基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式識(shí)別方法研究

摘 要：當(dāng)前機(jī)電振蕩模式識(shí)別多采用粒子濾波算法，此方法易受到信號(hào)高頻成分波動(dòng)影響，導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確性較低。為此，提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式識(shí)別方法。該方法對(duì)原始振蕩信號(hào)進(jìn)行去噪處理，還原真實(shí)信號(hào)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法分解信號(hào)，并提取振蕩參數(shù)，通過設(shè)計(jì)閾值門限準(zhǔn)則，抑制高頻波動(dòng)，以此為依據(jù)，計(jì)算求取不同振蕩模式下的狀態(tài)參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)機(jī)電振蕩模式的識(shí)別。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式識(shí)別中，該方法具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；電力系統(tǒng)；振蕩模式；識(shí)別方法

中圖分類號(hào)：TM712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0015-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.004

0? ? 引言

由于電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，大型機(jī)電勵(lì)磁系統(tǒng)的振蕩問題不斷增多，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。準(zhǔn)確且快速辨識(shí)出機(jī)電振蕩模式，對(duì)電網(wǎng)的振蕩特性分析與抑制具有重要意義。

文獻(xiàn)[1]基于噪聲量數(shù)據(jù)，對(duì)其中的同步相量單元進(jìn)行提取，作為識(shí)別模型的輸入數(shù)據(jù)，確定不同時(shí)段內(nèi)振蕩模式的變化閾值，以此實(shí)現(xiàn)振蕩模式識(shí)別，但該方法的模型階數(shù)對(duì)結(jié)果的影響較大，且抗噪能力較低。文獻(xiàn)[2]提出了以負(fù)荷模式能量為基礎(chǔ)的識(shí)別方法，該方法在表示精度與抗噪性方面更具優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)變化性較大的電力系統(tǒng)而言，其無法準(zhǔn)確表示信號(hào)的阻尼比，且在求解狀態(tài)空間矩陣時(shí)比較依賴系統(tǒng)模型，限制了識(shí)別效率。

針對(duì)以上方法的不足，本文利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法研究并設(shè)計(jì)了機(jī)電振蕩模式識(shí)別方法，以期從多角度把握電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩特性，為振蕩模式的識(shí)別研究提供新思路。

1? ? 電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式識(shí)別方法設(shè)計(jì)

1.1? ? 振蕩信號(hào)去噪

機(jī)電振蕩信號(hào)大多是不穩(wěn)定信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)頻率混淆和重疊時(shí)，實(shí)際輸出信號(hào)通常包含異常信息。如果不消除，將影響后續(xù)參數(shù)提取并造成干擾。因此，有必要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪，以最小化噪聲的干擾，恢復(fù)真實(shí)信號(hào)的特性，然后提高信噪比，以便進(jìn)一步處理。

傳統(tǒng)的信號(hào)去噪方法會(huì)在消除噪聲干擾的同時(shí)濾除有價(jià)值的信息，從而使最終的識(shí)別誤差更大[3]。綜合考慮，本文選擇小波閾值去噪方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪。假定存在以下離散含噪聲的信號(hào)模型：

x=s+ε（1）

式中：x為含噪信號(hào)；s為有價(jià)值信號(hào)；ε為單一噪聲。

其中，s與ε是相互獨(dú)立的，且均滿足正態(tài)分布。

對(duì)式（1）進(jìn)行離散小波變換，由于小波變換屬于直接線性變換，因此，原始信號(hào)的變換結(jié)果為價(jià)值信號(hào)變換與噪聲信號(hào)變換的疊加，即：

2? ? 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)中，利用一個(gè)16機(jī)系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)分析并驗(yàn)證該方法的正確性和優(yōu)越性。

16機(jī)仿真系統(tǒng)是用于研究電力系統(tǒng)機(jī)電低頻振蕩的經(jīng)典系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括16臺(tái)發(fā)電機(jī)、68條總線和86條線路，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼比來穩(wěn)定電力系統(tǒng)的運(yùn)行。發(fā)電機(jī)采用詳細(xì)模型，且所有發(fā)電機(jī)均配有勵(lì)磁和PSS，負(fù)載為恒功率負(fù)載。

將信噪比為5 dB的高斯白噪聲添加到信號(hào)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解特性，僅保留頻率為0.1～2.5 Hz的模態(tài)分量。因此，僅取相關(guān)數(shù)大于0.5的分量，并計(jì)算它們與原始信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)，然后將本文提出的算法用于識(shí)別振蕩模式。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)說明

16機(jī)系統(tǒng)可分為5個(gè)區(qū)域：區(qū)域1包含發(fā)電機(jī)G1～G9，區(qū)域2包含發(fā)電機(jī)G10～G13，發(fā)電機(jī)G14、G15和G16分別位于區(qū)域3、區(qū)域4和區(qū)域5。在Matlab提供的電力系統(tǒng)工具箱PST中建立了16機(jī)系統(tǒng)模型，并求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征值。已知在16機(jī)系統(tǒng)中有4種區(qū)域間振蕩模式，其振蕩模式參數(shù)如表1所示。

為了更好地區(qū)分上述4種振蕩模式，假設(shè)在區(qū)域間振蕩模式中不存在發(fā)電機(jī)角速度的相互振蕩。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的擾動(dòng)參數(shù)如下：近端在0.12 s時(shí)截止，遠(yuǎn)端在0.2 s時(shí)截止；模擬持續(xù)時(shí)間為20 s。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將仿真得到的16臺(tái)發(fā)電機(jī)角速度變化量作為模式識(shí)別算法的輸入，輸入信號(hào)時(shí)間尺度設(shè)為15 s。采用文獻(xiàn)[1]基于類噪聲量測(cè)數(shù)據(jù)方法的振蕩模式識(shí)別（方法1）、文獻(xiàn)[2]基于負(fù)荷模式能量的振蕩模式識(shí)別（方法2）與本文方法分別對(duì)該機(jī)電系統(tǒng)的4種振蕩模式進(jìn)行識(shí)別，對(duì)不同方法得到的識(shí)別準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，本文方法識(shí)別出的振蕩模式與原始振蕩模式幾乎一致，而方法1與方法2的識(shí)別結(jié)果與實(shí)際值存在較大偏差，識(shí)別準(zhǔn)確性較低。由于算例中添加的頻率波動(dòng)干擾為標(biāo)準(zhǔn)的模型函數(shù)，具有高頻諧波噪聲，方法1與方法2忽略了振蕩范圍在諧波噪聲條件下范圍有限的特點(diǎn)，故無法準(zhǔn)確地識(shí)別出主導(dǎo)模式。由此可以說明，本文方法能夠準(zhǔn)確地對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式進(jìn)行有效識(shí)別。

3? ? 結(jié)束語

本文以經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法為依托，提出一種電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式識(shí)別方法。利用系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用于機(jī)電振蕩模式識(shí)別中，可得到較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。該方法能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)相關(guān)人員制定振蕩控制策略提供重要參考。

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收稿日期：2023-03-02

作者簡(jiǎn)介：杜丹躍（1986—），女，廣東汕頭人，工程師，研究方向：機(jī)電工程。