CN103995204A - 一种电力系统强迫振荡源的在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力系统强迫振荡源的在线监测方法，包括：获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；对发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；根据机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则目标机组不是强迫功率振荡源。本发明真实反映了外部电力系统对机组的影响，避免了引入全网模型带来的分析误差，降低了复杂度。

Description

一种电力系统强迫振荡源的在线监测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统的在线检测领域，尤其涉及一种电力系统中强迫振荡源的在线监测方法及装置。

背景技术

当电力系统受到持续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。这称为强迫功率振荡。强迫振荡理论对一些实际发生的非负阻尼机理的低频振荡事件有较好的解释，越来越受到国内外专家学者的认同，对强迫功率振荡机理的研究也越来越受关注。

由于强迫功率振荡具有明确的扰动源，因此，对于强迫功率振荡引发的低频振荡最有效的处理措施是迅速找到并切除扰动源。在实际电网运行中，由强迫振荡产生的低频振荡，其扰动源位置很难被及时发现和判断。其中，一种现有技术是利用行波测距的原理对强迫功率振荡的扰动源定位进行了探索研究，另一种现有技术是基于能量分析方法对强迫功率振荡的扰动源定位进行了探索研究。这些研究或者采用过度简化的单机无穷大模型，或者依赖于整个互联电网的实时模型和全网运行数据，分析非常复杂，理论基础不严密，实际应用时可靠性较低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电力系统中强迫振荡源的在线监测方法及装置，基于PMU(phasor measurement unit，相量测量装置)的实测数据，针对原动机及其调速系统引起的强迫功率振荡进行分析，准确强迫功率振荡源的位置、强度等信息，实现强迫功率振荡源的在线监测。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种电力系统强迫振荡源的在线监测方法，包括：获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

在本发明的其他实施例中，所述方法还包括：根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征来判断机组是否正在经历低频振荡。

在本发明的其他实施例中，所述方法还包括：根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种电力系统强迫振荡源的在线监测装置，包括：获取单元，用于获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；波动相量生成单元，用于对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量机械功率波动相量生成单元，用于根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；判断单元，用于根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

在本发明的其他实施例中，所述装置还包括：振荡判断单元，用于根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征来判断机组是否正在经历低频振荡。

在本发明的其他实施例中，所述装置还包括：响应程度判断单元，用于根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。

本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测方法及装置，在发电机转子运动方程中，电气功率和转速数据均来自于PMU实测数据，能够真实地反映外部电力系统对机组的影响，实现各个发电机组独立分析、相互解耦，避免了引入全网模型带来的分析误差和可靠性降低，减少了在线监测分析的复杂程度。本发明方案简单有效，为电网调控运行人员及时开展电网控制提供了可靠的决策依据，为保障电网安全稳定运行和可靠供电奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测方法的流程图；

图2为发电机转子运动方程的传递函数框图；

图3为振荡过程中的相量关系图；

图4为原动机不是强迫振荡源时的机械功率和电气功率的波动相位关系示意图；

图5为本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测装置的结构示意图；

图6为第一具体实施例中的电厂3#机有功功率曲线图；

图7为第一具体实施例中的电厂3#机调节级压力曲线图；

图8为第一具体实施例中的电厂3#机主励磁电流曲线图；

图9为第一具体实施例中的电厂3#机频率曲线图；

图10为第一具体实施例中的电厂3#机频率波动、电气功率波动、机械功率波动相量关系图；

图11为第二具体实施例中的电厂1#机有功功率曲线图；

图12为第二具体实施例中的电厂1#机频率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

广域测量系统(WAMS)的广泛建设和应用为扰动源分析与判断带来了有效的技术手段。本发明基于PMU的实测数据，针对原动机及其调速系统引起的强迫功率振荡进行分析，主要解决以下技术问题：

1)通过PMU装置上传的实测电气功率和转速等数据，准确计算发电机组机械输入功率，实现各个发电机组独立分析、相互解耦，提高分析结果的准确性、可靠性和抗干扰性；

2)通过对监测范围内发电机组电气输出功率和机械输入功率的对比，准确强迫功率振荡源的位置、强度等信息，实现强迫功率振荡源的在线定位。

图1为本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测方法的流程图。如图所示，本实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测方法包括：

步骤S101，获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；步骤S102，对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量步骤S103，根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；步骤S104，根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

在本发明中，发电机转子运动方程(标么值)为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Δ\ω}\·{\mathrm{\ω}}_0\\ 2H\frac{\mathrm{d\Δ\ω}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ΔT}}_m-{\mathrm{\ΔT}}_e-\mathrm{D\Δ\ω}\≈{\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_e-\mathrm{D\Δ\ω}\end{array}\right.$

式(1)中，δ为转子角，ω为角速度，2H为时间常数，T_m为机械转矩，T_e为电气转矩，D为阻尼系数，P_m为机械输入功率，P_e为电气输出功率。

发电机转子运动方程的传递函数框图如图2所示，由式(1)和图2，如果发生角频率为Ω的振荡过程，忽略阻尼绕组的阻尼D的情况下(近似认为D≈0)，振荡过程中发电机机械输入功率波动量ΔP_m、电气输出功率波动量ΔP_e、转速(频率)波动量Δω之间有如下关系：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_m-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_e=j2\mathrm{H\Ω\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

在式(2)中，是用相量形式表示的机械功率波动量ΔP_m、电气功率波动量ΔP、转速(频率)波动量Δω，Ω为功率(频率)波动的角频率。可以看出：

发电机组的不平衡功率(ΔP_m-ΔP_e)的波动相位比转速(频率)Δω的波动相位超前90°。

发电机组的不平衡功率(ΔP_m-ΔP_e)的波动幅值为转速(频率)Δω的波动幅值的2HΩ倍。

由式(2)可以得到： $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_m=j2\mathrm{H\Ω\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_e---\left(3\right)$

由式(3)看出，振荡过程中发电机机械输入功率波动量ΔP_m、电气输出功率波动量ΔP_e、转速(频率)波动量Δω的相量关系如图3所示。

图3中，α为相对于的波动相位，β为相对于的波动相位。

根据转子运动方程：

$({\mathrm{\ΔP}}_m\left(s\right)-{\mathrm{\ΔP}}_e\left(s\right))\frac{1}{2\mathrm{Hs}}=\mathrm{\Δ\ω}\left(s\right)---\left(4\right)$

式(4)中，ΔP_m(s)、ΔP_e(s)和Δω(s)为拉氏变换形式。

设原动机及调速器的传递函数为K(s)，则有：

ΔP_m＝ΔP_m1+ΔP_m2＝K(s)Δω+ΔP_m2   (5)

式(5)中，ΔP_m1为由于转速反馈控制产生的机械功率波动，ΔP_m2为其他原因产生的机械功率波动。

假设原动机不是强迫扰动源，即：

1)ΔP_m2＝0；

2)K(s)具有负实部。

从而有：

$({\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_e)\frac{K\left(s\right)}{2\mathrm{Hs}}={\mathrm{\ΔP}}_m$

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m}{{\mathrm{\ΔP}}_e}=\frac{K\left(s\right)}{K\left(s\right)-2\mathrm{Hs}}---\left(6\right)$

设因响应外部扰动电气功率中有角频率为Ω的正弦波动，则

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m}{{\mathrm{\ΔP}}_e}=\frac{K\left(\mathrm{j\Ω}\right)}{K\left(\mathrm{j\Ω}\right)-j2\mathrm{H\Ω}}---\left(7\right)$

在K(jΩ)的实部为负数的情况下，由式(7)可以看出，等式右侧的复数的角度为负数。原动机不是强迫扰动源的情况下，机械功率与电气功率的波动相位关系示意图如图4所示。

由式(7)和图4可以看出：

1)如果原动机不是强迫扰动源，发电机组因响应外界扰动而处于振荡过程中时，机械功率的波动相位要滞后于电气功率的波动相位。

2)根据第1)条的逆否定理，如果机械功率的波动相位超前于电气功率的波动相位，则可以认为是机组原动机是强迫振荡源。

根据图3和式(7)，可以给出以下强迫功率振荡的在线监测分析方法：

步骤1：对PMU实测的发电机电气功率P_e和转速ω数据进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量其中，在该步骤中，还根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征来判断机组是否正在经历低频振荡，其波动特征包括：波动频率、波动幅值、波动持续周期数等，并确定振荡模态、振荡幅值、振荡相位；

步骤2：根据式(3)，计算机械功率的波动相量

步骤3：根据与的相位关系判断目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位，即则可以判断目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位，即则可以目标机组不是强迫功率振荡源。

同时，在本发明实施例中，还可以根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。如果比值偏小，则可判断该目标机组对强迫功率振荡的响应比较大。这种偏大偏小没有明确的数值范围，可由本领域技术人员根据常识进行判定。

图5为本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测装置的结构示意图。在本实施例中，该在线监测装置包括：获取单元101，用于获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；波动相量生成单元102，用于对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量机械功率波动相量生成单元103，用于根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；判断单元104，用于根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

在本实施例中，所述装置还包括：振荡判断单元，用于根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征(包括：波动频率、波动幅值、波动持续周期数等)来判断机组是否正在经历低频振荡。

在本实施例中，所述装置还包括：响应程度判断单元，用于根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。如果比值偏小，则可判断该目标机组对强迫功率振荡的响应比较大。这种偏大偏小没有明确的数值范围，可由本领域技术人员根据常识进行判定。

本发明已于2012年3月在国家电网华北电力调控分中心投入在线运行。

下面给出两个实际实施例。所有数据均取自于调控中心WAMS系统记录的实际运行数据：

第一个具体实施例中的机组的振荡原因是调速系统中汽机调门油动机流量特性不稳定导致调门抖动，机组是强迫功率振荡源；

第二个具体实施例中的机组的振荡原因是响应外部扰动，机组不是强迫功率振荡源。

具体实施例1：

A电厂3#机发生功率振荡。图6～图9分别给出了机组有功功率、调节级压力、主励磁电流、机组频率的曲线。

通过对8：32：00～8：32：05：595共9个稳态振荡周期的有功功率和频率数据进行频谱分析，得到振荡频率为1.512Hz。其他分析结果如表1所示。

表1  频率、电气功率、励磁电流、调节级压力振荡相量分析结果

该机组惯性时间常数为T_J＝2H＝5.349s。机组额定容量为S_aB＝200/0.85＝253.3MVA，额定频率f_B＝50Hz。可计算得：

转速波动量的标么值为：Δω＝Δf＝0.0503/50＝0.001006

功率波动量的标么值为：ΔP_e＝41.4648/253.3＝0.1762

机械输入功率的波动量相量计算结果为：

在本实施例中，频率波动、电气功率波动、机械功率波动相量关系如图10所示。

将机械功率的波动量转换成有名值，ΔP_m＝0.138423×253.3＝35.063MW。可得ΔP_m/ΔP_e＝35.063/41.4648＝0.846，由此判断该机组的机械功率有幅度较大的振荡，且机械功率的振荡相位比电气功率的振荡相位超前-40.93-(-52.69)＝12.66°，可以判断该机组是强迫振荡源。

根据汽轮机原理中的弗留格尔公式，通流面积不变的情况下，汽轮机进汽流量与其调节级压力成正比。也就是说，调节级压力直接与汽轮机的机械功率相关。

机械功率的波动相位计算结果与调节级压力波动相位的实测结果十分接近，二者误差1.3°，说明用式(3)来计算机械功率是可行的。

本实施例中的机组发生振荡事故后，技术专家赴电厂与现场运行人员开展了联合分析，分析结果表明，该机组调速系统中汽机调门油动机流量特性不稳定导致调门抖动，机组是强迫功率振荡源，这与本发明的在线分析结论完全一致。

具体实施例2：

本具体实施例对B电厂1#机(无励磁电流监测)在响应电网振荡时的实测数据进行分析。

图11和图12分别给出了机组有功功率和机组频率的曲线。

通过对21：02：00～21：02：15：640共9个振荡周期的数据进行分析，振荡频率为0.575Hz。其他分析结果如表2所示。

表2  频率、电气功率的振荡相量分析结果

该机组惯性时间常数为T_J＝2H＝7.427s。机组额定容量为S_aB＝600/0.9＝666.7MVA，额定频率f_B＝50Hz。可计算得：

转速波动量的标么值为：Δω＝Δf＝0.0831/50＝0.001662

功率波动量的标么值为：ΔP_e＝35.8551/666.7＝0.0538

机械输入功率的波动量相量计算结果为：

将机械功率的波动量转换成有名值，ΔP_m＝0.009×666.7＝6MW。可得ΔP_m/ΔP_e＝6/35.8551＝0.167，由此判断该机组的机械功率的振荡幅度较小，且机械功率的振荡相位比电气功率的振荡相位滞后-94.98-(-90.68)＝-4.3°，可以判断该机组不是强迫振荡源。

本具体实施例中的机组振荡数据取自于某电网发生振荡期间，与之互联的对端电网的并网机组响应数据。实施例中的机组发生功率振荡的原因是响应外部电网的振荡，机组不是强迫振荡源，这与本文的分析结果也是完全一致的。

本发明实施例的电力系统强迫振荡源的在线监测方法及装置，在发电机转子运动方程中，电气功率和转速数据均来自于PMU实测数据，能够真实地反映外部电力系统对机组的影响，实现各个发电机组独立分析、相互解耦，避免了引入全网模型带来的分析误差和可靠性降低，减少了在线监测分析的复杂程度。本发明方案简单有效，为电网调控运行人员及时开展电网控制提供了可靠的决策依据，为保障电网安全稳定运行和可靠供电奠定了基础。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电力系统强迫振荡源的在线监测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；

对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量

根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；

根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

2.根据权利要求1所述的电力系统强迫振荡源的在线监测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征来判断机组是否正在经历低频振荡。

3.根据权利要求1所述的电力系统强迫振荡源的在线监测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。

4.一种电力系统强迫振荡源的在线监测装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于获取PMU量测的目标机组的电气功率P_e和转速ω；

波动相量生成单元，用于对所述发电机电气功率P_e和转速ω进行频谱分析，生成电气功率波动相量和转速波动相量

机械功率波动相量生成单元，用于根据计算机械功率波动相量其中，2H为时间常数，Ω为转速波动的角频率；

判断单元，用于根据所述机械功率波动相量与电气功率波动相量的相位关系判断所述目标机组是否为强迫功率振荡源：若机械功率的振荡相位超前于电气功率的振荡相位即则所述目标机组是强迫功率振荡源；若机械功率的振荡相位滞后于电气功率的振荡相位即则所述目标机组不是强迫功率振荡源。

5.根据权利要求4所述的电力系统强迫振荡源的在线监测装置，其特征在于，所述装置还包括：

振荡判断单元，用于根据所述目标机组的转速波动量Δω和电气功率波动量ΔP_e的波动特征来判断机组是否正在经历低频振荡。

6.根据权利要求4所述的电力系统强迫振荡源的在线监测装置，其特征在于，所述装置还包括：

响应程度判断单元，用于根据所述目标机组的机械功率波动量ΔP_m与所述电气功率波动量ΔP_e的比值用以辅助判断所述目标机组对强迫功率振荡的响应程度。