CN104330667A - 一种用于判断调速系统对低频振荡阻尼影响的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于判断原动机调速系统对低频振荡影响的监测识别方法，用于识别振荡过程中原动机调速系统为振荡提供正阻尼还是负阻尼，以为电力系统稳定运行提供一定的参考价值。该方法首先通过TLS-ESPRIT方法对振荡阻尼进行辨识，用阻尼比确定发电机转子方程左右两边变量的第一夹角，再通过测量发电机本地的电磁功率与转速得到转速偏差与有功功率偏差的第二夹角，两个夹角对比确定机械功率偏差对于振荡提供正阻尼还是负阻尼。判断方法简单有效，能够帮助运行人员提高电力系统稳定水平。

Description

一种用于判断调速系统对低频振荡阻尼影响的监测方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定分析技术领域，更具体地，涉及一种能够用于在线判断原动机调速系统对于低频振荡阻尼影响的监测识别方法。

背景技术

原动机调速系统是电力系统中最主要元件发电机的动力系统，对于火电机组，主要由锅炉、汽轮机、调速系统及其执行机构组成，对于水电机组，主要由引水系统、水轮机、调速系统及其执行机构组成。在传统的分析低频振荡的过程中，电力系统弱阻尼低频振荡通常被认为是由于在远距离大容量送电时，高增益快速响应的励磁系统向系统提供负阻尼转矩而造成。这一认识是Demello等人在发电机Philips-Heffron(H-P)模型的基础上提出的。不过，由于当时原动机调速系统响应较慢，因而没有将原动机调速系统纳入分析的范围，于是在较长时间内形成了原动机调速系统对低频振荡的影响较小这一普遍认识。

但是，随着电液调速的逐步使用，调速系统的响应水平较过去有了很大的提高，将可能影响到低频振荡的阻尼。并且，越来越多的机组一次调频实验振荡事故表明，调速系统对电网安全稳定运行构成了影响。因此，调速系统对于低频振荡的影响开始逐渐受到关注。

类比于励磁系统，文献“原动机调节系统对电力系统动态稳定的影响”基于H-P模型和转矩理论分析了原动机调速系统对电力系统低频振荡阻尼的影响。文献“电网侧扰动引起共振型低频振荡的机制分析”进一步指出，采用电磁功率前馈代替机械功率反馈将会使机械功率的阻尼减小。文献“一次调频试验引发低频振荡实例及机理分析”给出了一次调频参数设置不当会引发系统功率振荡的案例，并进行了详细的分析。这些工作在分析原动机调速系统对电网低频振荡的影响上都具有一定的推进作用。

上述的研究以分析原动机调速系统对振荡的影响为目标，主要开展原动机调速系统引入对单机无穷大系统的影响、调速控制方式和参数对低频振荡的影响、调速系统扰动对低频振荡的影响，在针对实际问题时，由于分析过程较为复杂，必须依靠离线量完成，不能在在线的分析中直接应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于判断调速系统对低频振荡阻尼影响的监测方法，旨在解决通过在线量发现低频振荡中调速系统可能对低频振荡提供负阻尼，不利于振荡平息的情况，从而能够通过停止一次调频来提升振荡阻尼，帮助振荡更快平息。

本发明提供了一种用于判断调速系统对低频振荡阻尼影响的监测方法，包括下述步骤：

S1：通过检测发电机机端功率来判断所述发电机是否发生功率振荡，若是，则进入步骤S2；若否，则继续检测；

S2：由发电机实时输出功率P_e减去稳态参考输出功率P_ref得到功率偏差信号ΔP_e，由实时输出的转速量ω减去稳态参考转速ω_ref得到转速偏差信号Δω，分别对功率偏差信号ΔP_e和转速偏差信号Δω分别进行滤波处理，除去信号中的噪音以及偏置量；稳态参考输出功率P_ref是指发电机稳定运行时需要输出的功率，是人为给定值，其值由调度人员下发给电厂，一般为发电机组的额定出力；稳态参考转速ω_ref是发电机正常运行时同步转速的标幺值，一般为1；

S3：对滤波后的信号进行振荡模态参数辨识处理，获得低频振荡阻尼比ξ，并根据所述阻尼比获得第一夹角θ₁；

S4：通过检测调速系统的阀门位置控制信号来判断调速系统是否动作，若是则转入步骤S5，若否，则说明调速系统对于这次低频振荡没有影响；

S5：通过所述功率偏差信号ΔP_e和所述转速偏差信号Δω获得第二夹角θ₂；

S6：判断所述第一夹角θ₁是否大于所述第二夹角θ₂，若是，则说明调速系统对低频振荡提供了负阻尼；若否，则说明调速系统对低频振荡有提升阻尼的作用。

其中，所述第一夹角θ₁是指通过获得振荡阻尼而推算得到的ΔP_e与Δω的推算夹角，第一夹角θ₁＝π/2-ξ，单位为弧度。

其中，所述第二夹角其中t₁、t₂分别指相邻的两个有功功率增量过零点所对应的时间，t₃指这两个有功功率增量过零点之间的转速增量过零点对应的时间，t₂>t₁。

其中，在步骤S3中使用TLS-ESPRIT方法对滤波后的信号进行振荡模态参数辨识处理。

其中，当阀门位置控制信号μ与稳态阀门指令μ₀不相等，且伴随有与低频振荡频率相同的振荡时，则认为调速系统动作并参与了振荡。稳态阀门指令μ₀是稳态功率输出功率为P_ref时对应的发电机阀门指令值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于目前并没有相关通过在线量判断调速系统对低频振荡影响的方法，本发明通过停止一次调频来提升振荡阻尼，帮助振荡更快平息；能够取得在线确定调速系统对低频振荡是否有不良影响，从而能够进行控制，为运行人员提供有价值的信息的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于判断原动机调速对低频振荡影响的监测辨别方法的流程图。

图2是ΔP_e与Δω实际关系图。

图3是机械转矩对振荡转矩影响示意图。

图4是四机两区系统结构。

图5是调速系统结构图。

图6是100MW负荷阶跃后G4发电机有功功率偏差振荡曲线。

图7是滤波后G4的有功功率偏差与转速偏差曲线。

图8是30s后退出机组一次调频后G4机组有功功率偏差振荡曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提出的用于判断原动机调速系统对低频振荡影响的监测方法，以发电机本地功率偏差量和转速偏差量作为输入量，并根据调速系统在影响低频振荡阻尼时，会造成监测量的关系发生改变这一现象，通过理论分析调速系统在引起低频振荡阻尼变化时功率与功角、转速变量的关系变化，从而据此给出了一种判别方法，该方法能够较为有效的在线识别调速系统对振荡的影响。

本发明提供了一种简单有效的、采用监测量可以在线判断原动机调速对低频振荡影响的方法。其中，监测量是指发电机有功功率偏差量ΔP_e和发电机转速偏差量Δω。其获取的方法是用机组实际功率输出减去机组稳态功率输出、机组实际转速减去稳态转速，整体流程如图1所示。

首先，需要对发电机机端功率进行检测，通过告警检测算法判断发电机是否发生了功率振荡；如果没有发生振荡则继续检测，如果发生振荡，则需要对功率偏差量信号ΔP_e进行进一步的滤波处理，另外也要取转速偏差量信号Δω进行相同的滤波，除去信号中的噪音以及偏置量，以便进行更加精确的辨识；滤波后，可以使用TLS-ESPRIT方法进行振荡模态参数辨识，能够得到振荡频率f以及其阻尼比ξ，则可以获得θ₁＝π/2-ξ，单位为弧度；得到θ₁之后，检测调速系统的阀门流量指令情况，判断调速系统是否动作并参与了振荡，判断的算法与检测功率振荡的方法相同；如果调速系统没有动作，说明调速系统对于这次低频振荡没有影响，需要寻找其他手段提升振荡阻尼；如果调速系统参与了振荡，那么需要通过监测量计算ΔP_e、Δω实际的夹角θ₂；接着判断θ₁和θ₂的大小关系，如果θ₁>θ₂，则意味着调速系统对低频振荡提供了负阻尼，有不好的影响，可以退出一次调频；如果θ₁<θ₂，则说明调速系统对振荡有提升阻尼的作用，不应当退出一次调频，而应当寻找其他手段。

在本发明实施例中，根据理论分析确定闭环电力系统中调速系统影响低频振荡，即提供正阻尼或负阻尼时有功功率偏差与转速偏差的关系，来确定原动机调速系统对低频振荡影响的判据。

首先说明各个监测量的关系特点，不考虑原动机调速系统时，发电机转子方程为 $\left\{\begin{array}{c}{T}_J\frac{\mathrm{d\&Delta;\&omega;}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{\&Delta;P}}_e\\ \frac{\mathrm{d\&Delta;\&delta;}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\&omega;}}_0\mathrm{\&Delta;\&omega;}\end{array}\right.---\left(1\right)$

以单机无穷大为例，考虑PSS作用，ΔP_e的表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_e=K_1\mathrm{\&Delta;\&delta;}+K_2{{\mathrm{\&Delta;E}}^{\&prime;}}_q+\frac{K_3{G}_{\mathrm{ex}}\left(s\right)G_{\mathrm{pss}}\left(s\right)\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{1+{T^{\&prime;}}_{d0}{K}_{3}s+K_3{K}_6{G}_{\mathrm{ex}}\left(s\right)}\\ =G_{\mathrm{del}}\left(s\right)\mathrm{\&Delta;\&delta;}+G_{\mathrm{omi}}\left(s\right)\mathrm{\&Delta;\&omega;}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中， ${{\mathrm{\&Delta;E}}^{\&prime;}}_q=\frac{-K_3{K}_4-K_3{K}_5{G}_{\mathrm{ex}}\left(s\right)}{1+{T^{\&prime;}}_{d0}{K}_{3}s+K_3{K}_6{G}_{\mathrm{ex}}\left(s\right)}\mathrm{\&Delta;\&delta;}---\left(3\right);$ G_ex(s)、G_pss(s)分别表示励磁、PSS传递函数。

在某一振荡频率下，可令s＝jω_d，则ΔP_e又可以写成同步转矩和阻尼转矩形式。

ΔP_e＝K_sΔδ+K_dΔω    (4)

那么，结合(1)(4)并进行拉氏变换，有 $\begin{array}{c}{s}^2\mathrm{\&Delta;\&delta;}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{T_J}{K}_d\mathrm{\&Delta;\&omega;}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{T_J}{K}_s\mathrm{\&Delta;\&delta;}\\ =s^2\mathrm{\&Delta;\&delta;}+\frac{1}{T_J}{K}_d\mathrm{s\&Delta;\&delta;}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{T_J}{K}_s\mathrm{\&Delta;\&delta;}=0\end{array}$

视K_D＝K_d/T_J，K_S＝ω₀K_s/T_J，原式化为s²Δδ+K_DsΔδ+K_SΔδ＝0。该式就是我们平常认为的用转矩表示的发电机振荡二阶特征方程。

对于一个1Hz，阻尼比ξ＝0.05的振荡而言，可以反推出K_D＝0.628，K_S＝39.44，即s²+0.628s+39.44＝0，其解为λ_1,2＝-0.314±j6.28。这是系统闭环后的低频振荡特征值，通过解可以确定Δδ，ΔP_e，Δω的相位关系。

由特征方程的解，得到Δδ的通解。

$\mathrm{\&Delta;\&delta;}=C_1{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}t}+C_2{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}t}$

C₁，C₂的值由Δω，Δδ初值决定，为一共轭复数。不失一般性，假定C₁＝C₂＝1，则由欧拉公式，可得Δδ＝e^{(-0.314+j6.28)t}+e^{(-0.314-j6.28)t}＝2e^-0.314tcos(6.28t)。那么，

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_0}\frac{\mathrm{d\&Delta;\&delta;}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{{\mathrm{\&omega;}}_0}({-0.314e}^{-0.314t}\cos \left(6.28t\right)-6.28e^{-0.314t}\sin \left(6.28t\right))\\ =-\frac{2\&times;6.2878}{100\mathrm{\&pi;}}{e}^{-0.314t}\sin (6.28t+0.05)\\ ={\mathrm{Ke}}^{-0.314t}\cos (6.28t+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+0.05)\end{array}$

可以看到，Δω超前Δδ弧度为π/2+0.05，同理可知，ΔP_e超前Δω弧度同样为π/2+0.05。

也就是说，在实际仿真计算中，这三个量的关系如图2所示。图2中，以Δδ为标准(0°)来给出该关系。其中，逆时针方向为超前，顺时针方向为滞后，那么该关系是：ΔP_e超前Δδ的弧度为2倍ξ，Δω超前Δδ弧度为π/2+ξ，那么ΔP_e滞后于Δω的弧度为π/2-ξ，其中，ξ指阻尼比。

这一关系在分析原动机调速系统加入并进行仿真分析时有所变化。

再考虑含调速系统时各个变量的相位关系。考虑原动机调速系统的发电机转子方程以及机械功率表达式可以写成如下形式(忽略自然阻尼D) $\left\{\begin{array}{c}{T}_J\frac{\mathrm{d\&Delta;\&omega;}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\&Delta;P}}_m-{\mathrm{\&Delta;P}}_e\\ \frac{\mathrm{d\&Delta;\&delta;}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\&omega;}}_0\mathrm{\&Delta;\&omega;}\end{array}\right.$

从公式和转矩分析中可知，-ΔP_m对转矩的影响与ΔP_e的效果相同，即-ΔP_m落在ΔP_e提供正阻尼的象限将向系统提供正阻尼，-ΔP_m落在ΔP_e提供负阻尼的象限将向系统提供负阻尼。

对于闭环运行的一次调频而言，如果原动机调速系统参与了低频振荡(可以通过DEH阀位指令动作情况判断)，则ΔP_e-ΔP_m将代替前述ΔP_e，与Δδ、Δω成一定的夹角关系，即ΔP_e-ΔP_m滞后于Δω的弧度为π/2-ξ。那么，可能的情况有4种，如图3所示。图3(a)(b)(c)(d)分别指示的是ΔP_m出现在第四、一、二、三象限时的转矩情况。当ΔP_m出现在第一、二象限时，提供负阻尼，此时ΔP_e超前于ΔP_e-ΔP_m，则ΔP_e滞后于Δω的角度小于π/2-ξ，当ΔP_m出现在三、四象限时，提供正阻尼，此时ΔP_e滞后于ΔP_e-ΔP_m，则ΔP_e滞后于Δω的角度大于π/2-ξ。

对于区域间振荡模式的频率范围而言，图2(a)(b)较常见于水轮机情况，主要是由于水轮机的水锤效应造成ΔP_m有较大滞后(ΔP_m从-Δω开始滞后)，图(a)对应增加阻尼比情况，图(b)对应减少阻尼比的情况。图2(c)(d)较常见于汽轮机，也有提供正阻尼或负阻尼的情况。上述这些关系将有助于利用监测量来判断调速系统对振荡的作用。

原本从转矩分析上看，通过机械功率波动与转速波动的相位关系就可以确定原动机调速对振荡提供正还是负的阻尼。但是机械功率波动往往难以测量，因此，从监测的角度出发，使用的监测量可以为ΔP_e和Δω。因而图2中所示关系就得到了运用。假定不计调速而根据阻尼比推算得到的ΔP_e与Δω夹角为θ₁，测量得到ΔP_e与Δω夹角为θ₂，对比总结图1和图2，有以下几点：

1.对于阻尼比不高的低频振荡而言，调速系统不动作时，ΔP_e与Δω夹角θ₁约与π/2-ξ相等；

2.如果调速系统动作参与振荡，并且向振荡提供负阻尼，则ΔP_e与Δω夹角弧度θ₂应当小于θ₁；

3.如果调速系统动作参与振荡，并且向振荡提供正阻尼，则ΔP_e与Δω夹角θ₂应当大于θ₁。

上述3点将作为判断调速系统对振荡影响的主要判据。

由于振荡过程中，这些监测量往往包含其他模式或直流分量，因此在进行相位关系判断时，需要通过滤波器滤去这些分量再进行计算。

由上所述，本发明提供一种如下的方法，用于在线监测调速系统动作对低频振荡阻尼的影响：

(1)对发电机机端功率进行检测，通过告警检测算法判断发电机是否发生了功率振荡；

(2)如果没有发生振荡则继续检测，如果发生振荡，则需要对功率偏差量信号ΔP_e进行进一步的滤波处理，另外也要取转速偏差量信号Δω进行相同的滤波，除去信号中的噪音以及偏置量，以便进行更加精确的辨识。其中，功率偏差量信号是由发电机实时输出功率P_e与稳态参考输出功率P_ref作差得到的，而转速偏差类似，由实时输出的转速量ω与稳态参考转速ω_ref作差得到，即ΔP_e＝P_e-P_ref，Δω＝ω-ω_ref。

(3)滤波后，使用TLS-ESPRIT方法进行振荡模态参数辨识，能够得到振荡频率f以及其阻尼比ξ，则可以获得θ₁＝π/2-ξ，单位为弧度；得到θ₁之后，检测调速系统的阀门位置控制信号情况，判断调速系统是否动作并参与了振荡，如果阀门位置控制信号μ与稳态阀门指令μ₀不相等，且伴随有与低频振荡频率相同的振荡，则认为调速系统动作并参与了振荡，这一判断的方法与检测功率振荡的方法相同。

TLS-ESPRIT方法是一种能够通过振荡波形量辨识其中所含振荡模式及对应模式阻尼比的方法，其计算需要的输入量为一段时间内的振荡波形，通过内部计算处理，能够将波形中所有振荡模态及其对应阻尼比输出，具体步骤可参考文献张静，徐政，王峰，等“TLS-ESPRIT算法在低频振荡分析中的应用”一文。

(4)如果调速系统没有动作，说明调速系统对于这次低频振荡没有影响，需要寻找其他手段提升振荡阻尼。

(5)如果调速系统动作并参与了振荡，那么需要通过监测量计算ΔP_e、Δω实际的夹角θ₂，θ₂的计算方法是，取两个相邻的有功功率增量过零点，对应时间分别为t₁、t₂(t₂>t₁)，取这两个过零点间的转速增量过零点t₃，那么 ${\mathrm{\&theta;}}_2=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-(t_3-\frac{t_1+t_2}{2})\mathrm{\&pi;}/(t_2-t_1).$

(6)判断θ₁和θ₂的大小关系，如果θ₁>θ₂，则意味着调速系统对低频振荡提供了负阻尼，有不好的影响，可以退出一次调频；如果θ₁<θ₂，则说明调速系统对振荡有提升阻尼的作用，不应当退出一次调频，而应当寻找其他手段。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

1.判别方式简单：只需要通过监测量角度的对比就能确定原动机调速对低频振荡的影响，不需要离线测量原动机调速系统的频率响应；

2.所用方式较为新颖：因为目前关于调速系统对低频振荡影响的在线分析本身较少，针对调速系统所提出的分析方法基本是基于离线分析，而不使用在线量对其进行判别。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

判别方法的有效性验证：

以4机2区系统为例，4机2区系统是研究电力系统低频振荡最典型的系统，图4是该系统结构，系统共含4台机，每两台机组构成一个区域，中间由两条区域间联络线连接。其中，发电机取5阶模型，采用水轮机的原动机调速系统，配置自并励静止励磁系统以及PSS。当不计原动机调速系统时，系统主振荡模式为频率f＝0.645Hz，阻尼比ξ＝0.0791，属于强阻尼。使用《水轮机调节》一书中的调速系统结构，如图5所示，该调速系统包含两种工作模式，即开度模式和功率模式，其中转速输入一路为转速给定值减去转速测量值，即转速偏差，功率一路输入为功率给定值减机端功率，即有功功率偏差。开度模式下，两个开关打向上面，功率一路不起作用，转速偏差经过测量放大并经过PID模块，与只经过积分环节的开度偏差求和变为开度信号，再经电液转换模块变为调门开度作用于调门开度。功率模式下，两个开关打向下面，由功率偏差代替开度偏差信号进行调节。

并按书中所述方式，给出调速PID参数，这里取PID参数为K_P＝5，K_I＝2，K_D＝2，其余参数参考典型值。

在图3中节点9施加100MW负荷阶跃扰动，系统中G4仿真图线如图6所示，可以看到，G4发电机输出的有功功率以很慢的速度衰减，其原因是振荡阻尼不足。

经过TLS-ESPRIT方法辨识，阻尼比为ξ＝0.013，则可以计算得θ₁＝89.225°，采用6阶巴特沃斯高通滤波器滤波后G4的有功功率偏差与转速偏差如图7所示，实线为滤波后的机端有功功率偏差量，虚线为滤波后的发电机转速偏差量，它们之间实际相差的角度θ₂需要通过计算获得。通过两条曲线的过零点位置差距计算可知ΔP_e与Δω的夹角θ₂＝79.0244°。可以看到，θ₁>θ₂，可以确定调速系统提供了负阻尼。

按照图1中的判断，可以退出调速系统，对系统阻尼有好的影响，在t＝30s时推出调速闭环，仿真图线如8所示。在30s之前，振荡以较小的阻尼比衰减，在30s之后，振荡以较大的阻尼比衰减。因此可以说明判断方法是有效的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于判断调速系统对低频振荡阻尼影响的监测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：通过检测发电机机端功率来判断所述发电机是否发生功率振荡，若是，则进入步骤S2；若否，则继续检测；

S2：由发电机实时输出功率P_e减去稳态参考输出功率P_ref得到功率偏差信号ΔP_e，由实时输出的转速量ω减去稳态参考转速ω_ref得到转速偏差信号Δω，分别对功率偏差信号ΔP_e和转速偏差信号Δω分别进行滤波处理，除去信号中的噪音以及偏置量；

S3：对滤波后的信号进行振荡模态参数辨识处理，获得低频振荡阻尼比ξ，并根据所述阻尼比获得第一夹角θ₁；

S4：通过检测调速系统的阀门位置控制信号来判断调速系统是否动作，若是则转入步骤S5，若否，则说明调速系统对于这次低频振荡没有影响；

S5：通过所述功率偏差信号ΔP_e和所述转速偏差信号Δω获得第二夹角θ₂；

S6：判断所述第一夹角θ₁是否大于所述第二夹角θ₂，若是，则说明调速系统对低频振荡提供了负阻尼；若否，则说明调速系统对低频振荡有提升阻尼的作用。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述第一夹角θ₁＝π/2-ξ，ξ为低频振荡阻尼比。

3.如权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，所述第二夹角其中t₁、t₂分别指相邻的两个有功功率增量过零点所对应的时间，t₃指这两个有功功率增量过零点之间的转速增量过零点对应的时间，t₂>t₁。

4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在步骤S3中使用TLS-ESPRIT方法对滤波后的信号进行振荡模态参数辨识处理。

5.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在步骤S4中，当阀门位置控制信号μ与稳态阀门指令μ₀不相等，且伴随有与低频振荡频率相同的振荡时，则认为调速系统动作并参与了振荡。