CN103838234A - 基于adpss的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法 - Google Patents

Abstract

基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，包括如下步骤：S1.利用ADPSS系统搭建待测电网的机电-电磁分网方案；S2.定义分网方案内的重要联络线，将重要联络线上的电压或电流信号作为广域模拟量采集，转化为广域阻尼控制信号；所述广域阻尼控制信号与本地PSS信号叠加后作为新的PSS信号作用于励磁控制器模型中；S3.利用ADPSS系统模拟各种故障模式，测量发电机广域阻尼控制器的各项功能。本发明通过实时仿真平台ADPSS搭建真实的电网模型，模拟各种故障模式下的阻尼控制方式并取得测量结果，为广域阻尼控制技术在电网中的推广应用奠定了扎实基础。

Description

基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法

技术领域

本发明属于电力领域，涉及电力系统的计算机辅助仿真方法，具体地，涉及一种基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法。 

背景技术

     ADPSS（Advanced Digital Power System Simulator, 电力系统全数字实时仿真装置）是由中国电力科学研究院研发的，可模拟大规模电力系统（1000台机、10000个节点）的全数字实时仿真装置，提供交直流混联大电网下电力电子设备的闭环测试手段。文献“电力系统全数字实时仿真装置”（电网技术，第32卷，第22期，2008年11月）对ADPSS的功能和应用前景进行了全面的综述。其中，ADPSS由机电暂态仿真、电磁暂态仿真及物理接口装置等多个模块组成。机电暂态仿真可进行万级节点规模的电网仿真；电磁暂态仿真可详细模拟电力系统元件模型的电压、电流暂态过程；采用分网并行的通用算法，解决了大规模电网仿真时间长、无法实现实时仿真的难题。通过机电暂态和电磁暂态并行混合仿真，可实现快慢不同时间尺度暂态过程的联合仿真，解决了电力电子设备与大电网相互影响仿真准确度的技术难题。 

为了提高区域电网区内低频振荡和区间之间低频振荡的系统阻尼，提升外送通道的稳定极限，考虑将广域信号引入发电机的阻尼控制领域，即针对区内关键位置的发电机组安装广域阻尼控制器。目前该技术在国内处于领先水平，尚无在现场闭环运行的先例。由于该系统后期计划安装在实际电网中进行闭环运行，因此有必要在实验室对该新技术在电网中的可行性、有效性及可靠性进行测试，对各种系统可能存在的扰动和故障形式进行全方位扫描和模拟，解决该新型技术工程实用过程中的一系列关键问题，包括信号选取、控制点选择、控制系统架构、实时数据处理以及发电机励磁系统的接口等。 

    目前，未见采用ADPSS对发电机广域阻尼控制系统进行全面闭环测试的实施先例。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，通过实时仿真平台ADPSS模拟大规模交直流混联电网的实际运行，搭建真实的电网模型，不需要对系统进行等值建模，掌握在区域电网安装运行一套发电机广域阻尼控制系统的控制技术和运行维护技术，为广域阻尼控制技术在电网中的推广应用奠定基础。 

本发明解决上述问题所采用的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，包括如下步骤： 

S1.利用ADPSS系统搭建待测电网的机电-电磁分网并网计算方案，形成机电子网和电磁子网；根据分网方案，对电网内部各个节点设备进行建模，并对电磁子网中每一发电机组，采用自定义建模的方式建立本地电力系统稳定器和励磁控制器模型；配置ADPSS的模拟量输出接口和模拟量输入接口；

S2.定义分网方案内的重要联络线，将重要联络线上的电压或电流信号作为广域模拟量采集，通过模拟量输出接口输出至广域数据集中装置，所述广域数据集中装置将输入的广域模拟量转化为广域数字量并输入到广域阻尼控制装置，所述广域阻尼控制装置将广域数字量转化为控制数字量输入到阻尼控制执行装置，所述阻尼控制执行装置将控制数字量转化为广域阻尼控制信号；

所述广域阻尼控制信号通过模拟量输入接口输入到ADPSS中不同发电机组的本地电力系统稳定器，作为附加信号叠加在励磁控制器模型中；

S3.利用ADPSS系统模拟各种故障模式，测量发电机广域阻尼控制器的各项功能。

优选的，所述步骤S1中还包括机电-电磁一致性验证步骤，所述机电-电磁一致性验证步骤具体为： 

对ADPSS内的机电-电磁分网方案，在机电-电磁混合仿真和机电暂态仿真两种仿真方式下设置相同的运行方式和故障条件，比较两种仿真方式下发电机组的有功出力、功角振荡曲线、重要联络线输出的有功功率曲线、无功功率曲线进行比较，从稳态值偏差以及动态过程的振荡频率、振幅大小进行误差判断，当两种仿真方式下的误差低于预先设定标准时认为验证通过，否则验证不通过，对本地模型进行修正。

具体的，所述电磁暂态仿真的仿真步长为100微秒，机电暂态仿真步长为10毫秒，所述预先设定标准为5%。 

优选的，所述重要联络线包括母线和水电传输线路。 

具体的，所述步骤S3中的故障模式包括线路N-1故障、线路N-2故障、线路单相接地故障、主变高压侧N-1故障。 

优选的，所述步骤S2中发电机广域阻尼控制系统根据重要联络线电压和电流采集量，形成分别用于提高区内振荡阻尼的广域阻尼控制信号DS1和提高区间振荡阻尼的广域阻尼控制信号DS2，作为ADPSS装置的模拟量输入信号，分别输入到待测电网中的不同发电机组的本地电力系统稳定器，作为附加信号叠加在励磁控制器模型中。 

综上，本发明的有益效果是： 

1、通过实时仿真平台ADPSS搭建真实的电网模型，模拟各种故障模式下的阻尼控制方式并取得测量结果，根据模拟结果加快了广域阻尼控制中的具体参数调节进程，为广域阻尼控制技术在电网中的推广应用奠定了扎实基础。

2、采用在电磁暂态仿真和机电暂态仿真两种仿真方式综合对比模拟，进一步验证电机模型的真实性，保证机电-电磁混合仿真方式与纯机电仿真方式下的系统特性一致，确保仿真模型的一致性和仿真方式的可信性。 

3、将广域阻尼控制信号分路输入ADPSS内的虚拟发电机组，模拟同时抑制区内振荡模式和区间振荡模式，测试取得最佳阻尼控制效果。 

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式的闭环测试系统框图； 

图2为采用本发明模拟500kV线路发生N-1故障方式下将广域阻尼控制信号分别作为区间振荡控制信号和区内振荡控制信号投入时，L1线路的有功功率对比曲线图；

图3为采用本发明模拟500kV线路发生N-1故障方式下将广域阻尼控制信号分别作为区间振荡控制信号和区内振荡控制信号投入时，L2线路的有功功率对比曲线图；

图4为采用本发明模拟500kV线路发生N-1故障方式下将广域阻尼控制信号分别作为区间振荡控制信号和区内振荡控制信号投入时，L3线路的有功功率对比曲线图。

图2-图4中标记1的曲线为仅投入本地发电机组电力系统稳定器的对应曲线，标记2的曲线为在本地发电机组的各2台发电机组投入本地发电机组电力系统稳定器叠加广域阻尼控制信号的叠加曲线，标记3的曲线为在本地发电机组的各6台发电机组投入本地发电机组电力系统稳定器叠加广域阻尼控制信号的叠加曲线。 

图2-图4中的纵坐标为p.u.，单位为标么值，标么值为有名值与基准值的比值，是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值。 

图5为本发明所述DS1信号的产生示意图； 

图6为本发明所述DS2信号的产生示意图；

图7为广域阻尼控制信号与发电机本地PSS信号的叠加原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。 

实施例1： 

基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 利用ADPSS系统搭建待测电网的机电-电磁分网方案，形成机电子网和电磁子网，根据分网方案，对电网内部各个节点设备进行建模，并对电磁子网中每一发电机组，采用自定义建模的方式建立本地电力系统稳定器和励磁控制器模型；配置ADPSS的模拟量输出接口和模拟量输入接口；

搭建机电电磁分网方案时，以待测电网的潮流运行方式为基础，利用ADPSS建立机电-电磁混合仿真作业，对机电暂态作业进行潮流计算，然后根据实际需要确定机电-电磁的分网方案，确定分网方案后，对电网内的线路、变压器、断路器进行电磁建模，此外还需要利用ADPSS提供的用户自定义模型功能建立各虚拟发电机组的本地电力系统稳定器（PSS, Power System Stabilizers）和励磁控制器（AVR，Automatic voltage Regulator）模型。并利用ADPSS配置建立分网方案的模拟量输出接口和模拟量输入接口，用于输出和输入虚拟电网的模拟信号量。

利用ADPSS系统自身，可以完成各个子网的划分和分网计算，对于重点分析的部分电网构建电磁暂态仿真模型，而对于其余部分电网构建机电暂态仿真模型。为保证机电-电磁暂态模型仿真同步性，机电暂态模型与电磁暂态模型在各自分配的节点中进行一次变量的求解计算后，计算数据通过机电暂态接口进行一次交换。电磁分网通过机电暂态接口从机电子网中接受相关计算数据，对电磁子网中各电气量各时刻的电磁暂态结果进行计算。 

利用ADPSS模拟出虚拟电网后，进行S2步骤.定义分网方案内的重要联络线，将重要联络线上的电压或电流信号作为广域模拟量采集，通过模拟量输出接口输出至广域数据集中装置，所述广域数据集中装置将输入的广域模拟量转化为广域数字量并输入到广域阻尼控制装置，所述广域阻尼控制装置将广域数字量转化为控制数字量输入到阻尼控制执行装置，所述阻尼控制执行装置将控制数字量转化为广域阻尼控制信号。 

重要联络线一般选择水电外送的输电通道以及发电机组的母线，采集的广域模拟量通常有母线电压及水电外送输电通道上的电流等。 

实现本发明需要设置一个广域阻尼控制系统，收集ADPSS输出的广域模拟量并根据广域模拟量生成广域阻尼控制信号，通过模拟量输入接口输入到ADPSS ，并反馈叠加到各个虚拟发电机组的本地电力系统稳定器，作为附加信号叠加在励磁控制器模型中。 

广域阻尼控制系统由广域数据集中装置，广域阻尼控制装置和阻尼控制执行装置组成。所述广域数据集中装置为AD转换器，将输入的广域模拟量转化为广域数字量并输入到广域阻尼控制装置，所述广域阻尼控制装置为编解码设备，将广域数字量转化为控制数字量输入到阻尼控制执行装置，所述阻尼控制执行装置为DA转换器，将控制数字量转化为模拟量形式的广域阻尼控制信号。 

S2步骤中，利用ADPSS内预先搭建的虚拟待测电网和外部的广域阻尼控制系统形成一个电网广域阻尼控制器的闭环测试系统，可以用于进行广域阻尼控制的行为模拟。随后的S3步骤利用ADPSS系统模拟各种故障模式，各种故障模式包括线路N-1故障、线路N-2故障、线路单相接地故障、主变高压侧N-1故障；对发电机广域阻尼控制器的各项功能进行测试，主要包括控制器安装个数的控制效果检验、控制参数对运行方式的适应性测试以及广域PSS和本地PSS相互配合的作用对比效果等，检验广域阻尼控制器对区间振荡和区内振荡模式的阻尼效果，比较投入广域阻尼控制器前后的系统阻尼情况，防止广域阻尼控制器对系统阻尼起反作用的情况发生，为现场广域阻尼控制器的实施提供技术保障。 

实施例2 

本实施例在实施例1的基础上，在步骤S1中增加机电-电磁一致性验证步骤，所述机电-电磁一致性验证步骤具体为：

利用ADPSS完成机电-电磁分网方案之后，在电磁暂态仿真和机电暂态仿真两种仿真方式下设置相同的运行方式和故障条件，比较两种仿真方式下发电机组的有功出力、功角振荡曲线、重要联络线输出的有功功率曲线、无功功率曲线进行比较，从稳态值偏差以及动态过程的振荡频率、振幅大小进行误差判断，当两种仿真方式下的误差低于预先设定标准时认为验证通过，否则验证不通过，对本地模型进行修正。

一种具体实施方式为，搭建完成电磁模型后，提交机电暂态子网和电磁暂态子网作业，执行机电-电磁混合仿真计算，设置电磁暂态仿真和机电暂态仿真的步长分别为100微秒和10毫秒，然后对机电-电磁混合仿真与纯机电仿真两种仿真方式下的模型一致性进行测试。一方面检测S1步骤中设置的PSS和AVR模型的精确性和一致性；另一方面校验在机电-电磁混合仿真方式下系统的稳态行为、动态响应特性与纯机电仿真方式的一致性。为了对两种仿真方式下的结果进行一致性对比，则设置同一运行方式下的同一故障条件，对两种仿真方式下机组的有功出力、功角振荡曲线、重要联络线输出的有功功率曲线、无功功率曲线进行比较，从稳态值偏差以及动态过程的振荡频率、振幅大小进行误差判断，保证两种仿真方式下的误差在5%以下，从而保证仿真的有效性和精确性，确保后续步骤的顺利进行。 

实施例3 

本实施例中给出本发明的一种最优实施方式。

在实施例1或2的基础上得到的广域阻尼控制信号，分别输出到步骤S1中在ADPSS中建立的虚拟待测电网的不同发电机组，例如对A发电厂的发电机组，输入第一广域阻尼控制信号DS1 ，用于抑制0.7~0.8Hz的区内振荡模式；将第二广域阻尼控制信号DS2附加在B发电厂的各台机组的本地电力系统稳定器PSS信号上，用于抑制0.3~0.4Hz的区间振荡模式。为达到综合的控制效果，使得区间和区内阻尼振荡模式的阻尼比均能有所提高，考虑将广域阻尼控制信号1和广域阻尼控制信号2分别同时作用于A、B发电厂各机组上，实现两种振荡模式下的相互协调控制。 

    区间振荡模式指当区域电网之间的电气联系较弱时，系统发生故障或者扰动后，区间的低频振荡模式会被激发，频率通常在0.3-0.4赫兹，并叠加在整个系统的动态过程中，传播到全网，引起全网的振荡，威胁电网安全，弱阻尼的低频振荡同时会限制区间联络线的传输功率。区内振荡是指当系统发生故障或扰动时，区域内部的发电机群之间的功角、频率振荡，一般振荡频率在0.7-0.8Hz 之间。 

    DS1和DS2最大的区别在于它们对不同范围的振荡模式有阻尼效果，相互独立，互不影响。它们是广域阻尼控制系统根据不同的控制目标生成的控制指令，DS1 用于抑制区内振荡模式，而DS2用于抑制区间振荡模式。DS1和DS2作为附加的阻尼控制信号，与本地PSS信号叠加在一起，作为新的阻尼控制信号作用于发电机的励磁调速系统中。 

    重要联络线L1，L2和L3分属地理位置不同的水电输送通道，水电输送通道是指将偏远地区的水电资源输送到电力紧缺的负荷中心的输电线路。是电网之间的最重要的功率输送线，因此通常列入重要联络线。不同的水电输送通道意味着在电网发生故障时，三条线路有功功率或电流信号所呈现的振荡模式也不一样。同时观察三条不同的水电输送通道可以得到更全面的信息。 

图2~图4则给出了投入不同数目的广域阻尼控制器1和控制器2的情况下，重要联络线L1、L2、L3在某条500kV线路发生N-1故障方式下的有功功率波形图。其中，每张图上的红色曲线代表仅投入机组本地的PSS信号；蓝色曲线表示除投入本地PSS信号以外，A发电厂2台机组和B发电厂2台机组投入广域阻尼控制信号；黑色曲线表示除投入本地PSS以外，A发电厂6台机组和B发电厂6台机组投入广域阻尼控制信号。 

 PSS（电力系统稳定器）信号控制是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。 

表1~3则对图2~4中的三种控制方式下L1~L3各条线路有功功率相应的振荡频率和阻尼比进行了对比统计。结合图2~4和表1~3的数据看出，仅投入本地PSS控制器时，L1、L2、L3线路有功功率的区间振荡模式的阻尼比分别为4.52%、3.09%、2.58%，L1、L3线路有功功率的区内振荡模式的阻尼比分别为5.95%、5.65%；当A发电厂和B发电厂各机组分别投入广域PSS控制信号1和广域控制信号2后，各线路的区间振荡模式和区内振荡模式的阻尼比均有所提高。其中当A发电厂和B发电厂各6台机组同时投入广域PSS控制信号时的控制效果最佳，L1、L2、L3区间振荡模式的阻尼比分别提高至5.41%、5.28%、4.15%，L1、L3区内振荡模式的阻尼比分别提高至7.99%、6.68%。通过提高阻尼比，可以增强电网的动态稳定水平，释放因动态稳定不足而受限的输电功率。 

目前通常仅使用本地PSS采用发电机本地信号作为反馈信号，但本地一般难以获得直接反映区间振荡特征的信号，对区间低频振荡模式的可观性较弱，因此本地PSS信号抑制区间振荡的效果较差；广域阻尼控制系统采用远方对区间动态振荡模式最具可观性的广域信息作为反馈量，从广域阻尼控制系统的输入信号选择、执行装置布点和控制策略选择等多方面出发进行综合考虑，将控制作用施加到可控性最佳的发电机组上，大大提高电网的动态稳定性和区间送电容量。 

DS1主要用于抑制区内振荡，对500KV电网，通常选择同一电网内两条500kV母线的振荡频率之差作为控制环节的输入信号，然后通过放大环节、滤波环节、三个移相环节和限幅环节即获得广域阻尼控制信号DS1。图5为广域阻尼控制信号DS1的形成过程示意图。 

  DS2主要用于抑制区间振荡，因此选取电网之间区间联络线的功率作为控制环节的输入信号。广域阻尼控制装置通过采集到的电压、电流信号计算获得功率信号，然后经过隔直环节、滤波器环节，三个移相环节、放大环节以及限 

幅环节作用后，形成广域阻尼控制指令信号DS2。图6为广域阻尼控制信号DS2的形成过程示意图。

    DS1和DS2信号形成中的各个环节本领域技术人员可以直接实现，例如隔直就是去除信号中的直流分量，滤波就是滤掉信号中的杂波，移相即为根据需要移动周期性信号的相位以符合后续处理要求，放大和限幅分别是增强信号的驱动能力，限制信号的摆幅。实际上，根据成熟的反馈理论并应用于本发明中DS1和DS2信号的处理，结合ADPSS系统公开的相关说明文件，可以容易的实现DS1和DS2信号的反馈控制。 

如图7所示，给出了广域阻尼控制信号与发电机本地PSS信号的叠加原理图，也展示了广域阻尼控制信号的传输过程。其中Ugpss为从广域阻尼控制信号DS1或DS2转化得到的电压形式的广域阻尼叠加信号；Upss为发电机自身PSS输出信号。 

 叠加装置包括级联的P2700与5C；5C为广域阻尼控制装置的分布式实时控制执行单元，是广域阻尼控制系统与发电机励磁系统接口的关键装置，它通过以太网接收广域阻尼控制装置的控制命令DS1和DS2，然后通过输出4~20mA的模拟量电流信号。P27000为万能隔离变换器，其功能是将接收的电流信号转换为±10V的电压量，发送到发电机励磁系统的附加PSS输入接口，可与发电机已有的本地PSS信号Upss共存，并运算叠加后进入发电机励磁系统。图7中的Ug为发电机机端电压；Uref为参考电压；这两个信号虽然不参与叠加计算，但作为发电机励磁系统的控制信号共同输入参与控制。 

    以上过程说明了DS1、DS2以及信号叠加过程，本领域技术人员结合本领域知识及关于ADPSS系统的使用知识，及具体模拟电网的电网参数，可以实现广域阻尼控制过程的模拟。 

Claims (6)

1.基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.利用ADPSS系统搭建待测电网的机电-电磁分网并网计算方案，形成机电子网和电磁子网；根据分网方案，对电网内部各个节点设备进行建模，并对电磁子网中每一发电机组，采用自定义建模的方式建立本地电力系统稳定器和励磁控制器模型；配置ADPSS的模拟量输出接口和模拟量输入接口；

S2.定义分网方案内的重要联络线，将重要联络线上的电压或电流信号作为广域模拟量采集，通过模拟量输出接口输出至广域数据集中装置，所述广域数据集中装置将输入的广域模拟量转化为广域数字量并输入到广域阻尼控制装置，所述广域阻尼控制装置将广域数字量转化为控制数字量输入到阻尼控制执行装置，所述阻尼控制执行装置将控制数字量转化为广域阻尼控制信号；

所述广域阻尼控制信号通过模拟量输入接口输入到ADPSS中不同发电机组的本地电力系统稳定器，作为附加信号叠加在励磁控制器模型中；

S3.利用ADPSS系统模拟各种故障模式，测量发电机广域阻尼控制器的各项功能。

2.根据权利要求1所述的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括机电-电磁一致性验证步骤，所述机电-电磁一致性验证步骤具体为：

对ADPSS内的机电-电磁分网方案，在机电-电磁混合仿真和机电暂态仿真两种仿真方式下设置相同的运行方式和故障条件，比较两种仿真方式下发电机组的有功出力、功角振荡曲线、重要联络线输出的有功功率曲线、无功功率曲线进行比较，从稳态值偏差以及动态过程的振荡频率、振幅大小进行误差判断，当两种仿真方式下的误差低于预先设定标准时认为验证通过，否则验证不通过，对本地模型进行修正。

3.根据权利要求2所述的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，所述电磁暂态仿真的仿真步长为100微秒，机电暂态仿真步长为10毫秒，所述预先设定标准为5%。

4.根据权利要求1所述的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，所述重要联络线包括母线和水电传输线路。

5.根据权利要求1所述的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，所述步骤S3中的故障模式包括线路N-1故障、线路N-2故障、线路单相接地故障、主变高压侧N-1故障。

6.根据权利要求1所述的基于ADPSS的发电机广域阻尼控制系统闭环测试方法，其特征在于，所述步骤S2中发电机广域阻尼控制系统根据重要联络线电压和电流采集量，形成分别用于提高区内振荡阻尼的广域阻尼控制信号DS1和提高区间振荡阻尼的广域阻尼控制信号DS2，作为ADPSS装置的模拟量输入信号，分别输入到待测电网中的不同发电机组的本地电力系统稳定器，作为附加信号叠加在励磁控制器模型中。

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