论文总字数：24874字

摘 要

从属于电力系统功角稳定性问题范畴的持续低频振荡对电网的正常运行具有重要影响。它主要包括两种类型：自由振荡和强迫振荡。自由振荡又可以分成负阻尼振荡、正阻尼振荡和零阻尼振荡三种类型。在电力系统中出现低频振荡类型里，强迫振荡与自由振荡中的负阻尼振荡虽然产生机理不同，但是表现形式非常相似，并且不会自行消失。因此，本文研究了自由振荡和强迫振荡的模型特点，采用基于谱分析的方法对电力系统中出现的持续低频振荡进行性质判别。

首先，本文简要介绍分析了研究非线性系统稳定性问题时可采用局部线性化处理的思路，推导了自由振荡和强迫振荡的线性化模型，得到不同类型振荡中起主要支配作用的响应分量有所不同的结论。

其次，本文通过采集并处理PMU数据建立不同前置时间的预测模型，计算得到振荡实际模型和预测模型之间的残差。对随机森林的原理进行简要介绍，并研究了不同类型振荡下的预测残差在功率谱分析上具有不同特性的情况，为后续采用基于功率谱密度分析的方法实现低频振荡性质的判别提供了理论基础。

最后，本文阐述了谱分析方法实现振荡性质判别的具体过程。考虑不同阻尼比和信噪比的情况，在MATLAB和PSAT工具箱中对简单仿真系统和140母线系统进行案例仿真从而评估该方法的性能。仿真结果表明，谱分析方法能够较好地判别出电力系统中持续低频振荡的类型。

关键词：振荡，谱分析，相量测量单元，性质判别

Abstract

The sustained low frequency oscillation of angle stability domain has a great impact on the power system. The low frequency oscillation includes two types of responses usually: natural and forced. And natural oscillation can be classified into three categories: negative, positive and zero damping mechanism. In the low frequency oscillation, although the causes are different, the behavior of forced oscillation are similar to the negative damping natural oscillation. Therefore, this paper studies the mechanism of natural and forced oscillations and adopts a method of spectral analysis to identifying the property of sustained low frequency oscillations in the power system.

Firstly, it is introduced that the idea of studying the nonlinear model of the power system by using local linearization. And the mathematical model of natural as well as forced oscillation is deduced. It is concluded that the response components which play a dominant role in diverse types of oscillations are different.

Secondly, by collecting and working with the PMU (phasor measurement units) data to build the predicted model based on various lead time, we can obtain the residue between the actual and the predicted oscillatory model. According to studying the principle of random forest and the situation of diverse forecasting residuals which have different properties showed on the PSDs, it provides a theoretical basis for identifying the properties of low frequency oscillations based on power spectral analysis.

Finally, this paper introduces the process of distinguishing the types of sustained oscillations based on spectral analysis. Considering the situation of different damping ratio and signal-to-noise ratio, the simulation data generated by both a simple artificial system and the 140-bus system are used to evaluate the performance of the spectral analysis method. The results of simulation indicate that the spectral analysis method is a useful way to distinguish the natural and forced oscillation.

KEY WORDS: oscillation, spectral analysis, phasor measurement units, identification of the property

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 低频振荡产生机理的研究现状 2

1.2.2 低频振荡性质判别方法的研究现状 4

1.3 本文的主要工作和安排 7

第二章 自由振荡和强迫振荡的模型分析 8

2.1 引言 8

2.2 振荡模型的线性化分析 8

2.2.1 小干扰问题的线性化分析 8

2.2.2 振荡模型的线性化分析 9

2.3 自由振荡和强迫振荡的模型特征分析 11

2.3.1 自由振荡的模型特征分析 11

2.3.2 强迫振荡的模型特征分析 11

2.4 本章小结 12

第三章 振荡类型判别方法的研究 13

3.1 引言 13

3.2 预测模型的建立和分析 13

3.2.1 预测模型的建立 13

3.2.2 在自由振荡中分析预测残差 13

3.2.3 在强迫振荡中分析预测残差 15

3.3 对预测残差进行谱分析 15

3.3.1 无振荡时预测残差的谱分析特征 15

3.3.2 自由振荡时预测残差的谱分析特征 16

3.3.3 强迫振荡时预测残差的谱分析特征 17

3.3.4 两种振荡同时存在时预测残差的谱分析特征 17

3.4 随机森林的原理介绍 17

3.5 基于谱分析的振荡类型判别方法的研究 19

3.6 本章小结 20

第四章 仿真案例分析 21

4.1 引言 21

4.2 简单仿真系统的仿真案例分析 21

4.3 140母线系统的仿真案例分析 24

4.4 考虑不同信噪比时的分类仿真分析 27

4.5 本章小结 28

第五章 结论与展望 29

参考文献 30

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

近年来，随着我国的国民经济迅猛发展，生活水平显著提高，人们对电力的需求也持续增长.电网规模日益增大，同时伴随着电力系统稳定性问题发生概率升高和影响范围增大。属于电力系统小干扰稳定性问题的低频振荡对电力网络的正常运行有很大影响，轻则缩短电气设备的寿命，严重时会引起电网线路过流跳闸及系统解列，甚至导致系统崩溃。我国电网在发展的几十年间出现的由低频振荡所引发的事故屡见不鲜，较为严重的如2008年冰灾期间，华中电网发生了多起低频振荡事件，几乎影响了我国中部多省的电网运行^[1]，对当时的生产生活造成极大影响。可见为了保证电力系统能够安全稳定地运行，发展关于振荡问题的研究尤为重要。

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