应用广域测量信息的低频低压解列装置自动化控制技术

高明亮，庄博，牛雪飞，李侔萤

应用广域测量信息的低频低压解列装置自动化控制技术

高明亮1，庄博2，牛雪飞2，李侔萤2

（1. 国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000；
2. 国网冀北电力有限公司，北京 100054）

针对电网广域测量信息含噪量较大、电网互联区域振荡阻尼难以控制的问题，以提升电网供电质量为目的，提出应用广域测量信息的低频低压解列装置自动化控制技术。以广域测量系统（WAMS）为基础，获取电网运行时的广域测量信息，利用小波分解去噪方法去除电网广域测量信息所含噪声后，通过基于Prony的电网低频振荡识别方法识别电网振荡区域与振荡数值；
然后以电网振荡区域与振荡数值为基础，计算振荡中心电压和定位系数，并将其作为输入，设计低频低压解列装置自动化控制流程，实现低频低压解列装置自动化控制。实验结果表明，该方法可有效去除电网广域测量信息内所含噪声，电网互联区域振荡阻尼数值最大误差值仅为0.01，且可有效地控制低频低压解列装置。

广域测量信息；
低频低压；
解列装置；
自动化控制；
振荡识别

由于风能、水能等产生电能的方式不同，其在并网为用户供电时，互联区域会产生低频振荡。为避免电网互联区域出现振荡，使电网出现电压下降、频率缺额情况，在电网内安装低频低压解列装置，利用该装置将电网互联区域低频切除[1-3]，保障电网互联区域功率平衡，使整个电网频率恢复到合理范围。但低频低压解列装置在运行过程中存在一定的时延，且部分低频低压解列装置运行后，电网依然存在轻微低频振荡现象。

为此，相关领域的专家学者均提出了低频低压解列装置控制技术。如刘家军等[4]提出了电网解列并列潮流控制方法，该方法对电网内安装的低频低压解列装置的原理进行了分析，依据低频低压解列装置的作用机理，利用仿真平台构建低频低压解列装置仿真模型后，通过变更电网潮流运行模式实现低频低压解列装置控制。但该方法在应用过程中，其电网潮流运行模式在特定运行环境下无法满足电网供电需求，因此应用效果不佳。郑超等[5]提出了基于广域支路响应解列装置控制方法，通过计算电网电压失稳时电网节点电压幅值与相位分布情况，然后将定量评估指数作为特征参数，以层次聚类方式实现解列装置控制。但该方法在电网受到大扰动时无法对解列装置进行较好的控制。

广域测量是由广域测量系统而来，将全球定位系统（global positioning system，GPS）作为采样基础，同步电网线路电流与电压等运行数值，并计算当前电网频率、发电电势等基础数值的电网运行信息获取手段[6]。广域测量是目前主要的电网控制技术之一，其具备较高的精度和较强的及时性，鉴于低频低压解列装置控制技术的不足，如信息含噪量较大、电网互联区域振荡阻尼难以控制，本文设计应用广域测量信息的低频低压解列装置自动化控制技术，创新性地利用广域测量系统获取电网运行时的广域测量信息，并基于Prony的电网低频振荡识别方法识别电网振荡区域与振荡数值；
计算振荡中心电压的定位误差和振荡中心定位系数，并将其作为输入，设计低频低压解列装置自动化控制流程，实现低频低压解列装置自动化控制，以提升电网运行能力。

1.1 电网广域测量信息获取

广域测量系统（wide area measurement system，WAMS）依据电网在空间上的广域需求，以GPS定位时钟同步技术为基础，获取当前的电网广域测量信息，确保设备内部时钟的一致性，对整个电网的同步相位测量、功角测量、故障定位以及故障录波等进行时间同步。GPS时间与协调世界时（universal time coordinated，UTC）可以同步到纳秒量级，为精密时间和频率数据在全世界的传播提供同步原子钟网络，即GPS的授时服务。GPS同步卫星每秒能够向地球发送一个同步信号，GPS接收器可以提供间隔为1 s的脉冲信号，完全可以满足功角测量的要求。广域测量系统由若干个同步向量测量装置和输电网络构成，其中，同步向量测量装置负责将电网不同互联区域的运行数据发送到用户端。利用广域测量系统获取电网广域测量信息的过程如图1所示。

在广域测量系统内，利用GPS定位信息单元与若干电网互联区域节点相连，负责获取电网互联区域节点的位置参量，再利用电网运行参量采集单元获取电网互联区域节点的电压和电流参量。然后将电网位置参量和电压、电流参量分别输入广域信息测量单元和监控单元。利用广域信息测量单元计算电网当前幅值、相位以及频率等参量，利用监控单元对电网运行参量进行校正。然后利用校正后的电网运行参量构建电网运行实时参量库。调取电网运行实时参量库内的参量后，启动电网低频低压判断依据，若该参量不符合该判断依据，则返回电网运行实时参量库重新调取参量，反之则对该电网运行实时参量进行去噪处理，并使用基于Prony的电网低频振荡识别方法识别电网振荡区域与振荡数值，为后续控制低频低压解列装置提供数据基础。

图1 利用广域测量系统获取电网广域测量信息的过程

在上述过程中，启动电网低频低压判断依据尤为关键[7]，在此以电网发电机功角转换为参考轴数值，将其作为判断依据，其表达式如下：

1.2 基于Prony的电网互联区域低频振荡识别方法

电网互联区域低频振荡识别是控制低压低频解列装置的基础。由于广域测量系统获取的电网互联区域实时参量内存在直流分量和高频分量，其对电网互联区域低频振荡识别精度影响较大[9]，需对电网广域信息参量进行去噪处理。在此使用小波阈值方法去除电网广域信息参量内的噪声，小波阈值方法继承和发展了短时傅里叶变换的局部化思想，同时解决了窗口大小不随频率变化等问题，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具，变换能够充分突出问题某些方面的特征，能对时间（空间）频率进行局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分、低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦信号的任意细节。详细过程如下。

构建存在噪声的电网互联区域广域信息参量数学模型，其表达式如下：

去除所有电网互联区域广域信息参量噪声后，将无噪声的电网互联区域广域信息参量作为输入，利用Prony算法识别当前的电网互联区域低频振荡。Prony算法采用阻尼谐波分解信号和非线性滤波方法，可以直接求取地质体的吸收系数（也称衰减系数），客观地体现地质体的频率特性，且具有良好的时间与空间分辨率，可以在高频域显示地质体的一些新的特性。其实质是对采样数据求拟合表达式，用于曲线插值或外推评估，分析出信号的幅值、相位、阻尼因子、频率等信息，Prony算法在参数识别、电力系统低频振荡分析、电力系统谐波检测等方面均有应用。

利用式（8）即可获取电网广域测量信息内低频振荡的频率、衰减因子、振幅和相位数值，实现电网互联区域低频振荡识别过程。

1.3 低频低压解列装置自动化控制方法

依据式（9），计算电网互联区域振荡中心电压校正数值：

依据式（11）[12-13]，设计低频低压解列装置自动化控制方法，其流程如图2所示。

图2 低频低压解列装置自动化控制方法流程

步骤1 输入电网低频振荡的相位、电压和电流数值，计算振荡中心电压校正数值和振荡中心定位系数。

步骤2 判断该定位系数是否满足电网穿越特性，若不满足，则返回步骤1；
若满足，则执行步骤3。

步骤4 判断低频低压装置是否执行解列动作。若是，则关闭低频低压装置协同决策功能项，若否，则将待解列的低频振荡支路集合输入解列函数。

步骤5 将待解列振荡记录集合与预设解列割集进行匹配，若匹配，则执行步骤6；
若不匹配[14-15]，则执行步骤7。

步骤6 判断解列结果是否符合振荡计数，若是，则控制低频低压解列装置对电网互联区域支路进行解列处理；
否则返回步骤1。

步骤7 分析电网互联区域网络拓扑，若该拓扑不符合割集条件，则返回步骤1，否则控制低频低压解列装置对电网互联区域支路进行解列处理。

经过上述步骤，实现对低频低压解列装置的自动化控制。

以某区域直流交流混联电网为实验对象，该直流交流混联电网由一条主电网和4条支路构成，其交流支路功率为500 kV，主电网送电功率可达4 594 MW，直流侧和交流侧的分布式电源额定发电功率分别为4.5 kW和5.3 kW，蓄电池额定容量为4.5 kW，交流电压为380 V/50 Hz，直流和交流负荷总功率为0～3.7 kW，系统采样频率为3.5 MHz。使用本文方法获取该直流交流混联电网的低频低压解列装置数据并进行自动化控制，同时验证本文方法的实际效用。

2.1 电网广域信息参量去噪测试

以一组直流交流混联电网的广域信息参量为实验对象，使用本文方法去除电网广域信息参量内的噪声，电网广域信息参量去噪测试结果如图3所示。

分析图3可知，含有噪声的电网广域信息参量的幅值随着时间变化具有较多毛刺，其使电网广域信息参量幅值波动较大。而应用本文方法对该电网广域信息参量进行去噪处理后，该电网广域信息参量曲线呈现光滑状态，所有毛刺均被去除，使电网广域信息参量的幅值波动得到了降低。综上所述，本文方法具备较强的去除噪声能力。

图3 电网广域信息参量去噪测试结果

2.2 电网广域测量信息获取及时性测试

将电网广域测量信息的获取时间作为衡量指标，同时设置其阈值不得高于0.5 s，测试当电网广域测量信息条数增加时，本文方法的电网广域测量信息获取时间变化情况。电网广域测量信息获取及时性测试结果如图4所示。

图4 电网广域测量信息获取及时性测试结果

分析图4可知，本文方法的电网广域信息获取时间与电网广域信息条数成正比例关系。在电网广域信息条数小于800时，本文方法的电网广域信息的获取时间上升速度较快。当电网广域信息条数超过800后，本文方法的电网广域信息获取时间上升幅度较小，且均比所设阈值低。上述结果说明，本文方法获取电网广域测量信息用时较短，具备良好的及时性。

2.3 电网互联区域低频振荡识别测试

将电网互联区域振荡阻尼作为实验对象，在不同时间点，使用本文方法识别电网互联区域低频振荡阻尼，并与实际阻尼进行对比。电网互联区域低频振荡识别测试结果见表1。

表1 电网互联区域低频振荡识别测试结果

分析表1可知，本文方法在识别电网互联区域振荡的阻尼时，仅在第9 s时，其识别值与实际值相差0.01，在其余时间点识别的电网互联区域振荡阻尼值均与实际值完全吻合。上述结果说明，本文方法能较为精准地识别电网互联区域低频振荡情况，也从侧面表明本文方法控制低压低频振荡的效果较好。

2.4 低频低压解列装置自动化控制测试

以电网孤岛运行时的不平衡功率为实验指标，使用本文方法控制低频低压解列装置，去除电网低频振荡，测试本文方法对低频低压解列装置进行控制后，该电网运行时的不平衡功率变化情况。低频低压解列装置自动化控制测试结果如图5所示。

图5 低频低压解列装置自动化控制测试结果

分析图5可知，在未应用本文方法控制低频低压解列装置时，该电网在孤岛运行状态的不平衡功率波动区间较大，幅值为-10.6 MW与11.8 MW，且不平衡功率曲线波动较为频繁。应用本文方法对低频低压解列装置进行自动化控制后，该电网在孤岛运行状态的不平衡功率的波动区间明显减小，幅值为-2.6 MW与3.9 MW，且其波动频率也下降了很多。综上，本文方法具备较显著的低频低压解列装置自动化控制能力，应用效果较为优秀。

本文将广域测量信息应用到低频低压解列控制过程中，利用广域测量信息系统获得了电网运行时的广域测量信息，以其为基础提出了低频低压解列自动化控制技术，在电网广域测量信息参量去噪、电网互联区域低频振荡识别以及低频低压解列装置自动化控制方面均具备较为显著的效果，具备良好的应用性。电网时常因设备之间的时间同步达不到要求而发生事故，带来巨大的经济损失。

在低频低压解列装置自动化控制下，不平衡功率曲线波动依旧存在，因此，在未来的研究中，在广域测量信息系统的参量库重新调取参量时，可以引进其他智能算法将其进一步细化，也可以在进行去噪处理时，进一步完善监控单元的智能性。

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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，国网冀北电力有限公司承德供电公司高级工程师，主要研究方向为电力系统继电保护、电网继电保护整定计算等。

庄博（1976-），男，国网冀北电力有限公司高级工程师，主要研究方向为电力系统继电保护、电网监控等。

牛雪飞（1991-），男，国网冀北电力有限公司工程师，主要研究方向为电网继电保护整定计算等。

李侔萤（1987-），女，国网冀北电力有限公司工程师，主要研究方向为电力系统继电保护等。

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