團(tuán)隊(duì)介紹

于華楠（1981），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)信號(hào)分析與檢測(cè)、壓縮感知在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。近年來(lái)，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表論文30余篇，第一作者被SCI、EI收錄20余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)，參與編寫(xiě)英文專著1部。入選吉林市青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才“253”項(xiàng)目，近五年，主持吉林省科技廳項(xiàng)目等縱向科技項(xiàng)目3項(xiàng)，以第一完成人獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)。

李永鑫（1994），男，碩士研究生。研究方向?yàn)閴嚎s感知在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。在讀期間發(fā)表SCI檢索論文1篇，EI檢索論文1篇。

王鶴（1983），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)、新能源發(fā)電等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目1項(xiàng)，作為參與單位負(fù)責(zé)人參與承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃2項(xiàng)，獲吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、吉林省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，發(fā)表期刊論文30余篇，其中SCI/EI檢索20余篇。

導(dǎo)語(yǔ)

本文提出一種基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法，其創(chuàng)新之處在于根據(jù)擾動(dòng)后系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或電氣參數(shù)的變化構(gòu)造過(guò)完備字典，結(jié)合壓縮感知重構(gòu)算法從低維同步相量測(cè)量裝置的觀測(cè)數(shù)據(jù)中恢復(fù)出具有稀疏特性的高維擾動(dòng)定位數(shù)據(jù)，完成電力系統(tǒng)擾動(dòng)的定位。

以切機(jī)與切負(fù)荷擾動(dòng)為例，大量仿真結(jié)果表明，該方法能以很高的準(zhǔn)確率完成擾動(dòng)源位置的定位，對(duì)其他類(lèi)型擾動(dòng)定位也有重要的借鑒意義。

研究背景

近幾年，電網(wǎng)中負(fù)荷總量增長(zhǎng)迅速、大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)接入、新能源并網(wǎng)等因素導(dǎo)致系統(tǒng)中各種擾動(dòng)時(shí)有發(fā)生，擾動(dòng)后若擾動(dòng)源定位錯(cuò)誤或不及時(shí)，則可能擴(kuò)大為系統(tǒng)性事故，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，因此擾動(dòng)已成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的突出問(wèn)題。

如果在電力系統(tǒng)中全部母線都配置了PMU裝置，則可直接完成對(duì)擾動(dòng)源的定位，然而受制于PMU裝置的價(jià)格尤其是通訊網(wǎng)絡(luò)的成本，不可能全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)均配置PMU，而在傳統(tǒng)手段下使用少數(shù)PMU很難準(zhǔn)確完成擾動(dòng)源的定位工作。因此在少數(shù)PMU配置的前提下迅速、準(zhǔn)確完成擾動(dòng)源的定位具有十分重要的意義。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本文主要完成在少數(shù)PMU配置限制下的高精度、短耗時(shí)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)源定位工作，根據(jù)目前多數(shù)電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法的缺陷：

• 1）僅在系統(tǒng)中PMU裝置配置充足情況下才具有高精度擾動(dòng)定位。
• 2）所需觀測(cè)數(shù)據(jù)較多、擾動(dòng)定位運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)、定位效果不佳。
• 3）對(duì)于不同類(lèi)型的擾動(dòng)需單獨(dú)設(shè)計(jì)擾動(dòng)定位方法，沒(méi)有一種能適應(yīng)各種擾動(dòng)的定位方案。

本文所提方法意義在于克服了上述三點(diǎn)多數(shù)電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法的缺陷，迅速、準(zhǔn)確地完成電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位，即使在信息傳輸中受到噪聲的影響也可以高準(zhǔn)確率完成擾動(dòng)源的定位，可有效防止擾動(dòng)事故進(jìn)一步擴(kuò)大而危害電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

論文主要內(nèi)容

本文提出基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法，通過(guò)數(shù)量有限的PMU裝置收集擾動(dòng)前后系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合不同擾動(dòng)的特征及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)造擾動(dòng)定位過(guò)完備字典，最后運(yùn)用壓縮感知重構(gòu)算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)與過(guò)完備字典進(jìn)行匹配，完成擾動(dòng)源的定位工作。

其重點(diǎn)內(nèi)容在于：

（1）擾動(dòng)定位過(guò)完備字典的設(shè)計(jì)

擾動(dòng)發(fā)生后系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)參數(shù)將發(fā)生變化，本文根據(jù)切機(jī)、切負(fù)荷擾動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合兩種擾動(dòng)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的變化進(jìn)行擾動(dòng)定位過(guò)完備字典設(shè)計(jì)。

切機(jī)、切負(fù)荷擾動(dòng)將打破電網(wǎng)中功率的平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的頻率、電壓的波動(dòng)。由于PMU可以測(cè)量母線電壓及其相連支路的電流、功率，因此選擇支路電流、功率作為觀測(cè)量與系統(tǒng)母線變化建立聯(lián)系，即擾動(dòng)定位過(guò)完備字典的設(shè)計(jì)思想。

（2）擾動(dòng)定位PMU的配置

本文切機(jī)與切負(fù)荷擾動(dòng)定位中，PMU觀測(cè)數(shù)據(jù)為支路正序電流與功率，因此若PMU數(shù)量有限，應(yīng)盡量將有限的PMU設(shè)備配置在連接支路較多的母線處。觀測(cè)到的支路數(shù)據(jù)量越多，則擾動(dòng)定位過(guò)完備字典中的原子越多，擾動(dòng)定位的準(zhǔn)確率也隨之提高。本文PMU裝置布點(diǎn)情況如圖1所示：

圖1 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)PMU布點(diǎn)圖

以圖中的配置情況安裝PMU裝置，能以較少的PMU配置數(shù)量完成高精度擾動(dòng)定位，IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中支路數(shù)共46條，本方案中與PMU配置母線節(jié)點(diǎn)相連的支路數(shù)共25條，可觀測(cè)范圍占總支路數(shù)的54.3%，并在此條件下完成基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位工作。

（3）擾動(dòng)定位方法

本文將擾動(dòng)定位過(guò)程體現(xiàn)為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)中擾動(dòng)節(jié)點(diǎn)稀疏向量的重構(gòu)，較傳統(tǒng)擾動(dòng)定位方法提高了運(yùn)算效率。仿真表明，本文方法對(duì)擾動(dòng)定位的準(zhǔn)確率極高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)后迅速定位。擾動(dòng)定位稀疏向量重構(gòu)的原理及流程圖如圖2所示：

圖2 擾動(dòng)向量重構(gòu)算法原理

圖3為本文基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法流程圖，分五個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

• 1）收集系統(tǒng)各PMU配置點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
• 2）進(jìn)行PMU數(shù)據(jù)處理，在切機(jī)擾動(dòng)時(shí)計(jì)算正序支路電流，在切負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)計(jì)算支路功率。
• 3）提前設(shè)計(jì)擾動(dòng)定位過(guò)完備字典，擾動(dòng)發(fā)生后使用觀測(cè)數(shù)據(jù)與之匹配。
• 4）利用壓縮感知重構(gòu)算法進(jìn)行擾動(dòng)源定位。
• 5）根據(jù)擾動(dòng)定位的結(jié)果制定維護(hù)策略。

圖3 擾動(dòng)定位流程圖

以切機(jī)擾動(dòng)為例，在稀疏重構(gòu)中設(shè)迭代次數(shù)為2，獲得擾動(dòng)近域母線編號(hào)后，分別收集擾動(dòng)前后節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)23兩處PMU的可測(cè)支路中最大正序電流相位變化擾動(dòng)分量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩PMU測(cè)量相位變化情況

由圖4可看出，在0.6秒發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，母線3處電流相位變化較大，其擾動(dòng)近域母線為母線4，說(shuō)明離母線4越近的發(fā)電機(jī)越有可能發(fā)生切機(jī)擾動(dòng)。

本文將該擾動(dòng)近域母線稱為擾動(dòng)定位母線，與其最近的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)30，故定位在發(fā)電機(jī)30處，符合假設(shè)情況，定位準(zhǔn)確。為驗(yàn)證本文方法的抗噪性能，在PMU觀測(cè)數(shù)據(jù)中引入信噪比為30dB的高斯白噪聲后進(jìn)行定位重構(gòu)分析，切機(jī)擾動(dòng)結(jié)果如表1所示。

表中符號(hào)含義如：G：切機(jī)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，V：擾動(dòng)近域母線編號(hào)，X：擾動(dòng)定位母線編號(hào)，R：切機(jī)發(fā)電機(jī)定位結(jié)果編號(hào)。

表1 切機(jī)擾動(dòng)辨識(shí)結(jié)果（含噪聲）

從表1中可知，在引入噪聲后，準(zhǔn)確程度達(dá)到了系統(tǒng)中全部發(fā)電機(jī)的80%。在36號(hào)發(fā)電機(jī)切機(jī)時(shí)，定位結(jié)果為35號(hào)發(fā)電機(jī)，雖然定位錯(cuò)誤，但可以看到在IEEE39節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中36號(hào)發(fā)電機(jī)與35號(hào)發(fā)電機(jī)距離相隔很近。

結(jié)論

為解決PMU配置有限情況下的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位，本文提出一種基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法，通過(guò)收集擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)定位過(guò)完備位字典，可在少數(shù)PMU配置下對(duì)電網(wǎng)中的各類(lèi)擾動(dòng)進(jìn)行高精度定位，本文以切機(jī)與切負(fù)荷擾動(dòng)定位為例，具有以下結(jié)論：

• （1）本文方法所需PMU配置數(shù)僅占系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的約五分之一，相比傳統(tǒng)擾動(dòng)定位方法大大降低了對(duì)PMU配置數(shù)量的需求。
• （2）對(duì)于切機(jī)擾動(dòng)定位，在理想情況下本文方法對(duì)IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的擾動(dòng)定位準(zhǔn)確率為90%；在觀測(cè)數(shù)據(jù)具有測(cè)量誤差及傳輸噪聲的情況下，切機(jī)擾動(dòng)的定位準(zhǔn)確率超過(guò)了80%。
• （3）無(wú)論觀測(cè)數(shù)據(jù)是否包含噪聲，切負(fù)荷擾動(dòng)的定位準(zhǔn)確率均達(dá)到了100%，并且計(jì)算出切負(fù)荷擾動(dòng)所切負(fù)荷量與實(shí)際負(fù)荷量相差不大。

新方法不僅能夠降低電力系統(tǒng)中PMU的配置數(shù)量，同時(shí)具有更高的定位準(zhǔn)確率。對(duì)IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中多種擾動(dòng)數(shù)據(jù)定位的實(shí)驗(yàn)證明，新方法具有良好的擾動(dòng)定位能力。

引用本文

于華楠, 李永鑫, 王鶴. 基于過(guò)完備字典設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)擾動(dòng)定位方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(7): 1444-1453. Yu Huanan, Li Yongxin, Wang He. Disturbance Location Method of Power System Based on Over-Complete Reconstruction Dictionary Design. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(7): 1444-1453.