专利名称：基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法
技术领域：
本发明属于电力系统动态监测技术领域，尤其涉及一种全网范围内多个量测点通 过微扰动信号振荡模式辨识确定系统低频振荡模式特征的电力系统在线预警方法。
背景技术：
随着电力系统互联规模的扩大以及大型机组快速励磁系统的采用，低频振荡问题 日益突出，电力系统的安全稳定运行正面临巨大的挑战。从国内外已经发生的多次低频振 荡事故来看，这种事故对电网危害严重，大大制约了电网的输电能力。现有电力系统低频振荡在线监测主要使用周期_振幅波形检测法或者改进Prony 算法。其中周期-振幅波形检测法对系统发生的单一模式振荡能够实现快速检测，而Prony 方法存在当被监测信号数目增多时分析时间要求与被监测过程的实时性要求有一定冲突， 因而该方法更多应用于非实时振荡成分分析。还有将这两种方法综合使用的做法，实现对 电力系统发生的低频振荡进行监视与分析。上述在线监测方法主要是针对系统出现的大扰动故障为调度运行人员提供决策 依据，但为了减轻调度员负担，设置了检测结果告警阈值。仅当检测到的振荡频率、振荡阻 尼比以及振荡幅值满足告警条件时才发出告警。这样上述方法一般只在电力系统发生较明 显振荡时才有分析结果输出，而且其算法原理本身也是针对较明显振荡信号进行分析，不 能在系统正常运行状态下评估系统特性。而通过观察广域测量系统所捕捉到的系统内各地点大量实时稳态数据可以发现， 电力系统即使处于正常运行状态，稳态的概念也是相对的。由于时刻存在负荷投切等随机 性质的微小扰动，系统内各信号均存在类似噪声的小幅波动。为与上述分析方法所使用的 大扰动信号相区分，将这种类似噪声的小幅波动信号称为微扰动信号。如何从系统正常运 行时存在的大量微扰动信号进行电力系统低频振荡模式分析，将电力系统监视功能从实时 告警走向预警，为运行调度决策提供更充裕的时间，则成为一个迫切需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有电力系统低频振荡监测方法主要针对较明显振荡信号进行分析的 不足，本发明提供一种使用电力系统正常运行时存在的大量微扰动信号进行低频振荡模式 辨识，并根据辨识结果提供在线预警的方法。考虑到现阶段PMU量测精度与微扰动信号自 身变化幅度，实际可用于辨识分析的信号类型主要是有功功率量测信号，因此本发明中辨 识分析所使用的微扰动信号均为有功功率量测信号。基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法，其特征在于，使用 广域测量系统提供的各量测点的微扰动信号，进行以下步骤的计算分析步骤1 确定检测配置参数，并收集全网范围内各量测点实时微扰动数据；步骤2 对单一量测点单一分析窗口微扰动信号进行降采样率、去均值处理，分别计算自回归模型部分的系数和滑动平均模型部分的系数，求解由自回归模型系数所构成的 特征多项式的特征值，然后计算测点振荡模式的振荡频率和阻尼比；步骤3 收集通过步骤2得到的不同量测点在不同分析窗口下的振荡模式计算结 果，使用聚类分析方法进行计算，得到全网范围的低频振荡模式的振荡频率和阻尼比；步骤4:根据步骤3得到的全网范围内的低频振荡模式结果对应的阻尼水平，与大 扰动低频振荡检测告警相配合，当大扰动低频振荡检测功能没有告警输出时，发出一般预 警或严重预警两种的预警信息；步骤5 保存系统低频振荡模式辨识的振荡频率和阻尼比结果，用于电力系统低 频振荡机理分析等研究工作。本发明的有益效果是充分挖掘出广域测量系统所收集的大量微扰动数据背后所 包含的系统振荡信息，为系统运行提供及时可靠的预警，通过与大扰动告警方式的配合，实 现了使用不同形式电力系统信号进行电力系统低频振荡全面监测。同时微扰动在线监测分 析提供的大量系统连续运行下的振荡模式结果记录，为更好地了解掌握电力系统低频振荡 现象规律提供了条件。
图1是基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法流程图。图2是使用ARMA模型方法进行单一量测点单一分析窗口模式分析流程图。图3是某量测点实测功率曲线。图4是对图3实测功率曲线进行模式分析的振荡模式结果。图5是使用聚类分析方法的不同模式聚类结果。图6是对多个量测点多个分析窗口分析结果进行综合得到的不同系统模式频率 变化过程。图7是对多个量测点多个分析窗口分析结果进行综合得到的不同系统模式阻尼 比变化过程。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明方法首先对单一量测点单一分析窗口进行模式分析计算，再对多量测点多 分析窗口的计算结果进行综合，得到系统振荡模式结果，然后根据预警条件进行判断是否 需要发出预警信息，并与大扰动监测告警方式实现配合，最后保存振荡模式辨识结果，图1 是基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法流程图。本发明方法各环节具体设计步骤如下步骤1 确定检测配置参数，并收集各量测点实时微扰动数据；广域测量系统按固定速率获取各PMU测量的微扰动实时数据用于分析计算。目 前PMU相位测量的精度要求为士0.2°，频率测量的精度要求为士0.002Hz，使得通过负荷 随机波动引起的正常运行时相位和频率微扰动信号来辨识振荡模式时受到限制。目前电力 系统行业标准对PMU有功功率测量的精度要求为相对于满刻度值的士0. 002，基本能实现 0. 2MW的误差精度。而一般高压线路Q20kV/500kV)上有功功率波动幅度通常能达到几个兆瓦，因此本实施例中使用有功功率量测信号作为辨识算法的输入信号。同时振荡模式辨识分析需要选择合适计算参数(包括计算窗长、更新步长等)。本 实施例中采用的计算窗长为5分钟，显示更新步长为1分钟。步骤2 对单一量测点单一分析窗口微扰动信号进行降采样率、去均值处理，分别 计算微扰动信号自回归模型部分的系数和滑动平均模型部分的系数，求解由自回归模型系 数所构成的特征多项式的特征值，然后计算量测点振荡模式的振荡频率和阻尼比；由于微扰动信号本身所反映的是电网在随机负荷波动下的动态响应，可使用ARMA 模型对信号进行描述。根据信号处理分析理论中的ARMA模型与AR模型的等价性原理，低 阶的ARMA模型可以用高阶的AR模型进行等价描述，因此在实际应用过程中也可以使用阶 数比较高的AR模型进行低频振荡模式的辨识工作。图2是本发明具体实施例中优选使用 的ARMA模型方法进行单一量测点单一分析窗口模式分析流程图，具体实施细节如下步骤2. 1 读入步骤1获取的微扰动实测信号； 步骤2. 2:对微扰动信号进行降采样率、去均值处理，得到平稳零均值信号 χ(κ)}建立微扰动信号ARMA模型为
权利要求
1.一种基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法，其特征在于，使 用广域测量系统提供的各量测点的微扰动信号，进行以下步骤的计算分析步骤1 确定检测配置参数，并收集全网范围内各量测点实时微扰动数据，其中所述参 数包括计算窗长、更新步长；步骤2 对单一量测点单一分析窗口微扰动信号进行降采样率、去均值处理，分别计算 微扰动信号自回归模型部分的系数和滑动平均模型部分的系数，求解由自回归模型系数所 构成的特征多项式的特征值，然后计算量测点振荡模式的振荡频率和阻尼比；步骤3 收集通过步骤2得到的不同量测点在不同分析窗口下的振荡模式计算结果，使 用聚类分析方法进行计算，得到全网范围的低频振荡模式的振荡频率和阻尼比；步骤4 根据步骤3得到的全网范围内的低频振荡模式结果对应的阻尼水平，与大扰动 低频振荡检测告警相配合，当大扰动低频振荡检测功能没有告警输出时，发出一般预警或 严重预警两种的预警信息；步骤5 保存全网范围的低频振荡模式的振荡频率和阻尼比结果。
2.根据权利要求1所述的基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方 法，其特征在于优选计算窗长为5分钟，更新步长为1分钟。
3.根据权利要求1所述的基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方 法，其特征在于在步骤2中优选采用ARMA模型方法进行单一量测点单一分析窗口微扰动 信号分析，得到量测点振荡模式的振荡频率和阻尼比为
4.根据权利要求1所述的基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方 法，其特征在于在步骤3中，优选采用模糊C-均值聚类分析方法实现不同振荡模式的自动 聚类处理，得到全网范围的低频振荡模式的振荡频率和阻尼比。
5.根据权利要求1所述的基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方 法，其特征在于当大扰动振荡监视程序检测到系统正在发生低频振荡，按大扰动振荡监视 程序检测的检测结果发出相应系统振荡告警信息；当大扰动振荡监视程序没有检测到低频 振荡现象时，则按微扰动检测结果发出表示电网低频振荡模式阻尼不足的一般预警或严重 预警信息，其中一般预警的阻尼比阈值设为3%，严重预警的阻尼比阈值设为0%。
全文摘要
一种基于微扰动信号低频振荡模式辨识的电力系统在线预警方法，能够对单一量测点单一数据窗口采用滑动平均自回归模型进行量测点低频振荡模式分析计算，再对多个量测点多个数据窗口的计算结果通过聚类分析工具，进行计算得到并保存全网范围的低频振荡模式的振荡频率和阻尼比结果，然后根据预警阈值条件进行判断是否需要发出预警信息，并与大扰动监测告警方式实现配合。本发明方法可以充分挖掘电力系统运行时大量实测微扰动信号包含的振荡模式信息，为系统运行提供在线预警。同时本发明方法实现了对电力系统低频振荡模式的连续监测，结合统计分析方法，可用于揭示大规模实际电力系统低频振荡机理及影响因素。
文档编号G01R31/08GK102062832SQ201010581009
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者吴京涛, 吴小辰, 时伯年, 杨东, 柳勇军, 门锟, 陈刚, 麦绍辉 申请人:中国南方电网有限责任公司, 中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心, 北京四方继保自动化股份有限公司