專利名稱：電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與控制技術(shù)，特別涉及基于廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)平臺(tái) 的大型電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)控技術(shù)。
背景技術(shù)：
電力網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)引發(fā)的低頻振蕩問題，嚴(yán)重威脅到互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定 運(yùn)行，并極大地制約了電網(wǎng)的傳輸能力。隨著電力網(wǎng)絡(luò)(簡稱為電網(wǎng))規(guī)模的逐步擴(kuò)大，需 要獲得廣域同步信息才能分析和控制電網(wǎng)的振蕩特性。因此，電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩的實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)和分析顯得尤為重要。廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS，Wide Area Measurement System)的迅速發(fā) 展和廣泛應(yīng)用，為電網(wǎng)運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測(cè)提供了平臺(tái)。目前，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩的分析 大都是離線分析，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。電力網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)分析由傳 統(tǒng)“離線”仿真向“在線”實(shí)時(shí)分析控制方向發(fā)展。隨著長距離輸電和互聯(lián)電網(wǎng)的增多，電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩現(xiàn)象日益突出，對(duì)其進(jìn)行 監(jiān)測(cè)分析已成為電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定研究的重要課題。WAMS系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，以滿足電力網(wǎng)絡(luò) 安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要為目標(biāo)。深化WAMS系統(tǒng)主站分析應(yīng)用的功能，能提高WAMS系統(tǒng)實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)水平和安全監(jiān)控能力。WAMS系統(tǒng)發(fā)展的下一個(gè)階段是逐步構(gòu)建具有系統(tǒng)分析和穩(wěn)定控 制功能的綜合系統(tǒng)。因此，低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)成為WAMS系統(tǒng)中心站開發(fā)的重要 組成部分和核心，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)低頻振蕩過程的實(shí)時(shí)記錄、動(dòng)態(tài)監(jiān)視、在線或離線分析， 從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提高調(diào)度可靠性水平，為電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前，對(duì)低頻振蕩的分析，大部分還是離線的。低頻振蕩的離線分析難以適應(yīng)實(shí)際 系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。自20世紀(jì)90年代以來，很多電力工程師都致力于將低頻振蕩穩(wěn)定 分析的研究成果應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控中來。低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是通過實(shí)時(shí)接收 振蕩數(shù)據(jù)，通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，來分析信號(hào)的振蕩頻率、幅值等模式參數(shù)，并計(jì)算系統(tǒng)的主 導(dǎo)振蕩模式的表現(xiàn)形式和振源，為低頻振蕩控制提供信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能離線分 析的局限性，結(jié)合各種實(shí)時(shí)分析算法的優(yōu)點(diǎn)，提供一種動(dòng)力系統(tǒng)低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以 實(shí)現(xiàn)低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)和分析。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括 系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)庫模塊；所述系統(tǒng)管理模塊，包括系統(tǒng)管理和權(quán)限管理；用于安全保護(hù)、用戶權(quán)限管理和檢 驗(yàn)各種操作的合法性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)其它模塊的相關(guān)資源進(jìn)行調(diào)度和配置；所述數(shù)據(jù)通信模塊，包括UDP數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)解析模塊；通過以太網(wǎng)連接廣 域測(cè)量系統(tǒng)中的PMU進(jìn)行通信，接收PMU發(fā)送的UDP報(bào)文；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊，用于電力網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、記錄，包括電壓監(jiān)視、電流監(jiān)視、功角監(jiān)視、功率監(jiān)視；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊在實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)還同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù) 據(jù)通信，把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的寫入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以通過訪問數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽；所述數(shù)據(jù)分析模塊，包括實(shí)時(shí)擾動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)、 低頻振蕩離線分析；用于對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)擾動(dòng)分析、電網(wǎng)低頻振蕩告警；所述數(shù)據(jù)分析 模塊通過改進(jìn)的Prony分析算法和基于HHT的低頻振蕩分析算法，直接同時(shí)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率 數(shù)據(jù)或者發(fā)電機(jī)功角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析系統(tǒng)是否發(fā)生了低頻振蕩以及有些什么振蕩模 式，并判斷主導(dǎo)振蕩模式以及振蕩模式的類型；改進(jìn)的Prony分析算法用于分辨振蕩模式， 基于HHT的低頻振蕩分析算法用于解析振蕩模式的瞬時(shí)振蕩頻率；所述數(shù)據(jù)庫模塊，包括用戶管理數(shù)據(jù)庫、母線數(shù)據(jù)庫、支路數(shù)據(jù)庫、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)庫、 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；所述數(shù)據(jù)通信模塊與實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊通過GUI繪制線程與接收數(shù)據(jù)線程共用同一 個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的方法，來共享并保存最新的數(shù)據(jù)。所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊用于直觀地顯示電力網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行狀況，其顯示類型包括折線 圖、XY散點(diǎn)圖、圓形相角圖以及表格；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊和分析數(shù) 據(jù)結(jié)果顯示模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，所述聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù) 包括聯(lián)絡(luò)線有功功率和聯(lián)絡(luò)線無功功率，所述發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)包括發(fā)電機(jī)電壓、電流、功角、有 功功率和無功功率；所述分析數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模塊用于顯示低頻振蕩模式識(shí)別數(shù)據(jù)、擬合數(shù) 據(jù)曲線圖、頻譜圖、相譜圖和特征根圖。所述改進(jìn)的Prony分析算法步驟如下1)數(shù)據(jù)預(yù)處理；2)生成樣本矩陣；3)系統(tǒng)階數(shù)估計(jì)；4)優(yōu)化線性參數(shù)；5)計(jì)算留數(shù)；6)主振蕩模式識(shí)別；7)輸出辨識(shí)結(jié)果、時(shí)域擬合精度AOF ；8)輸出時(shí)域、頻域響應(yīng)和極點(diǎn)分布。所述基于HHT的低頻振蕩分析算法步驟如下1)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)截?cái)?、選??；2)根據(jù)EMD分解原理對(duì)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解；3)對(duì)EMD分解成功后的多種模態(tài)IMF分量做Hilbert變換求得其瞬時(shí)頻率曲線。本發(fā)明的有益效果是，基于廣域測(cè)量系統(tǒng)對(duì)低頻振蕩的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電力網(wǎng)絡(luò)中 低頻振蕩數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)顯示和穩(wěn)定分析等功能。一方面，實(shí)現(xiàn)了接收PMU裝置傳送 來的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并解析動(dòng)態(tài)相角信息，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)低頻振蕩數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，以及電 網(wǎng)擾動(dòng)分析和電網(wǎng)低頻振蕩告警等功能；另一方面，本發(fā)明軟件系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)振蕩 源的搜尋功能，為實(shí)現(xiàn)低頻振蕩的控制措施提供了依據(jù)。


圖1是本發(fā)明的軟件功能圖2是軟件的流程圖；圖3是實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊結(jié)構(gòu)圖；圖4是改進(jìn)的Prony分析算法流程圖；圖5基于HHT的低頻振蕩分析算法流程圖；圖6是求取IMF的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。在以下的描述中，已知功能和設(shè)計(jì)的 詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主題內(nèi)容，這些描述在此將被忽略。本發(fā)明的電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于已有WAMS系統(tǒng)之上的軟件功能模 塊，起到擴(kuò)展WAMS系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用的功能。本發(fā)明的軟件功能模塊屬于WAMS系統(tǒng)的組成部 分之一，安裝于WAMS系統(tǒng)的主站上，可充分利用WAMS主站的通信網(wǎng)絡(luò)接收全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析。根據(jù)PMU的三大特色①提供同步的實(shí)時(shí)相角信息；②每秒50幀的速率向WAMS系統(tǒng)主 站傳送數(shù)據(jù)；③每個(gè)數(shù)據(jù)都打上GPS (Global Position System，全球定位系統(tǒng))同步的時(shí) 標(biāo)，能獲取同一時(shí)間斷面上的數(shù)據(jù)。本發(fā)明利用這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān) 測(cè)、記錄，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)辨識(shí)電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)擾動(dòng)分析和低頻振蕩告警等功能，以此提 高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，為全局化分析和控制提供信息和依據(jù)。首先，WAMS系統(tǒng)中的PMU通過 GPS同步采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主站程序，主站程序通過數(shù)據(jù)接口(數(shù)據(jù)通信模塊)實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)根據(jù)需要送到在線監(jiān)視模塊、在線分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過處 理后保存到數(shù)據(jù)庫模塊中供其他模塊訪問，同時(shí)系統(tǒng)管理模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)資源進(jìn)行調(diào)度， 并分配權(quán)限，并根據(jù)用戶的需要來實(shí)施操作數(shù)據(jù)的各種功能。參見圖1，本發(fā)明的功能模塊設(shè)計(jì)包括以下五個(gè)部分(1)系統(tǒng)管理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全保護(hù)、用戶的權(quán)限管理和檢驗(yàn)各 種操作的合法性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)其它模塊的相關(guān)資源進(jìn)行調(diào)度、配置。(2)數(shù)據(jù)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與各個(gè)安裝于子站的PMU進(jìn)行通信。通過以太網(wǎng)和PMU 進(jìn)行通信，接收PMU發(fā)送過來的UDP報(bào)文，解析并將PMU的基本信息及每次通信過程中的基 本信息顯示于界面上。數(shù)據(jù)通信模塊與PMU的通信符合IEEE C37. 118協(xié)議。數(shù)據(jù)通信模 塊與實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊通過采用⑶I繪制線程(界面主線程)與接收數(shù)據(jù)線程(工作者線程) 共用同一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的方法，來共享并保存最新的數(shù)據(jù)。(3)實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊包括電壓監(jiān)視、電流監(jiān)視、功角監(jiān)視、功率監(jiān)視四個(gè)子模塊，主要 實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、記錄。實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊將以下數(shù)據(jù)以圖表等形式實(shí)時(shí)地顯 示于界面上，包括解析過的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，電力網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算出的聯(lián)絡(luò)線有功功率、無功功率， 發(fā)電機(jī)的電壓、電流、發(fā)電機(jī)功角、發(fā)電機(jī)有功功率P、無功功率Q等數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊在 實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)還同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的寫入數(shù)據(jù)庫，同時(shí) 可以通過訪問數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽。(4)數(shù)據(jù)分析模塊是本發(fā)明的核心模塊，包括實(shí)時(shí)擾動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)、低頻振蕩離線分析功能。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)擾動(dòng)分析、電網(wǎng)低 頻振蕩告警以及振蕩源搜尋等功能。實(shí)時(shí)擾動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、低頻振蕩在線監(jiān)測(cè) 這三個(gè)子模塊屬于低頻振蕩實(shí)時(shí)分析，同低頻振蕩離線分析子模塊一樣，包括了低頻振蕩核心算法的實(shí)現(xiàn)過程。在線分析模塊利用算法分段分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將原本只能離線分析 的方法應(yīng)用到實(shí)時(shí)在線分析中來，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)擾動(dòng)識(shí)別、狀態(tài)估計(jì)以及在線監(jiān)測(cè)功能 ’離線 數(shù)據(jù)分析模塊調(diào)用核心算法對(duì)任意時(shí)段的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析提供了一 個(gè)接口，從而達(dá)到擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍的效果。低頻振蕩核心算法的分析結(jié)果在電網(wǎng)三維接 線圖上以柱狀圖的方式動(dòng)態(tài)展示，直觀顯示電網(wǎng)中振源的位置。(5)數(shù)據(jù)庫模塊包括用戶管理數(shù)據(jù)庫、母線數(shù)據(jù)庫、支路數(shù)據(jù)庫、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)庫和 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫五個(gè)子模塊，主要實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似MIS (Management Information System)系統(tǒng) 的功能。該模塊將電力網(wǎng)絡(luò)模型的各類元件參數(shù)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，一般分為三類一類 是系統(tǒng)管理的用戶數(shù)據(jù)；一類是各子站中電力計(jì)算相關(guān)的各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，如發(fā)電廠、變電 站的現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)，線路參數(shù)、變壓器參數(shù)、子站結(jié)構(gòu)等，這些數(shù)據(jù)主要用于潮流計(jì)算；還有 一類則是事件記錄數(shù)據(jù)，如PMU設(shè)備發(fā)送過來現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及經(jīng)過算法分析過后的振蕩數(shù) 據(jù)等。每類數(shù)據(jù)的作用和要求不同，采用存儲(chǔ)的方式也不同，本發(fā)明采用Access+My SQL來 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。其中前兩類數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)負(fù)載不大，選擇Access數(shù)據(jù)庫，即方便又實(shí) 用且直觀；事件記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)由于數(shù)據(jù)量大而且需要密集操作，本本發(fā)明采用開源數(shù)據(jù) 庫My SQL來實(shí)現(xiàn)。圖2是本發(fā)明的軟件的流程圖，用戶首先通過登錄、身份驗(yàn)證成功之后，才可以獲 得相應(yīng)身份的權(quán)限對(duì)軟件進(jìn)行操作，軟件操作分為實(shí)時(shí)和離線兩大類，實(shí)時(shí)通信成功建立 后，對(duì)PMU發(fā)送過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提供給用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作，包括電網(wǎng)信息的實(shí) 時(shí)監(jiān)視，低頻振蕩的在線振蕩分析兩個(gè)功能；實(shí)時(shí)監(jiān)視可以提供系統(tǒng)GUI方面的需求，在線 振蕩通過兩種方法進(jìn)行分析，分別是改進(jìn)的Prony算法以及基于HHT的低頻振蕩分析算法。 離線功能不需要同PMU進(jìn)行通信，可直接訪問數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，離線分析也通 過兩種方法進(jìn)行，分別是改進(jìn)的Prony算法以及基于HHT的低頻振蕩分析算法。兩大類操 作分析出來的數(shù)據(jù)都會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫中。圖3是本發(fā)明的實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)顯示的圖形化，同時(shí)也要滿足顯示的實(shí)時(shí)性要求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性顯示要求數(shù)據(jù)的接 收、處理和圖形化顯示保持一致性，但監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)是由PMU以每秒50幀的速度發(fā)送過來 的，數(shù)據(jù)量較大，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示帶來了一定的困難。本發(fā)明在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)上與數(shù) 據(jù)通信模塊相結(jié)合，GUI繪制界面主線程與接收數(shù)據(jù)線程采取共用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的方 法，來保存最新的數(shù)據(jù)。當(dāng)軟件接收到PMU裝置發(fā)送數(shù)據(jù)過來的數(shù)據(jù)時(shí)，即對(duì)數(shù)據(jù)鏈表進(jìn)行 更新，同時(shí)在圖形界面上也會(huì)被及時(shí)更新。圖4是本發(fā)明改進(jìn)的Prony算法的實(shí)現(xiàn)流程圖，該圖是根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及改 進(jìn)Prony算法在線應(yīng)用的特點(diǎn)構(gòu)建的在線低頻振蕩分析算法流程圖，也是本發(fā)明主要的在 線低頻振蕩分析監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的框架。數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，是由于在線監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè)到的實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)具有不穩(wěn)定的特征一方面，電力網(wǎng)絡(luò)在大擾動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)非平穩(wěn)信號(hào)，為了 提高監(jiān)測(cè)算法的精度，需要在去除這些強(qiáng)非平穩(wěn)信號(hào)后，再進(jìn)行Prony分析；另一方面，在 工程實(shí)際應(yīng)用中，WAMS系統(tǒng)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失和高頻噪聲現(xiàn)象，這些因素都會(huì)影響辨識(shí) 結(jié)果的精度。而傳統(tǒng)的Prony分析算法容易受到擾動(dòng)信號(hào)的干擾。為了進(jìn)一步提高辨識(shí)精 度，改進(jìn)的Prony算法的實(shí)現(xiàn)添加了數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。合適的階數(shù)對(duì)于Prony分析結(jié)果準(zhǔn)確性影響很大，同時(shí)也影響矩陣運(yùn)算的可靠性和速度。在構(gòu)造樣本矩陣的時(shí)候，模型初始階數(shù)一般選擇為采樣點(diǎn)數(shù)的一半，即N/2。但是 實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)通常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的實(shí)際階數(shù)，過高階數(shù)的矩陣運(yùn)算對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量要 求很大，同時(shí)計(jì)算速度必然減慢，影響實(shí)時(shí)性效果，而且容易造成矩陣運(yùn)算過程中數(shù)據(jù)可靠 性問題，甚至造成Prony算法無法進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明采用的階數(shù)估計(jì)基于奇異值分解(SVD) 方法，該方法能夠簡化分析過程，能區(qū)分開信號(hào)空間和噪聲空間。圖5是發(fā)明的基于HHT的低頻振蕩分析算法的實(shí)現(xiàn)流程圖，首先對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行 EMD分解，進(jìn)行包絡(luò)擬合和端點(diǎn)延拓，完成后檢查是否滿足能量5%的收斂條件，如果滿足 則對(duì)多個(gè)IMF分量進(jìn)行排序，然后利用Hilbert圖譜，對(duì)低頻振蕩進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，最后是顯 示辨識(shí)結(jié)果。圖6是求取IMF的流程圖，在此過程中，要不斷用EMD方法對(duì)原信號(hào)進(jìn)行“篩”選。 直到滿足IMF條件，此分量才可以用作IMF分量，然后繼續(xù)進(jìn)行EMD分解，直到滿足終止條 件，此時(shí)分解出的IMF分量即為多種模態(tài)，其中存在主導(dǎo)模態(tài)。本發(fā)明的最終終止條件是殘 余分量的能量小于等于原信號(hào)的5%。HHT算法是一種新的時(shí)頻分析方法，能夠有效測(cè)出瞬時(shí)頻率、準(zhǔn)確判斷頻率發(fā)生的 時(shí)間。該算法應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩分析，主要研究包絡(luò)線的擬合(主要是端點(diǎn)效應(yīng)問 題)，非嚴(yán)格軸對(duì)稱信號(hào)的處理，終止條件的選擇，采樣頻率選擇(解決頻率分辨力問題)， 提高精度，減低算法復(fù)雜度提高實(shí)時(shí)性。傳統(tǒng)低頻振蕩分析方法，例如傅立葉和Prony分析方法，是以假設(shè)信號(hào)平穩(wěn)為基 礎(chǔ)，對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)實(shí)際上是以近似平穩(wěn)的方式進(jìn)行處理，這就從本質(zhì)上決定了它們不能 很好的解決非平穩(wěn)問題?；贓MD的HHT時(shí)頻分析方法是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)處理方法，無需假設(shè)條件，克服 了傳統(tǒng)方法的局限性，其對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析效果往往高于傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換、 小波變換等目前得到廣泛應(yīng)用的信號(hào)分析方法。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下EMD分解過程EMD方法認(rèn)為，任何復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)信號(hào)都能夠分解成一組數(shù)目有限(通常 數(shù)目較少)的IMF分量和一個(gè)殘余分量，而每個(gè)固有模態(tài)函數(shù)基于信號(hào)的不同特征時(shí)間尺 度，表示原始信號(hào)的一個(gè)固有振動(dòng)模態(tài)，它們很好地體現(xiàn)了非平穩(wěn)信號(hào)的局部特性。并且隨 著信號(hào)的變化所得到的IMF分量和殘余分量也發(fā)生相應(yīng)地變化，因此EMD實(shí)質(zhì)上是基于信 號(hào)特征時(shí)間尺度的高效的、自適應(yīng)的信號(hào)分解方法。EMD方法的具體“篩”的過程如下首先獲得信號(hào)數(shù)據(jù)x(t)的所有極值點(diǎn)，將所有的局部最大值用三次樣條插值函 數(shù)形成數(shù)據(jù)的上包絡(luò)，同理，將所有的局部最小值用三次樣條插值函數(shù)形成數(shù)據(jù)的下包絡(luò)， 上下包絡(luò)應(yīng)覆蓋所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其均值記作m(t)，從原數(shù)據(jù)序列中減去m(t)得到第一個(gè) IMF分量。IMF被定義為滿足以下兩個(gè)條件的函數(shù)(1)在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)，其極值點(diǎn)數(shù)目和 過零點(diǎn)數(shù)目必須相等或至多相差一個(gè)；(2)對(duì)信號(hào)上的任意一點(diǎn)，由信號(hào)的局部極大值點(diǎn) 定義的上包絡(luò)線和信號(hào)的局部極小值點(diǎn)定義的下包絡(luò)線的平均值為零，即上包絡(luò)線和下包 絡(luò)線相對(duì)于時(shí)間軸局部對(duì)稱。上述的兩個(gè)條件又被稱為IMF的本征條件第一個(gè)條件類似于 高斯正態(tài)分布平穩(wěn)過程的傳統(tǒng)窄帶要求，而第二個(gè)條件是為了保證由固有模態(tài)函數(shù)得到的瞬時(shí)頻率有物理意義。EMD方法分解任意一個(gè)時(shí)間信號(hào)x(t)的過程主要包括提取信號(hào)的極值點(diǎn)、擬合 信號(hào)的包絡(luò)、求信號(hào)的均值包絡(luò)和設(shè)定分解終止條件等。采用EMD方法分解該信號(hào)x(t)的 具體步驟如下(1)提取原始信號(hào)x(t)的所有極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)；(2)利用三次樣條函數(shù)分別基于所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)擬合信號(hào)x(t)的上 包絡(luò)和下包絡(luò)，并用它們?nèi)ソ频乇硎拘盘?hào)X(t)的真實(shí)的上包絡(luò)和下包絡(luò)；(3)求上包絡(luò)和下包絡(luò)的均值包絡(luò)ml，并近似地表示信號(hào)x(t)真實(shí)的均值包絡(luò)曲 線.
一入 ，(4)用信號(hào)x(t)減去均值包絡(luò)ml得到新的信號(hào)hl，即χ (t) -Hi1 = hi步驟⑴至步驟(4)的整個(gè)過程也稱為“篩”(sifting)過程。原始信號(hào)x(t)通 過一次“篩”過程后變成了 hi。雖然在理論上hi應(yīng)滿足IMF的本征條件，然而在包絡(luò)擬合 過程中可能存在過沖和欠沖，導(dǎo)致信號(hào)hi不是IMF，因此需要把hi當(dāng)作新的原始信號(hào)，重復(fù) 步驟⑴至步驟⑷。假設(shè)重復(fù)k次(其中k彡2)后，得到的hlk是一個(gè)IMF，即Ii1 (H)-Hilk = hlk令cl表示第i個(gè)IMF分量，第1個(gè)MF分量可表述為C1 = hlk稱cl為原始信號(hào)x(t)的第一個(gè)IMF分量，它包含了信號(hào)x(t)最高頻的成分或最 短周期成分。(5)用x(t)減去cl，得到去掉高頻成分的殘余(residue)信號(hào)rl，即X(^)-C1 = T1對(duì)殘余信號(hào)rl重復(fù)步驟(1)至步驟(5)，可以得到信號(hào)x(t)的第二個(gè)IMF分量 c2。如此反復(fù)，依次得到信號(hào)特征時(shí)間尺度逐漸變小的IMF分量，可表示如下rrc2 = r2 rn_rcn = rn當(dāng)?shù)玫降臍堄嘈盘?hào)rn滿足預(yù)先給定的終止準(zhǔn)則(如分解得到的殘余分量rn足夠 小或rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù))，則終止整個(gè)分解過程。終止條件設(shè)置為殘余分量rn的能量小 于或者等于原始信號(hào)x(t)能量的5%，此時(shí)即終止整個(gè)分解過程。EMD的最終結(jié)果可以表 示為
η^it) ^YjC1+rn
i=\其中ci表示第i個(gè)IMF分量，代表了原始信號(hào)x(t)中不同特征時(shí)間尺度的信號(hào)分 量；rn表示殘余分量，反映了原始信號(hào)x(t)的平均趨勢(shì)。EMD方法提取IMF分量的過程類 似于“篩”過程，即基于特征時(shí)間尺度從信號(hào)中依次分離出時(shí)間尺度由小到大的模態(tài)分量。HHT譜分析及參數(shù)辨識(shí)EMD方法基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度，將信號(hào)自適應(yīng)地分解為若干個(gè)IMF分量 之和，使得瞬時(shí)頻率具有了實(shí)際的物理意義，從而可以通過Hilbert變換計(jì)算出每一個(gè)IMF 分量的瞬時(shí)幅值與瞬時(shí)頻率。對(duì)EMD分解后的每個(gè)IMF分量ci (t) (i = 1，2，，η)分別作Hilbert變換
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權(quán)利要求
電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)庫模塊；所述系統(tǒng)管理模塊，包括系統(tǒng)管理和權(quán)限管理；用于安全保護(hù)、用戶權(quán)限管理和檢驗(yàn)各種操作的合法性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)其它模塊的相關(guān)資源進(jìn)行調(diào)度和配置；所述數(shù)據(jù)通信模塊，包括UDP數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)解析模塊；通過以太網(wǎng)連接廣域測(cè)量系統(tǒng)中的PMU進(jìn)行通信，接收PMU發(fā)送的UDP報(bào)文；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊，用于電力網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、記錄，包括電壓監(jiān)視、電流監(jiān)視、功角監(jiān)視、功率監(jiān)視；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊在實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)還同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以通過訪問數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽；所述數(shù)據(jù)分析模塊，包括實(shí)時(shí)擾動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)、低頻振蕩離線分析；用于對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)擾動(dòng)分析、電網(wǎng)低頻振蕩告警；所述數(shù)據(jù)分析模塊通過改進(jìn)的Prony分析算法和基于HHT的低頻振蕩分析算法，直接同時(shí)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率數(shù)據(jù)或者發(fā)電機(jī)功角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析系統(tǒng)是否發(fā)生了低頻振蕩以及有些什么振蕩模式，并判斷主導(dǎo)振蕩模式以及振蕩模式的類型；改進(jìn)的Prony分析算法用于分辨振蕩模式，基于HHT的低頻振蕩分析算法用于解析振蕩模式的瞬時(shí)振蕩頻率；所述數(shù)據(jù)庫模塊，包括用戶管理數(shù)據(jù)庫、母線數(shù)據(jù)庫、支路數(shù)據(jù)庫、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；所述數(shù)據(jù)通信模塊與實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊通過GUI繪制線程與接收數(shù)據(jù)線程共用同一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的方法，來共享并保存最新的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模 塊用于直觀地顯示電力網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行狀況，其顯示類型包括折線圖、XY散點(diǎn)圖、圓形相角圖 以及表格；所述實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊和分析數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 顯示模塊用于顯示聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，所述聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)包括聯(lián)絡(luò)線有功功率和聯(lián)絡(luò) 線無功功率，所述發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)包括發(fā)電機(jī)電壓、電流、功角、有功功率和無功功率；所述分析 數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模塊用于顯示低頻振蕩模式識(shí)別數(shù)據(jù)、擬合數(shù)據(jù)曲線圖、頻譜圖、相譜圖和特 征根圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于， 所述改進(jìn)的Prony分析算法步驟如下1)數(shù)據(jù)預(yù)處理；2)生成樣本矩陣；3)系統(tǒng)階數(shù)估計(jì)；4)優(yōu)化線性參數(shù)；5)計(jì)算留數(shù)；6)主振蕩模式識(shí)別；7)輸出辨識(shí)結(jié)果、時(shí)域擬合精度AOF；8)輸出時(shí)域、頻域響應(yīng)和極點(diǎn)分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于，所述 基于HHT的低頻振蕩分析算法步驟如下1)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)截?cái)唷⑦x?。?)根據(jù)EMD分解原理對(duì)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解；3)對(duì)EMD分解成功后的多種模態(tài)IMF分量做Hilbert變換求得其瞬時(shí)頻率曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)平臺(tái)的大型電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)控技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能離線分析的局限性，結(jié)合各種實(shí)時(shí)分析算法的優(yōu)點(diǎn)，公開了一種電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)和分析。本發(fā)明的電力網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于已有WAMS系統(tǒng)之上的軟件功能模塊，包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電力網(wǎng)絡(luò)中低頻振蕩數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)顯示和穩(wěn)定分析等功能。本發(fā)明主要用于大型電力網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)和分析。
文檔編號(hào)H02J13/00GK101944776SQ20101029517
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者井實(shí), 劉群英, 張昌華, 易建波, 甄威, 胡鳳凱, 陳勇, 黃琦 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)