CN102944798B - 一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，涉及电力***调度自动化及电网的安全运行。该方法是在电网中发生负阻尼低频振荡或强迫功率振荡时，基于电网广域测量***（WAMS）采集的数据，计算各发电机和负荷支路的能流方向因子，判断电网中是否存在明确的外部扰动源，如果存在明确的外部扰动源，则判断低频振荡机理是强迫功率振荡，如果没有明确的外部扰动源，则判断低频振荡机理是负阻尼低频振荡。本发明的优点是：能够在电网发生低频振荡时为电力调度部门及时采取相应措施快速抑制振荡提供依据，且计算方法简便易行，计算速度快，能够适应电网实时判断振荡机理的要求，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及电力***调度自动化及电网的安全运行，更具体涉及判别电网低频振荡是属于负阻尼低频振荡，还是属于强迫功率振荡。
背景技术
电力***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。对于低频振荡产生的机理，理论上比较完善工程应用最多的是负阻尼理论，F．Demello等于1969年运用阻尼转矩的概念对单机一无穷大***中的低频振荡现象进行了机理研究，认为低频振荡产生的原因是由于高放大倍数的励磁***产生了负阻尼作用，抵消了***固有的正阻尼，使得***的总阻尼很小或为负，这样一旦出现扰动，就会引起转子增幅振荡或振荡不收敛。低频振荡较容易发生在负载较重的长条形***中，除了励磁***对***阻尼有较大影响外，***的网架结构、运行方式、负荷特性以及调速器参数对***振荡的阻尼均有较大的影响。
强迫振荡理论对一些实际发生功率振荡有较好的解释，越来越受到国内外专家学者的认同，该理论认为当***受到外界持续周期性功率扰动的频率接近***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***强迫功率振荡的基础理论》；杨东俊等在电力***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***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***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。
虽然，负阻尼低频振荡和强迫功率振荡具有非常相似的表现形式，但是由于发生机理不同，采用的抑制措施也不相同。在调度运行中，对于负阻尼低频振荡主要采用各种增强***阻尼的措施包括：降低相关发电机组有功输出，减小配出线路或***间联络线的传输功率，提高发电机机端电压，将电压调节器退出运行，或降低放大倍数，投运PSS和各种类型的阻尼控制器等；对于抑制强迫功率振荡的最直接有效的方法就是迅速找到并切除扰动源。因此，在振荡发生时根据振荡特征迅速判断振荡机理，是快速抑制振荡、防止振荡扩散的关键技术和前提。
目前，当电网中发生低频振荡时，尚无方法能够对振荡的机理做出及时、有效的判断，往往依靠调度人员的经验采取措施，难以快速、及时地抑制振荡。
杨东俊等在电力***自动化2012，36（2）：26-30发表的《基于参数辨识的强迫功率振荡扰动源定位方法》论文中，提出了通过对振荡数据的参数辨识求解能流方向因子的强迫功率振荡的扰动源定位方法，主要的技术原理如下：
对于单机无穷大***，发电机采用二阶经典模型，小扰动情况下线性化转子运动方程为：
（1）
式中：为机组惯性常数，为发电机阻尼系数，为扰动功率变化量，为电功率变化量，为转子角偏移，为转速变化量，为基准频率。
对式（1）进行初积分，可得***的能量函数为：
（2）
式中：
动能函数：；
势能函数：；
外施扰动能量函数：;
阻尼耗散能量函数：;
在强迫功率振荡的稳态阶段，扰动频率与***固有频率近似相等，此时外施扰动做功与***阻尼耗散能量相等， ，***的动能与势能完全转换，，***表现为无阻尼自由振荡。
外施扰动做功注入***的能量是通过势能在网络中传播，***中支路Li-j的i端势能函数为：
（3）
式中：为支路功率变化量，为支路i端频率变化量。
在强迫功率振荡的稳态阶段，各状态量都以扰动频率周期性的变化，设，，其中、分别为支路功率、频率变化幅度，、为支路功率、频率变化初相位，为扰动频率；代入（3）式可得：
（4）
式中：
（5）
（6）
外施扰动注入***并在网络中传播消耗的能量主要由式（4）的非周期分量即式（6）体现，文中将定义为“能流方向因子”，能流方向因子能够表征势能中非周期性分量的大小及方向。当能流方向因子时势能趋势为流出节点，当时势能趋势为流入节点，据此可以判断支路势能非周期分量的流动方向。对于强迫振荡扰动源所在节点是能流方向因子最大的振荡功率输出节点，其能流方向因子远大于其他节点。
对于负阻尼低频振荡，外施扰动能量函数，***的动能与势能完全转换，，理论上势能函数中不存在明显的趋势，支路的能流方向因子，同时各节点的值大小比较接近，不会象强迫功率振荡扰动源节点值远远大于其他节点。
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：
其中：为振荡模式的个数；对于第个振荡模式，为振荡幅值；为阻尼因子；为振荡角频率；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，在工程实践中被广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，该方法基于能流方向因子能够判断电网的低频振荡是由强迫振荡机理还是由负阻尼机理引起的。在振荡的稳态阶段，虽然强迫功率振荡和负阻尼低频振荡具有相似的波形特征，但是由于两种振荡的产生机理不同，强迫功率振荡是由外界周期性扰动引起，必然存在明确的外部扰动源；而负阻尼低频振荡是由于***欠阻尼所引起，不存在明确的外部扰动源。因此，根据振荡中是否存在明确的扰动源，可以对强迫功率振荡和负阻尼低频振荡进行判别。本发明物理概念明确，易于实施，能够为调度决策提供参考。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：在振荡发生时，基于电网广域测量***（WAMS）采集的数据，计算各发电机和负荷支路的能流方向因子，判断电网中是否存在明确的扰动源，并据此判断振荡机理是强迫功率振荡或负阻尼低频振荡。
一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，该方法包含下列步骤：
a、在有台发电机和个负荷的交流互联电网中，各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的两端均装设同步相量测量单元PMU；
b、当广域测量***监测到电网中振荡的主导振荡频率、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***发出低频振荡告警后，以个振荡周波为一组，持续传递各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的有功功率，频率及主导振荡频率的数据，其中：m=1，2，3，…，M+N；
d、采用Prony方法对发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的有功功率、频率数据进行参数辨识，得到主导振荡频率模式下，支路的功率幅值、起始节点频率振荡幅值、功率初相位、频率振荡初相位；
e、将、、、代入下式求各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的能流方向因子：
，
其中：为基准角频率，，为电网基准频率；得到发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的能流方向因子；以功率流出节点方向为正，取发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中电网侧PMU采集点的数据计算，当能流方向因子时，振荡能量从发电机或负荷流向电网；当时，振荡能量从电网流向发电机或负荷；
f、设在发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中共有t个支路能流方向因子小于0（），求出发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中能流方向因子绝对值最大的支路e，表示支路e的能流方向因子绝对值，，支路e的能流方向因子绝对值远大于其它发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路s（），表示支路s的能流方向因子绝对值，当时,振荡机理为强迫功率振荡，扰动源位于支路e连接的发电机或负荷；当各支路的能流方向因子绝对值基本相同时，振荡机理为负阻尼低频振荡。
本发明具有以下优点：
1、与现有的低频振荡类型判别方法相比，本发明通过计算能流方向因子判别低频振荡是否具有明确的扰动源这一本质特征，来区分强迫振荡机理和负阻尼振荡机理引起的低频振荡，能够在电网发生低频振荡时为及时采取相应措施快速抑制振荡提供依据。
2、本发明计算方法简便易行，计算速度快，能够更好的适应电网实时判断振荡机理的要求，实用性强。
附图说明
图1为一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法流程示意图。
图2为电力***示意图。
其中，G1，G2，…，GM为电网中的M台发电机，L1，L2，…，LN为电网中的N个负荷；A1，A2，…，AM为发电机与电网连接支路中发电机侧的PMU监测点，B1，B2，…，BM为电网侧的PMU监测点；D1，D2，…，DN为负荷与电网连接支路中负荷侧的PMU监测点，C1，C2，…，CN为电网侧的PMU监测点。
图3为4机2区电力***示意图。
其中，G1，G2，G3，G4为电网中的4台发电机；PL1，PL2为电网中的2个负荷；T1，T2，T3，T4为电网中的4台变压器；C7和C9为电网中的2台电容器；1，2，…，11为电网中的节点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示，一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，该方法包含下列步骤：
a、在有台发电机和个负荷的交流互联电网中，各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的两端均装设同步相量测量单元PMU；如图2所示，在发电机与电网的连接支路中A1，A2，…，AM为发电机侧PMU监测点，B1，B2，…，BM为电网侧PMU监测点；在负荷与电网的连接支路中D1，D2，…，DN为负荷侧PMU监测点，C1，C2，…，CN为电网侧PMU监测点；
b、当广域测量***监测到电网中振荡的主导振荡频率、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***发出低频振荡告警后，以个振荡周波为一组，持续传递各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的有功功率，频率及主导振荡频率的数据，其中：m=1，2，3，…，M+N；
d、采用Prony方法对发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的有功功率、频率数据进行参数辨识，得到主导振荡频率模式下，支路的功率幅值、起始节点频率振荡幅值、功率初相位、频率振荡初相位；
e、将、、、代入下式求各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的能流方向因子：
，
其中：为基准角频率，，为电网基准频率；得到发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的能流方向因子；以功率流出节点方向为正，取发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中电网侧PMU采集点的数据计算，即取附图图2的B1，B2，…，BM和C1,C2，…，CN侧的量测数据计算，当能流方向因子时，振荡能量从发电机或负荷流向电网；当时，振荡能量从电网流向发电机或负荷；
f、设在发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中共有t个支路能流方向因子小于0（），求出发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中能流方向因子绝对值最大的支路e，表示支路e的能流方向因子绝对值，，支路e的能流方向因子绝对值远大于其它发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路s（），表示支路s的能流方向因子绝对值，当时,振荡机理为强迫功率振荡，扰动源位于支路e连接的发电机或负荷；当各支路的能流方向因子绝对值基本相同时，振荡机理为负阻尼低频振荡。
设，当低频振荡机理为强迫功率振荡时，一般，即；当低频振荡机理为负阻尼低频振荡时，一般；
由于电网结构的复杂性及电网运行的多样性，其它情况也可能发生，判别方法如下：
当，振荡机理为强迫功率振荡；
当，振荡机理很可能为强迫功率振荡；
当，振荡机理可能为强迫功率振荡；
当，振荡机理为负阻尼低频振荡。
实施例二
当附图3所示的4机2区***发生低频振荡时，应用本发明的一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法来判别低频振荡机理，步骤如下：
a、在附图图3所示的交流互联电网中有G1、G2、G3、G4共4台发电机组和PL1、PL2共2个负荷。4台发电机组分别接入节点1、2、3、4，2个负荷分别接入节点7和9。电网中所有节点和支路均装有PMU设备，振荡发生后数据同步传输到电网调度中心的广域测量***。
b、当广域测量***监测到电网中发生低频振荡满足设定的告警阈值，立即发出低频振荡告警；
c、在广域测量***发出振荡告警后，将节点1、2、3、4端采集发电机G1、G2、G3、G4的连接支路1-G1、2-G2、3-G3、4-G4，以及节点7、9端采集的负荷PL1、PL2的连接支路7-PL1、9-PL2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。
d、分析程序采用Prony分析方法对各发电机和负荷支路的有功功率和频率数据进行参数辨识，得到主导振荡频率模式下有功功率振荡幅值、频率振荡幅值、支路功率初相位、频率振荡初相位。
表1 发电机和负荷支路振荡参数辨识结果
。
e、将辨识的、、、计算结果代入公式（5）求解各发电机及负荷支路的能流方向因子,取电网基准频率Hz，计算结果如下：
表2 发电机和负荷支路能流方向因子计算结果
。
从表2计算结果可见，、、均小于0，说明振荡能量从发电机G1、G2、G4分别流入电网节点1、2、4；、、均大于0，说明振荡能量从节点3、7、9分别流向发电机G3和负荷PL1和PL2。
f、在能流方向因子小于0的1-G1, 2-G2, 4-G4支路中，250.67，则有，即说明发电机G1与电网连接支路能流方向因子绝对值远大于其他支路，发电机G1为低频振荡的扰动源，振荡机理为强迫功率振荡。
Claims (2)
1.一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
a、在有M台发电机和N个负荷的交流互联电网中，各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的两端均装设同步相量测量单元PMU；
b、当广域测量***监测到电网中振荡的主导振荡频率ω、有功功率振荡幅度ΔPT、持续的周波数n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***发出低频振荡告警后，以n个振荡周波为一组，持续传递各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的有功功率ΔPm，频率Δωm及主导振荡频率ω的数据，其中：m＝1，2，3，…，M+N；
d、采用Prony方法对发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的有功功率ΔPm、频率Δωm数据进行参数辨识，得到主导振荡频率ω模式下，支路的功率幅值ΔPm12、起始节点频率振荡幅值Δωm1、功率初相位频率振荡初相位
e、将ΔPm12、Δωm1、代入下式求各发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路的能流方向因子：
其中：ω0为基准角频率，ω0＝2πf0，f0为电网基准频率；得到发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中的第m条支路的能流方向因子bm；以功率流出节点方向为正，取发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中电网侧PMU采集点的数据计算，当能流方向因子bm＜0时，振荡能量从发电机或负荷流向电网；当bm＞0时，振荡能量从电网流向发电机或负荷；
f、设在发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中共有t个支路能流方向因子小于0，1≤t≤M+N，求出发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路中能流方向因子绝对值最大的支路e，|be|表示支路e的能流方向因子绝对值，|be|＝max{|b1|，b2|，------，|bt|}，支路e的能流方向因子绝对值远大于其它发电机与电网连接支路及负荷与电网连接支路s，s＝1，2，------，t，s≠e，|bs|表示支路s的能流方向因子绝对值，当|be|＞＞|bs|时，振荡机理为强迫功率振荡，扰动源位于支路e连接的发电机或负荷；当各支路的能流方向因子绝对值基本相同时，振荡机理为负阻尼低频振荡。
2.根据权利要求1所述的一种负阻尼低频振荡与强迫功率振荡判别方法，其特征在于，设当|be|≥80％|bΣ|时，认为|be|＞＞|bs|；当|be|＜20％|bΣ|时，认为各支路的能流方向因子绝对值基本相同。
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| CN102944798A (zh) | 2013-02-27 |
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