CN103236704B - 采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法，基于定义三种广域PSS的运行状态，分别是：退出状态：广域PSS处于停运状态，控制输出为0，仅能通过“手动投入”条件进入运行状态，任何状态下均能通过“手动退出”条件返回退出状态；投入状态：广域PSS由退出状态进入工作状态后的第一个状态，此状态下广域PSS的输出仍为0，通过判定是否满足激活条件决定是否进入激活状态；激活状态：广域PSS满足各项投运条件而输出控制量的状态，通过判定是否满足激活条件决定是否返回投入状态。本发明既能在不满足激活条件时及时停止广域PSS输出，又能在满足激活条件时及时将广域PSS切换回激活状态。

Description

采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统稳定器运行条件及状态转换方法，尤其是涉及采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法。

背景技术

广域测量系统(WAMS,Wide Area Measurement System)是电力系统新一代的动态测量系统，提供了大区域互联电网中重要节点的同步测量数据，其测量间隔通常为10毫秒或20毫秒，可准确监测各节点的动态过程，WAMS的飞速发展使得电力系统广域动态闭环控制成为可能。低频振荡的在线监测与阻尼控制是WAMS的重要应用领域，其中采用广域反馈信号的电力系统稳定器（PSS，Power System Stabilizer）是实现广域阻尼控制的主要手段，同时也是基于WAMS的低频振荡阻尼控制的研究热点。

目前采用广域反馈信号的电力系统稳定器（以下简称广域PSS）的设计理论以线性时不变系统理论为基础，首先要考虑针对振荡模式的反馈信号能观性及控制点能控性，衡量能观性和能控性主要有留数指标和几何指标两种。基于这两个指标进行广域PSS的参数设计方法被广泛研究，并派生出阻尼力矩分析等与线性时不变系统理论本质上等效的方法。但上述基于线性时不变理论的结论不适于分析系统状态变化时的广域PSS控制。此外，考虑时延对广域PSS控制效果的影响，相关研究提出了Smith预测方法、Padé逼近法以及基于线性矩阵不等式(LMI)的广域PSS设计方法，这些方法通过对固定时延的处理，减小系统发生失稳的可能性，后者设计的广域PSS还可以适应一定的时滞范围。

广域PSS在实际电力系统中应用时，运行调度人员在关心广域PSS控制效果的同时，也非常关注广域PSS对系统运行状态改变的适应性，即什么运行状态下可能导致广域PSS的错误动作，以及如何避免这些情况的发生，这需要对广域PSS的投运条件进行研究。目前对广域PSS的研究主要集中在上述热点内容，而尚未有明确给出其在实际系统中投运条件的研究。综上，为保证电力系统广域稳定，广域电力系统稳定器正确动作，亟需一种适用于采用广域反馈信号的电力系统稳定器的投运条件及运行状态转换方法。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法，其特征在于，定义三种广域PSS的运行状态，分别是：

退出状态：广域PSS处于停运状态，控制输出为0，仅能通过“手动投入”条件进入运行状态，任何状态下均能通过“手动退出”条件返回退出状态；

投入状态：广域PSS由退出状态进入工作状态后的第一个状态，此状态下广域PSS的输出仍为0，通过判定是否满足激活条件决定是否进入激活状态；

激活状态：广域PSS满足各项投运条件而输出控制量的状态，通过判定是否满足激活条件决定是否返回投入状态。

在上述的采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法，所述投入状态和激活状态中，激活条件需要同时满足以下三个条件，分别是：

激活条件一：本地功率激活条件，即：

以控制机组的额定容量为功率基值，本地功率激活条件b_LP根据以下条件判断：

判断1：本地有功功率大于阈值P_max则满足本地功率激活条件,本地有功功率小于阈值P_min则不满足本地功率激活条件，而本地有功功率大于等于阈值P_min且小于等于阈值P_max状态下，保持当前对本地功率激活条件的判断状态；

激活条件二：爬坡激活条件，定义爬坡激活条件为b_C，根据以下条件判断：

判断1：长滤波与短滤波结果差的绝对值R_abs大于阈值ΔV_ls-max则不满足爬坡激活条件，若绝对值R_abs小于阈值ΔV_ls-min则满足爬坡激活条件，采用滞回区间比较方法，而绝对值R_abs大于等于阈值ΔV_ls-max且小于等于阈值ΔV_ls-min状态下，保持当前对爬坡激活条件的判断状态；

激活条件三：频率激活条件，设定频率激活条件范围的上限阈值为f_H，下限阈值为f_L，频率激活条件设定为：在长度为ΔT的动态时间窗内，反馈信号振荡的频率在频率上下限阈值间则满足激活条件，大于f_H或小于f_L则不满足，直到该振荡平息后再重新激活广域PSS；频率激活条件的判断过程如下：

步骤2.1，检测过零状态，反馈信号应首先经过隔直处理，隔直环节的传递函数为式二，其中T_W的取值通常为10秒；

$G_W\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sT}}_W}{1+{\mathrm{sT}}_W}$ 式二；

步骤2.2，采用过零检测法测定频率，设反馈信号连续穿过范围为[-V_min,V_min]的过零区间为一次有效穿越，，对反馈信号进行[-V_min,V_min]滞回区间比较，若大于V_min则取1.0，若小于-V_min则取－1.0，从而得到代表振荡特性的幅值为1的检测方波。显然，每次发生有效穿越时该方波都将改变状态，对该方波进行过零检测就可以得到测定频率用的有效穿越脉冲。V_min的取值与爬坡条件阈值类似，可参考控制输出限幅，若限幅±0.05pu.，则可取V_min≈0.001/K；

步骤2.3，对长度为ΔT的动态时间窗内的有效穿越脉冲进行计数以粗略计算振荡频率。由于含广域PSS的低频振荡通常在10秒以内得到有效抑制，故取ΔT=10秒，设计数结果为n；

步骤2.4，在动态时间窗长度为ΔT的情况下，上限阈值f_H对应的上限计数为n_hf，n_hf=ΔT·f_H，下限阈值f_L对应的下限计数为n_lf，n_lf=ΔT·f_L，则根据n判断频率激活条件的方法为：

判断1：若原状态为激活状态，则当n>n_hf时不满足激活条件，

判断2：若原状态为激活状态且n≥n_lf，则当出现n<n_lf或n>n_hf时不满足激活条件，

判断3：若原状态为非激活且投入状态，则当n=0时满足激活条件，由于连续穿越过零区间为一次有效穿越，故反馈信号持续ΔT时间振幅小于V_min时，有n=0。

因此，本发明具有如下优点：1.广域PSS的三个运行状态互相配合，可以保证既能在不满足激活条件时及时停止广域PSS的输出，又能在满足激活条件时及时将广域PSS切换回工作状态。2.本地功率激活条件、爬坡激活条件、频率激活条件能有效针对广域PSS的各种运行工况，可有效保证其正常工作。3.广域PSS的投运条件可为调度控制人员提供有效的广域PSS投运参考，指导调度控制人员对广域PSS的正常操作。

附图说明

图1为本发明的广域PSS运行状态转换图。

图2为本发明中涉及的本地功率激活条件示意图。

图3为本发明中涉及的爬坡激活条件示意图。

图4为本发明中涉及的频率激活条件示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

为了防止广域PSS弱化系统阻尼，同时考虑本地PSS对运行状态的设定，对广域PSS加入人工干预的功能，本技术方案将广域PSS的运行状态设定为“退出状态”、“投入状态”和“激活状态”三种，其中，“投入”和“激活”为工作状态，控制广域PSS运行状态的转换条件主要有手动投退条件和激活条件，如附图1中的广域PSS运行状态转换图所示。其中手动投退条件由硬件设备的物理开关“投/退”控制，激活条件由系统根据输入数据实时检测。

退出状态：广域PSS处于停运状态，控制输出为0，仅能通过“手动投入”条件进入运行状态，任何状态下均能通过“手动退出”条件返回退出状态；

投入状态：广域PSS由退出状态进入工作状态后的第一个状态，此状态下广域PSS的输出仍为0，通过判定是否满足激活条件决定是否进入激活状态；

激活状态：广域PSS满足各项投运条件而输出控制量的状态，通过判定是否满足激活条件决定是否返回投入状态。

广域PSS的激活条件应能正确检测出广域PSS须要停运的各种运行工况，仅当满足激活条件的情况下广域PSS才由投运状态转为激活状态，即广域PSS的输出不被置为0。将激活条件细分为本地功率条件、爬坡状态条件和频率条件三个子激活条件，三个子激活条件的判断过程相互独立，但判断结果为“与”的关系，即三个子激活条件同时满足的情况下广域PSS才能处于投运状态，否则将转为投运状态。

1、本地功率激活条件。

与本地PSS类似，本地功率激活条件主要考虑广域PSS不能对控制机组本地的功率调节出现“反调”效果。以控制机组的额定容量为功率基值，本地功率激活条件bLP可根据以下条件判断：

（1）本地有功功率大于阈值P_max则满足激活条件；

（2）本地有功功率小于阈值P_min则不满足，采用滞回区间方法，其判断逻辑如附图2所示。

2、爬坡激活条件。

与本地功率激活条件考虑本地功率调节“反调”现象不同，爬坡激活条件主要考虑正常改变区域间潮流过程中广域PSS不能起“反调”作用。广域PSS的反馈信号反映了两个区域间的振荡关系。当两区域间交换功率增加改变系统初始的运行点，反馈信号将会出现“爬坡”情况，即呈现单调增加或减小的趋势。

为监测是否处于爬坡状态，首先对广域PSS的反馈信号分别进行长滤波和短滤波处理，长滤波与短滤波的传递函数GL(s)和GS(s)如式(1)所示。

$G_L\left(s\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_L},G_S\left(s\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_S}---\left(1\right)$

其中长滤波结果RL体现了反馈信号长期的稳态值，短滤波结果RS体现了反馈信号的瞬时变化，若两者之差若过大则表示系统处于运行点改变中的状态，此时广域PSS应不动作。

因此广域PSS的爬坡激活条件bC可根据以下条件判断：

（1）长滤波与短滤波结果差的绝对值Rabs大于阈值ΔV_ls-max则不满足爬坡激活条件；

（2）若绝对值Rabs小于阈值ΔV_ls-min则满足，采用滞回区间比较方法，其判断逻辑如附图3所示。

本发明示例性取长滤波的时间常数T_L=20秒，短滤波时间常数T_S=0.1秒，在实际工程应用中，T_L与T_S的取值可适当增加以使爬坡条件更加严格，可取为T_L=60秒、T_S=3秒。阈值ΔV_ls-max及ΔV_ls-min的取值与实际系统相关，取值方法可参考控制器的输出限幅，即若设定广域PSS关注的振荡频率下控制器的动态放大倍数为K，输出限幅为±0.05pu.，则可取ΔV_ls-max≈0.1/K，ΔV_ls-min≈0.02/K。

3、频率激活条件。

频率激活条件主要考虑广域PSS应只在关心的频率区间动作，而对其他频率的振荡不响应，以防止广域PSS导致系统振荡。广域PSS关注的振荡频率往往在0.5Hz到1Hz之间，设定频率激活条件范围的上限阈值为f_H，下限阈值为f_L。频率激活条件设定为：在长度为ΔT的动态时间窗内，反馈信号振荡的频率在频率上下限阈值间则满足激活条件，大于f_H或小于f_L则不满足，直到该振荡平息后再重新激活广域PSS。

频率激活条件的判断逻辑如附图4所示，判断过程如下：

A.检测过零状态，反馈信号应首先经过隔直处理，隔直环节的传递函数为式（2），其中TW的取值通常为10秒；

$G_W\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sT}}_W}{1+{\mathrm{sT}}_W}---\left(2\right)$

B.采用过零检测法测定频率，设反馈信号连续穿过范围为[-V_min,V_min]的过

零区间为一次有效穿越，，对反馈信号进行[-V_min,V_min]滞回区间比较，若大于V_min则取1.0，若小于-V_min则取－1.0，从而得到代表振荡特性的幅值为1的检测方波。显然，每次发生有效穿越时该方波都将改变状态，对该方波进行过零检测就可以得到测定频率用的有效穿越脉冲。V_min的取值与爬坡条件阈值类似，可参考控制输出限幅，若限幅±0.05pu.，则可取V_min≈0.001/K；

C.对长度为ΔT的动态时间窗内的有效穿越脉冲进行计数以粗略计算振荡频率。由于含广域PSS的低频振荡通常在10秒以内得到有效抑制，故可取ΔT=10秒，设计数结果为n；

D.在动态时间窗长度为ΔT的情况下，上限阈值f_H对应的上限计数为n_hf，n_hf=ΔT·f_H，下限阈值f_L对应的下限计数为n_lf，n_lf=ΔT·f_L，则根据n判断频率激活条件的方法为，1）若原状态为激活状态，则当n>n_hf时不满足激活条件，2）若原状态为激活状态且n≥n_lf，则当出现n<n_lf或n>n_hf时不满足激活条件，3）若原状态为非激活且投入状态，则当n=0时满足激活条件，由于连续穿越过零区间为一次有效穿越，故反馈信号持续ΔT时间振幅小于V_min时，有n=0。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种采用广域信号的电力系统稳定器运行条件及状态转换方法，其特征在于，定义三种广域PSS的运行状态，分别是：

退出状态：广域PSS处于停运状态，控制输出为0，仅能通过“手动投入”条件进入运行状态，任何状态下均能通过“手动退出”条件返回退出状态；

投入状态：广域PSS由退出状态进入工作状态后的第一个状态，此状态下广域PSS的输出仍为0，通过判定是否满足激活条件决定是否进入激活状态；

激活状态：广域PSS满足各项投运条件而输出控制量的状态，通过判定是否满足激活条件决定是否返回投入状态；

所述投入状态和激活状态中，激活条件需要同时满足以下三个条件，分别是：

激活条件一：本地功率激活条件，即：

以控制机组的额定容量为功率基值，本地功率激活条件b_LP根据以下条件判断：

判断1：本地有功功率大于阈值P_max则满足本地功率激活条件,本地有功功率小于阈值P_min则不满足本地功率激活条件，而本地有功功率大于等于阈值P_min且小于等于阈值P_max状态下，保持当前对本地功率激活条件的判断状态；

激活条件二：爬坡激活条件，定义爬坡激活条件为b_C，根据以下条件判断：

判断1：长滤波与短滤波结果差的绝对值R_abs大于阈值ΔV_ls-max则不满足爬坡激活条件，若绝对值R_abs小于阈值ΔV_ls-min则满足爬坡激活条件，采用滞回区间比较方法，而绝对值R_abs大于等于阈值ΔV_ls-max且小于等于阈值ΔV_ls-min状态下，保持当前对爬坡激活条件的判断状态；

激活条件三：频率激活条件，设定频率激活条件范围的上限阈值为f_H，下限阈值为f_L，频率激活条件设定为：在长度为ΔT的动态时间窗内，反馈信号振荡的频率在频率上下限阈值间则满足激活条件，大于f_H或小于f_L则不满足，直到该振荡平息后再重新激活广域PSS；频率激活条件的判断过程如下：

步骤2.1，检测过零状态，反馈信号应首先经过隔直处理，隔直环节的传递函数为式二，其中T_W的取值通常为10秒；

$G_W\left(s\right)=\frac{s{T}_W}{1+s{T}_W}$     式二；

步骤2.2，采用过零检测法测定频率，设反馈信号连续穿过范围为[-V_min,V_min]的过零区间为一次有效穿越，，对反馈信号进行[-V_min,V_min]滞回区间比较，若大于V_min则取1.0，若小于-V_min则取－1.0，从而得到代表振荡特性的幅值为1的检测方波，显然，每次发生有效穿越时该方波都将改变状态，对该方波进行过零检测就能够得到测定频率用的有效穿越脉冲，V_min的取值与爬坡条件阈值类似，参考控制输出限幅，若限幅±0.05pu.，则取V_min≈0.001/K；

步骤2.3，对长度为ΔT的动态时间窗内的有效穿越脉冲进行计数以粗略计算振荡频率，由于含广域PSS的低频振荡通常在10秒以内得到有效抑制，故取ΔT＝10秒，设计数结果为n；

步骤2.4，在动态时间窗长度为ΔT的情况下，上限阈值f_H对应的上限计数为n_hf，n_hf＝ΔT·f_H，下限阈值f_L对应的下限计数为n_lf，n_lf＝ΔT·f_L，则根据n判断频率激活条件的方法为：

判断1：若原状态为激活状态，则当n>n_hf时不满足激活条件，

判断2：若原状态为激活状态且n≥n_lf，则当出现n<n_lf或n>n_hf时不满足激活条件，

判断3：若原状态为非激活且投入状态，则当n＝0时满足激活条件，由于连续穿越过零区间为一次有效穿越，故反馈信号持续ΔT时间振幅小于V_min时，有n＝0。