电力系统次/超同步振荡广域监测方法和系统与流程

本发明涉及电力系统动态监测技术领域，具体涉及一种电力系统次/超同步振荡广域监测方法和系统。

背景技术：

近年来，由于新能源发、输电技术快速持续发展，各种电力电子设备或装置，如双馈风机、直驱风机、光伏发电、静止同步补偿器(STATCOM)、柔性直流输电换流器，得到了广泛的应用，但是这些新型电力设备与电网相互作用也会引发危险的次/超同步振荡，影响电力系统的安全稳定运行和供电质量。此外，交流输电系统中为了提高线路输送能力与电力系统暂态稳定性，常采用串联电容补偿。但串联电容补偿也是引发电力系统次/超同步谐振或振荡的主要原因之一。电力系统中出现的次/超同步振荡,可能危及机组和电网的安全稳定运行，需进行有效的监测。

目前，次/超同步振荡的监测主要依靠机组当地的扭振监测与保护装置。对于调度人员来说，不能及时掌握系统层面的次/超同步振荡相关信息，且不能在同一时刻捕捉到大规模电力系统不同地点的次/超同步振荡的实时和/或动态信息。调度人员只能在机组扭振监测与保护装置的数据经现场人员上报后，才能获得次/超同步振荡的相关信息，无法实现次同步振荡的在线监测分析与全局预警。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电力系统次/超同步振荡广域监测方法，及时发现并采取相应的措施快速消除次/超振荡对目标电网的不利影响。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种电力系统次/超同步振荡广域监测方法，包括以下步骤：将目标电网划分为多个分区，对所述多个分区分别设置监测节点；采集所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流；对所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进行同步处理和同步状态估计得到所述目标电网的次/超同步振荡情况；根据所述目标电网的次/超同步振荡情况进行显示，并根据预设的预警规则判断所述目标电网的次/超同步振荡情况是否需要预警。

根据本发明实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测方法，采用次/超监测子站实时测量目标电网中相应节点的次/超同步电压、电流相量，并将相量数据通过通信网络输送到监测主站；监测主站在接收各个监测子站的信息后，进行相量数据同步处理，通过次/超同步状态估计得到的次/超同步电压、电流信息来监测全电网的次/超同步振荡情况，进而提供相应的次/超同步振荡全景显示和预警功能，有助于调度人员实时掌握电网的运行情况，及时发现并采取相应的措施快速消除次/超振荡对系统的不利影响，为保证电力系统稳定运行提供了一种快捷、有效的手段。

另外，根据本发明上述实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述采集所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进一步包括：将所述所有监测节点采集的三相电压、电流信号转化基波电压、电流相量和各次次/超同步电压、电流相量，并将相量数据打上同步时标形成多个数据包。

进一步地，所述对所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进行同步处理进一步包括：根据所述多个数据包中包含的秒脉冲信息和每秒采样序号将其置于实时数据库和/或历史数据中对应时标位置，从而使得主站获得各个时间断面全局的次/超同步相量信息。

进一步地，所述同步处理的步骤还包括：当监测出某个节点的通信延迟超过通信延迟阈值时，将通信状况信息进行报警和反馈；采用预滤波、零均值化和错点剔除方法，排除子站上送相量数据中出现的因干扰而导致的大误差数据。

进一步地，所述同步状态估计的步骤包括：基于电网拓扑和模型参数，利用经同步处理后的各节点测得的该模式节点电压相量和支路电流相量，建立状态估计量测方程，进而求解该方程得到对应次/超同步模式的状态相量，最终得到所述目标电网在相应时间断面和该次/超同步模式上的全局状态。

本发明的一个目的在于提出一种电力系统次/超同步振荡广域监测系统，及时发现并采取相应的措施快速消除次/超振荡对目标电网的不利影响。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种电力系统次/超同步振荡广域监测系统，包括：电网划分模块，用于对将目标电网划分为多个分区；多个监测子站，所述多个监测子站一一对应地设置在所述多个分区中，所述多个监测子站用于采集所述多个分区的次/超同步电压和次/超同步电流；监测主站，所述监测主站和所述多个监测子站相连，所述监测主站用于对所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进行同步处理和同步状态估计得到所述目标电网的次/超同步振荡情况，所述监测主站还用于根据所述目标电网的次/超同步振荡情况进行显示，所述监测主站还用于根据预设的预警规则判断所述目标电网的次/超同步振荡情况是否需要预警。

进一步地，所述多个监测子站进一步用于将所述所有监测节点采集的三相电压、电流信号转化基波电压、电流相量和各次次/超同步电压、电流相量，并将相量数据打上同步时标形成多个数据包，并将所述多个数据包发送给所述监测主站。

进一步地，所述监测主站进一步用于根据所述多个数据包中包含的秒脉冲信息和每秒采样序号将其置于实时数据库和/或历史数据中对应时标位置，从而使得主站获得各个时间断面全局的次/超同步相量信息。

进一步地，所述监测主站还用于：当监测出某个节点的通信延迟超过通信延迟阈值时，将通信状况信息进行报警和反馈；采用预滤波、零均值化和错点剔除方法，排除子站上送相量数据中出现的因干扰而导致的大误差数据。

进一步地，所述监测主站还用于：基于电网拓扑和模型参数，利用经同步处理后的各节点测得的该模式节点电压相量和支路电流相量，建立状态估计量测方程，进而求解该方程得到对应次/超同步模式的状态相量，最终得到所述目标电网在相应时间断面和该次/超同步模式上的全局状态。

本发明实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测系统的优势与本发明实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测方法相同，不作赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的监测框架的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的目标电网的简单拓扑图；

图4是本发明一个实施例的监测主站的功能结构示意图；

图5是本发明实施例的电力系统的次/超同步谐波检测系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测方法的流程图。如图1所示，一种电力系统次/超同步振荡广域监测方法，包括以下步骤：

S1：将目标电网划分为多个分区，对多个分区分别设置监测节点。

具体地，将目标电网中的线路、变电站等抽象为“图”，建立电网拓扑模型。如图2所示，目标电网中每条母线等效为一个节点，两节点之间的线路等效为Π形等值电路。对于实际中较为复杂的目标电网，可根据目标电网中变电站分布情况及电网拓扑结构,将复杂的电力网络划分为若干个分区。根据划分后的各个分区，确定电力网络中需要重点监测的节点，即找出目标电网中的核心节点，并分析各核心节点之间的连接状态。根据实际电网情况，可以在每个节点处装设次/超同步相量测量装置，也可以根据监控需要，在核心节点处装设次/超同步相量测量装置，以降低系统成本。对抽象后的电网拓扑模型中每一个节点进行编号，记为：节点1，节点2，…节点i，…节点j，…节点M，其中M为目标电网中的节点个数，i,j为其中任意两个节点，i＝1,2,...,M,j＝1,2,...,M,i≠j。

本发明的实施例中采用的网络参数包括各支路的电阻、电抗，以及节点对地电纳。将目标电网中的线路等效为Π形电路，如附图3所示，其中，C_i、C_j分别表示节点i,j处的对地电容；R_ij、L_ij分别表示连接节点i,j支路的电阻和电感。

电网状态变量包括各节点的次/超同步电压和各支路的次/超同步电流。对于特定次/超同步振荡而言，设目标电网各个节点处的次/超同步电压相量分别为规定注入节点的电流方向为正方向，对于任意节点i处对应次/超同步电流为其中，k＝1,2,...,n表示与节点i相连的第k条支路，n为与节点i相连的总支路数。对于连接任意两节点i,j的支路，记该支路次/超同步电流为规定由节点i流向节点j为电流正方向。

S2：采集所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流。

在本发明的一个实施例中，为了准确获取目标电网不同地点的实时动态次/超同步振荡信息，次/超同步相量测量单元十分重要。次/超同步相量测量单元安装在目标电网的各个节点处，通过采集目标电网中各节点电压、电流相量，可实现对目标电网的连续监测，为监测主站监视和控制次/超同步振荡提供可靠的量测数据。

在本发明的一个实施例中，次/超同步相量测量单元作为监测子站，主要采集目标电网中各节点电压、电流相量。次/超同步相量测量单元的输入信号为其安装点处的三相电压和所有相连支路的三相电流。

次/超同步相量测量单元的主要功能是将采集的三相电压、电流信号转化基波电压、电流相量和各次次/超同步电压、电流相量，并将相量数据打上精确的同步时标，然后遵循一定通信协议进行数据打包，最后发送到监测主站。

次/超同步相量测量单元输出的相量数据包括：安装节点的基波和各次次/超同步电压相量，接入所在节点的所有支路的基波和各次次/超同步电流相量，其中相量可采用a,b,c三相相量，也可以是正负零序相量。

次/超同步相量测量单元的布点问题涉及到次/超同步振荡广域监测系统的可靠性与经济性问题，因此需综合考虑技术/经济性。基本的布点原则是应反映目标电网次/超同步振荡的动态可观性。因此，在本发明中，根据各电网的具体情况，可以只在核心节点处装设次/超同步相量测量单元；也可以在重要节点、系统薄弱节点、对系统稳定性要求较高的节点等处布设较多的次/超同步相量测量单元；还可以在超过一定电压等级的每个节点处均装设次/超同步相量测量单元。

S3：对所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进行同步处理和同步状态估计得到目标电网的次/超同步振荡情况。

具体地，监测主站的功能如图4所示，监测主站对从各监测子站发来的带时标的次/超同步相量数据进行“同步对齐”操作，即根据相量数据包中包含的秒脉冲信息和每秒采样序号将其置于实时数据库和/或历史数据中对应时标位置，从而使得主站获得各个时间断面全局的次/超同步相量信息。当电网中存在多个次/超同步模态时，还需将各子站的相量数据“分拣”置于对应的次/超同步模态数据列中，以利于后续状态估计。监测主站建立、构造和维护实时和历史两级数据库，并按照同步时间序列对相量数据进行存储、检索等操作。

在本发明的一个实施例中，同步处理的步骤还包括：

当监测出某个节点的通信延迟超过通信延迟阈值时，将通信状况信息进行报警和反馈；

采用预滤波、零均值化和错点剔除方法，排除子站上送相量数据中出现的因干扰而导致的大误差数据。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，针对任一次/超同步振荡模式的状态估计包括以下内容：

设定状态变量为：目标电网中对应该振荡模式的节点电压相量和支路电流相量

建立量测方程组，包括

电压量测方程：

电流量测方程：

整体量测方程

将电压量测方程和电流量测方程写成如下矩阵形式：

AX-Z＝0

其中，为状态变量列向量；A为系数矩阵，Z为量测值列向量；在上述表达式中，状态变量以及量测值均为相量，在求解过程中需将状态变量以及量测值分解为相量幅值和相角，或者实部和虚部的表达形式。

设目标函数为f(X)＝ξ^TWξ,ξ＝AX-Z

其中ξ为量测向量；W为权重矩阵，可根据系统实际情况设定。

因此状态估计的最优化问题即为根据上述量测方程和量测值，求解目标函数达到最小值的状态变量，即：min f(X)

对于状态估计最优化问题的求解，常采用状态估计算法实现。对于一般正常条件下的电力系统状态估计，可选用常见算法，如牛顿－拉夫逊法、快速分解法；对于病态条件下的电力系统状态估计可采用最优乘子法；且实现方法多样。

S4：根据目标电网的次/超同步振荡情况进行显示，并根据预设的预警规则判断目标电网的次/超同步振荡情况是否需要预警。

具体地，监测主站通过次/超同步振荡全景显示功能展示电网全局的次/超同步运行状态；具体地，在本发明实施例中，具体功能包括：

通过分析接收到的量测信息，画出目标电网的拓扑图；

基于上述次/超同步状态估计，将目标电网中的各阶次/超同步电压、电流等目标电网的状态相量在相应节点和支路处按照一定的参考方向表示出来，形成次/超同步振荡的状态分布图；

基于次/超同步振荡电压、电流，计算各阶次/超同步功率，显示次/超同步潮流图，呈现该潮流的输出节点(源)和吸收节点(汇)，以及在电网上的流向和分布，供调度运行人员了解次/超同步振荡的整体路径；

将次/超同步振荡分析结果以曲线和表格形式显示到调度员操作界面，有助于调度员更加清晰地判断分析。

监测主站通过分析目标电网的状态相量，结合相应的安全预警判据,通过闪烁告警等方式提示目标电网发生次/超同步振荡，并向相关部门发出紧急信号，报告危险情况，及时采取相应措施，最大程度地减小次/超同步振荡对系统的影响。

具体地，在本发明实施例中，为实现监测主站次/超同步振荡预警功能典型的安全预警判据主要包括：

幅值判据：设置目标电网中各个节点处的次/超同步电压阈值为U₁₀、U₂₀、…、U_i0、…、U_M0，对于任意节点i处的电流阈值为I_i10、I_i20、…、I_ik0、…、I_in0。分别将各节点处次/超同步电压幅值U_i、电流幅值I_ik与相应的阈值比较，若满足U_i>U_i0、I_ik>I_ik0，即表示次/超同步电压电流幅值越限，则发出预警信号。

不稳定判据或发散判据：估算各节点电压、电流幅值的发散率，判断是否收敛，可采用典型的峰值计算，Prony方法实现。当判定电压、电流幅值发散时，发出预警信号。

频率判据：设系统中各节点处发电机组轴系次/超扭振频率为f_im(i＝1,2,...,N，N表示系统中发电机组的个数，m＝1,2，..,M_i,M_i表示该发电机的模态数)，判断系统频率f与f_im的关系，当满足mod(|f±f_i0|,50)<ε时，表示系统频率靠近某一发电机组轴系扭振频率的互补频率，则认为该次/超同步振荡可能激发较严重的发电机轴系扭振，监测主站发出预警信号。其中，ε为较小的数值，其大小可根据系统特性设定。

振荡源辨识：设节点电压、电流次/超同步相量幅值和相角分别为：I_m、U_m、计算与节点电压、电流次/超同步分量频率相同的系统阻抗，计算表达式如下：

判断系统阻抗实部虚部的极性，若满足R<0且X<0，则可判断该节点处包含有振荡源，监测主站发出预警信号。

本发明实施例还公开了一种力系统次/超同步振荡广域监测系统。如图5所示，一种力系统次/超同步振荡广域监测系统，包括：电网划分模块210、多个监测子站220和监测主站230。

其中，电网划分模块210用于对将目标电网划分为多个分区。多个监测子站220一一对应地设置在多个分区中，多个监测子站220用于采集多个分区的次/超同步电压和次/超同步电流。监测主站230和多个监测子站220相连，用于对所有监测节点的次/超同步电压和次/超同步电流进行同步处理和同步状态估计得到目标电网的次/超同步振荡情况。监测主站230还用于根据目标电网的次/超同步振荡情况进行显示，监测主站230还用于根据预设的预警规则判断目标电网的次/超同步振荡情况是否需要预警。

在本发明的一个实施例中，多个监测子站220进一步用于将所有监测节点采集的三相电压、电流信号转化基波电压、电流相量和各次次/超同步电压、电流相量，并将相量数据打上同步时标形成多个数据包，并将多个数据包发送给监测主站230。

在本发明的一个实施例中，监测主站230进一步用于根据多个数据包中包含的秒脉冲信息和每秒采样序号将其置于实时数据库和/或历史数据中对应时标位置，从而使得主站获得各个时间断面全局的次/超同步相量信息。

在本发明的一个实施例中，监测主站230还用于：当监测出某个节点的通信延迟超过通信延迟阈值时，将通信状况信息进行报警和反馈；采用预滤波、零均值化和错点剔除方法，排除子站上送相量数据中出现的因干扰而导致的大误差数据。

在本发明的一个实施例中，监测主站230还用于：基于电网拓扑和模型参数，利用经同步处理后的各节点测得的该模式节点电压相量和支路电流相量，建立状态估计量测方程，进而求解该方程得到对应次/超同步模式的状态相量，最终得到目标电网在相应时间断面和该次/超同步模式上的全局状态。

需要说明的是，本发明实施例的次/超同步振荡广域监测系统属于一个完整的系统整体，包括监测主站和监测子站，监测子站和监测主站系统均可以是一个独立的装置，或者也可以嵌在现有的软件系统中。结构简单，实现方法多样。

另外，本发明实施例的电力系统次/超同步振荡广域监测方法和系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。