東北電力大學(xué)李國慶教授科研團(tuán)隊依托電力系統(tǒng)安全運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，主要開展電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、柔性直流輸電技術(shù)、可再生能源集成、輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、電能質(zhì)量、綜合能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。

團(tuán)隊擁有教授5人、副教授7人，講師6人；博士生導(dǎo)師6人，碩士研究生導(dǎo)師15人；團(tuán)隊有9名成員分別在田納西大學(xué)(UTK)、北卡羅萊納州立大學(xué)(NCSU)、北卡羅萊納大學(xué)夏洛特分校(UNCC)、麥吉爾大學(xué)(McGill University)等國外高校和科研機(jī)構(gòu)留學(xué)與研修一年以上；先后培養(yǎng)博士研究生12人，碩士研究生300余人。

近年來，團(tuán)隊承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金委員會-國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)聯(lián)合基金、國家自然科學(xué)基金項目和吉林省“雙十工程”重大科技攻關(guān)項目等國家、省部級科研項目70余項；承擔(dān)國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、發(fā)電集團(tuán)等科技項目150余項。獲國家科技進(jìn)步獎二等獎2項、省部級科技進(jìn)步一等獎4項、省部級科技進(jìn)步二等獎10項、省部級科技進(jìn)步三等獎2項。發(fā)表論文400余篇，其中SCI/EI期刊論文300余篇，ESI熱點論文3篇、高被引論文13篇，出版專著1部；獲授權(quán)發(fā)明專利50余項，美國發(fā)明專利1項。

研究背景

隨著我國區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的日益擴(kuò)大、新能源的大規(guī)模并網(wǎng)以及空調(diào)和工業(yè)電動機(jī)負(fù)荷的不斷增加，電力系統(tǒng)運(yùn)行工況愈加復(fù)雜多變，暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題更加復(fù)雜，采用時域仿真法來評估暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)，難以滿足暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)實時評估的需要，亟需發(fā)展新的技術(shù)手段來解決該問題。

電力系統(tǒng)振蕩過程中電壓相位變化和電壓時間序列數(shù)據(jù)測量誤差是制約暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估模型構(gòu)建的主要瓶頸，為此，本文提出了一種基于相位校正李雅普諾夫指數(shù)的電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估方法，以實現(xiàn)暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)的快速、準(zhǔn)確評估。

論文所解決的問題及意義

由于電力系統(tǒng)中直流輸電、新能源等電力電子設(shè)備的增多，以及電力電子設(shè)備的復(fù)雜調(diào)控過程，故障后的系統(tǒng)電壓振蕩特性更加復(fù)雜，采用電壓時間序列數(shù)據(jù)計算最大李雅普諾夫指數(shù)時將存在如下困難：（1）需解決因電壓振蕩過程中相位變化引起的時間窗口長度選取困難；（2）需抑制PMU測量誤差對暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果的影響。

本文提出一種基于相位校正李雅普諾夫指數(shù)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估方法。

首先，根據(jù)相空間重構(gòu)理論及節(jié)點電壓幅值變化率-偏差的變化規(guī)律，將暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估問題轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵節(jié)點電壓幅值變化率的最大李雅普諾夫指數(shù)軌跡分析問題；然后，在保留暫態(tài)電壓動態(tài)過程的情況下利用相位矯正方法重構(gòu)初始時間窗口數(shù)據(jù)，消除電壓相位變化的影響，克服了現(xiàn)有基于最大李雅普諾夫指數(shù)進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估時，需預(yù)設(shè)初始時間窗口和觀測窗口長度的缺陷，進(jìn)一步通過滑動平均值法抑制測量誤差的影響，實現(xiàn)暫態(tài)電壓穩(wěn)定和失穩(wěn)狀態(tài)的準(zhǔn)確評估。

論文方法及創(chuàng)新點

基于相位校正李雅普諾夫指數(shù)（PCMLE）的暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估是通過合理選擇主導(dǎo)電壓分量類型和數(shù)量來高精度擬合初始時間窗口的電壓時間序列數(shù)據(jù)，有效計及直流電壓分量對電壓時間序列數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的影響，進(jìn)而借助主導(dǎo)電壓分量重構(gòu)初始時間窗數(shù)據(jù)，待監(jiān)測的電壓時間序列數(shù)據(jù)依然通過實測數(shù)據(jù)計算電壓幅值變化率，可在保留暫態(tài)電壓動態(tài)過程的前提下，有效避免故障切除后電壓振蕩過程中相位變化對暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果的影響，并引入控制參數(shù)調(diào)節(jié)電壓時間序列數(shù)據(jù)的時間間隔，平抑測量誤差對暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果的干擾。

（1）暫態(tài)電壓穩(wěn)定和失穩(wěn)兩種場景下暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果如圖1所示。可知，本文方法能快速判別暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)，有效縮短觀測窗口長度。

圖1 電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果

（2）暫態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓失穩(wěn)場景的抗噪性能測試如圖2所示。本文方法相較于MLE具有較強(qiáng)的抗干擾能力，即使測量信號存在SNR為10dB的噪聲，仍能準(zhǔn)確判別電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 干擾信號對暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估結(jié)果的影響

結(jié)論

本文提出一種基于PCMLE的電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估新方法，通過修改后IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)和南方電網(wǎng)實際系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析、驗證，相關(guān)結(jié)論如下：

圖3 相位校正前后電壓幅值變化率

（1）所提方法實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)評估，通過電壓時間序列數(shù)據(jù)在v′?Δv平面上能否匯聚來表征暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)，將暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵節(jié)點電壓幅值變化率的PCMLE軌跡問題，具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。

（2）本文所提PCMLE方法能快速判別暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)，有效縮短觀測窗口長度，且適用于暫態(tài)電壓延時失穩(wěn)場景，在不同新能源接入量和柔性直流傳輸功率下，PCMLE依然能快速、準(zhǔn)確的實現(xiàn)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估狀態(tài)判別。

（3）本文所提PCMLE方法相較于MLE具有較強(qiáng)抗噪能力，在信噪比為10dB的量測信息中仍能準(zhǔn)確判別暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)，且適用于不同故障場景的暫態(tài)電壓穩(wěn)定狀態(tài)判別，具有的較強(qiáng)魯棒性。

引用本文

王長江， 姜濤， 陳厚合， 李國慶， 劉福鎖. 基于相位校正李雅普諾夫指數(shù)的電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2021, 36(15): 3221-3236. Wang Changjiang, Jiang Tao, Chen Houhe, Li Guoqing, Liu Fusuo. Transient Voltage Stability Assessment of Power Systems Based on Phase Correction Maximum Lyapunov Exponent. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3221-3236.