CN106370956A - 基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，包括：步骤1、获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息；步骤2、根据电网中主要电容器和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与投切电容器电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点；步骤3、基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息；步骤4、对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息；步骤5、响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息。

Description

基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法

技术领域

本发明涉及电力系统低频振荡在线监测和预警预控领域，具体而言涉及一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法与系统。

背景技术

随着互联电网规模不断扩大，电力系统低频振荡极大地制约了电网的传输能力，成为影响互联电网安全稳定的突出问题。系统阻尼是决定低频振荡是否发生或者振荡大小的关键因素。当前电力系统运行人员往往通过对未来离线方式或者实时潮流断面进行模态分析计算来获取系统的动态特征，特别是振荡频率和阻尼比信息。由于模态分析方法受系统规模、实时潮流和模型参数准确性的影响较大，其结果很多时候与系统实际的振荡特征不符。随着WAMS系统的快速发展和应用，目前大部分机组和500kV变电站已经可以获得准确的动态量测，用于低频振荡在线监测。对于低频振荡在线监测，当前主要还是基于实际故障引发大幅功率振荡后的轨迹，采用HHT、Prony等方法进行在线辨识振荡模式，这难以满足系统低频振荡的预警预控要求。而且现在观测到越来越多的强迫功率振荡现象，通过类似Prony等方法的分析结果难以准确体现系统实际阻尼信息。实际电网中经常受到一些设备投切扰动而引发的系统小功率自由振荡现象。实际上这些日常可观测到的小功率自由振荡并不影响电网的正常安全运行，但是它们一定程度上反映了互联电网的主要振荡模式特征，例如实时模式阻尼比信息，对于大电网的低频功率振荡预警预控具有重要指导意义。

在实际电网运行中，存在着大量的变电站电容器投切扰动，意味着存在着大量的无功负荷冲击，而这些无功负荷冲击空间分布上基本贯穿了整个电网。因此，电容器投切造成的无功扰动是实际电网中长期存在的、相对固定的功率冲击。

发明内容

本发明的目的在于利用实际电网中广泛存在的电容器投切冲击，将电容器投切冲击引发的机组动态响应用于系统低频振荡模式阻尼的在线监测，提出一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1、获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息；

步骤2、根据电网中电容器投切点和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点；

步骤3、基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息；

步骤4、对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息；

步骤5、当系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息。

进一步的例子中，前述步骤1获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息，具体实现包括：

基于系统实时潮流断面进行模态分析，并结合电网历史功率振荡数据，获得电网存在的主要区间振荡模式和强相关机组信息。

进一步的例子中，前述步骤2根据电网中电容器投切点和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点，具体包括：

根据电网中电容器投切点和关键机组的实际地理位置分布和电网区间振荡模式区域划分，通过电容器投切模拟电网仿真分析，获得各电容器投切扰动所能激发周边机组的电磁功率振荡情况，选择同时满足下述条件的机组作为监测节点：1)用于激发机组功率振荡的电容器投切点选择，尽量满足电网主要区间振荡模式都能被激发；2)距离电容器投切点电气距离较近的机组，电容器投切能够引发监测机组电磁功率的较大突变；3)监测机组是电网主要区间振荡模式的强相关机组，即易于激发区间模式振荡，机组振荡信息又易于观测。

进一步的例子中，前述步骤3，基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息，其具体实现包括：

通过观测节点机组的WAMS动态数据，对机组电磁功率的振荡，采用Prony方法在线获取区间振荡模式信息，即系统振荡的频率与阻尼比。

进一步的例子中，前述步骤4，对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息，其具体实现包括：

当电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组时，在电容器投切点的SCADA在线数据观测到有波动的情况下，利用ARMA方法分析WAMS系统观测到的类噪声信号，从而在线监测系统模式的频率与阻尼比。

进一步的例子中，前述步骤5中，当系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息，其具体实现包括：

当系统阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息：当模式阻尼比小于3％时，给出红色预警；当模式阻尼比大于3％，小于等于5％时，给出黄色预警。

根据本发明的改进，还提出一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测系统，该系统包括：

用于获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息的模块；

用于根据电网中电容器投切和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点的模块；

用于基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息的模块；

用于对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息的模块；以及

用于响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息的模块。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：与传统的基于系统振荡发生后轨迹的低频振荡监测方法相比，本发明的方案综合利用了SCADA与WAMS系统数据，基于电容器投切造成的系统动态响应，当电容器投切扰动激发出系统明显振荡时，利用Prony方法获取模式信息；当电容器投切没有激发出明显振荡，可利用ARMA方法对电容器投切时刻的机组出力类噪声信号进行分析获取系统模式信息，从而实现基于电容器投切响应的系统振荡模式阻尼的在线监测，开展系统低频振荡的预警预控工作。本方法充分考虑了电容器投切时间分布固定，地理分布广的特点，利用电容器投切扰动造成的机组动态响应信息，对系统模式进行在线动态监测，获取系统实时阻尼信息，当系统因运行方式变化导致模式的阻尼降低时，能够反映在动态监测结果上，作为预警预控的依据。

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是单机无穷大系统示意图。

图2是说明根据本发明某些实施例的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法的流程图。

图3是说明根据本发明某些实施例的电容器投切冲击明显机组振荡响应示意图。

图4是说明根据本发明某些实施例的电容器投切冲击不明显机组振荡响应示意图。

图5是说明根据本发明某些实施例的区间模式阻尼比变化信息示意图。

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。

在实际电网运行中，存在着大量的变电站电容器投切扰动，意味着存在着大量的无功负荷冲击，而这些无功负荷冲击空间分布上基本贯穿了整个电网。因此，电容器投切造成的无功扰动是实际电网中长期存在的、相对固定的功率冲击。我们在本发明中利用这种具有一定规律的冲击，对实际电网中激发的低频功率振荡进行在线监测，可以获得电网中容易被激发的区间振荡模式信息和实时阻尼信息，从而实现系统阻尼在线监测和预警。基本技术基础说明如下：

结合图1所示的单机无穷大系统，发电机采用经典模型(E′恒定)。为分析方便，发电机内电势用E_g∠δ表示，节点2为负荷节点，电容器可以看作无功负荷处理，假设存在负荷扰动(ΔP_d，ΔQ_d)，节点电压为V_d∠θ_d，节点3为无穷大母线，节点电压为V_s∠0。

节点注入功率可以表示为

$P_e=E_g{V}_d\[G_{gd}cos(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\θ}}_d)+B_{gd}sin(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\θ}}_d)\]+E_g^2{G}_{gg}---\left(1\right)$

$Q_e=E_g{V}_d\[G_{gd}sin(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\θ}}_d)-B_{gd}cos(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\θ}}_d)\]-E_g^2{B}_{gg}---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{P}_d=E_g{V}_d\[G_{gd}\cos ({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\δ})+B_{gd}\sin ({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\δ})\]\\ +V_d{V}_s\[G_{ds}{\mathrm{cos\θ}}_d+B_{ds}{\mathrm{sin\θ}}_d\]+V_d^2{G}_{dd}\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{Q}_d=E_g{V}_d\[G_{gd}\sin ({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\δ})-B_{gd}\cos ({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\δ})\]\\ +V_d{V}_s\[G_{ds}{\mathrm{sin\θ}}_d-B_{ds}{\mathrm{cos\θ}}_d\]-V_d^2{B}_{dd}\end{array}---\left(4\right)$

将式(1)～式(4)在平衡点线性化

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_e\\ {\mathrm{\ΔQ}}_e\\ {\mathrm{\ΔP}}_d\\ {\mathrm{\ΔQ}}_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{gg}& N_{gg}& H_{gd}& N_{gd}\\ M_{gg}& L_{gg}& M_{gd}& L_{gd}\\ H_{dg}& N_{dg}& H_{dd}& N_{dd}\\ M_{dg}& L_{dg}& M_{dd}& L_{dd}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}\\ {\mathrm{\ΔE}}_g\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_d\\ {\mathrm{\ΔV}}_d\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中H_ij，N_ij，M_ij，L_ij分别为节点注入功率对各状态量的偏导数。由于发电机经典模型情况下，ΔE_g＝0，消去ΔV_d和Δθ_d，可以求得

ΔP_e＝K_SΔδ+K_PΔP_d+K_QΔQ_d (6)

由于前面的推导都是将(P_d，Q_d)作为注入功率处理，当作为负荷处理，以流出节点作为正方向时，ΔP_d和ΔQ_d前的系数需要取一个负号，即

$K_S=H_{gg}-\frac{(H_{gd}{L}_{dd}-N_{gd}{M}_{dd})H_{dg}+(N_{gd}{H}_{dd}-H_{gd}{N}_{dd})M_{dg}}{H_{dd}{L}_{dd}-M_{dd}{N}_{dd}}---\left(7\right)$

$K_P=-\frac{H_{gd}{L}_{dd}-N_{gd}{M}_{dd}}{H_{dd}{L}_{dd}-M_{dd}{N}_{dd}}---\left(8\right)$

$K_Q=-\frac{N_{gd}{H}_{dd}-H_{gd}{N}_{dd}}{H_{dd}{L}_{dd}-M_{dd}{N}_{dd}}---\left(9\right)$

其中K_S仍认为是同步功率系数，K_P和K_Q分别为与有功负荷扰动和无功负荷扰动相关的系数，均为实数。由式(6)可见有功负荷扰动和无功负荷扰动都会使发电机电磁功率存在突变，简称为机组扰动分量。

假设仅存在电容器投切情况，即分析阶跃无功负荷冲击下的机组响应特性，发电机线性化转子运动方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{dt}={\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\\ T_J\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}={\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_e-K_D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\end{array}\right.---\left(10\right)$

忽略机械功率，使ΔP_m＝0，得：

$\frac{T_J}{{\mathrm{\ω}}_0}\·\frac{d^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{{\mathrm{dt}}^2}+D\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{dt}+K_S\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}=-K_Q{\mathrm{\ΔQ}}_d---\left(11\right)$

式(11)中ΔQ_d＝Fε(t)为电容器投切扰动，ε(t)为单位阶跃函数，F为阶跃幅值，δ为发电机功角；ω₀＝2πf₀，f₀为系统基准频率；T_J为发电机惯性时间常数；为发电机阻尼系数。

令x＝Δδ，则式(11)可以整理为二阶系统阶跃响应形式：

式(12)可以求得解为:

式中，为系统振荡频率，ε(t)为单位阶跃函数。

式(13)中右端第一项表示由初始状态引起的自由振荡分量，第二项表示由阶跃扰动引起的伴随自由振荡分量，其幅值与初始条件无关，与负荷扰动的幅值有关，第三项为阶跃负荷造成的稳态分量。

由式(13)可以看出，在电容器投切造成的无功负荷阶跃冲击下，邻近发电机状态变量时域响应主要为系统固有振荡模式的自由振荡分量。因此通过监测邻近机组由电容器投切造成的动态响应，可以在线获得系统的阻尼状况。

结合图2所示，本发明提出的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，是利用实际电网中广泛存在的电容器投切冲击，将电容器投切冲击引发的机组动态响应用于系统低频振荡模式阻尼的在线监测。该方法首先根据实际电网中电容器投切点及关键机组的位置、实时潮流模态分析得到的各机组参与区间振荡情况，以及电容器投切扰动所能激发机组的响应，选择合适的观测机组。在系统运行过程中，通过观测电容器投切点周围各机组的WAMS动态数据，实时监测这些机组所参与振荡模式的振荡频率和阻尼比信息。由于电容器投切时间分布在一天中，特别在系统负荷较大的白天，当系统区间振荡模式的阻尼降低时，能够反映在实时动态监测结果上，即获得系统最容易被激发的区间振荡模式和系统实时阻尼情况，以此作为系统低阻尼报警的依据。

结合图2所示的流程示意，根据本发明某些实施例的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法的流程图，一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，包括以下步骤：步骤1、获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息；步骤2、根据电网中电容器投切点和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点；步骤3、基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息；步骤4、对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息；以及步骤5、当系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息。

下面结合图2-图5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。

在一些例子中，前述步骤1获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息，具体实现包括：

基于系统实时潮流断面进行模态分析，并结合电网历史功率振荡数据，获得电网存在的主要区间振荡模式和强相关机组信息。

前述步骤2中，根据电网中电容器投切点的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点，具体包括：

根据电网中电容器投切点的实际地理位置分布和电网区间振荡模式区域划分，通过电容器投切模拟电网仿真分析，获得各电容器投切所能激发周边机组的电磁功率振荡情况，选择同时满足下述条件的机组作为监测节点：1)用于激发机组功率振荡的电容器投切点选择，尽量满足电网主要区间振荡模式都能被激发；2)距离电容器投切点电气距离较近的机组，无功突变能够引发监测机组电磁功率的较大突变；3)监测机组是电网主要区间振荡模式的强相关机组，即易于激发区间模式振荡，机组振荡信息又易于观测。

在多机系统情况下，当距离电容器投切点电气距离较近的发电机组是某些区间振荡模式的强相关机组时，电容器投切无功阶跃冲击会激发这些区间模式的振荡，并在机组电磁功率动态响应中观测到该模式的自由振荡分量。

因此，在本例中，优选地，根据实际电网中电容器投切点和关键机组的实际地理位置分布和电网区间振荡模式区域划分，通过无功突变实测数据注入电网仿真分析，获得各电容器投切所能引发周边机组的电磁功率突变情况，选择同时满足下述条件的机组作为监测节点：1)用于激发机组功率振荡的电容器投切点，尽量满足电网主要区间振荡模式都能被激发；2)距离电容器投切点电气距离较近的机组，电容器投切无功突变能够引发机组电磁功率的突变；3)该机组是区间振荡模式的强相关机组，即易于激发区间模式振荡，机组振荡信息易于观测。

在本发明的某些实施例中，前述步骤3，基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息，其具体实现包括：

通过观测节点机组的WAMS动态数据，对机组电磁功率的振荡，采用Prony 方法在线获取区间振荡模式信息，即系统振荡的频率与阻尼比。

在实际系统运行过程中，当电容器投切点距离观测机组较近，由于电容器无功功率突变的扰动，会在周围机组激发出较明显的区间模式的自由振荡，如图5所示。通过观测节点机组的WAMS动态数据，对机组电磁功率的振荡，采用Prony方法在线获取区间振荡模式信息，即系统振荡的频率与阻尼比。以此确定系统最易被激发的区间模式和系统实时阻尼。

当电容器投切的扰动较大时，观测机组电气距离较近且是区间模式的强相关机组，就足以激发观测机组参与的振荡。基于WAMS系统，对观测机组的功角数据进行监测，激发明显振荡的判据为：

$\underset{n,k=1...N}{max}|{\mathrm{\δ}}_i\left(n\right)-{\mathrm{\δ}}_i\left(k\right)|\≥C---(1-1)$

其中，N为离散数据长度；C为给定的基准值，由于电容器投切冲击引起的振荡较小，因而基准值C较小。

当选择的观测机组功角满足式(1-1)时，利用Prony方法在线辨识发电机的电磁功率振荡量，在线获取模式信息，即系统模式的频率与阻尼比。假设系统的响应由一组指数函数的线性组合构成，将扰动后的数据作为输入，进行Prony分析，可以获取输入信号的频率、衰减因子、幅值和相位等信息。设输入信号的估计值为

$\hat{x}\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{p}{\Σ}}{b}_m{z}_m^n=\underset{m=1}{\overset{p}{\Σ}}{A}_m{e}^{{\mathrm{j\θ}}_m}{e}^{({\mathrm{\α}}_m+j2{\mathrm{\πf}}_m)\mathrm{\Δ}t}---(2-1)$

式中，A_m为第m个指数函数信号的幅值，f_m为第m个指数函数信号的频率，θ_m为第m个指数函数信号的初相角，α_m为第m个指数函数信号的衰减因子，Δt为时间间隔。

为了求解这些信息，定义最小二乘法的目标函数

$min(\mathrm{\ϵ}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}|x\left(n\right)-\hat{x}\left(n\right){|}^2)---(3-1)$

求解目标函数需要构造扩展阶的样本函数矩阵R_e，确定其有效秩p_e。

$R_e=p_e\left[\begin{array}{cccc}r(1,0)& r(1,1)& \mathrm{...}& r(1,p_e)\\ r(2,0)& r(2,1)& \mathrm{...}& r(2,p_e)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ r(p_e,0)& r(p_e,1)& \mathrm{...}& r(p_e,p_e)\end{array}\right]---(4-1)$

式中，x^*(n-i)为x(n-i)共轭。

由推导可知，当满足式(3-1)时，有

$R_e\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ .\\ .\\ .\\ a_{p_e}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---(5-1)$

求解式(5-1)即可得到特征方程的系数a_i(i＝0,1,2,…,p_e)，进一步根据特征方程

求得特征值z_i(i＝0,1,2,…,p_e)，则Prony方法输入信号的频率f_m及衰减因子α_m分别为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\frac{\ln \left|z_i\right|}{\mathrm{\Δ}t}\\ f_i=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(z_i\right)}{\mathrm{Re}\left(z_i\right)}\right)/2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}t\end{array}---(7-1)$

图5所示是基于电容器投切激发的系统一天区间振荡模式阻尼比变化信息。当实际系统模式的阻尼比因运行状态变化而降低时，基于电容器投切扰动的系统模式监测获得的曲线准确地监测出了系统阻尼的变化。由此可知，利用电容器投切冲击时刻分布固定，地理分布广的特性，可基于电容器投切冲击响应对实际系统的振荡模式进行动态监测，当系统因运行状态变化导致模式的阻尼降低时，动态监测的结果能作为报警的依据。

与此同时，一台机组可能参与几个振荡模式，当存在电容器投切时，这些模式都可能被激发。通过基于电容器投切扰动得到的振荡信号，进行Prony分析，同样可以获取所激发的模式信息，即可在一个监测节点同时监测多个区间振荡模式阻尼信息。

在某些实施例中，前述步骤4中，对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息，其具体实现包括：

当电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组时，在电容器投切变点站的SCADA在线数据观测到有波动的情况下，利用ARMA方法分析WAMS系统观测到的类噪声信号，从而在线监测系统模式的频率与阻尼比。

由于互联大电网中，电容器投切的扰动相对较小，当观测机组电气距离电容器投切点较远时，不足以激发起系统明显的小振荡，如图所示，但是在观测机组有功功率类噪声信号中富含了系统振荡信息，可以从类噪声的响应信号中通过ARMA方法在线辨识系统振荡信息。当只是引起一些类噪声的扰动时，电容器投切点周围机组的WAMS动态数据难以观测到明显的振荡，Prony方法难以在线获取系统模式信息。由于实时系统中某些电容器投切点一般不会安装PMU，只有SCADA数据。当电容器投切点的SCADA在线数据观测到有波动时，可利用ARMA方法分析电容器投切冲击时刻WAMS系统观测的类噪声信息，从而在线监测系统模式的频率与阻尼比。

当电容器投切的扰动较小，不足以激发起系统的振荡，只是引起一些类噪声的扰动时，此时利用式(1-1)可能观测不到相对功角的较大波动。为了充分利用电容器投切的扰动，可利用SCADA系统监测电容器投切的波动。当电容器投切点的SCADA在线数据有波动时，利用ARMA方法分析WAMS系统观测的类噪声波动。将电力系统中存在的各种随机扰动看成是白噪声，采用ARMA模型对系统响应的时间序列进行建模

式中，y_t是系统响应的时间序列在t时刻的元素，a_t是白噪声序列在t时刻的元素，n、m为模型的阶数，θ_j(j＝1,2,…,m)为模型参数。由式(8-1)可知，系统响应不仅与当前时刻的随机扰动有关，且与过去时刻的系统响应和随机扰动有关。

根据下述矩阵方程：

求解系数(i＝1,2,…,n)，其中R_k为时间序列{y_t}的自协方差函数，

对应输入时间序列{y_t}的特征方程为

由式(10-1)即可求得系统的特征很λ_i及其共轭进一步根据式即可求得振荡模式的频率及阻尼比，如式(11)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_i=\frac{\sqrt{{\mathrm{ln\λ}}_i{\mathrm{ln\λ}}_i^{*}}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}_i^2}}{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}t}\\ {\mathrm{\ξ}}_i=-\frac{ln\left|{\mathrm{\λ}}_i\right|}{\sqrt{{\mathrm{ln\λ}}_i{\mathrm{ln\λ}}_i^{*}}}\end{array}\right.---(11-1)$

基于SCADA系统与WAMS系统中电容器投切的扰动信息，利用ARMA方法获取模式信息，从而在线监测系统模式的频率与阻尼比。

前述步骤5中，响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息，其具体实现包括：

根据《国家电网安全稳定计算技术规范Q/GDW404-2010》的要求，当系统阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息：当模式阻尼比小于3％时，给出红色预警；当模式阻尼比大于3％，小于等于5％时，给出黄色预警。

根据本发明的某些实施例，还提出一种基于电容器投切冲击响应的系统阻尼在线监测系统，该装置包括：

用于获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息的模块；

用于根据电网中电容器投切点和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点的模块；

用于基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息的模块；

用于对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息的模块；以及

用于响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息的模块。

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 (7)

1.一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息；

步骤2、根据电网中电容器投切点和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点；

步骤3、基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息；

步骤4、对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息；

步骤5、响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息。

2.根据权利要求1所述的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，前述步骤1获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息，具体实现包括：

基于系统实时潮流断面进行模态分析，并结合电网历史功率振荡数据，获得电网存在的主要区间振荡模式和强相关机组信息。

3.根据权利要求2所述的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，前述步骤2根据电网中变电站电容器和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点，具体包括：

根据电网中电容器和关健机组的实际地理位置分布和电网区间振荡模式区域划分，通过电容器投切冲击模拟的电网仿真分析，获得各变电站电容器投切冲击所能激发周边机组的电磁功率振荡情况，选择同时满足下述条件的机组作为监测节点：1)用于激发机组功率振荡的变电站电容器选择，尽量满足电网主要区间振荡模式都能被激发；2)距离电容器投切电气距离较近的机组，电容器投切能够引发监测机组电磁功率的较大突变；3)监测机组是电网主要区间振荡模式的强相关机组。

4.根据权利要求3所述的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，前述步骤3，基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息，其具体实现包括：

通过观测节点机组的WAMS动态数据，对机组电磁功率的振荡，采用Prony方法在线获取区间振荡模式信息，即系统振荡的频率与阻尼比。

5.根据权利要求3或4所述的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，前述步骤4，对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息，其具体实现包括：

当电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组时，在电容器投切的SCADA在线数据观测到有波动的情况下，利用ARMA方法分析WAMS系统观测到的类噪声信号，从而在线监测系统模式的频率与阻尼比。

6.根据权利要求5所述的基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测方法，其特征在于，前述步骤5中，响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息，其具体实现包括：

当系统阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息：当模式阻尼比小于3％时，给出红色预警；当模式阻尼比大于3％，小于等于5％时，给出黄色预警。

7.一种基于电容器投切响应的系统阻尼在线监测系统，其特征在于，该装置包括：

用于获取电网实际主要区间振荡模式和各模式强相关机组信息的模块；

用于根据电网中变电站电容器和关键机组的地理分布和电网区间振荡模式区域划分，选择与电容器投切点电气距离较近且是主要区间模式强相关机组的机组作为监测节点的模块；

用于基于监测节点动态量测，对于电容器投切冲击下可观测到明显振荡响应的机组，采用Prony方法在线辨识系统区间振荡频率和阻尼比信息的模块；

用于对于电容器投切冲击下未观测到明显振荡的机组，采用ARMA方法分析机组有功功率类噪声信号获得实时振荡频率和阻尼信息的模块；以及

用于响应于系统实时模式阻尼比低于给定阈值时，分级别发出告警信息的模块。