CN104460655B - 发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法及系统。方法包括：S1设定一需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角,从频率由高到低或由低到高，同时按照步骤S2至S4进行自动扫频检测并计算出励磁控制系统的闭环和开环频率特性；S2生成低频扰动信号并叠加到励磁调节器的输入；S3提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量；S4推算出发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；S5自动调节发电机励磁控制系统的PID和PSS参数，直至达到要求的频率响应。本发明可实现自动扫频，自动检测，自动计算出闭环和开频率特性，且能直接直观的对调节控制参数进行优化和整定，同时还设有分析软件将检测结果在计算机上显示、提高了效率。

Description

发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法及系统

技术领域

本发明涉及在线检测技术领域，更具体地说，特别涉及一种发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法。

背景技术

发电机励磁控制系统对电力系统的静态稳定、动态稳定和暂态稳定性都有显著的影响；基于实测发电机励磁控制系统频率响应特性的参数整定方法，是国内外电力界广泛采用的一种效果良好的参数整定方法，该方法是建立在频域内相位补偿概念基础上的；实测发电机励磁控制系统的频率响应特性，即在线无补偿频率响应特性测量，是PSS参数整定的关键。

在线无补偿频率响应特性是指发电机并网、PSS没有投入的条件下，磁链变化引起的附加力矩对于调节器参考电压的相频特性、附加力矩方向与发电机暂态电动势基本一致，由于无法实测暂态电动势，工程上可用实测发电机电压替代。而发电机励磁控制系统的有补偿频率特性是指发电机并网、PSS投入的条件下，有PSS输出信号产生的发电机附加力矩对于PSS输出信号的相频特性，即加入了PSS相位补偿后的发电机励磁控制系统的频率响应特性。

目前现场对PSS性能测试时，一般采用通用的信号发生器和频谱分析仪等，需要携带很多仪器，即不方便，又不专业，而且需人工操作和事后计算，效率极低；目前还没有专门用于发电机励磁控制系统的频率响应特性测试的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法及系统，可以实现对发电机励磁控制系统的静态精度、动态响应、开环增益和频响特性等参数进行测试与优化整定。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法，包括以下步骤：

S1.设定一需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角,从频率由高到低或由低到高，同时按照下述步骤S2至S4进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S2.生成一低频扰动信号并叠加到励磁调节器的输入；

S3.对发电机反馈电压信号和低频扰动信号同时进行测量，以提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量；

S4.根据步骤S3中所提取出的发电机反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量，采用快速傅里叶算法，计算出对应频率的幅频和相频特性，并推算出发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S5.根据步骤S1中所测出的发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性，并与需要达到的频率响应指标进行对比，再自动调节发电机励磁控制系统的PID和PSS参数，直至达到要求的频率响应。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S1具体包括：

S11.通过人机界面设定需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角；

S12.通过人机界面启动测试系统；

S13.测试系统启动后，从频率由高到低或由低到高，同时按照步骤S2至S4进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S14.系统按照步骤S13中所计算出的闭环和开环频率特性自动从计算机上绘制出频率特性图。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S2中的低频扰动信号由DSP软件自动生成并通过高精度D/A输出叠加至励磁调节器的输入。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S3中提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量的具体步骤为：用数字滤波的方法针对低频扰动信号的频率，在发电机反馈电压中分解过滤出对应频率的分量，以获得反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S2中的低频扰动信号为低频正弦信号。

本发明还提供一种实现上述的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法的系统，包括发电机励磁控制系统和频响检测分析系统，所述频响检测分析系统包括：

DSP模块，用于生成低频扰动信号，且该DSP模块的D/A输出连接至发电机励磁控制系统中励磁调节器的输入，DSP模块的A/D输入连接至发电机励磁控制系统的反馈端；

与DSP模块连接的计算机，所述计算机内设置有程序，该程序用于实现权利要求1中步骤S1至S5。

根据本发明的一优选实施例：所述计算机中还设有人机界面，该人机界面用于设定需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角。

根据本发明的一优选实施例：所述DSP模块的型号为TMS320F28335的信号处理器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明可实现自动扫频，自动检测，自动计算出闭环和开频率特性，且能直接直观的对调节控制参数进行优化和整定，同时还设有分析软件将检测结果在计算机上显示、提高了效率。

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析系统的框架图。

图2为本发明的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析系统中发电机励磁控制系统传递函数图。

图3为本发明的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法的流程图。

图4为本发明的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法中步骤S1的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本发明提供一种发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析系统，包括发电机励磁控制系统20和频响检测分析系统10，发电机励磁控制系统20为现有的系统，此处不再赘述，而所述的频响检测分析系统10为本发明的创新点在于，主要包括：DSP模块100，用于生成低频扰动信号，通过快速高精度D/A输出，作为扰动信号叠加到励磁调节器的输入；且该DSP模块的D/A输出连接至发电机励磁控制系统中励磁调节器的输入，DSP模块的A/D输入连接至发电机励磁控制系统的反馈端；与DSP模块100连接的计算机110，所述的计算机110内设置有程序，该程序用于实现以下所描述的优化分析步骤。

作为优选，本发明中的计算机中还设有人机界面(图未示)，该人机界面用于设定需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角。

参阅图3和图4所示，本发明还提供一种发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法，主要是根据上述的优化分析系统所实现的。

第一步、设定一需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角,从频率由高到低或由低到高，同时按照下述步骤第二步至第四步进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；具体步骤为：

首先、通过人机界面设定需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角；

其次、通过人机界面启动测试系统；

然后、测试系统启动后，从频率由高到低或由低到高，同时按照步骤第二步至第四步的步骤进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

最后、系统按照上述步骤中所计算出的闭环和开环频率特性自动从计算机上绘制出频率特性图。

第二步、DSP模块(内置的软件)生成一低频扰动信号并叠加到励磁调节器的输入，作为优选，低频扰动信号为低频正弦信号，所述低频正弦信号的频率和初始相角可以通过人机界面设置，其频率最低达0.01Hz，精度达0.1％，输出电压量程：-10～+10V。

第三步、对发电机反馈电压信号和低频扰动信号同时进行测量，以提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量；具体步骤为：用数字滤波的方法针对低频扰动信号的频率，在发电机反馈电压中分解过滤出对应频率的分量，以获得反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量。

作为优选，本实施例中对低频提取精度达0.005Hz，同时采样采集速率达200kHz，输入电压量程：0～150V。

第四步、根据第三步中所提取出的发电机反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量，采用快速傅里叶算法(FFT)，计算出对应频率的幅频和相频特性，并推算出发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性(也就是系统闭环传递函数和系统开环传递函数)，其具体的计算方法如下：

参阅图2所示，为发电机励磁控制系统传递函数图，其中，R1:为外加扰动信号；R2：为系统反馈量信号。

系统闭环传递函数R2/R1：B(S)＝R2/R1＝G(S)H(S)/(1+G(S)H(S))；

系统开环传递函数R2/R3：因R3＝R1-R2,K(S)＝R2/R3＝B(S)/(1-B(S))；

G(S)为发电机励磁系统固有的传递函数，H(S)为励磁系统调节控制有关的传递函数。

第五步、根据第一步中所测出的发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性，并与需要达到的频率响应指标进行对比，再自动调节发电机励磁控制系统的PID和PSS参数，并重复上述的测试步骤，直至达到要求的频率响应，从而实现调节控制参数的优化和整定。

作为优选，本实施例中所述的DSP模块100的型号为TMS320F28335的信号处理器；具有32位的运算精度，150MIPS的系统处理能力，支持浮点运算，具有16位高速A/D输入通道18路，12位高精度D/A输出通道4路，USB和wifi接口，直接存储至PC或U盘，并与计算机连接通讯，将实时数据传送到计算机上。

作为优选，本实施例中系统的电压输入采用高电压隔离模块,电流输入采用高精度电流变换器使输入信号和测量系统安全隔离，可以大大提高了系统的抗干扰能力。

作为优选，本实施例的系统为便携式，采用中文的人机界面，简洁的按键操作，用户使用方便；同时，系统符合国标A级仪器要求，对低频提取精度达0.005Hz，同时采样，采集速率200kHz；且系统最多可测试6相电压、6相电流。

作为优选，本实施例的系统能够实时录波，分析软件可以实现多种参数、指标提取，可直接输出励磁控制系统闭环和开环频响特性的参数，此外可以分析出系统频率、电网谐波、三相电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、电压基波有效值和真有效值、电流基波有效值和真有效值、基波有功功率、有功功率、基波视在功率、2-50次谐波、真功率因数等全部电能质量五大国标规定的参数。

由于目前针对励磁控制系统的频率响应检测，通常采用通用的频率信号发生器，它只能检测出励磁控制系统的闭环频率特性，而不能给出开环的频率特性，因此无法区分发电机励磁系统固有的频率特性和调节控制环节(PID+PSS)的频率特性，无法直观的对调节控制参数进行优化和整定，检测复杂，需人工操作和事后计算，效率低，而采用了本发明后，可实现自动扫频，自动检测，自动计算出闭环和开频率特性，且能直接直观的对调节控制参数进行优化和整定，并有分析软件将检测结果，采用中文界面和图形在计算机上显示，效率更高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.设定一需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角,从频率由高到低或由低到高，同时按照下述步骤S2至S4进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S2.生成一低频扰动信号并叠加到励磁调节器的输入；

S3.对发电机反馈电压信号和低频扰动信号同时进行测量，以提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量；

S4.根据步骤S3中所提取出的发电机反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量，采用快速傅里叶算法，计算出对应频率的幅频和相频特性，并推算出发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S5.根据步骤S1中所测出的发电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性，并与需要达到的频率响应指标进行对比，再自动调节发电机励磁控制系统的PID和PSS参数，直至达到要求的频率响应；

所述步骤S1具体包括：

S11.通过人机界面设定需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角；

S12.通过人机界面启动测试系统；

S13.测试系统启动后，从频率由高到低或由低到高，同时按照步骤S2至S4进行自动扫频检测并计算出电机励磁控制系统的闭环和开环频率特性；

S14.系统按照步骤S13中所计算出的闭环和开环频率特性自动从计算机上绘制出频率特性图；

所述步骤S3中提取反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量的具体步骤为：用数字滤波的方法针对低频扰动信号的频率，在发电机反馈电压中分解过滤出对应频率的分量，以获得反馈电压信号和低频扰动信号的低频波动量。

2.根据权利要求1所述的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的低频扰动信号由DSP软件自动生成并通过高精度D/A输出叠加至励磁调节器的输入。

3.根据权利要求1所述的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的低频扰动信号为低频正弦信号。

4.一种实现权利要求1至3任意一项所述的发电机励磁控制系统的频响检测和参数优化分析方法的系统，其特征在于，该系统包括发电机励磁控制系统和频响检测分析系统，所述频响检测分析系统包括：

DSP模块，用于生成低频扰动信号，且该DSP模块的D/A输出连接至发电机励磁控制系统中励磁调节器的输入，DSP模块的A/D输入连接至发电机励磁控制系统的反馈端；

与DSP模块连接的计算机，所述计算机内设置有程序，该程序用于实现权利要求1中步骤S1至S5。

5.根据权利要求 4所述的系统，其特征在于，所述计算机中还设有人机界面，该人机界面用于设需要测试的频段范围、频率变化步长和初始相位角。

6.根据权利要求 4所述的系统，其特征在于，所述DSP模块的型号为TMS320F28335的信号处理器。