基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法及系统。

背景技术

现代电力系统中，电力电子变流器、可再生能源发电的广泛接入不仅改变了电网一次设备的形态，而且其特有的多时间尺度控制方式和低惯性、宽频带响应特性，正显著改变电力系统的动态行为，带来新的稳定性问题。近年来，尤以风电、光伏等变流电源大规模接入电网引起的多模态振荡问题尤为突出，严重威胁现代电网的设备安全、系统稳定和用电质量，已成为制约风、光等可再生能源高效消纳的瓶颈因素。

当电力系统发生大范围多模态振荡时，如何实现溯源是一个非常关键的问题，对于系统运行、调度和控制具有重要的意义。但现有基波同步相量的电力系统动态监测装置和系统，如PMU(phasor measurement unit，相量测量单元)和WAMS(wide-areameasurement system，广域测量系统)均难以满足多模态振荡的广域溯源要求，原因在于：

1)现有系统基波相量为目标，未考虑从数Hz到上千kHz宽频带信号的影响，不能准确反映多个非工频多个模态的动态；

2)没有基于相量信息构建多模态振荡的广域路径，进而准确定位振荡的源和汇。

基于上述情况，特别是新型可再生能源发电(风电、光伏)系统与电网相互作用引发的宽频带多模态振荡具有时变和广域特性，亟需对振荡的路径和源汇进行准确分析，并呈现给运行人员。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统，该系统可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统，包括：多个多模态相量测量单元，用于提取母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式并获取对应的相量，并且获取每个振荡模式的正、负、零序相量及对应的复数功率，并标记同步时标，以得到相量数据；多模态相量集中器，用于与所述多个多模态相量测量单元通信，并存储所述相量数据；多模态振荡广域监测/分析与溯源平台，用于接收所述多模态相量集中器发送的所述相量数据，并根据所述时标对所述相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源。

本发明实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统，通过多模态同步相量的扩展状态估计，并进行多模态振荡全局同步视图的构建，实现多模态溯源，从而可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多模态相量测量单元设置于变电站、风能电站、太阳能电站、火电厂和核电厂一个或多个厂站。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多模态相量集中器设置于枢纽变电站和/或通信中心，且所述多模态振荡广域监测/分析与溯源平台设置于系统各级调度中心。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多模态振荡广域监测/分析与溯源平台包括：扩展状态估计单元，用于根据所述相量数据和网络拓扑参数估计目标电网的多模态电压、电流相量，以得到多模态复功率；视图构建单元，用于根据所述多模态复功率在各时间断面上构建所述目标电网在多个振荡模态上的电压/电流相量和复功率分布，以得到全局同步视图；溯源单元，用于根据每个电网设备相应的复功率判定其作为振荡模态的有功和无功源或汇的性质信息。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩展状态估计单元还用于对模态频率进行加权估计，估计公式为：

其中，O_i表示对应振荡模态在节点i处的可观性指标，w_i为节点i的权重系数，f_si为节点i处的模态频率，U_i为节点i处的母线电压有效值，λ为电流权重系数，I_ij为与节点i相连支路的电流有效值，U_T为预先设定的电压门槛值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩展状态估计单元还用于对模态电压/电流相量进行状态估计，估计公式为：

U＝(B^TW^-1B)^-1B^TW^-1Z＝MZ，

I＝[Y(f_s)A^T+Y_s(f_s)]U，

其中，B为系数矩阵，W为事先指定的权重系数矩阵。M为整体系数矩阵，Z表示由实测节点模态电压相量和支路模态电流相量构成的测量列向量，Y(f_s)是由实测支路串联导纳构成的对角矩阵，Y_s(f_s)是由实测支路末端自导纳构成的矩阵，A为电网拓扑对应的系数矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述视图构建单元具体用于在任意时间断面，根据当前的电网状态描绘单线拓扑图，所述单线拓扑图包括多种类型的发电机、输电线路、变压器、串补电容器以及其他电网元件，并且将所述模态电压相量标记在对应节点旁，且所述电流相量和/或所述复功率标记在对应支路旁，以得电压/电流和功率分布，进而获取所述全局同步视图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述溯源单元具体用于根据所述全局同步视图获取所有电网部件消耗的模态功率，并对于单端元件消耗的模态功率为端部电压相量与电流相量得到对应值；对于多端元件消耗的功率为其各端部消耗的功率之和。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法，包括以下步骤：提取母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式并获取对应的相量，并且获取每个振荡模式的正、负、零序相量及对应的复数功率，并标记同步时标，以得到相量数据；与所述多个多模态相量测量单元通信，并存储所述相量数据；接收所述多模态相量集中器发送的所述相量数据，并根据所述时标对所述相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源。

本发明实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法，通过多模态同步相量的扩展状态估计，并进行多模态振荡全局同步视图的构建，实现多模态溯源，从而可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收所述多模态相量集中器发送的所述相量数据，并根据所述时标对所述相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源，进一步包括：根据所述相量数据和网络拓扑参数估计目标电网的多模态电压、电流相量，以得到多模态复功率；根据所述多模态复功率在各时间断面上构建所述目标电网在多个振荡模态上的电压/电流相量和复功率分布，以得到全局同步视图；根据每个电网设备相应的复功率判定其作为振荡模态的有功和无功源或汇的性质信息。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的模态振荡的电压、电流相量与复功率在电网上的全局同步视图及模态振荡源的定位示意图；

图4为根据本发明一个实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统。

图1是本发明一个实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统的结构示意图。

如图1所示，该基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统10包括：多个多模态相量测量单元100、多模态相量集中器200和多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300。

其中，多个多模态相量测量单元100用于提取母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式并获取对应的相量，并且获取每个振荡模式的正、负、零序相量及对应的复数功率，并标记同步时标，以得到相量数据。多模态相量集中器200用于与多个多模态相量测量单元通信，并存储相量数据。多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300用于接收多模态相量集中器发送的相量数据，并根据时标对相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源。本发明实施例的系统10可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例的系统10包括多个布置变电站和风能/太阳能电站的多模态相量测量单元100(M-PMU)、布置在枢纽变电站的多模态相量集中器200(M-PDC)和部署在系统数据中心的多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300(M-WAMS)，它们之间通过高速数据通信网络互连。在数据中心，M-WAMS通常与能量管理系统(EMS)互联以交换分析所需的电网数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多模态相量测量单元100设置于变电站、风能电站、太阳能电站、火电厂和核电厂一个或多个厂站。

具体而言，多模态相量测量单元100的功能包括：1)对母线电压和线路各相电流提取所有振荡模式，并计算对应的相量，包括频率、振幅和相位；2)计算各振荡模式的正、负、零序相量以及对应的复数功率；3)对所有相量数据进性打包，并标记同步时标，然后按照预定的通信协议发送给多模态相量集中器200或数据中心。其中，多模态相量测量单元100的具体算法和实现方法为本领域技术人员所熟知，为避免冗余，在此不做具体限定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多模态相量集中器200设置于枢纽变电站和/或通信中心，且多模态振荡广域监测/分析与溯源平台设置于系统各级调度中心。

具体而言，多模态相量集中器200的功能是从多模态相量测量单元100接收同步数据，进行存储，并中转给数据中心，其好处是能对相量数据进行缓存和备份，在通信系统故障时确保数据可用性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300包括：扩展状态估计单元、视图构建单元和溯源单元。

其中，扩展状态估计单元用于根据相量数据和网络拓扑参数估计目标电网的多模态电压、电流相量，以得到多模态复功率。视图构建单元用于根据多模态复功率在各时间断面上构建目标电网在多个振荡模态上的电压/电流相量和复功率分布，以得到全局同步视图。溯源单元用于根据每个电网设备相应的复功率判定其作为振荡模态的有功和无功源或汇的性质信息。

可以理解的是，多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300的数据中心收集来自多模态相量测量单元100和多模态相量集中器200多模态相量测量单元100。多模态振荡广域监测/分析与溯源平台300的多模态溯源功能包括以下步骤：

1)基于多模态同步相量的扩展状态估计：基于收集的多模态相量测量数据和网络拓扑参数等，直接估计电网的多模态电压、电流相量，进而计算多模态的复功率；

2)多模态振荡全局同步视图的构建：基于扩展状态估计的结果，在各时间断面上构建目标电网在多个振荡模态上的电压/电流相量和复功率分布，从而获得多振荡模态的全局同步视图；

3)多模态振荡的溯源：对各个振荡模态，根据各个电网设备相应的复功率，来判定其作为该振荡模态的有功和无功源或汇的性质。

进一步地，在本发明的一个实施例中，扩展状态估计单元还用于对模态频率进行加权估计，估计公式为：

其中，O_i表示对应振荡模态在节点i处的可观性指标，w_i为节点i的权重系数，f_si为节点i处的模态频率，U_i为节点i处的母线电压有效值，λ为电流权重系数，I_ij为与节点i相连支路的电流有效值，U_T为预先设定的电压门槛值。

具体而言，理论分析表明，当电网发生多模态振荡时，同一模态在不同地点的模态频率是一致的，但由于测量误差等多方面因素的影响，实测的模态频率可能存在偏差，而模态频率对该模态振荡下的电网参数(如感抗/容抗)有直接影响，因此需要首先需要对模态频率进行估计，计算公式为：

其中，O_i表示对应振荡模态在节点i处的可观性指标，定义为该模态电压和接入该节点的模态电流的加权和除以某设定的门槛值，门槛值可根据测量设备的误差范围灵活设置，典型值为0.01标幺值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，扩展状态估计单元还用于对模态电压/电流相量进行状态估计，估计公式为：

U＝(B^TW^-1B)^-1B^TW^-1Z＝MZ，

I＝[Y(f_s)A^T+Y_s(f_s)]U，

其中，B为系数矩阵，W为事先指定的权重系数矩阵。M为整体系数矩阵，Z表示由实测节点模态电压相量和支路模态电流相量构成的测量列向量，Y(f_s)是由实测支路串联导纳构成的对角矩阵，Y_s(f_s)是由实测支路末端自导纳构成的矩阵，A为电网拓扑对应的系数矩阵。

具体而言，设待估计的状态向量为：

X＝[U^T>T]^T(3)，

其中，U为节点模态电压相量构成的状态列向量，I为支路模态电流相量构成的状态列向量。

在多个多模态相量测量单元100适当布点使得模态振荡可观的条件下，采用实测的节点模态电压相量和支路模态电流相量作为状态估计的输入，则其与状态向量的关系为：

其中表示由实测节点模态电压相量和支路模态电流相量构成的测量列向量；E是由元素0或1构成的系数矩阵，1表示对应模态电压相量为直接测量，0表示非直接测量；Y(f_s)是由实测支路串联导纳构成的对角矩阵，它是模态频率的函数；Y_s(f_s)是由实测支路末端自导纳构成的矩阵，也是模态频率的函数；B为系数矩阵；e为误差列向量。

采用加权最小二乘算法求解模态电压相量，即：

U＝(B^TW^-1B)^-1B^TW^-1Z＝MZ(5)，

其中，W为事先指定的权重矩阵；M表示整体系数矩阵。

得到U以后，支路模态电流相量可由下式得到：

I＝[Y(f_s)A^T+Y_s(f_s)]U(6)，

对于每一个电网设备，对应模态的复功率为：

对应的模态有功功率和模态无功功率分别为：

P＝Real{S}，Q＝IM{S}(8)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，视图构建单元具体用于在任意时间断面，根据当前的电网状态描绘单线拓扑图，单线拓扑图包括多种类型的发电机、输电线路、变压器、串补电容器以及其他电网元件，并且将模态电压相量标记在对应节点旁，且电流相量和/或复功率标记在对应支路旁，以得电压/电流和功率分布，进而获取全局同步视图。

具体而言，如图3所示，首先在某个时间断面，根据当前的电网状态，描绘其单线拓扑图，包括各种类型的发电机、输电线路、变压器、串补电容器以及其他电网元件，还可包括部分电网的等值系统；其次，将扩展状态估计的模态电压相量标记在对应节点旁，电流相量和/或复功率标记在对应支路旁，可采用有名值或标幺值，电流和功率需标记参考方向，从而得到该模态振荡在该时间断面的电压/电流和功率分布，即构建出该模态振荡的全局同步视图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，溯源单元具体用于根据全局同步视图获取所有电网部件消耗的模态功率，并对于单端元件消耗的模态功率为端部电压相量与电流相量得到对应值；对于多端元件消耗的功率为其各端部消耗的功率之和。

在前一步骤构建的模态振荡全局同步视图基础上，计算所有电网部件消耗的模态功率，对于单端元件(如发电机)，其消耗的模态功率即为端部电压相量与电流相量(流进元件为正)按照公式(7)计算的值；对于多端元件(如线路/变压器)，其消耗的功率即为其各端部消耗的功率之和。

将各元件消耗的功率分解为有功功率和无功功率，则按照以下规则判断模态振荡的源与汇：

1)吸收“负”(或发出)模态有功功率的元件为该模态振荡的有功功率源，它对该模态振荡起到负阻尼作用；反之，为模态振荡的有功功率汇，起到正阻尼作用。

2)吸收“负”(或发出)模态无功功率的元件为该模态振荡的无功功率源，它对该模态振荡起到“容性”作用；反之，为模态振荡的无功功率汇，起到“感性”作用。

可将作为振荡“源”的元件用不同线型的框圈记在单线拓扑图上，典型如图3所示，对应有功功率源的元件用实线框圈上并标记“P”，而对应无功功率源的元件用虚线框圈上并标记“Q”，而采用计算机实现该功能时，还可考虑采用不同颜色进行标注，以供运行人员参考；考虑到模态振荡中的有功功率源和无功功率源对振荡的发生乃至不稳定具有关键的作用，应采用一定的警示方式提示运行人员特别关注。

根据本发明实施例提出的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统，通过多模态同步相量的扩展状态估计，并进行多模态振荡全局同步视图的构建，实现多模态溯源，从而可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法。

图4是本发明一个实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法的流程图。

如图4所示，该基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法包括以下步骤：

在步骤S401中，提取母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式并获取对应的相量，并且获取每个振荡模式的正、负、零序相量及对应的复数功率，并标记同步时标，以得到相量数据。

在步骤S402中，与多个多模态相量测量单元通信，并存储相量数据。

在步骤S403中，接收多模态相量集中器发送的相量数据，并根据时标对相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源。

进一步地，在本发明的一个实施例中，接收多模态相量集中器发送的相量数据，并根据时标对相量数据进行重新同步，以存储在实时或历史数据库中，实现多模态溯源，进一步包括：根据相量数据和网络拓扑参数估计目标电网的多模态电压、电流相量，以得到多模态复功率；根据多模态复功率在各时间断面上构建目标电网在多个振荡模态上的电压/电流相量和复功率分布，以得到全局同步视图；根据每个电网设备相应的复功率判定其作为振荡模态的有功和无功源或汇的性质信息。

需要说明的是，前述对基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于多模态同步相量的电力系统振荡溯源方法，通过多模态同步相量的扩展状态估计，并进行多模态振荡全局同步视图的构建，实现多模态溯源，从而可以实现电力系统多模态振荡的准确溯源，且物理含义清晰，易于在线实施，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。