现代电网的互联建设构成典型的特高压、远距离、大容量、交直流混合运行的系统,电网拓扑结构日益庞大,运行方式复杂多变,系统中低频振荡事件经常发生。系统随机响应是由系统正常中负荷随机投切等小幅度扰动引起,易于采集且数据量丰富,能够及时反映系统当前运行特性。为此,本文着重开展基于系统广域随机响应的低频振荡模态辨识研究,充分挖掘和有效利用大电网广域量测的时空数据,及时跟踪系统的运行状态。论文的主要工作有:(1)利用系统随机响应估计的振荡模式参数可视为一组服从高斯分布的随机变量。针对现有模式估计方法一般只是得到模式参数的点估计的问题,提出了一种基于单通道随机响应的振荡模式参数的区间估计方法。采用预报误差方法辨识单通道随机响应的ARMA模型,根据从AR参数估计振荡模式参数的步骤,推导了 AR参数的协方差矩阵传递到模式参数标准差的过程,同时估计低频振荡模式参数及其方差,进而构造模式频率和阻尼比的置信区间。(2)针对单通道随机响应无法保证对系统多个振荡模态都有较好的可观测性,提出一种基于多通道随机响应振荡模式参数置信区间的估计方法。采用随机子空间法辨识振荡模式参数,并利用多通道随机响应估计Toeplitiz矩阵的协方差,在此基础上,基于一阶摄动分析法,推导了 Toeplitiz矩阵的协方差传递到可观测性矩阵、系统状态矩阵和振荡模态参数的协方差矩阵,进而可以从一组测量数据中估计出系统的多个振荡模态的模式参数的置信区间。(3)在利用系统随机响应辨识振荡模式参数时存在两个特别的现象:一是相对模式阻尼比,模式频率的估计准确度更高;二是弱阻尼的振荡模式参数估计结果更为准确。针对模式参数估计的准确性问题,通过四机两区域系统的蒙特卡罗仿真,从误差传递的角度,详细对比分析了不同阻尼比和不同频率下的模式参数估计准确性的变化规律,并从理论上定性的讨论和解释了模式参数估计中的这两个现象,阐明了利用系统随机响应进行模式参数估计的固有特征。(4)振荡振型是刻画系统振荡模态的重要特性之一。为有效利用大电网广域时空数据关联特性,通过分析广域多通道信号的向量自回归模型与系统振荡模态之间的联系,研究了基于向量自回归分析的振荡振型估计方法。采用QR分解实现向量自回归模型参数的最小二乘估计,计算出振荡振型,并通过系统随机响应的功率谱峰值确定系统的主导模态。针对系统输出的通道数逐渐增加使得振荡振型估计变得更复杂的问题,进一步地研究了基于经验正交函数分析的振荡振型估计方法,提高了振型估计的效率。(5)在低频振荡模态辨识的理论研究基础上,开发了 “基于WAMS的低频振荡分析及预警软件”,该软件主要利用系统随机响应在线辨识系统的振荡模态,当某个模态的阻尼低于设定的阈值时发出预警信息,协助系统运行人员及时采取合适的控制措施,提高相应模态的阻尼比,从而防止振荡事故发生。此外,还具有振荡实时监测,离线暂态事件分析及报表统计等功能。软件通过了国网电力科学研究院实验验证中心的测试,各项功能满足要求。论文所做的基于系统响应的振荡模态辨识的理论研究和软件开发,对于拓展和丰富基于广域量测的低频振荡模态分析理论,提高区域电网间的电能输送极限以及防止大停电事故有着重要的理论意义和应用价值。