專利名稱：一種電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，更具體地涉及一種電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法。
背景技術：
隨著我國電網(wǎng)交直流互聯(lián)格局逐步形成，HVDC (高壓直流輸電系統(tǒng))、FACTS (柔性交流輸電系統(tǒng))等非線性裝置大量加入電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)次同步振蕩問題日益突出。次同步振蕩屬于系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)，由電力系統(tǒng)中一種特殊的機電耦合作用引起，會導致發(fā)電機軸系扭振不穩(wěn)定甚至軸系損壞，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。準確辨識次同步振蕩各模態(tài)的幅值、頻率和衰減系數(shù)等特征參數(shù)，有助于深入分析電力系統(tǒng)次同步振蕩特性，從而有效抑制振蕩，保障機組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。目前在次同步振蕩產(chǎn)生機理及抑制措施等方面已有相關研究成果，但對次同步振蕩電氣量檢測的研究相對較少。現(xiàn)有的次同步振蕩模態(tài)分析方法主要有基于線性化系統(tǒng)模型的特征值分析法和復轉矩系數(shù)法、時域仿真法等。對于含非線性裝置的電力系統(tǒng)，特征值分析法難以在整個次同步范圍內建立適用的數(shù)學模型；而復轉矩系數(shù)法假定發(fā)電機的電磁轉矩增量是發(fā)電機功率角增量和角速度增量的線性函數(shù)，因此只適用于理想化的線性模型，而現(xiàn)有的大電網(wǎng)系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)；時域仿真法采用非線性數(shù)學模型對電力系統(tǒng)各個部件進行詳細模擬，可充分考慮各種非線性因素，但仿真時間長，計算量大，且難以鑒別各個扭振模式和阻尼特性。隨著廣域測量系統(tǒng)的廣泛應用，基于實測數(shù)據(jù)提取振蕩模態(tài)為振蕩分析提供了新的途徑，此類方法的優(yōu)勢是不受系統(tǒng)階數(shù)的影響，不需要事先了解系統(tǒng)參數(shù)和結構。目前基于實測數(shù)據(jù)的次同步振蕩模態(tài)辨識方法主要有普羅尼(Prony)分析法、希爾伯特-黃變換法(HHT)、小波分析法等。鄭蕤等[1]結合時域仿真法和Prony分析法進行了次同步振蕩模態(tài)特性研究，得出可能引發(fā)系統(tǒng)次同步振蕩的模態(tài)，但Prony辨識擬合結果對噪聲敏感，難以選擇模型階數(shù)。黃甲丁等[2]采用小波濾波和希爾伯特-黃變換能提取出系統(tǒng)次同步諧振各分量的瞬時頻率、瞬時幅值、相位等參數(shù)，但HHT方法對采樣率要求過高。鄧集祥等[3]通過經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)和連續(xù)Morlet小波變換相結合的方法對系統(tǒng)響應曲線進行分析和檢測，能檢測出系統(tǒng)主導低頻振蕩模式，但小波分析法較難區(qū)分相近的頻率成分，難以提取扭振模態(tài)阻尼參數(shù)。另外，現(xiàn)有的一些基于實測數(shù)據(jù)的次同步振蕩模態(tài)辨識方法雖能提取到各模態(tài)參數(shù)，但卻不能根據(jù)各振蕩模式的自身特點自適應地定位擾動時段，振蕩模式的時變特性需要后續(xù)工作提取。因此，現(xiàn)有技術難以有效辨識電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)。文中涉及的參考文獻如下:[I]鄭蕤等.復雜交直流系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識及仿真驗證[J].高電壓技術，2010，36(12):3035-3040.
[2]黃甲丁等.基于HHT的次同步諧振參數(shù)檢測方法[J].吉林電力，2009，37(3):20-23.
[3]鄧集祥等.基于小波能量系數(shù)的主導低頻振蕩模式檢測[J].電工技術學報，2009，24(8):141-146.

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種具有高辨識精度的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:一種電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，包括步驟；步驟1，以次同步振蕩信號的模態(tài)參數(shù)為原子索引構建待辨識的次同步振蕩信號原子庫，并基于次同步振蕩信號原子庫初始化粒子群，初始化次同步振蕩信號分解次數(shù)n=l ；步驟2，采用粒子群算法優(yōu)化的匹配追蹤法對次同步振蕩信號進行原子分解，當粒子群的迭代次數(shù)達到預設的粒子群迭代總次數(shù)時，令n=n+l，然后執(zhí)行步驟3 ；步驟3，判斷次同步振蕩信號分解次數(shù)η是否達到預設的信號分解總次數(shù)，若達至IJ，則當前信號分解得到的粒子群全局最優(yōu)位置對應的原子索引為最佳原子索引，執(zhí)行步驟4 ;若未達到，基于 當前分解后的次同步振蕩信號初始化粒子群后執(zhí)行步驟2 ；步驟4，根據(jù)最佳原子索引獲得次同步振蕩信號的模態(tài)參數(shù)。步驟I中所述的次同步振蕩信號原子庫為阻尼正弦量原子模型，該模型中的原子索引Y = (F，Φ, P，ts, te),其中,F為原子頻率，Φ為相位，P為原子阻尼系數(shù)，ts與te分別為阻尼正弦原子的開始與終止時刻。上述粒子群算法為改進的粒子群算法。步驟2進一步包括以下子步驟:對初始粒子群進行單純形局部搜索，獲取粒子群中各粒子的初始適應度，并基于粒子的初始適應度獲取粒子對應的個體最優(yōu)位置和粒子群的全局最優(yōu)位置，然后進行如下粒子群迭代:2.1基于當前個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置對粒子群進行變異操作，即更新粒子群中各粒子的位置和速度；2.2對變異后的粒子群進行單純形局部搜索，獲取變異后的粒子群中各粒子的適應度、各粒子對應的個體最優(yōu)位置和粒子群的全局最優(yōu)位置；2.3判斷粒子群迭代次數(shù)是否達到預設粒子群迭代總次數(shù)，如果達到，令n=n+l，執(zhí)行步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟2.1 2.2對粒子群繼續(xù)進行迭代搜索。步驟3中所述的預設的信號分解總次數(shù)采用如下方法獲得:對待辨識的次同步振蕩信號進行原子分解，獲取每次分解后的重構信號與原始信號的總體誤差，根據(jù)所得總體誤差是否滿足工程應用確定信號分解次數(shù)，所確定的信號分解次數(shù)即為預設的信號分解總次數(shù)。所述的重構信號與原始信號的總體誤差％(x) = | - )2，其中，ok(x)為第k
N、V H
次信號分解后的重構信號與原始信號的總體誤差；xi和；分別表示第i個采樣點的原始信號數(shù)據(jù)和重構信號數(shù)據(jù)；NS為采樣點個數(shù)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:1、本發(fā)明采用經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化的匹配追蹤算法對次同步振蕩信號進行原子分解，從而實現(xiàn)次同步振蕩信號的模態(tài)辨識。和現(xiàn)有的普羅尼(Prony)分析法和FFT變換法相比，本發(fā)明不僅能精確有效地提取次同步振蕩信號的模態(tài)參數(shù)，還能辨識各模態(tài)的起止時間，具有良好的時頻特性。2、本發(fā)明結合局部單純形搜索，并引入變異操作優(yōu)化次同步振蕩信號的匹配追蹤分解，單純形搜索提高了搜索的局部開發(fā)能力，變異操作增強了搜索的全局探測能力；因此，本發(fā)明方法可以很大程度提高信號匹配追蹤的尋優(yōu)速度，且收斂性好。3、本發(fā)明優(yōu)選方案中的原子分解建立在超完備阻尼正弦原子庫思想上，可根據(jù)信號特性自適應地選擇展開函數(shù)，提高了信號表達的簡潔性和靈活性；而且，阻尼正弦原子分解過程中提取的原子能夠還原原始次同步振蕩信號的主要特征。4、本發(fā)明優(yōu)選方案中的阻尼正弦原子分解能夠辨識電力系統(tǒng)次同步振蕩信號各模態(tài)的起止時間，具有很好的時頻特性，為電路系統(tǒng)故障診斷、擾動源定位等提供了新思路。


圖1為本發(fā)明具體實施的流程圖；圖2為實施例1中信號原子分解前5次迭代過程中提取的5個最佳原子；圖3為實施例1中分解20次后的重構信號與原始測試信號的對比圖；圖4為實施例1中分解20次后的重構信號與原始測試信號的總體誤差；圖5為實施例1中測試信號的FFT變換結果；圖6為實施例2中IEEE第一標準模型系統(tǒng)接線圖；圖7為實施例2中重構信號與原始發(fā)電機轉速偏差信號的對比圖；圖8為實施例2中發(fā)電機轉速偏差信號的原子分解前5次迭代過程中提取的5個最佳原子；圖9為實施例2中發(fā)電機轉速偏差信號的FFT變換結果。
具體實施例方式本發(fā)明采用粒子群優(yōu)化的匹配追蹤算法對電力系統(tǒng)次同步振蕩信號進行原子分解，從而獲得電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)參數(shù)。本發(fā)明在準確辨識電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)的同時還具有良好的時頻特性。本發(fā)明方法有助于深入分析電力系統(tǒng)次同步振蕩特性，從而有效抑制振蕩，保障機組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案為:在過完備阻尼正弦原子庫基礎上，采用改進的粒子群算法優(yōu)化傳統(tǒng)的匹配追蹤法，從而降低匹配追蹤過程的時間復雜度；根據(jù)優(yōu)化后的匹配追蹤法對次同步振蕩信號進行阻尼正弦原子匹配分解，搜索到最佳阻尼正弦原子，將最佳阻尼正弦原子對應的原子參變量轉換成次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，從而完成電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識。下面將對本發(fā)明涉及的相關算法進行簡單說明。
一、匹配追蹤法次同步振蕩信號f e H, H表示希爾伯特(Hilbert)空間，定義原子庫D = (gY) η其中，Γ是參數(shù)組Y的集合；||gY|| = 1，即對原子庫中各原子進行能量歸一化處
理，I I.I I表示2-范數(shù)。參數(shù)組Y為原子索引，本發(fā)明中原子索引優(yōu)選為阻尼正弦量原子索引Y = (F，Φ, P，ts, te), F為原子頻率，Φ為相位，P為原子阻尼系數(shù)，ts與te分別為阻尼正弦原子的開始與終止時刻。匹配追蹤是實現(xiàn)信號自適應原子分解的一種迭代貪婪算法，經(jīng)m次分解后的次同步振蕩信號f可表示為原子庫中原子的線性展開，如下式所示:
權利要求
1.一種電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于，包括步驟: 步驟1，以次同步振蕩信號的模態(tài)參數(shù)為原子索引構建待辨識的次同步振蕩信號原子庫，并基于次同步振蕩信號原子庫初始化粒子群，初始化次同步振蕩信號分解次數(shù)n=l ；步驟2，采用粒子群算法優(yōu)化的匹配追蹤法對次同步振蕩信號進行原子分解，當粒子群的迭代次數(shù)達到預設的粒子群迭代總次數(shù)時，令n=n+l，然后執(zhí)行步驟3 ; 步驟3，判斷次同步振蕩信號分解次數(shù)η是否達到預設的信號分解總次數(shù)，若達到，則當前信號分解得到的粒子群全局最優(yōu)位置對應的原子索引為最佳原子索引，執(zhí)行步驟4;若未達到，基于當前分解后的次同步振蕩信號初始化粒子群后執(zhí)行步驟2 ； 步驟4，根據(jù)最佳原子索引獲得次同步振蕩信號的模態(tài)參數(shù)。
2.如權利要求1所述的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于: 步驟I中所述 的次同步振蕩信號原子庫為阻尼正弦量原子模型，該模型中的原子索引Y = (F，Φ, P，ts, te),其中,F為原子頻率，Φ為相位，P為原子阻尼系數(shù)，ts與te分別為阻尼正弦原子的開始與終止時刻。
3.如權利要求1所述的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于: 步驟2進一步包括以下子步驟: 對初始粒子群進行單純形局部搜索，獲取粒子群中各粒子的初始適應度，并基于粒子的初始適應度獲取粒子對應的個體最優(yōu)位置和粒子群的全局最優(yōu)位置，然后進行如下粒子群迭代: 2.1基于當前個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置對粒子群進行變異操作，即更新粒子群中各粒子的位置和速度； 2.2對變異后的粒子群進行單純形局部搜索，獲取變異后的粒子群中各粒子的適應度、各粒子對應的個體最優(yōu)位置和粒子群的全局最優(yōu)位置； 2.3判斷粒子群迭代次數(shù)是否達到預設粒子群迭代總次數(shù)，如果達到，令n=n+l，執(zhí)行步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟2.1 2.2對粒子群繼續(xù)進行迭代搜索。
4.如權利要求1所述的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于: 步驟2中的粒子群算法為改進的粒子群算法。
5.如權利要求1所述的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于: 步驟3中所述的預設的信號分解總次數(shù)采用如下方法獲得: 對待辨識的次同步振蕩信號進行信號分解，獲取每次分解后的重構信號與原始信號的總體誤差，根據(jù)所得總體誤差是否滿足工程應用確定信號分解次數(shù)，所確定的信號分解次數(shù)即為預設的信號分解總次數(shù)。
6.如權利要求5所述的電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，其特征在于: 所述的重構信號與原始信號的總體誤差=，其中，ok(X)為第k次 V =1信號分解后的重構信號與原始信號的總體誤差；xi和$:分別表示第i個采樣點的原始信號數(shù)據(jù)和重構信號數(shù)據(jù)；NS為采樣點個數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)辨識方法，本發(fā)明采用粒子群算法降低匹配追蹤搜索過程的時間復雜度，并采用優(yōu)化后的匹配追蹤法對次同步振蕩信號進行原子分解，搜索到最佳原子后將原子參變量轉換成次同步振蕩模態(tài)參數(shù)。本發(fā)明在準確辨識電力系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)參數(shù)的同時還具有良好的時頻特性。本發(fā)明方法有助于深入分析電力系統(tǒng)次同步振蕩特性，從而有效抑制振蕩，保障機組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
文檔編號H02J3/24GK103208808SQ201310072948
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權日2013年3月7日
發(fā)明者劉滌塵, 董飛飛, 廖清芬, 唐飛, 宮璇, 孫文濤, 趙潔, 冀星沛 申請人:武漢大學