CN116316604B - 一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，属于电力系统运维技术领域，在不改变系统区间联络线功率的随机环境下，通过系统的弱阻尼区间振荡模式进行有功调控，优化系统阻尼结构，提高系统的稳定性。本发明的阻尼提升方法分两个阶段。第一阶段有功再调度，评估系统局部阻尼情况，根据灵敏度指标选择有功平衡机组，负阻尼机组进行切机处理，同时增加平衡机组的出力。第二阶段有功再调度通过灵敏度指标在各个振荡区域中选择不同灵敏度特性的发电机对，在一个循环中不断进行有功再调度直至达到稳定性要求。该方法有可在提升系统阻尼比的同时优化系统局部阻尼，改善系统阻尼结构，对于电力系统稳定运行，预防低频振荡具有重要意义。

Description

一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法
技术领域
本发明属于电力系统运维技术领域，特别是涉及到一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法。
背景技术
为实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标，随着新型电力系统的构建，高比例可再生能源的广泛接入，高比例电力电子装备大规模应用，系统的稳定性面临严峻挑战。同时，为满足经济和社会生活对电能日益增长的需要，建设长距离、跨区域的互联电网成为常态，而长距离、重负荷的输电线上易发生低频振荡，给系统的安全稳定运行带来巨大威胁。
在电力系统中，一般通过阻尼大小来评价其稳定性，阻尼不足时系统振荡将长时间持续，阻尼为负时甚至会进一步恶化，拥有良好的阻尼特性是电力系统安全稳定运行的必要条件。目前提升阻尼主要方法有：电力系统稳定器(PSS)，附加阻尼控制以及改变系统运行方式。
改变系统运行方式因不改变系统结构，计算快速，应用广泛等优点受到广泛关注。
传统的调控方法会降低联络线的传输功率，以此来提升区间振荡模式下的系统阻尼，该方法会影响系统中各区域的功率交换，影响经济性。并且传统方式是基于阻尼比进行灵敏度计算，无法对系统的阻尼结构进行分析及优化调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，在不改变系统区间联络线功率的随机环境下，通过系统的弱阻尼区间振荡模式进行有功调控，优化系统阻尼结构，提高系统的稳定性。
一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、模态辨识
在随机数据下，通过动态模式分解法DMD对系统运行点的起始部分进行辨识，获取系统的模态信息；
步骤二、在线监测
根据辨识的模态信息，判断是否存在区间弱阻尼振荡模式，并对该模式下的阻尼比进行判断；
步骤三、局部阻尼评估
对系统中发电机端口的历史数据进行处理，计算局部阻尼并区分负阻尼机组；
步骤四、第一阶段调度
计算系统的局部阻尼灵敏度，根据灵敏度矩阵M1建立灵敏度指标，选出灵敏度指标较高的机组，在切负阻尼机组的同时，增加其出力平衡有功功率；
步骤五、第二阶段调度
计算局部阻尼-有功出力灵敏度，作为灵敏度矩阵M2，并建立新的灵敏度矩阵指标，根据此指标选出发电机对，所选机组中灵敏度值大的机组增加出力，灵敏度值小的机组减小出力；循环步骤五直至阻尼比达到稳定性要求。
所述步骤一通过动态模式分解法DMD进行模态辨识获得的模态信息包括阻尼比、振荡频率以及振荡分区。
所述步骤二在线监测系统的稳定性，若该模态的阻尼比小于4％，则继续进行有功再调度；若阻尼比大于4％，则计算局部阻尼指标，并更新一个运行点。
所述步骤三局部阻尼评估的过程为：
一、根据模态辨识的振荡频率，采用Morlet小波滤波方法对发电机端口的量测数据，包括有功功率，无功功率，电压幅值以及电压相角进行滤波处理，其中心频率为振荡频率；
二、对发电机端口量测量计算变化量及耗散能量，曲线进行拟合得到发电机i的能量耗散因子
三、根据能量耗散因子值的正负，选出系统中的负阻尼机组。
所述步骤四第一阶段调度的过程为：
一、根据有功变化量和局部阻尼指标的历史数据计算局部阻尼-有功出力灵敏度根据局部阻尼-有功出力灵敏度形成了灵敏度矩阵M1并确定灵敏度指标；其中/>为发电机Gi对发电机Gn有功的灵敏度；
二、通过灵敏度指标选择灵敏度特性好的有功平衡机组，与负阻尼机组在同一区域；
三、将同区域的负阻尼机组和有功平衡机组组成发电机对，对负阻尼机组进行切机处理，同时逐渐增加有功平衡机组的出力，弥补切机所减小的有功功率；
四、调整结束后更新一个运行点。
所述步骤五第二阶段调度的过程为：
一、辨识系统阻尼比，判断是否达到稳定性要求，若阻尼比小于4％，继续进行再有功再调度；若阻尼比大于4％，结束有功再调度；
二、计算更新后运行点的局部阻尼-有功出力灵敏度，形成灵敏度矩阵M2并得出新的灵敏度指标；
三、根据新的灵敏度指标，在每个区域中分别依据新的灵敏度指标组合发电机对；
四、对灵敏度特性好的机组增加有功出力，对灵敏度特性差的机组减小有功出力，在调整时应保证同步进行且有功守恒；
五、调整结束更新一个运行点，判断是否达到稳定要求。
所述发电机对包括区域内的灵敏度特性最高的机组和灵敏度特性最低的机组。
所述运行点设置为按照时间顺序，每15分钟为一个运行点。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，通过计算系统的局部阻尼灵敏度，根据形成的灵敏度矩阵M有利于分析系统的阻尼结构，进而针对阻尼较弱的区域在提升系统阻尼比的同时提升局部阻尼，增强系统的抗干扰能力。本发明在第一阶段调度中对局部阻尼进行评估，对负阻尼机组进行切机处理，防止该部分机组在系统受到小干扰时成为振荡源，加剧系统的恶化。在第二阶段调度中，通过循环调度，在不同区域中分别选择发电机对，循环调度直至达到稳定性要求。由于每过15分钟会更新一个运行点，因此上一步有功再调度动作的调整量是否合适会在下一次计算灵敏度矩阵中体现，避免了调整量过大或过小对系统产生不良影响。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法运行点设置流程图。
图2为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法流程示意图。
图3为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法具体实施方式16机68节点算例图。
图4为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法具体实施方式局部阻尼评估结果图。
图5为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法具体实施方式第一阶段调度时灵敏度矩阵M1的热图。
图6为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法具体实施方式二阶段调度时灵敏度矩阵M2的热图。
图7为本发明一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法具体实施方式有功再调度过程的时序图。
具体实施方式
一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，如图2所示，包括：
1)通过DMD法对系统各个运行点的起始阶段进行阻尼辨识，获得系统区间振荡模态的振荡频率，振荡分区，阻尼比。
2)在线监测系统的稳定性，若该模态的阻尼比小于4％，则继续进行有功再调度；若阻尼比大于4％，则进入下一步计算局部阻尼指标，并更新一个运行点。
3)通过Morlet小波滤波方法对上一运行点发电机端口数据进行滤波处理，中心频率为辨识区间振荡模态的振荡频率。由于发电机的能量耗散和阻尼转矩具有一致性，因此可通过计算耗散能量拟合指标来评估发电机的阻尼大小，发电机端口的耗散能量流可表示为：
Wi,k＝∫(ΔPi,kdΔθi,k+ΔQi,kd(ΔlnUi,k)) (1)
其中Wi,k为发电机端口i在k模式下的耗散能量，ΔPi,k为发电机端口i在k模式下的有功功率变化量，ΔQi,k为发电机端口i在k模式下的无功功率变化量，Ui,k为发电机端口i在k模式下的电压幅值，Δθi,k为发电机端口i在k模式下的电压相角变化量。
环境激励在频谱上表现为多频率波段平均分布，在分析电力系统某一模式下的发电机局部阻尼时，环境激励相应频段的频率与电力系统模式频率相近，在系统响应中表现为类强迫振荡。系统状态变量的时域解析可表示为：
其中Ai为变量i中正弦分量的幅值，为变量i正弦分量的相位，εnoise,i为变量i中的噪声分量，ω为角频率，t为时间。
将(2)带入(1)中可得到发电机端口耗散能量在该模式下的表达式为：
其中Wi,k表示发电机端口i在k模式下的耗散能量。
公式(3)可表示为(4)中所示，含随时间以线性规律变化的趋势分量和波动分量Cwave。
其中可表示为：
其中为发电机端口i在k模式下的能量耗散因子，t为拟合函数中的自变量时间，Cwave是波动分量。
在计算出耗散能量曲线后，对曲线的斜率进行拟合，以此评估发电机的阻尼大小，然后更新一个运行点数据。
运行点说明：按照时间顺序，每15分钟作为一个运行点。前五分钟为计算分析阶段，该阶段主要进行模态辨识，然后计算上一运行点的有功变化量和局部阻尼指标作为一个运行点数据，更新到系统的历史数据中(一个系统计算“局部阻尼-有功出力”灵敏度所需的历史数据是固定的，(如：16机系统需要16个运行点数据)，每更新一个运行点数据，形成的灵敏度矩阵M均会根据调整情况有所变化)，然后计算系统的灵敏度矩阵M，并进行相应的有功再调度动作。后十分钟主要是记录有功再调度动作后的发电机端口的量测数据，用于在下一个运行点的前五分钟计算并更新运行点数据，运行点的设置如图1所示。
4)根据运行点的历史数据，构造出灵敏度求解方程，通过超定方程的求解方法，计算得出“局部阻尼-有功出力”灵敏度，对于一个n机系统构造方程如下所示：
ΔP·M＝Δζ (6)
其中ΔP为有功功率变化量矩阵，M为灵敏度矩阵，Δζ为局部阻尼变化量矩阵，为发电机n在第k种工况变化下的有功变化量(相对上一个运行点)，/>为发电机i对于发电机n有功出力变化的灵敏度，/>为发电机i在第k种工况下的局部阻尼变化量，M为灵敏度矩阵，ΔP和Δζ为已知量均从历史数据中获得。
同时，由于运行点间的时间间隔较小，相邻运行工况的发电机有功输出总和变化几乎为0，故方程还满足如下条件：
其中ΔPi为发电机i的在相邻运行工况下的有功变化量。
求解可得灵敏度矩阵M，根据M阵的特性确定灵敏度指标：若灵敏度矩阵M是对角占优的，则选择对角元素作为灵敏度指标，若灵敏度矩阵为非对角占优的，则将灵敏度矩阵的行求和值作为灵敏度指标。
5)根据灵敏度指标选择灵敏度特性好的机组作为第一阶段调度的有功平衡机组，增加其出力，同时将负阻尼机组的出力降低(在一定的时间内逐渐将负阻尼机组出力降低到最小技术出力)至其最小技术出力。
6)调整结束，运行一段时间并更新一个运行点量测数据。
7)辨识系统模态信息，判断是否进行第二阶段调度，需要则继续8)，不需要则跳至10)。
8)计算系统灵敏度矩阵M，在各个区域中按照灵敏度指标分别组合发电机对，对特性好的机组提升出力，特性差的降低出力，在有功出力限制允许的范围内，提升系统阻尼。
9)进行第二阶段有功再调度，调整结束后，更新一个运行点，返回7)进行模态辨识。
10)停止有功再调度，返回1)对系统进行在线监测。
实施例：
为展示发明效果，构建了如图3所示的16机68节点电力系统，运用本发明对该系统进行在线监测及阻尼提升，过程如下：
1)通过DMD辨识系统区间弱阻尼模式振荡频率为0.58Hz，振荡分区如图3所示，该模式阻尼比为3.436％。
2)将阻尼比和4％进行比较，阻尼比小于4％，说明系统处于不稳定状态，需要进行有功再调度。
3)对系统的局部阻尼进行评估，结果如图4所示，其中发电机G9和G11为负阻尼机组。
4)计算“局部阻尼-有功出力”灵敏度，得出灵敏度矩阵M1热图，如图5所示。由于该矩阵为非对角占优有矩阵，因此选择行求和值作为灵敏度指标选择第一阶段调度有功平衡机组为G1、G12和G14，灵敏度指标如表1和表2所示。
表1区域1灵敏度指标
表2区域2灵敏度指标
进行第一阶段调度，调整量如表3所示。
表3参与机组及其调整量
6)更新一个运行点量测数据。
7)辨识系统阻尼比为3.97％，小于4％，有功再调度继续。
8)计算灵敏度矩阵M2，其热图如图6所示，得出灵敏度指标在各区域中选择发电机对，区域1中选择发电机G1和G2，区域2中选择G10和G12，灵敏度指标如表4和表5所示。
表4区域1灵敏度指标
表5区域2灵敏度指标
9)第二阶段调度调整量如表6所示，调整结束后更新一个运行点数据，辨识系统阻尼比为4.11％，达到稳定性要求。
表6参与机组及其调整量
10)有功再调度结束，回到1)继续在线监测系统运行。
本发明中演示实例进行完整的有功再调度动作的时序图如图7所示。

Claims (7)

1.一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、模态辨识
在随机数据下，通过动态模式分解法DMD对系统运行点的起始部分进行辨识，获取系统的模态信息；
步骤二、在线监测
根据辨识的模态信息，判断是否存在区间弱阻尼振荡模式，并对该模式下的阻尼比进行判断；
步骤三、局部阻尼评估
对系统中发电机端口的历史数据进行处理，计算局部阻尼并区分负阻尼机组；
通过Morlet小波滤波方法对上一运行点发电机端口数据进行滤波处理，中心频率为辨识区间振荡模态的振荡频率；通过计算耗散能量拟合指标评估发电机的阻尼大小，发电机端口的耗散能量流表示为：
Wi,k＝∫(ΔPi,kdΔθi,k+ΔQi,kd(ΔlnUi,k)) (1)
其中，Wi,k为发电机端口i在k模式下的耗散能量，ΔPi,k为发电机端口i在k模式下的有功功率变化量，ΔQi,k为发电机端口i在k模式下的无功功率变化量，Ui,k为发电机端口i在k模式下的电压幅值，Δθi,k为发电机端口i在k模式下的电压相角变化量；
环境激励在频谱上表现为多频率波段平均分布，在分析电力系统某一模式下的发电机局部阻尼时，环境激励相应频段的频率与电力系统模式频率相近，在系统响应中表现为类强迫振荡；系统状态变量的时域解析表示为：
其中Ai为变量i中正弦分量的幅值，为变量i正弦分量的相位，εnoise,i为变量i中的噪声分量，ω为角频率，t为时间；
将公式(2)带入公式(1)中得到发电机端口耗散能量在该模式下的表达式为：
其中，Wi,k表示发电机端口i在k模式下的耗散能量；
公式(3)表示为公式(4)，含随时间以线性规律变化的趋势分量ζGi,k和波动分量Cwave；
其中可表示为：
其中，为发电机端口i在k模式下的能量耗散因子，t为拟合函数中的自变量时间，Cwave是波动分量；
步骤四、第一阶段调度
计算系统的局部阻尼灵敏度，根据灵敏度矩阵M1建立灵敏度指标，选出灵敏度指标较高的机组，在切负阻尼机组的同时，增加其出力平衡有功功率；
步骤五、第二阶段调度
计算局部阻尼-有功出力灵敏度，作为灵敏度矩阵M2，并建立新的灵敏度矩阵指标，根据此指标选出发电机对，所选机组中灵敏度值大的机组增加出力，灵敏度值小的机组减小出力；循环步骤五直至阻尼比达到稳定性要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述步骤一通过动态模式分解法DMD进行模态辨识获得的模态信息包括阻尼比、振荡频率以及振荡分区。
3.根据权利要求1所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述步骤二在线监测系统的稳定性，若该模态的阻尼比小于4％，则继续进行有功再调度；若阻尼比大于4％，则计算局部阻尼指标，并更新一个运行点。
4.根据权利要求1所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述步骤四第一阶段调度的过程为，
一、根据有功变化量和局部阻尼指标的历史数据计算局部阻尼-有功出力灵敏度根据局部阻尼-有功出力灵敏度形成了灵敏度矩阵M1并确定灵敏度指标；其中/>为发电机Gi对发电机Gn有功的灵敏度；
二、通过灵敏度指标选择灵敏度特性好的有功平衡机组，与负阻尼机组在同一区域；
三、将同区域的负阻尼机组和有功平衡机组组成发电机对，对负阻尼机组进行切机处理，同时逐渐增加有功平衡机组的出力，弥补切机所减小的有功功率；
四、调整结束后更新一个运行点。
5.根据权利要求1所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述步骤五第二阶段调度的过程为，
一、辨识系统阻尼比，判断是否达到稳定性要求，若阻尼比小于4％，继续进行再有功再调度；若阻尼比大于4％，结束有功再调度；
二、计算更新后运行点的局部阻尼-有功出力灵敏度，形成灵敏度矩阵M2并得出新的灵敏度指标；
三、根据新的灵敏度指标，在每个区域中分别依据新的灵敏度指标组合发电机对；
四、对灵敏度特性好的机组增加有功出力，对灵敏度特性差的机组减小有功出力，在调整时应保证同步进行且有功守恒；
五、调整结束更新一个运行点，判断是否达到稳定要求。
6.根据权利要求4所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述发电机对包括区域内的灵敏度特性最高的机组和灵敏度特性最低的机组。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于局部阻尼灵敏度的有功再调度阻尼提升方法，其特征是：所述运行点设置为按照时间顺序，每15分钟为一个运行点。
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