CN101430365B - 同步发电机实测电气参数测辨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步发电机实测电气参数测辨系统及方法，属于同步发电机电气参数实测技术领域。该系统由GPS授时单元、同步相量测量单元、数据存储单元、算法运算单元、人机交互单元、数据发送单元组成。本方法运用优选初值微变搜索法，根据典型运行状态的状态约束方程，先辨识部分电气参数，再根据全部运行状态的状态约束方程，精确辨识全部同步发电机实测电气参数。本发明能实现对同步发电机实测电气参数的精确辨识。

Description

同步发电机实测电气参数测辨方法

技术领域

本发明的同步发电机实测电气参数测辨方法，属于同步发电机电气参数实测技术领域。

背景技术

同步发电机是电力系统的心脏。在电力系统的工程研究中，同步发电机的实测电气参数是其特征反映的重要参量，既是机组运行状态优化和高精准度控制的必备参数，也是电力系统潮流计算、稳定分析、运行状态的优化、稳定极限的优化、继电保护整定优化、高精准度状态监测、高精准度控制的必备的参数。在大系统低频震荡分析和抑制技术的研究领域，同步发电机的实测电气参数也是必备参数。随着电力系统中同步发电机同步相量测量技术的发展，高精准度的实测参数，结合同步发电机输入参量，可以有效校核同步相量测量装置系统实测功角的准确度，从而为电力系统稳定运行和安全控制提供准确的适时功角。

在工程中，同步发电机的电气参数的获取采用甩负荷测试法、频域辨识法、时域辨识法。甩负荷测试法包括传统的实验方法和新的辨识方法，传统的实验方法分2次甩负荷，测量端口电压、功角，其中d轴甩负荷，只要令发电机从电网吸收一定无功，几乎不发有功即可，q轴甩负荷，要满足功率因数角等于功角，多次抛载找到励磁电流变化最小的运行点，将功角当作一个未知量进行辨识；新的辨识方法需要一次任意状态甩负荷、增加测量励磁电流，利用励磁电流辨识d轴参数，利用电枢电压辨识剩余参数。频域辨识法通过测量测量发电机的输出电压电流和功角，利用FFT变换，在频域内动态拟合直轴交轴运算电抗，进而辨识参数。时域辨识法最先进的做法是：利用同步相量测量装置测量发电机的输入输出量，离线进行数据处理，再用优化类的方法搜索满足模型方程的参数解。这些方法的缺陷分别是：甩负荷测试法难以准确把握实验条件，需要根据经验作近似调整，实验时机组不是正常并网运行状态；频域辨识法需要对测量变量作偏差化处理，实际上也就是线性化处理，对于机组的部分参数的辨识精度，特别是暂态参数辨识精度影响很大。时域辨识法需要运用功角测量值的绝对量信息，由于功角测量精度的校对需要精确的参数，所以在不知道精确参数的条件下，功角的测量精度无法保证，实际辨识中，部分参数特别是暂态参数的误差可能会超过10％，从而缺乏工程运用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种精确度高的同步发电机实测电气参数测辨方法。该方法利用同步相量测量装置的测量数据辨识获取同步发电机实测电气参数的方法。

本系统的构成包括个六单元：GPS授时单元、同步相量测量单元、数据存储单元、算法运算单元、人机交互单元、数据发送单元。各单元的主要功能分别为：GPS授时单元对测量单元发送统一对时信号；同步相量测量单元测量机组的同步相量，包括端口电压及其相角、端口电流及其相角、励磁电压、励磁电流、转速、功角等，并进行模拟量到数字量转换；数据存储单元存储测量单元发送的数字信号，并备份和定期刷新；算法运算单元实现机组状态的甄别和算法的具体运算；人机交互单元显示参数的辨识结果，显示机组输出即时比对校验图形，报文打印等；数据发送单元向主控室或省调度中心发送数据，也能响应远程召唤。

本系统在辨识算法实现上采取了分步辨识的思想，采用同步相量测量装置系统的GPS系统提供的时钟信号为同时标基准，利用同步相量测量装置测量到的同步发电机端口电压电流及相角、励磁电压电流、转速及功角等测量数据，运用功角相对变化量来甄别分析发电机多种运行状态，结合不同运行状态适用的同步发电机的电气方程，先比较精确地计算出同步发电机电气参数的数值，以此数值作为初值，在该数值附近作微小步长变化进行合适范围的搜索，从而辨识求解得到满足同步发电机全部状态方程的实测电气参数。

本方法采用嵌入式结构设计，工程上易于实现，不影响现有机组的运行和控制。可以与现已装设同步相量测量装置兼容，而直接应用现有的同步发电机同步相量测量装置的测量数据，本方法能克服现有方法对功角测量值绝对量值的依赖，只运用功角测量值的相对量值作发电机状态的甄别，辨识过程中功角作为辨识量，避免了功角测量误差的影响，从而能获取所有参数的高精度数值，解决了暂态参数的辨识精度不高的问题。能为发电机组的运行状态优化和高精准度控制提供必备的参数，为电力系统潮流计算、稳定分析、运行状态的优化、稳定极限的优化、继电保护整定优化、高精准度状态监测、高精准度控制提供必备的参数，为大系统低频震荡分析和抑制技术的研究提供必备参数，也为有效校核同步相量测量装置系统实测功角的准确度，从而为电力系统稳定运行和安全控制提供准确的适时功角。

说明书附图

图1为测辨系统的结构框图。

图2为算法实现的程序框图。

具体实现方式

本发明同步发电机实测电气参数测辨系统及方法的具体实施方式如下：

1、按照模块功能需求，构建相应的模块，联结组成系统，系统的结构框图如图1所示。

2、以优选初值微变搜索法辨识计算实测参数，步骤如下：

(1)用具有GPS时钟信号标识的同步发电机同步相量测量装置系统的测量数据：端口电压u₀和其相角

端口电流i₀和其相角

求解转子侧等效合成电压向量u₁和其相角

等效合成电流向量i₁和其相角

(2)根据等效合成电压向量u₁、合成电流i₁、励磁电压u_f、励磁电流i_f、转速ω、功角δ相对变化量所反应的状态信息，甄别分析找出稳态或准稳态运行点，即转速、励磁电流、功角不变的运行点，结合同步发电机的稳态电气方程，求解出直轴同步电抗X_d、交轴同步电抗X_q、直轴电枢反应电抗X_ad、交轴电枢反应电抗X_aq、漏抗X_l、定子电阻r_a、励磁放大倍数K、励磁绕组电阻r_f。

在稳态情况下，同步发电机空载时的电气方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=0\\ u_q=E_f=U\end{array}\right.$

E_f＝K·V_f

上式中，u_d--为直轴电压分量，u_d＝U sinδ

u_q--为交轴电压分量，u_q＝U cosδ

U--为转子侧等效合成电压向量的幅值

I--为转子侧等效合成电流向量的幅值

δ--为功角

E_f--为励磁电势

V_f--为励磁电压

由上式可求得励磁放大倍数K。

在稳态情况下，同步发电机空载时，励磁绕组的电压方程为：

V_f＝r_fi_f

上式中，i_f--为励磁电流

由上式可求得励磁绕组电阻r_f。

在稳态情况下，同步发电机有载时的电气方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=X_q{i}_q-r_a{i}_d\\ u_q=E_f-X_d{i}_d-r_a{i}_q\end{array}\right.$

E_f＝K·V_f

上式中，i_d--为直轴电流分量，i_d＝I sin(δ+φ)

i_q--为交轴电流分量，i_q＝I cos(δ+φ)

--为转子侧等效合成电流向量和合成电流向量的相角差上式中，由多个稳态运行点消去功角δ，可求得直轴同步电抗X_d、交轴同步电抗X_q、定子电阻r_a。由K＝X_ad/r_f求得直轴电枢反应电抗X_ad，由X_l＝X_d-X_ad求得漏抗X_l，由X_aq＝X_d-X_l求得交轴电枢反应电抗X_aq。

(3)根据已求得的X_d、X_q、X_ad、X_aq、X_l、r_a、K，结合同步发电机的部分暂态电气方程，求解直轴瞬变电抗X′_d、直轴超瞬变电抗X″_d、交轴瞬变电抗X′_q、交轴超瞬变电抗X″_q、直轴暂态时间常数T′_d0、交轴暂态时间常数T′_q0、直轴次暂态时间常数T″_d0、交轴次暂态时间常数T″_q0。

暂态情况下，同步发电机空载时电气方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{q0}^{\′}\frac{d{E}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{X_q-X_l}{X_q^{\′}-X_l}{E}_d^{\′}+\frac{X_q-X_q^{\′}}{X_q^{\′}-X_l}{E}_d^{\′\′}\\ T_{q0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=T_{q0}^{\′\′}\frac{X_q^{\′\′}-X_l}{X_q^{\′}-X_l}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}-E_d^{\′\′}+E_d^{\′}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{d0}^{\′}\frac{d{E}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=E_f-\frac{X_d-X_l}{X_d^{\′}-X_l}{E}_q^{\′}+\frac{X_d-X_d^{\′}}{X_d^{\′}-X_l}{E}_q^{\′\′}\\ T_{d0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=T_{d0}^{\′\′}\frac{X_d^{\′\′}-X_l}{X_d^{\′}-X_l}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}-E_q^{\′\′}+E_q^{\′}\end{array}\right.$

上式中，E′_d--为暂态电势的直轴分量

E′_q--为暂态电势的交轴分量

E″_d--为次暂态电势的直轴分量

E″_q--为次暂态电势的交轴分量

运用优化类的方法可以搜索求解得到直轴瞬变电抗X′_d、直轴超瞬变电抗X″_d、交轴瞬变电抗X′_q、交轴超瞬变电抗X″_q、直轴暂态时间常数T′_d0、交轴暂态时间常数T′_q0、直轴次暂态时间常数T″_d0、交轴次暂态时间常数T″_q0。

(4)以这些求得的X_d、X_q、X_ad、X_l、r_a、K，X′d、X″_d、X′_q、X″_q、T′_d0、T′_q0、T″_d0、T″_q0的值作为初值，结合同步发电机的全部暂态电气方程，采取在初值附近作微小步长的变化，得到若干新的点，比较这些点的目标评价函数值，取目标评价函数值最好的点作为新的初值，再在其附近作微小变化，再得到若干新的点，再比较这些新点的目标评价函数，保留最好的点继续变化，直到满足停止条件，如此辨识求得全部电气参数。

暂态情况下，同步发电机有载时的电气方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{q0}^{\′}\frac{d{E}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{X_q-X_l}{X_q^{\′}-X_l}{E}_d^{\′}+\frac{X_q-X_q^{\′}}{X_q^{\′}-X_l}{E}_d^{\′\′}+\frac{(X_q-X_q^{\′})(X_q^{\′\′}-X_l)}{X_q^{\′}-X_l}{i}_q\\ T_{q0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=T_{q0}^{\′\′}\frac{X_q^{\′\′}-X_l}{X_q^{\′}-X_l}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}-E_d^{\′\′}+E_d^{\′}+(X_q^{\′}-X_q^{\′\′})i_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{d0}^{\′}\frac{d{E}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=E_f-\frac{X_d-X_l}{X_d^{\′}-X_l}{E}_q^{\′}+\frac{X_d-X_d^{\′}}{X_d^{\′}-X_l}{E}_q^{\′\′}-\frac{(X_d-X_d^{\′})(X_d^{\′\′}-X_l)}{X_d^{\′}-X_l}{i}_d\\ T_{d0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=T_{d0}^{\′\′}\frac{X_d^{\′\′}-X_l}{X_d^{\′}-X_l}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}-E_q^{\′\′}+E_q^{\′}-(X_d^{\′}-X_d^{\′\′})i_d\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{X_q-X_l}{(X_q^{\′}-X_l)T_{q0}^{\′}}{E}_d^{\′}+\frac{X_q-X_q^{\′}}{(X_q^{\′}-X_l)T_{q0}^{\′}}{E}_d^{\′\′}+\frac{(X_q-X_q^{\′})(X_q^{\′\′}-X_l)}{(X_q^{\′}-X_l)T_{q0}^{\′}}{i}_q\\ \frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=[\frac{1}{T_{q0}^{\′\′}}-\frac{(X_q-X_l)(X_q^{\′\′}-X_l)}{{(X_q^{\′}-X_l)}^2{T}_{q0}^{\′}}]E_d^{\′}+[\frac{(X_q-X_q^{\′})(X_q^{\′\′}-X_l)}{{(X_q^{\′}-X_l)}^2{T}_{q0}^{\′}}-\frac{1}{T_{q0}^{\′\′}}]E_d^{\′\′}\\ +[\frac{(X_q-X_q^{\′}){(X_q^{\′\′}-X_l)}^2}{{(X_q^{\′}-X_l)}^2{T}_{q0}^{\′}}+\frac{X_q^{\′}-X_q^{\′\′}}{X_{q0}^{\′\′}}]i_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{X_d-X_l}{(X_d^{\′}-X_l)T_{d0}^{\′}}{E}_q^{\′}+\frac{X_d-X_d^{\′}}{(X_d^{\′}-X_l)T_{d0}^{\′}}{E}_q^{\′\′}+\frac{K}{T_{d0}^{\′}}{V}_f-\frac{(X_d-X_d^{\′})(X_d^{\′\′}-X_l)}{(X_d^{\′}-X_l)T_{d0}^{\′}}{i}_d\\ \frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′\′}}{\mathrm{dt}}=[\frac{1}{T_{d0}^{\′\′}}-\frac{(X_d-X_l)(X_d^{\′\′}-X_l)}{{(X_d^{\′}-X_l)}^2{T}_{d0}^{\′}}]E_q^{\′}+[\frac{(X_d-X_d^{\′})(X_d^{\′\′}-X_l)}{{(X_d^{\′}-X_l)}^2{T}_{d0}^{\′}}-\frac{1}{T_{d0}^{\′\′}}]E_q^{\′\′}\\ +\frac{(X_d^{\′\′}-X_l)K}{(X_d^{\′}-X_l)T_{d0}^{\′}}{V}_f+[\frac{X_d^{\′\′}-X_d^{\′}}{T_{d0}^{\′\′}}-\frac{(X_d-X_d^{\′}){(X_d^{\′\′}-X_l)}^2}{{(X_d^{\′}-X_l)}^2{T}_{d0}^{\′}}]i_d\end{array}\right.$

运用i_d＝I sin(δ+φ)，i_q＝I cos(δ+φ)，u_d＝U sinδ，u_q＝U cosδ，消去功角δ，再运用上面的暂态电气方程，采用排列组合的办法可以在初值点以微小的步长变化，获得若干个新点，比较这些点的目标评价函数F的值，目标评价函数F的取法为：

$F=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}1.0/{(I_{0k}-I_k^{\′})}^2$

上式中，I_0k--为已知的合成电流向量幅值

I′_k--为根据各点结合输入计算求得的的合成电流向量幅值

k--为测量数据的点数，k＝1，2...n

如此不断保留最好的点继续变化，直到满足停止条件，可以辨识求得全部电气参数的精确值。

算法实施的步骤程序框如图2所示。

Claims (1)

1.一种同步发电机实测电气参数测辨方法，其特征在于包括以下过程：

(1)、利用GPS授时单元对同步相量测量单元发送统一对时信号；

(2)、利用同步相量测量单元测量机组的同步相量，包括端口电压及其相角、端口电流及其相角、励磁电压、励磁电流、转速、功角，并进行模拟量到数字量的转换；

(3)、利用数据存储单元存储同步相量测量单元发送的数字信号，并备份和定期刷新；

(4)、利用算法运算单元实现机组状态的甄别和算法的具体运算；其中所述算法为优选初值微变搜索算法，其辨识步骤为：

①用具有GPS时钟信号标识的同步发电机同步相量测量装置系统的测量数据，包括端口电压u0和其相角

端口电流i0和其相角求解转子侧等效合成电压向量u₁及其相角

等效合成电流向量i₁及其相角

②根据等效合成电压向量u₁、合成电流i₁、励磁电压u_f、励磁电流i_f、转速ω、功角δ相对变化量所反应的状态信息，甄别分析找出稳态或准稳态运行点，结合同步发电机的稳态电气方程，求解出直轴同步电抗X_d、交轴同步电抗X_q、直轴电枢反应电抗X_ad、交轴电枢反应电抗X_aq、漏抗X_l、定子电阻r_a、励磁放大倍数K、励磁绕组电阻r_f；

③根据已求得的X_d、X_q、X_ad、X_aq、X_l、r_a、K，结合同步发电机的部分暂态电气方程，求解直轴瞬变电抗X′_d、直轴超瞬变电抗″_d、交轴瞬变电抗X′_q、交轴超瞬变电抗X″_q、直轴暂态时间常数T′_d0、交轴暂态时间常数T′_q0、直轴次暂态时间常数T″_d0、交轴次暂态时间常数T″_q0；

④以这些求得的X_d、X_q、X_ad、X_l、r_a、K，X′_d、X″_d、X′_q、X″_q、T′_d0、T′_q0、T″_d0、T″_q0的值作为初值，结合同步发电机组的全部暂态电气方程，采取在初值附近作微小步长的变化，得到若干新的点，比较这些点的目标评价函数值，取目标评价函数值最好的点作为新的初值，再在其附近作微小变化，再得到若干新的点，再比较这些新点的目标评价函数，保留最好的点继续变化，直到满足停止条件，如此辨识求得全部电气参数的精确值；

(5)、利用人机交互单元显示参数的辨识结果，显示机组输出即时比对校验图形，报文打印；

(6)、利用数据发送单元向主控室或省调度中心发送数据，也能响应远程召唤。

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