CN104184157A - 基于波形循迹的在线低频振荡快速判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形循迹的低频振荡的在线快速判定方法，其特点是利用交流断面功率信号通过波形循迹实时在线监测低频振荡，为采取相应措施提供依据。同时该方法计算量小、计算时间短，并且能够准确判定低频振荡。对于实际***具有简单快速实用的优点。

Description

基于波形循迹的在线低频振荡快速判定方法

技术领域

本发明涉及一种基于波形循迹的在线低频振荡快速判定方法，属于交直流输电协调控制领域。

背景技术

电力***并列运行机组间在受到扰动后出现的功率振荡现象被称为低频振荡，其振荡频率一般在0.2Hz～2.5Hz之间。产生低频振荡的机理是由于在特定情况下***提供的负阻尼作用抵消了***发电机、励磁绕组和机械方面的正阻尼，使***总阻尼很小(呈弱阻尼)或为负阻尼。而***在负阻尼工况下受到扰动时，扰动会被逐步放大，进而引起功率的低频振荡，严重时导致***失步。低频振荡常出现在弱联系、远距离、重负荷的线路上，在采用快速励磁和高放大倍数的励磁***条件下更易发生***功率低频振荡。

随着电力***的不断扩大及高放大倍数的快速励磁***等控制设备的投入，低频振荡现象日益突出。例如：1998年、2000年川渝电网二滩送出***；2003年南方—香港交直流输电***；2005年内蒙古西部电网与华北电网之间的功率振荡；2006年华中“7.1”事故中辛洹线长时间功率振荡后被迫手动解列。功率振荡问题已严重威胁电力***的安全稳定运行，引起了有关方面的重视，在采取措施进行有效预防低频功率振荡的基础上，若电网一旦发生低频振荡，应能立即检测发现，并根据电网的特点实施紧急控制以消除振荡，防止事故扩大。

现有的低频振荡判据主要根据特征值分析方法：在线辨识相关电气信号的阻尼比、振荡幅值及周期振荡参数进行判别。但是这类方法计算量大、判定时间长，对于实际电网应用效果不理想。其他针对功率振荡解列的判据主要有电流型解列判定，阻抗型解列判定、相角型解列判定以及功角型解列判定。但此类判定主要用于失步振荡解列，不涉及低频振荡的在线监测抑制。

因此，急需一种对于低频振荡的实时在线监测判定方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种基于波形循迹的低频振荡的在线判定方法，其特点是利用交流断面功率信号通过波形循迹实时在线监测低频振荡，为采取相应措施提供依据，同时该方法计算量小、计算时间短，并且能够准确判定低频振荡。对于实际***而言，具有简单快速实用的优点。

本发明的目的由以下技术措施实现

基于波形循迹的在线低频振荡快速判定方法包括以下步骤：

1、滤波器预滤波

为滤去直流及高频分量，首先将实时测量得到的功率数据通过巴特沃兹带通滤波器式中s为复变量，该滤波器的带宽为[0.104Hz，2.44Hz]；

2、提取振荡周期T

通过预滤波后的功率振荡信号的正负改变的时间点来确定振荡周期。监测经过滤波器的功率信号，当信号正负号改变时开始计时，设此时为t_k-1，继续监测直到下一个符号改变时刻t_k，则振荡周期T＝2Δt_k＝2(t_k-t_k-1)。针对低频振荡，为防止测量误差和毛刺的干扰，Δt_k必须满足0.41s≤Δt_k≤9.62s，而振荡频率则0.104Hz≤f≤2.44Hz；若符号改变时刻t_k使得Δt_k过大或者过小，则该t_k计时无效；为限定控制器动作频段，可增设判定T_min≥T≥T_max，T_min与T_max为限定的周期最小与最大值；

3、提取功率振荡幅值并验证周期准确性

在Δt_k有效时，对每个经过上述滤波器的功率信号进行比较，寻找出一个周期时间T内的功率最大值P_maxk与最小值P_mink，并计算功率振荡幅值ΔP_k＝|P_maxk-P_mink|作为判据之一；计算相邻振荡周期幅值比值用以确定振荡类型(增幅、减幅或等幅)；当振荡为大幅度减幅振荡时，控制器不投入；同时，计算功率最大值P_maxk与最小值P_mink之间的时间差|t_maxk-t_mink|用以验证是否与先前的周期测量值Δt_k相差不大，若相差太大则视为计算或测量有误，重新返回第一步；除第一次变号，有效变号两次计数一次，统计振荡次数N，当以上判定满足，振荡次数大于设定值时，投入控制器；则判定方法用下式概括：

$\left\{\begin{array}{c}0.41s\≤(\mathrm{\Δ}{t}_k=t_k-t_{k-1})\≤9.62s---\left(1\right)\\ T_{\min }\≥T\≥T_{\max }---\left(2\right)\\ \left|\right|t_{\max k}-t_{\min k}|-\mathrm{\Δ}{t}_k|\≤\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{set}}|---\left(3\right)\\ \mathrm{\Δ}{P}_k\≥\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{set}}---\left(4\right)\\ K\≥K_{\mathrm{set}}---\left(5\right)\\ N\≥N_{\mathrm{set}}---\left(6\right)\end{array}\right.$

式中：Δt_set为测量周期有效性验证设定值，ΔP_set为功率振荡设定值，K_set为减幅振荡设定值，N_set为振荡次数设定值。

本发明具有如下优点：

本发明利用交流断面有功功率信号进行波形循迹判定低频振荡，信号易于取得；该方法简单准确，大大缩短了低频振荡判定的时间，为后续抑制措施提供了较大的时间裕度。对于大***而言具有简单快速、易于实现的优点。

附图说明

图1为四机两区域***结构图

发电机均包括励磁及调速***，区域I包括发电机1、发电机2、负荷1、负荷2，区域II包括发电机3、发电机4、负荷3、负荷4，两区域由一条直流及一条交流联络线连接。

图2为巴特沃兹带通滤波器波特图

图3为低频振荡功率信号图

所取振荡信号为四机两区域***的交流联络线功率信号。

图4为低频振荡功率信号局部放大图

图5为基于波形循迹的在线低频振荡快速判定流程图

1输入交流联络线有功功率平均值经带通滤波器后的信号P_k及对应时刻t_k，同时初始化相关变量；2判定功率变号时间差是否满足要求；3判定振荡周期是否满足指定范围；4判定振荡周期校核是否满足要求；5判定功率振荡幅值是否满足要求；6判定功率振荡幅值比是否满足要求；7判定满足上述条件的有效振荡次数是否达到设定值；8执行投入控制器；9判定控制器是否在投入中；10控制器投入时，控制器退出同时相关参数清零。

图6为低频振荡判定结果图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

四机两区域***如图1所示，区域I包括发电机1、发电机2、负荷1、负荷2，发电机1、2通过变压器与直流整流侧连接，负荷1、2连接于整流侧母线；区域II包括发电机3、发电机4、负荷3、负荷4，发电机3、4通过变压器与直流逆变侧连接，负荷3、4连接于逆变侧母线；两区域由一条直流及一条交流联络线连接，其中发电机均包括励磁及调速***，直流采取整流侧定电流，逆变侧定熄弧角运行方式。

1.判定实现

通过Matlab软件，编程实现低频振荡判据。再利用相关接口实现与电磁暂态仿真软件PSCAD的互联，并实时传输功率数据，发送指令。

2.***参数及振荡特性

实施算例采用四机两区域电力***，网络结构图如图1所示。发电机模型均包括励磁及调速***，直流***正常情况控制方式为整流侧定电流、逆变侧定关断角控制。利用TLS-ESPRIT辨识技术对各发电机进行低频振荡特性辨识，结果如表1所示。

表1低频振荡模式TLS-ESPRIT辨识结果

由表1得知，四机两区域***有1.08Hz、1.17Hz及0.69Hz共3个振荡模式。其中1.08Hz为区域1的局部振荡模式，发电机1逆反与发电机2摇摆；1.17Hz为区域2的局部振荡模式，发电机3逆反于发电机4摇摆；0.69Hz为区域间振荡模式，发电机1、2逆反于发电机3、4摇摆。

3.判定模块相关参数整定及初始化

在PSCAD软件中搭建自定义模块，并利用Matlab程序编写判定方法，与PSCAD软件自定义模块相连。在Matlab程序中对判定模块的参数进行整定，周期有效性验证Δt_set判定值设定为0.1秒；减幅振荡比例判定值K_set设置为0.5；功率振荡幅值ΔP_set设定为0.5p.u.；振荡次数N_set设定为5次；不限定控制器控制频段。以上整定值均可根据电网实际情况及需要设定其他不同的值。

4.低频振荡模式的激发

通过设定多种故障均可产生低频振荡信号，此处设置在逆变侧交流母线1％处发生单相短路接地故障，发生时刻为1秒，持续0.5秒后消失。

5、信号提取及准确性验证

为滤去直流及高频分量，将实时测量得到的功率数据通过巴特沃兹带通滤波器，滤波器传递函数为

$\frac{13s}{s^2+11s+10}$

该低通滤波器的波特图如图2所示。在仿真软件启动仿真时，外部程序便开始判定。实时提取交流联络线功率信号并传送给外部判定程序，由于实际电网中存在测量误差，在传输的功率信号中加上5％幅值的随机信号，最终得到振荡信号如图3所示。

图4为振荡信号局部放大图，可见信号并不平滑，毛刺较多，与电力***真实波形一致。

对于上述***及整定的参数，根据图5所示的判定流程为：

1)输入交流联络线有功功率平均值经带通滤波器后的信号P_k及对应时刻t_k，同时初始化相关变量；2)判定功率变号时间差是否满足要求，若满足要求进行下一步，继续判定振荡周期是否满足，若不满足返回第1步；3)判定振荡周期是否满足指定范围，若满足要求进行下一步，继续判定振荡周期校核是否满足要求，若不满足返回第1步；4)判定振荡周期校核是否满足要求，若满足要求进行下一步，继续判定功率振荡幅值是否满足要求，若不满足返回第1步；5)判定功率振荡幅值是否满足要求，若满足要求进行下一步，继续判定功率振荡幅值比是否满足要求，若不满足进入第9步；6)判定功率振荡幅值比是否满足要求，若满足要求进行下一步，继续判断有效振荡次数是否达到设定值，若不满足返回第1步；7)判定满足上述条件的有效振荡次数是否达到设定值，若满足要求执行投入控制器，若不满足返回第1步；8)执行投入控制器；9)判定控制器是否在投入中，若满足要求，则控制器退出同时相关参数清零，若不满足返回第1步；10)控制器投入时，控制器退出同时相关参数清零。

经过以上流程，判定程序在第6个低频振荡周波时判定为低频振荡，显示字符串“警告！低频振荡发生！”并发出指令“ON＝1”，判定模块响应图如图6所示。结果显示，该判定程序及自定义模块快速有效，在低频振荡后0.27秒就能进行辨别，同时发出的指令“ON＝1”可作为相关低频振荡抑制措施控制的指令。

Claims (1)

1.一种基于波形循迹的在线低频振荡快速判定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)滤波器预滤波

为滤去直流及高频分量，首先将实时测量得到的功率数据通过巴特沃兹带通滤波器式中s为复变量；

2)提取振荡周期T

通过预滤波后的功率振荡信号的正负改变的时间点来确定振荡周期。监测经过滤波器的功率信号，当信号正负号改变时开始计时，设此时为t_k-1，继续监测直到下一个符号改变时刻t_k，则振荡周期T＝2Δt_k＝2(t_k-t_k-1)，针对低频振荡，为防止测量误差和毛刺的干扰，Δt_k必须满足0.41s≤Δt_k≤9.62s，而振荡频率则0.104Hz≤f≤2.44Hz，若符号改变时刻t_k使得Δt_k过大或者过小，则该t_k计时无效，为限定控制器动作频段，可增设判定T_min≥T≥T_max，T_min与T_max为限定的周期最小与最大值；

3)提取功率振荡幅值并验证周期准确性

在Δt_k有效时，对每个经过上述滤波器的功率信号进行比较，寻找出一个周期时间T内的功率最大值P_maxk与最小值P_mink，并计算功率振荡幅值ΔP_k＝|P_maxk-P_mink|作为判定之一，计算相邻振荡周期幅值比值用以确定振荡类型(增幅、减幅或等幅)，当振荡为大幅度减幅振荡时，控制器不投入，同时，计算功率最大值P_maxk与最小值P_mink之间的时间差|t_maxk-t_mink|用以验证是否与先前的周期测量值Δt_k相差不大，若相差太大则视为计算或测量有误，重新返回第一步，除第一次变号，有效变号两次计数一次，统计振荡次数N，当以上判定满足，振荡次数大于设定值时，投入控制器；则判定方法用下式概括：

$\left\{\begin{array}{c}0.41s\≤(\mathrm{\Δ}{t}_k=t_k-t_{k-1})\≤9.62s---\left(1\right)\\ T_{\min }\≥T\≥T_{\max }---\left(2\right)\\ \left|\right|t_{\max k}-t_{\min k}|-\mathrm{\Δ}{t}_k|\≤\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{set}}|---\left(3\right)\\ \mathrm{\Δ}{P}_k\≥\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{set}}---\left(4\right)\\ K\≥K_{\mathrm{set}}---\left(5\right)\\ N\≥N_{\mathrm{set}}---\left(6\right)\end{array}\right.$

式中：Δt_set为测量周期有效性验证设定值，ΔP_set为功率振荡设定值，K_set为减幅振荡设定值，N_set为振荡次数设定值。