基于累积和事件段识别与改进谱聚类的锂离子电池储能系统内短路故障检测方法

锂离子电池系统的内短路故障可能导致严重安全事故,其检测受到在线检测实时性以及故障特征获得性制约,是当下锂离子电池储能系统安全运行亟待解决的问题。该文提出一种基于累积和(cumulative sum,CUSUM)事件段检测与改进谱聚类的锂离子电池储能系统内短路故障检测方法。首先,考虑内短路故障时的电压/温度变化特性,基于累积和事件突变点识别方法,识别疑似内短路故障事件段。其次,构建三维故障特征,刻画检测对象内短路故障特征属性。然后,构建基于Wasserstein测度的内短路故障特征距离矩阵,检测三维空间各点稀疏特性,客观划定故障聚类,实现内短路故障检测。搭建锂离子电池内短路实验平台、建立锂离子电池电–热耦合仿真模型,算例结果表明该文方法能够准确识别疑似内短路故障事件段,在不同串并联形式及故障类型下实现故障检测,证明了该文方法的正确性与可行性。

基于用户生产场景辨识的电压暂降经济损失评估

准确评估工业用户电压暂降经济损失,是制定治理方案、估算赔偿金额的前提。针对现有评估方法未考虑实际生产场景多变、先验数据有限的问题,提出了考虑用户生产场景变化的电压暂降经济损失评估方法。首先,基于奇异值分解以及K最邻近算法检测过渡区间,进行功率数据分段,并构建功率数据特征指标体系,准确刻画功率数据特性;其次,提出基于改进生成对抗网络(generative adversarial networks,GAN)的数据增强模型,通过引入特征损失提高生成数据质量并保证多样性,解决先验数据有限问题;再次,混合生成数据及先验数据,构建用户生产场景辨识模型,实现用户生产场景的有效辨识;最后,根据电压暂降发生时刻的生产场景明确生产线运行状态,结合各生产场景下的工业过程中断次数及生产线中断损失,实现电压暂降经济损失的准确评估。通过算例验证了该文方法的有效性和准确性。

专栏评述:新型电力系统

在国家大力推进清洁能源战略、“双碳”目标、新质生产力发展的重要历史阶段,聚焦电能供应侧清洁低碳化、输配电网侧数字化智能化、电能消费侧优质高效化,坚持需求导向和目标导向,面向国家战略需要,推进新型电力系统前沿基础理论和关键核心技术发展,服务国家新能源体系和新型电力系统建设,支撑国家能源安全和经济安全,具有重要科学价值和工程意义。为此,四川大学主办的《工程科学与技术》期刊,专门开辟了“新型电力系统”专栏,为国内外能源电力领域学者提供了一流交流平台。

基于RBF神经网络的光伏并网系统自适应等效建模方法

针对广义负荷建模中的光伏并网系统模型难以适应不同逆变器控制和频率扰动的动态响应问题,提出了一种基于径向基函数(radialbasisfunction,RBF)神经网络的光伏并网系统自适应等效建模方法。首先,建立了光伏并网逆变器不同控制策略响应波形的检测判据。然后,构建了以电压-频率扰动为输入,有功功率和无功功率为输出的光伏并网系统RBF神经网络模型。最后,在Matlab/Simulink中搭建了光伏并网系统模型,并将其接入IEEE14节点配电网进行仿真验证。结果表明,构建的光伏并网自适应等效模型能够有效辨识电压频率给定控制、有功无功给定控制、下垂控制策略类型,能够准确反映光伏并网系统在不同电压、频率扰动下的有功功率、无功功率的动态响应特性。

附加频率控制下并网换流器的动态惯量及其量化评估

新能源大规模并网显著降低了交流系统惯量,并网换流器参与频率控制成为提升频率稳定性的重要手段。基于传递函数模型推导了附加频率控制下并网换流器的动态惯量,发现其受惯量设计参数和其他控制环节的共同影响,呈现时变特性,但是将其简化为与同步发电机旋转惯量类似的常数会导致分析误差。为此,面向定直流电压控制和定功率控制这两类主流的并网换流器控制方式,提出了附加频率控制下并网换流器动态惯量的量化评估方法,分析了控制参数、运行工况和系统特性等不同因素对惯量的影响机制,得到了有功控制外环会显著改变原有设计惯量的结论,需重点关注其控制参数导致的惯量偏差。最后,基于在Simulink中搭建的时域仿真模型,验证了所提传递函数模型及惯量量化评估方法的正确性和有效性。

基于核心关联指标和虚拟等值电阻的台区理论线损计算

为提升传统线损计算方法的适用性和准确性,解决基于神经网络的线损计算方法的可解释性问题,提出了基于核心关联指标和虚拟等值电阻的台区理论线损计算模型。首先,提出了线损核心关联指标筛选方法,引用灰色关联度算法,计算线损关联指标与线损的相关性,筛选出核心线损关联指标,提高了模型的可解释性。其次,提出了物理-数据双驱动的理论线损计算模型,该模型考虑核心关联指标,以虚拟等值电阻替代传统等值电阻实现线损计算,提升了模型的适用性和准确性。然后,提出了基于二阶锥算法的参数估计方法,构建以理论线损改进值与实际值的方差最小的目标函数,以各类关联指标的临界值为约束条件,求解模型的参数。最后,应用实际监测数据和仿真模型数据,验证了文中所提方法的有效性和适用性。

计及占用影响的集成楼宇暖通空调负荷群配电网优化方法

提出了一种考虑人员占用影响的集成楼宇暖通空调(heating,ventilation and air conditioning,HVAC)负荷群配电电网优化方法。首先,依据建筑围护热阻热容网络和配电网支路潮流方程构建了集成暖通空调负荷群配电网数学模型。其次,利用梯形隶属度函数模糊化占用人数并考虑其对暖通空调负荷温度调控的影响,形成包含占用松弛函数约束的暖通空调负荷群与配电网联合优化方法。最后,通过模型预测控制方法实现了集成楼宇暖通空调负荷群配电网的滚动优化控制。改进的IEEE33节点配电网系统仿真结果表明,所提出的计及占用影响的联合优化模型,在楼宇侧能够满足人员热舒适性,同时减少楼宇暖通空调负荷能耗,在电网侧则减少配电网线路损耗和节点电压的波动,有效提高楼宇侧和电网侧整体的节能水平。

基于沉浸式教学的电能质量及其控制技术课程实验改革

课程实验是工科类课程的重要组成部分,对于提升专业课程理解深度和培养工程应用创新能力有重要意义。以电气工程专业电能质量及其控制技术课程实验为例,提出研制低成本便携式电力扰动监测装置,通过模拟实际工程应用场景,构建基于沉浸式的实验教学方法,增加专业实验课程灵活性和实践性,加深学生对专业课程认知深度,为新工科改革下的工程类课程实验教学提供了新思路。

考虑撬棒与直流卸荷协同保护动作特性的双馈风电场通用等值建模方法

低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)期间撬棒(Crowbar)保护和直流卸荷(Chopper)保护的工作状态均对双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)的暂态响应特性有重要影响。传统等值方法往往只能识别与表征撬棒保护动作情况及其暂态特性,对于目前普遍的硬件协同保护场景而言,将造成等值误差,进而难以从电网侧准确描述风电接入后的动态特性及作用规律,在高比例风电场景下这样的误差将被放大,严重时可能会对电力系统安全稳定分析造成影响。因此,该文充分考虑双馈感应风机(doubly fed induction generator,DFIG)低电压穿越控制策略,揭示风机低电压穿越下两种保护协同动作特性,提出一种双馈型风电场通用等值方法,通过MATLAB/Simulink验证理论分析的正确性,并与仅考虑Crowbar保护的等值方法对比,说明所提等值建模方法的准确性。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

敏感设备电压暂降故障样本增广与概率评估最大熵建模

敏感设备电压暂降故障概率评估面临样本小和先验知识不足两大难题。本文基于自编码技术和最大熵原理,提出一种适用于小样本的设备故障概率评估随机建模方法。首先,考虑敏感设备主要对暂降幅值和持续时间特征敏感,电压耐受曲线(VTC)存在不确定性的实际情况,利用自适应Kmeans聚类算法对样本暂降幅值、持续时间聚类,在稀疏自编码器(SAE)损失函数中添加VTC不确定约束进行样本特征学习,提出基于SAE–自适应Kmeans的故障样本增广方法。其次,针对先验知识不足问题,提出基于增广样本的设备故障概率评估最大熵建模方法。最后,以个人计算机为例,在VTC概率密度函数服从均匀、正态和不同指数分布且样本数仅为5的情况下进行验证,与传统最大熵法、未引入自适应Kmeans聚类进行VTC不确定区域约束的SAE样本增广进行比较,同时与先验知识不足情况下基于主观假设的评估方法进行比较。结果表明,所提方法适用于小样本和不同分布,评估结果误差低于传统最大熵法与基于主观假设的方法,验证了稀疏自编码样本增广和最大熵建模方法对于小样本设备故障概率评估的有效性、合理性和可行性。

敏感负荷电压凹陷敏感度的随机估计方法

用正态分布概率密度函数表征负荷电压耐受曲线的随机性,建立了电压耐受曲线和负荷敏感度的随机模型,提出了敏感负荷电压凹陷敏感度的随机估计方法。该方法采用累计求和的方式评估敏感度,避免了对敏感度等级的划分。运用Matlab对敏感负荷的电压凹陷敏感度进行了评估,并与11台计算机的实测结果进行了对比,验证了该方法的正确性和有效性。

用电压暂降严重程度和最大熵评估负荷电压暂降敏感度

现有负荷敏感度随机估计法以电压暂降的物理特征为基础,用主观概率模型描述负荷电压耐受曲线(voltage tolerance curve,VTC)的随机分布规律,所需样本量大,在实际中难以实现且可能引入主观误差。将电压暂降特征转换为电压暂降严重性指标,在负荷VTC曲线分布规律未知和样本数较少的情况下,根据最大熵原理确定VTC曲线的概率密度函数,用累计求和法计算负荷故障率,提出一种适合于小样本的随机评估方法。对评估原理、最大熵模型、约束条件、求解算法与评估过程等进行详细研究。对个人计算机(personal computers,PC)进行仿真并与现有4种评估方法比较,结果证明,该方法对样本量依赖性小,无需主观假设,在未知VTC曲线随机分布规律时,评估结果准确,适应性强。

光热发电系统简化动态模型与一次调频能力分析

光热发电是一种灵活性很强的清洁能源发电技术,在新型电力系统中具有广泛的应用场景。然而,由于缺乏合适的动态模型,光热电站在电力系统中的动态运行特性和调频性能尚不清晰。针对上述问题,考虑光热发电系统特有的能源供应模式、组件结构以及控制系统,提出了一种适用于电力系统动态分析的光热发电系统简化动态模型。相较于传统火力发电系统的简化动态模型,其在捕捉蒸汽压力、功率和蒸汽流量的动态特性方面有显著的提升。使用某50 MW光热电站实际运行数据对所提出的模型进行验证,结果表明传统火力发电系统的经典模型无法准确反映光热发电系统的动态特性,而提出的简化动态模型模拟准确度和计算效率俱佳。此外,基于提出的简化动态模型量化分析了光热发电系统在不同运行工况下的一次调频能力,研究了机组负荷大小、压力设定模式和主蒸汽温度对系统一次调频性能的影响,明确了机组处于低熔盐温度、低出力负荷等蓄能不足状态时,通过辅助手段提升系统频率调节能力的必要性。

敏感设备电压暂降敏感度的模糊随机评估

敏感设备的电压暂降敏感度一般用设备故障率来描述,其大小取决于供电系统在供电点处产生的电压暂降特性与敏感设备电压耐受能力,但供电系统电压暂降和设备耐受能力均具有不确定性,对其准确评估和预测很难。考虑两者的不确定性,把电压暂降引起的敏感设备故障定义为模糊随机事件,引入模糊随机变量的概念,建立电压暂降引起的敏感设备故障概率的模糊随机评估模型,利用模糊随机变量的λ–截集,把模糊随机变量的概率求解问题转化为普通随机变量的概率求解,保证了评估方法的可行性。用个人计算机(personal computers,PC)仿真并与蒙特卡罗随机模拟结果比较,证明该方法的正确性和可行性,评估结果符合客观实际。

电压暂降分类特征可比性、相关性及马氏距离分类法

分类特征选取和分类方法是电压暂降分类的基础。从分类学原理出发,针对不同分类目标的电压暂降分类,引入电压暂降分类特征概念,研究同类和异类暂降分类特征的可比性,提出基于费希尔判别准则的分类特征线性判别和分类特征选取方法;考虑同类和异类暂降间分类特征相关程度的不同,提出基于马氏距离的电压暂降分类方法。以短路故障、变压器空载激磁和大型感应电动机起动引起的电压暂降为分类目标,对理论样本和不同情况下实测数据的分析证明该方法正确性、可行性和良好的噪声鲁棒性,并证明,在分类过程中考虑特征属性可有效提升其分类性能。

以用户满意度区间数为测度的电压暂降频次评估

以构建用户友好的电网为目标,提出一种基于用户满意度区间特性的电力系统电压暂降频次解析式评估方法。利用故障线路长度与电压暂降幅值的解析式关系,通过迭代法直接求出临界故障点,以此确定系统内相关母线上的用户不满意区域。该方法综合考虑了用户满意度区间特性和用户设备在电压可接受不确定区域内的分布规律,根据确定的用户不满意区域评估用户接入母线的电压暂降频次。对5节点系统和IEEE-30节点标准测试系统进行仿真,并与传统故障点法进行比较,仿真结果证明,该方法能有效确定用户接入母线的电压暂降频次,适应于任意结构的系统。基于用户满意度区间特性评估得到的电压暂降频次更符合客观实际,具有一定理论价值和工程应用前景。

基于故障相暂态信号特征的二维故障选线法

中性点非有效接地系统发生单相接地故障时,故障出线故障相与非故障出线故障相的暂态信号在能量集中频段和信号幅值上存在较大差异:前者幅值大、能量集中频段低,而后者特征恰好相反。为此提出一种基于故障相暂态信号能量和重心频率的二维故障选线方法,利用二维选线判据中包含的故障暂态信号在频域的整体分布特征进行选线,二维判据相互补充,大大增加了选线可靠性。该方法同时适用于纯架空线路和存在电缆出线的混合线路网络,在中性点不接地和谐振接地系统中都适用,并且在故障初相角为0以及高阻抗故障时都有效。对不同情况下的实际仿真证明了所提方法的正确性、有效性和适应性。

基于多项式逼近的单峰谱线插值算法在间谐波分析中的应用

快速傅里叶变换在非同步采样和非整数周期截断的情况下存在较大误差,无法获得较精确的间谐波参数值。现有单峰谱线插值算法可以提高间谐波频率、相位和幅值的计算精度,但修正公式计算复杂,影响检测精度。为此,文章提出了一种基于多项式逼近的单峰谱线插值算法,利用距间谐波频点最近的单根离散频谱幅值估计出待求间谐波的幅值,并利用多项式逼近方法推导出幅值、频率及相位的修正公式,基于该方法,推导了一些常用窗函数的修正公式。通过与现有单峰和双峰谱线插值算法在噪声情况下的仿真比较,证明了该方法易于实现,能有效减小估计偏差,提高数据检测精度。

敏感设备电压暂降故障水平的多不确定性评估

敏感设备电压暂降故障水平评估的最大困难在于各影响因素的不确定性和评估建模。根据相关因素的内涵和外延不确定特征,对电压暂降强度、设备电压耐受能力、设备故障状态的不确定性进行研究,建立相应的数学模型。在此基础上,基于模糊安全事件隶属函数的建立原则与模糊事件概率计算模型,构建能同时反映各影响因素不确定性的敏感设备电压暂降故障水平评估模型,并对相应算法和评估过程进行较详细的研究。对个人计算机进行评估,结果证明该方法的正确性和可行性,该方法不需专家经验或主观假设,能客观地反映实际情况,并可方便地推广应用于相关领域。