CN112881795A - 一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法和系统，利用PMU采集装置采集信号，同时调度WAMS系统，将信号传输至通讯数据采集与分析单元；将通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；对所得频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波；将所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号，将其发送至机组DCS/DEH系统参与一次调频。本发明降低了频率波动，有效维护机组了参与一次调频过程的稳定性，不会产生一次调频频繁动作的情况，这不但有助于增强机组运行的稳定性，对于维护电网频率稳定也将起到积极的促进作用。
Description
技术领域
本发明属于电网调频技术领域，涉及一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法和系统。
背景技术
电力系统频率是电力系统运行的重要质量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。
维持电力系统频率在额定值，是靠控制系统内所有发电机组输入的功率总和等于系统内所有用电设备在额定频率时所消耗的有功功率总和实现的。电力系统频率反映了有功功率的供需平衡情况，这种平衡一旦遭到破坏，电力系统的频率就会偏离额定值。尤其在发生大容量机组跳闸，或电网间联络线跳闸故障时，电网发用电平衡瞬间被打破，电网频率会发生较大的波动(下述为电网大扰动)。此时，分布于电网各节点的发电机组一次调频功能，则是快速维护电力系统发用电平衡，防止故障恶化的关键。
一次调频的主要工作机理为：当电网频率偏离额定值时，发电机组调节控制系统自动控制机组有功功率的増加(频率下降时)或减少(频率升高时)，以限制电网频率的变化。尽管机组一次调频功能对电网频率稳定发挥着至关重要的作用，是现有一次调频系统也存在以下问题：第一，由于现代电网用电规律性降低，造成用电负荷波动大，电网频率波动大。直接使用电网频率或转速信号参与机组一次调频，会造成机组频繁进行无效调节动作，给机组运行稳定带来不利影响。第二，受控制策略及参数配置不合理等因素影响，机组一次调频响应速度慢，调频功率幅值低，造成电网频率波动，甚至发生电网大扰动时机组一次调频不能达到要求功率，甚至对电网运行产生负作用。
改善现有一次调频系统性能，需解决以下两个方面的问题：第一，在电网正常运行过程中，为维护电网和机组安全稳定运行，机组调频功率应根据频率偏差计算获得调频功率准确数值，并能正确动作；同时根据频率越限时间和幅度选择性调节，降低机组调频动作次数，维护机组运行稳定性。第二，在发生特高压跳闸、直流闭锁等大电网故障造成电网功率大幅不平衡时，机组应能够判断故障信号，在频率尚未越限就有效动作，最大程度输出调频功率，维护故障下电力系统有功平衡，降低电网故障风险损失。
现有技术通常直接根据电网频率进行一次调频动作，但是由于现代电网用电规律性降低，电网频率波动大。直接使用电网频率或转速信号参与机组一次调频，会造成机组频繁进行无效调节动作，给机组运行稳定带来不利影响。另一方面，现有技术通常根据电网频率信号在一定周期内的方差、均方差等统计学特征进行电网功率不平衡判断，受统计周期的限制，一次调频响应速度慢，调频功率幅值低，造成电网频率波动，甚至发生电网大扰动时机组一次调频不能达到要求功率，甚至对电网运行产生负作用。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法和系统。该发明使用db4小波将一段时间内的电网频率分解为高频与低频两个分量。如某时刻高频分量及频率值均超出其分布空间，则判断发生频率大扰动，启动电网故障下的一次调频控制策略。如未发生大扰动，则将低频分量输出至机组DCS控制系统作为一次调频控制信号，达到降低机组无效调频动作次数，维护机组运行稳定的目标。
本发明采用如下的技术方案：
一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，所述判别方法包括以下步骤：
步骤1：采集信号，将信号传输至通讯数据采集与分析单元，其中，信号包括时间标签、电网频率和各接入机组的发电机输出功率；
步骤2：将步骤1通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
步骤3：对步骤2所得频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波，使用Daubechie小波将电网频率分解为高频与低频两个分量，根据高频分量及频率值是否均超出其频率分布空间来判断是否发生频率大扰动，并频率滤波，
其中，Daubechie小波为dbN；
步骤4：将步骤3所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号。
所述步骤2中，通讯数据采集与分析单元包括多平面监听子单元和数据指纹Sha1比对子单元。
所述多平面监听子单元用于通讯数据的采集；
所述数据指纹Sha1比对子单元利用Sha1计算通讯数据所对应的长度固定的字符串。
所述步骤3中采用db4小波滤波后的信号，用于消除设定时长的频率越限。
所述设定时长为1秒。
采用db4小波，针对跳闸过程的频率数据进行分析，检测电网频率大扰动。
当高频分量d1频率值超出其设定的分布范围时，则判断为发生频率大扰动，启动电网故障下的一次调频控制策略；
当未发生大扰动时，则将低频分量输出至机组DCS控制系统作为一次调频控制信号。
所述设定的分布范围为均值±3倍方差。
一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的判别系统，所述判别系统包括PMU采集装置模块、频率信号提取模块、频率扰动识别和滤波模块和一次调频模块，
所述PMU采集装置模块利用PMU采集装置采集信号，同时调度WAMS系统，将信号传输至通讯数据采集与分析单元；
所述频率信号提取模块将通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
所述频率扰动识别和滤波模块对频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波；
所述一次调频模块将所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号，将其发送至机组DCS/DEH系统参与一次调频，
其中，PMU为电源管理单元，WAMS为广域测量系统，DCS为分布式控制系统，DEH为汽轮机数字电液控制系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
经过滤波后的频率稳定性增强，对于在调频死区附近产生的频率反复波动情况进行了过滤，降低了频率波动，有效维护机组了参与一次调频过程的稳定性，不会产生一次调频频繁动作的情况，这不但有助于增强机组运行的稳定性，对于维护电网频率稳定也将起到积极的促进作用。
附图说明
图1为基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法数据流图；
图2为电网频率对比图；
图3为基于db4小波的电网频率信号去噪；
图4为原始电网频率信号及小波处理后的频率信号；
图5为基于小波分析的特高压跳闸时刻检测；
图6为电网频率高频分量d1图；
图7为一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的判别系统的具体工作流程。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明电网大扰动为在发生大容量机组跳闸或电网间联络线跳闸故障时，电网发用电平衡瞬间被打破，电网频率会发生较大的波动。
本发明所发明的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的数据流图如图1所示，PMU镜像数据分析装置采集PMU中的信号，并将高精度频率信号采集提取出来。根据此频率信号，执行基于小波分析的电网频率打扰动快速判别方法处理；处理后的大扰动信号判断值及滤波后的频率信号发送至机组DCS系统参与一次调频。
一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法包括以下步骤：
步骤1：利用PMU采集装置采集信号，同时调度WAMS系统，将信号传输至通讯数据采集与分析单元，其中，信号包括时间标签、电网频率和各接入机组的发电机输出功率；
步骤2：将步骤1通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
通讯数据采集与分析单元包括多平面监听子单元和数据指纹Sha1比对子单元。
步骤3：对步骤2所得频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波；
采用db4小波滤波后的信号，用于消除设定时长的频率越限。设定时长为1秒。采用db4小波，针对跳闸过程的频率数据进行分析，检测电网频率大扰动。经过db4小波分解后，高频分量d1均值为1.603×10-4Hz，方差为1.4578×10-7Hz2。在交、直流特高压输电线路跳闸时刻，高频分量d1达到0.0048Hz，其中，交、直流特高压为±800kV及以上。当高频分量d1频率值超出其设定的分布范围时，则判断为发生频率大扰动，启动电网故障下的一次调频控制策略；当未发生大扰动时，则将低频分量输出至机组DCS控制系统作为一次调频控制信号。设定的分布范围为均值±3倍方差。
①基于db4小波的电网频率信号去噪
电网频率信号本身就是一个充满随机变化的信号，受PMU装置性能的不同，信号噪声程度亦有差异。如图2所示。同一时段的电网频率，相比于上方频率曲线，下方频率曲线在频率变化较为平缓的波峰和波谷处存在更为明显的高频噪声。显然，如果用这些原始信号直接用于一次调频控制，可能导致调节的频繁波动，影响一次调频的调节效果，因此必须对原始的频率信号进行预处理，以消除噪声信号的影响。
本发明采用db4小波滤波后的信号，有效消除短时间的频率越限，降低短时间频率越限次数，降低机组一次调频动作次数，对维护机组运行稳定具有积极作用。同时，对于长时间的频率越限，又能够最大程度的保留频率信息，为机组一次调频动作提供高质量频率信息，维护电网频率稳定及机组一次调频动作质量。处理流程及处理后的频率信号分别如图3和图4所示。
②基于db4小波的电网频率大扰动判别
采用db4小波，针对跳闸过程的频率数据进行分析，检测电网频率大扰动。如图5所示。经过db4小波分解后，高频分量d1均值为1.6030e-04，方差为1.4578e-07。在特高压跳闸时刻，高频分量d1达到0.0048,远大于高频分量d1的均值，如图6所示。
如下针对3月22日至3月28日共一周电网频率，采用db4小波进行滤波，并统计滤波后电网频率超限次数。
表1db4滤波后电网频率越限3秒-15秒次数统计
表2db4八层滤波后电网频率越限0.5秒-2.5秒次数统计
| 越限时长(s) | 0.5-1 | 1-1.5 | 1.5-2 | 2-2.5 |
| 3月22日 | 5 | 10 | 20 | 13 |
| 3月23日 | 5 | 16 | 11 | 16 |
| 3月24日 | 11 | 8 | 17 | 13 |
| 3月25日 | 2 | 10 | 11 | 14 |
| 3月26日 | 5 | 14 | 18 | 18 |
| 3月27日 | 0 | 0 | 4 | 6 |
| 3月28日 | 2 | 6 | 9 | 16 |
| 合计 | 30 | 64 | 90 | 96 |
表3db4八层滤波前后电网频率越限3-15秒次数统计对比
| 持续时间(s) | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 原始信号统计 | 409 | 289 | 164 | 84 | 67 | 53 | 25 | 10 | 6 | 2 | 4 | 8 | 6 |
| 滤波后信号统计 | 218 | 238 | 287 | 201 | 119 | 82 | 75 | 47 | 31 | 14 | 25 | 17 | 14 |
表4db4八层滤波前后电网频率越限0.5秒-2.5秒次数统计对比
| 越限时长(s) | 0.5-1 | 1-1.5 | 1.5-2 | 2-2.5 |
| 原始信号统计 | 902 | 545 | 361 | 267 |
| 滤波后信号统计 | 30 | 64 | 90 | 96 |
可以看出，持续时间在1秒以内的网频越限得到了极大的滤除，消除幅度达到97％，针对2秒以内的网频越限也消除达83％，这对于消除短时间频率越限对机组一次调频扰动，维护机组运行稳定具有显著的作用。同时，对于持续时间在4秒以上的频率越限没有消除，并且有明显增加的趋势。这恰恰表明经过滤波后的频率稳定性增强，对于在调频死区附近产生的频率反复波动情况进行了过滤，降低了频率波动，有效维护机组了参与一次调频过程的稳定性，不会产生一次调频频繁动作的情况，这不但有助于增强机组运行的稳定性，对于维护电网频率稳定也将起到积极的促进作用。
步骤4：将步骤3所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号，将其发送至机组DCS/DEH系统参与一次调频，
其中，PMU为电源管理单元，WAMS为广域测量系统，DCS为分布式控制系统，DEH为汽轮机数字电液控制系统。
本申请还同时公开了一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的判别系统，具体工作流程如图7所示。
一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的判别系统，判别系统包括PMU采集装置模块、频率信号提取模块、频率扰动识别和滤波模块和一次调频模块，
PMU采集装置模块利用PMU采集装置采集信号，同时调度WAMS系统，将信号传输至通讯数据采集与分析单元；
频率信号提取模块将通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
频率扰动识别和滤波模块对频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波；
一次调频模块将所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号，将其发送至机组DCS/DEH系统参与一次调频，
其中，PMU为电源管理单元，WAMS为广域测量系统，DCS为分布式控制系统，DEH为汽轮机数字电液控制系统。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于，所述判别方法包括以下步骤：
步骤1：采集信号，将信号传输至通讯数据采集与分析单元，其中，信号包括时间标签、电网频率和各接入机组的发电机输出功率；
步骤2：将步骤1通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
步骤3：对步骤2所得频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波，使用Daubechie小波将电网频率分解为高频与低频两个分量，根据高频分量及频率值是否均超出其频率分布空间来判断是否发生频率大扰动，并且频率滤波，
其中，Daubechie小波为dbN；
步骤4：将步骤3所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
所述步骤2中，通讯数据采集与分析单元包括多平面监听子单元和数据指纹Sha1比对子单元，
所述多平面监听子单元用于通讯数据的采集；
所述数据指纹Sha1比对子单元利用Sha1计算通讯数据所对应的字符串。
3.根据权利要求1所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
所述步骤3中采用db4小波滤波后的信号，用于消除设定时长的频率越限。
4.根据权利要求3所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
所述设定时长为1秒。
5.根据权利要求1所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
采用db4小波，针对频率数据进行分析，检测电网频率大扰动。
6.根据权利要求1所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
当高频分量d1频率值超出其设定的分布范围时，则判断为发生频率大扰动，启动电网故障下的一次调频控制策略；
当未发生大扰动时，则将低频分量输出至机组DCS控制系统作为一次调频控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法，其特征在于：
所述设定的分布范围为均值±3倍方差。
8.一种利用权利要求1-7中任一权利要求所述一种基于小波分析的电网频率大扰动快速判别方法的判别系统，所述判别系统包括PMU采集装置模块、频率信号提取模块、频率扰动识别和滤波模块和一次调频模块，其特征在于：
所述PMU采集装置模块利用PMU采集装置采集信号，同时调度WAMS系统，将信号传输至通讯数据采集与分析单元；
所述频率信号提取模块将通讯数据采集与分析单元中的信号传输至原始包分析单元，提取频率信号；
所述频率扰动识别和滤波模块对频率信号，执行基于小波分析的频率扰动识别和频率滤波；
所述一次调频模块将所得的频率扰动识别和频率滤波结果传输至控制信号和频率信号输出单元，得出大扰动信号判断值及滤波后的频率信号，将其发送至机组DCS/DEH系统参与一次调频，
其中，PMU为电源管理单元，WAMS为广域测量系统，DCS为分布式控制系统，DEH为汽轮机数字电液控制系统。
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