一种综合多源信息的新能源接入宽频带稳定性多级预警方法与流程

本发明属于电力系统动态监测领域，具体涉及一种综合新能源场站、系统站、火电机组以及直流系统的宽频带稳定性多级预警方法。

背景技术：

近年来，随着特高压电网快速发展，风电、光伏等新能源大量并网，远距离跨区输电规模持续增长，电网电力电子化特征凸显，电网特性发生深刻变化。各种电力电子设备或装置，如静止同步补偿器(statcom)、柔性直流输电换流器得到了广泛的应用。然而，一旦这些新型电力设备接入电网运行，在特定的控制模式或运行方式下，易形成持续次同步和/或超同步谐波注入系统，激发近区机组轴系扭振，造成火电机组跳闸、直流闭锁等连锁反应，危及电网的安全稳定运行和影响供电质量。

随着电力电子化系统宽频带稳定性问题日益突出，对系统进行实时在线的宽频监测非常必要。目前对于电力系统宽频带稳定性监测预警工作才刚刚起步，特别是在新能源接入后振荡产生的机理以及规律研究方面还没有大的突破，因此需要借助监测的手段，获取特定区域电网新能源接入后的相关振荡数据以及传播情况，为振荡机理和传播规律的研究提供有效的数据支撑，同时也为电网调度运行人员操作提供操作依据。新能源节后引起的振荡问题，是新能源变流器、系统、火电机组以及直流控制系统等多要素参与的振荡问题，因此需要一种网源数据完备的监测手段，而不应仅仅局限于电网或者电源点来监测。

本发明综合新能源场站、系统站、火电机组以及直流系统的宽频带监测信息的基础上，通过对振荡线路和区域的识别，从对系统安全影响的重要程度上，综合火电机组的固有参数，形成了对区域电网有效的宽频带振荡管理。

技术实现要素：

本发明提出了一种综合多源信息的新能源接入宽频带稳定性多级预警方法，在对电网进行宽频带在线监测的同时，集成网侧的谐波振荡告警信息及火电机组侧的扭振固有特性及告警信息，综合判断给出表征系统次同步振荡严重程度的分级预警信号，便于操作人员及时发现电网次同步和超同步振荡，并根据预警级别采取相应措施。

本发明采用以下技术方案：

一种综合多源信息的新能源接入宽频带稳定性多级预警方法，其特征在于，所述多级预警方法包含以下步骤：

(1)根据区域电网网架的结构，确定监测点的布设范围，所布设的监测点包含：新能源汇集站和各个新能源电厂之间的线路、新能源汇集站出线线路、系统枢纽变电站进线和出线线路、区域电网内火电机组以及直流系统整流侧换流变进线线路；

(2)通过各个监测点监测装置pmu实现频率分辨率至少0.5hz的各监测线路的宽频带频谱计算，包含各个频率分量相量、频率；

(3)识别振荡线路，按照各个监测点监测到的振荡信号频率进行遍历，获取同一振荡模式下关联的各条线路以及线路两端的站点；

(4)识别振荡区域，根据线路两端站点的关联性进行振荡区域识别，识别出不同的振荡区域，判断是不同新能源发电厂之间的振荡、新能源发电厂与交流系统之间的振荡、新能源发电厂与火电机组之间的振荡以及新能源发电厂与直流系统之间的振荡四种振荡区域的哪一种；

(5)根据振荡区域的不同，设置不同的告警定值及时间定值，产生不同级别的预警信息；

(6)按照区域站点名称、线路名称以及预警级别提示运行人员根据预警级别进行操作，通知新能源场站调整运行方式或者直接切除新能源场站送出线路。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤(1)中，监测点的布局实现分层次布置，包括：

新能源汇集站实现新能源线路的监测，监测每条新能源发电厂接入新能源汇集站的线路和汇集后接入交流系统的线路，监测数据包括三相相电压、三相相电流；

系统枢纽变电站进线和出线线路的监测，监测接入系统枢纽变电站的进线每条线路和出线每条线路，监测数据包括三相相电压、三相相电流；

区域电网内火电机组的监测，监测火电机组固有参数，即机组在次同步频率范围内的固有轴系固有频率参数；

监测直流系统整流侧换流变进线线路的三相相电压和三相相电流。

对所有待监测线路统一编号，并对线路起始和终端端点按照站点id进行统一定义，站点id在区域电网中唯一，形成如下线路数据集合：

{[1,s1_id,t1_id],[2,s2_id,t2_id],...,[n,sn_id,tn_id]},

其中:n为总的线路号；

sn_id为线路起始端站点标识；

tn_id为线路终止端站点标识。

在步骤(2)中，布设的各监测点监测装置pmu实现基于对应线路原始采样信号的频谱计算功能，所述监测装置pmu监测频率范围为10-90hz，数据窗长度选择至少2s，实现频率分辨率小于等于0.5hz，通过各监测点监测装置pmu的频谱计算形成每一条线路10-90hz范围内的宽频振荡特征信息集合：

{[fssoi1,umssoi1,imssoi1],[fssoi2,umssoi2,imssoi2],...,[fssoip,umssoip,imssoip]}

其中：fssoip为频谱分析出来的第i条线路第p个振荡频率值；

为频谱分析出来的第i条线路第p个振荡频率相电压幅值；

为频谱分析出来的第i条线路第p个振荡频率相电流幅值。

在步骤(3)中，进一步包括以下内容：

3.1对各监测线路设置振荡电流itri和振荡电压门槛utri，当一监测线路中存在某个频点的相电压幅值大于或等于振荡电压门槛utri，或者该检测线路中存在某个频点的相电流幅值大于或等于振荡电流itri，即

umssoix≥utri或者imssoix≥itri，则认为该检测线路中存在频率为fssoix的振荡；

i为线路号，表示第i条线路，umssoix表示第i条线路第x个频点相电压幅值，imssoix表示第i条线路第x个频点相电流幅值，x表示第x个振荡频率，且1≤x≤p；

3.2对所有监测线路的各个频点相电压幅值和相电流幅值都按照3.1进行上述判断，挑选满足振荡条件的线路和频率，形成各振荡频率下发生振荡的振荡线路集合，发生频率fssoix振荡的线路集合为：

{[i,si_id,ti_id,fssoix],[j,sj_id,tj_id,fssoix],...,[m,sm_id,tm_id,fssoix]}

其中，fssoix表示第i条线路第x个振荡频率值，其中，1≤x≤p；

i,j,…,m为所有振荡频率为fssoix的线路号。

在步骤(4)中，识别振荡区域的处理流程如下：

4.1从fssoix振荡频率下发生振荡的线路集合

{[i,si_id,ti_id,fssoix],[j,sj_id,tj_id,fssoix],...,[m,sm_id,tm_id,fssoix]}中挑选新能源线路集合{[i1,si1_id,ti1_id,fssoix],[j1,sj1_id,tj1_id,fssoix],...,[m1,sm1_id,tm1_id,fssoix]}其中，i1,j1,…,m1∈[i,j,…,m]，为所有振荡频率为fssoix线路中新能源振荡线路号，所述新能源线路是指新能源发电厂接入新能源汇集站的线路和汇集后接入区域电网的线路；

4.2分别从振荡频率为fssoix的每一条新能源振荡线路即i1,j1,…,m1线路出发，在区域电网所有振荡频率为fssoix的振荡线路集合即集合[i,j,…,m]中寻找各线路的关联性，从而确定振荡的传播路径线路集合；

4.3对于4.2所确定的振荡的传播路径线路集合分别进行分析：

如果集合中仅包含新能源线路，则认为振荡存在于不同新能源发电厂之间；

如果集合中仅包含新能源线路和其他线路，则认为新能源发电厂与交流系统之间存在振荡；

如果集合中仅包含新能源线路、交流系统线路、连接火电机组的线路，则认为新能源发电厂与火电机组之间存在振荡；

如果集合中仅包含新能源线路、交流系统线路、直流换流站进线，则认为直流系统和新能源之间存在振荡。

在4.2中，形成传播路径集合方法如下：

4.2.1先定义待比较线路为cp,cp∈[i1,j1,…,m1]，取cp＝i1，在传播路径集合中记录cp1，cp1＝i1，形成集合a＝[cp1]；

4.2.2在[i,j,…,m]集合中寻找除集合a外所有和第cp条线路两端端点有共同端点的线路cp11、cp12...cp1k，，记录cp11、cp12...cp1k到集合a中，形成新的传播路径线路集合a＝[cp1,cp11,cp12、...、cp1k]；

4.2.3依次按照集合a中的线路顺序给待比较线路cp赋值，重复步骤4.2.2，把有共同端点的线路增加记录入集合a，从而形成新的增加了有关联线路的传播路径线路集合a，直至不再有与待比较线路cp共同端点的线路为止；

4.2.4依次令cp＝j1,…,m1，按照4.2.2和4.2.3的方式，分别形成相对应的传播路径线路集合b,c,…,f；

4.2.5合并步骤4.2.3和4.2.4获得的传播路径线路集合中完全相同的集合，从而确定振荡的传播路径线路集合。

在步骤(5)中，根据步骤(4)辨识出的振荡区域，形成三级预警矩阵，第一级预警级别最高，表明振荡最严重，第二级次之，第三级预警级别最低，仅需要关注；预警矩阵如下表所示：

预警的级别设计遵循以下几个原则：

新能源发电厂之间的振荡预警级别最低，设置为三级预警,；

火电机组振荡预警的级别按照两级准备：

当判断火电厂机组与新能源发电厂、交流系统或直流系统之间存在振荡，并且交流系统振荡频率和火电机组固有频率差值在0.5hz以内，即：|fsso-f1|≤0.5hz或|fsso-f2|≤0.5hz…或|fsso-fn|≤0.5hz，则认为振荡比较严重，会带来火电机组的扭振疲劳损伤问题，预警级别为第一级，其中fsso为交流系统发生次同步振荡的频率，f1，f2，…,fn为火电机组固有频率；

当火电厂机组与新能源发电厂、交流系统或直流系统之间存在振荡，并且交流系统振荡频率和火电机组固有频率参数在0.5hz以外，则认为振荡不是最严重，不会带来火电机组的扭振疲劳损伤问题，预警级别为第二级；

当直流系统与交流系统、火电厂机组或新能源发电厂之间发生振荡，则预警级别为最高，设置为第一级。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出的综合多源信息的宽频带稳定性多级预警方法，可以基于现有电力系统广域监测系统进行改造实现，从而实现了对新能源接入后次同步振荡问题的有效预警，为运行人员应对振荡提供了有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明综合多源信息的新能源接入宽频带稳定性多级预警方法流程示意图；

图2为本发明监测点布局示意图；

图3为本发明步骤3振荡线路识别流程图；

图4为本发明振荡预警三级设置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案的具体实施作进一步详细说明。本发明提出的预警方法已经在实际工程中得到应用，实现了包含新能源和火电混合打捆外送系统次同步振荡监测预警。本发明针对次同步振荡的监测预警处理流如图1所示。

步骤1：根据区域电网网架的结构，确定监测点的布设范围，所布设的监测点必须包含：新能源汇集站和各个新能源电厂之间的线路、新能源汇集站出线线路、系统枢纽变电站进线和出线线路、区域电网内火电机组以及直流系统整流侧换流变进线线路，如图2所示：

(1)新能源汇集站实现新能源线路的监测，监测每条新能源发电厂接入新能源汇集站的线路和汇集后接入交流系统的线路，监测数据包括三相相电压、三相相电流。在实际工程中，每个新能源汇集站进线线路一般在6～9条线路为多，并且新能源接入类型也存在差异，有风电也有光伏电站，因此需要对汇集站进线线三相相电压和三相相电流都进行监测，同时对出线也进行监测。

监测直流系统整流侧换流变进线线路的三相相电压和三相相电流。

(2)系统枢纽变电站进线和出线线路的监测，监测接入系统枢纽变电站的进线每条线路和出线每条线路，监测数据包括三相相电压uai、ubi、uci、三相相电流iai、ibi、ici，用来评估对区域电网系统的影响；

(3)火电机组固有参数指的是机组在次同步频率范围内的固有轴系固有频率参数，在本示例中火电机组的频率主要有16hz、26hz、30hz、21.3hz、19.2hz、12.1hz；

(4)直流系统整流侧换流变进线线路主要监测线路三相相电压uai、ubi、uci和三相相电流iai、ibi、ici，，用来评估新能源和直流系统之间的振荡情况。

最终对所有待监测线路统一编号，并对线路起始和终端端点按照站点id进行统一定义，站点id在区域电网中唯一，形成如下线路数据集合：

{[1,nod_1,nod_8],[2,nod_2,nod_9],...,[n,nod_m,nod_n]},

其中:n为线路号；

nod_m为线路起始端站点标识；

nod_n为线路终止端站点标识。

步骤2：通过各个监测点监测装置pmu实现频率分辨率至少0.5hz的各监测线路的宽频带频谱计算，包含各个频率分量相量、频率。

因为目前同步相量监测装置(pmu)已经在系统中得到广泛应用。在pmu装置上，对于采样率为1200hz的采样数据进行长数据窗的fft算法，为了实现较高频率的分析精度，对采用4096个点进行计算，频率分辨率可以达到0.29hz，计算结果只保留10～90hz之间的频点幅值和频率信息。在本示例中，线路3、4、5、6、9、13、15都发现振荡频率为25hz的振荡信号,且只存在25hz频率的振荡，3、4、5、6为电压等级110kv线路，9为电压等级220kv线路,13、15为电压等级500kv线路，形成其中线路振荡的振荡信息：{[25hz,400v,15a]}、{[25hz,390v,20a]}、{[25hz,220v,21a]}、{[25hz,220v,23a]}、{[25hz,416v,15a]}、{[25hz,800v,12a]}、{[25hz,860v,16a]}

步骤3：识别振荡线路，按照各个监测点监测到的振荡信号频率进行遍历，获取同一振荡模式下关联的各条线路以及线路两端的站点。

(1)首先通过对监测线路振荡电流、电压设置门槛itri和utri，根据现场发生振荡的情况，一般来说，门槛值的设计考虑装置本身的辨识精度以及振荡的风险大小，在本实现过程中，itri和utri都设置为线路额定电流和额定电压的0.5％，本示例中电压等级110kv线路额定相电流为2000a,电压等级220kv线路额定相电流1500a,电压等级500kv线路额定相电流2000a。因此，线路3、4、5、6、9、13、15电压电流的门槛值分别为：317.55v/10a、317.55v/10a、317.55v/10a、317.55v/10a、635.1v/7.5a、1443v/10a、1443v/10a.线路3、4、5、6、9、13、15计算出来的25hz电压或者电流幅值超过0.5％线路额定电压或者额定电流，可以认为线路中存在25hz的振荡；

(2)以图2中的线路为例，如果线路3、4、5、6、9、13、15都发现振荡频率为25hz的振荡信号，则建立系统25hz振荡的线路集合：

其中：

步骤4：识别振荡区域，根据线路两端站点的关联性进行振荡区域识别，识别出不同的振荡区域，判断是不同新能源发电厂之间的振荡、新能源发电厂与交流系统之间的振荡、新能源发电厂与火电机组之间的振荡以及新能源发电厂与直流系统之间的振荡四种振荡区域的哪一种，如图3所示：

4.1从25hz振荡频率下发生振荡的线路集合中挑选新能源线路集合{[3,nod_3,nod_9],[4,nod_4,nod_9],[5,nod_5,nod_10],[6,nod_6,nod_10]}

4.2分别从振荡频率为25hz的每一条新能源振荡线路即线路号为3、4、5、6线路出发，在区域电网所有振荡频率为25hz的振荡线路集合即集合[3,4,5,6,9,13,15]中寻找各线路的关联性，从而确定振荡的传播路径线路集合，形成传播路径集合方法如下：

1)先定义待比较线路号为cp,cp∈[3,4,5,6]，取cp＝3，在传播路径集合中记录cp1,cp1＝3，形成集合a＝[3]；

2)在[3,4,5,6,9,13,15]集合中寻找除集合a外所有和第3条线路两端端点有共同端点的线路，线路号为4、9，记录线路号4、9到集合a中，形成新的集合a＝[3,4,9]；

3)依次按照集合a中的线路顺序给cp赋值，重复步骤2),把有共同端点的线路增加记录入集合a,从而形成新的集合a，直至不再有与cp线路共同端点的线路为止，此时形成a＝[3，4，9，13，15]；

4)依次令cp＝4、5、6，比较过程和2)3)相同，形成集合b,c,…,

b＝[4，3，9，13，15]；c＝[5，6]；d＝[6，5]

5)合并a,b,c,…,集合中完全相同的集合，因为a和b集合中包含线路号一样，可以合并，c和d包含线路号一样，可以合并，因此形成两个振荡传播路径集合：

a’＝[3，4，9，13，15],b’＝[5，6]。

4.3对上述记录的线路号集合a’,b’,…分别进行分析，

a’＝[3，4，9，13，15]，该振荡传播路径中包含了新能源场站、交流系统站以及火电机组线路还有直流换流站点，传播范围比较远；如果集合中仅包含新能源线路，则认为振荡存在于不同新能源发电厂之间；

b’＝[5，6]，该振荡传播路径中仅包含了新能源场站，虽然也是相同频率的振荡，但是传播范围较小。

步骤5：根据振荡区域的不同，设置不同的告警定值及时间定值，产生不同级别的预警信息；

如图4所示，第一级告警定值12a,时间定值5s；第二级告警定值15a,时间定值15s；

第三级告警定值20a,时间定值20s。

根据判断出来的振荡区域在如下表中进行对应：

传播路径a’＝[3，4，9，13，15]，包含了新能源场站、交流系统站、火电机组以及直流系统，虽然振荡频率为25hz，整个区域电网火电机组的固有频率参数相差还比较大，都大于等于1hz，但是因为直流系统换流站包含进来，对直流系统会造成影响，因此预警级别为1级；

传播路径b’＝[5，6]仅包含了新能源场站，即振荡发生在新能源场站之间，对系统没有产生影响，因此，预警级别为3级。

对于传播路径a’＝[3，4，9，13，15]需要调度运行人员及时隔离线路3、4，从而保证系统不受影响；而对于传播路径b’＝[5，6]，调度运行人员继续观察，先不做切除线路操作。

(6)按照区域站点名称、线路名称以及预警级别提示运行人员根据预警级别进行操作，通知新能源场站调整运行方式或者直接切除新能源场站送出线路。

以上是本发明对实施例的详细说明，尽管是针对上述特定的实施例，应当明白在不脱离上述权利要求限定的本公开范围内可以进行各种改变和修改。