應用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術

高明亮，莊博，牛雪飛，李侔螢

應用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術

高明亮1，莊博2，牛雪飛2，李侔螢2

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

針對電網廣域測量信息含噪量較大、電網互聯區域振蕩阻尼難以控制的問題，以提升電網供電質量為目的，提出應用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術。以廣域測量系統（WAMS）為基礎，獲取電網運行時的廣域測量信息，利用小波分解去噪方法去除電網廣域測量信息所含噪聲后，通過基于Prony的電網低頻振蕩識別方法識別電網振蕩區域與振蕩數值；然后以電網振蕩區域與振蕩數值為基礎，計算振蕩中心電壓和定位系數，并將其作為輸入，設計低頻低壓解列裝置自動化控制流程，實現低頻低壓解列裝置自動化控制。實驗結果表明，該方法可有效去除電網廣域測量信息內所含噪聲，電網互聯區域振蕩阻尼數值最大誤差值僅為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、水能等產生電能的方式不同，其在并網為用戶供電時，互聯區域會產生低頻振蕩。為避免電網互聯區域出現振蕩，使電網出現電壓下降、頻率缺額情況，在電網內安裝低頻低壓解列裝置，利用該裝置將電網互聯區域低頻切除[1-3]，保障電網互聯區域功率平衡，使整個電網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，電網依然存在輕微低頻振蕩現象。

為此，相關領域的專家學者均提出了低頻低壓解列裝置控制技術。如劉家軍等[4]提出了電網解列并列潮流控制方法，該方法對電網內安裝的低頻低壓解列裝置的原理進行了分析，依據低頻低壓解列裝置的作用機理，利用仿真平臺構建低頻低壓解列裝置仿真模型后，通過變更電網潮流運行模式實現低頻低壓解列裝置控制。但該方法在應用過程中，其電網潮流運行模式在特定運行環境下無法滿足電網供電需求，因此應用效果不佳。鄭超等[5]提出了基于廣域支路響應解列裝置控制方法，通過計算電網電壓失穩時電網節點電壓幅值與相位分布情況，然后將定量評估指數作為特征參數，以層次聚類方式實現解列裝置控制。但該方法在電網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而來，將全球定位系統（global positioning system，GPS）作為采樣基礎，同步電網線路電流與電壓等運行數值，并計算當前電網頻率、發電電勢等基礎數值的電網運行信息獲取手段[6]。廣域測量是目前主要的電網控制技術之一，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的不足，如信息含噪量較大、電網互聯區域振蕩阻尼難以控制，本文設計應用廣域測量信息的低頻低壓解列裝置自動化控制技術，創新性地利用廣域測量系統獲取電網運行時的廣域測量信息，并基于Prony的電網低頻振蕩識別方法識別電網振蕩區域與振蕩數值；計算振蕩中心電壓的定位誤差和振蕩中心定位系數，并將其作為輸入，設計低頻低壓解列裝置自動化控制流程，實現低頻低壓解列裝置自動化控制，以提升電網運行能力。

1 低頻低壓解列裝置自動化控制方法

1.1 電網廣域測量信息獲取

廣域測量系統（wide area measurement system，WAMS）依據電網在空間上的廣域需求，以GPS定位時鐘同步技術為基礎，獲取當前的電網廣域測量信息，確保設備內部時鐘的一致性，對整個電網的同步相位測量、功角測量、故障定位以及故障錄波等進行時間同步。GPS時間與協調世界時（universal time coordinated，UTC）可以同步到納秒量級，為精密時間和頻率數據在全世界的傳播提供同步原子鐘網絡，即GPS的授時服務。GPS同步衛星每秒能夠向地球發送一個同步信號，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。廣域測量系統由若干個同步向量測量裝置和輸電網絡構成，其中，同步向量測量裝置負責將電網不同互聯區域的運行數據發送到用戶端。利用廣域測量系統獲取電網廣域測量信息的過程如圖1所示。

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

圖1 利用廣域測量系統獲取電網廣域測量信息的過程

在上述過程中，啟動電網低頻低壓判斷依據尤為關鍵[7]，在此以電網發電機功角轉換為參考軸數值，將其作為判斷依據，其表達式如下：

1.2 基于Prony的電網互聯區域低頻振蕩識別方法

電網互聯區域低頻振蕩識別是控制低壓低頻解列裝置的基礎。由于廣域測量系統獲取的電網互聯區域實時參量內存在直流分量和高頻分量，其對電網互聯區域低頻振蕩識別精度影響較大[9]，需對電網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廣域信息參量內的噪聲，小波閾值方法繼承和發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）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，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦信號的任意細節。詳細過程如下。

構建存在噪聲的電網互聯區域廣域信息參量數學模型，其表達式如下：

去除所有電網互聯區域廣域信息參量噪聲后，將無噪聲的電網互聯區域廣域信息參量作為輸入，利用Prony算法識別當前的電網互聯區域低頻振蕩。Prony算法采用阻尼諧波分解信號和非線性濾波方法，可以直接求取地質體的吸收系數（也稱衰減系數），客觀地體現地質體的頻率特性，且具有良好的時間與空間分辨率，可以在高頻域顯示地質體的一些新的特性。其實質是對采樣數據求擬合表達式，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算法在參數識別、電力系統低頻振蕩分析、電力系統諧波檢測等方面均有應用。

利用式（8）即可獲取電網廣域測量信息內低頻振蕩的頻率、衰減因子、振幅和相位數值，實現電網互聯區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

依據式（9），計算電網互聯區域振蕩中心電壓校正數值：

依據式（11）[12-13]，設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 輸入電網低頻振蕩的相位、電壓和電流數值，計算振蕩中心電壓校正數值和振蕩中心定位系數。

步驟2 判斷該定位系數是否滿足電網穿越特性，若不滿足，則返回步驟1；若滿足，則執行步驟3。

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

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

步驟6 判斷解列結果是否符合振蕩計數，若是，則控制低頻低壓解列裝置對電網互聯區域支路進行解列處理；否則返回步驟1。

步驟7 分析電網互聯區域網絡拓撲，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互聯區域支路進行解列處理。

經過上述步驟，實現對低頻低壓解列裝置的自動化控制。

2 實驗分析

以某區域直流交流混聯電網為實驗對象，該直流交流混聯電網由一條主電網和4條支路構成，其交流支路功率為500 kV，主電網送電功率可達4 594 MW，直流側和交流側的分布式電源額定發電功率分別為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，系統采樣頻率為3.5 MHz。使用本文方法獲取該直流交流混聯電網的低頻低壓解列裝置數據并進行自動化控制，同時驗證本文方法的實際效用。

2.1 電網廣域信息參量去噪測試

以一組直流交流混聯電網的廣域信息參量為實驗對象，使用本文方法去除電網廣域信息參量內的噪聲，電網廣域信息參量去噪測試結果如圖3所示。

分析圖3可知，含有噪聲的電網廣域信息參量的幅值隨著時間變化具有較多毛刺，其使電網廣域信息參量幅值波動較大。而應用本文方法對該電網廣域信息參量進行去噪處理后，該電網廣域信息參量曲線呈現光滑狀態，所有毛刺均被去除，使電網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 電網廣域信息參量去噪測試結果

2.2 電網廣域測量信息獲取及時性測試

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

圖4 電網廣域測量信息獲取及時性測試結果

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

2.3 電網互聯區域低頻振蕩識別測試

將電網互聯區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互聯區域低頻振蕩阻尼，并與實際阻尼進行對比。電網互聯區域低頻振蕩識別測試結果見表1。

表1 電網互聯區域低頻振蕩識別測試結果

分析表1可知，本文方法在識別電網互聯區域振蕩的阻尼時，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互聯區域振蕩阻尼值均與實際值完全吻合。上述結果說明，本文方法能較為精準地識別電網互聯區域低頻振蕩情況，也從側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果如圖5所示。

圖5 低頻低壓解列裝置自動化控制測試結果

分析圖5可知，在未應用本文方法控制低頻低壓解列裝置時，該電網在孤島運行狀態的不平衡功率波動區間較大，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，該電網在孤島運行狀態的不平衡功率的波動區間明顯減小，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，應用效果較為優秀。

3 結束語

本文將廣域測量信息應用到低頻低壓解列控制過程中，利用廣域測量信息系統獲得了電網運行時的廣域測量信息，以其為基礎提出了低頻低壓解列自動化控制技術，在電網廣域測量信息參量去噪、電網互聯區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，具備良好的應用性。電網時常因設備之間的時間同步達不到要求而發生事故，帶來巨大的經濟損失。

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的參量庫重新調取參量時，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繼電保護、電網繼電保護整定計算等。

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

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

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