基于CVT量测数据的谐波电压相量重构与谐波状态估计

作     者：刘佳妮 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：司马文霞

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：电容式电压互感器 频率响应特性 同步相量数据 电压重构 谐波状态估计 

摘      要：谐波状态估计对新型电力系统复杂谐波定位、溯源和管理具有重要意义,且高度依赖于同步相量数据。而现有同步相量监测装置大多仅能采集系统工频相量而难以适用于谐波监测。同时,电容式电压互感器(capacitive voltage transformer,CVT)作为同步相量监测装置的主要电压数据来源,其谐波量测特性呈现复杂的频率依赖特征,不宜进行谐波电压量测,无法满足同步相量量测系统对数据来源的准确度要求,导致工程中难以实现大规模谐波状态精准估计。因此,需基于电力系统运行现状,考虑CVT的量测特性,探究降低谐波信号量测误差的方法,从而搭建基于CVT量测数据的谐波电压相量重构与谐波状态估计模型,为后续精准的谐波监测与治理提供基础数据。同步相量的量测准确度决定了谐波状态估计的精度。因此,本文首先介绍了现有同步相量量测系统的局限性,并结合CVT实际参数分析谐波电压量测误差的成因,表征其谐波量测的频率依赖特征;扩展现有研究的数据频率量测范围与应用功能,构建基于CVT电压重构的谐波状态估计框架,并建立数学模型;介绍谐波状态估计算法,针对CVT的复杂量测特性研究重构因子构建方法,提出重构因子的参数辨识方法;最后,为验证本文算法的鲁棒性,改变试验参量观察谐波状态估计效果。论文的主要研究工作及重要成果如下:(1)搭建基于CVT电压重构的谐波状态估计框架。介绍了同步相量量测技术的功能和电信号转换过程,其中由于谐波信号被当作干扰信号加以滤除,谐波的监测需求无法实现;针对作为谐波监测系统主要数据源的CVT,研究其结构和工作原理,并在ATP-EMTP中搭建CVT等效电路模型,利用级联分级分析方法研究CVT进行谐波电压量测时的幅频和相频特性。结果表明CVT在进行谐波信号量测时呈现非常复杂的频率依赖特性,需将同步相量准确测量的范围由基频扩宽到宽频,并降低CVT的谐波量测误差,因此提出了基于CVT量测数据的谐波状态估计的改进方案,为直接利用CVT量测电压进行全网谐波状态监控提供可行性框架。(2)构建基于CVT电压重构的谐波状态估计模型。根据提出的基于CVT电压重构的谐波状态估计框架构建对应的数学模型,利用散射参数法获取CVT频率特性并提出重构因子的构建和辨识方法,应用于PMU转换后的初始谐波电压相量,并采用正交匹配追踪算法作为求解工具,实现全系统的谐波状态估计。对比研究谐波电压重构前后的状态估计结果,证明了本文算法可以实现谐波电压误差的补偿校正,进而大幅提高谐波电流估计的精度,具有较强的准确性和必要性。(3)验证基于CVT电压重构的谐波状态估计算法的鲁棒性。针对重构算法和状态估计算法两部分,分别改变CVT的结构和开展CVT量测数据及重构矩阵两种误差扰动的研究,观察谐波状态估计性能的变化,证明了本文算法具有抗干扰能力强的优点;改变CVT空间配置的一致性,非谐波源节点状态估计召回率大幅降低,验证了重构环节的必要性;根据节点敏感因子大小降低系统可观性,证明了在保证与谐波源节点直接相连的节点可观时逐渐减少量测配置,算法准确性依旧较高;拓宽谐波源的频带范围,并且在更大规模的IEEE 118节点系统开展实验,验证了算法的通用性。本文重点针对当前基于CVT的同步电压相量测量误差导致谐波状态估计精度受影响的问题,从电压相量角度考虑CVT宽频传递特性,提出了一种基于CVT量测数据的谐波电压相量重构与谐波状态估计方法,研究结果表明:本文提出的算法能大幅提升谐波状态评估精度,同时具有较强的抗干扰性和通用性,能够为谐波定位和溯源等研究提供基础数据。