2014年第 3期
了世界首套同相供电装置，于2010年10月28日在成昆线眉山牵引变电所成功投入试运行。
高速化和网络化是轨道交通运输的发展方向，当前我国电力系统调度管理不允许在分区所实施互联，即使在变电所出口实现了同相供电，但分区所位置的电分相仍然存在；大量再生回馈能量难以充分利用，直接“倒送”电力系统，造成了相当的传输损耗和供电资源浪费；大功率牵引和单边供电模式对供电容量的需求，使得高速铁路对外部电源供电能力适应性的要求更加“苛刻”。“理想”的牵引供电系统应当是电气化铁路从电力系统取电之同时，把其干扰隔离开来，换言之，把电能质量控制在国家标准或相关标准允许范围内，同时铁路内部使用统一的电压并取消电分相，实现牵引侧贯通供电，减少能量传输损耗，同时允许太阳能、风能等可再生新能源接入，缓解电网基础构架相对薄弱地区的“供需”矛盾，实现节能减排和绿色交通的目标。
为此，笔者在同相供电理论研究和工程试验的基础上提出“”供电的理念和理论，前期研究工作积累了一定的基础，拟围绕“”供电系统的建模、仿真与优化进一步深入研究：解析“”供电系统三相-单相功率变换方式、工作机理及运行方式转换约束，建立“”供电系统分布式供电协同自律控制模型，探明“”供电系统能量潮流的时空分布规律，提出“”供电系统多目标规划模型，实现供电资源的优化配置。我们的研究是我国高速铁路自主创新的体现，具有完全自主知识产权，为从根本上解决制约高速铁路安全、可靠和高质运行的供电“瓶颈”奠定理论基础，也为提高供变电装备整体技术水平提供有力支撑，具有重要意义。
计及大规模电网时变参数的低频振荡多重扰动源定位研究
麦瑞坤（电气学院）
1 研究意义
随着电网互联规模的不断扩大，区域间的低频振荡现象日益频繁，已逐渐成为威胁互联电网安全稳定运行的重要因素之一。上世纪60年代，美国西北西南联合电网发生功率低频振荡并最终破坏电网并联运行而导致系统崩溃，之后，日本、欧洲等电网都曾先后发生低频振荡事故；而近年来在我国，电网互联的迅速发展也相继引发了大范围的低频振荡事故。传播范围广、持续时间长、激发原因难明确，是互联大电网中低频振荡事故的主要特征，而大范围持续的低频振荡易引发大型机组与系统失步，进而导致系统故障甚至连锁反应故障，造成系统崩溃等灾难性后果。因此，低频振荡的产生原理、抑制和快速平息方法是目前互联电网的研究热点，具有现实意义。
近年来针对低频振荡产生和抑制的研究，在负阻尼振荡机理的基础上，共振型振荡机理被提出并用于非负阻尼低频振荡现象的分析，原因是：大规模电网的发展，使得电网中非负阻尼功率振荡的现象增多，而此类振荡，难以采用常规负阻尼振荡理论解释其产生机理，且难以通过PSS设备抑制或快速平息其传播和扩大。而共振型振荡机理将功率振荡视为由小扰动的频率
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作者简介：麦瑞坤，男，副教授。
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与系统的自然振荡频率发生共振而引起的，该机理认为低频振荡具有明确的周期性持续扰动源，并且扰动源所激发的振荡响应不仅与系统固有特性有关，也与扰动源本身的特性规律有关，因此，要实现对共振型低频振荡的有效抑制和平息，就必须对扰动源进行及时准确定位，进而采取正确措施来使得振荡系统迅速恢复正常运行状态。
然而，扰动源定位是低频振荡研究中的难点问题，特别是随着电网互联的发展，使得扰动源定位更加困难。如图1所示，主要体现在：①电力设备增多、电网拓扑复杂，增加了扰动源数目和共振模式，同时增强了各模式间的互相作用。由于扰动源数目和共振模式的增多以及共振频率范围的加宽，电网中的多个振荡模式可能同时被激发或者各振荡模式间相互自激发(多重扰动源），使得低频振荡的各种动态信息相互耦合而难以辨识。②大量电力电子器件的采用，增强了系统的非线性程度；大规模新能源的接入，增大了扰动源的随机性和复杂性。电网非线性特性凸显且各类非线性特性相互交织，造成扰动源的频谱异常丰富，增加扰动频率与系统固有频率共振的几率；同时，大规模风力和光伏发电等间歇性新能源具有强随机性，是电网中不可控的稳定扰动源，其出力的波动性不但可能引起电网电流、电压、频率等的快速偏离，还会给电网带来丰富的谐波分量，导致多个频点同时振荡(多重扰动源）从而增大低频振荡的复杂性。可见，电网拓扑复杂、非线性负荷和波动性电源接入等因素给互联电网中多重扰动源定位问题的解决带来了前所未有的困难。
在我国，多重扰动源定位研究还需考虑两个突出的现实问题。一方面，电网互联区域跨度大、运行环境差异大，低频振荡的“时域-频域-空间”分布特性显著。不同区域电网的自然条件、机组构成、网架结构和负荷成分存在较大差异，对惯性常数、分布电容、线路弧垂等电网参数造成较大影响，使得电网各部分显现出不同的滤波特性和传递特征，进而影响低频振荡的传播特性而在时域波形、频谱组成、空间分布上都产生不同畸变。另一方面，电网监测系统发展滞后，电网时变参数对低频振荡传播的实时影响目前尚无法准确估计。相对于电网结构复杂性以及规模广阔性，我国电网监测系统发展较落后，通常只能根据静态电网参数研究低频振荡的传播机理，而难以根据现有数据采集原理来估计电网时变参数对低频振荡传播的影响，造成实时动态信息完备性的缺失。可见，在我国现有大规模电网条件下研究多重扰动源定位问题更是一个迫切且具有挑战的问题。
图 1 大规模电网低频振荡扰动源定位示意图
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基于以上背景和需求，笔者提出计及大规模电网时变参数影响和低频振荡“时域-频域-空间”分布特性的多重扰动源定位新方法研究。通过研究低频振荡工况下的自适应动态相量测量算法，构筑动态相量测量系统，掌握多重扰动源所激发动态信息的产生、传播和渗透机理，揭示低频振荡在传播过程中在时域、频域和空间上的分布特征，实现对多重扰动源的准确实时定位，从而为抑制和快速平息互联大电网低频振荡提供理论依据和技术支撑。
2 国内外研究现状和发展动态分析
由于电网基础建设相对滞后于电网互联的发展、加之运行经验缺乏等原因，低频振荡现象相继发生甚至引起大面积停电事故，已日渐成为威胁互联电网安全稳定运行的突出问题，因而受到研究学者的普遍关注。现阶段，广域测量技术的发展为低频振荡在线监测提供了新的数据源，基于WAMS(Wide Area Measurement System）的低频振荡研究得到了普遍关注，在低频振荡产生机理、传播机理、检测和模式识别、广域控制等方面的研究和应用得到了较大的发展。
随着全国电网区域互联规模的扩大，低频振荡现象越发频繁、扰动容量不断增大、振荡机理更为复杂，传统基于常规负阻尼振荡机理的研究在低频振荡产生机理解释和抑制平息上显现出不足，因此，共振型振荡等机理被提出并用于各类低频振荡现象的分析。而新的研究机理考虑低频振荡具有明确的周期性持续扰动源，因此，对扰动源进行及时准确定位已发展为有效抑制和快速平息低频振荡的前提。在此情况下，研究实时、准确、可靠的低频振荡扰动源定位技术在近年来引起了我国研究学者的较多关注，研究工作得以迅速开展。
目前，低频振荡扰动源定位研究充分利用广域测量信息数据，以弥补传统数据监测系统在实时性、精确性方面的局限，基于WAMS数据的扰动源定位方法大致可归纳为三类：混合仿真法、能量函数法、波形相似法。
混合仿真法利用PMU单元的实时同步相量数据和分布模式信息将电网等效成若干子系统，再利用实测相量数据依次替代各子系统，通过对比仿真曲线和实测曲线来定位含扰动源的子系统，然后反复将含扰动源的子系统细分为更小子系统，并最终确定含扰动源的最小子系统。马进教授等人提出利用混合仿真法进行低频振荡扰动源定位，并在实际应用取得了较好效果。相对于整体全仿真法来说，混合仿真法能避免对全系统进行等值仿真，使得运算量和复杂度大减。
能量函数法通过综合分析低频振荡时扰动源机组区内区外的暂态能量变化特征及其振荡功率耗散特征来实现扰动源定位。闵勇教授等人提出利用线性化能量函数，根据注入扰动后系统强迫功率振荡的能量转换过程和势能传播特点来在线判断扰动源的方位。林涛教授等人在《基于能量函数的强迫功率振荡扰动源定位》（余一平，闵勇，陈磊）的基础上，提出综合利用发电机出线的势能流向及传输线的势能变化等信息，来查找扰动源位置的方法。丁坚勇教授、杨东俊博士等人提出通过参数辨识确定自由振荡分量和强迫振荡分量，计算能流方向因子并结合系统拓扑信息来定位低频振荡扰动源。刘涤尘教授等人通过构造联络线能量函数，将传统的支路势能分解为周期分量和非周期分量，再利用非周期分量的传播特点对多重扰动源定位进行研究。
波形相似法利用低频振荡时电压行波的特殊形态传播到电网中各节点所具有的相似性和时延性来实现对扰动源的定位。颜湘武教授、董清教授等人提出利用波形相似度来确定扰动源位置，而后，针对PMU单元上传数据的缺陷，为避免状态突变数据对扰动源定位的干扰，提出利用每周期内的电压最大值及其对应时刻数据，并根据波形相似度来实现精确扰动源定位；《低频振荡扰动源机组的自动定位方法》（董清，张玲，颜湘武）对已有波形相似法进行改进，提出利
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用二次样条插值函数对电压极大值进行曲线拟合，并提取低压侧电压波形中的低频振荡扰动变量来实现扰动源机组的自动定位。
综之，目前的低频振荡扰动源定位研究，通过充分利用WAMS数据所包含的系统响应信息、能量传递信息、波形特征信息等，从不同角度对低频振荡扰动源定位问题进行了研究，并在电网拓扑参数恒定、广域测量精度稳定、扰动源非叠加等静态工况下，较成功地解决了扰动源定位问题；但在动态工况下，扰动源定位仍存在较大问题，如：在多重扰动源信息耦合的工况下，混合仿真法失效；在恒功率模型中，能量函数法失效；在电网时变参数及多重振荡干扰影响下，波形相似法失效。归纳起来，现有研究方法尚有下述主要问题还未解决而影响扰动源定位的正确性和准确性：1）同步相量数据是基于静态模型获取的，在研究低频振荡动态特性时，会受到频谱泄漏和栅栏效应影响而造成较大定位误差；2）假设电网参数静态恒定，未考虑电网时变参数对低频振荡传播特性的影响，造成实时动态信息不足而导致扰动源定位精度有限；3）假设各扰动源相互，未考虑多重扰动源激发的低频振荡在传播过程中的信息叠加和相互影响，缺乏对多重动态信息间耦合渗透机理的研究，导致针对大规模互联电网中的低频振荡扰动源定位不准。
可见，目前低频振荡扰动源定位的相关研究，在以下几方面还亟待深入研究：1）低频振荡工况下的动态相量获取方法；2）电网时变参数条件下低频振荡的产生、传播机理；3）多重扰动源所激发的动态信息在电网中的畸变分布特性及特征提取方法。
针对上述待解决的问题，我们考虑从以下几个角度研究低频振荡扰动源定位：1）研究基于动态模型、且能自适应根据系统动态特性水平及谐波水平动态调整参数估计侧重点的动态同步相量测量方法，来为扰动源定位研究提供准确可靠的基础数据；2）研究电网拓扑结构、时变分布参数等动态情况对低频振荡传播特性的影响机理，来为分离干扰、正确提取扰动源激发的动态特性提供理论基础；3）研究充分利用PMU测量单元采集的信息数据，分析多重扰动源低频振荡动态特性的时域-频域-空间分布特征，为提高扰动源定位精度提供信息基础。
我们的研究有望能够解释低频振荡在电网时变参数条件下的传播机理、给出多重低频振荡模式间的耦合作用规律、完善现有的低频振荡产生与传播理论，同时总结出多重低频振荡扰动源的实时准确定位系统方法。
计及时序信息的电网故障在线诊断与连锁故障传播脆度机理 童晓阳（电气学院）
近些年随着电力系统互联规模的扩大，系统结构和运行方式变得更复杂，电力系统以重负荷运行越来越接近于极限区域，国内外多起大停电事故向人们敲响了警钟，准确在线诊断故障、分析连锁故障成因、评估其传播、保证系统安全运行成为迫切需要国内外学者深入研究的问题。人们已研究利用保护与开关信息，采用0-1优化算法、神经网络、专家系统、模糊Petri网、贝叶斯网络等人工智能方法进行故障诊断，取得了许多可喜的研究成果。但随着多重故障与复杂故障的发生，保护与开关误动与拒动、信息缺失等不确定性的存在，需要在故障诊断机理与方
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作者简介：童晓阳，男，副教授。
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