（电力系统及其自动化专业论文）电力系统动态响应的数据挖掘.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 电力系统是一个处于不断的扰动之中的复杂动态系统 现代电力系统的新特点 诸如环保约束 跨区联网及电力市场 使得电力系统的运行条件变得更苛刻 更难预 测 掌握系统运行动态对于保证电力系统安全稳定运行越来越重要 通常电力系统的 稳定分析必须依靠建立电力系统模型 对特定故障集数值仿真获得轨迹进行研究 但 是系统运行方式多变 扰动场景可能非常复杂 同时电力系统的模型带有无法完全精 确获得的连续和 或不连续的时变参数 精确模拟电力系统的实际运行动态非常困难 与此相比 由电网数据测量装置 如相量测量装置 p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t p m u 所记录的系统受扰轨迹是对系统动态特性的真实反映 从中提取稳定性信息对掌握系 统运行特点和稳定特性非常重要 本文对实测电力系统动态响应的数据挖掘进行了研究 对当前相量测量数据应用 的状况和存在的问题进行了探讨 提出了实测摇摆曲线的暂态稳定分析算法和时变动 态特性的小波脊分析算法 p m u 与数值积分仿真相同 只能给出系统受扰轨迹 可以据此凭经验判断电力 系统是否稳定 但无法了解其稳定的程度 如果系统运行点离稳定边界足够近 那么 无论多么小的一个参数变化都可能导致系统失稳 因此 除了判断系统是否稳定外 还应该掌握它离开临界稳定条件的距离 即稳定裕度 本文提出的暂态稳定特性提取 算法采用扩展等面积准 贝s l e x t e n d e de q u a l a r e ac r i t e r i o n e e a c 分析实测动态响应 轨迹 给出暂态稳定裕度的量化指标 e e a c 基于轨迹求取稳定裕度指标 不仅适用 于研究积分轨迹 也可用于从p m u 实测摇摆曲线中提取暂态稳定特性 只不过要避 免利用难以精确测量的数学模型参数 在计算过程中 采用动态网络等值方法实时更 新系统降阶导纳阵 并引入同调群等值以适应大系统节点多 系统动态特性复杂的特 点 该方法克服了系统模型和参数误差影响 以及实际大系统结点多 规模大 暂态 特性复杂造成的分析困难 给出了能够精确描述系统稳定状况的量化裕度指标 p m u 的应用推动了从实测曲线中提取动态特性的研究 对研究低频振荡的机理 和指导控制器的设计具有重要作用 电力系统是一个非自治的复杂系统 因而其时间 响应为非平稳过程 这个特点对实测轨线来说格外重要 在系统接近稳定极限时 扰 动可能激发出时变性较强的非线性动力学特性 低频振荡的暂态过程中往往共存着不 同的模式 而各振荡模式又可能随时间而变 特征值方法不能反映时变特性 也不适 用于强非自治非线性的系统 非线性分析理论虽然能够分析振荡特性的非线性特征 但是难以给出直观的振荡特性参数 更无法给出可实施的控制措施 本文引入小波脊 算法分析动态特性 小波脊算法利用小波变换的局部极大值确定信号中存在的主要频 率分量 能够动态检测瞬时频率的变化 适用于非平稳信号的处理 小波脊算法不但 山东大学博士学位论文 能有效消除噪声 并且很好地反映了复杂振荡过程中所包含的多个模式随时间的变化 规律 提高了识别能力和精度 在应用m o r l e t 小波进行分析的过程中 针对电力系 统低频振荡信号的特点 考察了m o r l e t 小波的时频分辨特性 上述两算法的有效性都在对实际大电网的仿真计算得到了验证 可以为电力系统 运行 规划和分析人员提供更可靠的分析结果 本文研究内容是华东电网广域监测分 析保护控制系统 w i d ea r e am o n i t o r i n ga n a l y s i sp r e t e c t i o n c o n t r o l w a r m a p 研究 子课题之一 通过在工程应用中不断完善 必将为全国互联电网的动态稳定监控系统 提供实用的分析工具 关键词动态响应 相量测量装置 暂态稳定 稳定裕度 扩展等面积准贝 i e e a c 动态特性 小波 脊 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa r el a r g e s c a l e c o m p l e x n o n l i n e a rs y s t e m sd i s t u r b e d c o n t i n u o u s l y t h en e wc h a r a c t e r i s t i c sa se n v i r o n m e n tr e s t r i c t i o n n e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n a n dm a n e t d r i v e ng e n e r a t i o nm a k et h eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n to fp o w e rs y s t e mm o r e r i g o r o u sa n di m p o s s i b l et ob ef o r e c a s t s oi ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t ok n o wo p e r a t i o n d y n a m i c so fi n t e r e s t t h ec a l c u l a t i o no ft r a n s i e n ts t a b i l i t yb yt h er e g u l a rt i m ed o m a i n s i m u l a t i o nm e t h o di sb a s e do np o w e rs y s t e mm o d e l s p a r a m e t e r sa n dg i v e nf a u l tc a s e s b u t i ti sv e r yd i m c u l tt oa c c u r a t e l ys i m u l a t et h er e a lo p e r a t i o nd y n a m i c sb e c a u s et h ev a r i a n t o p e r a t i n gs t a t e s c o m p l e xd i s t u r b a n c es c e n a r i o sa n di n a c c u r a t ec o n t i n u o u so rd i s c o n t i n u o u s t i m e v a r i a n tp a r a m e t e r s i nc o n t r a s t t h ed i s t u r b e dp o w e rs y s t e mt r a j e c t o r i e sr e c o r d e db y d a t am e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa sp h a s o rm e a s u r e m e mu n i t s p m u c a l lr e f l e c tt h er e a l d y n a m i c so fp o w e rs y s t e m s e x t r a c t i n gd e e p s e a t e di n f o r m a t i o nf r o mm e a s u r e dd y n a m i c r e s p o n s e i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om a s t e rp o w e rs y s t e m o p e r a t i o n a n d s t a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s t h ew o r kr e p o r t e di n t h i st h e s i si sa b o u td a t am i n i n go fm e a s u r e dp o w e rs y s t e m r e s p o n s e t h ee x i s t e n tp r o b l e m si na p p l i c a t i o no fp h a s o rm e a s u r e m e n ti sd i s c u s s e da sw e l l a st h es t a t eo fa r t t w oa l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e dt op r o c e s st r a j e c t o r i e sa c q u i r e db y p m u o n e f o r a s s e s s i n gs t a b i l i t ym a r g i n b a s e do ne x t e n d e d e q u a l a r e a c r i t e r i o n e e a c o n ef o re x t r a c t i n gt i m e v a r i a n to s c i l l a t i o np e r f o r m a n c eb a s e do nw a v e l e t r i d g ea l g o r i t h m s i m i l a rt on u m e r i c a li n t e g r a t i o ns i m u l a t i o n p m uc a ng i v ea c c u r a t et m j e c t o r i e sf o ra d i s t u r b e dp o w e rs y s t e m a n dt h e nas t a b l e o r n o tt y p ec o n c l u s i o nm i g h tb ec o n c l u d e da sa m a t t e ro fe x p e r i e n c e h o w e v e r n oq u a n t i t a t i v es t a b i l i t yi n f o r m a t i o nc o u l db ed e d u c e df r o m t h et r a j e c t o r i e s i fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o np o i n ti sc l o s ee n o u g ht os t a b i l i t yb o u n d n o m a t t e rh o ws m a l lap a r a m e t e rc h a n g e s t h es y s t e mm a yn o tr e m a i ns t a b l e s on o to n l yt h e s t a b i l i t ys h o u l db ej u d g e db u ta l s ot h es t a b i l i t ym a r g i ns h o u l db ec a l c u l a t e d t h ea l g o r i t h m p r e s e n t e di nt h i st h e s i sa s s e s s e ss t a b i l i t ym a r g i no fg e n e r a t o r s w i n gt r a j e c t o r i e sa c q u i r e d b yp h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t s p m u b a s e do ne e a c w h i c hg i v e sn e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n t c o n d i t i o na n dr i g o r o u ss t a b i l i t ym a r g i no ft r a n s i e n ts t a b i l i t y e e a cc a l c u l a t e ss t a b i l i t y m a r g i nb a s e do nt r a j e c t o r i e ss o i ti sn o to n l ya d e q u a t et ot h ea n a l y s i so fs i m u l a t e d t r a j e c t o r i e sb u ta l s ot o t h a tm e a s u r e db yp m u j u s ta v o i d i n gu s i n gi n a c c u r a t em o d e l p a r a m e t e r s a l t h o u g he e a ch a sb e e nw i d e l yu s e dt oq u a n t i t a t i v e l ya s s c s sp o w e rs y s t e m s t a b i l i t yw i t hd i g i t a ls i m u l a t i o n s n e wp r o b l e m ss h o u l db es o l v e db e f o r ea p p l y i n ge e a ct o t h er e a l t i m em e a s u r e dt r a j e c t o r i e s w h e r et h e r ei sl a c ko fb o t hs y s t e mm o d e l sa n d p a r a m e t e r s s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a na c c u r a t e l ye v a l u a t es t a b i l i t ym a r g i no f t h es w i n gc u r v e sw i t h o u ta n yk n o w l e a g eo ne i t h e rs y s t e mm o d e l so rp a r a m e t e r s d u r i n gt h e p r o c e s so r d e r r e d u c e d n e t w o r ka d m i t t a n c em a t r i xi sd e r i v e db yd y n a m i cn e t w o r k e q u i v a l e n c e i nt h ea n a l y s i so fl a r g es y s t e m s c o h e r e n c ee q u i v a l e n c e i sp e r f o r m e dt o a c c o m m o d a t et oi t sc h a r a c t e r i s t i co fl a r g en u m b e ro fn o d e s g r e a ts c a l ea n dc o m p l e x t r a n s i e n tp e r f o r m a n c e 山东大学博士学位论文 t h ea p p l i c a t i o no fp m up r o m o t e st h er e s e a r c ho fe x t r a c t i n gd y a n m i cp e r f o r m a n c e f r o mm e a s u r e dt r a j e c t o r i e s w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od i s c o v e rm e c h a n i s mo fl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o na n dd e s i g nc o n t r o l l e r s p o w e rs y s t e mi sac o m p l e xn o na u t o n o m o u s s y s t e m s oi t st i m er e s p o n s ei sn o n s t a t i o n a r i t y w h i c hi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt om e a s u r e d t r a j e c t o r i e s w h e nt h ep o w e rs y s t e mi sc l o s et os t a b i l i t yb o u n d d i s t u r b a n c em a ye x c i t a t e s t r o n gt i m e v a r y i n g n o n l i n e a rk i n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g t h et r a n s i e n ts t a t e p r o c e s s d i f f e r e n to s c i l l a t i o nm o d em a yc o e x i s ta n dv a r y t h ee i g e n a n a l y s i sc a n tr e f l e c tt h i s t i m e v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c n o rc a l li tb eu s e di r l s t r o n g n o n a u t o n o m o u sn o n l i n e a r s y s t e m s n o n l i n e a ra n a l y s i sc a l lg i v en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fo s c i l l a t i o n b u ti tc a n t p r o v i d eo s c i l l a t i o np a r a m e t e r sa n de n f o r c e a b l ec o n t r o lm e a s u r e s b a s e do naw a v e l e tr i d g e a l g o r i t h m a n o v e l a p p r o a c h i s p r e s e n t e d f o r e x t r a c t i n g t i m e v a r i a n to s c i l l a t i o n p e r f o r l t l a n c ef r o md a t am e a s u r e db yp h a o s rm e a s u r e m e n tu n i t s t h i sa p p r o a c ho v e c o m c s t h ei n c a p a b i l i t yf o rt h ef o u r i e ra l g o r i t h mt or e f l e c td a m pf a c t o r s a n dt h eh i g hs e n s i b i l i t yt o n o i s eo fp r o n ya l g o r i t h m a sw e l la st h ei n e a p a b i l i t yf o rb o t ha l g o r i t h m st od e a lw i t h n o n s t a t i o n a r ys i g n a l s r a v e l e tr i d g ea l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n f l u n c eo f n o i s es i g n a la n dr e f l e c tt i m e v a r y i n gf a c t o r so fm u l t i m o d ei nac o m p l e xo s c i l l a t i o n t h e r e f o r e b o t hi d e n t i f i c a t i o na b i l i t ya n da c c u r a c ya r ei m p r o v e d s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h ee f f c c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m t h et i m e f r e q u e n c yr e s o l u t i o no fm o r l e tw a v e l e ti s d i s c u s s e da c c o r d i n gt op o w e rs y s t e ml o w 矗e q u e n c yo s c i l l a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ee f f e c t i v e n e s so fb o t ha l g o r i t h m s w h i c hc a np r e s e n t d e p e n d a b l ea s s e s s m e n tr e s u l t sf o rp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n p l a n n i n ga n da n a l y s i s b o t h a l g o r i t h m sa r eu s e di nt h ew i d ea r e am o n i t o r i n ga n a l y s i sp r e t e c t i o n c o n t r o l w a r m a p o fe a s tc h i n ag r i dc o m p a n yl i m i t e d t h i st h e s i si ss u p p o s e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a n o 5 9 9 2 0 0 3 7 a n ds t a t ep o w e rc o r p o r a t i o n s p i1 2 0 0 2 0 1 0 5 k e yw o r d sd y n a m i cr e s p o n s e p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t t r a n s i e n ts t a b i l i t y s t a b i l i t y m a r g i n e x t e n d e de q u a l a r e ac r i t e r i o n e e a c d y n a m i cp e r f o m a a n c e w a v e l e t r i d g e 山东大学博士学位论文 缩写 缩写及符号 b p ab o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n 邦纳维尔电管局 c c c o i r a mc o m p l e m e n t a r y c l u s t e rc e n t e r o f i n e r t i ar e l a t i v e m o t i o n 互补群惯量 中心相对运动变换 c c t c o i c u e p c w t d f t d s p e e a c e m s f a c t f a s t e s t g o e s g p s h v d c 0 i j t c 0 m i b p d c p e b s p m u p s s s c a d a 符号 如 4 k a 出c 艺 e y l r x 胛 譬 疗 c r i t i c a lc l e a r i n gt i m e 临界清除时间 c e n t e ro f i n e r t i a 惯量中心 c o n t r o l l i n gu n s t a b l ee q u i l i b r i u mp o i m 主导不稳定平衡点法 c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m 连续小波变换 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d y n a m i cs a d d i ep o i n t 动态鞍点 e x t e n d e de q u a l a r e ac r i t e r i o n 扩展等面积准则 e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m 能量管理系统 f l e x i b l ea l t e r n a t i n g c u r r e n tt r a n s m i s s i o n 灵活交流输电 f a s ta n a l y s i so fs t a b i l i t yu s i n gt h ee x t e n d e de q u a la r e ac r i t e r i o na n d s i m u l a t i o nt e e h n o l o g i e s 电力系统暂态安全定量分析软件 g o e s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n ts a t e l l i t e s 卫星系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 全球定位系统 h i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t 高压直流输电 o n l o a dt a pc h a n g e r 有载调压 o n l ym a c h i n ei n f i n i t eb u s 单机无穷大母线 p h a s o rd a t ac o n c e n t r a t o r 相量数据处理中心 p o r e n t i a le n e r g yb o u n d a r ys l l r f a c e 势能界面法 p h a s o rm e a s l l r e m e mu n i t 相量测量装置 p o w e r s y s t e ms t a b i l i z e r 电力系统稳定器 s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n 监视控制与数据采 集系统 动能增加面积 动能减少面积 虚构动能减少面积 收缩到发电机节点的网络导纳阵 收缩到发电机节点的网络导纳阵的估计值 收缩到发电机内节点的导纳阵 收缩到发电机内节点的导纳阵估计值 离散时间信号 x n 的真值 山东大学博士学位论文 x f 连续时间信号 主 x q 的傅里叶变换 p f 小波母函数 虬 f 小波函数 x o t x t 对应的解析信号 广 小波时窗中心 小波时窗半径 缈 小波频窗中心 小波频窗半径 山东大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 电力系统安全稳定运行对国民经济和社会民生至关重要 分析电力系统在扰动下 的暂态和动态行为 确定适当的对策 包括各种控制措施 是电力系统设计和运行最 重要也是最复杂的任务之一 现代电网的发展更对稳定分析和控制工具提出了新的要 求 电力系统互联成为当今电力工业发展的趋势 随着东北一华北一川渝联网工程的 实施 全国同步互联电网初步形成一个交流弱联系和交直流混合大电网1 1 2 1 电网动 态特性更加复杂 局部故障波及的范围增大 更易产生相继故障导致大面积停电 单 独研究局部电网难以获得正确的结论 只有获得全系统详细的信息才能研究这些特 性 电力市场的发展使设备运行越来越接近其热容量极限 增加了运行条件的不可预 知性 电网电压等级逐步升高 大容量发电机组得到应用 但是电网建设滞后的趋势 短时间内难以得到改善 负荷容量日益集中 环保条件的制约使得建设新的发电 输 电项目更加困难 因此需要充分利用已有设备的能力 灵活调节线路潮流 提高稳定 极限传输功率 因此 安全稳定分析算法要能根据当前运行状况 快速的对电网安全 稳定情况进行评估 对受扰后系统能够给出直观的稳定信息 交流弱联系电网更易产生低频振荡等动态稳定问题 而远离负荷中心的水电厂 坑口电厂 核电厂大量涌现 远方输电和分散发电厂接入电网也对电力系统的安全稳 定运行造成了影响 动态稳定问题日益突出 对动态稳定问题要给出深层次的信息 准确计算振荡模式参数 可见 现代电网的发展对电网运行信息及分析算法的实时 快速 全面等方面提 出了更高的要求 分析电力系统的数学模型以及由其得到的仿真轨迹是稳定性研究的 主要方法 随着电力市场和互联电网的发展 电力系统的运行越来越接近稳定极限 模型参数不精确导致的仿真曲线与实测轨迹间的误差越来越突出 3 由实测动态响应 中提取稳定性信息和动态特性信息的方法日益重要 4 5 1 电力系统的动态响应包括系 统受扰后各状态变量的运行轨迹 可以描述系统在特定的运行方式下遭受特定扰动时 所表现出的暂态和动态特性 由动态响应中提取信息不受模型参数误差影响 能够反 映系统真实特性 并且可以为模型校核提供依据 进一步提高稳定分析和控制的精度 由动态响应提取信息 实时 准确 具有系统级意义的运行数据是基础 s c a d a 系统不能处理连续快速采样的p m u 信息 故局限于静态监测 相量测量装置 p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t p m u 6 l 能够以高精度不问断地提供电力系统同步运行数据 因此能 山东大学博士学位论文 够记录完整的暂态 动态过程 而它较高的数据刷新率能够反映暂态过程中状态量的 快速变化 同步测量技术使其可以用于分析全网的稳定特性 世界上众多大电网都在建设相量监测网络 7 1 1 随之产生的问题就是怎样充分挖 掘动态响应中的暂态稳定性信息和动态特性信息 使之更好的服务于电力系统的运 行 规划 1 2 相量测量技术 电力系统的运行数据监测 记录及其高级应用一直在不断发展当中1 1 2 1 6 j 传统 的电力系统监测工具为s c a d a 和故障录波系统及具有录波功能的微机保护装置 s c a d a 系统能够持续采集电力系统实时运行数据 并保证一定的冗余度 但是它分 钟级的数据刷新速度无法反映暂态过程中状态量的快速变化 因此长期以来只能分析 系统的稳态特性 作为状态估计的数据来源 故障录波系统以瞬时值记录动态过程数 据 分析较为困难 并且触发启动的工作原理不能保证记录完整的动态过程 通常仅 仅用于事故过程分析和继电保护 安全自动装置动作特性分析 两者共同的缺点是都 缺乏全网统一的时间标记 记录数据只是局部有效 难以分析全系统的稳定特性 相量测量装置 p m u 利用g p s 提供的统一时钟同步测量电力系统的运行数据 计算各电量的幅值和相角 并以高速通信网络进行全网或区域内相量数据的汇集 这 使得全网的相量有了可比性 能够进行电网稳定特性的分析 并且对仿真模型校验和 状态估计精度的提高也有所帮助 1 2 1 相量 相量的概念建立在 正弦稳态 或 准稳态 基础之上 即认为电流 电压相量或者 功率的变化是慢速的 设一个正弦时域信号为f f 其瞬时值表示为 i t c o s c o t 伊 1 1 其中 为振幅 r o 为角频率 妒为初相角 根据欧拉公式 式 2 一1 可以写为 i 1 c o s t o t 妒 r e e 咖 1 r e e 9 e 川1 1 2 称以下复数为正弦时域信号f f 对应的相量 l p 亿p 1 3 其中 为正弦时域信号的有效值 l 4 2 山东土学博士学位论文 式 1 2 中的旋转因子8 在复平面上是以原点为中心 以角速度 旋转的单位复 数 在电力系统暂态稳定研究中 为同步转速 工频为5 0 h z 时0 9 3 1 4 r a d s 从以上分析可见 相量的定义有两个条件 1 相量的变化是慢速的 在考虑的时间间隔 t a t 内 保持为常数 或近似为 常数 在电力系统静态分析中 j 显然满足慢速变化的条件 而暂态过程中 在 考察的时间问隔内 如2 3 个工频周期 o 0 4 s 0 0 6 s 仍然可以近似为慢速 变化 因而在暂态过程分析中 仍然可以采用相量的概念 而不必以瞬时值分析 这使得分析大大简化 相量测量装置计算相量的方法通常有傅立叶变换和过零点 监测 这两种方法都可以1 个工频周期计算一次 与相量慢速变化的要求相符合 因此 实测相量数据可以描述系统暂态 动态过程 2 相量是相对于同步转速的 相量可以看作是同步旋转因子e m 模值的乘因子 因 此 所有的相量都要相对于同步转速进行考察 在同步相量测量之前 电网中各 个观测点记录的数据无法进行时间关联 只是局部有效 无法用于全网稳定分析 相量测量装置以全网同步时钟为基准进行运行数据测量 并打上时标记录 使得 全网各个观测点的数据都可以相对于同步转速进行比较 将实测数据通过时标进 行关联 即可获得全网各发电机的摇摆曲线及电网中各监测母线的动态过程 可 以利用分析仿真轨迹的方法分析其稳定性 图1 1 演示了p m u 相量测量的结果 1 7 图1 1 相量测量结果演示 f i g 1 1d e m oo fp h a s o rm e a s u r e m e n t s 山东大学博士学位论文 1 2 2 相量测量的关键技术 相量测量系统由三部分组成 相量测量装置 通信网络和数据处理系统 图1 2 为一个典型的相量测量系统 1 相量测量装置 图l 2 典型的相量测量系统 f i g 1 2at y p i c a lp h a s o rm e a s u r e m e n ts y s t e m 图l 3 相量测量装置原理框图 f i g 1 3p m u b l o c kd i a g r a m 相量测量装置的原理框图如图1 3 所示 包括同步采样信号发生单元 信号采集 单元和相量数据处理单元及通信单元 1 同步时钟 这是相量测量的关键技术之一 对于5 0 h z 的工频信号 1 毫秒的同步时钟误差 会带来1 8 0 的测量误差 早期的相量测量方法采用过多种同步时钟信号 如无线电导 航定位系统 卫星系统g o e s g o e s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n ts a t e l l i t e s 和无 线电广播授时 这些同步时钟信号或接收困难或精度差 影响了相量测量技术的发展 全球定位系统g p s 为相量测量提供了易于应用的高精度时钟信号 g p s 系统提供的 4 山东大学博士学位论文 实时时间信息可以在全球任意位置全天候地接收 其时间误差小于1 s 对5 0 h z 的 2 1 2 频信号 相位误差不超过0 0 1 8 这已经超过了相量计算算法所能提供的计算精度 因此现有的相量测量装置绝大多数都应用g p s 作为同步时钟信号 2 相量计算方法 相量数据处理单元计算相量的方法主要有傅立叶算法和过零点检测方法 a 傅立叶算法 由a d 转换单元对三相电压 电流瞬时信号进行采样 设每个周期采样 点数 据 得到采样值为 门 o l n 1 经离散傅立叶变换得到三相的电压 电流 相量值 x 等鼢啊驯n 褂 1 槲 其中 口 e 小 在获得电压和电流的相量后可以计算有功 无功 电压和电流信号 的频率波动会影响到计算精度 则可采用变采样率的相量测量算法 如采用递归傅 立叶算法则数据采集周期可以根据需要调整 理想情况下每个采样点都可以计算一次 相量 b 过零点检测方法 由c p u 时钟建立标准5 0 h z 信号 并对测量信号过零点打上时间标签 并求出其 相对于标准5 0 h z 信号的角度 其实质是每个周期采样一次 所以数据采集周期为 0 0 2 s 傅里叶算法精度优于过零点检测方法 但是需要较多的数据采样点 占用c p u 资源较多 同时也会影响p m u 的反应时间 因此 对于实时性要求较高的情况可以 采用过零点检测 否则 可以采用傅里叶算法 1 9 9 0 年a g p h a d k e 研制了基于g p s 时钟的同步相角测量装置 在b p a 的两个 变电站中投入运行 用于监视两个变电站间的联络线雎0 1 这套装置采用精度较高的 1 6 位a d 变换器 利用傅立叶算法计算相量 通信单元采用m o d e m 通信方式 安大 略电力局 太平洋公司使用过零点检测的相量测量装置 2 通信网络 山东大学博士学位论文 p m u 所采集的不同类型的数据对通信要求不同 用于离线分析的数据对通信实 时性的要求不高 但是要保证用于实时监测的相量数据在数据刷新周期内能从p m u 子站传送到中心站 如果p m u 的数据上送速率较低 可以采用电话专线传送 随着 电力系统的发展 要求尽快把p m u 数据送到中心站 数据通信量将进一步增加 应 当考虑采用数字微波或光纤线路 对于p m u 数据传送延时 很多研究人员一般只考虑通信系统中的延时 全面考 虑数据采集 处理和传输的各个环节 延时与以下因素有关1 2 i j 电压 电流传感器变换 d f t 的数据窗的选取 p m u c p u 的处理时间 通信单元数据通信格式转换 通信网络延时 数据校验 3 数据处理中心站 相位数据中心站除进行数据的汇总 存储和交换等基本功能外 还根据不同的原 理和应用目的进行数据分析 电网运行动态监视功能在很多国家的电网中都得到了应用 供调度员及时掌握系 统动态运行状况 一般采用图形界面实现观测点相量和关键线路传输功率等的监视功 能 离线仿真模型分析校核功能对离线仿真数据和实测数据进行时域 频域分析 如 数据的组织 错误数据的检验和修正 滤波 傅立叶分析和p r o n y 分析等 通过比较 仿真数据和实测数据 校验仿真模型的精度 但是在发现仿真数据的偏差后修改模型 参数是个很复杂的问题 在众多的参数中很难确定修改哪些参数可以改进模型的精 度 实际应用中还是主要靠专家的经验判断和试探1 2 2 1 研究人员把p m u 的实时相角量测量加入到状态估计中 用以提高状态估计的精 度和速度 文献 2 3 推导了全部电压电流相量可测时的状态估计表达式 文献 2 4 研 究了部分电压和电流相量可测情况下的线性状态估计 文 2 5 考察了将p m u 的精确 相量与s c a d a 系统量测量结合 构成混合量测量状态估计模型对状态估计精度的影 响 认为引入母线电压的相角测量值和幅值测量值可以减小相关母线的状态估计误差 的方差 p m u 的测量精度越高 对状态估计精度的改善效果也越大 基于相量测量数据的稳定分析和控制一直是研究的热点 下文将重点讨论 山东大学博士学位论文 1 3 动态响应数据挖掘研究的特点 通常 相量测量装置 p m u 可以快速地同步记录广域分布的时间响应数据 包 括发电机和变电站节点的电压 电流相量及频率 由此进一步可以获得有功 无功和 发电机转子角 角频率数据 对动态响应数据的分析与通常的稳定分析相同可以分为 大扰动稳定分析和小扰动稳定分析两方面 前者以分析电力系统的暂态稳定性为目 的 通过研究实测轨迹 获得系统在大扰动后的稳定信息 后者主要考察系统的动态 特性 根据实测轨迹 利用信号处理或统计方法计算低频振荡模式参数 其主要特点 是 1 基于实测轨迹研究 由于不再需要通过数学模型来仿真系统的动态行为 故避免 了建立数学模型 确定参数和设置场景等困难 动态响应的研究方法必然基于轨 迹 当然 在分析中不可避免的要利用部分关键的模型参数 如发电机惯量等 但是过多的利用模型参数则有违研究动态响应的初衷 2 与基于模型的分析方法有密切联系 实测动态响应轨迹相当于系统精确模型的一 次仿真结果 因此很多用于仿真轨迹研究的方法都可以用于动态响应的研究 如 果该方法在仿真轨迹的研究中不能得到满意的结果 那就很难期望它在实测动态 响应研究中得到完美的结果 1 4 本文的主要工作 本文从理论研究和工程应用出发 利用稳定性分析理论和数字信号处理工具 结 合实际大电网的特点 设计适当的算法 对实测动态响应进行深层次的信息挖掘 研 究系统所表现出的稳定特性 为电网监测 运行 规划和分析提供直观而具有明确物 理意义的特性指标 1 对p m u 在电力系统中的应用历史进行了回顾 从相量的概念出发 分析了 p m u 实测数据的物理本质 总结了p m u 应用的主要领域 分析了p m u 在电力系统 稳定分析和控制中的应用现状和前景 2 提出了基于扩展等面积准则 e e a c 和相量测量装置 p m u 实测摇摆曲线 进行暂态稳定分析的新方法 利用e e a c 的量化分析功能 从实测相量数据中提取稳 定量化信息 为电力系统的分析 规划 决策提供直观的稳定性指标 3 在暂态稳定量化分析中 基于实测摇摆曲线进行动态网络等值 实时更新系 统降阶导纳阵 以克服扰动后短时间内 扰动的地点 类型及网络拓扑等信息难以实 时得到的困难 4 对动态网络等值导纳阵的特性进行了分析 指出其在实际大系统中直接应用 的困难 利用同调群等值算法减小动态网络等值中的计算窗口 以适应实际大系统节 山东大学博士学位论文 点多 动态特性复杂的