CN111799818A - 考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，包括：设置辨识参数，加载实时频率数据；根据频率数据进行穿越点的辨识定位；根据辨识定位的穿越点进行峰值点的提取；根据提取的峰值点进行振荡波形图的构建；根据构建的振荡波形图进行振荡信息的计算和判断，若满足超低频振荡判断，则发布超低频振荡提示并且显示频率振荡在线辨识的结果，若不满足超低频振荡判断，则重新加载实时频率数据。可以有效过滤一次调频死区带(‑49.95～50.05Hz)内某些具有超低频振荡特征电网频率正常波动过程且该算法的辨识参数鲁棒性强，计算量小，自带数据自检重构功能。

Description

考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法

技术领域

本发明涉及电网超低频振荡技术领域，尤其涉及考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法。

背景技术

近年来，随着我国电网建设和规模的快速发展，电网结构发生了很大变化，一是特高压异步联网的出现，如西南电网将通过特高压直流与四川、云南等交流主网形成异步联网方式。二是西南地区水电占比较高，截止2017年3月，四川水电装机超过全省装机的80％，云南水电占全省装机的70％。异步运行后西南电网实现了水电集群电能“远距离，大容量”的外送，在提升清洁能源消纳的同时，送受端电网的暂态功角稳定性极大提升，但由于送受端系统相互隔离，互相功率支援能力弱，导致频率稳定问题突出。在实际的电网运行中多次出现了全网频率振荡，有别于低频振荡现象，该振荡的频率一般低于0.1Hz，振荡幅值大于一次调频死区(0.05Hz)，持续时间长达几十分钟。对超低频振荡机理的分析表明：水电机组原动机控制系统不稳定所导致机组在一次调频过程中的机械功率和电磁功率不平衡是引发超低频振荡的直接原因。目前已有较多的研究聚焦于超低频振荡的抑制策略，但是对超低频振荡的在线辨识算法仍缺乏关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供了考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，包括：

设置辨识参数，加载实时频率数据；

根据频率数据进行穿越点的辨识定位；

根据辨识定位的穿越点进行峰值点的提取；

根据提取的峰值点进行振荡波形图的构建；

根据构建的振荡波形图进行振荡信息的计算和判断，若满足超低频振荡判断，则发布超低频振荡提示并且显示频率振荡在线辨识的结果，若不满足超低频振荡判断，则重新设置辨识参数。

进一步地，所述穿越点为频率越过和回归一次调频死区带的临界点，穿越点的辨识及定位方法是采用频率瞬变判据作为主校验判据，前时判据作为辅助判据的穿越点联合辨识及定位方法，具体包括：

将穿越点的划分为四类，分别为上频带上穿越点、上频带下穿越点、下频带下穿越点、下频带上穿越点；

依据穿越点的划分，进行穿越点的判断分类。

进一步地，在获取某个穿越点判断后，判断程序应暂停判断一段时间，随后再进行穿越点的判断。

进一步地，所述峰值点为频率越过一次调频死区后的极值点，峰值点的提取方法具体包括：

将峰值点分为上峰值点和下峰值点；

将上频带上穿越点和上频带下穿越点的中间时刻点作为上峰值点时刻，中间时刻点对应的频率值作为上峰值点的频率值；

将下频带下穿越点和下频带上穿越点的中间时刻点作为下峰值点时刻，中间时刻点对应的频率值作为下峰值点的频率值。

进一步地，所述峰值点为频率越过一次调频死区后的极值点，峰值点的提取方法具体包括：

将辨识的2n个穿越点按照时间顺序进行排列，则第(2i-1)个点与第(2i)个点横坐标的中点即为峰值点时刻，其中i∈(1,n)；

对峰值点的类型的判断可由峰值点处频率值与一次调频上下频带的判断关系进行判断。

进一步地，在根据提取的峰值点进行振荡波形图的构建之前增加对峰值点的自检排除与插值重构，具体包括：

检测相邻两个峰值点是否满足上下峰值点相间分布；

若不满足，则应考虑可能为超低频振荡发生的起始或者终了阶段，做出超低频振荡预警；

若满足上下峰值极点相间分布，则判断相邻峰值时刻的时间，若出现个别峰值点偏差过大将之排除，并利用相邻两个数据进行异常峰值数据的插值重构；

对异常数据采用线性插值进行重构。

进一步地，检测相邻两个峰值点是否满足上下峰值点相间分布，通过判断(f_{peak_i}-50.05)*(f_{peak_i+1}-49.95)＞0实现；

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值；f_{peak_i}为第i个峰值点的频率值。

进一步地，若满足上下峰值极点相间分布，则判断相邻峰值时刻的时间，若出现个别峰值点偏差过大将之排除，并利用相邻两个数据进行异常峰值数据的插值重构，实现如下：

设连续三个峰值点，编号为i-1，i，i+1，若判断(t_{peak_i}-t_{peak_i-1})-(t_{peak_i+1}-t_{peak_i})＞ε，则认为t_{peak_i}为异常数据；

式中：t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点；t_{peak_i}为第i个峰值点；t_{peak_i-1}为第i-1个峰值点；ε为自检时限可根据实际情况进行定值。

进一步地，对异常数据t_{peak_i}和f_{peak_i}采用线性插值进行重构，实现公式如下：

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值；f_{peak_i-1}为第i-1个峰值点的频率值；t_{peak_i-1}为第i-1个峰值点；t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点。

进一步地，根据构建的振荡波形图进行振荡信息的计算和判断具体包括：

根据构建的振荡波形图计算振荡周期T和振荡角频率ω，公式如下：

T＝2*(t_{peak_i+1}-t_{peak_i})

式中：t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点，t_{peak_i}为第i个峰值点；

计算当前频率波动下的阻尼因子和阻尼比，公式如下：

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值，f_{peak_i}为第i个峰值点的频率值；

设定超低频振荡判断的阈值，判断是否满足超低频振荡判断的阈值。

本发明的有益效果如下：

采用的是一次调频死区带穿越点定位，振荡峰值点提取，振荡波形构建，振荡信息计算的辨识流程，可以有效过滤一次调频死区带(-49.95～50.05Hz)内某些具有超低频振荡特征电网频率正常波动过程且该算法的辨识参数鲁棒性强，计算量小，自带数据自检重构功能。

附图说明

图1为本发明实施例中周期为50s,阻尼为10％的标准频率振荡信号图；

图2为本发明实施例中标准测试信号进行峰值提取的结果图；

图3为本发明实施例中标准测试信号进行振荡波形构建的结果图；

图4为本发明实施例中标准振荡信号的振荡信息计算的结果图；

图5为本发明实施例中实际超低频振荡波形的算法辨识过程图；

图6为本发明实施例中对超低频振荡信号的在线辨识与预警算法的程序设计流程图。

具体实施方式

本算法的辨识过程可为一次调频死区带穿越点定位，振荡峰值点提取，振荡波形构建，振荡信息计算与判断四个步骤。首先设置在线辨识算法的滚动时间窗长度，考虑到超低频振荡频率一般低于0.1Hz，因此建议滚动时间窗的长度设置为50～100s，频率信号的采样率应大于10Hz。以下对辨识算法的四个步骤进行详细介绍。

步骤1，穿越点的定位。所谓穿越点指的是电网频率越过和回归一次调频死区带的临界点，一次调频的上频带为50.05Hz，下频带为49.95Hz。图1为周期为50s,阻尼为10％的标准频率振荡信号，以此为例可将穿越点细分为四类：1)上频带上穿越点，如图1中A点；2)上频带下穿越点，如图1中B点；3)下频带下穿越点，如图1中C点；4)下频带上穿越点，如图1中D点。电网频率的正常波动一般不超过频率调节死区即不会触发一次调频的动作，因此设置一次调频死区作为上下穿越频带可以从辨识算法中滤除一次调频死区内的“类超低频振荡”的影响。此处的程序实现可以采用瞬变判据为主校验判据为辅进行判断，即以上频带上穿越为例，瞬变判据可以设置为：上一个采样时刻的频率f_i≤50.05Hz，这一采样时刻的频率f_i+1＞50.05Hz，单纯的瞬变判据在采样率较高或测量噪声的影响可能会误将上频带下穿越点(点B)判断为上频带上穿越点(点A),因此须增加校验判据校验1s前的频率值作为辅助判断，如本例校验判据可以设置为：上一时刻前1s的频率f_i-1s＜50.05Hz，则若同时满足瞬变判据和前时校验判据可以确定该时刻为上频带上穿越点，其余三类穿越点的判断条件以此类推。为了避免在测量噪声的影响下出现某穿越点处出现多个相近的点符合判断条件而被重复记录的情况，在获取某个穿越点后判断程序应暂停判断一段时间如0.5s，随后再进入穿越点判断。本步骤中还可以增加振荡“预警”功能，程序具体实现如下：在程序第一次判断出现穿越点即为上频带上穿越点或下频带下穿越点，以图1上频带上穿越A点为例，在记录A点的时刻t₁后随即记录频率穿越50.1Hz的时刻t₂，若判断出t₂-t₁＜δ则应该发出超低频振荡的振荡预警，其中δ为预警时限，可以根据电网实际运行经验灵活选取。

步骤2，峰值点的提取。峰值点指的频率越过一次调频死区后的极值点即频率振荡过程中的拐点，峰值点可以分为上峰值点和下峰值点。本算法中将上频带上穿越点(A)和上频带下穿越点(B)的中间点作为上峰值点，将下频带下穿越点(C)和下频带上穿越点(D)的中间点作为下峰值点。对实际电网超低频振荡波形分析表明：超低频振荡伴随着电力系统的非线性特性，并非严格保持峰值点与穿越点之间的对称特性，尤其是在超低频振荡的起止时段，但是须指出采用本方法进行峰值点的提取在振荡发生时具有较高的准确性且在起止时段由频率波形的不对称性引起的振荡模态判断误差不会引起累积。本步骤的程序实现可以将滚动时间窗内的步骤1中辨识的2n个穿越点按照时间顺序进行排列，则第(2i-1)个点与第(2i)个点横坐标的中点即为峰值点时刻，其中i∈(1,n)，对峰值点的类型的判断可由峰值点处频率值与一次调频上下频带的判断关系进行判断，如某峰值点处的频率值f_{peak_i}＞50.05Hz即可判断该点为上峰值点。须指出，由于超低频振荡是网内水电机组原动机控制系统调节不稳定作用下的宏观结果，典型的超低频振荡波形应满足上下峰值点相间分布，对步骤1的标准测试信号进行峰值提取的结果如图2所示。

步骤3，振荡波形的构建。振荡波形的构建是将步骤2中提取的峰值点进行连接得到如图3所示的振荡波形示意图。本步骤中可增加对峰值辨识数据的自检排除与插值重构功能，具体方法如下：1)检测相邻两个峰值点是否满足上下峰值点相间分布，程序实现可以通过判断(f_{peak_i}-50.05)*(f_{peak_i+1}-49.95)＞0来实现；2)若不满足，则应考虑可能为超低频振荡发生的起始或者终了阶段，可做出相应的预警；3)若满足上下峰值极点相间分布，则判断相邻峰值时刻的时间，若出现个别峰值点偏差过大即将之排除并利用相邻两个数据进行异常峰值数据的插值重构，程序实现如下，设连续三个峰值点如图2中，编号为i-1，i，i+1，若判断(t_{peak_i}-t_{peak_i-1})-(t_{peak_i+1}-t_{peak_i})＞ε，则认为t_{peak_i}为异常数据，其中ε为自检时限可根据实际情况进行定值。4)对异常数据t_{peak_i}和f_{peak_i}采用线性插值进行重构，如式(2)所示：

图1中的标准振荡波形经过自检后构建的波形如图3所示。

步骤4，振荡信息的计算与判断。易知由步骤3中构建的波形可以对振荡幅值进行计算。本算法对振荡信息的计算是根据阻尼比的定义进行计算，具有较高的可靠性和较低的算法复杂度。以在线辨识中的第i+1个峰值点处为例，计算振荡周期T和振荡角频率ω如式(3)所示：

则当前频率波动下的阻尼因子和阻尼比如式(4)所示：

对标准振荡信号的振荡信息计算的结果如图4所示，结果与实际值的相比具有较高的准确性。设定超低频振荡判断的阈值，如果对超低频振荡辨识结果满足上述条件应发布超低频振荡提示并且显示频率振荡在线辨识的结果，建议设置阈值判断条件如下T＞10s,ξ＜3％，由于本算法对一次调频死区内的波动过程不进行辨识，因此在阈值判断时无须设置振荡幅值判断的条件。

以云南电网某次实际超低频振荡波形为例，对本算法的在线辨识有效性进行测试，步骤1至步骤4的结果在图5中显示。

其中本发明步骤一中的穿越点提取数据如表1所示。

表1：步骤一穿越点提取数据

本发明步骤二中的峰值点提取数据如表2所示。

表2：峰值点提取数据

本发明步骤三中的振荡波形构建如图5所示，步骤四中的振荡信息计算结果如表3所示。

表3：振荡信息计算结果

本发明考虑了电网频率在一次调频死区内的波动属于正常过程且在常规的辨识算法中该过程影响辨识结果，设计了一种考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警算法。该算法将一次调频死区带作为频率穿越带进行振荡的在线辨识可以先天过滤上述影响因素，从而能够提高超低频振荡在线辨识的准确性。相比现有的辨识算法的计算量大，收敛性不佳，辨识参数敏感的特性，本算法的辨识参数鲁棒性强，计算量小，自带数据自检重构功能。利用振荡阻尼比的定义对辨识过程对每一摆进行精细准确的分析，可以在线对超低频振荡的态势进行监测。采用本发明对实际电网的超低频振荡数据辨识结果表明，本算法对超低频振荡有着较好的辨识和预警效果。

超低频振荡：超低频振荡(ULFO,Ultralow-Frequency Oscillations)是指在水电高占比电网内由水电机组原动机控制系统不稳定所引发的电网频率同调振荡现象，其振荡频率低于0.1Hz故称为超低频振荡。

一次调频：指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，包括：

设置辨识参数，加载实时频率数据；

根据频率数据进行穿越点的辨识及定位；

根据辨识定位的穿越点进行峰值点的提取；

根据提取的峰值点进行振荡波形图的构建；

根据构建的振荡波形图进行振荡信息的计算和判断，若满足超低频振荡判断，则发布超低频振荡提示并且显示频率振荡在线辨识的结果，若不满足超低频振荡判断，则重新加载实时频率数据。

2.根据权利要求1所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，所述穿越点为频率越过和回归一次调频死区带的临界点，穿越点的辨识及定位方法是采用频率瞬变判据作为主校验判据，前时判据作为辅助判据的穿越点联合辨识及定位方法，包括：

将穿越点的划分为四类，分别为上频带上穿越点、上频带下穿越点、下频带下穿越点、下频带上穿越点；

依据穿越点的划分，进行穿越点的判断分类。

3.根据权利要求2所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，在获取某个穿越点后，判断程序应暂停判断一段时间，随后再进行穿越点的判断。

4.根据权利要求1所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，所述峰值点为频率越过一次调频死区后的极值点，峰值点的提取方法具体包括：

将峰值点分为上峰值点和下峰值点；

将上频带上穿越点和上频带下穿越点的中间时刻点作为上峰值点时刻，中间时刻点对应的频率值作为上峰值点的频率值；

将下频带下穿越点和下频带上穿越点的中间时刻点作为下峰值点时刻，中间时刻点对应的频率值作为下峰值点的频率值。

5.根据权利要求1所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，所述峰值点为频率越过一次调频死区后的极值点，峰值点的提取方法具体包括：

将辨识的2n个穿越点按照时间顺序进行排列，则第(2i-1)个点与第(2i)个点横坐标的中点即为峰值点时刻，其中i∈(1,n)；

对峰值点的类型的判断可由峰值点处频率值与一次调频上下频带的判断关系进行判断。

6.根据权利要求1所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，在根据提取的峰值点进行振荡波形图的构建之前增加对峰值点的自检排除与插值重构，具体包括：

检测相邻两个峰值点是否满足上下峰值点相间分布；

若不满足，则应考虑可能为超低频振荡发生的起始或者终了阶段，仅发出超低频振荡预警；

若满足上下峰值极点相间分布，则判断相邻峰值时刻的时间，若出现个别峰值点偏差大于设定阈值则将之排除，并利用相邻两个数据进行异常峰值数据的插值重构；

对异常数据采用线性插值进行重构。

7.根据权利要求6所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，检测相邻两个峰值点是否满足上下峰值点相间分布，通过判断(f_{peak_i}-50.05)*(f_{peak_i+1}-49.95)＞0实现；

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值；f_{peak_i}为第i个峰值点的频率值。

8.根据权利要求6所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，若满足上下峰值极点相间分布，则判断相邻峰值时刻的时间，若出现个别峰值点偏差过大将之排除，并利用相邻两个数据进行异常峰值数据的插值重构，实现如下：

设连续三个峰值点，编号为i-1，i，i+1，若判断(t_{peak_i}-t_{peak_i-1})-(t_{peak_i+1}-t_{peak_i})＞ε，则认为t_{peak_i}为异常数据；

式中：t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点；t_{peak_i}为第i个峰值点；t_{peak_i-1}为第i-1个峰值点；ε为自检时限可根据实际情况进行定值。

9.根据权利要求6所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，对异常数据t_{peak_i}和f_{peak_i}采用线性插值进行重构，实现公式如下：

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值；f_{peak_i-1}为第i-1个峰值点的频率值；t_{peak_i-1}为第i-1个峰值点；t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点。

10.根据权利要求1所述的考虑一次调频死区的电网超低频振荡在线辨识预警方法，其特征在于，根据构建的振荡波形图进行振荡信息的计算和判断具体包括：

根据构建的振荡波形图计算振荡周期T和振荡角频率ω，公式如下：

T＝2*(t_{peak_i+1}-t_{peak_i})

式中：t_{peak_i+1}为第i+1个峰值点，t_{peak_i}为第i个峰值点；

计算当前频率波动下的阻尼因子和阻尼比，公式如下：

式中：f_{peak_i+1}为第i+1个峰值点的频率值，f_{peak_i}为第i个峰值点的频率值；

根据设定的超低频振荡判断阈值，判断是否发生超低频振荡，若发生则显示振荡辨识信息。

Images