CN107872064B - 基于wams的超低频振荡监测及其紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于WAMS的超低频振荡监测及其紧急控制方法，给出了基于WAMS的超低频振荡在线监测方法和判断超低频振荡是否发生的模型，并通过在线判断水电机组是否提供负阻尼进而针对性的对其调速器进行控制，结合调速器联网/孤网模式切换，可在保留一定的一次调频能力的条件下平息超低频振荡，为电网调度运行人员控制超低频振荡供了实用紧急控制手段，对于电网调度运行具有非常重要的实际意义。

Description

基于WAMS的超低频振荡监测及其紧急控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定控制技术领域，具体涉及基于WAMS的超低频振荡监测及其紧急控制方法。

背景技术

近年来，水电送出孤岛系统或水电高占比电力系统中陆续出现低于0.1Hz的超低振荡现象，引发调速系统周期性频繁动作，系统频率、功率等均出现大幅度低频率振荡，严重威胁电网安全稳定运行。

在全国电网互联的大背景下，大区互联电网火电占比高，未发生超低频振荡现象，学术界和工业界都缺乏超低频振荡机理和控制策略的研究基础。随着特高压直流和柔性直流的发展，部分互联电网联网结构由同步向异步联网转变，在送端出现水电高占电网，水电机组的“水锤效应”使得超低频振荡风险突出。然而，由于关于超低频振荡机理和控制策略的相关研究才刚刚开展，使得电网运行人员缺乏快速控制超低频振荡的有效手段，且目前调度部门也并没有明确的超低频振荡紧急控制策略，成为异步联网后水电高占比电网的安全稳定运行的巨大挑战。当超低频振荡发生时，调度运行人员多凭借经验采用不断尝试的方法寻找控制策略，直到超低频振荡平息。已发生的几次事故表明，水电机组一次调频在超低频振荡过程中通常提供负阻尼，退出水电机组一次调频可使得系统阻尼水平提升，可作为一种紧急控制策略，但退出一次调频后系统调频性能显著降低，当系统发生功率不平衡扰动时，频率很难恢复。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术问题，提供基于WAMS的超低频振荡监测及其紧急控制方法，利用多信号Prony算法等信号处理方法对WAMS实测频率信号进行在线辨识，给出判断超低频振荡发生的条件，并给出一种基于水轮机调速系统联网/孤网模式多轮次切换的紧急控制策略，可对全网的超低频振荡进行在线监测和紧急控制，保障电网安全稳定运行。

本发明通过下述技术方案实现：

基于WAMS的超低频振荡监测方法，包括以下步骤：

A：收集全网水电机组原动机信息及参数信息，形成水电机组参数库M：

M＝[M₁,M₂,…,M_n] (1)

式中，M_i表示第i台水电机组的参数集，S_i(MVA)为机组容量，为水锤效应时间常数；G_i表示第i台水电机组的调速器是否具有孤网模式，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

B：搭建所研究的电力系统仿真模型，并根据丰水期负荷水平的不同，形成丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式；

C：根据步骤A中的水电机组参数库M，确定调整调速器参数抑制超低频振荡的水电机组排序；

D：根据步骤B所述的四种典型运行方式以及电网结构和断面划分，得到每个区域的中枢频率f_j(j＝1,2,…,m)；再利用现有WAMS实现对各个区域中枢频率f_j的采集，形成中枢点频率集合[f₁,f₂,…,f_m]，采用多信号Prony算法对各区域中枢频率信号[f₁,f₂,…,f_m]进行辨识，得到主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位；

E：根据主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位判断系统是否发生超低频振荡。进一步的，在以上步骤B中，丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式是根据负荷水平的不同，考虑丰水期大负荷、平负荷、小负荷以及极小负荷而形成的。在潮流调整时，尽量多开水电机组，火电按照少于系统运行方式对其最小开机要求考虑，新能源机组不开或尽量少开，各发电机不考虑旋转备用。根据步骤A～E可知，本发明的方法给出了基于WAMS的超低频振荡在线监测方法和判断超低频振荡是否发生的基准，可对电力系统全网的超低频振荡进行实时监测，对于调度运行具有非常重要的实际意义。

所述步骤B中的电力系统仿真模型包括各水力发电机组中的调速器模型，所述调速器采用实测模型。在以上步骤中，若调速器模型和参数未实测，可套用同类型、同容量以及水锤效应时间常数相近的机组调速器参数。

进一步的，所述步骤C具体包括以下步骤：

C1：根据步骤A中的水电机组参数库M，得到水电机组i参与超低频振荡程度指标R_i

C2：根据指标R由大到小对全网内的水电机组进行排序，形成按照参与超低频振荡程度由大到小排序的水电机组列表。

进一步的，所述步骤D具体包括以下步骤：

D1：对搭建的丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式进行小干扰分析，获得各个方式下区间振荡模式，进而获得各个区间振荡模式的相对振荡区域；

D2：根据获得的相对振荡区域，结合电网结构和断面划分，对所研究电网进行分区，共得到m个分区，在每个区域内选择装机容量最大的发电机频率f_j(j＝1,2,…,m)为该区域的中枢频率。

所述步骤E中判断系统是否发生超低频振荡，判断条件包括：

(1)主导模式振荡频率在0.01Hz～0.1Hz之间，即振荡周期在10s～100s之间；

(2)全网水电机组频率振荡相位相同，即各个区域中枢频率f_j初相位偏差的不超过10°。进一步的，全网机组频率振荡相位相同，即各区域中枢频率初相位相同，但在实际操作时可按照初相位偏差在10°以内进行判断，即最大初相位减去最小初相位小于10°。

基于WAMS的超低频振荡紧急控制方法，包括以下步骤：

F：当监测到超低频振荡发生时，判断是否启动超低频振荡紧急控制策略；

G：当超低频振荡紧急控制策略启动后，根据步骤C所述的水电机组排序对调速器阻尼特性进行在线评估，若水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性；

H：根据步骤A中的水电机组参数库M，抑制超低频振荡；

I：根据水电机组排序顺序，选择下一台机组，重复步骤G，直到超低频振荡平息。本发明上述的方法是对步骤A～E所监测到的超低频振荡进行控制的方式，结合调速器联网/孤网模式切换，可在保留一定的一次调频能力的条件下平息超低频振荡，为电网调度运行人员控制超低频振荡提供了实用紧急控制手段。

进一步的，在步骤F中，是否启动超低频振荡紧急控制策略，启动条件包括：

(3)超低频振荡振幅大于0.2Hz；

(4)主导超低频振荡模式阻尼比低于5％。

进一步的，所述步骤G的具体评估步骤包括：

G1：利用多信号Prony方法辨识WAMS记录的水电机组机械功率和频率信号，得到主导模式下各信号的初相位；

G2：比较机械功率的初相位和频率信号的初相位之间的相位差Δω₀，若-90°≤Δω₀≤-90，则水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性。

进一步的，所述步骤H具体包括以下步骤：

H1：判断该机组调速器是否具有孤网模式，根据步骤A中的水电机组参数库M，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

H2：若G_i＝0，则跳过本步，直接进入H3；若G_i＝1，则判断当前调速系统运行模式，若当前调速器运行于联网模式，则将该调速器切换为孤网模式，否则进入H3；

H3：退出调速器的一次调频功能。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明基于WAMS的超低频振荡监测及其紧急控制方法，给出了基于WAMS的超低频振荡在线监测方法和判断超低频振荡是否发生的模型，并通过在线判断水电机组是否提供负阻尼进而针对性的对其调速器进行控制，结合调速器联网/孤网模式切换，可在保留一定的一次调频能力的条件下平息超低频振荡，为电网调度运行人员控制超低频振荡供了实用紧急控制手段，对于电网调度运行具有非常重要的实际意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1某实际电网超低频振在线监测分区图；

图2某实际电网发生故障1后激发超低频振荡仿真曲线；

图3某实际电网发生故障2后激发超低频振荡仿真曲线；

图4电力系统超低频振荡紧急控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～3所示，本发明基于WAMS的超低频振荡监测方法，包括以下步骤：

A：收集全网水电机组原动机信息及参数信息，形成水电机组参数库M：

M＝[M₁,M₂,…,M_n] (1)

式中，M_i表示第i台水电机组的参数集，S_i(MVA)为机组容量，为水锤效应时间常数；G_i表示第i台水电机组的调速器是否具有孤网模式，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

B：搭建所研究的电力系统仿真模型，并根据丰水期负荷水平的不同，形成丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式；

C：根据步骤A中的水电机组参数库M，确定调整调速器参数抑制超低频振荡的水电机组排序；

D：根据步骤B所述的四种典型运行方式以及电网结构和断面划分，得到每个区域的中枢频率f_j(j＝1,2,…,m)；再利用现有WAMS实现对各个区域中枢频率f_j的采集，形成中枢点频率集合[f₁,f₂,…,f_m]，采用多信号Prony算法对各区域中枢频率信号[f₁,f₂,…,f_m]进行辨识，得到主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位；

E：根据主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位判断系统是否发生超低频振荡。这里多信号Prony算法为本领域技术人员已公知的方法，在此不再赘述。

所述步骤B中的电力系统仿真模型包括各水力发电机组中的调速器模型，所述调速器采用实测模型。

所述步骤C具体包括以下步骤：

C1：根据步骤A中的水电机组参数库M，得到水电机组i参与超低频振荡程度指标R_i

C2：根据指标R由大到小对全网内的水电机组进行排序，形成按照参与超低频振荡程度由大到小排序的水电机组列表。

所述步骤D具体包括以下步骤：

D1：对搭建的丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式进行小干扰分析，获得各个方式下区间振荡模式，进而获得各个区间振荡模式的相对振荡区域；

D2：根据获得的相对振荡区域，结合电网结构和断面划分，对所研究电网进行分区，共得到m个分区，在每个区域内选择装机容量最大的发电机频率f_j(j＝1,2,…,m)为该区域的中枢频率。以某实际电网为例，小干扰分析表明该电网存在2个典型的区间模式：

模式	相互振荡区域
		模式1	区域1VS区域2、3、4、5、6、7、8
模式2	区域2、3、4VS区域5、6、7

结合网架结构特点，可将该电网分为8各区域，图1给出了该电网的分区结构图，图中f₁,f₂,……,f₈,分别表示各区域内容量最大机组的频率，即各区域的中枢频率。

以上文提到的实际电网在某典型方式下发生故障激发超低频振荡的仿真曲线为例，在不同故障下均激发了超低频振荡，如图2和图3所示；

所述步骤E中判断系统是否发生超低频振荡，判断条件包括：

(1)主导模式振荡频率在0.01Hz～0.1Hz之间，即振荡周期在10s～100s之间；

(2)全网水电机组频率振荡相位相同，即各个区域中枢频率f_j初相位偏差的不超过10°。对图2和图3所示的超低频振荡曲线进行多信号Prony辨识可得到主导振荡模式振荡频率分别为0.057Hz和0.052Hz，各曲线初相位差小于10°，按照超低频振荡判别条件可知发生了超低频振荡，转入下列实施例2的超低频振荡紧急控制方法来采取恰当的紧急控制策略。

实施例2

如图1～4所示，在实施例1的基础上，基于WAMS的超低频振荡紧急控制方法，包括以下步骤：

F：当监测到超低频振荡发生时，判断是否启动超低频振荡紧急控制策略；

G：当超低频振荡紧急控制策略启动后，根据步骤C所述的水电机组排序对调速器阻尼特性进行在线评估，若水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性；

H：根据步骤A中的水电机组参数库M，抑制超低频振荡；

I：根据水电机组排序顺序，选择下一台机组，重复步骤G，直到超低频振荡平息。

在步骤F中，是否启动超低频振荡紧急控制策略，启动条件包括：

(3)超低频振荡振幅大于0.2Hz；

(4)主导超低频振荡模式阻尼比低于5％。

所述步骤G的具体评估步骤包括：

G1：利用多信号Prony方法辨识WAMS记录的水电机组机械功率和频率信号，得到主导模式下各信号的初相位；

G2：比较机械功率的初相位和频率信号的初相位之间的相位差Δω₀，若-90°≤Δω₀≤-90，则水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性。

所述步骤H具体包括以下步骤：

H1：判断该机组调速器是否具有孤网模式，根据步骤A中的水电机组参数库M，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

H2：若G_i＝0，则跳过本步，直接进入H3；若G_i＝1，则判断当前调速系统运行模式，若当前调速器运行于联网模式，则将该调速器切换为孤网模式，否则进入H3；

H3：退出调速器的一次调频功能。

通过以上控制方法可知，图2和图3所示振荡幅度均大于0.2Hz，多信号Prony辨识得到主导振荡模式阻尼比分别为5.112％和0.05％，故当发生图2所示的超低频振荡时，由于系统阻尼较强，不需要启动超低频振荡紧急控制策略，当发生图3所示的超低频振荡时，系统阻尼低于5％，需要启动紧急控制策略，返回步骤H，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性。

本发明通过以上的超低频振荡监测及其紧急控制方法，可在保留一定的一次调频能力的条件下平息超低频振荡，为电网调度运行人员控制超低频振荡供了实用紧急控制手段，对于电网调度运行具有非常重要的实际意义。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：收集全网水电机组原动机信息及参数信息，形成水电机组参数库M：

M＝[M₁,M₂,…,M_n] (1)

式中，M_i表示第i台水电机组的参数集，S_i(MVA)为机组容量，为水锤效应时间常数；G_i表示第i台水电机组的调速器是否具有孤网模式，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

B：搭建所研究的电力系统仿真模型，并根据丰水期负荷水平的不同，形成丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式；

C：根据步骤A中的水电机组参数库M，确定调整调速器参数抑制超低频振荡的水电机组排序；

D：根据步骤B所述的四种典型运行方式以及电网结构和断面划分，得到每个区域的中枢频率f_j(j＝1,2,…,m)；再利用现有WAMS实现对各个区域中枢频率f_j的采集，形成中枢点频率集合[f₁,f₂,…,f_m]，采用多信号Prony算法对各区域中枢频率信号[f₁,f₂,…,f_m]进行辨识，得到主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位；

E：根据主导模式振荡频率、阻尼比和各信号初相位判断系统是否发生超低频振荡。

2.根据权利要求1所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤B中的电力系统仿真模型包括各水力发电机组中的调速器模型，所述调速器采用实测模型。

3.根据权利要求1所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤C具体包括以下步骤：

C1：根据步骤A中的水电机组参数库M，得到水电机组i参与超低频振荡程度指标R_i

C2：根据指标R_i由大到小对全网内的水电机组进行排序，形成按照参与超低频振荡程度由大到小排序的水电机组列表。

4.根据权利要求1所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤D具体包括以下步骤：

D1：对搭建的丰大、丰平、丰小、丰极小四种典型运行方式进行小干扰分析，获得各个方式下区间振荡模式，进而获得各个区间振荡模式的相对振荡区域；

D2：根据获得的相对振荡区域，结合电网结构和断面划分，对所研究电网进行分区，共得到m个分区，在每个区域内选择装机容量最大的发电机频率f_j(j＝1,2,…,m)为该区域的中枢频率。

5.根据权利要求1所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤E中判断系统是否发生超低频振荡，判断条件包括：

(1)主导模式振荡频率在0.01Hz～0.1Hz之间，即振荡周期在10s～100s之间；

(2)全网水电机组频率振荡相位相同，即各个区域中枢频率f_j初相位偏差的不超过10°。

6.根据权利要求1所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

F：当监测到超低频振荡发生时，判断是否启动超低频振荡紧急控制策略；

G：当超低频振荡紧急控制策略启动后，根据步骤C所述的水电机组排序对调速器阻尼特性进行在线评估，若水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性；

H：根据步骤A中的水电机组参数库M，抑制超低频振荡；

I：根据水电机组排序顺序，选择下一台机组，重复步骤G，直到超低频振荡平息。

7.根据权利要求6所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，在步骤F中，是否启动超低频振荡紧急控制策略，启动条件包括：

(3)超低频振荡振幅大于0.2Hz；

(4)主导超低频振荡模式阻尼比低于5％。

8.根据权利要求6所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤G的具体评估步骤包括：

G1：利用多信号Prony方法辨识WAMS记录的水电机组机械功率和频率信号，得到主导模式下各信号的初相位；

G2：比较机械功率的初相位和频率信号的初相位之间的相位差Δω₀，若-90°≤Δω₀≤-90，则水电机组提供负阻尼，则进入步骤H；若水电机组提供正阻尼，根据水电机组排序评估下一台水电机组的阻尼特性。

9.根据权利要求6所述的基于WAMS的超低频振荡监测方法，其特征在于，所述步骤H具体包括以下步骤：

H1：判断该机组调速器是否具有孤网模式，根据步骤A中的水电机组参数库M，G_i＝0表示没有，G_i＝1表示有；

H2：若G_i＝0，则跳过本步，直接进入H3；若G_i＝1，则判断当前调速系统运行模式，若当前调速器运行于联网模式，则将该调速器切换为孤网模式，否则进入H3；

H3：退出调速器的一次调频功能。