基于多信息源的大電網(wǎng)低頻振蕩預(yù)警及防控決策系統(tǒng)

宋墩文，溫渤嬰，楊學濤，劉 濤，谷玉寶，馬世英

基于多信息源的大電網(wǎng)低頻振蕩預(yù)警及防控決策系統(tǒng)

宋墩文1，溫渤嬰1，楊學濤2，劉 濤2，谷玉寶3，馬世英2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083；2.中國電力科學研究院，北京 100192；3.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022)

低頻振蕩是威脅互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一。負阻尼機理低頻振蕩和強迫功率振蕩在我國均有發(fā)生?；赪AMS和EMS實時多信息源相結(jié)合，提出一種將低頻振蕩實時監(jiān)測預(yù)警、擾動源定位、動態(tài)穩(wěn)定控制策略在線搜尋綜合應(yīng)用于大電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定防控方法。闡述了系統(tǒng)整體功能架構(gòu)，介紹了多機理低頻振蕩防控并行技術(shù)方案。通過Prony計算、振蕩能量指標、運行參數(shù)特征值靈敏度分析、模式匹配策略等方法實現(xiàn)低頻振蕩在線預(yù)警及防控，并指出了所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)大電網(wǎng)低頻振蕩快速量化評估與輔助決策，對提高電力系統(tǒng)動態(tài)安全預(yù)警及防控水平，具有重要理論指導(dǎo)和工程實踐意義。該原理方法在河南省互聯(lián)電網(wǎng)低頻振蕩防控系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。

低頻振蕩；實時監(jiān)控；弱阻尼；強迫振蕩；廣域測量；并行計算

0 引言

近年來，我國堅強智能電網(wǎng)快速發(fā)展，特高壓交直流電網(wǎng)建設(shè)全面提速，資源優(yōu)化配置和清潔能源消納能力顯著提升。但在特高壓互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)過渡期，電網(wǎng)運行特性更加復(fù)雜，區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定裕度下降，電網(wǎng)跨區(qū)潮流轉(zhuǎn)移范圍更大、影響區(qū)域更廣，使得故障后的穩(wěn)定問題更加復(fù)雜，給電網(wǎng)實時調(diào)控運行帶來極大挑戰(zhàn)，其中，低頻振蕩問題是威脅互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和制約電網(wǎng)輸電能力的關(guān)鍵因素之一。

我國近年來發(fā)生的低頻振蕩事件如表1所示[1-4]。由表述統(tǒng)計可見，我國近期來發(fā)生的低頻振蕩呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性特點，因此有必要對多機理低頻振蕩綜合防控體系進行研究。

表1 低頻振蕩事件一覽Table 1 Low frequency oscillation events

目前，低頻振蕩相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)做了大量研究，涌現(xiàn)出許多有效方法和成果[5]。準確識別低頻振蕩發(fā)生，定位低頻振蕩起振點，尋找平息低頻振蕩的控制措施，是大電網(wǎng)低頻振蕩防控，尤其是實時防控的三大基本任務(wù)。

低頻振蕩在線識別方面，廣域量測系統(tǒng)(Wide area management system，WAMS)真實記錄了系統(tǒng)受擾軌跡，為低頻振蕩分析提供了強有力工具?？赏ㄟ^ WAMS獲取區(qū)間的發(fā)電機相對轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)子角速度信號等實測信息，結(jié)合Prony算法對振蕩模式和模態(tài)進行分析，低頻振蕩監(jiān)視作為 WAMS高級應(yīng)用之一在實際工程中得到普遍應(yīng)用[6]，但從WAMS系統(tǒng)中較難得到進一步抑制甚至平息低頻振蕩的措施。

擾動源定位方法方面，研究成果包括基于能量的方法[7-9]、基于混合仿真的方法[10]以及基于機電波相關(guān)性分析的方法[11]等，無論是效果還是可行性方面，基于能量的方法都具有更大的優(yōu)勢，文獻[12]提出了建議在能量管理系統(tǒng)(Energy management system，EMS)增加基于同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)數(shù)據(jù)的暫態(tài)能量流計算功能，用于鎖定強迫振蕩源。

控制策略搜尋方面，常采用基于系統(tǒng)模型參數(shù)的模態(tài)分析法、時域仿真法以及阻尼轉(zhuǎn)矩分析法[13-17]等，但其大多數(shù)應(yīng)用場合仍然在基于某一運行方式的研究態(tài)，相關(guān)功能軟件也僅作為低頻振蕩研究或事故反演驗證工具。

綜上分析，現(xiàn)有低頻振蕩分析手段往往只針對低頻振蕩防控三大基本任務(wù)某一點出發(fā)進行分析，存在功能和面向機理單一、無法在線生成輔助控制措施等不足，無法滿足新形勢下電網(wǎng)低頻振蕩防控需求。

本文主要工作是將低頻振蕩實時辨識、強迫功率振蕩擾動源定位、動態(tài)穩(wěn)定輔助控制措施在線搜尋有機結(jié)合，對相關(guān)功能包括Prony計算、在線小干擾分析、面向運行參數(shù)輔助控制措施以及基于能量的強迫擾動源定位進行研究、擴展與組態(tài)集成，研發(fā)了基于多信息源的、能夠覆蓋負阻尼機理低頻振蕩和強迫功率振蕩的大電網(wǎng)低頻振蕩預(yù)警及防控輔助決策系統(tǒng)。

系統(tǒng)能夠提高低頻振蕩防控和智能化決策水平，提升調(diào)度人員對電網(wǎng)低頻振蕩分析和判別能力，增強對電網(wǎng)多機理低頻振蕩態(tài)勢的全景感知能力。

1 大電網(wǎng)低頻振蕩影響因素綜合分析

按照低頻振蕩物理機制本質(zhì)，可分為負阻尼機理、強迫功率振蕩、參數(shù)諧振機理及非線性機理等，本文主要討論目前工程上常見的負阻尼機理和強迫振蕩機理功率振蕩。

負阻尼機理低頻振蕩由電網(wǎng)故障或負荷投切激發(fā)，與擾動形式無關(guān)。長距離、重負荷輸電線路易引起負阻尼機理功率振蕩，而快速、高放大倍數(shù)的勵磁系統(tǒng)對此起惡化作用。因此最根本的方法是設(shè)法提高系統(tǒng)阻尼力矩(或優(yōu)化負阻尼振蕩模式)。其中，在發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power system stabilizer，PSS)是抑制低頻振蕩最基本的措施，PSS已被證明是目前阻尼低頻振蕩的最有效、最經(jīng)濟的裝置。但PSS整定設(shè)計常在離線階段完成，參數(shù)跟蹤運行方式變化存在困難。

原動機機械功率周期性擺動，包括汽輪機主蒸汽壓力脈動、水輪機尾水管水壓脈動、勵磁系統(tǒng)電壓周期性波動、負荷周期性擾動、發(fā)電機非周期并網(wǎng)等不同形式的周期性小擾動注入電網(wǎng)，當擾動頻率頻譜覆蓋系統(tǒng)固有振蕩頻率時，會引起不同程度的強迫功率振蕩[18-21]。強迫功率振蕩三要素(頻率、振幅及相位)受擾動源(擾動幅值和擾動地點)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行參數(shù)等因素的影響。抑制該類振蕩的最有效和最直接的方法即為追蹤振蕩傳播途徑，識別初始起振點，切除擾動源。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)目標

大電網(wǎng)低頻振蕩表現(xiàn)形式和影響因素復(fù)雜多樣，即使只對常見的負阻尼機理和強迫振蕩實施同時防控也存在較大困難。

為便于解決上述低頻振蕩防控三大基本任務(wù)，指導(dǎo)工程實踐，考慮當今低頻振蕩各類先進算法基礎(chǔ)上，針對負阻尼振蕩及強迫功率振蕩安全問題，提出聯(lián)合應(yīng)用現(xiàn)有 EMS和 WAMS等多信息源平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理、并行計算等新技術(shù)，綜合分析比對各類計算分析結(jié)果，在線判別電網(wǎng)低頻振蕩，尋找抑制振蕩控制措施和搜索起振位置的低頻振蕩綜合防控方法，構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)低頻振蕩監(jiān)測、預(yù)警和防控系統(tǒng)。

2.2 綜合防控總體設(shè)計

低頻振蕩綜合防控系統(tǒng)設(shè)計上，采用分層架構(gòu)方法，將數(shù)據(jù)處理、計算分析、結(jié)果判斷歸屬于不同的實現(xiàn)層次。整個低頻振蕩防控系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)通過WAMS實測數(shù)據(jù)波形及阻尼分析，對當前低頻振蕩機理進行判別，給出改善系統(tǒng)阻尼的控制措施或起振點位置。

圖1 低頻振蕩綜合防控總體架構(gòu)Fig. 1 Overall architecture of low frequency oscillation comprehensive prevention and control system

架構(gòu)主要分為6個部分。

1) 實時多信息源數(shù)據(jù)處理

包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory control and data acquisition，SCADA)/EMS在線數(shù)據(jù)、PMU/WAMS量測數(shù)據(jù)在線自動獲取、整合及接口規(guī)范化處理。數(shù)據(jù)支撐層為多機理低頻振蕩計算分析提供運行方式、網(wǎng)絡(luò)拓撲和同步監(jiān)測信息。

2) 低頻振蕩監(jiān)測預(yù)警

包括功率振蕩越限識別、基于實時 WAMS數(shù)據(jù)和Prony計算的振蕩模式識別、基于同調(diào)分群技術(shù)的模態(tài)識別。該環(huán)節(jié)實現(xiàn)了低頻振蕩監(jiān)測預(yù)警，且為靈敏度輔助控制措施生成及強迫振蕩源定位提供基礎(chǔ)信息。

3) 在線低頻振蕩分析決策

包括基于在線方式數(shù)據(jù)和隱式重啟動 Arnoldi算法，實現(xiàn)在線小干擾計算分析，對振蕩模式進行掃描；基于有功功率特征值靈敏度方法，生成與振蕩模式具有對應(yīng)關(guān)系的輔助控制措施表。

4) 基于模式匹配的控制措施自動篩選

應(yīng)用模式匹配策略，對2)和3)結(jié)果信息進行最小二乘匹配，自動獲得抑制當前功率振蕩的可用控制措施。

5) 低頻振蕩源搜索定位

綜合應(yīng)用在線運行方式拓撲信息、WAMS量測信息、Prony分析得到的振蕩預(yù)警信息，基于能量分析方法獲得擾動傳播路徑，實現(xiàn)擾動源定位。

6) 人機交互及控制

面向調(diào)度運行人員，將多機理低頻振蕩計算分析得到的關(guān)鍵結(jié)果形成電網(wǎng)低頻振蕩預(yù)警及控制措施決策可視化信息。

2.3 綜合防控總體設(shè)計

1) 兼顧多機理低頻振蕩防控，包括負阻尼振蕩機理和強迫功率振蕩機理；

2) 充分利用多信息源數(shù)據(jù)特征，包括 WAMS數(shù)據(jù)實時性、同步性和精確性，以及 EMS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲及信息全局性；

3) 將多個方法的優(yōu)點進行有機結(jié)合，包括基于模型的小干擾分析分析方法和基于量測的軌跡分析方法；

4) 預(yù)防控制與緊急控制相結(jié)合，當無振蕩發(fā)生時，可給出阻尼優(yōu)化措施；當振蕩發(fā)生時，在基于模式匹配方法實現(xiàn)實時推送基于功率調(diào)整的在線輔助決策；

5) 系統(tǒng)采用開放自適應(yīng)組態(tài)架構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)后續(xù)功能自由嵌入。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多信息源數(shù)據(jù)整合

電網(wǎng)的 EMS數(shù)據(jù)反映了電網(wǎng)的實時運行拓撲和運行狀態(tài)。其數(shù)據(jù)結(jié)果是基于SCADA量測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過狀態(tài)估計而獲得的。系統(tǒng)基于OpenMP并行技術(shù)的多線程快速在線EMS數(shù)據(jù)整合方法，實現(xiàn)了區(qū)內(nèi)電網(wǎng)和區(qū)外電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)拼接，提高了數(shù)據(jù)整合效率，增強了應(yīng)對電網(wǎng)實時拓撲變化的適應(yīng)性。

WAMS在同一參考時間框架下捕捉到大電網(wǎng)各點的實時動態(tài)信息，信息包括有功、無功、電壓、相角、頻率等關(guān)鍵量，準確反映了電網(wǎng)的運行狀態(tài)。為提高 EMS數(shù)據(jù)用于振蕩防控計算的數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過限值過濾、冗余校核、定性判斷等多種方法，將WAMS數(shù)據(jù)與EMS數(shù)據(jù)進行有效整合，提高實時計算數(shù)據(jù)可用率。對于低頻振蕩預(yù)警，本方法直接采用 WAMS各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行計算分析；對于輔助控制措施及起振源搜索采用在線整合數(shù)據(jù)進行計算分析。

3.2 WAMS低頻振蕩在線監(jiān)測

通過閾值計算，可檢測到功率振蕩是否發(fā)生；通過對線路有功和母線相角連續(xù)Prony跟蹤計算，可及時得到反應(yīng)低頻振蕩特征量的振蕩頻率、阻尼大小等信息；通過全網(wǎng)機群相角相位關(guān)系，可得到振蕩模態(tài)信息，即機組分群情況。

1) 功率越限告警啟動判據(jù)

其中：Pmax、Pmin和Pave分別為觀察時窗內(nèi)有功功率時間序列最大值、最小值和平均值；c為越限閾值。時間窗口選為1 s。滿足上述判據(jù)時，說明功率發(fā)生明顯波動，此時需要進一步啟動數(shù)據(jù)分析，判別是否為低頻振蕩。其中，觀測變量也可選電流或功角等。

2) 模式識別

Prony算法用復(fù)指數(shù)衰減線性模型組合來擬合等間隔采樣數(shù)據(jù)，估算給定信號的頻率、衰減因子、幅值和相位。擬合模型為其中：N為采樣數(shù)據(jù)個數(shù)；p為擬合復(fù)指數(shù)函數(shù)個數(shù)；分別為幅值、初相位、衰減因子和頻率。

3) 基于全網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)的振蕩機群快速判別技術(shù)基于Prony針對不同節(jié)點、同一時間序列監(jiān)測功率相角和母線頻率波動曲線辨識得到的初始相位信息，對同調(diào)機群進行分類。具體分為以下幾個步驟：

a. 對相對振蕩幅值進行排序，選取最大的振蕩曲線相位為參考值；相對振蕩幅值計算參考公式(1)；

b. 根據(jù)其他振蕩越限點與參考點初相位對機組進行聚類分群和歸一化處理；

c. 獲得相對振蕩機群和振蕩中心位置。

3.3 低頻振蕩抑制措施在線計算

利用數(shù)據(jù)整合得到的潮流模型，結(jié)合描述電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定參數(shù)化模型，可以實現(xiàn)整個電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性計算。采用隱式重啟動 Arnoldi方法，在頻率范圍內(nèi)對電力系統(tǒng)動態(tài)特性進行特征值求解，在求解過程中產(chǎn)生的左、右特征相量矩陣，包含了振蕩模式、振蕩頻率、阻尼比、機電回路相關(guān)比和參與因子等信息。特定低頻振蕩模式的同調(diào)機群信息可由特征向量相角信息得到。

系統(tǒng)運行方式是影響小干擾穩(wěn)定性的重要因素，通過計算特征值對系統(tǒng)運行方式的靈敏度，對于系統(tǒng)可能存在或真實發(fā)生的低頻振蕩采取措施，改變系統(tǒng)運行方式，以避免或抑制低頻振蕩。電力系統(tǒng)數(shù)學模型可由一組微分代數(shù)方程描述如式(3)。

因此，采用運行參數(shù)(有功功率和無功功率)特征值靈敏度分析，找出危險振蕩模式下的調(diào)控措施，形成動態(tài)穩(wěn)定控制策略表。

3.4 模式匹配策略

充分利用時域Prony算法計算速度快、頻域小干擾及靈敏度計算結(jié)果信息豐富的優(yōu)點，基于模式匹配思想，將3.2節(jié)實時得到的振蕩信息與3.3節(jié)的輔助控制策略表進行耦合，“正向”充分利用WAMS數(shù)據(jù)和Prony算法的實時性，將掃描得到的電網(wǎng)振蕩信息與小干擾分析得到的動態(tài)穩(wěn)定控制策略表，基于多指標信息最小二乘法進行匹配；“反向”將靈敏度計算出的措施在線推給調(diào)度員，在整體上提高大電網(wǎng)低頻振蕩問題“發(fā)現(xiàn)即解決”的實時性和準確性。

3.5 強迫振蕩擾動源搜索

若系統(tǒng)阻尼良好仍有振蕩發(fā)生，則有可能為強迫功率振蕩。系統(tǒng)采用能量法進行擾動源定位：

式中，變量物理含義見文獻[8-9,23]。若在連續(xù)時窗內(nèi)恒滿足，則認為擾動源位于該發(fā)電機或母線側(cè)。

發(fā)電機勢能或支路勢能被視為發(fā)電機對振蕩影響的一種指標，發(fā)電機流向網(wǎng)絡(luò)能量的正負反應(yīng)出該發(fā)電機對振蕩是激勵作用還是抑制作用。因此通過觀察各機組的能量變化，便可以區(qū)分出擾動源所在的機組。

研究表明，對于同一振蕩模式的相同擾動量，若擾動源位于參與因子較大機組，則系統(tǒng)發(fā)生強迫功率振蕩較為嚴重。因此本文在割集能量法[9]的基礎(chǔ)上，充分考慮和利用模式匹配得到的結(jié)果信息，在鎖定割集內(nèi)部，將參與因子較大機組作為優(yōu)先掃描對象，為進一步快速鎖定危險擾動提供依據(jù)。

3.6 預(yù)警及決策控制

每次實時數(shù)據(jù)更新都會“驅(qū)動”低頻振蕩監(jiān)測、控制措施搜索以及振蕩源定位三項基本任務(wù)并行處理，當 WAMS監(jiān)測電網(wǎng)出現(xiàn)低頻振蕩后，系統(tǒng)對對有用信息進行整合，選擇匹配最優(yōu)或次優(yōu)的輔助控制措施推向調(diào)度人員。若為強迫功率振蕩，則在預(yù)警振蕩模式下，給出振蕩源傳播途徑，列出可能起振點或起振范圍。

4 低頻振蕩防控系統(tǒng)研制及應(yīng)用

第3節(jié)所述低頻振蕩綜合防控方法的各技術(shù)要點已通過原理和測試案例驗證，為充分檢驗其工程實用價值，采用該方法研制了河南省低頻振蕩防控決策支持系統(tǒng)且在河南省電力公司得到應(yīng)用。該系統(tǒng)由一臺通信前置機、管理服務(wù)器、WAMS振蕩監(jiān)測計算服務(wù)器、動態(tài)穩(wěn)定及振蕩源定位并行計算服務(wù)器和展示工作站構(gòu)成。通信前置機實現(xiàn)與WAMS和 EMS系統(tǒng)接口；管理服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、任務(wù)的調(diào)度和輔助控制決策的選擇輸出；WAMS振蕩監(jiān)測計算服務(wù)器實現(xiàn)基于各監(jiān)測點母線電壓的非參數(shù)化Prony實時計算分析，并向管理服務(wù)器提供低頻振蕩判斷結(jié)果；并行計算服務(wù)器實現(xiàn)小干擾、振蕩能量計算分析。振蕩預(yù)警結(jié)果、振蕩抑制措施及起振位置判定結(jié)果通過顯示工作站展現(xiàn)給調(diào)度分析人員。

5 結(jié)論

低頻振蕩是威脅互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一。本文利用WAMS和EMS實時數(shù)據(jù)，采用Prony算法、隱式重啟動算法、能量分析法、運行參數(shù)特征值靈敏度計算等判斷方法，提出了一套大電網(wǎng)低頻振蕩防控方法，給出了解決低頻振蕩監(jiān)測預(yù)警、振蕩源搜索定位、振蕩抑制平息控制措施三大基本低頻振蕩防控問題的解決方案。提出了多機理低頻振蕩防控系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，研發(fā)了基于多信息源的大電網(wǎng)低頻振蕩預(yù)警及防控決策系統(tǒng)。為大電網(wǎng)低頻振蕩防控探索出一條工程化應(yīng)用途徑，對提高電力系統(tǒng)動態(tài)安全預(yù)警及防控水平具有重要理論指導(dǎo)和工程實踐意義。

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A multiple information sources based early warning and preventive control system for low-frequency oscillation in large-scale power system

SONG Dunwen1, WEN Boying1, YANG Xuetao2, LIU Tao2, GU Yubao3, MA Shiying2
(1. College of Information and Electrical Engineering, China Agriculture University, Beijing 100083, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. State Grid Anhui Electric Power Company Economy and Technology Research Institute, Hefei 230022, China)

Low frequency oscillation is one of the key factors threatening the security and stability of interconnected power grid. Negative damping mechanism low frequency oscillation and forced power oscillation ever have occurred in China. Based on the combined real-time multi-information sources multi-information source of WAMS and EMS, a comprehensive prevention and control method including real-time monitoring and early warning of low frequency oscillations, disturbance source localization, online searching of dynamic stability control strategy applied to large grid is proposed. The overall system function architecture is elaborated and the parallel prevention technical solution of multi-mechanism low frequency oscillation is introduced. By Prony calculation, oscillation energy index, eigenvalue sensitivity analysis of operating parameters and pattern matching strategy methods, the online warning and prevention of low frequency oscillation is achieved, the key technologies involved are pointed out. Using the proposed system, the fast quantitative evaluation and decision support for low frequency oscillation of large power grid can be implemented, and the dynamic security early warning and preventive control level of power grids can be enhanced, which is meaningful both in theoretical guidance and engineering practice. The method gets practical application in Henan interconnected power grid.

low frequency oscillation; real-time monitoring; weak damping; forced oscillation; wide area measurement; parallel computing

2015-10-26；

2016-03-10

宋墩文(1971 -)，男，通信作者，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制研究和電力系統(tǒng)仿真計算分析系統(tǒng)研發(fā)。E-mail: songdw@epri.sgcc.com.cn

(編輯 葛艷娜)

10.7667/PSPC151880

國家電網(wǎng)公司科技項目“大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略管理和動態(tài)性能監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”