火电机组功率振荡快速判别算法的软件模块化实现方法与流程

本发明涉及智能电网，更具体地说，本发明涉及火电机组功率振荡快速判别算法的软件模块化实现方法。

背景技术：

1、随着智能电网建设的持续推进，同步电网规模不断扩大，火电机组作为电网中的主力调频与有功支撑电源，其运行动态直接关系到电力系统的功角稳定与频率稳定。功率振荡是电力系统运行中常见的动态稳定问题，尤其低频振荡易在区域电网间传播扩散，严重时可引发电网解列事故。当前针对火电机组功率振荡的判别多依托同步相量测量装置采集的电气量数据，通过时域波形分析、频域特征提取算法实现振荡事件的识别，部分方案采用软件化部署方式将判别算法集成于电网监控系统中，为电网运行人员提供振荡预警信息。

2、现有火电机组功率振荡判别技术能够基于电气量数据完成基本的振荡事件识别，在对称工况下的电网侧振荡判别场景中具备一定的适用性。但在实际应用中仍存在多方面不足：其一，判别维度单一，虽然能够依赖电网侧电气量数据开展分析，但缺乏融合原动机侧的机械运行参数进行交叉校验，易将汽轮机调速系统波动、蒸汽压力脉动等机械侧扰动引发的功率波动误判为电网侧振荡，判别准确率难以保障，且难以实现振荡源的侧别定位；其二，软件架构多采用串行处理模式，数据采集、特征计算、判别输出依次执行，数据传输与处理时延较长，同时滑动窗全量重复计算的方式占用算力资源较高，难以满足智能电网对功率振荡快速判别、低资源占用的实时性需求；其三，判别功能局限于振荡事件的有无识别，难以对振荡的机电耦合强度、传递特性、阻尼水平等深层属性进行量化解析，难以支撑电网稳定分析的精细化需求；其四，对三相不对称工况的影响考虑不足，当电网出现非全相运行、不对称故障等工况时，负序分量会叠加于振荡信号中，导致振荡强度与频率的判别结果出现偏差，适用场景受限。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供火电机组功率振荡快速判别算法的软件模块化实现方法，通过构建并行总线式的软件模块架构，搭配双路环形缓存、流水线特征计算、滑动窗增量递推的软件实现方法，融合电气侧与机械侧多源运行参数进行振荡特征的耦合分析，在实现振荡事件快速精准判别的同时完成振荡源的侧别定位与扰动类型细分，并可解析振荡的耦合强度、阻尼特性与主导类型，同时具备不对称工况下的结果修正能力，适配智能电网的稳定运行监测需求，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：火电机组功率振荡快速判别算法的软件模块化实现方法，包括：

3、s1、获取原始振荡数据执行双路并行缓存与三次样条插值重采样，完成时基对齐与标幺值归一化处理，生成时间轴同步的标准化时序数据序列；

4、s2、采用三级流水线架构对标准化电气侧时序数据进行希尔伯特变换解调，提取电气振荡瞬时特征，并完成振荡事件基础识别；

5、s3、采用同源时钟触发机制对标准化机械侧时序数据进行希尔伯特变换解调，提取与电气侧时序对齐的机械侧振荡瞬时特征；

6、s4、通过滑动窗增量递推算法对双侧振荡瞬时特征开展时域相关性计算与频率一致性融合，生成连续量化的机电耦合度指标；

7、s5、以机电耦合度为权重融合相位能量传递因子与幅值主导度，开展分层递进式振荡源定位，并通过条件触发机制完成原动机侧扰动类型细分；

8、s6、依据机电耦合度的数值区间自适应加载对应解析单元，对振荡进行多维度特性解析；

9、s7、基于正负序电压振荡幅值比对有功振荡幅值进行不对称分量剥离，通过双缓冲区反向广播机制实现链路幅值数据的同步修正；

10、s8、对振荡判别结果与特征参数进行标准化数据封装与循环历史缓存，输出结构化判别信息并支撑振荡事件回溯分析。

11、优选的，所述原始振荡数据包括电气侧数据和机械侧数据；所述电气侧数据来源于同步相量测量装置，包含发电机三相总有功功率低频振荡瞬时值、发电机机端基波正序电压幅值低频振荡瞬时值、发电机机端基波负序电压幅值低频振荡瞬时值以及发电机端频率低频振荡瞬时值；所述机械侧数据来源于分散控制系统，包含汽轮机调节级后蒸汽压力低频振荡瞬时值、汽轮机转速低频振荡瞬时值以及汽轮机调速器阀门开度指令低频振荡瞬时值；所述双路并行缓存与三次样条插值重采样采用双路独立环形缓冲区架构实现，分别对应电气侧数据通道与机械侧数据通道，两路数据可无阻塞并行写入缓冲区，互不干扰；插值重采样以gps同步时标为统一基准，对两类不同采样速率的数据执行三次样条插值运算，将异采样率数据统一为相同时间间隔的同步点序列；所述时基对齐通过插值重采样消除两类数据的时基偏差，统一后的同步采样间隔记为；所述标幺值归一化以各参数的额定值为基准，对所有时序数据进行标幺值转换，消除不同量纲对后续耦合计算的影响。

12、优选的，所述三级流水线架构依次划分为数据分帧单元、正交变换单元、特征解算单元，三个单元逐点流水作业，稳态连续运行状态下，单采样点数据的整体处理时延不超过一个同步采样间隔；所述对标准化电气侧时序数据进行希尔伯特变换解调的方式为：基于希尔伯特变换对各电气振荡信号构造解析信号，完成瞬时特征的解调提取；对第k时刻发电机三相总有功功率低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到有功振荡希尔伯特正交分量，进而构造有功振荡解析信号：，其中j为虚数单位；所述电气振荡瞬时特征包含有功振荡、正序电压振荡、负序电压振荡、频率振荡四类信号的瞬时幅值、瞬时相位与瞬时频率特征：基于解析信号获取有功振荡的瞬时幅值；采用四象限反正切函数获取有功振荡的瞬时相位；进一步获取有功振荡的瞬时振荡频率，其中为同步采样间隔，为第k-1时刻有功振荡的瞬时相位；同时，对第k时刻发电机机端基波正序电压幅值低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到对应的正交分量并构造正序电压振荡解析信号，进而得到正序电压振荡的瞬时幅值与正序电压振荡的瞬时相位；对第k时刻发电机机端基波负序电压幅值低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到对应的正交分量并构造负序电压振荡解析信号，进而得到负序电压振荡的瞬时幅值；对第k时刻发电机端频率低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到对应的正交分量并构造频率振荡解析信号，进而得到频率振荡的瞬时相位；所述振荡事件基础识别基于有功振荡的瞬时幅值生成判别结果，当瞬时幅值持续超过设定的振荡启动幅值阈值时，判定当前发生功率振荡事件。

13、优选的，所述对标准化机械侧时序数据进行希尔伯特变换解调的方式为：对各机械振荡信号依次执行希尔伯特变换、解析信号构造与特征量解算，提取对应瞬时特征；对第k时刻汽轮机调节级后蒸汽压力低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到蒸汽压力振荡希尔伯特正交分量，构造蒸汽压力振荡解析信号；基于解析信号得到蒸汽压力振荡的瞬时幅值、蒸汽压力振荡的瞬时相位，并通过相邻采样点相位差获取蒸汽压力振荡的瞬时振荡频率，其中为同步采样间隔，为第k-1时刻蒸汽压力振荡的瞬时相位；对第k时刻汽轮机转速低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到对应的正交分量并构造转速振荡解析信号，进而获取转速振荡的瞬时相位；对第k时刻汽轮机调速器阀门开度指令低频振荡瞬时值进行希尔伯特变换，得到对应的正交分量并构造阀门开度振荡解析信号，进而得到阀门开度振荡的瞬时相位。

14、优选的，所述滑动窗增量递推算法的核心机制为预存并维护滑动窗内五项统计累计量，分别为有功振荡幅值累计和、蒸汽压力振荡幅值累计和、两类幅值交叉乘积累计和、有功幅值平方累计和、蒸汽压力幅值平方累计和；当新采样点进入分析窗时，仅从五项累计量中剔除最早出窗采样点的对应贡献值、叠加最新入窗采样点的对应贡献值，无需对全窗所有采样点进行重复求和运算，将单步计算复杂度从线性阶降至常数阶；所述时域相关性计算基于增量更新后的累计量开展，由于输入信号为经带通滤波提取的低频振荡分量，直流分量近似为零，满足时域相干系数的计算前提，计算当前窗内有功振荡的瞬时幅值与蒸汽压力振荡的瞬时幅值的时域相干系数；所述频率一致性融合用于计算当前时刻有功振荡的瞬时振荡频率与蒸汽压力振荡的瞬时振荡频率的瞬时频率偏差；并结合时域相干系数与瞬时频率偏差融合计算机电耦合度。

15、优选的，所述相位能量传递因子基于双侧相位差计算得到，所述幅值主导度基于双侧幅值相对强弱计算得到；其中，计算相位差前先对所有瞬时相位序列执行相位解绕处理：逐点比对相邻采样点的相位值，若当前采样点与上一采样点的相位差值绝对值大于，则将当前采样点相位对应加减，使相邻相位差的绝对值小于，消除相位周期性跳变带来的数值突变；对有功振荡的瞬时相位、蒸汽压力振荡的瞬时相位、频率振荡的瞬时相位、转速振荡的瞬时相位分别执行上述相位解绕处理后，获取能量传递方向因子；同时获取单侧幅值主导度；所述分层递进式振荡源定位采用三层计算单元按流水线级联部署，第一层能量传递方向因子计算完成后自动触发第二层单侧幅值主导度计算，第二层计算完成后自动触发第三层综合偏向系数融合计算；以机电耦合度为权重，融合能量传递方向因子与单侧幅值主导度，得到综合振荡源偏向系数；所述原动机侧扰动类型细分的方式为：针对原动机侧主导的振荡场景采用条件触发机制，仅当综合振荡源偏向系数为负值时，才加载并执行扰动类型细分算子，非触发状态下细分算子处于休眠状态以节省算力；触发后分析原动机侧扰动细分系数。

16、优选的，所述机电耦合度的数值区间分为低值区间与高值区间，作为自适应加载的判定依据；所述自适应加载对应解析单元指解析引擎预先建立机电耦合度与解析维度的映射关系，机电耦合度处于低值区间时，引擎仅加载振荡阻尼比计算单元与电气振荡主导系数计算单元；机电耦合度处于高值区间时，引擎自动挂载机电振荡有效耦合复增益计算单元；所述多维度特性解析用于获取机电振荡有效耦合复增益、振荡阻尼比以及电气振荡主导系数：当机电耦合度处于高值区间时，挂载耦合复增益计算单元，计算机电振荡有效耦合复增益，其中为当前滑动分析窗内有功振荡的瞬时幅值的最大值，为当前滑动分析窗内蒸汽压力振荡的瞬时幅值的最大值，为当前滑动分析窗内有功振荡的瞬时相位与蒸汽压力振荡的瞬时相位差值的平均值，j为虚数单位；基于连续滑动窗的振荡幅值变化，采用递推方式计算振荡阻尼比，其中为间隔w个采样点后的有功振荡的瞬时幅值，为两个幅值采样点之间的时间间隔，其中为同步采样间隔，为当前滑动分析窗内有功振荡的瞬时振荡频率的平均值；计算电气振荡主导系数，辨识振荡的主导类型：。

17、优选的，所述不对称分量剥离基于负序电压占比生成不对称修正系数，对有功振荡幅值进行干扰分量剔除；计算当前时刻不对称修正系数；基于不对称修正系数对有功振荡的瞬时幅值进行不对称分量剥离，得到修正后的有功振荡瞬时幅值；所述双缓冲区反向广播机制指修正后的数据通过内部并行总线的反向专用通道进行广播，所有上游计算模块依据采样点序号完成对应数据的原位替换；模块内置双缓冲区，修正过程中先将新幅值数据写入备用缓冲区，待全采样点校验时序一致后，一次性切换为主工作缓冲区。

18、优选的，所述振荡判别结果与特征参数包含振荡事件判别结果、综合振荡源偏向系数、原动机侧扰动细分系数、机电耦合度、机电振荡有效耦合复增益、振荡阻尼比、电气振荡主导系数、不对称修正系数以及有功振荡主导频率，输入结果输出模块；所述标准化数据封装按照电力系统通用通信协议格式对所有信息进行结构化封装；所述循环历史数据缓存采用内置循环历史数据库，以先进先出机制缓存原始采样数据、中间特征数据与最终结果数据，支持振荡事件的回溯回放与离线分析；所述结构化判别信息通过标准通信接口输出至电网稳定监控系统；所述振荡事件回溯分析依托历史缓存数据实现，可用于离线故障复盘与算法迭代优化。

19、本发明的技术效果和优点：

20、1、本发明通过融合电气侧与机械侧多源运行参数，采用能量传递方向因子与单侧幅值主导度分层融合的方式量化计算综合振荡源偏向系数，改变了传统单一依赖电气量的判别模式，可有效区分机械侧扰动与电网侧振荡，避免了单侧数据判别带来的误判问题；同时可进一步细分原动机侧的扰动来源，显著提升了功率振荡判别的精准度，能够为电力系统稳定分析提供源侧定位支撑；

21、2、本发明通过并行总线式软件模块化架构，搭配双路独立环形缓存接入、三级流水线特征提取、滑动窗增量递推统计计算的组合技术手段，得到低时延、低算力消耗的实时运算链路，解决了背景技术中串行处理架构数据传输与处理时延较长、滑动窗全量重复计算算力资源占用较高、难以满足实时性需求的问题，将单步统计计算复杂度从线性阶降至常数阶，稳态下单采样点处理时延不超过一个同步采样间隔，适配电网运行监测场景下的实时性要求，同时模块化架构具备良好的可扩展性，便于后续电网稳定监控功能的升级迭代；

22、3、本发明通过基于机电耦合度映射的自适应解析引擎与动态模块加载机制，得到机电振荡有效耦合复增益、振荡阻尼比、电气振荡主导系数的多维度量化解析结果，解决了背景技术中虽能识别振荡事件有无，但难以量化解析振荡机电耦合强度、传递特性、阻尼水平等深层属性、难以支撑精细化稳定分析的问题，实现了振荡传递特性、衰减趋势、主导类型的有效刻画，可为电力系统频率稳定评估、低频振荡抑制策略制定提供精细化的数据支撑；

23、4、本发明通过基于正负序电压幅值比的不对称分量剥离方法，结合双缓冲区原子切换与反向广播的全链路同步修正机制，得到三相不对称工况下校准后的有功振荡幅值与全链路一致的判别数据，解决了背景技术中对三相不对称工况的影响考虑不足、负序分量叠加导致振荡强度与频率判别结果出现偏差、适用场景受限的问题，解决了非全相运行、不对称故障等工况对振荡判别的干扰，拓宽了功率振荡判别算法在复杂电网运行工况下的适用范围，提升了电网电能质量监测与稳定分析的可靠性。