本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)低頻振蕩分析技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法。
背景技術(shù):
大型電力系統(tǒng)的互聯(lián)現(xiàn)象越來越普遍,其目的是提高發(fā)、輸電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性,但系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式復(fù)雜多樣化,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性問題更加突出。大區(qū)域電網(wǎng)的弱互聯(lián)限制聯(lián)絡(luò)線的傳輸能力,且會(huì)大幅降低系統(tǒng)間的阻尼,某些弱聯(lián)系甚至導(dǎo)致系統(tǒng)出負(fù)阻尼,使得系統(tǒng)出現(xiàn)頻率為0.1~2.5hz的低頻振蕩現(xiàn)象,參與該振蕩的機(jī)組轉(zhuǎn)子相對(duì)擺動(dòng),輸電線路上功率傳輸異常影響系統(tǒng)正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)失步,并可能引發(fā)連鎖故障、大面積停電等嚴(yán)重后果。
低頻振蕩的動(dòng)態(tài)特性,需要提取低頻振蕩信號(hào)的瞬時(shí)參數(shù),并且辨識(shí)出振蕩的阻尼比大小,以便運(yùn)行控制人員全面獲得振蕩特征進(jìn)行相關(guān)調(diào)控,準(zhǔn)確把握提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的方向,指導(dǎo)例如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等穩(wěn)定控制裝置的安裝。而電力系統(tǒng)低頻振蕩信號(hào)為非線性時(shí)變復(fù)合信號(hào),因此參數(shù)提取前需要對(duì)其進(jìn)行振蕩模態(tài)分解。
目前振蕩信號(hào)分解的方法主要有傅里葉變換、小波變換、矩陣束辨識(shí)、prony算法、hht(希爾伯特-黃變換)算法等。傅里葉變換不能提取信號(hào)的局部特征,不適用于非線性信號(hào);小波變換對(duì)于小波的選取具有一定的局限性,不具有很好的適應(yīng)性;矩陣束辨識(shí)法可估計(jì)系統(tǒng)振蕩模態(tài),具有較優(yōu)的抗噪聲能力,但是對(duì)于信號(hào)的時(shí)變特性不能準(zhǔn)確分析;prony算法作為一種常用的低頻振蕩信號(hào)分析方法,仍存在一些問題,如定階問題處理不準(zhǔn)確、抗噪聲干擾能力不足等。hht是一種新型的時(shí)域分析方法,包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(emd)和希爾伯特變化兩個(gè)過程,該方法充分考慮信號(hào)局部尺度特征,可以識(shí)別非線性信號(hào)振蕩模態(tài)組合,并且獲取振蕩模態(tài)的多個(gè)信息包括瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值、阻尼。但是由于其分解方法本身的限制,過程中會(huì)出現(xiàn)過包絡(luò)、欠包絡(luò)、模態(tài)混疊等問題,得到的各個(gè)分量對(duì)應(yīng)的物理意義不明確,同時(shí),利用希爾伯特法計(jì)算瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值時(shí)可能出現(xiàn)的邊緣效應(yīng)和負(fù)頻率問題限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用能力。在emd分解基礎(chǔ)上出現(xiàn)的局部均值分解(lmd)法較之在分解方法與變量物理意義表達(dá)方面具有顯著的優(yōu)越性,有利于提高低頻振蕩信號(hào)分解的準(zhǔn)確性與信號(hào)的完備性,瞬時(shí)參數(shù)的計(jì)算更加明確表達(dá)信號(hào)的物理特性。但是仍存在三個(gè)因素主要影響lmd分解精度,分別為:采樣頻率、滑動(dòng)平均跨度、端部效應(yīng)處理。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
為此,本發(fā)明的目的在于提出一種基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法,可以實(shí)現(xiàn)局部包絡(luò)優(yōu)化,有效改善lmd分解的端點(diǎn)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)基于此分解結(jié)果的振蕩特征辨識(shí)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的實(shí)施例公開了一種基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法,包括以下步驟:根據(jù)互聯(lián)電力系統(tǒng)故障下低頻振蕩狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)預(yù)設(shè)區(qū)域中各類數(shù)據(jù)信號(hào)按照時(shí)間點(diǎn)排序進(jìn)行整合,構(gòu)成振蕩信號(hào)矩陣,采集信號(hào)的時(shí)間窗長(zhǎng)度為矩陣行數(shù),取所述預(yù)設(shè)區(qū)域中最低頻率模式的兩個(gè)周期,矩陣列數(shù)為測(cè)量振蕩信號(hào)種類的數(shù)量;對(duì)所述信號(hào)矩陣每一列信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解得到振蕩模態(tài)分量及剩余趨勢(shì)分量;根據(jù)所述振蕩模態(tài)分量計(jì)算每個(gè)振蕩模態(tài)分量的相關(guān)參數(shù),所述相關(guān)參數(shù)包括瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值和阻尼。
進(jìn)一步地,對(duì)信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解的步驟包括:通過多次的迭代與分離產(chǎn)生多個(gè)局部包絡(luò)函數(shù)和局部均值函數(shù);根據(jù)所述多個(gè)局部包絡(luò)函數(shù)和局部均值函數(shù)得到多對(duì)包絡(luò)信號(hào)與純調(diào)頻信號(hào)的組合,其中,每對(duì)包絡(luò)信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的純調(diào)頻信號(hào)構(gòu)成一個(gè)生產(chǎn)函數(shù)pf分量信號(hào)。
進(jìn)一步地,還包括:采用有理樣條插值函數(shù)構(gòu)建極值點(diǎn)間局部包絡(luò)曲線,通過調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)曲線形狀的適時(shí)改變,以極值對(duì)稱點(diǎn)為依據(jù)的進(jìn)行包絡(luò)優(yōu)化;對(duì)于端點(diǎn)效應(yīng)現(xiàn)象采用自適應(yīng)波形延拓方法進(jìn)行抑制。
進(jìn)一步地,在局部均值之前還包括:定義正交性準(zhǔn)則oc(orthogonalitycriterion)計(jì)算方法,將相鄰兩次迭代計(jì)算得到的oc差值作為迭代運(yùn)算過程終止判斷條件。
進(jìn)一步地,采用演算的方法進(jìn)行參數(shù)提取得到所述瞬時(shí)頻率、所述瞬時(shí)幅值和所述阻尼。
進(jìn)一步地,還包括:根據(jù)振蕩模態(tài)瞬時(shí)頻率大小判定振蕩模式屬于區(qū)間振蕩或者本地振蕩,并劃分各個(gè)振蕩模式的參與機(jī)組;根據(jù)阻尼大小對(duì)該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性進(jìn)行一定的評(píng)價(jià),獲取所述預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)互聯(lián)電網(wǎng)的低頻振蕩特征信息。
進(jìn)一步地,還包括:在區(qū)間振蕩模式時(shí),所述振蕩信號(hào)矩陣為頻率信號(hào),將所述頻率信號(hào)利用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波;將濾波后的信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解得出的振蕩模態(tài)分量。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法,相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言,具有以下有益效果:
(1)采用信號(hào)分析方法進(jìn)行電力系統(tǒng)低頻振蕩的分析,更加充分有效利用廣域信息的時(shí)效性與準(zhǔn)確性,并且較之傳統(tǒng)的理論分析方法更加直觀、便捷,模型對(duì)于低頻振蕩信號(hào)的辨識(shí)具有自適應(yīng)性。
(2)在局部均值分解方法的改進(jìn)中,提出采用自適應(yīng)波形延拓方法有效處理信號(hào)左右兩端在分解過程中的端點(diǎn)效應(yīng),引入基于有理樣條插值函數(shù)的包絡(luò)函數(shù)獲取方法提高了局部包絡(luò)的準(zhǔn)確性,oc準(zhǔn)則的采用較之經(jīng)典終止條件具有更快的收斂速度。
(3)根據(jù)振蕩信號(hào)分解的結(jié)果,利用演算的方法可直接獲得振蕩模態(tài)的瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值、阻尼等信息,指導(dǎo)相關(guān)穩(wěn)定控制措施的進(jìn)行,并且可依照需要添加帶通濾波器直接獲取區(qū)間振蕩信號(hào)。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出,部分將從下面的描述中變得明顯,或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
附圖說明
本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例,所述實(shí)施例的示例在附圖中示出,其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的,僅用于解釋本發(fā)明,而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
參照下面的描述和附圖,將清楚本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中,具體公開了本發(fā)明的實(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式,來表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的原理的一些方式,但是應(yīng)當(dāng)理解,本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反,本發(fā)明的實(shí)施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法的流程圖。如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例的基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法,包括以下步驟:
s1:根據(jù)互聯(lián)電力系統(tǒng)故障下低頻振蕩狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)預(yù)設(shè)區(qū)域中各類數(shù)據(jù)信號(hào)按照時(shí)間點(diǎn)排序進(jìn)行整合,構(gòu)成振蕩信號(hào)矩陣,采集信號(hào)的時(shí)間窗長(zhǎng)度為矩陣行數(shù),取預(yù)設(shè)區(qū)域中最低頻率模式的兩個(gè)周期,矩陣列數(shù)為測(cè)量振蕩信號(hào)種類的數(shù)量;
s2:對(duì)信號(hào)矩陣每一列信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解得到振蕩模態(tài)分量及剩余趨勢(shì)分量;
s3:根據(jù)振蕩模態(tài)分量計(jì)算每個(gè)振蕩模態(tài)分量的相關(guān)參數(shù),相關(guān)參數(shù)包括瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值和阻尼。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,對(duì)信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解的步驟包括:通過多次的迭代與分離產(chǎn)生多個(gè)局部包絡(luò)函數(shù)和局部均值函數(shù);根據(jù)多個(gè)局部包絡(luò)函數(shù)和局部均值函數(shù)得到多對(duì)包絡(luò)信號(hào)與純調(diào)頻信號(hào)的組合,其中,每對(duì)包絡(luò)信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的純調(diào)頻信號(hào)構(gòu)成一個(gè)生產(chǎn)函數(shù)pf分量信號(hào)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,還包括:采用有理樣條插值函數(shù)構(gòu)建極值點(diǎn)間局部包絡(luò)曲線,通過調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)曲線形狀的適時(shí)改變,以極值對(duì)稱點(diǎn)為依據(jù)的進(jìn)行包絡(luò)優(yōu)化;對(duì)于端點(diǎn)效應(yīng)現(xiàn)象采用自適應(yīng)波形延拓方法進(jìn)行抑制。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,在局部均值之前還包括:定義正交性準(zhǔn)則oc(orthogonalitycriterion)計(jì)算方法,將相鄰兩次迭代計(jì)算得到的oc差值作為迭代運(yùn)算過程終止判斷條件。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,采用演算的方法進(jìn)行參數(shù)提取得到瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值和阻尼。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,還包括:根據(jù)振蕩模態(tài)瞬時(shí)頻率大小判定振蕩模式屬于區(qū)間振蕩或者本地振蕩,并劃分各個(gè)振蕩模式的參與機(jī)組;根據(jù)阻尼大小對(duì)該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性進(jìn)行一定的評(píng)價(jià),獲取預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)互聯(lián)電網(wǎng)的低頻振蕩特征信息。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,還包括:在區(qū)間振蕩模式時(shí),振蕩信號(hào)矩陣為頻率信號(hào),將頻率信號(hào)利用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波;將濾波后的信號(hào)進(jìn)行l(wèi)md分解得出的振蕩模態(tài)分量。
為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步理解本申請(qǐng),將通過以下實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
所有機(jī)組的功角振蕩信號(hào)矩陣,該矩陣行數(shù)為時(shí)間窗長(zhǎng)度,采集信號(hào)的時(shí)間窗長(zhǎng)度取為己知信息中最低頻率模式的兩個(gè)周期,矩陣列數(shù)為測(cè)量信號(hào)的數(shù)量,即機(jī)組數(shù);對(duì)于該低頻振蕩中信號(hào)矩陣每一列即每一種振蕩信號(hào)進(jìn)行以下處理。
首先針對(duì)lmd分解中可能出現(xiàn)的端點(diǎn)效應(yīng)問題,在分解開始前首先對(duì)于原始信號(hào)x0(t)的左右兩端進(jìn)行自適應(yīng)波形延拓,以左端延拓為例,過程如下:
設(shè)原始信號(hào)x0(t)中,m0i、n0i分別為其極大值和極小值,分別對(duì)應(yīng)時(shí)間為
(1)計(jì)算除去x0(1)所在第一個(gè)三角波形的其他所有三角波形的端點(diǎn)值x0(i),該端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)可表示為:
若求出的
(2)計(jì)算所有三角波形與特征波形匹配的“距離”:
d0(i)=|m0i-m01|+|n0i-n01|+|x0(i)-x0(1)|(2)
(3)搜尋出最小的距離值mind0(i),設(shè)定閾值ε,當(dāng)滿足mind0(i)<ε時(shí),取該距離對(duì)應(yīng)的三角波為最佳匹配波形,將此三角波前的部分延拓到原始信號(hào)x0(1)前面,即可完成波形左側(cè)的延拓。閾值ε值的大小可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,取值越小說明原信號(hào)波形具有越強(qiáng)的規(guī)律性,反之則意味著遠(yuǎn)信號(hào)內(nèi)在規(guī)律性差,或者可能是邊界數(shù)據(jù)存在較大異常。
按照同樣的方法對(duì)于信號(hào)右側(cè)波形進(jìn)行延拓,即完成整個(gè)原始波形x0(t)的自適應(yīng)波形延拓。
基于完成上述自適應(yīng)波形延拓的信號(hào)x(t),本發(fā)明中l(wèi)md分解具體步驟如下:
(1)分別擬合出信號(hào)x(t)的局部極小值點(diǎn)和局部極大值點(diǎn),得到上下包絡(luò)線,分別記為bu(t)和bl(t)。
其中,信號(hào)x(t)的所有極值點(diǎn)ni,找出每個(gè)相鄰局部極值點(diǎn)ni和ni+1的平均值:
找出每個(gè)相鄰局部極值點(diǎn)ni和ni+1差值的一半作為局部幅值:
(2)基于步驟(1)、有理樣條插值函數(shù)計(jì)算上下包絡(luò)線的平均值作為局部均值函數(shù),可表示為:
計(jì)算上下包絡(luò)線差的絕對(duì)值的一半作為原方法中的包絡(luò)估計(jì)函數(shù),可表示為:
(3)將信號(hào)x(t)的局部均值函數(shù)m11(t)從x(t)中分離,可得到h11(t):
h11(t)=x(t)-m11(t)(7)
(4)再利用h11(t)除以包絡(luò)估計(jì)函數(shù)a11(t),從而對(duì)h11(t)進(jìn)行解調(diào),可得s11(t):
(5)對(duì)于s11(t)重復(fù)上述步驟(1)及步驟(2),便可得s11(t)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù)a12(t)。運(yùn)用oc正交性準(zhǔn)則作為迭代運(yùn)算的終止判斷條件,以期達(dá)到獲取的s1p(t)為純調(diào)頻信號(hào),不滿足該條件時(shí),則需重復(fù)上述步驟進(jìn)行重復(fù)迭代計(jì)算p次。oc準(zhǔn)則定義為:
在此迭代過程中,mij(t)表示的是局部均指分解中在求解第i個(gè)pf分量時(shí)計(jì)算的第j次局部均值函數(shù)。隨著迭代次數(shù)的不斷增加,mij(t)的值趨近于0,隨之oc的值不斷趨近于1,當(dāng)oc達(dá)到最小值時(shí),迭代次數(shù)增加帶來的將是oc值的增加或振動(dòng)變化。因此,將oc達(dá)到最小值時(shí)的分解次數(shù)記為最佳迭代次數(shù),同時(shí)定義相鄰兩次迭代得到的oc的差值oce是否小于0作為迭代運(yùn)算過程終止判斷條件。
oce=ocj-ocj1(10)
(6)將迭代過程中得到的所有局部包絡(luò)函數(shù)相乘即可得到對(duì)應(yīng)純調(diào)頻信號(hào)s1p(t)的包絡(luò)信號(hào):
a1(t)=a11(t)a12(t)…a1p(t)(11)
包絡(luò)信號(hào)a1(t)代表的就是其瞬時(shí)幅值,瞬時(shí)頻率f1(t)可以通過純調(diào)頻信號(hào)s1p(t)獲得,即:
(7)信號(hào)x(t)的分解過程中,由包絡(luò)信號(hào)a1(t)與其對(duì)應(yīng)的純調(diào)頻信號(hào)s1p(t)構(gòu)成第一個(gè)生產(chǎn)函數(shù)pf分量信號(hào):
pf1(t)=a1(t)s1p(t)(13)
從信號(hào)x(t)中將第一個(gè)pf分量分離,可得到一個(gè)新信號(hào)μ1(t),將此新信號(hào)作為待分解信號(hào)重復(fù)上述分解方法,得出多個(gè)pf分量和剩余信號(hào)μk(t),直到終止條件μk(t)為常數(shù)或單調(diào)函數(shù)為止,若μk(t)能量很小也可終止分解,至此完成整個(gè)分解過程。
最終,信號(hào)x(t)分解結(jié)果可表示為下式:
其中,r為實(shí)施分解的次數(shù),它是由信號(hào)x(t)特征所決定的。
接下來,利用演算的方法計(jì)算對(duì)于各個(gè)pf分量進(jìn)行瞬時(shí)參數(shù)的提取,假設(shè)其單一離散低頻振蕩信號(hào)x(k)可表示為:
x(k)=xe-αkδtcos(2πfkδt+φ)(15)
上式(15)中,x為信號(hào)初始幅值,α為信號(hào)衰減因子(阻尼),k為離散信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù),f為信號(hào)頻率,δt為采樣間隔,φ為初始相位;下面根據(jù)歐拉公式展開信號(hào)x(k),如下:
令a=ej2πfkδt,b=e-αδt,
x(k)=abkak+a*bka-k(17)
其中,a*是a的共軛函數(shù)。當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)度大于4且滿足單一的離散低頻振蕩信號(hào)x(k)的表達(dá)式時(shí),由式(17)、(18)、(19)可分別計(jì)算出瞬時(shí)頻率f、瞬時(shí)幅值h和阻尼α:
h=xe-αkδt=2|a|e-αkδt
根據(jù)振蕩頻率大小機(jī)組間振蕩或者區(qū)域振蕩,根據(jù)頻率值的大小同時(shí)可以判斷出處于同一區(qū)域振蕩模式的機(jī)群。同時(shí)可以通過帶通濾波器的作用,濾除一定頻率范圍的振蕩信號(hào),提取出區(qū)間振蕩模式或者機(jī)組間振蕩模式。
結(jié)合振蕩幅值的大小和頻率特征可以近似判斷出系統(tǒng)的主導(dǎo)振蕩模態(tài),阻尼α大小作為低頻振蕩控制的重要指征。
另外,本發(fā)明實(shí)施例的基于廣域信息的lmd互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩分析方法的其它構(gòu)成以及作用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的,為了減少冗余,不做贅述。
在本說明書的描述中,參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中,對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且,描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。