一种电网整体一次调频响应时间的检测方法与流程

本发明涉及电网运行安全技术领域，特别是一种电网整体一次调频响应时间的检测方法。

背景技术：

当前电网正处于特高压电网建设过渡期，交直流电网连锁效应显著，电网面临更为严峻的安全形势。特高压输电系统的自身故障会导致受端电网突然失去大功率电源，对受端电网频率产生巨大冲击，甚至威胁电网安全。理论上，在电网频率发生突变时，具备一次调频功能的发电机组应迅速作出反应，以有效抑制电网频率的波动幅度，缩短波动的过渡时间，迅速稳定动态过程中电网频率。因此，从一次调频所承担的任务可以看出，对于电网的一次调频要求其响应具有快速性，特别是在应对电网大功率缺额故障情况时，电网整体的一次调频响应速度显得至关重要。

然而由于故障后电网频率的快速调节能力是由全网整体机组一次调频共同作用所产生的综合效果所决定，因此，需要从一次调频综合响应速度上对电网总体一次调频的性能进行评价。但由于电网中参与一次调频的机组性能各不相同，再加上机组一次调频开始动作后由于控制系统限速、延时、机组机械惯性与能量转换效率等影响，各机组从机械功率输出发生变化到最终电磁功率产生实际作用于电网往往存在不同的延时，这就使得对电网一次调频的综合响应速度很难进行准确的监测与分析，缺少对电网整体一次调频响应时间的监测与评价的技术方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：基于PMU测量的高采样率电网故障频率数据，对电网整体一次调频响应时间进行在线检测、分析和评价，为评价电网整体一次调频响应速度提供较为准确的参考。

本发明采取的技术方案具体为：一种电网整体一次调频响应时间的检测方法，包括以下步骤：

步骤一，利用PMU对电网频率数据f(t)进行实时采集，对采集到的电网实时频率数据进行扫描，选定故障发生时刻t₀和故障过程中频率跌落至最低点时刻t₁，计算t₀到t₁时段范围内的电网频率偏差数据序列集合(Δf₁,Δf₂,......,Δf_i)；

其中，Δf_i＝Δf(t₀+Δt),...,Δf(t₀+iΔt)，Δf(t₀+iΔt)＝f(t₀)-f(t₀+iΔt)，i＝1,2,...,n，Δt为频率数据采样间隔，n为频率最低点时刻t₁相对t₀时刻的数据采样间隔数；

步骤二，基于不考虑发电机调速器作用的电网故障情况下系统频率响应偏差公式(1)：

$\mathrm{\Δ}f\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}P}{K_L}(1-e^{-\frac{t}{T_f}})---\left(1\right)$

定义参数B＝1/T_f，K＝ΔP/K_L，并代入公式(1)，得到公式(2)：

$B=-\frac{ln(\frac{\mathrm{\Δ}f\left(t\right)}{-K}+1)}{t}---\left(2\right)$

上式中，Δf(t)为系统频率变化标幺值；ΔP为系统初始有功功率缺额；K_L为负荷频率调节效应系数；T_f为频率下降时间常数；K值反映电网稳态最大频率偏移量；

步骤三，设定K值扫描范围，利用公式(2)对频率偏差序列Δf_i中的每一个元素依次进行指定K值范围的扫描计算，得到指定范围内各设定K值对应的B值序列；计算各B值序列的平均误差率，然后在这些B值序列中寻找平均误差率最小的一组B值序列，则此B值序列对应的K值即为使得该组Δf_i数据序列满足(1)式的最佳K值，也即为在不考虑发电机调速器作用情况下，按该组Δf_i变化趋势所对应的最终稳态最大频率偏移量；

步骤四，对电网频率偏差数据序列集合(Δf₁,Δf₂,......,Δf_i)中的各频率偏差序列，分别按照步骤三进行计算，进而得到一组随时间推移的K值序列集合(K₁,K₂,......,K_i)；

步骤五，监测上述K值序列集合(K₁,K₂,......,K_i)中K值的变化情况，当出现突变情况时，则判定相应时刻为电网整体一次调频的动作时刻。

进一步的，本发明步骤三中，所述利用公式(2)对频率偏差序列Δf_i中的每一个元素依次进行指定K值范围的扫描计算包括：

3.1)将步骤一计算得到的每个电网频率偏差数据序列Δf_i进行标幺化处理，然后代入计算公式(2)；

3.2)设定K值扫描范围为[0.0001，0.1]，扫描步长取0.0001；依次取扫描范围中的各K值，根据公式(2)对Δf_i中的各个数据元素进行扫描计算，则对于扫描范围内的每个K值分别可计算得到一组对应B值序列；

$B=-\frac{ln(\frac{\mathrm{\Δ}f\left(t\right)}{-K}+1)}{t}---\left(2\right)$

3.3)对步骤3.2)中计算得到的各B值序列，利用公式(3)和公式(4)计算得到每个B值序列的平均误差率ε：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(\frac{B_i-B_{avr}}{B_{avr}}\right)}^2}{N}}---\left(3\right)$

$B_{avr}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_i}{N}---\left(4\right)$

其中，N为各B值序列所含数据个数。

更进一步的，上述步骤3.1)中，对每个电网频率偏差数据序列Δf_i进行标幺化处理为，将频率偏差数据除以标准频率50HZ，得到Δf_i的标幺值。

本发明步骤五的判定原理为，在系统调速器动作前，K值序列集合(K₁,K₂,......,K_i)中的K值是保持稳定不变的，而当系统调速器动作产生调频效果后K值将发生明显变化，因此，可以通过检测K值的突变情况来实现电网整体一次调频动作时刻的确定。

本发明从电网频率的控制机理出发，对电网功率缺额故障过程中初始系统频率响应阶段按照系统无调速器模型进行考虑，借助电网不考虑调速器与考虑调速器情况下系统频率响应过程曲线的差异特征，利用PMU测量记录的高采样率(毫秒级)电网故障频率数据计算系统最大频率偏差量并通过检测最大频率偏差量的变化情况来确定电网整体一次调频实际动作响应时间。

有益效果

采用本发明方法，可实现利用在线采集的PMU毫秒级动态频率数据，监测分析电网故障情况下的电网整体一次调频响应时间。弥补目前缺乏在电网功率缺额故障情况下检测与评估电网整体一次调频响应性能的技术手段的不足。且方法可在线运行、计算方便、无特殊要求限制，可为评价电网整体一次调频响应速度提供较为准确的参考。

附图说明

图1所示为电力系统功率缺额故障下系统频率理论响应曲线(局部)；

图2所示为K值对应的稳态最大频率偏移量变化趋势。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1和图2，本实例中的实线频率为电网故障情况下不考虑机组调速器作用的系统频率响应过程，而虚线频率为实际考虑调速器作用时的系统频率近似响应过程(近似初始频率下降阶段)。由于调速器的作用，系统的频率下降特性得到明显的改善，系统频率变化趋势相对于无调速器情况时发生了偏离，也即电网稳态最大频率偏移量发生了变化。

利用本发明在线监测提取电网整体一次调频动作响应时间的方法具体步骤为：

1)对PMU采集的电网频率数据进行实时扫描，选定故障发生时刻t₀和故障过程中频率跌落至最低点时刻t₁，计算形成该时段范围内的电网频率偏差数据序列集合:Δf₁,Δf₂,......,Δf_i。

电网频率偏差数据序列具体计算如下：

Δf₁＝Δf(t₀+Δt)

Δf₂＝Δf(t₀+Δt),Δf(t₀+2Δt)

Δf₃＝Δf(t₀+Δt),Δf(t₀+2Δt),Δf(t₀+3Δt)

…………

Δf_i＝Δf(t₀+Δt),Δf(t₀+2Δt),Δf(t₀+3Δt),...,Δf(t₀+iΔt)

其中，Δf(t₀+iΔt)＝f(t₀)-f(t₀+iΔt)，i＝1,2,...,n，Δt为频率数据采样间隔，n为频率最低点时刻t₁相对t₀时刻的数据采样间隔数。

2)将步骤1)中计算得到的每个电网频率偏差数据序列Δf_i进行标幺化处理后代入计算公式(2)，并设定K值扫描范围为[0.0001，0.1]，对应频率偏移量有名值范围为[0.005Hz，5Hz]，扫描步长取0.0001。根据公式(2)进行计算，对设定扫描范围内的每个K值可计算得到一组对应B值序列。

$B=-\frac{ln(\frac{\mathrm{\Δ}f\left(t\right)}{-K}+1)}{t}---\left(2\right)$

3)对以上计算得到的各B值序列，利用公式(3)、(4)计算每个B值序列的平均误差率ε。

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(\frac{B_i-B_{avr}}{B_{avr}}\right)}^2}{N}}---\left(3\right)$

$B_{avr}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_i}{N}---\left(4\right)$

其中，N为各B值序列所含数据个数。

在这些平均误差率中找到ε最小的一组B值序列，则此B值序列对应的K值即为使得该组Δf_i数据序列满足无调速器情况(1)式的最佳K值，也即为在不考虑发电机调速器作用情况下，按该组Δf_i变化趋势所对应的最终稳态最大频率偏移量。

4)对步骤1)中计算得到的电网频率偏差数据序列集合(Δf₁,Δf₂,......,Δf_i)中的所有电网频率偏差数据序列，按照步骤2)、3)可以计算得到一组对应的随时间变化的K值序列(K₁,K₂,......,K_i)；

5)监测上述K值序列集合(K₁,K₂,......,K_i)中K值的变化情况，当出现突变情况时，则判定相应时刻为电网整体一次调频的动作时刻。如图2所示。可以看出在电网频率响应初始阶段，系统调速器尚未动作，序列中K值保持稳定，而当系统调速器动作产生效果后K值将发生明显变化，因此，通过检测K值的突变情况可以实现电网整体一次调频动作时刻t_pfr的确定。

采用本发明方法，可实现利用在线采集的PMU毫秒级动态频率数据，监测分析电网故障情况下的电网整体一次调频响应时间。弥补目前缺乏在电网功率缺额故障情况下检测与评估电网整体一次调频响应性能的技术手段的不足。且方法可在线运行、计算方便、无特殊要求限制，可为评价电网整体一次调频响应速度提供较为准确的参考。

以上所述实施范例仅表达了本发明技术的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明技术使用范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术构思及原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明技术的保护范围。因此，本发明技术的保护范围应以所附权利要求为准。