电力系统动态同步相量估计算法及其应用研究

同步相量测量技术为电网的大面积实时监控提供了先进的信息技术保证,而同步相量测量技术的核心及基础是同步相量估计算法的设计,算法的估计精度将直接影响到广域测量系统(Wide Area Measurement System, WAMS)其它高级应用的效果,如状态估计、自适应保护以及故障测距等。现有的商用同步相量估计算法在静态条件下具有较高的测量精度,而在动态条件下(如低频振荡、频率偏移等情况下)却受到系统动态特性的影响而导致算法精度急剧下降。因此研究在动态条件下仍然具有较好估计精度的同步相量估计算法,对于判断电网状态、预测电网发展方向以及采取正确、快速的保护措施都具有较大的现实意义。 论文在动态条件下的频率跟踪算法、同步相量估计、同时消除直流衰减和动态影响方面进行了深入研究,提出了对应的算法；在此基础上,利用PMU的同步相量估计值来近似表示信号的动态特性,提出一种考虑信号动态特性的新型故障测距算法。 在频率跟踪方面,论文中根据全部三相电压信号的信息来在线估计电压信号的噪声含量以及动态特性,并通过动态特性方差和噪声方差两个参数来量化系统的实时状态,从而调整ⅡR滤波器的遗忘因子来使频率跟踪算法不但在动态条件下具有快速跟踪的特性而且在静态条件下也具有较好的抗噪特性。由于递归算法的应用,简化了计算,本算法易于在重计算负荷的DSP中实现。通过不同的工况下的仿真研究(包括：相位突变测试,频率跳变测试以及PSCAD/EMTDC仿真)表明无论在动态还是在静态条件下,该频率跟踪算法都具有比其它传统算法更为优越的性能,如高抗噪声性能以及快速跟踪等。 在同步相量估计方面,利用泰勒级数对电力信号的时变相量进行建模,并利用相邻采样数据窗的相量测量值来表示相量导数,以此相量导数来修正传统傅立叶变换的相量估计值从而减弱或消除系统动态特性对相量测量精度的影响。理想信号数字仿真以及实时数字仿真的分析研究表明：新算法能够在增加少量额外的计算负荷的前提下大大地提高同步相量测量在多种动态条件下(如低频振荡和频率偏移等情况)的精度。此外,还可以利用同步相量估计值的泰勒导数来实现在低频振荡下的故障检测。 在消除直流分量影响方面,论文提出了一种同时考虑信号动态特性和衰减直流分量的同步相量测量新算法。首先对电力信号的基波信号和衰减直流分量进行建模,再通过利用一个基波滤波器来对相量的动态特性进行估计和一个直流滤波器来对衰减直流分量进行估计,然后将两个滤波器的估计结果代入到动态模型中进行迭代运算,最终得到精确的同步相量测量结果。对理想信号(包括衰减直流分量、动态信号以及两都的综合)以及PSCAD/EMTDC建模仿真信号的大量仿真结果表明,此方法在一定程度上提高了同步相量测量算法在功率振荡下发生接地故障时的相量估计精度。 在同步相量估计的应用方面(动态故障测距),论文提出一种利用信号的动态特性对基于分布参数模型的故障测距算法进行改进和扩展的新型故障测距算法。该算法不但从空间上认为输电线路上不同位置的电流、电压信号是不同的,而且从时间上认为输电线路上的电流、电压信号的幅值和频率是随时间而变化的,从而扩展了传统的故障测距算法,使其具有同时描述电气信号的空间特性和时间特性的能力。算法通过输电线路两端的同步相量估计值的导数形式来表示信号的动态特性,再利用牛顿迭代法对故障距离进行测定。论文利用数字仿真软件对一个230kV输电系统进行建模,并对各种工况进行仿真验证,如不同的故障位置、故障过渡电阻和故障类型。仿真结果表明,所提出的故障测距算法不但具有传统双端测距算法的优点,而且能对发生低频振荡时的故障进行精确定位。 总的说来,本论文最终形成一个包括改进数据采集系统的频率跟踪算法、提高精度的同步相量测量算法以及基于同步相量测量结果的动态故障测距算法的理论和应用体系。