WO2013078871A1 - 一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法，涉及电力系统调度自动化及电网的安全运行。在区域电网中发生强迫功率振荡时，该方法通过计算区域互联电网中各区域能流方向因子的代数和，实时在线地判断出扰动源所在的位置。与传统的基于能量函数的扰动源定位方法相比，本发明提出基于计算能流方向因子的扰动源定位方法，能够减少周期性扰动分量和初始常数对支路势能非周期性分量判断的影响，具有更好的准确性。且减少了积分环节，简化了计算过程，能够更好的适应电网实时计算的要求。

Description

说 明 书 一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法 技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统调度自动化及电网的安全运行， 更具体涉及区域互联电网强迫 功率振荡扰动源位置的判断。

背景技术

[0002】 电力系统在扰动下会发生电机转子间的相对摇摆并在缺乏阻尼的情况下引起持续振 荡， 振荡频率范围在 0.1〜2.5Hz， 故称为低频振荡。 低频振荡问题属于小扰动稳定范畴， 随 着互联电力系统的规模扩大、 远距离重负荷输电系统的投入运行、 快速自动励磁调节器和快 速励磁系统的应用， 国内外不少电力系统出现了低频振荡问题， 低频振荡是影响电力系统的 安全稳定运行的重要因素之一。

[0003] 强迫功率振荡是低频振荡的一种形式， 即当系统受到外界持续周期性功率扰动的频 率接近系统功率振荡的固有频率时， 会引起大幅度的功率振荡。 汤涌在电网技术 2006， 30(10) ： 29-33发表的 《电力系统强迫功率振荡的基础理论》； 杨东俊等在电力系统自动化 2009， 33 (23)： 24-28发表的 《基于 WAMS量测数据的低频振荡机理分析》； 以及杨东俊等 在电力系统自动化 2011， 35 ( 10)： 99-103发表的 《同步发电机非同期并网引起电力系统强 迫功率振荡分析》 等论文中， 分别通过理论及电网实际案例分析， 论证了对于强迫功率振荡 最有效的处理措施是迅速找到并切除扰动源， 但未提出找到扰动源的具体方法。

[0004] 广域测量系统由基于全球定位系统 (GPS)的同步相量测量单元 （PMU) 及其通信系统 组成， 能够在广域电力系统中同步、 高速采集机组和运行设备的有功功率、 无功功率、 电 压、 电流、 相角以及重要的开关信号， 是一种能对电力系统动态过程进行监测和分析的工 具。 广域测量系统为电网的频振荡的监测、 振荡事件分析和振荡预防及抑制等几个方面提供 了新的技术手段。

[0005】 对于区域互联电网强迫功率振荡的扰动源定位问题， 目前研究成果尚不多见， 其中 余一平等在电力系统自动化 2010， 34 ( 5)： 1-6发表的 《基于能量函数的强迫功率振荡扰动 源定位》 采用基于线性化的系统运动方程建立能量函数， 借助系统中的能量转换特性识别强 迫功率振荡扰动源所在位置。 文献指出在多机系统中由外施扰动引发的强迫功率振荡所产生 的能量， 只有通过扰动源所在的机组才能注入系统， 而被系统中各网络元件的阻尼所消耗， 因此通过扰动源所在机组的势能变化与其他机组不同的特点， 就可以找到扰动源。 由于外施 扰动做功注入系统的能量通过势能在网络中传播， 并且系统中任一节点的势能守恒， 即流入 节点的势能之和等于流出节点的势能， 发电机的势能可以用与其相连的支路势能表示。 系统 中 i节点和 j节点之间的支路为 L ， 其 i端势能函数为：

式中： Λ¾·为支路 L 电功率改变量， 为 i节点相角偏移， 为支路 i端角频率改变 量， 基准角频率 = '2 ， /。为电网基准频率， t为扰动时间。 根据支路势能函数计算结 果， 若大于 0则支路 L 扰动能量从 i节点流向 j节点， 扰动源在 i节点方向； 若小于 0则支 路 L 扰动能量从 j节点流向 i节点， 扰动源在 j节点方向， 据此判断扰动源所在的位置， 经 论证该方法可以适用于多机系统。 但是， 该方法需要通过积分求出支路势能函数， 计算过程 比较复杂不利于实时计算， 并且在势能函数中主要通过非周期性分量来判断扰动源的位置， 而势能函数中的周期性分量和积分初值的选取则会对判断的准确性产生一定的干扰。

[0006】 由于在强迫振荡的稳态阶段， 各状态量都以扰动频率周期性的变化， 对于电网中节 点；和节点 之间的支路 ，

振荡频 率 άΰ¾ Δ · κ^( ΰ¾+^)， 其中 ΔΡ 、 Δ¾分别为支路 功率和 i端频率变化幅度， ¾、 为支路 ^功率和；端频率变化初相位， 为扰动频率； 代入 （1 ) 式可得势能函数为：

- φ Α¾ ¾ . ¾ . (5)

即有：

(7)

可以看到势能函数是由一条幅值为《 频率为 2^， 初相角为 + 的正弦曲线和一条斜率 为 的直线叠加而成。 由外施扰动注入系统并在网络中传播消耗的能量主要由非周期分量体 现。 定义势能流出节点；为正， 流入节点；为负， 由于 为不随时间变化的初始常数， 通过斜 率 ά即可判断支路势能的方向， 当 > 0时势能趋势由节点；流向节点 J， 当 < 0时势能趋势 由节点 J流向节点；。 由此， έ表征了支路势能中非周期性分量的大小和流动方向， 本发明 定义 έ为能流方向因子。

[0007] 王铁强等在中国电力 2001， 11(34):38-41上发表的 《Prony算法分析低频振荡的有效 性研究》 论证了 Prony分析方法在电网低频振荡分析中的有效性。 基于轨迹线的 Prony分析 方法直接对现场记录的数据波形进行信号分析， 将实测轨线视为某些频率固定， 幅值按指数 规律变化的正弦信号 (振荡模式)的线性组合， 其模型表示为：

¾C =∑ ^eo^(^^{+ i}Po (2) 其中： 《为振荡模式的个数； 对于第 i个振荡模式， · ·为振荡幅值； 为阻尼因子； ^为 振荡角频率； ΐ%为初始相位。 从而将问题归纳为对各频率、 幅值与阻尼系数的识别。 Prony 算法能根据采样得到的以 "个振荡周波为一组的有功功率、 节点频率及主导振荡频率数据进 行参数辨识， 估算得到主导振荡频率模式下的功率幅值、 频率振荡幅值、 功率初相位和频率 振荡初相位。 在确定振荡特征方面是一种较好的分析方法， 在工程实践中被较为广泛应用。

[0008】

发明内容

[0009】 本发明的目的是提供一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法。 在区域 电网中发生强迫功率振荡时， 该方法通过计算区域互联电网中各区域能流方向因子的代数 和， 实时在线地判断出扰动源所在的位置。 本发明简单、 易行， 经实际案例检验， 能够为电 网调度人员快速查找和解决故障提供参考。

[0010] 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 通过对广域测量系统实时测量的低 频振荡有功和频率变化量， 采用 Prony分析方法进行参数辨识， 根据公式 （5 ) 求解支路的 能流方向因子， 据此判断扰动源所在的位置。

[0011] 一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法， 该方法包含下列步骤： a、 在设有广域测量系统， 由 M个区域组成的交流区域互联电网中， 区域间联络线支路有 £ 条， 各联络线支路的起始节点和终止节点装设同步相量测量单元 PMU;

b、 当广域测量系统监测到电网中振荡的主导振荡频率 、 有功功率振荡幅度 A 、 持续的 周波数 "均满足低频振荡告警阈值时， 立即发出低频振荡告警； C、 广域测量系统发出低频振荡告警后， 以"个振荡周波为一组， 持续传递各条联络线支路 的有功功率 Δ ， 起始节点频率 及主导振荡频率 的数据， 其中： _m=l， 2， 3，···， L; d、 将接收到的数据以"个振荡周波为一组， 采用 Prony分析方法， 对第 m条联络线支路的 有功功率 Δ _Μ、 起始节点频率 数据进行参数辨识， 得到主导振荡频率 模式下， 第 m 条联络线支路的功率幅值 ώ ₁₂、 起始节点频率振荡幅值^^^、 功率初相位^^、 频率振荡 初相位 ₂， 其中： m=l， 2， 3，···， L;

e、 将 Prony分析方法辨识的 、 Δ ₁、 ₁、 ₂结果代入下式： = Α¾ ^Δ ¾ι■ ¾■ ^c。^s( i - ί¾)， 其中： 为基准角频率， = 2 ， Λ为电网基准频率； 得到第 m条联络线支路起始节 点的能流方向因子 ， 其中： m=l， 2， 3，〜， L; 以功率流出节点方向为正， 当能流方向 因子 > 0时， 扰动源位于第 m条联络线支路起始节点所在的区域； 当 < 0时， 扰动源位 于第 m条联络线支路终止节点区域；

f、 求出 M个区域中每个区域各条联络线支路的能流方向因子， 如果第 m条联络线支路起始 节点位于该区域， 能流方向因子取 如果第 m条联络线支路终止节点位于该区域， 能流 方向因子取—^ 其中： m=l， 2， 3，···， L;

g、 求出每个区域的能流方向因子代数和， 能流方向因子代数和最大的区域即为扰动源所在 区域。

[0012] 本发明具有以下优点：

1、 与传统的基于能量函数的扰动源定位方法相比， 本发明提出基于计算能流方向因子的扰 动源定位方法， 能够减少周期性扰动分量和初始常数对支路势能非周期性分量判断的影响， 具有更好的准确性。

[0013] 2 , 本方法减少了积分环节， 简化了计算过程， 能够更好的适应电网实时计算的要 求。

附图说明

[0014] 图 1为一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法的流程示意图。

[0015] 图 2为区域互联电网地理位置示意图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。 [0017] 实施例一

本方法通过对广域测量系统实时测量的低频振荡有功和频率变化量， 采用 Prony分析方法进 行参数辨识， 根据公式 （5 ) 求解支路的能流方向因子， 据此判断扰动源所在的位置。 该方 法包含下列步骤：

a、 在有 M个区域组成的交流区域互联电网中， 区域间联络线支路有 条， 设在其中一个区 域存在一个周期性功率振荡的扰动源， 引发整个区域互联电网产生强迫功率振荡， 各区域间 联络线至少一端装设有 PMU， 数据同步传输到电网调度中心的广域测量系统中。

[0018】 b、 当广域测量系统监测到电网中振荡的主导振荡频率 、 有功功率振荡幅度 Λ^、 持续的周波数《均满足低频振荡告警阈值， 即发出低频振荡告警。

[0019] c 在广域测量系统发出振荡告警后， 以《个振荡周波为一组将广域测量系统采集到 的有功功率， 频率及主导振荡频率数据持续传递给分析程序。 设： 节点；和节点 '分别为两 区域间联络线支路 的起始节点和终止节点， 则需要将联络线任一端 （如:端） 所采集联络 线支路 个振荡周波的有功功率^ ·， 端的频率 及主导振荡频率 数据持续传递给扰 动源定位分析程序。

[00201 d、 扰动源定位分析程序以"个振荡周波为一组数据， 采用 Prony分析方法对联络线 支路 ^的有功功率^ ·、 z端的频率 数据进行参数辨识， 得到主导振荡频率 模式下联 络线支路功率幅值^ ¾ 、 ；端频率振荡幅值 支路功率初相位 、 频率振荡初相位 ， 并依次对每条联络线一端数据进行分析。

[0021] e、 将 Prony分析方法辨识的 A^_Mi 、 Δ <¾、 、 计算结果代入公式 （5 ) 求解各联 络线的能流方向因子。 对于节点；与节点 j之间的联络线支路 ， 以；端测量数据判断， 当能 流方向因子 ά > 0时扰动源位于节点！所在区域侧， 当 έ < 0时扰动源位于节点 J所在区域侧， 分别计算各条联络线的能流方向因子 。

[0022】 f、 分区域求出一条联络线两端区域的能流方向因子。 若测量节点；位于区域 ，对端节 点 '位于区域 J，则 = b_m， = -b_m。

[0023】 g、 区域能流方向因子为每一区域联络线能流方向因子的代数和， 求出各区域的能流 方向因子。 如： 与第 个区域相连的联络线有 S条 （ = 1 …-… M g = - - J ), 则第 个区域能流方向因子为 = ； 能流方向因子代数和最大的区域即为扰动源所在区 域， 如： 区域 E的能流方向因子 ^ max f?^² ,-— ^M ， 则区域 E即为扰动源所在区 域。

[0024] 实施例二

一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法， 以附图 2所示的 5区域互联电网为 例， 说明本发明的实际应用过程。 具体步骤如下：

a、 在附图 2所示的交流互联电网包括： Sl、 S2、 S3、 S4、 S5共 5个供电区域， 分别通过 4 条区域间联络线： ml、 m2、 m3、 m4将 SI和 S3、 S3和 S5、 S3和 S4、 S3和 S2区域相 连。 联络线 ml两端节点为 il和 jl， m2两段节点为 i2和 j2， m3两段节点为 i3和 j3， m4 两段节点为 i4和 j4; 其中 jl为区域 SI中的节点， j2为区域 S5中的节点， j3为区域 S4中 的节点， i4为区域 S2中的节点， il、 i2、 i3、 j4为区域 S3中的节点。 设在区域 SI中存在一 个振荡频率为 0.62Hz的周期性功率振荡的扰动源， 引发整个区域互联电网产生强迫功率振 荡， 在节点 il、 i2、 i3、 i4装设有 PMU设备， 振荡发生后数据数据同步传输到电网调度中 心的广域测量系统。

[0025】 b、 设广域测量系统低频振荡的阈值需同时满足： 主导振荡频率在 0.1-2.5Hz， 有功功 率振荡幅度 10MW, 持续 5个周波， 当监测到电网中发生主导频率 0.62Hz的功率振荡满足 所设定的阈值， 即发出低频振荡告警。

[0026] c 在广域测量系统发出振荡告警后， 将节点 il、 i2、 i3、 j4采集的联络线支路 ml、 m2、 m3、 m4的有功功率， 频率及主导振荡频率 ^数据的以 5个周波为一组持续传递给分析 程序。

[0027】 d、 分析程序以 5个振荡周波为一组数据， 采用 Prony分析方法对联络线 ml、 m2、 m3、 m4有功功率和频率数据进行参数辨识， 得到主导振荡频率 0.62Hz模式下联络线功率 振荡幅值^^、 频率振荡幅值 Αί¾、 支路功率初相位 、 频率振荡初相位 。

[0028]表 1联络线振荡参数辨识结果

：线路 my

名称 (驛） (Hz). ) \ (： )

ml 141,82 0..01S -87.64 160.07 \

ι2 88,81 0,008 126.S4 \ 77、 19 \

iii3 1 0.00 45.20 \ 14M \

ηι4 33,49 0'觀 -15714 5 i. \ e、 将 Prony分析方法辨识的 Δ ί 、 Α¾ , 计算结果代入公式 （5 ) 求解能流方向因 子 ，取电网基准频率/ t^SOHz, 计算结果如下:

表 2联络线能流方向因子计算结果

由于联络线 ml、 m2、 m3、 m4的广域测量数据取自节点 il、 i2、 i3、 j4， 节点 il、 i2、 i3属 于区域 S3， 节点 i4属于区域 S2， 因此， 联络线 ml能流方向因子 <0说明振荡能量从区 域 S1流向区域 S3; ¾_2:>0说明振荡能量从区域 S3流向区域 S5; 说明振荡能量从区 域 S3流向区域 S4; 联络线 m4能流方向因子 6_Ml <0说明振荡能量从区域 S3流向区域 S2。

[0029] f、 分区域求出联络线 ml、 m2、 m3、 m4两端区域的能流方向因子， 计算结果如表 3 所示：

表 3联络线能流方向因子计算结果

g、 求出 Sl、 S2、 S3、 S4、 S5各区域的能流方向因子， 计算结果如表 4所示: 表 4区域能流方向因子计算结果

根据计算结果， 区域 SI为能流方向因子代数和最大的区域， 即扰动源位于区域 S1内。

[0030] 经案例证明， 本发明能够实现区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置的快速判断。

Claims

权 利 要 求 书

1. 一种区域互联电网强迫功率振荡扰动源位置判断方法， 其特征在于， 该方法包含下列步 骤：

a、 在设有广域测量系统， 由 M个区域组成的交流区域互联电网中， 区域间联络线支路有 L条， 各联络线支路的起始节点和终止节点装设同步相量测量单元 PMU;

b、 当广域测量系统监测到电网中振荡的主导振荡频率 w、 有功功率振荡幅度 、 持续的 周波数 均满足低频振荡告警阈值时， 立即发出低频振荡告警；

c、 广域测量系统发出低频振荡告警后， 以"个振荡周波为一组， 持续传递各条联络线支路 的有功功率 Α ， 起始节点频率 及主导振荡频率 的数据， 其中： m=l， 2， 3，···， L; d、 将接收到的数据以 个振荡周波为一组， 采用 Prony分析方法， 对第 m条联络线支路的 有功功率 ΔΡ„、 起始节点频率 数据进行参数辨识， 得到主导振荡频率 模式下， 第 m 条联络线支路的功率幅值^ ₁₂：、 起始节点频率振荡幅值 功率初相位 ¾^、 频率振荡 初相位 ₂， 其中： m=l， 2， 3，···， L;

e、 将 Prony分析方法辨识的 ₁₂、 Δ ₁、 ₁、 ₂结果代入下式： = ■ ■ cos(¾! - ¾₂)， 其中： ¾ 为基准角频率， = W₀ , Λ为电网基准频率； 得到第 m条联络线支路起始节 点的能流方向因子 ， 其中： m=l， 2， 3，〜， L ; 以功率流出节点方向为正， 当能流方向 因子 > 0时， 扰动源位于第 m条联络线支路起始节点所在的区域； 当 < 0时， 扰动源位 于第 m条联络线支路终止节点区域；

f、 求出 M个区域中每个区域各条联络线支路的能流方向因子， 如果第 m条联络线支路起始 节点位于该区域， 能流方向因子取 如果第 m条联络线支路终止节点位于该区域， 能流 方向因子取— 其中： m=l， 2, 3，···， L;

g、 求出每个区域的能流方向因子代数和， 能流方向因子代数和最大的区域即为扰动源所在 区域。