡是指电力系统中频率低于工频但高于低频振荡频率(0.1～2.5Hz)的振荡。早期的次同步振荡主要由串联电容引发。近年来，由电力电子装置如高压直流、风电场引发的次同步振荡屡有发生，严重影响发电机和电网的安全运行。系统发生次同步振荡后，需要快速准确的辨别出扰动源，以采取针对性的措施平息振荡，而且振荡事件平息后的事后分析和设备缺陷检查，也需要查找扰动源并评估各个设备的阻尼特性。现有的次同步振荡监测分析方法还不能满足上述需求。

发明内容

本发明提供一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，用于解决现有技术中不能准确找到设备扰动源和评估阻尼状态的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别与阻尼评估方法，包括：

在待测设备工作状态下，在预设时间段内采集待测设备的三相电压值和三相电流值；

对采集的三相电流值中的任一相电流采用傅里叶变换进行识别获取基频、次同步频率和超同步频率，并根据所述基频、次同步频率和超同步频率获取扭振频率；

对采集的三相电压值和三相电流值采用变换矩阵进行变换获得XY坐标下的电压值和电流值；

根据XY坐标下的电压值、电流值和扭振频率采用滤波算法获得扭振频率的电压分量值和电流分量值；

根据电压分量值和电流分量值采用能量流计算公式获取能量流，并根据能量流获得能流功率；

根据能流功率值的正负值确定扰动源。

优选地，还包括根据能流功率值的正负值确定待测设备的阻尼状态。

优选地，所述扭振频率为所述基频与所述次同步频率之差，或为所述超同步频率与所述基频之差。

优选地，所述变换矩阵为：

$D=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right],$ 其中，

f₀为基频，θ为预设系数。

优选地，利用变换矩阵获得XY坐标下的电压值和电流值具体为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_x\\ U_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，U_x,U_y,I_x,I_y为XY坐标下的电压值和电流值，u_a,u_b,u_c为三相电压值，i_a,i_b,i_c为三相电流值。

优选地，所述能量流计算公式为：其中，W(t)为时刻t的能量流，t_s为初始时刻，初始值W(t_s)＝0。

优选地，当在预设时间段内采集的数据为离散数据且采样周期为h时，所述能流流计算公式为：

$W_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left(\frac{1}{2}\right(I_{x1,i-1}+I_{x1,i}\left)\right(U_{y1,i}-U_{y1,i-1})-\frac{1}{2}(I_{y1,i-1}+I_{y1,i}\left)\right(U_{x1,i}-U_{x1,i-1}\left)\right),$ 其中，W_k为能量流，i表示对应变量在t＝t_s+ih处的值，W₀＝W(t_s)＝0。

优选地，通过线性拟合获取能量流与时间坐标上线性关系为W(t)＝αt+β，其中，α为能流功率值，β为系数。

优选地，当能流功率值为负值时，确定待测设备为扰动源，具有负阻尼状态；当能流功率值为正值时，确定待测设备具有正阻尼状态。

由上述技术方案可知，本发明的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，利用流入设备的能量流辨别扰动源并评估设备的阻尼特性。当能流功率为正，设备具有正阻尼，当能量功率为负，设备具有负阻尼，且是次同步振荡的扰动源。本方法提高了电网的次同步振荡的分析技术和控制技术水平，一旦电网发生次同步振荡，电网运行人员能够及时的辨别出扰动源，从而采取有效的控制措施快速平息振荡，此外对于事后分析，需要重点检查阻尼为负的设备，提高了设备缺陷检查的针对性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，包括：

S1、在待测设备工作状态下，在预设时间段内采集待测设备的三相电压值和三相电流值。在本步骤中，在预设时间段内采集的三相电压值和三相电流值实际上是关于预设时间t的函数。所述待测设备为发电机、串联电容、风电场等多种设备。在本发明实施例中，可以对所有待测的设备进行一一检测，以达到辨别目的。在本实施例中，所述预设时间过长会影响本方法的实时性，过短会影响分析结果的可靠性。因此所述预设时间可为1-5s，但本发明所述方案中不局限于该时间长度。当采用离散数据方式对电压值和电流值进行采集，在预设时间段内可确定一时间点t_s，并以该时间点为起点按预设周期h确定其他时间点。即t＝t_s+ih，其中，t为后续采样点处的时间点，i为采样周期的个数。

S2、对采集的三相电流值中的任一相电流采用傅里叶变换进行识别获取基频f₀、次同步频率f_-和超同步频率f₊，并根据所述基频、次同步频率和超同步频率获取扭振频率f₁。在本步骤中，对每个时间点采集的三相电压值和三相电流值定为一组三相电压值和三相电流值，即每组电压值和电流值与各自的时间点一一对应。所述扭振频率f₁为所述基频与所述次同步频率之差，或为所述超同步频率与所述基频之差，即f₁＝f₀-f_-或f₁＝f₊-f₀。

S3、对采集的三相电压值和三相电流值采用变换矩阵进行变换获得XY坐标下的电压值和电流值。在本步骤中，需要将每个时间点采集的三相电压值和三相电流值转换成XY坐标下的电压值和电流值，以便后续步骤使用。因此，需要建立变换矩阵，如下：

$D=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right],$ 其中，

f₀为基频，θ为预设系数。

利用上述变换矩阵D获得XY坐标下的电压值和电流值具体为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_x\\ U_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，U_x,U_y,I_x,I_y为XY坐标下的电压值和电流值，u_a,u_b,u_c为三相电压值，i_a,i_b,i_c为三相电流值。

S4、根据XY坐标下的电压值、电流值和扭振频率采用滤波算法获得扭振频率的电压分量值和电流分量值。在本步骤中，根据步骤S3获得的电压值(U_x,U_y)和电流值(I_x,I_y)，以及步骤S2获得的扭振频率采用滤波算法获得扭振频率f₁的电压分量值U_x1,U_y1和电流分量值I_x1,I_y1。需要说明的是，所述滤波算法可采用任何可适应且能够达到本步骤目的的算法。其中，优选采用傅里叶变换算法。

S5、根据电压分量值和电流分量值采用能量流计算公式获取能量流，并根据能量流获得能流功率。在本步骤中，所述能量流计算公式如下：

其中，W(t)为时刻t的能量流，t_s为初始时刻，初始值W(t_s)＝0。

对于上述能量流计算公式中的U_x,U_y,I_x,I_y实际上是关于预设时间t的函数。为此，需要说明的是，对于步骤S1-S4中提到的三相电压值(U_x,U_y)、三相电流值(I_x,I_y)、基频f₀、次同步频率f_-和超同步频率f₊均是建立在预设时间段内有关时间t的函数。为此，依据上述能量流计算公式可以得到在预设时间段内的能量流，然后根据能量流与时间的关系计算获得能流功率。

因为电力系统中一般数据采集是离散的。所述能量流计算公式如下：

$W_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left(\frac{1}{2}\right(I_{x1,i-1}+I_{x1,i}\left)\right(U_{y1,i}-U_{y1,i-1})-\frac{1}{2}(I_{y1,i-1}+I_{y1,i}\left)\right(U_{x1,i}-U_{x1,i-1}\left)\right),$ 其中，W_k为能量流，U_x1,U_y1,I_x1,I_y1为扭振频率在XY坐标下的电压分量值和电流分量值。

计算得到的能量流是时间t的函数，对该函数进行线性拟合，得到能量流和时间的近似线性关系：W(t)＝αt+β，其中，α为待测设备的能流功率值，β为系数。

S6、据能流功率值的正负值确定扰动源和阻尼状态。在本步骤中，当能流功率值为负值时，表示该待测设备产生能流，可确定待测设备为扰动源，具有负阻尼状态。当能流功率值为正值时，表示该待测设备消耗能流，确定待测设备具有正阻尼状态。

本发明的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，利用流入设备的能量流辨别扰动源并评估设备的阻尼特性。当能流功率为正，设备具有正阻尼，当能量功率为负，设备具有负阻尼，且是次同步振荡的扰动源。本方法提高了电网的次同步振荡的分析技术和控制技术水平，一旦电网发生次同步振荡，电网运行人员能够及时的辨别出扰动源，从而采取有效的控制措施快速平息振荡，此外对于事后分析，需要重点检查阻尼为负的设备，提高了设备缺陷检查的针对性。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于能量流的电力系统次同步振荡扰动源辨别方法，其特征在于，包括：

在待测设备工作状态下，在预设时间段内采集待测设备的三相电压值和三相电流值；

对采集的三相电流值中的任一相电流采用傅里叶变换进行识别获取基频、次同步频率和超同步频率，并根据所述基频、次同步频率和超同步频率获取扭振频率；

对采集的三相电压值和三相电流值采用变换矩阵进行变换获得XY坐标下的电压值和电流值；

根据XY坐标下的电压值、电流值和扭振频率采用滤波算法获得扭振频率的电压分量值和电流分量值；

根据电压分量值和电流分量值采用能量流计算公式获取能量流，并根据能量流获得能流功率；

根据能流功率值的正负值确定扰动源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据能流功率值的正负值确定待测设备的阻尼状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扭振频率为所述基频与所述次同步频率之差，或为所述超同步频率与所述基频之差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换矩阵为：

$D=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right],$ 其中，

f₀为基频，θ为预设系数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用变换矩阵获得XY坐标下的电压值和电流值具体为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_x\\ U_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，U_x,U_y,I_x,I_y为XY坐标下的电压值和电流值，u_a,u_b,u_c为三相电压值，i_a,i_b,i_c为三相电流值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量流计算公式为：

其中，W(t)为时刻t的能量流，t_s为初始时刻，初始值W(t_s)＝0。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在预设时间段内采集的数据为离散数据且采样周期为h时，所述能量流计算公式为：

$W_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left(\frac{1}{2}\right(I_{x1,i-1}+I_{x1,i}\left)\right(U_{y1,i}-U_{y1,i-1})-\frac{1}{2}(I_{y1,i-1}+I_{y1,i}\left)\right(U_{x1,i}-U_{x1,i-1}\left)\right),$ 其中，W_k为能量流，i表示对应变量在t＝t_s+ih处的值，W₀＝W(t_s)＝0。

8.根据权利要求1、6或7所述的方法，其特征在于，通过线性拟合获取能量流与时间坐标上线性关系为W(t)＝αt+β，其中，α为能流功率值，β为系数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当能流功率值为负值时，确定待测设备为扰动源，具有负阻尼状态；当能流功率值为正值时，确定待测设备具有正阻尼状态。