CN104808089A - 基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是电力系统的安全与稳定领域，具体是基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法及系统，其中检测方法包括：信号采集步骤：测量发电机机端的三相电压信号；信号预处理步骤：对测量的发电机机端的三相电压信号进行信号预处理；信号检测步骤：对经预处理的三相电压信号进行Park变换得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0，对投影U_dq0在旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d采用PI环节控制处理得到系统转速偏差量信号dω。本发明成本较低且易于实现，无需增加新的测量点就能较好的检测发电厂站的低频振荡情况，对厂站的安全稳定运行等具有重要的工程应用价值。

Description

基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法及系统

技术领域

本发明涉及的是电力系统的安全与稳定领域，具体的是基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法及系统。

背景技术

根据《电力系统低频振荡控制技术研究》(高红亮.电力系统低频振荡控制技术研究[D].华中科技大学,2013.)中的数据，从1980年至2012年，我国用电量增长16.8倍，年均增长9.2％。不断增长的电力需求意味着电力系统负荷的不断加重，重负荷输电线路不断增多。同时，我国电力系统已经形成了南北互供、全国联网的格局。长距离的互联，使得电力系统联系薄弱，容易在长距离、重负荷输电线上出现低频振荡现象。电力系统低频振荡如果不能得到有效地抑制，很容易引发连锁故障，导致大范围的停电事故，对电网的稳定性危害极大，是目前威胁互联电网安全稳定运行和制约电网传输能量的首要问题之一。

目前，随着PMU(Phasor Measurement Unit,同步相量测量单元)技术的发展，以同步相量测量技术为基础的WAMS(Wide Area Measurement System，广域测量系统)逐渐成为了检测电力系统低频振荡的主要方法。然而，文献《基于电网脆弱性和经济性评估的PMU最优配置新方法》(唐岚,吴军基.基于电网脆弱性和经济性评估的PMU最优配置新方法[J].电网技术,2012,08:260-264.)中提到PMU自身的价格以及安装PMU所需要的其他设备(例如通讯系统等)都很昂贵，而现代互联电力系统的规模很大，对每个节点都配置PMU不仅不经济而且也没必要。另外，在实际工程中，有时候不方便将PMU信号接入电厂的监视信息系统中。因此，对于未配置PMU或未将PMU信号接入监视信息系统的电厂，则不能对电力系统低频振荡进行较好的实时检测。

通常，低频振荡的检测是检测联络线上的功率是否摇摆。但除了功率信号以外，发电机的转子角、转速以及其他相关电气量也能反映系统的低频振荡。对于如何得到转速信号，除了利用位置传感器以外，还可以利用锁相环技术对机端三相电压进行计算。文献《永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统》(鲁文其,胡育文,杜栩杨,黄文新.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统[J].中国电机工程学报,2010,33:78-83.)中就实现了通过锁相环技术计算发电机的转速。这种方法无需增设新的测量点，方法简单且成本较低。目前，还没有将这种方法运用到低频振荡现象检测的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出了一种方法简单成本低的电力系统低频振荡信号实时检测方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法，其特征在于，包括：

步骤1、信号采集步骤：测量发电机机端的三相电压信号；

步骤2、信号预处理步骤：对测量的发电机机端的三相电压信号进行信号预处理；

步骤3、信号检测步骤：对经预处理的三相电压信号进行Park变换得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0，对投影U_dq0在旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d采用PI环节控制处理得到系统转速偏差量信号dω。

所述信号检测步骤还包括，对系统转速偏差量信号dω进行积分处理得到相角信号θ，并将相角信号θ作为Park变换的输入相角。

所述积分处理的输入信号为系统转速偏差量信号dω加上2πf₀，其中f₀为系统基本频率。

所述预处理包括：信号加时间窗、信号重采样、信号标幺化和信号滤波。

信号所加时间窗的长度为2～3个振荡周期，考虑到低频振荡的频率范围为0.2～2.5Hz，时间窗长度设为10～15s，信号重采样的频率为500～2000Hz，信号标幺化变换后保证信号的幅值在-1.5～1.5pu之间，信号滤波为低通滤波，截止频率选取范围为100～200Hz。

所述PI环节控制的比例放大倍数取值范围为40～100，积分时间常数取值范围为0.0001～0.02，积分环节的积分初始值在-1～1范围内选取。

积分处理的积分初始值取值范围为-0.1～0.1rad，积分时间常数取值为1。

一种基于机端三相电压信号的低频振荡检测系统，其特征在于，包括：

互感测量模块，用于测量发电机机端的三相电压信号；

信号预处理模块，用于对所述互感器测量模块测量的三相电压信号进行预处理；

检测系统模块，包括Park变换模块、PI环节模块以及积分环节模块，所述Park变换模块用于对输入的经预处理的三相电压信号进行Park变换，得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0；所述PI环节模块，用于对投影U_dq0在旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d处理得到系统转速偏差量信号dω；所述积分环节模块，用于对系统转速偏差量信号dω进行积分处理得到相角信号θ。

与现有技术相比，本发明以发电机端的三相电压为源信号，通过对三相电压信号进行Park变换、PI环节消除误差等处理，提取出系统的转速振荡信号，从而实现对低频振荡的检测。该检测方法成本较低且易于实现，无需新增测量点即可实现对低频振荡的检测。

附图说明

图1为本发明所提出的基于机端三相电压信号的低频振荡检测技术的流程图。

图2为振荡信号检测系统的流程框图。

图3为系统发生多模态增幅低频振荡算例仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出了基于机端三相电压信号的低频振荡检测技术，检测技术的完整流程款图如图1所示。以系统发生频率为1Hz和2Hz的增幅低频振荡，且采集得到的机端三相电压信号含2％的噪声为实施例。

整套系统包括发电机1、变压器2、互感测量3、信号预处理4和检测系统5，其中检测系统5由Park变换6、PI环节7和积分环节8组成。该方法以发电机端的三相电压为源信号，通过对三相电压信号进行Park变换、PI环节消除误差等处理，提取出系统的转速振荡信号，从而实现对低频振荡的检测。该检测方法成本较低且易于实现，无需新增测量点即可实现对低频振荡的检测。

详细说明如下：

步骤1：通过互感测量3采集发电机机端的三相电压信号；

对于本实例，采集信号的采样频率为10,000Hz,采样时长为10s，有效值为20kV，存在2％的噪声。

步骤2：对步骤1获得的三相电压测试信号，进行信号预处理4；预处理程序包括：信号加时间窗、信号重采样、信号标幺化和信号滤波。

对于本实施例，步骤2的具体过程为：

1)信号加时间窗：对采集的三相电压测试信号加时间窗，时间窗长度为10s。

2)信号重采样：对三相电压测试信号按1,000Hz进行重采样，重采样频率1,000Hz的选取是以保证检测精度为前提，兼顾检测过程中的计算量和速度。

3)信号标幺化：对重采样后的三相电压信号均除以电压基准值(20kV)。电压标幺化的目的是为了保证正常检测时不触发限幅环节；

4)信号滤波：使用低通滤波器对信号进行滤波处理，截止频率为100Hz。信号滤波处理的目的是减小高频噪声对检测系统的影响。

步骤3：将步骤2处理后的三相电压信号进行Park变换6，得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0；Park变换6的相角初始值按经验数据选取。

对于本实施例，Park变换6的相角初始值定为0。

步骤4：对于步骤3得到的电压信号U_dq0，选取旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d，将U_d送入PI环节7，消除误差，并滤除高次谐波和高频噪音，得到的信号即为系统转速偏差量信号dω，单位为rad/s；PI环节7的比例放大倍数和积分时间常数参照经验数据设定一组值；PI环节7的积分环节的积分初始值按经验数据选取。

对于本实例，PI环节7的比例放大倍数取值为50，积分时间常数取值为0.01，PI环节7的积分环节的积分初始值选为0。

步骤5：对步骤4中得到的转速偏差量信号dω，加上2πf₀(f₀为系统基本频率)，并送入积分环节8(积分环节8的参数按经验数据选取)，得到相角信号θ，单位为rad；再将θ作为下一组采样数据进行步骤3时的相角初始值。步骤3到步骤5构成检测系统5，具体流程框图见图2。

对于本实施例，积分环节8的积分时间常数取值为1，积分初始值定为0。

步骤6：观察步骤4中得到的转速偏差量信号dω即为系统振荡信号，检测系统振荡信号，从而判断系统是否存在低频振荡。

对于本实施例，将系统振荡信号进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)作为检测系统是否发生低频振荡的方法。

步骤7：待所有采集数据处理完后，检查该段电压信号得到的转速偏差量信号dω的精度等指标是否符合要求；若符合要求，则进入步骤8；否则，参照整定原则修改参数值，重新进行步骤2-6，直至符合要求为止。

对于本实施例，根据之前选择的参数，初始化过程在0.3s时结束，之后检测技术得到的转速偏差量信号与参考振荡信号很接近，满足精度要求，为了更好的检测信号的精度，对参考振荡信号和转速偏差量信号分别进行了FFT，结果表明检测信号在1Hz和2Hz对应的幅值与参考振荡信号完全一致。具体结果见图3。

步骤8：重复步骤1-6，即可实现低频振荡信号的实时检测。

Claims (8)

1.一种基于机端三相电压信号的低频振荡检测方法，其特征在于，包括：

步骤1、信号采集步骤：测量发电机机端的三相电压信号；

步骤2、信号预处理步骤：对测量的发电机机端的三相电压信号进行信号预处理；

步骤3、信号检测步骤：对经预处理的三相电压信号进行Park变换得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0，对投影U_dq0在旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d采用PI环节控制处理得到系统转速偏差量信号dω。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述信号检测步骤还包括，对系统转速偏差量信号dω进行积分处理得到相角信号θ，并将相角信号θ作为Park变换的输入相角。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述积分处理的输入信号为系统转速偏差量信号dω加上2πf₀，其中f₀为系统基本频率。

4.根据权利要求1、2或3所述的检测方法，其特征在于：所述预处理包括：信号加时间窗、信号重采样、信号标幺化和信号滤波。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：信号所加时间窗的长度为2～3个振荡周期，考虑到低频振荡的频率范围为0.2～2.5Hz，时间窗长度设为10～15s，信号重采样的频率为500～2000Hz，信号标幺化变换后保证信号的幅值在-1.5～1.5pu之间，信号滤波为低通滤波，截止频率选取范围为100～200Hz。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述PI环节控制的比例放大倍数取值范围为40～100，积分时间常数取值范围为0.0001～0.02，积分环节的积分初始值在-1～1范围内选取。

7.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：积分处理的积分初始值取值范围为-0.1～0.1rad，积分时间常数取值为1。

8.一种基于机端三相电压信号的低频振荡检测系统，其特征在于，包括：

互感测量模块，用于测量发电机机端的三相电压信号；

信号预处理模块，用于对所述互感器测量模块测量的三相电压信号进行预处理；

检测系统模块，包括Park变换模块、PI环节模块以及积分环节模块，所述Park变换模块用于对输入的经预处理的三相电压信号进行Park变换，得到三相电压信号U_abc在旋转坐标系dq0上的投影U_dq0；所述PI环节模块，用于对投影U_dq0在旋转坐标系dq0中d轴的电压信号U_d处理得到系统转速偏差量信号dω；所述积分环节模块，用于对系统转速偏差量信号dω进行积分处理得到相角信号θ。