宋墩文，溫渤嬰，楊學(xué)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(xué)濤2，劉 濤2，谷玉寶3，馬世英2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)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(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩和強(qiáng)迫功率振蕩在我國均有發(fā)生?；赪AMS和EMS實(shí)時(shí)多信息源相結(jié)合，提出一種將低頻振蕩實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警、擾動(dòng)源定位、動(dòng)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(dòng)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(jī)理低頻振蕩防控并行技術(shù)方案。通過Prony計(jì)算、振蕩能量指標(biāo)、運(yùn)行參數(shù)特征值靈敏度分析、模式匹配策略等方法實(shí)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(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)低頻振蕩快速量化評(píng)估與輔助決策，對(duì)提高電力系統(tǒng)動(dòng)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(shí)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(shí)際應(yīng)用。

低頻振蕩；實(shí)時(shí)監(jiān)控；弱阻尼；強(qiáng)迫振蕩；廣域測量；并行計(jì)算

0 引言

近年來，我國堅(jiān)強(qiáng)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(yùn)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(shí)時(shí)調(diào)控運(yùn)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(yùn)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(jì)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(diǎn)，因此有必要對(duì)多機(jī)理低頻振蕩綜合防控體系進(jìn)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(zhǔn)確識(shí)別低頻振蕩發(fā)生，定位低頻振蕩起振點(diǎn)，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(shí)時(shí)防控的三大基本任務(wù)。

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

擾動(dòng)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(jī)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(xiàn)[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(jì)算功能，用于鎖定強(qiáng)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(shí)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(yùn)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(yàn)證工具。

綜上分析，現(xiàn)有低頻振蕩分析手段往往只針對(duì)低頻振蕩防控三大基本任務(wù)某一點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行分析，存在功能和面向機(jī)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(shí)時(shí)辨識(shí)、強(qiáng)迫功率振蕩擾動(dòng)源定位、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定輔助控制措施在線搜尋有機(jī)結(jié)合，對(duì)相關(guān)功能包括Prony計(jì)算、在線小干擾分析、面向運(yùn)行參數(shù)輔助控制措施以及基于能量的強(qiáng)迫擾動(dòng)源定位進(jìn)行研究、擴(kuò)展與組態(tài)集成，研發(fā)了基于多信息源的、能夠覆蓋負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩和強(qiáng)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(duì)電網(wǎng)低頻振蕩分析和判別能力，增強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)多機(jī)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(jī)制本質(zhì)，可分為負(fù)阻尼機(jī)理、強(qiáng)迫功率振蕩、參數(shù)諧振機(jī)理及非線性機(jī)理等，本文主要討論目前工程上常見的負(fù)阻尼機(jī)理和強(qiáng)迫振蕩機(jī)理功率振蕩。

負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩由電網(wǎng)故障或負(fù)荷投切激發(fā)，與擾動(dòng)形式無關(guān)。長距離、重負(fù)荷輸電線路易引起負(fù)阻尼機(jī)理功率振蕩，而快速、高放大倍數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)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(fù)阻尼振蕩模式)。其中，在發(fā)電機(jī)勵(lì)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(jì)的裝置。但PSS整定設(shè)計(jì)常在離線階段完成，參數(shù)跟蹤運(yùn)行方式變化存在困難。

原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率周期性擺動(dòng)，包括汽輪機(jī)主蒸汽壓力脈動(dòng)、水輪機(jī)尾水管水壓脈動(dòng)、勵(lì)磁系統(tǒng)電壓周期性波動(dòng)、負(fù)荷周期性擾動(dòng)、發(fā)電機(jī)非周期并網(wǎng)等不同形式的周期性小擾動(dòng)注入電網(wǎng)，當(dāng)擾動(dòng)頻率頻譜覆蓋系統(tǒng)固有振蕩頻率時(shí)，會(huì)引起不同程度的強(qiáng)迫功率振蕩[18-21]。強(qiáng)迫功率振蕩三要素(頻率、振幅及相位)受擾動(dòng)源(擾動(dòng)幅值和擾動(dòng)地點(diǎn))、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)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(shí)別初始起振點(diǎn)，切除擾動(dòng)源。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

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(duì)常見的負(fù)阻尼機(jī)理和強(qiáng)迫振蕩實(shí)施同時(shí)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(shí)踐，考慮當(dāng)今低頻振蕩各類先進(jìn)算法基礎(chǔ)上，針對(duì)負(fù)阻尼振蕩及強(qiáng)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(tái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理、并行計(jì)算等新技術(shù)，綜合分析比對(duì)各類計(jì)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(jì)

低頻振蕩綜合防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用分層架構(gòu)方法，將數(shù)據(jù)處理、計(jì)算分析、結(jié)果判斷歸屬于不同的實(shí)現(xiàn)層次。整個(gè)低頻振蕩防控系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)通過WAMS實(shí)測數(shù)據(jù)波形及阻尼分析，對(duì)當(dāng)前低頻振蕩機(jī)理進(jìn)行判別，給出改善系統(tǒng)阻尼的控制措施或起振點(diǎn)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(gè)部分。

1) 實(shí)時(shí)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(dòng)獲取、整合及接口規(guī)范化處理。數(shù)據(jù)支撐層為多機(jī)理低頻振蕩計(jì)算分析提供運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯奖O(jiān)測信息。

2) 低頻振蕩監(jiān)測預(yù)警

包括功率振蕩越限識(shí)別、基于實(shí)時(shí) WAMS數(shù)據(jù)和Prony計(jì)算的振蕩模式識(shí)別、基于同調(diào)分群技術(shù)的模態(tài)識(shí)別。該環(huán)節(jié)實(shí)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(qiáng)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(dòng) Arnoldi算法，實(shí)現(xiàn)在線小干擾計(jì)算分析，對(duì)振蕩模式進(jìn)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(duì)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(dòng)篩選

應(yīng)用模式匹配策略，對(duì)2)和3)結(jié)果信息進(jìn)行最小二乘匹配，自動(dòng)獲得抑制當(dāng)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(yùn)行方式拓?fù)湫畔?、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(dòng)傳播路徑，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)源定位。

6) 人機(jī)交互及控制

面向調(diào)度運(yùn)行人員，將多機(jī)理低頻振蕩計(jì)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(jì)

1) 兼顧多機(jī)理低頻振蕩防控，包括負(fù)阻尼振蕩機(jī)理和強(qiáng)迫功率振蕩機(jī)理；

2) 充分利用多信息源數(shù)據(jù)特征，包括 WAMS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、同步性和精確性，以及 EMS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼靶畔⑷中裕?/p>

3) 將多個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)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(dāng)無振蕩發(fā)生時(shí)，可給出阻尼優(yōu)化措施；當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)，在基于模式匹配方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jì)，可實(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行拓?fù)浜瓦\(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了區(qū)內(nèi)電網(wǎng)和區(qū)外電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)拼接，提高了數(shù)據(jù)整合效率，增強(qiáng)了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)拓?fù)渥兓倪m應(yīng)性。

WAMS在同一參考時(shí)間框架下捕捉到大電網(wǎng)各點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，信息包括有功、無功、電壓、相角、頻率等關(guān)鍵量，準(zhǔn)確反映了電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。為提高 EMS數(shù)據(jù)用于振蕩防控計(jì)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(jìn)行有效整合，提高實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)可用率。對(duì)于低頻振蕩預(yù)警，本方法直接采用 WAMS各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析；對(duì)于輔助控制措施及起振源搜索采用在線整合數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2 WAMS低頻振蕩在線監(jiān)測

通過閾值計(jì)算，可檢測到功率振蕩是否發(fā)生；通過對(duì)線路有功和母線相角連續(xù)Prony跟蹤計(jì)算，可及時(shí)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(jī)群相角相位關(guān)系，可得到振蕩模態(tài)信息，即機(jī)組分群情況。

1) 功率越限告警啟動(dòng)判據(jù)

其中：Pmax、Pmin和Pave分別為觀察時(shí)窗內(nèi)有功功率時(shí)間序列最大值、最小值和平均值；c為越限閾值。時(shí)間窗口選為1 s。滿足上述判據(jù)時(shí)，說明功率發(fā)生明顯波動(dòng)，此時(shí)需要進(jìn)一步啟動(dòng)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(shí)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(hào)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(gè)數(shù)；p為擬合復(fù)指數(shù)函數(shù)個(gè)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(jī)群快速判別技術(shù)基于Prony針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)、同一時(shí)間序列監(jiān)測功率相角和母線頻率波動(dòng)曲線辨識(shí)得到的初始相位信息，對(duì)同調(diào)機(jī)群進(jìn)行分類。具體分為以下幾個(gè)步驟：

a. 對(duì)相對(duì)振蕩幅值進(jìn)行排序，選取最大的振蕩曲線相位為參考值；相對(duì)振蕩幅值計(jì)算參考公式(1)；

b. 根據(jù)其他振蕩越限點(diǎn)與參考點(diǎn)初相位對(duì)機(jī)組進(jìn)行聚類分群和歸一化處理；

c. 獲得相對(duì)振蕩機(jī)群和振蕩中心位置。

3.3 低頻振蕩抑制措施在線計(jì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算。采用隱式重啟動(dòng) Arnoldi方法，在頻率范圍內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(jī)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(jī)群信息可由特征向量相角信息得到。

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

因此，采用運(yùn)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(xiǎn)振蕩模式下的調(diào)控措施，形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制策略表。

3.4 模式匹配策略

充分利用時(shí)域Prony算法計(jì)算速度快、頻域小干擾及靈敏度計(jì)算結(jié)果信息豐富的優(yōu)點(diǎn)，基于模式匹配思想，將3.2節(jié)實(shí)時(shí)得到的振蕩信息與3.3節(jié)的輔助控制策略表進(jìn)行耦合，“正向”充分利用WAMS數(shù)據(jù)和Prony算法的實(shí)時(shí)性，將掃描得到的電網(wǎng)振蕩信息與小干擾分析得到的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制策略表，基于多指標(biāo)信息最小二乘法進(jìn)行匹配；“反向”將靈敏度計(jì)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.5 強(qiáng)迫振蕩擾動(dòng)源搜索

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

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

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

研究表明，對(duì)于同一振蕩模式的相同擾動(dòng)量，若擾動(dòng)源位于參與因子較大機(jī)組，則系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)迫功率振蕩較為嚴(yán)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(jī)組作為優(yōu)先掃描對(duì)象，為進(jìn)一步快速鎖定危險(xiǎn)擾動(dòng)提供依據(jù)。

3.6 預(yù)警及決策控制

每次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新都會(huì)“驅(qū)動(dòng)”低頻振蕩監(jiān)測、控制措施搜索以及振蕩源定位三項(xiàng)基本任務(wù)并行處理，當(dāng) WAMS監(jiān)測電網(wǎng)出現(xiàn)低頻振蕩后，系統(tǒng)對(duì)對(duì)有用信息進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)已通過原理和測試案例驗(yàn)證，為充分檢驗(yàn)其工程實(shí)用價(jià)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(tái)通信前置機(jī)、管理服務(wù)器、WAMS振蕩監(jiān)測計(jì)算服務(wù)器、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定及振蕩源定位并行計(jì)算服務(wù)器和展示工作站構(gòu)成。通信前置機(jī)實(shí)現(xiàn)與WAMS和 EMS系統(tǒng)接口；管理服務(wù)器實(shí)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(jì)算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)基于各監(jiān)測點(diǎn)母線電壓的非參數(shù)化Prony實(shí)時(shí)計(jì)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(jì)算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)小干擾、振蕩能量計(jì)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(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。本文利用WAMS和EMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用Prony算法、隱式重啟動(dòng)算法、能量分析法、運(yùn)行參數(shù)特征值靈敏度計(jì)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(jī)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(duì)提高電力系統(tǒng)動(dòng)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(shí)踐意義。

[1] 董明齊, 楊東俊, 黃涌, 等. 華中電網(wǎng) WAMS實(shí)測區(qū)域低頻振蕩仿真[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(13): 64-69.

DONG Mingqi, YANG Dongjun, HUANG Yong, et al. Simulation of regional low frequency oscillation based on data measured by WAMS of central China powergrid[J]. Power System Technology, 2009, 33(13): 64-69.

[2] 王鐵強(qiáng). 電力系統(tǒng)低頻振蕩共振機(jī)理的研究[D]. 北京:華北電力大學(xué), 2001.

[3] 李丹, 蘇為民, 張晶, 等. “9.1”內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)振蕩的仿真研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(6): 41-47.

LI Dan, SU Weimin, ZHANG Jing, et al. Simulation study on west inner Mongolia power grid oscillations occurred on September 1st, 2005[J]. Power System Technology, 2006, 30(6): 41-47.

[4] 苗友忠, 湯涌, 李丹, 等. 局部振蕩引起區(qū)間大功率振蕩的機(jī)理[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(10): 73-77.

MIAO Youzhong, TANG Yong, LI Dan, et al. Tentative study of inter-area large power oscillation mechanism caused by the local mode[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(10): 73-77.

[5] 宋墩文, 楊學(xué)濤, 丁巧林, 等. 大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)低頻振蕩分析與控制方法綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(10): 22-28.

SONG Dunwen, YANG Xuetao, DING Qiaolin, et al. A survey on analysis on low frequency oscillation in large-scale interconnected power grid and its control measures[J]. Power System Technology, 2011, 35(10): 22-28.

[6] 胡昊明, 鄭偉, 徐偉, 等. Prony和HHT算法在低頻振蕩在線辨識(shí)中的適用性比較[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(14): 33-40.

HU Haoming, ZHENG Wei, XU Wei, et al. Comparison of the applicability of Prony and HHT algorithms for on-line identification of low-frequency oscillation[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(14): 33-40.

[7] 余一平, 閔勇, 陳磊, 等. 基于能量函數(shù)的強(qiáng)迫功率振蕩擾動(dòng)源定位[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(5): 1-6.

YU Yiping, MIN Yong, CHEN Lei, et al. Disturbance source location of forced power oscillation using energy functions[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(5): 1-6.

[8] 陳磊, 閔勇, 胡偉. 基于振蕩能量的低頻振蕩分析與振蕩源定位(一)理論基礎(chǔ)與能量流計(jì)算[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(3): 22-27.

CHEN Lei, MIN Yong, HU Wei. Low frequency oscillation analysis and oscillation source location using oscillation energy, part one: mathematical foundation and energy flow computation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(3): 22-27.

[9] 李文峰, 郭劍波, 李瑩, 等. 基于 WAMS的電力系統(tǒng)功率振蕩分析與振蕩源定位(1)割集能量法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(25): 41-46.

LI Wenfeng, GUO Jianbo, LI Ying, et al. Power system oscillation analysis and oscillation source location based on WAMS part 1: method of cutset energy[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(25): 41-46.

[10] 薄博. 共振型低頻振蕩振源定位研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2008.

[11] 耿天翔, 張竹競, 項(xiàng)麗, 等. 基于起振特性的強(qiáng)迫振蕩擾動(dòng)源定位及解列方案[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(6): 99-103.

GENG Tianxiang, ZHANG Zhujing, XIANG Li, et al. A locating and splitting scheme for disturbance source of forced power oscillation based on the propagation characteristic[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(6): 99-103.

[12] 肖鳴, 梁志飛. 南方電網(wǎng)強(qiáng)迫功率振蕩事故分析及其處置措施[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2012, 6(2): 51-54.

XIAO Ming, LIANG Zhifei. Analysis on the forced oscillation failure in china southern power grid and its handling measures[J]. Southern Power System Technology, 2012, 6(2): 51-54.

[13] 王青, 孫華東, 馬世英, 等. 電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定安全評(píng)估的一般原則及其在貴州電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(6): 24-28.

WANG Qing, SUN Huadong, MA Shiying, et al. General principle of power system small signal stability evaluation and its application in Guizhou power grid[J]. Power System Technology, 2009, 33(6): 24-28.

[14] 項(xiàng)麗, 鮑顏紅, 耿天翔, 等. 基于廣域信息的發(fā)電機(jī)電壓控制抑制區(qū)間低頻振蕩方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(18): 18-22.

XIANG Li, BAO Yanhong, GENG Tianxiang, et al. Damping inter-area low frequency oscillations method for generator voltage control based on wide-area information[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(18): 18-22.

[15] 李陽海, 黃瑩, 劉巨, 等. 基于阻尼轉(zhuǎn)矩分析的電力系統(tǒng)低頻振蕩源定位[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(14): 84-91.

LI Yanghai, HUANG Ying, LIU Ju, et al. Power system oscillation source location based on damping torque analysis[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 84-91.

[16] 徐千鳴, 羅安, 馬伏軍, 等. 考慮低頻振蕩的MMC有源阻尼環(huán)流抑制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(24): 118-127.

XU Qianming, LUO An, MA Fujun, et al. Circulating current suppressing method based on active damping control of MMC considering low-frequency oscillation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(24): 118-127.

[17] 李從善, 劉天琪, 劉利兵, 等. 直流多落點(diǎn)系統(tǒng)自抗擾附加阻尼控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(7): 10-17.

LI Congshan, LIU Tianqi, LIU Libing, et al. An auto-disturbance rejection controller of multi-HVDC[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(7): 10-17.

[18] 韓志勇, 賀仁睦, 徐衍會(huì). 汽輪機(jī)壓力脈動(dòng)引發(fā)電力系統(tǒng)低頻振蕩的共振機(jī)制分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 28(1): 47-51.

HAN Zhiyong, HE Renmu, XU Yanhui. Study on resonance mechanism of power system low frequency oscillation induced by turbo-pressure pulsation[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(1): 47-51.

[19] 徐衍會(huì), 馬驄, 鄧小文, 等. 汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例及其機(jī)理分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(1): 47-51.

XU Yanhui, MA Cong, DENG Xiaowen, et al. Case of low-frequency oscillation induced by steam turbine valve control mode switchover and its mechanism analysis[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(1): 47-51.

[20] 馬燕峰, 趙培龍, 趙書強(qiáng). 多機(jī)電力系統(tǒng)的強(qiáng)迫功率振蕩特性研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(24): 23-29.

MA Yanfeng, ZHAO Peilong, ZHAO Shuqiang. Research on characteristics of forced power oscillation in multimachine power system[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(24): 23-29.

[21] 趙妍, 李志民, 李天云. 低頻振蕩模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的共振稀疏分解 SSI分析方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(2): 136-144.

ZHAO Yan, LI Zhimin, LI Tianyun. Low frequency oscillation modal parameter identification using resonance-based sparse signal decomposition and SSI method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(2): 136-144.

[22] 劉濤. 電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析中特征值靈敏度的算法及其應(yīng)用研究[D]. 北京: 中國電力科學(xué)研究院, 2010.

[23] 倪以信, 陳壽松, 孫寶霖. 動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002: 260-262.

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(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定控制研究和電力系統(tǒng)仿真計(jì)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(xiàng)目“大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略管理和動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”