用于电力系统的宽频振荡监测方法、装置、设备及介质与流程

1.本技术涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种用于电力系统的宽频振荡监测方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.随着电网逐步向电力电子化发展，电网宽频振荡日益频发，其不仅会影响电网的运行安全，也严重制约了风电、光伏等可再生能源的有效消纳。因此，如何对电力系统的宽频振荡进行有效监测至关重要。
3.目前，针对电网宽频振荡的监测，通常需要安装额外的设备，然后通过对设备或电网系统进行建模，得到虚拟的电网拓扑关系模型后再监测电网宽频振荡情况。然而，安装额外的设备必然要花费更多的成本，且在建模时由于需要采集大量数据，因此会大大增加监测过程的复杂程度，增加了监测周期。一旦建模环节出错，也会影响最终的监测结果。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种用于电力系统的宽频振荡监测方法、装置、设备及介质，以解决现有技术中电费预处理方法存在的成本高、耗时长以及识别结果准确性低的问题。
5.为实现上述目的，本技术提供一种用于电力系统的宽频振荡监测方法，包括：
6.利用广域测量系统的同步相量测量单元对电网系统进行实时采样，得到各个时段的电信号波形序列；
7.对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在各个时段的幅值；
8.比较谐波和间谐波在各个时段的幅值，当幅值变化满足预设条件时，判定电力系统发生振荡，且当前谐波或间谐波产生振荡；
9.对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，对恢复后的信号进行时频分析，生成电力系统的宽频振荡监测结果。
10.进一步，作为优选地，所述对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识，包括：
11.对电信号波形序列进行噪声强度估计，基于数据加窗算法，根据噪声强度设定数据窗的长度；
12.通过数据窗截取电信号波形序列，构建电信号hankke1矩阵；
13.采用矩阵束法，根据电信号hankke1矩阵求解得到电信号频率粗估值；
14.根据电信号频率粗估值和数据窗截取后的电信号波形序列，求解得到电信号参数精估值；
15.识别电信号参数精估值，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在电信号波形序列对应时段的幅值。
16.进一步，作为优选地，采用泰勒傅里叶变换，根据电信号频率粗估值和数据窗截取
后的电信号波形序列，求解得到电信号参数精估值。
17.进一步，作为优选地，所述数据加窗算法包括汉宁窗、海明窗或blackman窗算法。
18.进一步，作为优选地，在所述通过数据窗截取电信号波形序列之后，还包括：
19.利用双谱线插值法对通过数据窗截取电信号波形序列的频率进行修正。
20.进一步，作为优选地，所述对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，包括：
21.利用数据还原法对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复；所述数据还原法包括正交匹配追踪算法、压缩采样匹配追踪算法、基追踪算法、迭代收缩算法或稀疏梯度投影法。
22.进一步，作为优选地，所述对恢复后的信号进行时频分析，包括：
23.采用旋转不变技术的信号参数估计法、普罗尼算法、快速傅立叶变换法或小波分析法对于恢复后的信号进行时频分析。
24.本技术还提供一种用于电力系统的宽频振荡监测装置，包括：
25.数据采集单元，用于利用广域测量系统的同步相量测量单元对电网系统进行实时采样，得到各个时段的电信号波形序列；
26.参数辨识单元，用于对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在各个时段的幅值；
27.振荡判定单元，用于比较谐波和间谐波在各个时段的幅值，当幅值变化满足预设条件时，判定电力系统发生振荡，且当前谐波或间谐波产生振荡；
28.时频分析单元，用于对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，对恢复后的信号进行时频分析，生成电力系统的宽频振荡监测结果。
29.本技术还提供一种终端设备，包括：
30.一个或多个处理器；
31.存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
32.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法。
33.本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法。
34.相对于现有技术，本技术的有益效果在于：
35.1)本技术不需要安装额外的设备，只需要利用同步相量测量装置的波形记录功能就可以实现对宽频范围内的振荡监测，降低了监测的成本；
36.2本技术不需要对设备或者电网系统进行建模，只需要检测系统产生的电流或电压数据便可以监测宽频振荡信号，解决了在宽频范围内对振荡信号的在线监测问题，并且可根据噪声强度自适应确定所需数据的窗长以减少算法计算量，不仅简化了监测过程，缩短了监测周期，同时也提高了监测结果的准确性，具有操作简单、可推广性强等优点。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1是本技术某一实施例提供的用于电力系统的宽频振荡监测方法的流程示意图；
39.图2是本技术某一实施例提供的步骤s20的子步骤的流程示意图；
40.图3是本技术某一实施例提供的用于电力系统的宽频振荡监测装置的结构示意图；
41.图4是本技术某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
44.应当理解，在本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
45.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
46.术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
47.请参阅图1，本技术某一实施例提供一种用于电力系统的宽频振荡监测方法。如图1所示，该用于电力系统的宽频振荡监测方法包括步骤s10至步骤s40。各步骤具体如下：
48.s10、利用广域测量系统的同步相量测量单元对电网系统进行实时采样，得到各个时段的电信号波形序列。
49.本步骤中，基于宽频量测平台，通过广域测量系统的同步相量测量单元对电网系统进行实时采样，得到各个时段的电信号波形序列。
50.需要说明的是，广域测量系统(wide area measurement system，wams)是指基于同步相量技术构成的新一代电网动态监测和控制系统。广域测量系统具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，非常适用于大跨度电网的动态过程实时监控。
51.s20、对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在各个时段的幅值。
52.请参阅图2，在一个具体地实施例中，对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识主要包括以下步骤：
53.s201、对电信号波形序列进行噪声强度估计，基于数据加窗算法，根据噪声强度设定数据窗的长度。
54.为了帮助理解，首先对于频谱泄露效应进行说明：快速傅里叶变换(fft)实现了时域到频域的转换，是信号分析中最常用的基本功能之一。fft变换时，总是从离散数据中选取一部分处理，将其称为一帧数据。而且fft是在一定假设下完成的，即认为被处理的信号
是周期信号。因此，fft之前会对这一帧数据进行周期扩展。以cw信号为例，如果选取的这一帧数据不是信号周期的整数倍，则在周期扩展时会存在样点的不连续性，如下图所示。这将导致fft之后得到的频谱失真，主要体现在频率成分上。理论上，频谱中只包含待测信号的频率，但实际上此时的频谱包含众多的频率分量。通常将这种现象称为频谱泄露效应。因此为了有效避免频谱的泄漏，数据加窗方式是较为有效的手段。
55.在一个优选地实施例中，本实施例采用的数据加窗算法包括汉宁窗、海明窗或blackman窗算法。
56.需要说明的是，在数据加窗时，窗函数在选择上要保证主瓣宽度尽可能窄，使信号尽可能集中在窗函数频谱的主瓣内，以提高谱估计时的频率分辨率，同时，窗函数频谱中的旁瓣峰值应尽量低且随着频率尽快衰减，使信号能量损失尽量小，如此可有效抑制因频谱泄漏而造成的干扰。
57.因此，在一个具体地实施方式中，根据工程需求进行综合对比分析可知，选择汉宁窗比较合适，虽然其主瓣宽度相对矩形窗增加了1倍，但是旁瓣的衰减速度提升了3倍，在各类窗函数的综合对比中相对较好。具体地，汉宁窗的时域离散表达式如下：
[0058][0059]
式中：n为采样点数；n为采样序号。
[0060]
s202、通过数据窗截取电信号波形序列，构建电信号hankke1矩阵。
[0061]
本步骤中，先通过数据窗截取电信号波形序列，然后再电信号hankke1矩阵。其中，汉克尔矩阵(hankel matrix)是指每一条副对角线上的元素都相等的矩阵，在数字信号处理、数值计算及系统控制等领域均有广泛的应用。
[0062]
在一个实施例中，在所述通过数据窗截取电信号波形序列之后，还包括利用双谱线插值法对通过数据窗截取电信号波形序列的频率进行修正。
[0063]
虽然数据加窗算法可以有效抑制频谱泄漏，但是在算法时间窗的选择上，很难保障频率的分辨率与真实间谐波频率吻合，因此最终得出的频率谱线会在最大幅值谱线前后均匀分布，此时需要对频率进行修正，采用的双谱线插值方式能够有效实现频率、幅值和相位的修正，提升信号测量的准确度。
[0064]
具体地，所述双谱线插值方式原理如下：获取时域信号x(t)＝acos(2πft+φ0)，将其离散化采样后得到将其加汉宁窗之后得到信号其中a为幅值，f为频率，φ0为相角；取间谐波/谐波频率频谱k0附近最高和次高2条谱线前后分别为k1和k2，即k2＝k1+1，且k1≤k0≤k2，设谱线幅值y1＝|z(k1)，y2＝|z(k2)|，令a＝k
0-k
1-0.5，则修正后的频率如下所示：
[0065]
[0066]
由于β可以根据测量的y1和y2计算，因此可以计算出系数a，修正后的频率f0＝(k1+a+0.5)δf，δf为频率分辨率，是数据时间窗的倒数，幅值a＝2(y1+y2)/{|w[2π(-a-0.5)/n]|+|w[2π(-a+0.5)/n]|}，其中w为汉宁窗的频谱，相角如此可以实现间谐波信号幅值、频率和相位的准确测量。
[0067]
s203、采用矩阵束法，根据电信号hankke1矩阵求解得到电信号频率粗估值。
[0068]
s204、根据电信号频率粗估值和数据窗截取后的电信号波形序列，求解得到电信号参数精估值。
[0069]
作为优选地，本步骤中采用泰勒傅里叶变换，根据电信号频率粗估值和数据窗截取后的电信号波形序列，求解得到电信号参数精估值。
[0070]
s205、识别电信号参数精估值，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在电信号波形序列对应时段的幅值。
[0071]
s30、比较谐波和间谐波在各个时段的幅值，当幅值变化满足预设条件时，判定电力系统发生振荡，且当前谐波或间谐波产生振荡。
[0072]
本步骤中，比较谐波和间谐波在各个时段的幅值，若谐波或间谐波的幅值持续增大，则电网系统发生了振荡，若谐波或间谐波的幅值均未持续增大，则电网系统未发生振荡；因此，当幅值变化满足预设条件时具体为：当若谐波或间谐波的幅值持续增大的时间范围满足某一预设时长后，则认为电力系统发生了振荡，因此可以保留对应时段的谐波或间谐波。
[0073]
s40、对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，对恢复后的信号进行时频分析，生成电力系统的宽频振荡监测结果。
[0074]
在一个实施例中，所述对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，包括：
[0075]
利用数据还原法对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复；所述数据还原法包括正交匹配追踪算法、压缩采样匹配追踪算法、基追踪算法、迭代收缩算法或稀疏梯度投影法。
[0076]
需要说明的是，一个理想的时频分布函数有助于做时频分析，其大致具有以下四种性质：“高清晰度”使得分析更容易；“没有cross-tern”可避免将讯号和噪声混淆；“好的数学性质”：有利于在多方面的应用；“较低的运算复杂度”可加快分析速度。因此，在一个具体地实施例中，对恢复后的信号进行时频分析，具体可以采用旋转不变技术的信号参数估计法、普罗尼算法、快速傅立叶变换法或小波分析法对于恢复后的信号进行时频分析。
[0077]
综上所述，本技术实施例提供的用于电力系统的宽频振荡监测方法，不需要安装额外的设备，只需要利用同步相量测量装置的波形记录功能就可以实现对宽频范围内的振荡监测，降低了监测的成本；另外，本技术无需对设备或者电网系统进行建模，只需要检测系统产生的电流或电压数据便可以监测宽频振荡信号，解决了在宽频范围内对振荡信号的在线监测问题，并且可根据噪声强度自适应确定所需数据的窗长以减少算法计算量，不仅简化了监测过程，缩短了监测周期，可推广性强，同时也提高了监测结果的准确性。
[0078]
请参阅图3，本技术某一实施例还提供了一种用于电力系统的宽频振荡监测装置，包括：
[0079]
数据采集单元01，用于利用广域测量系统的同步相量测量单元对电网系统进行实
时采样，得到各个时段的电信号波形序列；
[0080]
参数辨识单元02，用于对各个时段的电信号波形序列进行参数辨识，得到电信号波形的谐波和间谐波，以及谐波和间谐波在各个时段的幅值；
[0081]
振荡判定单元03，用于比较谐波和间谐波在各个时段的幅值，当幅值变化满足预设条件时，判定电力系统发生振荡，且当前谐波或间谐波产生振荡；
[0082]
时频分析单元04，用于对产生振荡的谐波或间谐波进行信号恢复，对恢复后的信号进行时频分析，生成电力系统的宽频振荡监测结果。
[0083]
可以立即的是，上述的用于电力系统的宽频振荡监测装置可实施上述方法实施例的用于电力系统的宽频振荡监测方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。本技术实施例的其余内容可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进一步赘述。
[0084]
请参阅图4，本技术某一实施例提供一种终端设备，包括：
[0085]
一个或多个处理器；
[0086]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0087]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法。
[0088]
处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的用于电力系统的宽频振荡监测方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0089]
在一示例性实施例中，终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0090]
在另一示例性实施例中，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的用于电力系统的宽频振荡监测方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0091]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。