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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:賴英傑
研究生(外文):Ying-Chieh Lai
論文名稱:台電系統低頻振盪參數之計算方法
論文名稱(外文):Calculation Methods for Low Frequency Oscillation Parameters of Taipower System
指導教授:陳士麟陳士麟引用關係
指導教授(外文):Shi-Lin Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:低頻振盪離散小波轉換阻尼常數監測
外文關鍵詞:low frequency oscillationsdiscrete wavelet transformdamping constantmonitoring
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摘要

台電系統於民國73年首次出現低頻振盪現象,低頻振盪的發生降低供電品質,甚而危害系統安全。民國80年期間,台電公司進行電力系統強化之後,自發性低頻振盪現象已不復出現,但因台電系統具有先天性的長距離輸電特性以及區域的電力供需失衡,低頻振盪仍為台電系統的一項潛在問題。電力系統的大型擾動(跳機或跳線等故障),亦會造成變電所間的相角差以及電功率的短暫振盪現象,其振盪通常並非平穩且含有變動性的直流偏移量。
本論文結合可變視窗型離散傅立葉轉換及離散小波轉換分析低頻振盪信號,計算振盪信號之主要自然頻率及阻尼常數,用以評估系統之動態穩定度。對於含有定值直流偏移量之自發性低頻振盪,採用偵測三個波峰值的直流濾除方法結合可變視窗型離散傅立葉轉換,進行計算;至於大型擾動所激發的短暫振盪信號,由於內含非定值的直流偏移量,本論文提出以小波分解法,萃取其中屬於低頻振盪頻率範圍的信號,再進行可變視窗型離散傅立葉轉換分析。
小波函數的選用方面,本研究測試七種小波函數,經測試台電系統的記錄波形,建議選用db10小波函數及dmey小波函數,並結合可變視窗型離散傅立葉轉換,用於監測台電系統的低頻振盪參數。
Abstract

Low frequency oscillation phenomena first appeared in Taipower system in 1984. The phenomena not only deteriorated power supply quality but also threatened the system security. During 1990’s, Taiwan Power (Taipower) Company had strengthened its transmission system. Thus the spontaneous low frequency oscillation phenomena have not appeared again. However, because of the inherent longitudinal structure of transmission network and the regional power supply and demand imbalance, the low frequency oscillation is still a potential problem in the Taipower system. The large-scale perturbations caused by machine or transmission line trippings in the power system will still lead to the transient oscillations of power angle and power flow between substations. Such oscillations are normally unsteady and thus contain the variational DC offsets.
A method integrating the discrete Fourier transform at a variable size of sampling window and the discrete wavelet transform is proposed to analyze the signals of low frequency oscillations, including the calculation for the oscillation parameters such as the main natural frequency and the damping constant, based on them to assess the system dynamic stability. For the spontaneous low frequency oscillations with the constant DC offsets, it is proposed in this thesis to apply the DC offset filtering method by detecting the three waveform peaks, and then apply the discrete Fourier transform at the variable window size to the calculation for the oscillation parameters. As to the transient oscillatory signals having a variable DC offset which are usually excited by the large-scale perturbations, a process is proposed which applies the wavelet decomposition to extract the low frequency oscillation signal components, and then applies the same discrete Fourier transform as for the spontaneous low frequency oscillations.
Seven kinds of mother wavelets all integrated with the discrete Fourier transform at a variable window size have been tested on the Taipower system data. Among them, the db10 wavelet and the dmey wavelet functions have been chosen and suggested to use for monitoring the low frequency oscillation parameters of Taipower system.
目錄

中文摘要....................................................................................................I
英文摘要...................................................................................................II
誌謝..........................................................................................................IV
目錄...........................................................................................................V
圖目錄.................................................................................................. VIII
表目錄....................................................................................................XII


第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 國內外研究概況 1
1.3 研究內容及成果 3
1.4 各章重點 3
第二章 電力系統低頻振盪之現象與發生原理 5
2.1 前言 5
2.2 穩定度分類 5
2.3 低頻振盪之現象與對策 6
2.3.1 低頻振盪模式 6
2.3.2 同步轉矩與阻尼轉矩 8
2.3.3 系統阻尼與電力系統穩定器 8
2.4 低頻振盪發生原理 9
2.4.1 動態穩定度模型 10
2.4.2 物理現象說明 14
2.5 低頻振盪模擬方法 - 定義自然頻率及阻尼常數 15
2.6 低頻振盪波形 17
2.6.1 增長中的弦波振盪 / 持續中的弦波振盪 / 衰減中的
弦波振盪 17
2.6.2 定值的直流偏移量及變動的直流偏移量 19
第三章 低頻振盪信號處理方法 21
3.1 前言 21
3.2 傅立葉轉換 21
3.2.1 信號之前處理:直流偏移量濾除方法 22
3.2.2 改良式傅立葉轉換 24
3.3 小波轉換 26
3.3.1 小波函數的基本特性 26
3.3.2 多重解析空間 29
3.3.3 離散小波轉換 31
3.3.4 離散小波轉換之矩陣表示方式 34
3.4 傅立葉轉換與小波轉換之比較 35
第四章 測試結果 38
4.1 程式設計 38
4.1.1 程式架構 38
4.1.2 程式設計所使用的語言及套裝軟體 41
4.2 自發性低頻振盪之信號處理結果 41
4.3 大型擾動後振盪信號之處理結果 47
4.3.1 以85/9/3的台電波形記錄進行測試之結果 47
4.3.2 以93/1/24的台電記錄波形進行測試之結果 56
第五章 結論 74
5.1 結論與建議 74
5.2 未來研究方向 76
參考文獻 77
附錄A 動態穩定度模型之推導 80
附錄B 小波函數族 86




圖目錄

圖2.1 80/04/28 於龍崎超高壓變電所記錄之低頻振盪波形 7
圖2.2 轉矩與轉子角度的關係 10
圖2.3 單機連接至系統無限匯流排模型線性化模型方塊圖 12
圖2.4 機組相量圖(相量圖右側為 的時變圖) 13
圖2.5 低頻振盪波形的發展過程 18
圖2.6 故障發生時造成的短暫振盪現象(待續) 19
圖2.6 故障發生時造成的短暫振盪現象(續) 20
圖3.1 視窗型傅立葉轉換(右側圖之說明請參閱圖3.8) 22
圖3.2 Haar函數 28
圖3.3 函數中尺度的縮小(j值增大,解析度提高) 30
圖3.4 以濾波器組進行小波分解之示意圖(圖內↓2表示降級取樣係取 的樣本,進行三次降層,降層為多個低解析度信號) 31
圖3.5 圖3.4之信號分解後係數分佈 32
圖3.6 正弦波與小波的比較 36
圖3.7 傅立葉轉換及小波轉換的波形分析方式 36
圖3.8 視窗型傅立葉轉換和小波轉換於相位平面上的有效涵蓋範圍 37
圖4.1 程式架構 39
圖4.2 程式流程圖(粗框者為可變視窗型傅立葉轉換部分) 40
圖4.3 測試波形一 42
圖4.4 測試波形二 42
圖4.5 測試波形三 44
圖4.6 測試波形四 44
圖4.7 測試波形五 45
圖4.8 測試波形六 45
圖4.9 短暫振盪波形(此即圖2.6(c)所示台電於85/9/3錄得之大型擾動波形) 48
圖4.10 小波分解階層示意圖 49
圖4.11 以db10小波函數分解圖4.9波形之分解結果 51
圖4.12 圖4.9之原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較 (待續) -- (a)以db8函數進行小波分解 (b)以sym7函數進行小波分解 52
圖4.12 圖4.9之原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(c)以sym8函數進行小波分解 (d)以coif3函數進行小波分解 53
圖4.12 圖4.9之原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(續) -- (e)以coif4函數進行小波分解 (f)以dmey函數進行小波分解 54
圖4.13 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(a)原始波形1-1(上);db10之分解(中);dmey之分解(下). 58
圖4.13 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(續)-- (b)原始波形1-2(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 59
圖4.14 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(a)原始波形2-1(上);db10之分解(中);dmey之分解(下). 61
圖4.14 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(b)原始波形2-2(上);db10之分解(中);dmey之分解(下). 62
圖4.14 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(c)原始波形2-3(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 63
圖4.14 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(續)-- (d)原始波形2-4(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 64
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(a)原始波形3-1(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 66
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(b)原始波形3-2(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 67
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(c)原始波形3-3(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 68
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(d)原始波形3-4(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 69
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(待續)--(e)原始波形3-5(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 70
圖4.15 原始波形與第四層小波分解後細項波形之比較(續)-- (f)原始波形3-6(上);db10之分解(中);dmey之分解(下) 71
圖A.1 發電機連接至無限匯流排古典模型 80
圖A.2 單部發電機連接至無限匯流排古典模型方塊圖 82
圖B.1 Haar小波函數 86
圖B.2 Daubechies小波函數 86
圖B.3 Biorthogonal小波函數 87
圖B.4 Coiflets小波函數 88
圖B.5 Symlets小波函數 88
圖B.6 Meyer小波函數 88




表目錄

表2.1 圖2.3內實線部份各變數之相關相量相對位置(參閱圖2.4) 12
表4.1 三波峰偵測法及可變視窗型離散傅立葉轉換程式之6個測試波形特性 42
表4.2 以測試波形一、二測試三波峰偵測直流濾波法及可變視窗型離散傅立葉轉換程式之分析結果 43
表4.3 以測試波形三、四測試三波峰偵測直流濾波法及可變視窗型離散傅立葉轉換程式之分析結果 44
表4.4 以測試波形五、六測試三波峰偵測直流濾波法及可變視窗型離散傅立葉轉換程式之分析結果 45
表4.5 以測試波形一~六於三波峰偵測直流濾波法及可變視窗型離散傅立葉轉換程式之測試誤差統計 46
表4.6 以圖4.9波形測試圖4.2程式之分析結果(比較兩種不同的濾波方法) 48
表4.7 選用六種小波函數分解圖4.9波形再進行可變視窗傅立葉轉換程式之分析結果(參考圖4.12) 55
表4.8 以圖4.9波形測試圖4.2程式之分析結果(比較三種不同的濾波方法) 56
表4.9 93/01/24台電記錄的三組共12件測試波形之識別資料 57
表4.10 經小波分解之D4波形再進行可變視窗傅立葉轉換程式之分析結果(參考圖4.13a~b) 60
表4.11 經小波分解之D4波形再進行可變視窗傅立葉轉換程式之分析結果(參考圖4.14a~d) 65
表4.12 經小波分解之D4波形再進行可變視窗傅立葉轉換程式之分析結果(參考圖4.15a~f) (待續) 72
表4.12 經小波分解之D4波形再進行可變視窗傅立葉轉換程式之分析結果(參考圖4.15a~f) (續) 73
參考文獻

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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