CN110176762B - 一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法及装置 - Google Patents

一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法及装置，该方法为，基于实测间谐波信号幅频特征量筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站；基于电网实时运行方式，在设备频域阻抗建模基础上生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，计算驱动点源侧、网侧聚合等值阻抗，进一步基于驱动点聚合等值阻抗计算潜在次同步振荡模式谐振和阻尼裕度。本发明可以满足电网当前运行方式下次同步振荡风险量化评估及在线安全预警的要求。

Description

一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法，属于电力系统自动化技术领域。
背景技术
随着基于变流器的风/光电源、特高压直流和柔性交直流输电设备以及微电网的持续快速发展，从电源侧、电网侧到用户侧，电力系统正在发生深刻变革：电力电子化特征进一步凸显，直流、FACTS等电力电子设备与传统的交流电网耦合加强，导致大量的非整数倍工频的间谐波引入电网，使得电网所关注的问题由原有的基频转为宽频，新能源-火电、直流-火电、新能源-直流、直流-火电等不同形式的振荡问题日趋复杂，特别在风火打捆-直流外送系统中，传统汽轮机组主导的次同步谐振/振荡(SSR/SSO)问题同风光机组相关的新型次同步谐振/振荡问题(风电机组次同步谐振SSR、电力电子装置引起的风电机组次同步振荡SSTI、次同步控制互作用SSCI等)可能交织在一起，相互影响，共存互动，构成非常复杂的场景。
现有的次同步振荡控制技术，针对实际已发生过的或离线分析发现的潜在次同步振荡问题，事先部署次同步振荡抑制或紧急控制装置，实际运行中该类装置基于局部信息针对性监测、应对指定的次同步振荡模式，无法在线自动识别潜在的次同步振荡模式及风险程度。
现有的次同步振荡分析一般离线开展，分析方法主要包括频率扫描分析法、特征根分析法、时域仿真法、阻抗分析法等。其中阻抗分析法通过建立电力电子装置的小信号频域阻抗模型，利用推广的奈奎斯特判据或聚合阻抗频率特性对系统稳定性进行判定，是近年来国内外学者重点关注的理论方法，相比其他方法更适应在线计算要求，但目前还没有在线实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法及装置，提升电网应对次同步振荡的能力。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法，包括以下步骤：
筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站；
基于设备频域阻抗，生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；
根据各支路次同步导纳生成次同步导纳矩阵，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，划分源侧子网和网侧子网，并计算源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗；
基于所述源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗，计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，量化评估系统次同步振荡风险。
前述的筛选潜在次同步振荡模式，包括：
若电网各同步相量测量装置或次同步监测装置布点厂站实测间谐波信号同时满足以下条件，则判定该间谐波频率下存在潜在次同步振荡模式：
(a)间谐波频率fw0小于设定的频率上限门槛值εf,u且大于设定的频率下限门槛值εf,l；
(b)间谐波幅值Aw0大于设定的幅值下限门槛值εA，或间谐波幅值较前一时间窗口增加量大于kA倍的εA；
(c)满足条件(a)和(b)的持续时间超过设定的时间门槛值εt；
前述的筛选关键厂站，包括：
对于实测间谐波频率同潜在次同步振荡模式频率一致的所有厂站，取间谐波幅值最大的厂站作为关键厂站。
前述的εf,u取50Hz，εf,l取8Hz，εA取5A，kA取20％，εt取9/fw0，一个时间窗口取3/fw0。
前述的设备频域阻抗表示为：
zl(fw)＝rl(fw)+jxl(fw)
其中，fw为潜在次同步振荡模式频率，zl(fw)、rl(fw)、xl(fw)分别表示频率为fw时l支路的阻抗、电阻和电抗；
所述各支路次同步导纳表示为：
yl(fw)＝1/zl(fw)
其中，yl(fw)表示频率为fw时l支路的导纳。
前述的以次同步振荡关键厂站为驱动点，划分源侧子网和网侧子网，包括：
将次同步功率流入驱动点厂站的一侧划分为源侧子网，另一侧为网侧子网。
前述的源侧聚合等值阻抗的计算为：基于源侧子网生成源侧次同步导纳矩阵YS，对源侧次同步导纳矩阵求逆，获得源侧子网驱动点自阻抗作为源侧聚合等值阻抗Zs：
Figure BDA0002061280520000021
其中，NS为源侧子网支路数，Mi.S为源侧节点支路关联矩阵的第i个列向量，yi.S(fw)为源侧子网i支路的导纳；
所述网侧聚合等值阻抗的计算为：基于网侧子网生成网侧次同步导纳矩阵YG，对网侧次同步导纳矩阵求逆，获得网侧子网驱动点自阻抗作为网侧聚合等值阻抗Zg：
Figure BDA0002061280520000031
其中，NG为网侧子网支路数，Mj.G为网侧节点支路关联矩阵的第j个列向量，yj.G(fw)为网侧子网j支路的导纳。
前述的潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度计算如下：
Figure BDA0002061280520000032
Figure BDA0002061280520000033
其中，ηssr、ξssr分别为潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，Zs、Rs、Xs分别为源侧聚合等值阻抗、电阻和电抗，Zg、Rg、Xg分别为网侧聚合等值阻抗、电阻和电抗。
前述的系统次同步振荡风险的评估方式为：
(a)若谐振裕度ηssr≤εη,warn且阻尼裕度ξssr≤εξ,warn，则定义系统次同步振荡风险级别为告警；
(b)若谐振裕度ηssr≤εη,prew且阻尼裕度ξssr≤εξ,prew，则定义系统次同步振荡风险级别为预警；
(c)否则，定义系统次同步振荡风险级别为正常。
其中，εη,warn、εη,pre分别为设定的谐振裕度告警值和谐振裕度预警值，εξ,warn、εξ,pre分别为设定的阻尼裕度告警值和阻尼裕度预警值。
一种基于频域阻抗分析的次同步振荡风险在线评估装置，包括模式筛选模块，支路次同步导纳生成模块，聚合等值阻抗计算模块和风险评估模块，
所述模式筛选模块用于筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站；
所述支路次同步导纳生成模块用于基于设备频域阻抗，生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；
所述聚合等值阻抗计算模块用于根据各支路次同步导纳生成次同步导纳矩阵，以及，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，划分源侧子网和网侧子网，以及，计算源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗；
所述风险评估模块用于基于所述源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗，计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，以及，量化评估系统次同步振荡风险。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明通过筛选潜在次同步振荡模式，仅需生成并分析与潜在次同步振荡模式频率对应的次同步阻抗网络矩阵，解决了海量间谐波信号频率范围过宽过密、分析效率过低的难题；
(2)本发明基于驱动点聚合等值阻抗计算潜在次同步振荡模式谐振和阻尼裕度，实现了系统次同步振荡风险的量化评估；
(3)应用本发明可以自动识别潜在次同步振荡模式及风险程度，弥补现有次同步振荡监控技术的不足，满足电网当前运行方式下次同步振荡风险量化评估及在线安全预警的要求。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明中源侧子网和网侧子网划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种基于频域阻抗分析的次同步振荡风险在线评估方法，包括以下步骤：
步骤1，基于电网各同步相量测量装置(PMU)或次同步监测装置布点厂站实测间谐波信号幅频特征量筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站。
潜在次同步振荡模式及关键厂站的筛选方法为：
若电网各PMU或次同步监测装置布点厂站实测间谐波信号同时满足以下条件，则判定该间谐波频率下存在潜在次同步振荡模式：
(a)间谐波频率fw0小于设定的频率上限门槛值εf,u且大于设定的频率下限门槛值εf,l；
(b)间谐波幅值Aw0大于设定的幅值下限门槛值εA，或间谐波幅值较前一时间窗口增加量大于kA倍的εA；
(c)满足条件(a)和(b)的持续时间超过设定的时间门槛值εt。
其中，εf,u一般取50Hz，εf,l一般取8Hz，εA一般取5A，kA一般取20％，εt一般取9/fw0，一个时间窗口一般取3/fw0。
对于实测间谐波频率同潜在次同步振荡模式频率一致的所有厂站，取间谐波幅值最大的厂站作为关键厂站。
步骤2，基于电网实时运行方式，在设备频域阻抗建模基础上生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳。
设备频域阻抗可以表示为：
zl(fw)＝rl(fw)+jxl(fw) (1)
yl(fw)＝1/zl(fw) (2)
其中，fw为潜在次同步振荡模式频率，zl(fw)、rl(fw)、xl(fw)、yl(fw)分别表示频率为fw时l支路的阻抗、电阻、电抗和导纳，是随频率变化的函数。
步骤3，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，计算驱动点源侧、网侧聚合等值阻抗。
计算方法为：
(a)针对驱动点厂站，基于次同步功率进出站流向将网络拆分为源侧子网和网侧子网，参见图2，次同步功率流入驱动点厂站的一侧划分为源侧子网，另一侧为网侧子网。
(b)基于源侧子网生成源侧子网次同步导纳矩阵YS，对源侧子网次同步导纳矩阵求逆，获得源侧子网驱动点自阻抗作为源侧聚合等值阻抗Zs；
Figure BDA0002061280520000051
其中，NS为源侧子网支路数(含对地)，Mi.S为源侧节点支路关联矩阵的第i个列向量，yi.S(fw)为源侧子网i支路的导纳，由式1和式2求得。
(c)基于网侧子网生成网侧次子网同步导纳矩阵YG，对网侧子网次同步导纳矩阵求逆，获得网侧子网驱动点自阻抗作为网侧聚合等值阻抗Zg。
Figure BDA0002061280520000052
其中，NG为网侧子网支路数(含对地)，Mj.G为网侧节点支路关联矩阵的第j个列向量，yj.G(fw)为网侧子网j支路的导纳，由式1和式2求得。
步骤4，基于驱动点聚合等值阻抗计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，量化评估系统次同步振荡风险。
计算如下：
Figure BDA0002061280520000061
Figure BDA0002061280520000062
其中，ηssr、ξssr分别为潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，Zs、Rs、Xs分别为源侧聚合等值阻抗、电阻(Zs的实部)和电抗(Zs的虚部)，Zg、Rg、Xg分别为网侧聚合等值阻抗、电阻(Zg的实部)和电抗(Zg的虚部)，其中，电阻即为阻抗的实部，电抗即为阻抗的虚部。
基于潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度计算结果，系统次同步振荡风险的评估方法为：
(a)若谐振裕度ηssr≤εη,warn且阻尼裕度ξssr≤εξ,warn，则定义系统次同步振荡风险级别为告警；
(b)若谐振裕度ηssr≤εη,prew且阻尼裕度ξssr≤εξ,prew，则定义系统次同步振荡风险级别为预警；
(c)否则，定义系统次同步振荡风险级别为正常。
其中，εη,warn、εη,pre分别为设定的谐振裕度告警值和谐振裕度预警值，εξ,warn、εξ,pre分别为设定的阻尼裕度告警值和阻尼裕度预警值。
本发明还提供了一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估装置，包括模式筛选模块，支路次同步导纳生成模块，聚合等值阻抗计算模块和风险评估模块，
所述模式筛选模块用于筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站；
所述支路次同步导纳生成模块用于基于设备频域阻抗，生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；
所述聚合等值阻抗计算模块用于根据各支路次同步导纳生成次同步导纳矩阵，以及，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，划分源侧子网和网侧子网，以及，计算源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗；
所述风险评估模块用于基于所述源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗，计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，以及，量化评估系统次同步振荡风险。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，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，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站，包括：
若电网各同步相量测量装置或次同步监测装置布点厂站实测间谐波信号同时满足以下条件，则判定该间谐波信号下存在潜在次同步振荡模式：
(a)间谐波频率fw0小于设定的频率上限门槛值εf,u且大于设定的频率下限门槛值εf,l；所述εf,u取50Hz，εf,l取8Hz；
(b)间谐波幅值Aw0大于设定的幅值下限门槛值εA，或间谐波幅值较前一时间窗口增加量大于kA倍的εA；所述εA取5A，kA取20％，一个时间窗口取3/fw0；
(c)满足条件(a)和(b)的持续时间超过设定的时间门槛值εt；所述εt取9/fw0；
对于实测间谐波频率同潜在次同步振荡模式频率一致的所有厂站，取间谐波幅值最大的厂站作为关键厂站；
基于设备频域阻抗，生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；
所述设备频域阻抗表示为：
zl(fw)＝rl(fw)+jxl(fw)，
其中，fw为潜在次同步振荡模式频率，zl(fw)、rl(fw)、xl(fw)分别表示频率为fw时l支路的阻抗、电阻和电抗；
所述各支路次同步导纳表示为：
yl(fw)＝1/zl(fw)，
其中，yl(fw)表示频率为fw时l支路的次同步导纳；
根据各支路次同步导纳生成次同步导纳矩阵，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，将次同步功率流入驱动点厂站的一侧划分为源侧子网，另一侧为网侧子网，并计算源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗；
所述源侧聚合等值阻抗的计算为：基于源侧子网生成源侧次同步导纳矩阵YS，对源侧次同步导纳矩阵求逆，获得源侧子网驱动点自阻抗作为源侧聚合等值阻抗Zs：
Figure FDA0003707522400000011
其中，NS为源侧子网支路数，Mi.S为源侧节点支路关联矩阵的第i个列向量，yi.S(fw)为源侧子网i支路的次同步导纳；
所述网侧聚合等值阻抗的计算为：基于网侧子网生成网侧次同步导纳矩阵YG，对网侧次同步导纳矩阵求逆，获得网侧子网驱动点自阻抗作为网侧聚合等值阻抗Zg：
Figure FDA0003707522400000021
其中，NG为网侧子网支路数，Mj.G为网侧节点支路关联矩阵的第j个列向量，yj.G(fw)为网侧子网j支路的次同步导纳；
基于所述源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗，计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，量化评估系统次同步振荡风险；
所述潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度计算如下：
Figure FDA0003707522400000022
Figure FDA0003707522400000023
其中，ηssr、ξssr分别为潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，Zs、Rs、Xs分别为源侧聚合等值阻抗、电阻和电抗，Zg、Rg、Xg分别为网侧聚合等值阻抗、电阻和电抗；
系统次同步振荡风险的评估方式为：
(a)若谐振裕度ηssr≤εη,warn且阻尼裕度ξssr≤εξ,warn，则定义系统次同步振荡风险级别为告警；
(b)若谐振裕度ηssr≤εη,prew且阻尼裕度ξssr≤εξ,prew，则定义系统次同步振荡风险级别为预警；
(c)否则，定义系统次同步振荡风险级别为正常；
其中，εη,warn、εη,pre分别为设定的谐振裕度告警值和谐振裕度预警值，εξ,warn、εξ,pre分别为设定的阻尼裕度告警值和阻尼裕度预警值。
2.一种基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估装置，其特征在于，采用权利要求1所述的基于频域阻抗的次同步振荡风险在线评估方法进行次同步振荡风险在线评估，所述装置包括：
包括模式筛选模块，支路次同步导纳生成模块，聚合等值阻抗计算模块和风险评估模块，
所述模式筛选模块用于筛选潜在次同步振荡模式及关键厂站；
所述支路次同步导纳生成模块用于基于设备频域阻抗，生成与潜在次同步振荡模式频率对应的各支路次同步导纳；
所述聚合等值阻抗计算模块用于根据各支路次同步导纳生成次同步导纳矩阵，以及，基于次同步导纳矩阵，以次同步振荡关键厂站为驱动点，划分源侧子网和网侧子网，以及，计算源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗；
所述风险评估模块用于基于所述源侧聚合等值阻抗和网侧聚合等值阻抗，计算潜在次同步振荡模式谐振裕度和阻尼裕度，以及，量化评估系统次同步振荡风险。
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