CN106340889B - 基于起振分析的振荡甄别与扰动源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，针对负阻尼振荡与强迫功率的甄别，提出一种新型的基于起振与稳态振型的改变的方法。对于强迫功率扰动源的定位，相较于传统的稳态阶段对扰动源的定位，基于起振阶段分析的扰动源定位，可以更加快速地对扰动源进行定位，并且结合了节点动能起振时刻的超前滞后关系，使得定位结果更为准确。本发明克服现有基于强迫功率振荡稳态阶段分析的扰动源定位的不足，实现了起振阶段在线分析的功能。

Description

基于起振分析的振荡甄别与扰动源定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统低频振荡在线监测和安全稳定控制领域，具体而言涉及一种基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法。

背景技术

随着区域电网互联，电网规模逐渐扩大，运行方式也日益复杂，电力系统发生低频振荡现象的频率在逐渐增大，因此低频振荡现象开始成为影响互联电网安全稳定的突出问题。负阻尼振荡和强迫功率振荡是两种最为常见的振荡问题，要求对于这两种振荡能够实现在线甄别与溯源。虽然强迫功率振荡与负阻尼或弱阻尼振荡在电气观测量中表现形式相近，但引起二者振荡的原因不同。对于负阻尼系统，加装PSS可以有效抑制低频振荡；而对于强迫振荡，抑制系统共振的根本方法是快速定位扰动源并将其予以切除。因此快速甄别出负阻尼振荡和强迫功率振荡对于及时采取措施抑制振荡具有重要的意义。

目前甄别负阻尼振荡与强迫振荡的研究没有许多，主要研究的方向是基于能量的方法，针对两种振荡稳态阶段各节点的势能的变化趋势，进而对两种振荡进行辨别。诱发强迫功率振荡的原因不同于负阻尼低频振荡，若不能及时定位扰动源并切除，事故的危害会进一步扩大，造成不可估量的危害。基于能量法和行波检测法是当前强迫功率振荡扰动源定位的两种方法。基于能量的方法是在系统线性化以后来计算相应的能量，而行波法受限于PMU布点的多少，但是由于相量测量单位(PMU)的广域测量系统(WAMS)的快速发展，其应用前景广泛。

发明内容

本发明的目的在于基于低频振荡的起振分析，对负阻尼振荡和强迫功率振荡进行甄别，并对引发强迫功率振荡的扰动源进行定位。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，包括以下步骤：

步骤1、通过广域测量系统(WAMS)获取电力系统关键节点的有功功率、电压相角的实时运行数据；

步骤2、通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心并对系统进行分区，根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡；

步骤3、基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置；

步骤4、结合起振阶段各节点动能超前滞后关系与势能特性来准确定位扰动源。

进一步的例子中，前述步骤1通过广域测量系统(WAMS)获取电力系统关键节点的有功功率、电压相角的实时运行数据，具体实现包括：

通过基于相量测量单元(PMU)的广域测量系统(WAMS)，获得电力系动态实时运行数据，主要是各个机组和关键节点的功率、电压幅值和相角。

进一步的例子中，前述步骤2根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡，具体包括：

通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心，对系统进行分区。以电压相位为分析对象，在负阻尼振荡起振阶段与稳态阶段，机组电压相角振荡量的幅值比与相位差按右特征向量分布。而强迫功率振荡情况下，由机电波传播特性可知，在起振阶段，电压相位的幅值比与相位差将不完全按右特征向量分布，离扰动源较近的电压幅值比相对较大，且对应的相位较超前；在稳态阶段，电压相位幅值比与相位差则与负阻尼振荡相似，近似按右特征向量分布。通过WAMS采集的数据,对负阻尼振荡和强迫功率振荡节点的功率和电压相角的曲线进行Prony辨识，可以得到曲线的幅值、初相位、频率、阻尼比。然后根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡。

进一步的例子中，前述步骤3，基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置，具体实现包括：

基于起振阶段电力系统中强迫振荡外施扰动源做功产生的能量，将以机电扰动波的形式从扰动点注入电网中，且根据电气距离由近及远地扩散到整个系统中的思路，通过WAMS在线获得的节点功率与电压相角振荡在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置。

进一步的例子中，前述步骤4，结合起振阶段各节点动能超前滞后关系与势能特性来准确定位扰动源，具体实现包括：

低频振荡过程中伴随着能量的传播和交换。而能量的传播是以机电波的形式在电网中传播，则距离扰动源所在机组的电气距离越近的机组，其动能开始起振的时刻越超前；而离扰动源所在机组电气距离越远的机组，其动能开始起振时刻越滞后。通过计算可以获得机组动能的起振曲线，可以判别出哪台机组动能最先开始起振，那么距离扰动源电气距离也就越近。同理，可以做出关键节点动能的起振曲线，距离扰动源越近的节点，动能曲线的起振越快。

然后结合各机组和关键节点势能的增减再更为精确地判断扰动源所在位置。在振荡过程中，机组与电网节点势能，扰动源所在机组的势能一部分补偿自身阻尼所耗散的能量，其余的转化为自身的势能，因此势能是不断增加的。而非扰动源所在机组，没有额外能量的注入，其势能不仅要转化为自身动能，还要补偿自身的阻尼耗散的能量，因此它们的势能是不断减少的。对于电网节点势能来说，位于扰动源所在区域节点势能是不断增加的，这是由于外施扰动产生的能量源源不断地注入系统中，且以势能的形式传播，因此它们势能不断增加；对于远离扰动源的区域节点，它们要不断补偿阻尼耗散，因此势能不断减少。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：与常见的基于能量法的振荡甄别与扰动源技术相比，本技术着重研究了低频振荡在起振时刻振荡曲线的特点，着重对负阻尼振荡和强迫功率振荡的起振进行分析，并结合稳态阶段的特性，对两种振荡进行甄别。基于强迫功率的起振分析，能对扰动源进行定位分析，结合了节点动能起振时刻的超前滞后关系和传统的势能特性，让扰动源定位更精确。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是说明根据本发明四机两区系统基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法的流程示意图。

图2是说明四机两区系统发生负阻尼振荡时各支路储存势能的示意图。

图3是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时各支路储存势能的示意图。

图4是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时机组电磁功率振荡曲线的示意图。

图5是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时机组电压相角振荡曲线的示意图。

图6是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时机组支路7个节点功率振荡曲线的示意图。

图7是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时支路7个节点电压相角振荡曲线的示意图。

图8是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时机组动能振荡曲线的示意图。

图9是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时机组势能振荡曲线的示意图。

图10是说明四机两区系统发生强迫功率振荡时节点势能振荡曲线的示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示的根据四机两区系统的基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法的流程图，根据本发明的四机两区的实施例，一种基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，包括以下步骤：步骤1、通过广域测量系统(WAMS)获取电力系统关键节点的有功功率、电压相角的实时运行数据；步骤2、通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心并对系统进行分区，再根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡；步骤3、基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置；步骤4、结合起振阶段各节点动能超前滞后关系与势能特性来准确定位扰动源。

下面结合图1-图9所示，更加详细地描述本实施例的前述各步骤的示例性实施。

在四机两区系统例子中，前述步骤1通过广域测量系统(WAMS)获取电力系统关键节点的有功功率、电压相角的实时运行数据，具体实现包括：

通过基于相量测量单元(PMU)的广域测量系统(WAMS)，获得电力系动态实时运行数据，主要是获取各个机组和关键节点的功率、电压幅值和相角。

前述步骤2中，通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心，对系统进行分区，再根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡，具体实现包括：

电力系统发生区间振荡时，以两机等值系统分析区间振荡模式下电压相角振荡特性和势能功率分布特点为例。发电机采用经典模型，忽略线路电阻，取发电机一电压的初始相角为0，则在忽略线路电阻时，两端的功率△P_ij＝△P_ji,则线路储存的势能功率为：

其中，△φ_j、△φ_i分别表示i、j端电压相角的振荡量变化。由上式可知，支路储存的势能功率大小主要由线路两端电压相角的振荡量变化决定。由上述分析可知，在靠近振荡中心处，因为△φ衰减较快，则△φ_i-△φ_j相对比较大，且振荡中心两侧的△φ相位相反，这将导致靠近振荡中心的支路所储存的势能功率较大，即支路存储的势能较大。

不管是负阻尼振荡还是强迫功率振荡，上述结论皆适用。因此，可以通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心，来对系统进行分区，以方便进一步分析低频振荡。

根据上述支路势能分布特点可以计算四机两区域系统10个支路储存的势能大小，以此来判断振荡中心。由附图2和附图3可以知道，不管是负阻尼振荡还是强迫功率振荡，支路L7-8和L8-9储存势能最多，说明L7-8和L8-9为此系统的联络线，节点7，8，9为振荡中心。由此可将系统分为2个区域。

为了进一步对负阻尼振荡和强迫功率振荡进行甄别，分别对负阻尼振荡与强迫功率振荡的起振阶段与稳态阶段进行对比。当系统发生负阻尼振荡时，系统的频率为：

其中，w_n是系统自然振荡频率，ξ是阻尼比。由于负阻尼系统开始发生振荡时，其阻尼较小，且当系统进入稳态振荡阶段后阻尼比近似为0，因此负阻尼振荡的起振阶段与稳态阶段的振荡频率相差不大，且都接近于自然振荡频率。

在电网振荡实例中，强迫功率振荡扰动源一般难以与系统固有振荡频率完全一致，因此强迫功率振荡从起振到稳态阶段的变化过程中，在克服系统阻尼和固有振荡频率相互作用下，将导致起振阶段和稳态阶段的振荡频率发生较大变化，这点与负阻尼振荡不同。

负阻尼振荡情况下，通过模态分析计算得到的右特征向量中发电机转速或转子角项对应元素的幅值和相位关系决定了该振荡模式的振型特点。单个振荡模式下，各发电机组转速或转子角偏差间的幅值比和相位差与模态分析获得该模式右特征向量中各发电机转速或转子角项对应元素的幅值比和相位一致。由以上分析可知，若以电压相位为分析对象，在负阻尼振荡起振阶段与稳态阶段，机组电压相角振荡量的幅值比与相位差按右特征向量分布。

强迫功率振荡情况下，由机电波传播特性可知，在起振阶段，电压相位的幅值比与相位差将不完全按右特征向量分布，离扰动源较近的电压幅值比相对较大，且对应的相位较超前。在稳态阶段，电压相位幅值比与相位差则与负阻尼振荡相似，近似按右特征向量分布。

根据以上分析，负阻尼振荡与强迫功率振荡可以通过振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的差异来区别二者。

前述步骤3中，基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置，具体实现包括：

强迫功率振荡共分为起振阶段，稳态阶段与振荡衰减阶段。由于强迫功率振荡存在着明确的外施扰动源，则强迫振荡外施扰动必然产生附加能量，通过扰动源所在节点以机电波的形式源源不断地注入电网中，并根据电气距离由近及远地扩散到整个系统中去。当扰动源所在节点上发生扰动时，非扰动源所在节点并不能立即响应，会有一个过程。非扰动源节点与扰动源节点间惯性环节越少，则响应越快；反之，惯性环节越多，响应则越慢。而且，由于扰动产生的能量以机电波的形式在系统中传播，当系统为连续体时，近似认为波速在系统中处处相等，则离扰动源电气距离越近的机组与节点，响应越快；反之，离扰动源电气距离越远的机组与节点，响应越慢。

以上分析表示，在强迫功率振荡中，扰动源机组电磁功率，节点电压幅值与节点电压相角，角频率等电气量的相位关系与非扰动源机组明显不同。即距离扰动源电气距离越近，机组电磁功率振荡量，电压幅值振荡量与电压相角振荡量开始起振的时刻越超前。对于电网节点，也存在类似的结论。即距离扰动源电气距离越近，节点功率振荡量，节点电压幅值振荡量与节点电压相角振荡量开始起振的时刻越超前。

通过四机两区系统发生强迫功率振荡的实例，如附图4机组电磁功率的起振时刻的图形，在起振阶段，扰动源机组电磁功率和其它非扰动源所在机组电磁功率是反向的，这是由于G1是扰动源，扰动产生的振荡由能量G1传播到整个电网中，而系统整个负荷是一定的，为了保持输入功率与输出功率平衡，P_G1与P_G2、P_G3、P_G4是同频反相波动。P_G1与P_G2、P_G3、P_G4开始起振的时刻也不同，P_G1开始起振时刻明显超前，且4台机组的超前滞后顺序为P_G1超前P_G2超前P_G3超前P_G4。这是由于4机2区域系统为对称结构，因此4台机组的惯性环节与超前滞后环节引起机电扰动波的滞后时间相差不大，因此主要考虑距离扰动源电气距离的远近对机电扰动波在电网中传播时间的影响。距离扰动源的电气距离越近，扰动波传播时间越短，起振越超前；反之，距离扰动源的电气距离越远，扰动波传播时间越长，起振越滞后。通过附图6支路节点功率的起振时刻的超前之后关系，可以得出距离扰动源电气距离的越近，起振时刻越快。

由附图5得，距离扰动源电气距离不同的4台发电机电压相角波动开始起振的时刻也不同。离扰动源电气距离越近的发电机电压相角开始起振时刻越超前，而距离扰动源电气距离越远的发电机电压相角起振越滞后。

4机2区域系统中，7个支路节点的功率振荡曲线与节点电压相角振荡曲线分别如附图6和附图7所示。

由附图6可知，距离扰动源电气距离不同的7个支路节点功率波动开始起振的时刻也不同。由于此次振荡是机组G1，G2相对机组G3，G4的区间振荡，因此可以明显看出，区域1内的支路节点5，节点6的功率振荡起振时刻明显超前区域2内的节点10与节点11功率振荡，且节点7，8，9三个节点处于联络线上。

由附图7可知，节点电压相角振荡亦遵循类似规则。

为精确地判断4机2区域系统各电气量的超前滞后关系，记录了该系统4个发电机节点与7个电网节点的功率与电压相角在起振阶段的6个周期内到达峰值时刻的时间，分别如表1和表2所示，来判断其超前滞后关系。在每个周期内，若某个节点的功率P(或电压相角Vg)到达峰值时刻越小，说明此节点开始起振时刻越超前。

表1 11个节点功率P在起振阶段的6个周期到达峰值时刻(G1扰动源)

表2 11个节点电压相角在起振阶段的6个周期到达峰值时刻(G1扰动源)

由表1可知，扰动源所在节点1和节点5的有功功率起振时刻最快，其次是联络线功率振荡；位于远离扰动源的区域2内的节点3，4，10，和11起振时刻最滞后。因此可初步判断扰动源在区域1内，且靠近机组1远离机组2。也就是说，节点有功功率的起振时刻超前滞后大致符合距离扰动源电气距离的远近。

由表2可知，节点电压相角完全根据电气距离的大小来开始起振，距离扰动源电气距离越近的节点，电压相角起振时刻越超前；距离扰动源电气距离越远的节点，电压相角起振时刻越滞后。

由上述分析可知，在系统发生强迫功率振荡时，节点有功功率振荡与电压相角振荡起振时刻超前滞后关系大致符合距离扰动源电气距离的远近。

前述步骤4中，结合起振阶段各节点动能超前滞后关系与势能特性来准确定位扰动源，具体实现包括：

电力系统低频振荡是一种特殊的运动形式，振荡过程中伴随着能量的传播和交换。而能量的传播是以机电波的形式在电网中传播，则距离扰动源所在机组的电气距离越近的机组，其动能开始起振的时刻越超前；而离扰动源所在机组电气距离越远的机组，其动能开始起振时刻越滞后。机组动能振荡曲线附图8所示。

由附图8得，距离扰动源电气距离不同的4台机组动能开始起振的时刻也不同。离扰动源电气距离越近的发电机动能开始起振时刻越超前，而距离扰动源电气距离越远的发电机动能起振越滞后。

然后结合势能的增减来判断扰动源所在位置。4台机组与电网节点势能分别如附图9和10所示。在振荡过程中，扰动源所在机组G1的势能一部分补偿自身阻尼所耗散的能量，其余的转化为自身的势能，因此势能是不断增加的。而非扰动源所在机组G2，G3与G4，没有额外能量的注入，其势能不仅要转化为自身动能，还要补偿自身的阻尼耗散的能量，因此它们的势能是不断减少的。对于7个电网节点势能来说，位于扰动源所在区域1的节点5，节点6，节点2及联络线上节点7，节点8和节点9的势能是不断增加的，这是由于外施扰动产生的能量源源不断地注入系统中，且以势能的形式传播，因此它们势能不断增加；对于远离扰动源的区域2内的节点10与节点11，它们要不断补偿阻尼耗散，因此势能不断减少。

由步骤3中起振阶段的功率，电压相角的超前滞后关系与步骤4中动能势能的特性，可以精确地判断出扰动源所在位置。为了验证上述结论的普遍性，在区域2内的G3机组上施加同样的小扰动来激发系统发生0.6324HZ的区间振荡，得到了类似的结论，可大致判断出扰动源在G3机组原动机上。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过广域测量系统获取电力系统关键节点的有功功率、电压相角的实时运行数据；

步骤2、通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心并对系统进行分区，再根据振荡频率与电压相角的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡；

步骤3、基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来判断扰动源位置；

步骤4、结合起振阶段各节点动能超前滞后关系与势能特性来准确定位扰动源；

其中，所述的步骤(1)中，通过基于相量测量单元的广域测量系统，获得电力系统动态实时运行数据，包括各个机组和关键节点的功率、电压幅值和相角；

其中，所述的步骤(2)中，通过计算支路势能存储功率的相对大小来判断振荡中心，对系统进行分区，以电压相位为分析对象，在负阻尼振荡起振阶段与稳态阶段，机组电压相位振荡量的幅值比与相位差按右特征向量分布，强迫功率振荡情况下，在起振阶段，电压相位的幅值比与相位差将不完全按右特征向量分布，离扰动源较近的电压相位幅值比相对较大，且对应的相位较超前；在稳态阶段，电压相位幅值比与相位差则与负阻尼振荡相似，近似按右特征向量分布；

通过WAMS采集的数据,对负阻尼振荡和强迫功率振荡的节点功率和电压相位的曲线进行Prony辨识，得到曲线的幅值、初相位、频率、阻尼比；

根据振荡频率与电压相位的幅值比和相位在起振阶段与稳态阶段的的差异性，来甄别负阻尼振荡与强迫功率振荡。

2.根据权利要求1所述的基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，在对负阻尼振荡与强迫功率振荡进行甄别后的基础上，要对强迫功率的扰动源进行定位基于在线获得的节点功率与电压相角在起振时刻超前滞后关系来大致判断扰动源位置。

3.根据权利要求2所述的基于起振分析的振荡甄别和扰动源定位方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，距离扰动源所在机组的电气距离越近的机组，其动能开始起振的时刻越超前；而离扰动源所在机组电气距离越远的机组，其动能开始起振时刻越滞后；基于起振阶段各节点动能的超前滞后关系，以及势能特性来准确定位扰动源的位置。