第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.1.1 研究背景
电力系统的稳定运行，是保证国家用电的基本前提。随着社会的快速发展，我国人口密度的增加导致对电能的需求变得更加巨大，能源的高效越来越受到重视，电力供应发展迅猛。（如图 1-1 所示[2]）由于中国能源的逆向分布，能源的传输导致广域互联电力系统的不断增加，系统自身的规模和复杂程度越来越庞大，低频振荡现象[1]带来的危害问题不断发生，成为危害电网稳定运行的主要隐患。发电机组的振荡会限制广域电力系统联络线的传输功率从而发生振荡，可能伴随停电现象极大降低了系统的可靠性及经济性，低频振荡成为了现代电力系统大力发展需要面对的主要问题。
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1.2 国内外发展状况
1.2.1 基于时滞电力系统输入信号有效选择问题研究现状
WAMS 广域信息在网络传输中对电力系统的监测及稳定运行提供了重要的实时数据。随着广域测量系统的应用地位逐渐提高，可供系统选择的信号范围扩展到整个系统的各种电气量，种类数量繁多的信号不利于系统控制，因此基于广域电力系统的输入反馈信号有效选择成为新的研究热点。
针对广域电力系统中存在种类繁多且数量庞大的无效控制信号的问题。目前，相对增益矩阵[5]（Relative Gain Matrix，RGA），最小奇异值[6]（Minimum Singular Value，MSV），汉克尔奇异值方法[7]（Hankel Singular Value，HSV），普罗尼法（Prony）[8]等方法都用于研究控制信号的有效选择。
贺静波[11]提出了一种借助留数方法对信号进行选择的算法，提出了主模比指标，用来提高控制系统的输出阻尼，根据阻尼数值大的指标来选择有效的广域反馈信号。戚军[12]针对控制信号选择提出了一种依靠时滞敏感程度的信号优化选择的指标，指标通过控制时滞容忍程度的参数（TDSI）对信号进行筛选，借助李雅普诺夫函数实现，并通过 3机 39 节点测试系统对信号选择进行验证，仿真结果证明本文提出 TDSI 指标较小的控制信号能够快速地平息低频振荡。汪娟娟[13]针对信号有效选择通过留数提出一种直流附加控制器的有效选择方法，并通过 RGA 方法考虑广域多直流附加控制回路的交互影响，确定控制点的最佳直流调制信号。陈刚[14]提出了一种基于综合几何指标来判断所选控制信号优劣的方法，并通过四机两区系统对所选信号在电力系统的稳定性进行了验证，达到所提指标的信号能够有效的抑制低频振荡。李鹏[15]提出了一种基于主模比指标作为广域控制信号的选择依据，在实际工程中与留数，几何方法进行对比阻尼控制器效果，得出主模比方法是筛选最优信号的合适方法。马静[16]基于贡献分级提出一种优选反馈信号的方法，借助贡献因子来衡量信号对系统阻尼的影响，通过 IEEE 四机系统进行仿真，表明贡献因子高的信号能够提高系统的阻尼水平。褚晓杰[17]提出一种基于频域子空间辨识和集结理论的控制信号选取的方法。通过对电力系统的仿真模型进行优化，从而减少误差，通过更真实的电力系统对广域控制信号选取，优化模型的方法能够减少计算量，
在实际电网中有一定的可行性。仿真分析表明选取信号能够优化对广域电力系统的稳定控制。李安娜[18]在针对广域电力系统稳定运行时如何选取合适的控制信问题，在广域测量系统的基础上，基于 HSV 方法对是实测信号进行有效选择，通过对 Prony 算法进行改进与滤波器结合对实时信号进行选择，并通过四机两区系统进行仿真验证，给出广域电力系统信号在线选择方法。
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第二章 广域电力系统反馈信号的优化选择
2.1 系统模型与基本理论
2.1.1 含干扰电力系统模型
根据广域电力系统的实际运行情况，构造广域电力系统真实模型[64]，如图 2-2 所示。简化的系统模型，能够更加准确地模拟电力系统在信号选择优化时的问题。在真实系统中，存在多个干扰信号，本文是以两个干扰信号为例[48]。
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2.2 基于 KPCAK 信号选择优化方法
2.2.1优化选择方法步骤
基于上述相关基本理论和定理，提出一种基于 KPCA 选择和卡尔曼滤波器优化的信号优化选择方法，信号选择方法步骤的流程图如图 2-4 所示，具体步骤如下：
第一步：从新英格兰实际系统中读取 45 分钟系统运行的各个地区的所有参数的电气量，进行统计。分别为效电流值 IM，相电流 IA,有效电压值相角 VA,相电压值 VM，频率 F；
第二步：对已经得到 PMU 采样信号进行预处理，剔除异常数据和滤波处理，得到便于处理的目标信号，便于对信号进行选择；
第三步：根据 KPCA 核主成分分析，由于信号复杂且是高维，首先将所得信号映射到高维空间，将所有信号转化为线性信号，根据核主成分贡献率 Yi 对信号的有效性进行筛选，如果所有信号的贡献率都低于标准，不满足输出条件，则返回至第一步重新对系统信号数据进行提取；
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3.1 基于随机时滞的分布规律 ........................... 23
3.1.1 广域电力系统随机时滞 ............................ 23
3.1.2 基于 t 分布时滞分割理论 ...................... 24
第四章 ε 权衡“阻尼-时滞”控制器参数优化设计 ................... 36
4.1 广域时滞电力系统模型建立 .......................... 36
4.2 广域时滞电力系统模型降阶 ......................... 37
第五章 RTDS 实验 ..................................... 44
5.1 RTDS 实验介绍 ................................ 44
5.1.1 RTDS ..................................... 44
5.1.2 RTDS 实验流程 ................................. 45
第五章 RTDS 实验
5.1 RTDS 实验介绍
5.1.1 RTDS
电力系统的仿真研究方法主要分为动态模拟和数值仿真。虽然系统的动态模拟，数值仿真都能够对系统的实时运行状态进行计算，但并不能起到实时监测以及对实际的控制装置的作用，会导致电力系统仿真存在误差。RTDS 能够脱离传统的机电暂态建模，可以连接二次设备，可以在监测的同时对设备进行测试实验并做出判断，能够更加真实地还原真实广域电力系统，使仿真检测更加具有说服力。RTDS（Real-time Digital Simulator）是一种大型电力系统仿真实验设备台包含测量、通信和控制执行功能的实时在线控制功能。实验装置台由工作基站，机柜（Cubic），RACK,各种处理器卡（TPC,3PC等）,I/O 接口卡等组成。目前，电力系统实时在线仿真平台有很多如 RTDS,ADPSS（中国电力科学研究院）,HYDERSIM（加拿大魁北克）,ARENE（法国电力公司）等，但 RTDS是世界上模拟最为精确且最受认可的设备。
南方电网已经能够成功克服了 500KV 以上的交直流线路，能够完成广域电力系统电网安全的 RTDS 实验。通过模拟南方电网的 RTDS 实验相比于 MATLAB 离线仿真有两方面进步，一方面可以检验实际电力系统运行情况下是否能够提高系统阻尼并抑制低频振荡现象；另一方面，还原真实电力系统控制信号、信号的通信时滞广域电力系统带来的真实的影响。RTDS 实验需要在主控制站建立南方电网系统模型，控制器中设置 PSS参数，控制信号及支路测量点。同步相量测量屏中对广域电力系统运行参数进行记录分析，协调控制屏柜中能够实时对系统中存在的故障进行处理。对整个实验记录的信息和数据对广域电力系统的阻尼控制进行分析。图 5-1 所示内容为 RTDS 实验的操作步骤及流程。图 5-2 所示为南方电网科学研究院正在使用的 RTDS 实验台，用于南方电网小湾和金安桥等站的孤岛试验。孤岛试验指仅发电机或电站直接接入换流站，与当地主网共同运行，此时区域电网的频率，电压波动较大，易产生低频振荡现象，需要 RTDS 设备进行实验并采取特殊措施。
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本文针对提出的三个前沿问题，分别针对现有技术方法进行了研究并改进，并在MATLAB 和 RTDS 实验进行了仿真验证，仿真结果一定程度上揭示了本文方法的可行性，为研究广域电力系统的低频振荡问题提供了思路，具体结论有三个方面。
(1) 由于 WAMS 对广域电力系统起到的保护作用，越来越依靠 WAMS 所采集的信号的有效性对广域系统进行作用 ，基于 KPCA 方法和卡尔曼滤波方法对 PMU信号进行有效选择，提出一种基于 KPCAK 方法的信号有效选择方法，通过MATLAB 对信号进行选择，并通过四机两区系统进行算例仿真，与贡献因子方法进行对比分析，通过 RTDS 设备上对南方电网进行实验。本章所提信号选择方法，能够选择出稳定的信号，并且作为激励信号时，使系统的转子角与有功功率稳定时间减少 3 秒左右，再考虑信号有效性后进一步对信号的通信时滞进行研究，提高 WAMS 对系统的控制能力。
（2) 在广域电力系统信号有效性的基础上，针对信号传输存在的通信时滞问题，提出一种基于 t 分布的改进 Prony 方法时滞补偿器设计，依据随机时滞分布规律对通信时滞进行预测补偿，通过改进 Prony 方法得到时滞补偿器结构；在四机两区系统模型上进行仿真后在 RTDS 上继续进行验证，对比转子角和功率的振荡曲线能够快速稳定。输出响应与控制器模型输出响应基本一致，补偿后的信号能有效地对系统进行实时监测并抑制低频振荡。
参考文献（略）