CN108957129A - 一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法:(1)采集信号预处理；(2)快速次/超同步振荡监测算法判断是否发生次同步振荡；(3)预警；(4)次/超同步振荡辨识算法辨识次同步振荡频率并计算超同步信号频率；(5)模式滤波提取基波、次同步谐波和超同步谐波信号；(6)基于DFT相量算法对步骤(5)分别计算基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量；(7)对步骤(6)相量计算后进行幅值和相位补偿。本方法可快速监测电力系统是否发生次同步振荡，并给出振荡频率位于哪个频段内，向控制中心发送预警信息；进而准确辨识出振荡频率，根据检测出的振荡频率，自适应的调整滤波器特征频率，准确计算出基波相量和次/超同步谐波相量。

Description

一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法
技术领域
本发明涉及一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法。
背景技术
近年来，我国新型可再生能源(风电、光伏)并网系统出现了次/超同步振荡(SSO)问题，严重威胁了系统的安全稳定运行。SSO的频率高于传统的低频振荡，且具有明显的时变特性。然而，现有的具有动态监测功能的相量测量单元(PMU)和广域测量系统(WAMS)均不能满足次/超同步振荡动态监测的需求。这是因为传统的PMU仅测量基频相量而忽略了次/超同步相量的影响。为了保证基频相量的测量精度，PMU中的滤波器一般将间谐波及整数次谐波滤除掉，导致已有PMU无法准确反映次/超同步振荡事故的动态过程。
由于风速/光照的不确定性，新能源并网系统的运行工况具有显著的时变特性。系统运行工况和网络拓扑的变化导致新型的SSO的振荡频率具有时变特性，给动态监测带来新的挑战。已有研究仅考虑具有固定频率的基频分量的相量监测，并没有考虑具有频率时变特性的次/超同步谐波相量的监测。
为应对新能源并网系统中新型SSO动态监测面临的挑战，亟需提出一种次/超同步振荡动态自适应的监测方法，并对次/超同步谐波相量进行准确测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法。
解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集新能源并网系统中电压/电流信号，进行信号预处理；
(2)采用快速次/超同步振荡监测算法，判断系统是否发生次同步振荡；若是，则执行步骤(3)，否则，返回步骤(1)；
(3)向控制中心发送预警信息；
(4)采用次/超同步振荡辨识算法，辨识出系统中次同步振荡频率，并根据系统次/超同步谐波信号之间的耦合关系(详见4.4公式)，计算出超同步信号频率；
(5)通过模式滤波单独提取基波、次同步谐波和超同步谐波信号；
(6)基于DFT相量算法对步骤(5)模式滤波后提取的信号，分别计算基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量；
(7)根据滤波器的增益和相移对步骤(6)相量计算后的基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量进行幅值和相位补偿。
所述步骤(1)的信号预处理环节包括数据检测和数据滤波：
1.1数据检测包括检测输入的电压/电流信号是否存在不合理数据：和其他采样点数值差大于1E6、绝对值大于1E6的数据，以及输入数据的采样率是否满足次/超同步谐波相量的计算要求；
1.2数据滤波为将信号分别通过低通滤波器和高通滤波器以滤除不关注的低频振荡信号和高频谐波信号，得到仅包含基波和次/超同步谐波的数据信号。
所述步骤(2)包括以下内容：
2.1设定次同步振荡监测的频率范围为2.5Hz到47.5Hz，并将其分为[2.5Hz,10Hz]、[10Hz,20Hz]、[20Hz,30Hz]、[30Hz,40Hz]、[40Hz,47.5Hz]5个频段；
2.2针对5个频段，分别设计5个相互独立的信号监测通道，各通道结构一致，互相并联；
2.3输入信号通过带通滤波器筛选出2.1所述5个频段的信号；
2.4选择合适的数据窗：若所关注频段的最小频率和最大频率分别为fmin和fmax，数据窗长为Ns，信号采样频率为fs，则数据窗Ns＝Round(fs/fmin)，其中Round()表示求近似整数)，移动数据窗求其内信号数据的平均值，最终得到信号的平方根Data_AVG；
2.5比较Data_AVG与触发门槛值Data_Thrd,若Data_AVG>Data_Thrd，则判断系统在监测频率段内发生了次同步振荡。
所述步骤(4)包括以下内容：
4.1选择一个长度范围为(1s,5s)的数据窗；
4.2从数据的始端开始，逐步移动数据窗，并分别采用快速傅里叶分析算法FFT计算数据窗内的频谱；
4.3通过计算得到的频谱的平均值得到功率谱密度和次同步振荡频率；
4.4根据公式ωsub+ωsup＝2ω1计算出超同步信号的频率，式中ωsub和ωsup分别表示次/超同步频率，ω1表示基频。
所述步骤(5)的模式滤波，由多个带通滤波器并联组成，带通滤波器的特征频率根据步骤(4)次/超同步振荡频率辨识环节给出的实测频率值进行在线自适应调整，且该带通滤波器的带宽设置范围取值2Hz。
所述步骤(7)包括以下内容：
7.1计算在关注频率fi处，各滤波器的幅频响应Ai和相频响应
7.2将步骤(6)所述基波、次/超同步计算相量幅值除以幅频响应Ai，相位减去相频响应得到补偿后的基波、次/超同步谐波相量。
本发明具有以下有益的技术效果：
1、该方法能够快速监测出电力系统中是否发生了次同步振荡，向控制中心发出预警，给出振荡频率位于哪个频率段内。
2、能够准确辨识次/超同步振荡频率。
3、能够根据检测出的振荡频率，自适应的调整滤波器特征频率，进而准确计算出基波相量和次/超同步谐波相量。
附图说明
图1所示为本发明的示意图；
图2所示为快速次/超同步振荡检测算法框图；
图3所示为模式滤波、相量计算与相量校正算法框图；
图4所示为本发明实施例在理想测试信号下的验证结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，如附图1所示，包括以下步骤：
(1)采集新能源并网系统中电压/电流信号，进行信号预处理；
(2)采用快速次/超同步振荡监测算法，判断系统是否发生次同步振荡，若是，则执行步骤(3)，否则，返回步骤(1)；
(3)向控制中心发送预警信息；
(4)采用次/超同步振荡辨识算法，准确辨识出系统中次同步振荡的频率，并根据系统/超同步谐波信号之间的耦合关系，计算出超同步信号的频率；
(5)通过模式滤波单独提取基波、次同步谐波和超同步谐波信号；
(6)基于DFT相量算法对步骤(5)所述模式滤波后的信号，分别计算基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量；
(7)根据滤波器的增益和相移对步骤(6)所述相量计算后的基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量进行幅值和相位补偿。
在步骤(1)中，信号预处理环节包括数据检测和数据滤波两部分：
1.1数据检测包括检测输入的电压/电流信号是否存在不合理数据：和其他采样点数值差大于1E6、绝对值大于1E6的数据，以及输入数据的采样率是否满足次/超同步谐波相量的计算要求；
1.2数据滤波为将信号分别通过低通滤波器和高通滤波器以滤除不关注的低频振荡信号和高频谐波信号，得到仅包含基波和次/超同步谐波的数据信号。
如附图2所示，步骤(2)包括以下内容：
2.1设定次同步振荡监测的频率范围为2.5Hz到47.5Hz，并将其分为[2.5Hz,10Hz]、[10Hz,20Hz]、[20Hz,30Hz]、[30Hz,40Hz]、[40Hz,47.5Hz]5个频段；
2.2针对5个频段，分别设计5个相互独立的信号监测通道，各通道结构一致，互相并联；
2.3输入信号通过带通滤波器筛选出关注频段内的信号；
2.4选择合适的数据窗若所关注频段的最小频率和最大频率分别为fmin和fmax，数据窗长为Ns，信号采样频率为fs，则数据窗Ns＝Round(fs/fmin)，其中Round()表示求近似整数)；移动数据窗求其内信号数据的平均值，最终得到信号的平方根Data_AVG；
2.5比较Data_AVG与触发门槛值Data_Thrd,若Data_AVG>Data_Thrd，则判断系统在监测频率段内发生了次同步振荡。。
步骤(4)包括以下内容：
4.1选择一个合适长度(1s,5s)的数据窗；
4.2从数据的始端开始，逐步移动数据窗，并分别采用快速傅里叶分析算法FFT计算数据窗内的频谱；
4.3通过计算得到的频谱的平均值得到功率谱密度和次同步振荡频率；
4.4根据公式ωsub+ωsup＝2ω1计算出超同步信号的频率，式中ωsub和ωsup分别表示次/超同步频率，ω1表示基频。
步骤(5)所述模式滤波，由多个带通滤波器并联组成，带通滤波器的特征频率根据步骤(4)次/超同步振荡频率辨识环节给出的实测频率值进行在线自适应调整，且该带通滤波器的带宽设置范围取值2Hz。
步骤(7)包括以下内容：
7.1计算在关注频率fi处，各滤波器的幅频响应Ai和相频响应
7.2将步骤(6)所述基波、次/超同步计算相量幅值除以幅频响应Ai，相位减去相频响应得到补偿后的基波、次/超同步谐波相量。
步骤(5)、(6)、(7)如附图3所示。
下面结合图4说明根据本发明实施例的上述方法。
图4示出了一个理想测试信号的验证结果。该理想信号中包含两对次/超同步耦合的信号成分，如下式所示：
x(t)＝50cos(2π50t+15°
+2cos(2π20t+33°)+2cos(2π80t+85°)+5cos(2π35t+46°
+5cos(2π65t+110°)
该信号的采样率为6400Hz，取10s的数据作为测试信号进行次/超同步振荡自适应监测。设置快速次/超同步振荡监测环节中触发门槛值为基波幅值的5％。在上述理想信号注入的情况下，得到的基波、次/超同步谐波相量对的计算结果如图4所示。可见，采用本发明方法能够准确辨识出信号中的各频率相量，最大误差不超过2％，满足工程实际需求。并且，快速次同步振荡检测环节向控制中心发出预警信息，在[30Hz,40Hz]频段范围内存在幅值较大的次同步振荡问题。

Claims (5)

1.一种新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集新能源并网系统中电压/电流信号，进行信号预处理；
(2)采用快速次/超同步振荡监测算法，判断系统是否发生次同步振荡；若是，则执行步骤(3)，否则，返回步骤(1)；
(3)向控制中心发送预警信息；
(4)采用次/超同步振荡辨识算法，辨识出系统中次同步振荡频率，并根据系统次/超同步谐波信号之间的耦合关系(详见4.4公式)，计算出超同步信号频率；
(5)通过模式滤波单独提取基波、次同步谐波和超同步谐波信号；
(6)基于DFT相量算法对步骤(5)模式滤波后提取的信号，分别计算基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量；
(7)根据滤波器的增益和相移对步骤(6)相量计算后的基波相量、次同步谐波相量和超同步谐波相量进行幅值和相位补偿。
2.根据权利要求1所述的新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于：所述步骤(1)的信号预处理环节包括数据检测和数据滤波：
1.1数据检测包括检测输入的电压/电流信号是否存在不合理数据：和其他采样点数值差大于1E6、绝对值大于1E6的数据；以及输入数据的采样率是否满足次/超同步谐波相量的计算要求；
1.2数据滤波为将信号分别通过低通滤波器和高通滤波器以滤除不关注的低频振荡信号和高频谐波信号，得到仅包含基波和次/超同步谐波的数据信号。
3.根据权利要求1所述的新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下内容：
2.1设定次同步振荡监测的频率范围为2.5Hz到47.5Hz，并将其分为[2.5Hz,10Hz]、[10Hz,20Hz]、[20Hz,30Hz]、[30Hz,40Hz]、[40Hz,47.5Hz]5个频段；
2.2针对5个频段，分别设计5个相互独立的信号监测通道，各通道结构一致，互相并联；
2.3输入信号通过带通滤波器筛选出2.1所述5个频段的信号；
2.4选择合适的数据窗：若所关注频段的最小频率和最大频率分别为fmin和fmax，数据窗长为Ns，信号采样频率为fs，则数据窗Ns＝Round(fs/fmin)，其中Round()表示求近似整数)，移动数据窗求其内信号数据的平均值，最终得到信号的平方根Data_AVG；
2.5比较Data_AVG与触发门槛值Data_Thrd,若Data_AVG>Data_Thrd，则判断系统在监测频率段内发生了次同步振荡。
4.根据权利要求1所述的新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下内容：
4.1选择一个长度范围为(1s,5s)的数据窗；
4.2从数据的始端开始，逐步移动数据窗，并分别采用快速傅里叶分析算法FFT计算数据窗内的频谱；
4.3通过计算得到的频谱的平均值得到功率谱密度和次同步振荡频率；
4.4根据公式ωsub+ωsup＝2ω1计算出超同步信号的频率，式中ωsub和ωsup分别表示次/超同步频率，ω1表示基频。
所述步骤(5)的模式滤波，由多个带通滤波器并联组成，带通滤波器的特征频率根据步骤(4)次/超同步振荡频率辨识环节给出的实测频率值进行在线自适应调整，且该带通滤波器的带宽设置范围取值2Hz。
5.根据权利要求1所述的新能源并网系统次/超同步振荡自适应监测方法，其特征在于：所述步骤(7)包括以下内容：
7.1计算在关注频率fi处，各滤波器的幅频响应Ai和相频响应
7.2将步骤(6)所述基波、次/超同步计算相量幅值除以幅频响应Ai，相位减去相频响应得到补偿后的基波、次/超同步谐波相量。
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