低頻振蕩及擾動(dòng)識(shí)別-技術(shù)手冊(cè)

1、廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）技術(shù)手冊(cè)低頻振蕩及擾動(dòng)識(shí)別1. 在線擾動(dòng)識(shí)別1.1. 短路擾動(dòng)識(shí)別1.1.1. 主要功能短路擾動(dòng)識(shí)別根據(jù)PMU量測(cè)的三相電壓和三相電流相量，提取表征短路擾動(dòng)的特征信息，對(duì)電網(wǎng)中發(fā)生的短路故障的類型、相別、重合閘類型、重合成功與否等信息進(jìn)行在線識(shí)別，并發(fā)出告警，主要包括以下功能：1） 雙端有PMU量測(cè)的線路發(fā)生短路故障，準(zhǔn)確定位故障線路、故障類型；2） 單端有PMU量測(cè)的線路發(fā)生短路故障，準(zhǔn)確定位故障線路、故障類型；3） 分析識(shí)別出以下短路信息a) 短路類型，包括單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路、三相短路、三相接地短路b) 故障相c) 故障時(shí)間d) 負(fù)荷電流e) 短路

2、電流f) 重合閘時(shí)間g) 重合閘成功與否h) 重合閘失敗調(diào)三相時(shí)間4） 觸發(fā)長(zhǎng)期保存時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)采用量測(cè)CT時(shí)，受CT飽和特性的影響，對(duì)單端有PMU的線路，基于距離保護(hù)原理的短路識(shí)別會(huì)存在較大誤差。1.1.2. 技術(shù)原理1) 單端有PMU量測(cè)的短路識(shí)別-曲線特征法通過(guò)短路過(guò)程中三相電流、三相電壓幅值變化的邏輯特征及順序進(jìn)行判斷。詳細(xì)算法實(shí)現(xiàn)如下：1、 線路判為短路的電流啟動(dòng)條件1） 突變電流大于或等于300A，參數(shù)值300A可設(shè)置調(diào)整；2）|Ia+Ib+Ic|=3|I0|大于等于300A，參數(shù)值300A可設(shè)置調(diào)整；當(dāng)滿足以上兩個(gè)條件中的任一條件時(shí)，則判斷該線路可能發(fā)生短路；具體是否是真

3、實(shí)的短路，由接下來(lái)的幾個(gè)條件綜合起來(lái)判斷確定。2、 在判斷線路發(fā)生疑似短路的情況下，確定線路發(fā)生真實(shí)短路的條件1） 故障期間，相電壓小于額定電壓的0.8到0.85倍，參數(shù)值0.80.85可設(shè)置調(diào)整；2） 故障期間，相電流小于300A，參數(shù)值300A可進(jìn)行設(shè)置調(diào)整；3）低電壓和低電流持續(xù)時(shí)間在200ms到300ms之間，低電壓和低電流的持續(xù)時(shí)間可分開進(jìn)行設(shè)置，以更符合實(shí)際發(fā)生短路的過(guò)程；同時(shí)滿足以上三個(gè)條件后，被判為發(fā)生疑似短路的線路才會(huì)被確認(rèn)為發(fā)生真實(shí)的短路故障。邏輯圖如下所示：圖3-1 短路判據(jù)邏輯圖重合閘情況判斷：根據(jù)短路故障后，線路電流發(fā)生變化的事件序列情況，判斷線路是否存在重合閘，以及

4、重合閘的結(jié)果。重合閘相別：對(duì)于單相短路故障，在對(duì)故障相進(jìn)行第3步計(jì)算的同時(shí)，對(duì)非故障相檢查是否有，即判斷非故障相是否有斷開現(xiàn)象，從而判斷是單相重合閘還是三相重合閘。2) 雙端有PMU量測(cè)線路的短路識(shí)別-差動(dòng)保護(hù)算法雙端有PMU量測(cè)線路的短路識(shí)別的主要步驟如下：l 相別判斷：在線掃描各雙端有PMU線路的每相，若下式成立(3.1)則可判定該線路該相發(fā)生短路，其中、分別為線路首末端電流。由此判斷出單相短路、兩相接地或相間短路、三相接地或相間短路及其相別。全網(wǎng)掃描時(shí)間間隔越短越好，但是由于目前判斷結(jié)果不用于其它決策計(jì)算，因此可由機(jī)器的計(jì)算能力來(lái)定，例如取為1秒。l 是否接地判斷：對(duì)于上述的兩相短路和三

5、相短路，若下式(3.2)其中Iset為一較大電流值，則為接地短路，否則為相間短路。l 重合閘動(dòng)作情況：從短路時(shí)刻開始，每20ms數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)故障線路的各相用下式(3.3)檢查是否有故障電流，以及用下式(3.4)檢查線路是否斷開，其中Izero為線路開斷后可能的最大充電電流并考慮電流量測(cè)誤差。在從故障發(fā)生開始的2秒鐘內(nèi)，根據(jù)故障線路電流發(fā)生的事件序列情況，判斷重合閘情況，典型的事件序列如下：重合閘失敗事件序列：故障電流-線路斷開-故障電流-線路斷開；重合閘成功事件序列：故障電流-線路斷開-正常電流（兩個(gè)判別式均不成立）；直接跳閘事件序列：故障電流-線路斷開；各段保護(hù)均失靈（含開關(guān)拒動(dòng)）事件序列：故障

6、電流持續(xù)。l 重合閘相別：對(duì)于單相短路故障，在對(duì)故障相進(jìn)行第3步計(jì)算的同時(shí)，對(duì)非故障相檢查是否有(3.5)即判斷非故障相是否有斷開現(xiàn)象，從而判斷是單相重合閘還是三相重合閘。電壓等級(jí)(kV) 接地電流幅值閾值(A) 短路電流幅值閾值(A) 零電流閾值（A） 1050 300 800 150 1000 300 800 150 750 300 800 150 525 300 800 150 500 300 800 150 330 300 800 150 230 300 800 150 220 300 800 150 3) 短路擾動(dòng)識(shí)別流程該模塊把線路分為單端PMU類型和雙端PMU類型，分別分析處理，

7、具體的處理邏輯如3-2圖 3-2 短路擾動(dòng)識(shí)別邏輯圖1.1.3. 技術(shù)特點(diǎn)在調(diào)度中心基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線短路擾動(dòng)的識(shí)別，通過(guò)在線告知調(diào)度員短路的具體位置、相別、時(shí)間、重合閘類型以及成功與否，幫助調(diào)度員及時(shí)了解電網(wǎng)中開關(guān)動(dòng)作的原因以及電網(wǎng)中的故障狀態(tài)，克服了傳統(tǒng)調(diào)度中心中調(diào)度員只能在線獲取開關(guān)和保護(hù)裝置動(dòng)作狀態(tài)，而不能知道原因的缺點(diǎn)，從而輔助調(diào)度員做出正確的安全穩(wěn)定控制決策?；诓顒?dòng)保護(hù)和距離保護(hù)的原理分別給出了線路兩端有PMU和僅一端具有PMU情況下的短路擾動(dòng)識(shí)別方法。 1.2. 機(jī)組出線跳閘識(shí)別1.2.1. 主要功能機(jī)組出線跳閘識(shí)別根據(jù)PMU量測(cè)的機(jī)組電流相量、有功功率

8、，監(jiān)視機(jī)組停機(jī)情況，并區(qū)分故障跳閘停機(jī)和其他停機(jī)情況，對(duì)故障跳閘情況發(fā)出告警，主要包括以下功能：1） 識(shí)別發(fā)電機(jī)停運(yùn)情況；2） 通過(guò)有功功率變化過(guò)程判斷機(jī)組停機(jī)是否屬于故障跳閘引起的停機(jī)；3） 對(duì)可能產(chǎn)生的電磁感應(yīng)導(dǎo)致的電流殘值進(jìn)行過(guò)濾，避免因殘值造成發(fā)電機(jī)停機(jī)誤判；4） 觸發(fā)長(zhǎng)期保存時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)。1.2.2. 技術(shù)原理機(jī)組出線量測(cè)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，判斷機(jī)組出線跳閘。（1）機(jī)組設(shè)備正常運(yùn)行;（2）有功突變至零功率(閾值可設(shè)置，默認(rèn)零功率值為15MW)并保持; (3) 機(jī)組突變量要求是機(jī)組額定出力的0.1倍，可設(shè)置；（4）機(jī)組有功突變前高于機(jī)組有功下限；檢測(cè)邏輯如圖3-3所示： 圖3-3

9、機(jī)組跳閘檢測(cè)邏輯具體檢測(cè)參數(shù)：圖3-4 檢測(cè)參數(shù)配置表含義解釋如下：(1)有功下限值：每臺(tái)機(jī)組的有功下限值等于發(fā)電機(jī)組表中額定容量*0.9*機(jī)組有功下限系數(shù)值，其中機(jī)組有功下限系數(shù)根據(jù)機(jī)組的類型分為“機(jī)組切機(jī)-火電有功下限系數(shù)”和“機(jī)組切機(jī)-水電有功下限系數(shù)”，默認(rèn)值分別為0.4和0.2;(2)、突變功率：機(jī)組有功突變至零功率時(shí)的突變功率不小于發(fā)電機(jī)組表中額定容量*0.9*突變系數(shù);(3)、零功率：默認(rèn)設(shè)置成15MW;(4)、防誤報(bào)處理參數(shù)：針對(duì)因PMU子站數(shù)據(jù)或通信等原因?qū)е碌亩虝r(shí)頻繁歸零的問(wèn)題，對(duì)告警做了延遲處理，延遲告警時(shí)間默認(rèn)為5秒，可設(shè)置，但建議該值不宜設(shè)置過(guò)長(zhǎng)；并且對(duì)于機(jī)組連續(xù)兩次

10、告警時(shí)間也做了限定，默認(rèn)值為300秒，可設(shè)置;1.2.3. 技術(shù)特點(diǎn)本功能使得控制中心的調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)對(duì)線路跳閘引起的發(fā)電機(jī)非正常停機(jī)進(jìn)行識(shí)別，從而可以采取合理的電網(wǎng)控制措施，及時(shí)恢復(fù)停機(jī)機(jī)組的運(yùn)行。1.3. 在線低頻振蕩監(jiān)視與分析1.3.1 主要功能在線低頻振蕩檢測(cè)功能監(jiān)視來(lái)自基礎(chǔ)平臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)低頻振蕩特性，識(shí)別主導(dǎo)振蕩模式，計(jì)算PMU布點(diǎn)范圍內(nèi)的廠站（或機(jī)組）相關(guān)因子、振蕩中心大致區(qū)域等，幫助調(diào)度員及時(shí)了解電網(wǎng)低頻振蕩特性，為進(jìn)行低頻振蕩抑制提供依據(jù)。1) 實(shí)時(shí)監(jiān)視：在線低頻振蕩監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，當(dāng)振蕩頻率、振蕩幅值和持續(xù)時(shí)間都滿足預(yù)置

11、要求時(shí)，發(fā)出低頻振蕩告警信息；在低頻振蕩事件的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，持續(xù)給出振蕩告警信息，含有當(dāng)前振幅最大線路的振幅和振蕩頻率；對(duì)振蕩模式進(jìn)行識(shí)別，模式信息包括振蕩頻率、幅值、阻尼比； 2) 離線分析：低頻振蕩離線分析工具以PRONY、FFT等算法對(duì)振蕩事件數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并提供分析結(jié)果擬合曲線和原始曲線比較的功能。1.3.2 工作原理1) 低頻振蕩檢測(cè)原理發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程如下 （2.1）在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，對(duì)某一振蕩頻率模式i同樣有 （2.2）在一般情況下，可以認(rèn)為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩中沒(méi)有該振蕩模式，即Tmi=0；若阻尼系數(shù)KDi和都很小，則角加速度與電磁轉(zhuǎn)矩成正比；又電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率Pe

12、i成正比，因此i振蕩模式角加速度與i模式電磁功率Pei成正比，Pei也就是該節(jié)點(diǎn)的i模式振蕩功率?？梢姲l(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間交換的電磁振蕩功率，主要由其轉(zhuǎn)子反復(fù)加減速的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而成；當(dāng)>0時(shí)，轉(zhuǎn)子加速，頻率升高，該節(jié)點(diǎn)從系統(tǒng)吸收功率Pei；當(dāng)<0時(shí)，轉(zhuǎn)子減速，頻率降低，該節(jié)點(diǎn)向系統(tǒng)注入功率-Pei。上述電網(wǎng)中的振蕩功率必然對(duì)應(yīng)一對(duì)吸收功率和放出功率的區(qū)域，即一對(duì)頻率增加和減少的區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域間的斷面就是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，例如若某聯(lián)絡(luò)線相對(duì)于要傳輸?shù)墓β势潆娍惯^(guò)大，阻礙了功率的迅速交換，導(dǎo)致線路一側(cè)功率過(guò)剩，另一側(cè)功率不足，從而形成加減速不同的區(qū)域界面。由于實(shí)際PMU量測(cè)中角加速度即單位時(shí)間

13、頻率變化信號(hào)在小幅度振蕩時(shí)受噪聲信號(hào)影響較大，根據(jù)頻率信號(hào)與角加速度信號(hào)在相位上相差90°的原理。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間相位比較時(shí)，也可用頻率信號(hào)代替角加速度信號(hào)。2) 頻譜分析算法低頻振蕩分析的基礎(chǔ)是頻譜分析方法。常用的對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法主要有離散傅里葉變換法、小波分析法和Prony法。但是前兩者存在難以提取振蕩信號(hào)的衰減特征等局限性，而Prony方法可以確定系統(tǒng)振蕩頻率、幅值和相位，并定量分析系統(tǒng)振蕩的阻尼問(wèn)題。因此在電力系統(tǒng)低頻振蕩的信號(hào)分析中廣泛應(yīng)用Prony方法，提取曲線的振蕩特征。Prony方法使用一個(gè)指數(shù)函數(shù)的線性組合來(lái)描述等間距采樣數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充后，P

14、rony法可用來(lái)估計(jì)功率譜密度，即所謂的擴(kuò)展Prony方法。針對(duì)等間距的采樣點(diǎn)，擴(kuò)展的Prony方法假定的數(shù)學(xué)模型是一組具有任意振幅、相位、頻率和衰減因子的P個(gè)指數(shù)函數(shù)，其離散時(shí)間的函數(shù)形式 （2.3）更一般地，假定是復(fù)數(shù)，且 （2.4） （2.5）其中，為振幅，為相位（單位為弧度），是衰減因子，表示振蕩頻率，表示采樣間隔。這時(shí)，使式（2.3）所示的誤差平方和最小可以求出。 （2.6）在應(yīng)用Prony法進(jìn)行實(shí)際電力系統(tǒng)信號(hào)的分析時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)應(yīng)用限制：（1）Prony算法是一種對(duì)平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析的方法，在系統(tǒng)振蕩過(guò)程中的非平穩(wěn)性，必然會(huì)使該方法的分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。為了限制這種誤差，在非平

15、穩(wěn)振蕩過(guò)程中應(yīng)盡可能將分析的窗口縮小。（2）分析窗口的數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度至少包括已知最低頻率模式的兩個(gè)周期，即Pe-max=N/2。（3）信噪比rSNR要足夠大，通常應(yīng)大于40dB，否則Prony分析的誤差過(guò)大。信噪比的計(jì)算方法如下： （2.7）式中y為等間距采樣的數(shù)學(xué)模型，yi為輸入信號(hào)，rms表示求取均方根的計(jì)算。3) 基于有功功率的振蕩初檢測(cè)由于有功功率是系統(tǒng)中的功率振蕩現(xiàn)象直接反映，并且有功信號(hào)變化范圍大，分辨率高，因此我們通過(guò)在線掃描各線路中的有功功率來(lái)確定電網(wǎng)中是否有低頻振蕩發(fā)生。當(dāng)某線路振蕩功率經(jīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解出的某一振蕩模式的峰峰值超過(guò)閾值50MW，并且持續(xù)5個(gè)周波以上，則認(rèn)為系統(tǒng)中發(fā)生了一次較為激烈的低頻振蕩，當(dāng)振蕩模式的峰峰值低于閾值50MW時(shí)，認(rèn)為振蕩平息。4) 節(jié)點(diǎn)振蕩同調(diào)性分析采用前述的方法將低頻振蕩檢測(cè)出后，并不能告訴調(diào)度員參與振蕩各機(jī)組間或節(jié)點(diǎn)間的振蕩關(guān)系，調(diào)度員難以判斷振蕩的起因，從而妨礙進(jìn)一步采取正確的消除或抑制振蕩的措施。節(jié)點(diǎn)振蕩同調(diào)性分析模塊根據(jù)在各個(gè)振蕩模式下各個(gè)節(jié)點(diǎn)的振蕩曲線的相位關(guān)系，對(duì)各振蕩模式下的節(jié)點(diǎn)按同調(diào)關(guān)系分群