[发明专利]基于经验模态分解的大规模电网低频振荡分频段检测法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统低频振荡在线检测和分析技术领域，更具体地涉及电力系统中对广域相量测量信息进行在线快速低频振荡频谱分析的方法。

背景技术

电力系统发生低频振荡时，广域测量系统中的在线低频振荡检测程序需要通过对相量测量单元PMU的量测量的快速频谱分析，得到振荡的频率、幅度、阻尼比以及振荡模态信息。当发现振荡幅度很大并且阻尼很小时，需要及时向运行人员告警。为了可靠检测和计算某个模式的低频振荡的参数，需要至少1个周期的数据，并且采样率要大于该振荡频率的Nyquest采样率(即振荡频率的2倍)。在实际的非线性变化的动态系统中，为了报警可靠，并躲过暂时的功率波动，通常需要几个周期的数据来确认发生了需要报警的危险振荡。目前的广域测量WAMS系统中无论采用何种频谱分析方法(Prony法，FFT法，Hilbert-Huang变换法等)，均采用的是固定窗口、固定采样率和固定移动步长的频谱分析方法，这种方法或者存在对高频振荡不能及时报警的问题，或者存在计算量大的问题，而且往往伴随计算准确性不高的问题。下面通过具体的数值例子对目前方法的缺陷进行说明。

电力系统的低频振荡的频率范围大约为0.1Hz~2.5Hz，周期为10秒～0.4秒，可见检测出0.1Hz的振荡需要至少10秒钟(不考虑多周期确认)，采样率为0.2Hz即可；而检测出2.5Hz的振荡仅需0.4秒(不考虑多周期确认)，但采样率至少需5Hz。目前WAMS中，PMU量测上送主站的速率远大于5Hz，例如25Hz、50Hz或100Hz，低频振荡分析时对所有频段采用固定采样率例如10Hz。为了能分析出所有频段的低频振荡，固定窗口的频谱分析方法其窗口可取为10秒钟(不考虑多周期确认)，若窗口移动步长取为5秒，这样虽然能保证检测出0.1Hz的振荡，并能找出2.5Hz的振荡，但是此时2.5Hz的振荡可能已振荡了十几个周期，造成低频振荡告警的延迟。进一步缩短窗口移动步长，虽然可以加快对短周期振荡的检测，但是会造成大量的量测点被重复分析，因此计算量大，计算速度慢。并且当采用Prony、FFT等方法时(这些方法的前提是平稳波形)，在高频振荡刚出现时，由于长窗口中的大部分可能不包含该高频振荡成分，因此分析精度不高。针对固定长窗口的问题，若缩短窗口，例如取为0.4秒，虽然可及时发现2.5Hz的振荡，但是不能检测出长周期例如0.1Hz的振荡。

通过上述例子可见固定时间窗口、固定采样率、固定移动步长的频谱分析方法不能在低频振荡检测的准确性和快速性上取得平衡。因此本发明提出基于分频段检测的，变窗口、变采样率、变移动步长的低频振荡在线检测方法。该检测方法中的频谱分析方法虽然可以仍然采用Prony法或FFT法，但是由于这些方法的应用前提是要求波形为平稳波形，否则分析误差很大，结果不可靠。而在电力系统的暂态和动态过程中，这个条件通常难以满足。所以本发明采用经验模态分解法作为基本的频谱分析方法。该方法1998年由美国NASA的科学家黄鄂提出，它可以将非线性、非平稳变化、含非周期成分的复杂波形分解为若干固有模态振荡分量(即满足极点数和零点数相差1或相等，且上下包络线的平均值为0的曲线，可见该分量不一定为正弦或余弦曲线)和非振荡分量，然后计算相应分量的振荡描述参数，实现对非线性、非平稳变化、含非周期成分复杂波形的正确处理；而且该方法能够在提供相位信息的同时具有远快于Prony方法的频谱分析速度。本专利申请的方法采用基于经验模态分解的分频段频谱检测法可以保证在电力系统非线性的暂态和动态变化中，及时发现新出现的低频振荡模态，并得到该模态的正确描述参数，从而实现对不同频段的危险低频振荡的快速和正确告警。

发明内容

针对现有的广域测量系统WAMS在对大规模电力系统的实时低频振荡检测中，不能实现同时快速并准确检测出不同频段的危险低频振荡的问题以及目前检测方法存在计算量大的问题。本发明提出了一种基于经验模态分解法的，适用于大规模电力系统的分频段在线快速低频振荡模态分析方法。实现该方法的典型流程图见说明书附图1。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于经验模态分解EMD的分频段、变时间窗、变采样率、变移动步长的电网低频振荡检测方法，针对不同频率低频振荡对告警时间要求的不同，将电网中大量相量测量单元PMU实测振荡曲线快速分解成不同频段的固有模态振荡曲线，从而实现对具有不同时间周期的低频振荡的快速检测和及时告警；该检测方法的特征在于其包括以下步骤：