CN102753982B - 次同步谐振检测的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是在具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振检测的方法。在线测量电压信号以及通过使用发现已测电压的离散信号的零交叉点，在计算机装置中计算电压的离散信号的波形的正半周期和负半周期，常量参数由所述用户提供给所述计算机装置。本发明方法包括下面的动作：●通过在具有信号长度(TL)的时间间隔将电压的离散处理信号(Ux)的波形的负半周期的最小值加到电压的离散处理信号(Ux)的波形的正半周期的最大值，创建电压的解调信号（UDem)，其中，(TL)是常量参数，由所述用户提供●计算电压的解调信号UDem的均方根值(RMS)，并且将它与由用户作为均方根值水平(RMSLev)提供的另一个常量参数的值进行比较，并且当(RMS)的值小于(RMSLev)的值时，它指示不存在次同步谐振，而当RMS的值大于(RMSLev)的值时，次同步谐振的存在由次同步谐振的电压振幅（）和/或次同步谐振的频率（）的确定来识别。

Description

次同步谐振检测的方法及系统
本发明的主题是在具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振检测的方法。
一般来说，次同步谐振现象SSR(次同步谐振)发生在电力系统中，作为涡轮发电机与长距离串联补偿传送线路的交互结果。存在电力系统的条件，其中，电力网络在小于传送线路的标称频率(50 或 60 Hz)的频率处与发电机的机械系统交换能量。
次同步谐振的处理分为三类：感应发电机作用、扭转交互和转矩放大。前两种类型由稳定的状态干扰所导致，而第三种由瞬间干扰所激发。
串联电容器通过补偿传送线路电感来提高电力系统的能力，因此增加了线路的容量，并且由此改进了稳定的状态和瞬间的稳定性限制。然而，串联电容器的使用增加了次同步谐振现象发生的风险。通常地，次同步谐振的频率具有在传送线路标称频率的15 % - 90 %范围中的值。
检测次同步谐振SSR的已知方法是基于过滤技术或者发电机轴振动的分析。另一个方法从美国专利4.607.217中是已知的。在AC电力供应系统中，通过确定相继波形半周期长度的变化来检测次同步谐振，其中，该相继波形半周期长度对于识别次同步谐振是基础。已测量的参数变化是波时段，并且，正半周期时段和负半周期时段的差异与在正半周期时段和负半周期时段的总和的比率的变化与次同步谐振的检测相关。本发明是基于当前线路中的次同步频率创建较长半周期和较短半周期的观察。接连地测量半周期时段之间的差异以用于提供检测次同步谐振存在的方法。
该方法的缺点在于：次同步谐振现象的出现和它的检测之间存在时间延迟。该时间延迟对于SSR频率检测可能太长，其可能导致对轴的损害或者对传送线路保护继电器的误操作。该缺点由本发明的方法所克服，该本发明的方法允许SSR与已知的技术相比检测和识别得更快，并且要求使用比在已知的解决方案中小的输入数据样本量。
在具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振检测的本发明的方法的本质- 其中，在线测量电压信号以及通过使用发现已测电压的离散信号的零交叉点的方法，在计算机装置中计算电压的离散信号的波形的正半周期和负半周期，常量参数被用户所传递至所述计算机装置- 在于它包括以下动作：
●通过在具有信号长度TL的时间间隔将电压的离散处理信号Ux的波形的负半周期的最小值加到电压的离散处理信号Ux的波形的正半周期的最大值，创建电压的解调信号UDem，其中， TL是常量参数，由用户提供，
●计算电压的解调信号UDem的均方根值RMS，并且将它与由用户作为均方根值水平RMS Lev所提供的另一个常量参数的值进行比较，并且当(RMS)的值小于RMSLev的值时，它指示不存在次同步谐振，而当RMS的值大于RMSLev的值时，次同步谐振的存在由次同步谐振的电压振幅                                               和/或次同步谐振的频率的确定来识别。
优选地，在发现零交叉期间，建立波形的正半周期和负半周期的两个滞后以用于分别对于零交叉之间的离散处理信号U X 的正UPoz和负UNeg部分确定连续时间间隔TPoz1 , TNeg1 , ...TPozN，TNegN的序列，从而创建离散处理信号U X 的较高包络Eup和较低包络Elow。
优选地，波形的正半周期和负半周期的滞后的绝对值与均方根值水平RMSLev相等。
优选地，电压信号长度TL的时间值在最小值为0.2s的时域中。
一种计算机程序，其用于检测具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振，该计算机程序可加载在计算机装置(8)的数据处理单元中或者可在计算机装置(8)的数据处理单元上运行，以及该计算机程序当被计算机的数据处理单元运行时可执行根据权利要求1-4所述的方法。
基于附图中所呈现的实施例来解释根据本发明所述的方法，其中：
图1-示意性显示了具有串联电容器且具有发电机的电力系统，图2-显示了在解调前具有次同步谐振频率的电力系统电压的波形，图3-显示了离散处理信号的波形，图4-显示了具有次同步谐振频率的已解调信号的波形，图5-显示了当根据本发明来检测次同步谐振时所执行的操作的流程图。
在图1中呈现用于本发明方法的实现的电力系统。该电力系统包括涡轮发电机1以及连接到涡轮发电机的三相AC传送线路，涡轮发电机1形成系统的机械部分，三相AC传送线路与HV变换器2、线路的阻抗3、串联电容器4、以及电力系统的最终消耗装置5一起形成电力系统的电气部分。对于三相传送线路的每一相，在变换器2和串联电容器4之间，电容器电压变换器CVT 6被连接以用于测量线路Ul、U2、U3的电压。每一个CVT变换器6通过通信链路7与用于检测和识别电力系统的电气部分中的次同步谐振现象8的装置连接。装置8是具有用于实现检测SSR的方法的处理器单元的计算机，并且它可以是保护继电器的一部分，或者它可以是分开安装到系统的计算机装置。装置8包括：用于将已测量的模拟信号转换成数字信号的模拟-数字转换器9，用于检测传输线路中的SSR的次同步谐振-检测单元10，用于计算和收集在操作期间处理的数据的计算单元11和存储单元12，以及用于可视化SSR检测的结果的外部外围装置13。用于将已测量的模拟信号转换成数字信号的模拟-数字转换器9可以安装在CVT变换器6中而不是装置8中，这没有在附图中显示出来。
根据本发明的方法在以下步骤中来实现，如图5中所描述。
步骤S1
从已测量的在线信号U确定离散信号U D 。
传送线路的电压信号Ul、U2、U3 由CVT变换器6来测量，并且在模拟-数字转换器9中被转换成离散信号UD。该离散信号UD包括i个连续样本的电压值ai。对于转换过程，一些常量参数被提供到模拟-数字转换器9，并且该转换过程在本领域中是熟知的。
提供到模拟-数字转换器9的第一个常量参数是采样频率Fs。该参数定义了每秒从模拟信号U中所取得的样本数量(信号U在图2中呈现为波形)。通常将采样频率设置为1 kHz最小值，该1 kHz最小值对于本发明也是默认设置。较低采样频率的设置可能导致不正确的计算。
提供到模拟-数字转换器9的第二个常量参数是信号长度TL。在图2中所呈现的该参数定义了所取得的用于模拟-数字转换的模拟电压信号U的长度。为了产生将来接下来步骤的可靠结果，信号长度TL的值应该与可以出现在电力系统中的最低次同步频率的一个时段（period）相等。在本发明的实施例中，将该值设置为最小值TL=0.2 [s]，该最小值TL=0.2 [s]对应于传送线路的5 Hz次同步频率。较短的信号长度TL的设置可能导致不正确的计算。
提供到模拟-数字转换器9的第三个常量参数是定义了离散信号UD的统计量值的均方根值RMSLev。RMSLev值应该与CVT变换器6的噪音水平的振幅相等，其对于每一个特定CVT是已知的。在将来接下来步骤中，该参数允许区分噪音和离散信号UD。
步骤S2
计算离散处理信号U X 和确定零交叉点，以便计算分别用于零交叉点之间的离散处理信号U X  的正U Poz 和负U Neg 部分的时间间隔的序列T Poz1 , T Neg1 , ...T PozN  ,T NegN 。
首先，如下计算信号长度为TL的离散信号UD的算术平均值Xmean-图2：
其中，ai是样本i的电压值，而n是离散信号UD中所有样本的数量。样本的数量n等于采样频率Fs乘以信号长度TL。
然后，通过从离散信号UD的每一个采样点的电压值ai中减去平均值Xmean来计算离散处理信号UX。如果不存在次同步谐振，则离散处理信号UX映射传送线路的占主导地位的标称频率。如果存在次同步发生，则离散处理信号UX包括传送线路的标称频率和次同步频率分量
对于i = 1...n ,。
然后，通过检测离散处理信号UX符号(+)或(-)的变化来识别零交叉点–图3。总是存在两种类型的零交叉。其中之一是当信号值正在增加时-正零交叉，另一个是当信号值正在减少时-负零交叉。当离散处理信号UX将它的值从负改变到正时，并且当它的值大于已作为对于每一个特定CVT 6已知的均方根值RMSLev的值建立的正滞后值（在图3中被标记为D）时，检测正零交叉(箭头B)。当离散处理信号UX将它的值从正改变到负时，并且当它的值小于已作为对于每一个特定CVT 6是已知的均方根值RMSLev的负值建立的负滞后值（在图3中被标记为E）时，检测负零交叉(箭头C)。建立滞后D和E以便避免将零交叉与总是出现在从真实电力系统中所收集到的信号中的噪音混合。
在发现第一零交叉点之后(其可以是正的或者负的)，下一个零交叉点(其分别是负的或者正的)被发现，在这些零交叉点之间的时间间隔TPoz1或TNeg1被确定为用于计算与离散处理信号UX有关的正部分UPoz(在图3中被标记为虚线)或者负部分UNeg(在图3中被标记为实线)的间隔。分别用于零交叉之间的离散处理信号UX的正UPoz部分和负UNeg部分的连续时间间隔TPoz1, TNeg1 , ...TPozN, TNegN的序列是该步骤的结果。
步骤S3
计算解调信号U Dem 。
首先，对于分别用于来自等于TL值的信号长度的正UPoz的时间间隔的每一个TPoz1, ...,TPozN , 计算离散处理信号UX的最大值，并且，然后，从此类最大值的值创建离散处理信号UX的较高包络Eup。
相似地，对于分别用于来自等于TL值的信号长度的负UNeg的时间间隔的每一个TNeg1, ....，TNegN, 计算离散处理信号UX的最小值，并且，然后，从这类最小值的值创建离散处理信号UX的较低包络Elow。
接下来，通过将较低包络ELow的值加到较高包络Eup的值来计算解调信号UDem
。
与离散处理信号UX相反，解调信号UDem不包含传送线路的标称频率。
如果次同步谐振现象发生，则离散解调信号UDem包含次谐波谐振频率，该次谐波谐振频率作为占主导地位的谐振频率出现。在次同步谐振现象出现之前，解调信号UDem小于RMSLev值。在当次同步谐振出现的时刻，解调信号UDem超过RMSLev值。
步骤S4
通过将解调信号U Dem 的均方根RMS值与RMS Lev 的值进行比较来检测解调信号U Dem 中的次同步谐振频率的存在。
首先，解调信号UDem的均方根RMS值被实现。RMS值是离散信号的统计量值，此类计算的细节对于本领域普通技术人员来说是熟知的。
然后，将RMS值与第一步骤中作为参数提供的RMSLev值进行比较。
如果UDem的RMS值小于RMSLev值，则这意味着在解调信号UDem中没有检测到次同步谐振频率。在这种情况下，次同步谐振频率的振幅和相应的频率被视为等于零。
如果UDem信号的RMS值大于或等于RMSLev值，则在步骤S5中执行进一步的分析。
步骤S5
计算和识别与次同步谐振相关的电压振幅 和频率
首先，执行UDem信号的FFT(快速傅里叶变换)的计算。FFT运算将来自时域的信号转变成频域中的信号，此类计算的细节对于本领域普通技术人员来说是熟知的。
然后，计算传送线路的标称频率的10%和90%之间的谱带中的电压振幅的最高值并将该最高值与RMSLev值相比较。
如果电压振幅的最高值小于RMSLev值，则这意味着没有检测到次同步谐振频率(=0, =0)。
如果电压振幅的最高值大于或等于RMSLev的值，则振幅的值和相应频率被视为次同步谐振。
步骤S6
作为电压振幅 的最高值的次同步谐振振幅和/或相应频率 的可视化
在该步骤中，使用连接到计算机装置(8)的、用于显示或打印数据的熟知的部件，其没有呈现在附图中，次同步谐振振幅被显示为电压振幅的最高值，和/或相应谐振频率也被显示。

Claims (8)

1.一种在具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振检测的方法，其中，在线测量电压信号以便获得电压的离散信号（UD），以及通过将所述离散信号（UD）减去其算术平均值而获得所述电压的离散处理信号(Ux)，并且通过发现所述离散处理信号(Ux)的零交叉点而在计算机装置中计算电压的离散处理信号的波形的正半周期和负半周期，常量参数由用户提供给所述计算机装置，所述方法包括下面的动作：
·通过在具有信号长度TL的时间间隔将电压的离散处理信号(Ux)的波形的负半周期的最小值加到离散处理信号(Ux)的波形的正半周期的最大值而创建电压的解调信号（UDem)，其中，TL是常量参数，由所述用户提供，
·计算电压的解调信号(UDem)的均方根值 RMS，并且将它与由所述用户作为均方根值水平RMSLev提供的另一个常量参数的值进行比较，当RMS的值小于RMSLev的值时，它指示不存在次同步谐振，而当RMS的值大于RMSLev的值时，次同步谐振的存在由次同步谐振的电压振幅                                               和/或次同步谐振的频率的确定来识别。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发现零交叉点期间，建立所述波形的正半周期和负半周期的两个滞后以用于分别对于零交叉点之间的离散处理信号(U X )的正(UPoz)和负(UNeg)部分确定连续时间间隔（TPoz1,TNeg1,...TPozN，TNegN)的序列，从而创建离散处理信号（U X )的较高包络（Eup)和较低包络（Elow)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述波形的正半周期和负半周期的滞后的绝对值与均方根值水平RMSLev相等。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号长度TL的时间值在最小值为0.2s的时域中。
5.一种在具有串联电容器的电力系统中的次同步谐振检测的系统，其中，在线测量电压信号以便获得电压的离散信号（UD），以及通过将所述离散信号（UD）减去其算术平均值而获得所述电压的离散处理信号(Ux)，并且通过发现所述离散处理信号(Ux)的零交叉点，在计算机装置中计算电压的离散处理信号的波形的正半周期和负半周期，常量参数由用户提供给所述计算机装置，所述系统包括：
·用于通过在具有信号长度TL的时间间隔将电压的离散处理信号(Ux)的波形的负半周期的最小值加到离散处理信号(Ux)的波形的正半周期的最大值而创建电压的解调信号（UDem)的部件，其中，TL是常量参数，由所述用户提供，
·用于计算电压的解调信号(UDem)的均方根值RMS并且将它与由所述用户作为均方根值水平RMSLev提供的另一个常量参数的值进行比较的部件，其中当RMS的值小于RMSLev的值时，它指示不存在次同步谐振，而当RMS的值大于RMSLev的值时，次同步谐振的存在由次同步谐振的电压振幅和/或次同步谐振的频率的确定来识别。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在发现零交叉点期间，建立所述波形的正半周期和负半周期的两个滞后以用于分别对于零交叉点之间的离散处理信号(U X )的正(UPoz)和负(UNeg)部分确定连续时间间隔（TPoz1,TNeg1,...TPozN, TNegN)的序列，从而创建离散处理信号（U X )的较高包络（Eup)和较低包络（Elow)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述波形的正半周期和负半周期的滞后的绝对值与均方根值水平RMSLev相等。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号长度TL的时间值在最小值为0.2s的时域中。
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