CN103151788A - 一种电力系统功率振荡事故仿真重现系统 - Google Patents

Abstract

一种电力系统功率振荡事故仿真重现系统：包括RTDS平台、实际发电机调速系统、实际励磁调节器及功率放大器；RTDS平台仿真调速系统、励磁系统、原动机、发电机、系统模型、第一切换开关和第二切换开关；调速系统模型或实际发电机调速系统通过第一切换开关依次连接原动机和发电机、通过第二切换开关连接发电机，发电机连接系统模型；RTDS平台输出发电机的定子电压一次值和发电机的定子电流一次值至功率放大器，功率放大器输出发二次值至实际励磁调节器；RTDS平台还输出发电机的励磁电流至实际励磁调节器、输出发电机有功功率和发电机转子转速至实际发电机调速系统。本发明仿真计算结果反映实际控制系统的特性。

Description

一种电力系统功率振荡事故仿真重现系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统功率振荡事故仿真重现系统。

背景技术

我国互联大电网的容量和规模日益增大，电力系统的安全稳定问题特别是动态稳定问题日益突出，功率振荡问题一直是困扰电网安全稳定运行的主要原因之一。因此，如何采取有效的预防措施以及事故后再现电力系统动态稳定问题就成为当今大电网运行、研究和管理部门的一个亟待解决的问题。目前，采用的离线计算软件（包括BPA、电力系统分析综合程序PSASP等）均采用线性化的励磁系统和调速系统模型，和实际装置有较大的差别，仿真结果不能反映控制系统的真实特性，仿真结果和实际功率振荡事故存在一定的偏差，对于弱阻尼引起的功率振荡可以进行仿真计算，但对于控制系统强迫振荡引起的功率振荡则无法进行仿真计算。由于电网对弱阻尼振荡模式的重视，近年来电网已经很少发生由于电网阻尼弱而导致的低频振荡，而机组对系统的局部振荡模式则成为近年来电网振荡的一个最主要振荡模式，振荡的形式从弱阻尼方式转化到强迫振荡方式。因此，对于电网的强迫功率振荡事故现有的离线仿真计算软件已不能满足事故后重现的要求。

近年来，电网发生了多起系统低频振荡事件，且振荡源均来至于电厂侧，主导振荡模式为机组对系统的局部振荡模式，例如2008年4.21红河电厂低频振荡、2010年12.2平班电厂低频振荡、2010年7.22思林电厂低频振荡、2008年11.25发耳电厂低频振荡、2012年2.28天生桥二级电站低频振荡等。以上机组低频振荡的直接原因包括励磁系统缺陷、PSS缺陷、锅炉与汽机配合不当、调门的执行机构异常、机组DEH以及CCS控制系统异常、电厂运行人员操作不当等多方面。这些振荡的特点是：振荡频率较低，类似于负阻尼或弱阻尼低频振荡；振荡发生时系统均处于正常运行状态，没有明显的故障或操作，系统主振荡模式的阻尼特性较好。

上述振荡的起因和机理还不十分明确，采用常规的电力系统负阻尼低频振荡理论不能很好地解释这些振荡现象。电力系统强迫振荡理论可以较好地解释这类非负阻尼功率振荡。该理论指出，当系统持续的周期性功率扰动的频率接近系统功率振荡的固有频率时，会引起大幅度的功率振荡，扰动所引起的响应不仅与电力系统本身的特性有关，也与扰动的变化规律有关。

线性化的发电机转子运动方程：

$\frac{T_J}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{d^2\mathrm{\Δ\δ}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{D}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\mathrm{d\Δ\δ}}{\mathrm{dt}}+K_1\mathrm{\Δ\δ}=F_0\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(1\right)$

式中：F₀sin(ωt)为持续的周期性小扰动源，F₀为扰动源幅值，ω为扰动源频率。

令x=Δδ，

代入式（1）可得

$\stackrel{\·\·}{x}+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n\stackrel{\·}{x}+{\mathrm{\ω}}_n^{2}x=h\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(2\right)$

这是一个二阶常系数线性非齐次微分方程，按照微分方程的解，其解由通解和特解两部分组成：

x=x₁(t)+x₂(t)   (3)

设x₁(t)为式（2）的通解，x₂(t)为式（2）的特解，则

$x_1\left(t\right)=e^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}t}[B_1\cos \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+B_2\sin \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)]---\left(4\right)$

式中：

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}---\left(5\right)$

特解为可设为：

将其代入式（2）并结合（1）式可得强迫振荡的振幅和相位角：

$B=\frac{F_0}{\sqrt{{(K_1-T_J{\mathrm{\ω}}^2/{\mathrm{\ω}}_0)}^2+D^2{\mathrm{\ω}}^2}}=\frac{F_0{K}_1}{\sqrt{{(1-v^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζv}\right)}^2}}---\left(7\right)$

式中：为频率比；

为阻尼比。因此，系统的总响应为：

式中的积分常数B₁和B₂由初始条件决定。将t=0时的x₀和

代入式（9）及其对t的一节导数，则

将式（10）、式（11）代入式（9）可得系统的总响应为：

式（12）右端第一项表示由初始条件引起的自由振荡（振幅）由初始条件决定；第二项表示由扰动引起的伴随自由振荡；第三项表示由扰动引起的纯强迫振荡，及稳态响应，其振荡频率与扰动频率相同，其振幅与初始条件无关。前两项合称瞬态响应。

在扰动初始阶段的过渡期产生的振荡实际上是由上述三项合成的复杂振荡，如图1所示。

现有技术采用的离线计算软件（包括BPA、电力系统分析综合程序PSASP等）均采用线性化的励磁系统和调速系统模型，和实际装置有较大的差别，仿真结果不能反映控制系统的真实特性，仿真结果和实际功率振荡事故存在一定的偏差，对于弱阻尼引起的功率振荡可以进行仿真计算，但对于控制系统强迫振荡引起的功率振荡则无法进行仿真计算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种功率振荡事故仿真重现系统，其与实际控制装置实现闭环控制，仿真结果反映控制系统的真实特性，能较好地仿真重现实际功率振荡事故，且可对控制系统强迫振荡引起的功率振荡进行仿真计算。

解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种功率振荡事故仿真重现系统，其特征是：包括RTDS平台、实际调速系统装置、实际励磁调节器装置及功率放大器。

所述的RTDS平台中，仿真搭建有包括：调速系统模型、励磁调节器模型、原动机、发电机、系统模型、第一切换开关和第二切换开关；

所述的调速系统模型或实际调速系统装置通过第一切换开关依次连接原动机和发电机，励磁调节器模型或实际励磁调节器装置通过第二切换开关连接发电机，发电机连接系统模型；

所述的RTDS平台输出发电机的定子电压一次值和发电机的定子电流一次值至功率放大器，功率放大器输出发电机定子电压的二次值和发电机定子电流的二次值至实际励磁调节器装置；

所述的RTDS平台还输出发电机的励磁电流至实际励磁调节器装置、输出发电机有功功率和发电机转子转速至实际调速系统装置。

所述的调速系统模型指在RTDS中搭建的调速系统理论简化等效数学模型，励磁调节器模型指在RTDS中搭建的励磁调节器理论简化等效数学模型，原动机指在RTDS中搭建的原动机理论简化等效数学模型。这些都是现有技术。

所述的功率放大器是把RTDS输出的弱电信号转化为和实际电厂的电压互感器（PT）、电流互感器（CT）输出一致的强电信号，因此励磁调节器接收到的信号Ut、It和实际运行中接收到的发电机定子电压、定子电流二次值是一致的。

仿真过程

在RTDS平台中，第一切换开关至调速系统模型、第二切换开关至励磁调节器模型，可进行纯粹理论模型的仿真计算，如进行弱阻尼引起的功率振荡事故仿真重现。

在RTDS平台中，第一切换开关至实际调速系统装置、第二切换开关至励磁调节器模型，发电机实际调速系统装置和RTDS投入闭环控制，可进行调速系统的强迫功率振荡事故仿真重现。

在RTDS平台中，第一切换开关至调速系统模型、第二切换开关至实际励磁调节器装置，发电机实际励磁调节器装置和RTDS投入闭环控制，可进行励磁系统的强迫功率振荡事故仿真重现。

在RTDS平台中，第一切换开关至实际调速系统装置、第二切换开关至实际励磁调节器装置，发电机实际调速系统装置、实际励磁调节器装置均与RTDS投入闭环控制，可同时进行调速系统和励磁系统的强迫功率振荡事故仿真重现。

本发明基于RTDS平台（实时数字仿真仪Real Time Digital Simulator），实现了机组的两大控制系统（励磁系统和调速系统）的闭环控制，仿真计算结果反映实际控制系统的特性，能很好地仿真重现强迫功率振荡事件。

有益效果：本发明提出的功率振荡事故仿真重现方法及其系统基于RTDS平台，实现了机组的两大控制系统（励磁系统和调速系统）的闭环控制，仿真计算结果反映实际控制系统的特性，本发明与现有技术相比，不仅可以进行弱阻尼引起的功率振荡事故仿真重现，还可以进行调速系统和励磁系统的强迫功率振荡事故仿真重现，目前，采用本发明提出的系统已经完整地重现了多起机组对电网的强迫功率振荡事件。

附图说明

图1为在扰动初始阶段的过渡期产生的振荡由三项合成的复杂振荡图；

图2为本发明的功率振荡事故仿真重现系统实际装置和RTDS闭环控制框图；

图3为某电厂的有功功率波动PMU记录曲线图；

图4为图3所示的某电厂的有功功率波动仿真计算结果图。

图中：1-调速系统模型，2-调门开度，3-原动机，4-发电机，5-系统模型，6-励磁电压，7-励磁调节器模型，8-发电机转速，9-有功功率，10-实际调速系统装置，11-励磁电流，12-实际励磁调节器装置，13-功率放大器，14-VM，15-IM，16-Ut，17-It，18-第一切换开关，19-第二切换开关

具体实施方式

如图2所示，本发明的功率振荡事故仿真重现系统，包括RTDS平台、实际调速系统装置10、实际励磁调节器装置12及功率放大器13。

RTDS平台中，仿真搭建有包括：调速系统模型1、励磁调节器模型7、原动机3、发电机4、系统模型5、第一切换开关18和第二切换开关19；

调速系统模型和实际调速系统装置分别接在第一切换开关18的两个触点上，如此，调速系统模型或实际调速系统装置可通过第一切换开关18输出调门开度μ2即发电机调速系统的调门实际开度给原动机，原动机输出Tm为发电机的机械转矩给发电机。

励磁调节器模型和实际励磁调节器装置分别接在第二切换开关19的两个触点上，如此，励磁调节器模型或实际励磁调节器装置可通过第二切换开关输出励磁电压U_FD给发电机，发电机连接系统模型，输出励磁电压U_FD为发电机的励磁电压。

RTDS平台输出VM14为发电机的定子电压一次值和IM15为发电机的定子电流一次值至功率放大器，功率放大器输出Ut16为发电机定子电压的二次值和It17为发电机定子电流的二次值至实际励磁调节器装置；RTDS平台还输出发电机的励磁电流I_F11为发电机的励磁电流至实际励磁调节器装置、输出Pe9为发电机有功功率和发电机转子转速n8至实际调速系统装置。

参见图2，图中：虚线框内的是RTDS中搭建的机组和系统模型，VM14为发电机的定子电压一次值，IM15为发电机的定子电流一次值，Ut16为发电机定子电压的二次值，It17为发电机定子电流的二次值，励磁电流I_F11为发电机的励磁电流，励磁电压U_FD为发电机的励磁电压，有功功率Pe为发电机输出的有功功率，发电机转速n为发电机转子的旋转速度，调门开度μ2为发电机调速系统的调门实际开度，Tm为发电机的机械转矩，18、19为第一第二切换开关。调速系统模型指在RTDS中搭建的调速系统理论简化等效数学模型，励磁调节器模型指在RTDS中搭建的励磁调节器理论简化等效数学模型，原动机指在RTDS中搭建的原动机理论简化等效数学模型。功率放大器是把RTDS输出的弱电信号转化为和实际电厂的电压互感器PT、电流互感器CT输出一致的强电信号，因此励磁调节器接收到的信号Ut、It和实际运行中接收到的发电机定子电压、定子电流二次值是一致的。

采用本发明的天生桥二级电站的仿真计算案例：

2012年2月28日13:09:38，天二电厂#4机发生功率波动，功率波动频率为1.11HZ，峰峰值59MW，13:12:29波动平息，持续时间2分51秒，振荡期间电网结构为发生变化。机组功率波动期间西电东送主通道交流线路未见明显功率波动。PMU记录的有功功率波动曲线如图3所示。

用本发明进行的仿真计算结果如图4所示，其中发电机实际调速系统装置和RTDS投入闭环控制，参数按照天二4号机定值单执行。仿真结果和PMU实测曲线基本一致，重现了整个振荡过程。此次功率振荡事故为由励磁调节器引发的强迫功率振荡事故。

Claims (2)

1.一种电力系统功率振荡事故仿真重现系统，其特征是：包括RTDS平台、实际调速系统装置（10）、实际励磁调节器装置（12）及功率放大器（13）；

所述的RTDS平台中，仿真搭建有包括：调速系统模型（1）、励磁调节器模型（7）、原动机（3）、发电机（4）、系统模型（5）、第一切换开关（18）和第二切换开关（19）；

所述的RTDS平台的调速系统模型或实际调速系统装置通过第一切换开关依次连接原动机和发电机，励磁调节器模型或实际励磁调节器装置通过第二切换开关连接发电机，发电机连接系统模型；

所述的RTDS平台输出发电机的定子电压一次值UM（14）和发电机的定子电流一次值IM（15）至功率放大器（13），功率放大器输出发电机定子电压的二次值Ut（16）和发电机定子电流的二次值It（17）至实际励磁调节器装置（12）；

所述的RTDS平台还输出发电机的励磁电流（11）至实际励磁调节器装置（12）、输出发电机有功功率(9)和发电机转子转速(8)至实际调速系统装置(10)。

2.根据权利要求1所述的电力系统功率振荡事故仿真重现系统，其特征是：所述的调速系统模型指在RTDS中搭建的调速系统理论简化等效数学模型，励磁调节器模型指在RTDS中搭建的励磁调节器理论简化等效数学模型，原动机指在RTDS中搭建的原动机理论简化等效数学模型；所述的功率放大器把RTDS输出的弱电信号转化为和实际电厂的电压互感器、电流互感器输出一致的强电信号。

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