CN102593850B - 一种考虑多通信时延的电力系统广域阻尼在线控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑多区间通信时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，属于电力系统阻尼控制技术领域。本发明方法利用几何法确定抑制电力系统中各个区间振荡模式的广域阻尼控制器的反馈输入信号类型和输出反馈控制机组；将反馈输入信号通信时延分为若干时延区间，针对每一时延区间设计相位超前滞后模块实现其时延补偿；进而形成含多个时延区间的离线广域阻尼控制器库。在线辨识低频振荡模式的频率和阻尼，根据辨识结果从离线广域阻尼控制器库选择应当配置的广域阻尼控制器。本发明方法减少了电力系统通信网络中，由于通信时延不确定性引起的对电力系统阻尼控制器的影响，增强了电力系统广域阻尼控制器的控制效果，提高了电力系统运行可靠性。

Description

一种考虑多通信时延的电力系统广域阻尼在线控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑多通信时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，属于电力系统阻尼控制技术领域。

背景技术

低频振荡，特别是区间模式振荡是现代互联大电网面临的一个重要挑战。由弱阻尼或负阻尼引起的发散型区间振荡甚至可能导致大停电事故。传统的抑制低频振荡的方法是在发电机励磁系统安装本地电力系统稳定器(LPSS，Local Power System Stabilizer)。通过合理的参数整定，这种固定参数的控制器在抑制低频振荡方面取得了很好的效果。然而，由于缺乏全局性的信息，对于某些区间模式的振荡，LPSS发挥的作用有限。通常，由振荡引起的系统大停电在系统完全失稳之前有数秒的发散振荡时间，这就给在线实时控制提供了机会。

随着广域量测系统(WAMS，Wide Area Measurement System)的快速发展，电力系统动态信息如功角、功率以及频率等能够被同步量测，并迅速的传送至远方的数据控制中心。由此，基于远方信号的广域阻尼控制器设计成为近年来的研究热点。相关的研究内容主要包括控制器落点的选择、控制器广域反馈信号的选择和控制器参数设计等。现有的控制器落点和反馈信号选择方法中最常用的一种是留数法，由于系统传递函数的留数正好是系统能控性和能观性的综合度量，因此可选择比较大的留数对应的输入信号和输出信号作为控制器的反馈信号和安装机组。然而，这种方法只能在同一种信号之间进行比较，当需要比较不同种类信号(如：功率、攻角、角速度等)时，留数法会遇到尺度问题。

远方信号的引入给阻尼控制带来了新的难题，如广域反馈信号的时延问题。实时量测的电网数据需要通过通讯网络将数据传送至远端的控制中心。受限于WAMS建设成本限制，通常利用现有的通信网络进行广域信息的传送。影响通讯网络时延的因素有很多，如：传送距离、协议、通道负荷以及通道类型等。已有的时延测试结果表明，电力系统反馈信号时延从几十毫秒到几百毫秒不等。由于反馈信号时延会显著影响控制器的效果甚至引起系统不稳定，因此在控制器的设计中必须考虑通信网络的时延。

在电力系统广域阻尼控制中，通常考虑固定、时变以及随机时延，通过设计超前/滞后相位补偿模块或者时滞鲁棒控制器以达到消除反馈信号时延的目的。然而用这些方法设计的控制器一旦设计完成并投入使用，其参数就固定不变了。固然，控制器有一定的时滞鲁棒性，能够在一定时延范围内实现补偿，然而当网络时延发生巨大变化时，这种固定参数的控制器可能会不满足补偿要求，甚至引起系统失稳。

基于GPS的相量测量单元(PMU，Phasor Measurement Unit)给每个量测信号打上时标，这就使得通过比较控制机组的时标和到达反馈信号的时标可以在线量测反馈信号的时延，现有的处理时延问题方法中的一种即是根据实测的时延在线设计考虑时延的阻尼控制器。然而，这种在线设计方法需要增加大量的计算，可能会错过实时控制的时间；而且不能对设计的控制器进行校核，可能会引起错误的控制效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑多通信时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，以减少电力系统通信网络中，由于通信时延不确定性引起的对电力系统阻尼控制器的影响，增强电力系统广域阻尼控制器的控制效果，提高电力系统运行可靠性。

本发明提出的考虑多信号时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统状态空间模型，利用几何法计算得到电力系统的能观性和能控性几何度量，根据该几何度量确定用于抑制电力系统各区间振荡模式的广域阻尼控制器的反馈输入信号类型和反馈输出控制机组，利用相位补偿法计算不考虑反馈输入信号通信时延的广域阻尼控制器参数，得到无时延广域阻尼控制器；

(2)将电力系统广域阻尼控制器与电力系统控制中心的通信时延分为多个时延区间，用相位超前滞后环节对每个时延区间中点的时延进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，将相位超前滞后环节与电力系统各振荡模式相对应的无时延广域阻尼控制器合并，分别得到与各振荡模式相对应的多个时延区间的离线广域阻尼控制器库；

(3)利用频率和阻尼辨识方法在线辨识当前电力系统低频振荡模式的频率和阻尼，当电力系统中存在负阻尼或阻尼小于3％的弱阻尼区间振荡时，在离线广域阻尼控制器库中选择与当前电力系统低频振荡模式相对应的广域阻尼控制器，得到广域阻尼控制器的输入反馈信号类型和输出反馈控制机组；

(4)电力系统相量测量单元量测广域阻尼控制器的反馈输入信号，并通过电力系统通信网络将反馈输入信号传送至广域阻尼控制器的输出反馈控制机组，从输出反馈控制机组的当前时标中减去最新接收的反馈输入信号的时标，得到广域阻尼控制器的反馈输入信号通信时延，将该通信时延传送至电力系统控制中心，电力系统控制中心根据该通信时延所在区间从离线广域阻尼控制器库中选择相应的广域阻尼控制器参数；

(5)电力系统控制中心用步骤(4)选择的广域阻尼控制器参数，自动更新广域阻尼控制器的参数，实现电力系统广域阻尼的在线闭环控制。

本发明提出的考虑多信号时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，其优点是：

1、本发明方法适用于对由区间振荡引起的系统失稳进行及时有效的在线控制，采用集中控制方式，不需要对每个区间模型配置广域阻尼控制器，系统正常运行时控制器不投入运行，提高了电力系统运行的经济效益；

2、本发明采用几何法对控制器反馈信号和落点进行选择，可以实现对不同种类信号能观性和能控性的比较，便于选择最有效的对电力系统阻尼的控制方式，实现了电力系统的广域阻尼闭环控制，提高了电力系统的运行稳定性；

3、本发明方法设计离线广域阻尼控制器库，通过在线辨识方法进行匹配，节省了在线设计广域阻尼控制器的时间，适宜在互联电力系统中应用；

4、本发明方法对网络反馈时延进行区间分段，在每个区间选择某一典型固定时延进行时延补偿设计，简化了电力系统广域阻尼控制器的时延补偿方法，提高了广域阻尼控制器的通信时延鲁棒性，非常适合应用于实际电力系统。

具体实施方式

本发明提出的考虑多信号时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统状态空间模型，利用几何法计算得到电力系统的能观性和能控性几何度量，根据该几何度量确定用于抑制电力系统各区间振荡模式的广域阻尼控制器的反馈输入信号类型和反馈输出控制机组，利用相位补偿法计算不考虑反馈输入信号通信时延的广域阻尼控制器参数，得到无时延广域阻尼控制器；

(2)将电力系统广域阻尼控制器与电力系统控制中心的通信时延分为多个时延区间，用相位超前滞后环节对每个时延区间中点的时延进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，将相位超前滞后环节与电力系统各振荡模式相对应的无时延广域阻尼控制器合并，分别得到与各振荡模式相对应的多个时延区间的离线广域阻尼控制器库；

(3)利用频率和阻尼辨识方法在线辨识当前电力系统低频振荡模式的频率和阻尼，当电力系统中存在负阻尼或阻尼小于3％的弱阻尼区间振荡时，在离线广域阻尼控制器库中选择与当前电力系统低频振荡模式相对应的广域阻尼控制器，得到广域阻尼控制器的输入反馈信号类型和输出反馈控制机组；

(4)电力系统相量测量单元量测广域阻尼控制器的反馈输入信号，并通过电力系统通信网络将反馈输入信号传送至广域阻尼控制器的输出反馈控制机组，从输出反馈控制机组的当前时标中减去最新接收的反馈输入信号的时标，得到广域阻尼控制器的反馈输入信号通信时延，将该通信时延传送至电力系统控制中心，电力系统控制中心根据该通信时延所在区间从离线广域阻尼控制器库中选择相应的广域阻尼控制器参数；

(5)电力系统控制中心用步骤(4)选择的广域阻尼控制器参数，自动更新广域阻尼控制器的参数，实现电力系统广域阻尼的在线闭环控制。

以下详细介绍本发明的内容：

本发明提出的考虑多信号时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统非线性状态方程组模型，通过在电力系统平衡点处线性化，可以得到系统状态空间模型

x，u，y∈R^n×1

y＝Cx      A，B，C∈R^n×n

式中，x是n×1维状态变量，例如发电机转速、发电机转子角等，u是p×1维控制变量，例如原动机转矩、发电机励磁电压等，y是q×1维量测输出量，例如电力系统母线电压、电流，n是系统维数，p是控制变量的个数，q是量测输出量的个数。A是n×n维系统状态矩阵，B是n×p维输入矩阵，C是q×n维输出矩阵。

假设A矩阵有n个互异的特征值(λ_i，i＝1，2，...，n)，左特征向量和右特征向量分别为ψ和φ。那么，模式i对应的能观性gm_oj(i)和能控性gm_ck(i)的几何度量为

${\mathrm{gm}}_{\mathrm{oj}}\left(i\right)=\cos \left(\mathrm{\α}({\mathrm{\φ}}_i,c_j)\right)=\frac{\left|c_j{\mathrm{\φ}}_j\right|}{\left|\right|{\mathrm{\φ}}_i\left|\right|\left|\right|c_j\left|\right|}$

${\mathrm{gm}}_{\mathrm{ck}}\left(i\right)=\cos \left(\mathrm{\θ}({\mathrm{\ψ}}_i,b_k)\right)=\frac{\left|b_k^T{\mathrm{\ψ}}_i\right|}{\left|\right|{\mathrm{\ψ}}_i\left|\right|\left|\right|b_k\left|\right|}$

式中，c_j是C矩阵的第j行，b_k是B矩阵的第k列，|z|，||z||分别为z的模和欧几里得范数；α(φ_i，c_j)是c_j与模式i对应的右特征向量φ_i的几何夹角，θ(ψ_i，b_k)是b_k与模式i对应的左特征向量ψ_i的几何夹角。这样，几何法表示的模式i的能观性和能控性的综合度量可以表示为：

gm_coi(k，j)＝gm_ck(i)gm_oj(i)

这种用于确定广域阻尼控制器反馈输入信号类型和反馈输出控制机组的方法称为几何法。对于需要设计广域阻尼控制器的模式i，通过几何法，可以选择gm_coi(k，j)最大时对应的输入量k所在机组作为广域阻尼控制器安装机组，选择其对应的输出量j作为广域阻尼控制器的反馈输入信号类型。无时延的广域阻尼控制器传递函数可表示为

$H_W\left(s\right)=K_W\frac{T_{W}s}{1+T_{W}s}{\left(\frac{1+T_{1}s}{1+T_{2}s}\right)}^m,$

式中，K_W为控制器增益，设为阻尼最大对应的值；T_W为隔直时间常数，通常取10s；m通常取2；T₁和T₂为相位补偿环节参数，可使用相位补偿法进行设计。以上得到了无时延的广域阻尼控制器。

(2)将电力系统广域阻尼控制器与电力系统控制中心的通信时延分为若干区间，选择每个时延区间内的时延区间中点τ_i，并针对这一时延τ_i采用现有的固定时延补偿方法设计如下相位超前滞后环节，对时延τ_i进行时延补偿：

$H_c=K_c\frac{1+{\mathrm{sT}}_{c1}}{1+{\mathrm{sT}}_{c2}}$

式中，K_c为补偿增益，T_c1和T_c2为相位超前滞后环节参数。此处固定时延为τ_i，需要补偿相位为

其中ω_i为电力系统相应振荡模式的角频率，使用相位补偿法设计相位超前滞后环节参数。结合步骤(1)得到的电力系统各振荡模式相对应的无时延广域阻尼控制器，将相位超前滞后环节与无时延广域阻尼控制器合并，得到电力系统中每个区间模式对应各时延区间的广域阻尼控制器的传递函数如下：

$H_{\mathrm{WPSS}}\left(S\right)=K_{\mathrm{WPSS}}\frac{T_{W}s}{1+T_{W}s}\left(\frac{1+T_{c1}s}{1+T_{c2}s}\right){\left(\frac{1+T_{1}s}{1+T_{2}s}\right)}^2,$

式中，K_WPSS＝K_W·K_c，从而形成如下表所示的离线广域阻尼控制器库：

表1离线广域阻尼控制器库

(3)利用频率和阻尼辨识方法在线辨识当前电力系统低频振荡模式的频率和阻尼，当电力系统中存在负阻尼或阻尼小于3％的弱阻尼区间振荡时，在离线广域阻尼控制器库中选择与当前电力系统低频振荡模式相对应的广域阻尼控制器，得到广域阻尼控制器的输入反馈信号类型和输出反馈控制机组；

(4)电力系统相量测量单元量测步骤(3)中选择的广域阻尼控制器的反馈输入信号，通过电力系统通信网络将量测的反馈输入信号传送至广域阻尼控制器的输出反馈控制机组，从输出反馈控制机组的当前时标t_a中减去最新接收的反馈输入信号的时标t_s，得到广域阻尼控制器的反馈输入信号通信时延τ，

τ＝t_a-t_s                                                    (1)

将该通信时延传送至电力系统控制中心，电力系统控制中心根据该通信时延所在区间从离线广域阻尼控制器库中选择相应的广域阻尼控制器参数；

(5)电力系统控制中心用步骤(4)选择的广域阻尼控制器参数，自动更新广域阻尼控制器的参数，实现电力系统广域阻尼的在线闭环控制。

Claims (1)

1.一种考虑多信号时延的电力系统广域阻尼在线控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)建立电力系统状态空间模型，利用几何法计算得到电力系统的能观性和能控性几何度量，根据该几何度量确定用于抑制电力系统各区间振荡模式的广域阻尼控制器的反馈输入信号类型和反馈输出控制机组，利用相位补偿法计算不考虑反馈输入信号通信时延的广域阻尼控制器参数，得到无时延广域阻尼控制器；

(2)将电力系统广域阻尼控制器与电力系统控制中心的通信时延分为多个时延区间，用相位超前滞后环节对每个时延区间中点的时延进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，将相位超前滞后环节与电力系统各振荡模式相对应的无时延广域阻尼控制器合并，分别得到与各振荡模式相对应的多个时延区间的离线广域阻尼控制器库；

(3)利用频率和阻尼辨识方法在线辨识当前电力系统低频振荡模式的频率和阻尼，当电力系统中存在负阻尼或阻尼小于3％的弱阻尼区间振荡时，在离线广域阻尼控制器库中选择与当前电力系统低频振荡模式相对应的广域阻尼控制器，得到广域阻尼控制器的输入反馈信号类型和输出反馈控制机组；

(4)电力系统相量测量单元量测广域阻尼控制器的反馈输入信号，并通过电力系统通信网络将反馈输入信号传送至广域阻尼控制器的输出反馈控制机组，从输出反馈控制机组的当前时标中减去最新接收的反馈输入信号的时标，得到广域阻尼控制器的反馈输入信号通信时延，将该通信时延传送至电力系统控制中心，电力系统控制中心根据该通信时延所在区间从离线广域阻尼控制器库中选择相应的广域阻尼控制器参数；

(5)电力系统控制中心用步骤(4)选择的广域阻尼控制器参数，自动更新广域阻尼控制器的参数，实现电力系统广域阻尼的在线闭环控制。