高明亮，莊博，牛雪飛，李侔螢

應(yīng)用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術(shù)

高明亮1，莊博2，牛雪飛2，李侔螢2

（1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100054）

針對電網(wǎng)廣域測量信息含噪量較大、電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩阻尼難以控制的問題，以提升電網(wǎng)供電質(zhì)量為目的，提出應(yīng)用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術(shù)。以廣域測量系統(tǒng)（WAMS）為基礎(chǔ)，獲取電網(wǎng)運行時的廣域測量信息，利用小波分解去噪方法去除電網(wǎng)廣域測量信息所含噪聲后，通過基于Prony的電網(wǎng)低頻振蕩識別方法識別電網(wǎng)振蕩區(qū)域與振蕩數(shù)值；然后以電網(wǎng)振蕩區(qū)域與振蕩數(shù)值為基礎(chǔ)，計算振蕩中心電壓和定位系數(shù)，并將其作為輸入，設(shè)計低頻低壓解列裝置自動化控制流程，實現(xiàn)低頻低壓解列裝置自動化控制。實驗結(jié)果表明，該方法可有效去除電網(wǎng)廣域測量信息內(nèi)所含噪聲，電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩阻尼數(shù)值最大誤差值僅為0.01，且可有效地控制低頻低壓解列裝置。

廣域測量信息；低頻低壓；解列裝置；自動化控制；振蕩識別

0 引言

由于風能、水能等產(chǎn)生電能的方式不同，其在并網(wǎng)為用戶供電時，互聯(lián)區(qū)域會產(chǎn)生低頻振蕩。為避免電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域出現(xiàn)振蕩，使電網(wǎng)出現(xiàn)電壓下降、頻率缺額情況，在電網(wǎng)內(nèi)安裝低頻低壓解列裝置，利用該裝置將電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻切除[1-3]，保障電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域功率平衡，使整個電網(wǎng)頻率恢復到合理范圍。但低頻低壓解列裝置在運行過程中存在一定的時延，且部分低頻低壓解列裝置運行后，電網(wǎng)依然存在輕微低頻振蕩現(xiàn)象。

為此，相關(guān)領(lǐng)域的專家學者均提出了低頻低壓解列裝置控制技術(shù)。如劉家軍等[4]提出了電網(wǎng)解列并列潮流控制方法，該方法對電網(wǎng)內(nèi)安裝的低頻低壓解列裝置的原理進行了分析，依據(jù)低頻低壓解列裝置的作用機理，利用仿真平臺構(gòu)建低頻低壓解列裝置仿真模型后，通過變更電網(wǎng)潮流運行模式實現(xiàn)低頻低壓解列裝置控制。但該方法在應(yīng)用過程中，其電網(wǎng)潮流運行模式在特定運行環(huán)境下無法滿足電網(wǎng)供電需求，因此應(yīng)用效果不佳。鄭超等[5]提出了基于廣域支路響應(yīng)解列裝置控制方法，通過計算電網(wǎng)電壓失穩(wěn)時電網(wǎng)節(jié)點電壓幅值與相位分布情況，然后將定量評估指數(shù)作為特征參數(shù)，以層次聚類方式實現(xiàn)解列裝置控制。但該方法在電網(wǎng)受到大擾動時無法對解列裝置進行較好的控制。

廣域測量是由廣域測量系統(tǒng)而來，將全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）作為采樣基礎(chǔ)，同步電網(wǎng)線路電流與電壓等運行數(shù)值，并計算當前電網(wǎng)頻率、發(fā)電電勢等基礎(chǔ)數(shù)值的電網(wǎng)運行信息獲取手段[6]。廣域測量是目前主要的電網(wǎng)控制技術(shù)之一，其具備較高的精度和較強的及時性，鑒于低頻低壓解列裝置控制技術(shù)的不足，如信息含噪量較大、電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩阻尼難以控制，本文設(shè)計應(yīng)用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術(shù)，創(chuàng)新性地利用廣域測量系統(tǒng)獲取電網(wǎng)運行時的廣域測量信息，并基于Prony的電網(wǎng)低頻振蕩識別方法識別電網(wǎng)振蕩區(qū)域與振蕩數(shù)值；計算振蕩中心電壓的定位誤差和振蕩中心定位系數(shù)，并將其作為輸入，設(shè)計低頻低壓解列裝置自動化控制流程，實現(xiàn)低頻低壓解列裝置自動化控制，以提升電網(wǎng)運行能力。

1 低頻低壓解列裝置自動化控制方法

1.1 電網(wǎng)廣域測量信息獲取

廣域測量系統(tǒng)（wide area measurement system，WAMS）依據(jù)電網(wǎng)在空間上的廣域需求，以GPS定位時鐘同步技術(shù)為基礎(chǔ)，獲取當前的電網(wǎng)廣域測量信息，確保設(shè)備內(nèi)部時鐘的一致性，對整個電網(wǎng)的同步相位測量、功角測量、故障定位以及故障錄波等進行時間同步。GPS時間與協(xié)調(diào)世界時（universal time coordinated，UTC）可以同步到納秒量級，為精密時間和頻率數(shù)據(jù)在全世界的傳播提供同步原子鐘網(wǎng)絡(luò)，即GPS的授時服務(wù)。GPS同步衛(wèi)星每秒能夠向地球發(fā)送一個同步信號，GPS接收器可以提供間隔為1 s的脈沖信號，完全可以滿足功角測量的要求。廣域測量系統(tǒng)由若干個同步向量測量裝置和輸電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中，同步向量測量裝置負責將電網(wǎng)不同互聯(lián)區(qū)域的運行數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶端。利用廣域測量系統(tǒng)獲取電網(wǎng)廣域測量信息的過程如圖1所示。

在廣域測量系統(tǒng)內(nèi)，利用GPS定位信息單元與若干電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域節(jié)點相連，負責獲取電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域節(jié)點的位置參量，再利用電網(wǎng)運行參量采集單元獲取電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域節(jié)點的電壓和電流參量。然后將電網(wǎng)位置參量和電壓、電流參量分別輸入廣域信息測量單元和監(jiān)控單元。利用廣域信息測量單元計算電網(wǎng)當前幅值、相位以及頻率等參量，利用監(jiān)控單元對電網(wǎng)運行參量進行校正。然后利用校正后的電網(wǎng)運行參量構(gòu)建電網(wǎng)運行實時參量庫。調(diào)取電網(wǎng)運行實時參量庫內(nèi)的參量后，啟動電網(wǎng)低頻低壓判斷依據(jù)，若該參量不符合該判斷依據(jù)，則返回電網(wǎng)運行實時參量庫重新調(diào)取參量，反之則對該電網(wǎng)運行實時參量進行去噪處理，并使用基于Prony的電網(wǎng)低頻振蕩識別方法識別電網(wǎng)振蕩區(qū)域與振蕩數(shù)值，為后續(xù)控制低頻低壓解列裝置提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 利用廣域測量系統(tǒng)獲取電網(wǎng)廣域測量信息的過程

在上述過程中，啟動電網(wǎng)低頻低壓判斷依據(jù)尤為關(guān)鍵[7]，在此以電網(wǎng)發(fā)電機功角轉(zhuǎn)換為參考軸數(shù)值，將其作為判斷依據(jù)，其表達式如下：

1.2 基于Prony的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別方法

電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別是控制低壓低頻解列裝置的基礎(chǔ)。由于廣域測量系統(tǒng)獲取的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域?qū)崟r參量內(nèi)存在直流分量和高頻分量，其對電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別精度影響較大[9]，需對電網(wǎng)廣域信息參量進行去噪處理。在此使用小波閾值方法去除電網(wǎng)廣域信息參量內(nèi)的噪聲，小波閾值方法繼承和發(fā)展了短時傅里葉變換的局部化思想，同時解決了窗口大小不隨頻率變化等問題，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口，是進行信號時頻分析和處理的理想工具，變換能夠充分突出問題某些方面的特征，能對時間（空間）頻率進行局部化分析，通過伸縮平移運算對信號（函數(shù)）逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分、低頻處頻率細分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦信號的任意細節(jié)。詳細過程如下。

構(gòu)建存在噪聲的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域廣域信息參量數(shù)學模型，其表達式如下：

去除所有電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域廣域信息參量噪聲后，將無噪聲的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域廣域信息參量作為輸入，利用Prony算法識別當前的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩。Prony算法采用阻尼諧波分解信號和非線性濾波方法，可以直接求取地質(zhì)體的吸收系數(shù)（也稱衰減系數(shù)），客觀地體現(xiàn)地質(zhì)體的頻率特性，且具有良好的時間與空間分辨率，可以在高頻域顯示地質(zhì)體的一些新的特性。其實質(zhì)是對采樣數(shù)據(jù)求擬合表達式，用于曲線插值或外推評估，分析出信號的幅值、相位、阻尼因子、頻率等信息，Prony算法在參數(shù)識別、電力系統(tǒng)低頻振蕩分析、電力系統(tǒng)諧波檢測等方面均有應(yīng)用。

利用式（8）即可獲取電網(wǎng)廣域測量信息內(nèi)低頻振蕩的頻率、衰減因子、振幅和相位數(shù)值，實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別過程。

1.3 低頻低壓解列裝置自動化控制方法

依據(jù)式（9），計算電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩中心電壓校正數(shù)值：

依據(jù)式（11）[12-13]，設(shè)計低頻低壓解列裝置自動化控制方法，其流程如圖2所示。

圖2 低頻低壓解列裝置自動化控制方法流程

步驟1 輸入電網(wǎng)低頻振蕩的相位、電壓和電流數(shù)值，計算振蕩中心電壓校正數(shù)值和振蕩中心定位系數(shù)。

步驟2 判斷該定位系數(shù)是否滿足電網(wǎng)穿越特性，若不滿足，則返回步驟1；若滿足，則執(zhí)行步驟3。

步驟4 判斷低頻低壓裝置是否執(zhí)行解列動作。若是，則關(guān)閉低頻低壓裝置協(xié)同決策功能項，若否，則將待解列的低頻振蕩支路集合輸入解列函數(shù)。

步驟5 將待解列振蕩記錄集合與預設(shè)解列割集進行匹配，若匹配，則執(zhí)行步驟6；若不匹配[14-15]，則執(zhí)行步驟7。

步驟6 判斷解列結(jié)果是否符合振蕩計數(shù)，若是，則控制低頻低壓解列裝置對電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域支路進行解列處理；否則返回步驟1。

步驟7 分析電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓撲，若該拓撲不符合割集條件，則返回步驟1，否則控制低頻低壓解列裝置對電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域支路進行解列處理。

經(jīng)過上述步驟，實現(xiàn)對低頻低壓解列裝置的自動化控制。

2 實驗分析

以某區(qū)域直流交流混聯(lián)電網(wǎng)為實驗對象，該直流交流混聯(lián)電網(wǎng)由一條主電網(wǎng)和4條支路構(gòu)成，其交流支路功率為500 kV，主電網(wǎng)送電功率可達4 594 MW，直流側(cè)和交流側(cè)的分布式電源額定發(fā)電功率分別為4.5 kW和5.3 kW，蓄電池額定容量為4.5 kW，交流電壓為380 V/50 Hz，直流和交流負荷總功率為0～3.7 kW，系統(tǒng)采樣頻率為3.5 MHz。使用本文方法獲取該直流交流混聯(lián)電網(wǎng)的低頻低壓解列裝置數(shù)據(jù)并進行自動化控制，同時驗證本文方法的實際效用。

2.1 電網(wǎng)廣域信息參量去噪測試

以一組直流交流混聯(lián)電網(wǎng)的廣域信息參量為實驗對象，使用本文方法去除電網(wǎng)廣域信息參量內(nèi)的噪聲，電網(wǎng)廣域信息參量去噪測試結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，含有噪聲的電網(wǎng)廣域信息參量的幅值隨著時間變化具有較多毛刺，其使電網(wǎng)廣域信息參量幅值波動較大。而應(yīng)用本文方法對該電網(wǎng)廣域信息參量進行去噪處理后，該電網(wǎng)廣域信息參量曲線呈現(xiàn)光滑狀態(tài)，所有毛刺均被去除，使電網(wǎng)廣域信息參量的幅值波動得到了降低。綜上所述，本文方法具備較強的去除噪聲能力。

圖3 電網(wǎng)廣域信息參量去噪測試結(jié)果

2.2 電網(wǎng)廣域測量信息獲取及時性測試

將電網(wǎng)廣域測量信息的獲取時間作為衡量指標，同時設(shè)置其閾值不得高于0.5 s，測試當電網(wǎng)廣域測量信息條數(shù)增加時，本文方法的電網(wǎng)廣域測量信息獲取時間變化情況。電網(wǎng)廣域測量信息獲取及時性測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)廣域測量信息獲取及時性測試結(jié)果

分析圖4可知，本文方法的電網(wǎng)廣域信息獲取時間與電網(wǎng)廣域信息條數(shù)成正比例關(guān)系。在電網(wǎng)廣域信息條數(shù)小于800時，本文方法的電網(wǎng)廣域信息的獲取時間上升速度較快。當電網(wǎng)廣域信息條數(shù)超過800后，本文方法的電網(wǎng)廣域信息獲取時間上升幅度較小，且均比所設(shè)閾值低。上述結(jié)果說明，本文方法獲取電網(wǎng)廣域測量信息用時較短，具備良好的及時性。

2.3 電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別測試

將電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩阻尼作為實驗對象，在不同時間點，使用本文方法識別電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩阻尼，并與實際阻尼進行對比。電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別測試結(jié)果見表1。

表1 電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別測試結(jié)果

分析表1可知，本文方法在識別電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩的阻尼時，僅在第9 s時，其識別值與實際值相差0.01，在其余時間點識別的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域振蕩阻尼值均與實際值完全吻合。上述結(jié)果說明，本文方法能較為精準地識別電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩情況，也從側(cè)面表明本文方法控制低壓低頻振蕩的效果較好。

2.4 低頻低壓解列裝置自動化控制測試

以電網(wǎng)孤島運行時的不平衡功率為實驗指標，使用本文方法控制低頻低壓解列裝置，去除電網(wǎng)低頻振蕩，測試本文方法對低頻低壓解列裝置進行控制后，該電網(wǎng)運行時的不平衡功率變化情況。低頻低壓解列裝置自動化控制測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 低頻低壓解列裝置自動化控制測試結(jié)果

分析圖5可知，在未應(yīng)用本文方法控制低頻低壓解列裝置時，該電網(wǎng)在孤島運行狀態(tài)的不平衡功率波動區(qū)間較大，幅值為-10.6 MW與11.8 MW，且不平衡功率曲線波動較為頻繁。應(yīng)用本文方法對低頻低壓解列裝置進行自動化控制后，該電網(wǎng)在孤島運行狀態(tài)的不平衡功率的波動區(qū)間明顯減小，幅值為-2.6 MW與3.9 MW，且其波動頻率也下降了很多。綜上，本文方法具備較顯著的低頻低壓解列裝置自動化控制能力，應(yīng)用效果較為優(yōu)秀。

3 結(jié)束語

本文將廣域測量信息應(yīng)用到低頻低壓解列控制過程中，利用廣域測量信息系統(tǒng)獲得了電網(wǎng)運行時的廣域測量信息，以其為基礎(chǔ)提出了低頻低壓解列自動化控制技術(shù)，在電網(wǎng)廣域測量信息參量去噪、電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域低頻振蕩識別以及低頻低壓解列裝置自動化控制方面均具備較為顯著的效果，具備良好的應(yīng)用性。電網(wǎng)時常因設(shè)備之間的時間同步達不到要求而發(fā)生事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失。

在低頻低壓解列裝置自動化控制下，不平衡功率曲線波動依舊存在，因此，在未來的研究中，在廣域測量信息系統(tǒng)的參量庫重新調(diào)取參量時，可以引進其他智能算法將其進一步細化，也可以在進行去噪處理時，進一步完善監(jiān)控單元的智能性。

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Automatic control technology of low frequency and low voltage splitting devices using wide area measurement information

GAO Mingliang1, ZHUANG Bo2, NIU Xuefei2, LI Mouying2

1. State Grid Jibei Chengde Electric Power Co., Ltd., Chengde 067000, China 2. State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Beijing 100054, China

Aiming at the problems of large noise content of wide area measurement information of power grid and difficulty in controlling oscillation damping in interconnected areas of power grid, an automatic control technology of low frequency and low voltage splitting devices using wide area measurement information was proposed. Based on the wide area measurement system (WAMS), the wide area measurement information of the power grid during the operation was obtained. After the noise contained in the wide area measurement information of the power grid was removed by the wavelet decomposition de-noising method, the power grid low-frequency oscillation identification method based on Prony was used to identify the power grid oscillation region and oscillation value. Then, based on the grid oscillation region and oscillation value, the oscillation center voltage and positioning coefficient were calculated and used as input to design the automatic control flow of the low frequency and low voltage splitting device, so as to realize the automatic control of the low frequency and low voltage splitting device. The experimental results show that this method can effectively remove the noise contained in the wide area measurement information of the power grid, the maximum error of the oscillation damping value in the interconnected area of the power grid is only 0.01, and this method can effectively control the low frequency and low voltage splitting device.

wide area measurement information, low frequency and low voltage, splitting device, automatic control, oscillation identification

TM721

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022297

2022-09-26；

2022-12-15

高明亮（1983-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、電網(wǎng)繼電保護整定計算等。

莊博（1976-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、電網(wǎng)監(jiān)控等。

牛雪飛（1991-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司工程師，主要研究方向為電網(wǎng)繼電保護整定計算等。

李侔螢（1987-），女，國網(wǎng)冀北電力有限公司工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護等。