（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊聚类与动态分割的低频振荡信息辨识.pdf

东= l 艺电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i d er a n g ee l e c t r i c a ln e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o ni san o t i c e a b l ef a c t o rw h i c h t h e l o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o ni se a s yt oo c c u r o n l i n eo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i si s t h ei m p o r t a n ta c a d e m i cf o u n d a t i o nf o r a c h i e v i n go n l i n e d e t e c t i o na n dd a m p i n g c o n t r o lo fl o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n s ，w h i l et h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f w i d e a r e am e a s u r e m e n t sb a s e do ng l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) h a v e p r o v i d e da n e wa p p r o a c hf o ro n l i n ei d e n t i f i c a t i o na n dc o n t r o lo fl o w - f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n m o d e s i th a sa l r e a d yo b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o na n a l y z i n gp o w e rs y s t e m o s c i l l a t i o ni n f o r m a t i o nb yt h eo s c i l l a t i o nc a lv e t h e r ea r ed i f f e r e n tl o w - o s c i l l a t i o nm o d e si ni n t e r - a r e as y s t e m ，w h i l et h ed o m i n a n t l o wd a m p i n go rn e g a t i v em o d es h o u l db ef o c u s e do n i nap r a c t i c a lm u l t i m a c h i n e p o w e rs y s t e m ，al o to fe x t r i n s i cd i s t u r b a n c ef a c t o r s ，t a k en o i s ef o re x a m p l e ，m a k e n a t u r a ls i g n a li d e n t i f i c a t i o nd i s c o m m o d i o u s i ti sn e e d e dt os e l e c ta p p r o p r i a t es w i n g c u r v et oi d e n t i f yt h ea r e ad o m i n a n tm o d e f i r s to fa l l ，t h ee s s e n c ea n dc a u s eo f l o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o ni na ni n t e r c o n n e c t e d b u l kp o w e rs y s t e ma r er e s e a r c h e df r o mt h ec o h e r e n tg e n e r a t o r si d e n t i f i c a t i o n t h e p r i n c i p l eo fi t e r a t i v es e l f - o r g a n i z i n gd a t aa n a l y s i st e c h n i q u e sa l g o r i t h m ( i s o d a t a ) f u z z yc l u s t e r i n gm e t h o db a s e do nf u z z yp a r t i t i o ni sp r e s e n t e d t h e n ，o nt h eb a s i so f f u n d a m e n t a la s s u m p t i o na n dn e c e s s a r ys y s t e mp r o v a b i l i t yt h ef u z z ys e ti s f o r m e d ， w h i l ep o w e rs y s t e mi sp a r t i t i o n e d 姆t h ei t e r a t i v em e t h o du n t i lt h e s a t i s f y i n gr e s u l t 。c o m e so u t t h e n ，d y n a m i cp a r t i t i o nt h e o r yb a s e do nt h ec o h e r e n tg e n e r a t o r si d e n t i f i c a t i o ni n t h em u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e mi sr e s e a r c h e d t h ea r t i c l e m o s t l yi n t r o d u c e sb a s a l c o n c e p t s o fd y n a m i cp a r t i t i o n t h e o r y , t h e na d v a n c e st h ed i v i d ea n d 麟b e e n p a r t i t i o n e dm e t h o df o rt h ea p p r o p r i a t el o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o ns i g n a l 。t h et h e o r y s h o w sw e a kl i n ko fn e t w o r k ，a n dg i v e st h ei m p o r t a n c ea c a d e m i cv a l u ei nl o o k i n gf o r l 薹 a b s t r a c t 舞皇鼍量篡冀曼量量曼麓量量量鼎基曼皇曼鼎鼍曼量曼奠舞曼量鲁燃i ii i i i 嬲鼍量量蔓麓曼曼曼舅黑鼍 a p p r o p r i a t es w i n gc u r v e f i n a l l y , p r o n ym e t h o dc a nb ea c c u r a t et oa b s t r a c tt h ea r e ad o m i n a n to s c i l l a t i o n m o d e sf r o mt h ea p p r o p r i a t el o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o ns i g n a lt or e v e a lt h ei n t e r a c t i o n o fm o d ei nc o m p l e xo s c i l l a t i o n 。f o rv a l i d a t i n gt h em e t h o dt h a ti sa d v a n c e d ，t h e f e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dm e t h o da l ev e r i f i e do nt h ee p r i3 6 一b u sa c s y s t e m k e y w o r d s ：l o w f r e q u e n c y ；o s c i l l a t i o n ；f u z z yc l u s t e r i n g ；d y n a m i cp a r t i t i o n t h e o r y ；d o m i n a n to s c i l l a t i o nm o d e ；p r o n ym e t h o d i l 薹 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人邑用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 毽埴日期：星! 塑年上月旦日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名：蕴删夕 q 酲期：趟年上月且霹 日期：卫坠年土月乒日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人鼹意中国优秀搏：顼士学位论文全文数据库和中垦学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 匿优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中晷学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：函硕士口博士 作者签名- 受邀透 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 第1 章绪论 鼻i i i i i i i i i m , , , i , i , i i i i i i i i i i i 燃置曼曼曼曼燃鼍邑曼皇曼燃葛舅蔓曼璺黑筹曼蔓皇曼自嬲鼍 第1 章绪论 1 1研究低频振荡问题的重要性 2 0 世纪6 0 年代美国的西北联合系统与西南联合系统进行互联运行时，发生 了功率的增幅振荡，最终破坏了大系统间的并联运行。自此之后，低频振荡一 直是电力系统稳定运彳亍中备受关注的重要阀题之一。由于低频振荡频率较低、 周期较长、波及面较广，所以给电力系统带来的危害也较大。 随着“西电东送，全匿联网的逐步实施，互联电力系统的规模隧益增大， 系统互联引发的低频振荡问题已成为危及电网安全运行，制约电网传输能力的 最主要医素之一。 电力系统出现的振荡按所涉及的范围和振荡频率的大小大致分为两种类 型：局部模态和区域间模态。局部振荡模态是指系统中某一台或一组发电机与 系统内的其余杌缀的失步。由于发电机转子的惯梭时间常数相对较小，因此这 种振荡的频率相对较高，通常在l 2h z 之间。区域间振荡模态是指系统中某一 个区域内的多台发电视与另区域内的多螽发电机之闻的失步。由于各区域的 等值发电机的惯性时间常数比较大，因此这种振荡模态的振荡频率较低，通常 在0 1 o 7 之间l 。 电力系统的低频振荡在国内外均有发生，当系统中的发电机经输电线并联 运行时，不可避免的扰动会使各发电机的转子相对摇摆，若系统阻尼不足就会 弓| 起持续振荡。基于发电机转子的惯性时间常数较大，故振荡频率较低，这就 是低频振荡的来源。低频振荡( 又称功率振荡或机电振荡) 常发生在长距离、 重负荷输电线上，特别是在采用快速高放大倍数的励磁系统中更容易出现功率 振荡【2 】。系统发生低频振荡以后会产生两种结果：一是振荡的幅值持续增长，使 系统的稳定遭到破坏，甚至磅l 起系统解列；二是振荡的幅值逐步减小，或逶过恰当 的措施平息振荡。 在大规模互联电力系统中，低频振荡是广泛存在的现象 3 - 6 1 。一般来说，振 荡频率越低，涉及的机组越多。以下欧洲u c p h ! c e n t r e l 系统的低频振荡特 东北电力人学硕士学位论文 性饼子说明当今电力系统的低频振荡问题，系统图如1 1 所示。 欧洲u c p t 嚣c e n t r e l 系统发生振荡时涉及蹬个低频振荡模式： ( 1 ) 东秘方向的振荡模式：频率为0 2 3 h z ，涉及两个同调机群的振荡，第一个 同调机群包括u c p t e 的蹰部系统( 葡萄牙、西班雾、法国南部) ，第二个同调 枫群毽括c e n t r e l 雪家( 原东欧的一些霞家) ，焉u c p t e 系统的中部和南部 机组对此振荡模式的参与较小。 ( 2 ) 0 3 i h z 的振荡摸式：涉及二令犬的网谖橇群，u c p t e 西部靛撬组与 c e n t r e l 的机组同调相对于u c p t e 中部( 德国、法国和意大利) 的机组而振 荡。 ( 3 ) 0 5 2 h z 的振荡模式：只涉及c e n t r e l 国家和奥地利和意大利北部的部分 地区。 ( 4 0 。7 8 h z 静振荡模式：哭涉及波兰_ ；| 霹捷克的祝鳃。 豳1 - 1 欧洲u c p t e c e n t r e l 系统 因此，对电力系统低频振荡的机理进行研究，并采取相应的辨识、监控、抑 第1 章绪 论 i i l l l l l l l , i 1 1 i l ll i i i i ij i i ii j ! , , ! ! l , ,i i , , i l l l l l l n l l 甍曼曼曼皇篡鼎鼎冀 制措施具有十分熏要的意义。近4 0 年来，电力工作者在低频振荡这一领域取得了 丰硕的成果，不仅提出了详细完整的分析方法，也提出了诲多有效的控制方法，为 来来更大规模系统的互联奠定了基础。 。2低频振荡的产生视理 在低频振荡研究领域，深刻认识低频振荡鹩产生橇理其有重要的基础健意 义，目前低频振荡的机理解释主要有基于阻尼转矩概念、强迫振荡原理、强谐 振机理、分岔理论和混沌振荡的解释。 l 基子阻尼转矩概念 低频振荡最早的机理解释是基于阻尼转矩的概念，由d e m e l l o 与c o n c o r d i a 褒1 9 6 9 年提出f j 。该机理解释针对的是单撬无穷大系统线性化模型，综合运耀 状态方程、传递函数框图及k 系数法，分析阻尼转矩大小性质的变化规律，发 现在较嵩外部系统毫抗和较高发电桃输出条件下，高放大倍数的快速励磁系统 在增加系统的同步转矩的同时，有可能会给系统带来负的阻尼转矩，当它抵消 撵发电机原有的无阻尼后，便会引发增幅低频振荡。该杌理解释概念清晰、物 理意义鞠确，有助予宣观理解为何低频振荡易发生予远距离大容量送电的场景。 现代电力系统广泛使用的电力系统稳定器( p s s ) ，基本原理就是通过相位补偿 增强阻尼转矩来抑制低频摄荡麴，因其经济、有效，蘑前已成为抑制低频振荡 的最主要的手段。 2 强遗振荡原理 强迫振荡原理着重关注于周期性负荷波动或振荡调节的作用，当发电机受 到的周期性激励憋频率与系统固有振荡频率接近时，在该频率下便会发生强遗 4 振荡，或称为共振型低频振荡。它具有起掇快、起振后保持等幅同步振荡和失 去振荡源后振荡很快衰减等特点。文献【8 】通过对河北南网安保线低频振荡的分 析，试为它属于强追功率掇荡，通过仿真指出强追振荡可出发电视的辘系、励 磁器、调速器之一的周期扰动引发。文献 9 】对计及周期性扰动的多机系统，邋 过菲齐次线牲方程组解的推导分析，得出当扰动频率接近系统固有振荡频率时 将发生强迫振荡的结论。在强迫振荡研究中查证扰动源是重要的研究内容，文 东北电力人学硕十学位论文 献 t o l d 过仿真分析讨论了汽轮机主蒸汽压力和再热蒸汽压力的脉动有可能引 发电力系统强迫振荡。 3 强谐振机理 文献【l1 1 对多机电力系统不同振荡模式之间的相互作用进行了深入研究，通 过数学理论分析和2 机3 节点、3 机9 节点算例，详细讨论了强谐振导致系统振 荡失稳的机理。说明随着系统运行参数的改变，各振荡模式对应特征值发生移 动，有两个振荡模式的阻尼和频率变化到接近相同时便会产生谐振，称在谐振 点处线性化矩阵不能对角化时为强谐振，能对角化时为弱谐振。强谐振的结果 会使两个振荡模式对应的两个特征值呈近似直角的迅速改变移动方向，有其中 一个穿越虚轴从而引发振荡失稳。 4 电力系统非线性奇异现象引起低频振荡 根据电力系统小扰动稳定性理论，系统的特征值实部为负，则系统是稳定 的；若特征值出现零值或是实部为零的一对虚根，则为稳定的临界状态；若特 征值为正实数或是有正实部的复数，则都是不稳定的。从电力系统的非线性本 质出发，用分岔理论研究电力系统低频振荡的发生机理起始于8 0 年代，a b e d v a r a i y a 首次用h o p f 分岔理论揭示了电力系统低频振荡中存在非线性奇异现象。 由文献 1 2 1 可知，由于系统的非线性特性，系统在虚轴附近将出现奇异现象。即 使系统的特征值全为负或是有负的实部的复数，在小扰动下，非线性造成的分 歧也可能使系统的特性和状态发生突变，产生增幅振荡。 5 混沌现象引起低频振荡 混沌现象 1 3 1 4 1 是在完全确定的模型下产生的不确定现象，它是由非线性系统 中各参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象。文献 1 5 1 针对低频振荡的参数 进行分析得出了如下结论：仅有阻尼而无周期性负荷扰动时，系统不会出现混 沌振荡；在周期性扰动负荷的作用下且当扰动负荷的值超过一定范围的时候， 系统出现混沌振荡：在周期性负荷扰动下，当阻尼系数接近某一数值时，系统 发生混沌振荡。 以上是从内部因素考虑的低频振荡发生的机理，还有一些具体的外部因素 也是导致低频振荡发生的原因，如电网长链形结构和弱联络线【1 6 1 等。内部原因 和外部原因互为因果关系，可以相互解释。 第1 章绪 论 燃鼍皇曼曼舞i i 一，一i i , , 燃邕曼量鼍笪墩邕寡罾曼量喇嬲鼍曼量鼍 1 3低频振荡的常用分析方法 电力系统是人类所创造的最复杂的动态系统之一，高阶数、非线性、参数 不确定性、控制系统的协调等等都是造成分析困难的原因。系统中仍有许多问 题至今困撬着专家和学者，低频振荡正是这样的闻题之一。振荡的起因、杌理， 低频振荡的特征提取，振荡的抑制，都是急需解决的难题。 人们早在2 0 世纪秘年代就已经认识到低频振荡分析与控制对电力系统安 全稳定运行的极端重要性，在过去的几十年中，随着电力工作者不懈努力，对 动态稳定问题的认识不断加深。目前，仿真有效性验证、非线性理论、信号处 理新方法、先进监测与控制策略研究等己成为低频振荡研究的主攻方向。 通常把低频振荡问题归于小扰动稳定性分析。进行电力系统小扰动稳定性 分析的具体方法缀多。根据其新依据的数学模型，这些方法可以大体划归为两 类，即数值仿真方法( 时域方法) 、特征值分析方法( 频域方法) 【1 7 】。随着非线 性领域研究的深入，一些专家学者开始把分歧、混沌等理论引入低频振荡的研 究。面对大型复杂的电力系统，各种方法都有自己的优点，但也存在各自的不 足。 1 3 1 数值仿真法 数值仿真法，在低频振荡的研究中应用也比较广泛。在数学上，它是用数 值计算的方法求解描述全系统的微分代数方程组，褥到系统变量的时间响应。 具体作法是对一定运行方式下的系统施加某个扰动，观察系统中发电机的功角 振荡特性，区间联络线的功率振荡特性，判断系统关键振荡模式的振荡频率和 阻尼。 数值仿真法是电力系统暂态稳定分辑研究中广泛采用的方法。理论上也哥 用于小扰动问题的研究。它针对特定的扰动，利用非线性方程的数值计算方法， 计算出系统变量完整的时间响应。但是实际问题限制了这种方法的应用。仅仅 利用系统变量的时域响应分析各种不同振荡模式的阻尼特性，其结果的可信性 令人怀疑。这是因为扰动和时域响应观测量的选择对结果影响很大。如果选择 东北电力大学硕士学位论义 不当，扰动将无法激励起系统中一些关键的振荡模式。同时，在所观测的响应 中可能食有许多模式，其中弱阻尼模式的响应可能并不明显。为了清楚地反映 出系统振荡的性质，常需要对长达数十秒的系统动态过程进行仿真计算，其计 算量是非常可观的。时域响应无法充分揭示出小扰动稳定性问题的实质，很难 利用仿真结果直接找出引起系统不稳定的原因，并借此寻求相应的改进对策。 该方法的优点是直观、方便，不受系统规模的限制，同时计及了系统的非 线性，并且商用软件较多。存在的主要缺点有：扰动人为确定，不能保证激 发和观察到所有的关键模式，选择不同的故障方式，可能得出不同的结果。 观察量豳不同频率、阻尼的模态混杂在一起，不易分析，有可能出现误导。 它提供的关键模式的信息量较少。难以揭示物理本质，在低频振荡发生时很 难用来分析引起振荡的原因。 在低频振荡的分析中，时域仿真法与特征值分析法通常配合使用。 。3 2 特征值分析法 该方法将低频振荡归于小干扰稳定研究范畴，通过对原始微分代数方程在 平衡点线性化，计算特征值、特征向量、参与因子等信息，考察原始系统的小 于扰稳定性。由于物理概念明确，提供的信息量多，这种方法已成为多机电力 系统动态稳定分析最有效的方法之一。特征值分析法分为全部特征值法和部分 特征值法。 全部特征值法以q r 算法为代表，它其有鲁棒性好，收敛速度快的优点，可 求出系统的所有振荡模式，给出的信息丰富、全面，不存在漏根的情况。突出 缺点是它受制予系统的规模，即所谓“维数灾 闯题。另外它还有计算量大、 占有内存多、计算速度慢的缺点。 部分特征值法，主要针对大规模电力系统特征值求解，通过特殊的算法来 计算选定范围的部分特征值。主要有选择模式法【1 8 】、自激法f 1 9 】、分数变换法【2 0 】、 s 矩阵法f 2 、a m o l d i 法f 冽等。这些方法只计算一部分对稳定性判别有关键影响 的特征值，以确保计算精度和速度都可以满足大电力系统的要求，但计算结果 鳙1 章绪 论 受到搜索初值和范围的影响很大，不能保证所有的负阻尼和弱阻尼模式都被搜 索到。 对大规模电力系统进行特征值计算一直是特征值分析方法的一大难点。由 于特征值分析法是基于平衡点处的线性化，忽略了系统的非线性因素，因此不 能分析实际扰动较大的情况。进行特征值分析的一些关键润题还包括，大规模 电力系统的模型参数的精确确定，其中负荷模型的参数确定对特征值分析也有 非常大的影响且其参数确定难度很大。另外，由于特征值分析方法计算速度幔， 不可能满足在线分析的需要。离线分析在系统规划阶段可以发挥重大作用，但 是对于实时系统的安全运行此方法不能达到要求。除了计算速度的原因以外， 离线计算不可能考虑所有故障或扰动序列下的系统行为，因为不同的顺序将造 成系统稳态工作点的不同，而每次工作点的改变，系统需在新的工作点附近进 彳亍线性化，需要的工作量极大。 。3 3 基于正规形理论的方法 芷规形方法是由法雷数学家p o i n c a r e 予2 0 世纪2 0 年代提出的。该方法作 为简化常微分方程和微分同胚的重要工具，目前已在非线性动力系统、分岔理 论等领域的研究巾得到应用。正规形理论的研究内容是对于给定的向量场或 映射，在给定的等价类中找到较简单的形式以便于研究，其数学实质是求非线 性微分方程t a y l o r 展开的= 阶及以上的高阶解析解。 从1 9 9 6 年开始，i o w a 州立大学研究小组将正规形理论引入电力系统的振荡 分析中，以正规形理论为工具，对电力系统在重负荷、大扰动时表现出的强非 线性特性进行了深入研究，发表了系列有影响的文章。后来i e e ep s d p c 的电 力系统稳定分委会成立了专门的任务组，研究电力系统在非线性特性比较强时 电传统小干扰稳定意义下的模态聚合生成的“高阶模态”的性质以及“高阶模 态”间的相互作用，通过比较线性化计算和正规形计算的结果，说明正规形方 法可以较好的解释系统经受大扰动后产生的动态行必。正娥形方法己成为深入 研究系统动态特性的一个有效工具【2 3 , 2 4 1 。 东北电力火学硕士举位论文 j i l l l li i ! iilllllll, i l lu i ! i i l l l i l l l i i i ! ! i l l li i 曼 这种方法的不足主要在于计算复杂、繁琐，对于大型系统难以实现，同时 截断误差在多大摆度上影响对系统的分析，缺乏严格酶数学证暖。 _ l 。3 。4 基于量测的方法 基于量测的方法是直接对现场记录的数据波形进行信号分析，辨识出系统 的振荡模式信息霍划。常用的信号辨识方法有傅里时变换、，j 、波分析、p r o n y 算法 等。在电力系统低频振荡研究中应用最多的是p r o n y 算法，该算法属于模态参数 辨识的时域方法，数学实质药震e 的复指数露数豹线性组合来拟合等闻隔采集的 状态变量的离散输出，能辨识出测量信号的模式构成的幅值、振荡频率、衰减 因子和相位等信息1 2 蜒。 该方法的的优点就是既可以对仿真结果进行分析，又可以对实时测量数据 进行分析。其中对实时测量数据的分撰，可以在未知系统模型的状况下，得到 降阶的转递函数，这对控制器设计有很重要的意义，例如可以用于p s s 参数整 定，h v d c 小信号调制的参数设定等。另外，由p r o n y 方法得到的传递函数还可 以震于控制信号选取，仿真软件使用模型及其参数静验证，簧捧控制器的设计 等方面。p r o n y 方法在电力系统领域的其他应用还包括暂态仿真数据的详细分 析，e m t p 酶瓣络建模，次同步振荡勰题等。 该方法的主要缺点是不能反映动态过程的非平稳性和辨识的结果对噪声敏 感。 _ l 。3 低频振荡的控制与监测 低频振荡发生的原因是由于励磁系统存在惯性，隧羞励磁调节器放大倍数的 增翔，与转子机械振荡稠对应的特征值，其实部的数值将毒负值逐渐增大，而 幽放大倍数过大时，特征值实部将由负变芷，从而产生增幅振荡。对于多机系 统，羝频振荡发生熊规理通常谈为是萃祝无穷大系统在概念上的推广。通过简 单分析，般认为在m 个发电机系统中，对应于机械电气振荡的特征值即机电 第l 章绪 论 。! i i i ! i i i i i i i i i i i i i i i i i ! i i il,i i ! i i i i i i i iii i i 振荡模式有m 1 个，其频率在o 1 - 一2 5 h z 范围内。机理的研究，随着分析方法 的发展藤逐步深入。文章同时提出了抑制低频振荡的方法。运行阶段，电力系 统出现低频振荡时，采用减少输送容量或退去快速励磁的办法是不合理的。因 为前者不经济，艨者不利于大扰动下的暂态稳定。抑制低频振荡较蒋效的办法 是雩l 入一个澍热转矩，使之成为个较强的低频振荡阻尼力矩，这w 以通过设 熙电力系统稳定器( p s s ) 来实现。此外，直流调制功能，t c s c ，s v c 等装置对加 髑匡联系统的阻尼特性也有一定作用。 一旦系统中出现振荡，应根据其频率、功率振荡分布等信息，溅确判别振 荡源及其强相关机组，并采用不同的控割器进行攘错。为了提高电力系统稳定 水平和改善其动态品质，引入了励磁系统附加控制一电力系统稳定器( p s s ) 。它 在电压作为反馈信号的基础上，弓l 入了一个辅助反馈信号的超前校正环节。遇 常情况下，p s s 只能在某特定运行方式和莱一电两振荡频率下设计参数，在参 数设计选择合适的情况下，可以改善系统阻尼特性和提高稳定性。但是，p s s 常常是按照革规来设计酌，这种方法已经眈较成熟。在多枫电力系统中，尽管 大多数发电机己装设了p s s ，但由于没有对它们进行协调，电力系统仍有可能发 垒低频振荡。这是因莠，任何一个p s s 控制器的参数整定，都将对其它p s s 控 制器以及整个电力系统的行为产生影响。更为严重时，一台发电机同时参与地 区型和互联网络型两种形式甚至参与发电厂虑部振荡的现象也时有发生，必须 协调处理。 2 0 世纪9 0 年代以后，卫星授时系统的诞生、电力通信网络以及数字信号处 理技术的发震秀同步测量技术酶应用寞定了基箍。阉步穗量技术是同步藕量测 爨、传输、分析和应用技术的综合。主要包括相量测量单元( p h a s o rm e a s m e m e m u n i t , p m u ) 、相量数据集中器( p h a s o rd a t ac o n c e n t r a t o r , p d c ) 、分析与应用枣 心( a n a l y s i sa n d a p p l i c a t i o nc e n t e r , a a c ) 以及高速数据通信网等。在合适的发 毫厂和变电站安装p m u 构成广域测量系统( w i d e - a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m 。 w a m s ) 。该系统可以在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点 的实时稳态动态信息，这些信息在电力系统稳定及动态分析与控制的许多领域 ( 如潮流计算、状态估计、誓态稳定分析、电压稳定分析、频率稳定分析、低 频振荡分析、全周反馈控制等) 都可能有用。w a m s 可看作仅针对稳态过程的 东北电力大学硕士学位论文 传统的监控与数据采集( s c a d a ) 系统的进一步延伸，在时、空、幅值三维坐标 。下实时并同步地观测系统全局的动态过程，弥补现有能量管理系统( e m s ) 和 数字故障滤波系统的不足，尤其是它能够快速测量发电机的内电势、功角、角 速度和母线电压等于发电机机电暂态过程密切相关的量，并能及时地将信息传 送到中心站，为实现基于全两的在线安全稳定分析提供了平台【翊。 随着互联电网规模越来越大，越来越复杂，为了保障整个电网的安全可靠 运行，必须要做到能够实时监控电网的运行状况，并能及时采集至l 所需信息。 为此，低频振荡研究中需解决以下几个问题： 1 ) 结合我霉实际的电力系统分析，当毫网具有长链形结构和弱联络线，及 区域功率不平衡、主电站备用功率裕度不充分等不利条件时，系统的同步转矩 系数尤其是阻尼转矩系数将受何影响，进而可以找出引发系统“超低频振荡” 的可能机理。 2 ) 采用模态级数法研究互联电网遭受扰动后的动态行为，分析系统的振荡 模态以及非线性模态的相互作用，以期能找到弓| 发“超低频振荡抒的物理本质。 3 ) 发展新的分析方法，实现低频振荡的在线甚至实时分析，并与s c a d a 及e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 互联，使全网运行状态尽在运行管理入员的掌握 之中，便于紧急情况下实施控制。 4 ) 引入f a c t s 元件，通过选择其合适的参数以整定协调系统元件参数，从丽 抑制低频振荡。 5 ) 在分析和时域仿真中，要考虑负荷模型对系统阻尼的影响。应该综合考 虑受荷的静态特性和动态特性。 6 ) 发展智能稳定控制器，采用人工智能等方法考虑互联电网中多p s s 之间如 何进行参数的协调整定，使之能更好的抑制复杂电嬲的超低频振荡。 因此，研究对实现低频振荡的在线甚至实时分析具有重要意义。 1 4 课题研究目的及意义 电力系统振荡是制约系统运行的一个重要因素，传统的方法是利用线性化 第1 章绪 论 i i iiiiiii, i i i i i ii i i 1 1 1 1 1 1 1 鼍 模型计算其特征根说明该问题。随着电力系统的不断扩大，系统特征根的求解 己经难以满足精度与规模的要求，各种控制措施进一步加大了系统的非线性， 使得实际振荡形态和线性系统的特征根有时不再一致，有必要利用振荡曲线分 析系统的振荡特性，特别是随着p m u 引入电力系统，建立了广域测量系统 ( w a m s ) ，可以利用在线监测的数据提取振荡信息，拓宽了振荡馥线的利用空阀， 同时避免了系统建模时的误差，这为低频振荡的在线乃至实时控制提供了契机。 利用曲线提取振荡信息，在电力系统中已经得到一定应用，传统的利用振 荡曲线进行信息提取，多是针对单机无穷大系统，其只有一条曲线，并且系统 中有无穷大电源点，可以直接利用实际功楚越线提取振荡信息。在互联多枫系 统中，利用什么曲线进行振荡信息的提取，才能得到系统主导的弱阻尼或负阻 尼振荡模式，并没有得到很好的解决。在多机系统中，由于系统没有无穷大电 源点，在振荡过程中，系统频率会有所波动，一般不直接采用实际功角曲线输 出，而是采用相对曲线输出。通常采用的相对曲线输出主要有：两机相对功角 鼗线、单视相对予角度中心( e 0 a ) 鹾线和单机稆对予惯量中心( c 0 王) 髓线。 对于两机相对曲线，由于在多机系统中，实际中的发电机很多，系统又存 在多种振荡模式，任意两枫间的主导模式不一定是系统的主导模式，因此该方 法不能选出合适的两机相对曲线，所以只适用于系统规模较小，振荡模式较为 简单，且有一定先验知识的情况。两机相对曲线输出忽略了其余机组的影响， 主要反映两机间的相对运动，为了综合考虑其余机组的影响，引入了相对角度 中心输出，其实质是单机相对于其余各机运动曲线和的平均值。该方法虽然综 合考虑了各机的影响，反映的是该单机的相对于其余视组的振荡信息，其中也 含有系统主导模式，但由于其只是两机相对曲线的简单叠加，消除不了两机曲 线存在的阖题，并不能保证在所有单祝益线中，系统主导模式信号最强，同时 其对于不同惯量的机组同等看待，与工程实际不符。单机相对于惯量中心曲线 考虑了各机组惯量的影响，反映出该机组相对于其余各枧的振荡信患，但不会 改变问题的根本，即在众多的机组曲线中，不能保证所选的单机曲线中系统的 主导模式信号最强。 e e a c 等值单机益线利用保稳变换的概念，将积分空闻和解析空闻分离，对 数值积分的结果进行分群，将系统分成互补的两群：领先群和余下群。利用 东北电力大学硕l 学位论文 黑笪曼曼量鲁i i i i i i i 。 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i 一ii 一鼍i c c c o i 。r m 变换，将两群聚合成等值两机信号，最终映射成等值单机无穷犬系 统，利用单机无穷大系统的曲线分析系统的性能。该理论能够提取系统主导振 荡模式，但在聚合过程中弱化了其他模式的振荡信号，并且分群、聚合、映射 成单机无穷大系统的过程相当繁琐，计算过程复杂。 利用两枫相对曲线提取振荡信息，一般应选择两群闻的机组，这需要有分 群的先验知识，如果机组选择不当，将会得不到系统的主导振荡模式。在以c o a 或c o i 为中心的输出曲线进行信患提取时，由于机组曲线较多，部分橇组的主 导能量模式可能是局部模式，而非系统的主导模式，应该选择系统主导振荡模 式畿量占较大比例的机组曲线进毒亍信息提取，但如何判别这些机组并无臻确的 方法。本文研究的主要目的是利用分群的概念首先确定系统主导振荡模式的中 心位置，在此基础上从复杂的多机系统中弱联系的机组中获得两机曲线进行振 荡信息提取，可以快速可靠方便地获得系统主导振荡信息。因此，本文研究具 有重要意义。 1 5 本文主要研究内容 本文通过综述电力系统低频振荡的产生机理与研究方法，针对目前w a m s 的 广泛应髑，确定了研究基于广域相量测量技术的低频振荡在线监测控制的分析 方法这一具有理论和实际的课题，具体研究内容是： 1 研究了同调机群识别问题。从网络圆有的拓扑结构特征和机组的基本参 数出发，利用模糊聚类的i s o d a t a 算法进行同调分群，研究了同调分群与低频 振荡之间的关系，从理论上分析了同调分群对选择合适的两机相对振荡曲线辨 识振荡模式的重要性，并通过算例验证了模糊聚类i s o d a t a 算法同调分群的有 效性。 2 。研究了动态分割理论。在丽调分群的基础上，利用动态网络分割理论分 析多机系统中网络节点耦合强弱，提出“分而不割 的构想，并通过多机系统的算 例验证了使用发电枫内节点电势的导纳矩阵建立起关联耦合矩阵的正确性，放而确 定该网络的弱联系节点，为寻找合适的振荡曲线提供了重要的理论价值。 第1 章绪论 3 研究了p r o n y 算法对于在线分析低频振荡特征的可行性。针对快速，准确， 便捷的在线辨识区域主导振荡模式以及局部振荡模式的要求，本文采用多机系统的 算例，在上两章的基础上，从前至后，详细地验证了该方案思路的正确性。 东北电力大学硕士学位论文 j i l l l l l l l l l l hi l l l 黑鼍曼皇曼鼍曼墨舅曼量寡量篡拦 2 。1引言 第2 章低频振荡中同调机群识别 电力系统低频振荡是捌约系统运行的一个重要因素。在互联多机系统中， 存在多种振荡模式，需要重点关注的是主导弱阻尼或负阻尼模式。利用振荡曲 线提取多机振荡信息，需要选择合适的曲线，才能褥到系统主导振荡模式。 一般来说，电力系统低频振荡存在两种机电振荡模式，即局部振荡模式和 区域振荡模式。局部振荡模式存在予同调机群内部，并由同调机群内部的机组 主导，丽与同调机群外部的机组基本不相关；区域振荡模式存在于同调机群之 间，并由同调机群主导。根据这一特点，局部振荡模式的特征和区域振荡模式 的特征可以分别采用不嗣的有针对性的振荡趣线进行辨识，从而实现低频振荡 的在线监控。对于局部振荡模式它们由同调机群内部的机组主导，而与同调机 群外部的机组基本无关。这样，仅从同调群中选择两机相对曲线缀容易提取振 荡信息。对于区域振荡模式，它们由同调机群主导，而对于任一同调机群而言， 其内部机组的动态过程相似，可以在不同群中选择两机相对曲线分析区域主导 振荡模式。在多机大系统中，这种有针对性地的选择法不仅节约时阀，而且爵 标明确，数据简洁。 电力系统的动态过程普遍存在同调现象，所谓同调是指扰动发生后不同发 电机转子具有相同或相似的运动变化趋势。因此研究动态稳定性问题不可避免 地需要研究同调识别闻题。 以往研究表明，同调识别主要取决于三个方面的因素：网络结构、发电机 惯量和故障点的位置。故障位置是不确定的，无法预估，但若将故障视为一种 注入网络的能量形式，它在网络中的传播以及对发电机的影响却是有规律的， 主要决定予网络结构和元件性质，从这个角度来说，故障对同调识别的影响又 具有确定性，在一定程度上可以归结为网络拓扑和参数对分群的影响。对于大 规模电力系统来讲，网络弱联系是引起低频振荡的重要原因。因此，可以打破 第3 章动态网络分割理论柱低频振荡主静模式辨识中的心用 依赖于研究故障后转子摇摆曲线的桎梏，从网络拓扑特征出发研究低频振荡中 的同调识别阀题，从而快速准确的寻找合适的低频振荡曲线。 本章节利用模糊聚类方法，从识别同调机群的角度研究低频振荡问题。首 先提如基于模糊划分的i s o d a t a 算法，然后根据全系统的微振荡方程式推导 出了表征系统状态、反映系统同调性的矩阵，形成了同调识别模糊集。接着预 定被分类的元素应分为几类，再从事先粗略给出的一个初始分类出发用迭代方 法进行修正，直到得到满意的分类结果为止。这种方法的物理意义清晰，计算 简单，不存在维数灾的问题，可以用于大规模系统同调机群的识别。最后通过 对新英格兰1 0 机3 9 节点系统的仿真计算验证了该方法的有效性。 2 2 同调机群识别的意义 随着电力系统的飞速发展，单机容量越来越大，互联电网的规模也不断扩高， 受扰动后的电力系统已经难以简单地等值为单机无穷太系统或两机系统，使电 力系统暂态稳定分析即使是离线计算也非常困难，而且使用计算机分析时，其 祝时、数据准备及计算结果分析方面也出现匿难。分析动态大系统的一个有效 方法是将其分解化简，等效为多个解耦的予系统再进行分析，电力系统同调机 群的划分便是基于这种思想。研究表暖，系统失稳振荡时主要表现为群与群之 间的振荡，在理想情况下，可以考虑从两群中选择两机相对振荡曲线，辨识与 分析区域之间的低频振荡，因此，快速提取区域主导振荡特征需要研究网调机 群的识别问题。 2 。3 同调机群识别的基本依据 毫力系统暂态稳定过程是一个动态过程，因此应遵循梳组的动态特性作为等 效简化的依据。在动态过程中，系统中总有一部分机组的动态行为是相近的， 这些具有相近动态行为的一群机组称为同调瓿群。 研究发电机同调识别的基本目的是为了建立一种不必进行大规模的暂态稳 东北电力人学硕十学位论文 麓皇量皇曼曼皇奠嬲鼍兰曼量曼i i i ii i , i i i i i i i i i i i i i i i 1 , , i i i i i i 兽鼍 定计算就能预断发电机相关特性的方法。一般相关特性法定义为如果两条母线 的复电压比在整个研究的时间过程中为常数，则认为它们是相关的。用这个相 关性的定义可以导出用单个的等值母线代替群相关母线的数学上严格的过 程。在实践中己经发现，上述相关定义可以放松为只检验整个时间里电压的角 度，鄂若在仿真的整个期闻里两条母线的角度差在一定的容许限度内可以认为 是恒定的，则可认为它们相关。这个相关假设也应用到发电机转子角，作为发 电祝单元模型动态集合的基础，由此蔼建立的识别方法可用于分析发电枫同调。 基于相关特性的同调识别是识别发电机群的基本判据。它根据所建立的线性 化的摇摆方程，计算出近似振荡曲线进行分群。在仿真计算时闯 融司内，可 以说系统的两个发