CN112861328B - 一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法，属于电力系统低频振荡预想事故分析技术领域；本发明提供一种在电力系统随机响应模型的基础上，利用信号分析工具对随机响应数据进行处理，利用局部阻尼指标对发电机阻尼进行评估，应用广泛，适应性强，在电力系统低频振荡防控方面具有较高的实际应用价值。

Description

一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法
技术领域
本发明属于电力系统低频振荡预想事故分析技术领域，尤其涉及一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法。
背景技术
电力系统在正常运行过程中时常受到环境激励的干扰，环境激励是一种类似于随机负荷变化等小幅度扰动激励，这种类噪声信号时刻存在，其响应中蕴含了系统的固有振荡特性和丰富的动态信息，如果外界条件输入满足合理的条件，即可利用合适的信号分析工具从系统响应中估计得到系统的振荡模式参数，并经由阻尼评估装置得到局部元件阻尼指标，反映当前系统的小扰动稳定性，对电力系统低频振荡的防控具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种在电力系统随机响应模型的基础上，利用信号分析工具对随机响应数据进行处理，利用局部阻尼指标对发电机阻尼进行评估，应用广泛，适应性强，在电力系统低频振荡防控方面具有较高的实际应用价值。
为实现上述目的，本发明的一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法的具体技术方案如下：
一种基于随机响应信号的电力系统局部元件阻尼评估装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于电网随机响应数据获取；
处理模块，用于处理随机响应数据，进行滤波、主导模式提取、耗散能计算以及局部阻尼贡献系数获取；
判断模块，用于确定局部阻尼贡献系数是否满足稳定指标，并判断该发电机是否处于弱阻尼模式；
所述处理模块的输入端与获取模块电性连接，其输出模块与判断模块电性连接。
本发明还提供了一种基于随机响应的电力系统局部元件阻尼评估装置的评估方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
1.数据采集
在环境激励下，收集时间超过一分钟的发电机终端的PMU数据，包括输入发电机的电压幅值U、频率f、有功功率P和无功功率Q，并计算lnU。
2.随机数据预处理
利用带通滤波器对信号进行去趋势、归一化处理，提高后续计算精度。
3.主导模式提取
利用时域模态分解(Dynamic Mode Decomposition，DMD)和小波滤波对信号进行主导模式的提取。
4.耗散能量计算
对于前述的得到的各发电机主导模式电气量，计算其相对于稳态值的变化量并进行耗散能量计算。
5.工具箱拟合
利用Matlab软件中的Curve Fitting Tool工具箱对各发电机耗散能量进行线性拟合，得到主导模式下各发电机的局部阻尼贡献系数DGpi。
本发明的一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法具有以下优点：提供一种在电力系统随机响应模型的基础上，利用信号分析工具对随机响应数据进行处理，利用局部阻尼指标对发电机阻尼进行评估，应用广泛，适应性强，在电力系统低频振荡防控方面具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1是简单四机两区系统示意图。
图2是本发明实施例提供的电力系统随机响应数据下的局部元件阻尼评估方法示意图。
图3是本发明实施例提供的电力系统随机响应数据下的局部元件阻尼评估装置示意图。
图4是滤波前后的随机响应过程。
图5是经过小波滤波和DMD处理后的主导模式下系统响应信号。
图6是在主导振荡模式下计算的耗散能量。
图中标记说明：WG1为本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G1吸收的耗散能量；WG2为本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G1吸收的耗散能量；WG3为本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G1吸收的耗散能量；WG4为本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G1吸收的耗散能量。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置及方法做进一步详细的描述。
实施例1：
图1所示的算例系统为标准四机两区系统，通过在负荷模型上施加持续的噪声激励模拟实际的环境干扰，并且通过改变噪声信噪比SNR，改变干扰大小，观测发电机的局部阻尼贡献系数DGpi是否恒定有效。
1.随机数据预处理
监测随机扰动下的电力系统发电机有功功率P、无功功率Q、电压U、相角θ，收集超十分钟的相关电气量时间窗口；
计算时间窗口内发电机的有功功率P、无功功率Q、电压U、相角θ相对于稳态值的变化量；
计算电压U的自然对数lnU，对P、Q、lnU、θ进行带通滤波，进行去趋势、归一化处理，得到变化量△P、△Q、△lnU、△θ，提高后续处理精度，通过图4可对比得出数据预处理前后的区别，图4上半部分为随机激励下的发电机输出有功功率滤波前输出示意图，下半部分为随机激励下的发电机输出有功功率滤波(0.2-2.5Hz)后输出示意图。
2.主导振荡模式提取
利用时域模态分解(Dynamic Mode Decomposition，DMD)确定信号主导振荡模式的中心频率，并在中心频率处设置合适带宽利用小波滤波对信号进行主导模式的提取；
在中心频率处设置合适带宽利用小波滤波对信号进行主导模式的提取，如图5所示，对图4输出信号经过进一步滤波处理，提取0.68Hz的主导震荡模式信号。
3.发电机端口耗散能量计算
对系统的每个发电机计算其端口耗散能量，具体公式如下：
Figure BDA0002910648660000041
其中，Pi、Qi为发电机端口有功功率和无功功率，Ui、θi为发电机端电压幅值和相角，具体数据见表1。
4.指标拟合
利用Matlab软件中的Curve Fitting Tool工具箱对各发电机耗散能量进行线性拟合，得到主导模式下各发电机的局部阻尼贡献系数DGpi。
Figure BDA0002910648660000042
其中，WDi为耗散能量函数，DGpi为局部阻尼贡献系数，t为拟合函数自变量时间，c为耗散能量初始值。
本实例的具体实施过程基于以下实际情况考虑：
第一，由于在随机激励下，电力系统的复杂程度大，会有模态混叠情况发生，需经滤波进行数据预处理；第二，实际系统不存在仿真分析中的零时刻，需人为定义；第三，在仿真过程中，由于随机扰动非常小，在分析中会有较大误差，需多次分析取平均值；第四，在仿真过程中，数据前后端滤波过程会出现错误波动，在分析中会有较大误差，需去除滤波前后端数据。
基于上述考虑，算例系统进行仿真分析时，以0.01s为数据的采样间隔，采集10min的数据时间窗口，进行滤波分析，取窗口中间部分30％-70％的数据，进行数据预处理和耗散能量计算分析。
不同信噪比(SNR＝60、70、80)的噪声干扰下，各发电机耗散能量值如表1所示：
表1.各发电机耗散能量的阻尼贡献比
Figure BDA0002910648660000051
从表1中数据可以清晰的体现出，随着信噪比的增大，环境噪声的减弱，发电机组的耗散能量不断降低，并且在环境激励下，发电机组的耗散能量数值很小，容易在后续分析中形成较大误差，所以多次需进行多次实验验证取平均值。
图6即为信噪SNR＝60的情况下各发电机吸收的耗散能量分布曲线图；而后利用MATLAB拟合工具箱对各发电机吸收的耗散能量进行拟合，得到各发电机的DGpi，各发电机DGpi数据及对比结果如下表2所示：
表2：各机组DGpi数据及对比
Figure BDA0002910648660000052
Figure BDA0002910648660000061
从表2数据可以看出，在系统固定，控制参数不变的情况下，随着噪声干扰的不断变化，各发电机组的局部阻尼贡献系数比值是相对固定的，并且比值越大，对于系统的阻尼贡献就越大，说明了本发明提出方法及装置的有效性。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
S1、收集系统随机响应信号，利用带通滤波器对信号预处理；
S2、利用时域模态分解确定信号主导振荡模式的中心频率，并在中心频率处设置一定带宽利用小波滤波对信号进行主导模式的提取；
S3、计算主导模式下各发电机端口耗散能量；
S4、对耗散能量流进行线性拟合，得到发电机局部阻尼贡献系数DGpi；
所述基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置包括：
获取模块，用于电网随机响应数据获取；
处理模块，用于处理随机响应数据，进行滤波、主导模式提取、耗散能计算以及局部阻尼贡献系数获取；
判断模块，用于确定局部阻尼贡献系数是否满足稳定指标，并判断该发电机是否处于弱阻尼模式；
所述处理模块的输入端与获取模块电性连接，其输出模块与判断模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11、监测随机扰动下的电力系统发电机有功功率P、无功功率Q、电压U、相角θ，收集超十分钟的相关电气量时间窗口；
S12、将该时间窗口内发电机的有功功率P、无功功率Q、电压U、相角θ进行滤波预处理。
3.根据权利要求2所述的基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括：
计算时间窗口内发电机的有功功率P、无功功率Q、电压U、相角θ相对于稳态值的变化量；
计算电压U的自然对数lnU，对P、Q、lnU、θ进行带通滤波，进行去趋势、归一化处理，得到变化量△P、△Q、△lnU、△θ。
4.根据权利要求1所述的基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
对系统的每个发电机计算其端口耗散能量，具体公式如下：
WDi＝∫(ΔPidΔθi+ΔQid(ΔlnUi)) (1)
其中，Pi、Qi为发电机端口有功功率和无功功率，
Ui、θi为发电机端电压幅值和相角。
5.根据权利要求1所述的基于随机响应信号的发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
利用Matlab软件中的Curve Fitting Tool工具箱对各发电机耗散能量进行线性拟合，得到主导模式下各发电机的局部阻尼贡献系数DGpi，具体公式如下：
Figure FDA0003706603170000021
其中，WDi为耗散能量函数，DGpi为局部阻尼贡献系数，t为拟合函数自变量时间，c为耗散能量初始值。
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