CN104993501A - 一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法 - Google Patents

Abstract

一种电厂发电机组励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法，根据电厂发电机组励磁调节器实际采用的电力系统稳定器PSS模型，实时计算励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss，将其与低频振荡告警阈值比较，判断电网是否发生低频振荡，同时根据有功功率扰动响应曲线平均阻尼比评价电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果。本发明能够在线判断电厂发电机组所连接的电网是否发生低频振荡，在线评估电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果，及时发现电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS薄弱环节，以便对抑制效果差的电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS进行参数修正。

Description

一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，具体涉及一种电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡性能的在线评估方法，用于评价电网上的电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS是否能有效抑制大区电网互联后发生的低频振荡。

背景技术

随着电力系统规模的日益扩大，更大容量的发电机组被投入运行。为提高大机组的暂态稳定性，高增益快速响应励磁系统开始被广泛应用于电力系统，在一定的运行方式下恶化了系统阻尼，使得互联大电力系统在小干扰和缺乏阻尼的情况下易发生振荡失步，表现为并列运行的发电机群的转子之间发生相对摇摆振荡，发电机的功角、转速、功率，以及互联系统中的母线电压、线路功率等相关电气量也将相应发生振荡。其振荡频率范围一般在0.04Hz～4Hz之间，相较于系统工频而言振荡频率较低，故称为低频振荡。其对电网的安全稳定运行构成严重威胁。

励磁调节器的电力系统稳定器PSS是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。通过在励磁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，去克服原励磁调节器中产生的负阻尼转矩，是迄今为止增强系统阻尼、抑制低频振荡的最有效、最经济的首选措施。但是，目前并没有一种可以在线考核电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS投运后抑制低频振荡效果的方法。因此有必要研究一种电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡性能在线指标分析与评估方法。以实现对电厂发电机组所连接的电网低频振荡情况的实时监测，对实时数据进行记录，同时对电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡的效果进行量化考核，在线实时分析评价。当发现电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果不显著乃至没有抑制效果时，能够及时地进行报警，发现电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS薄弱环节，以便及时调整电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS参数，从而使电网上的电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS能有效抑制大区电网互联后发生的低频振荡，不断提高互联电网的动态稳定性，保障电网的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的缺点，提供一种方法简便、运算及时、成本低廉的电网低频振荡在线监测方法及电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡性能的在线评估方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法，其特征在于：所述方法根据电厂发电机组励磁调节器实际采用的电力系统稳定器PSS模型，实时计算励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss，将其与低频振荡告警阈值比较，判断电网是否发生低频振荡，同时根据有功功率扰动响应曲线平均阻尼比评价电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果。

本发明所公开的一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法，其中的励磁调节器为实际电厂发电机组带有电力系统稳定器PSS的励磁调节器；其特征在于，所述在线评估方法包括以下步骤：

步骤1：在RTDS仿真系统中建立励磁调节器模型即模拟励磁调节器，将所述模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS选择为与实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS一致的传递函数，并根据实际电厂发电机组的励磁调节器进行参数整定；

步骤2：确定实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值，并将该低频振荡告警阈值作为模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS的低频振荡告警阈值；

步骤3：使RTDS仿真系统与实际电厂发电机组励磁调节器构成恒机端电压运行的闭环仿真系统，在实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS不投入状态下，通过实际电厂发电机组励磁调节器的阶跃试验模拟低频振荡，计算在电力系统稳定器PSS不投入状态下电网的低频振荡期间有功功率扰动响应曲线频率的平均值以及平均阻尼比ζ，建立电力系统稳定器PSS不投入状态下的电网在不同振荡频率的平均阻尼比离线策略关系对照表；

步骤4：在实际电厂发电机组励磁调节器正常运行中，投入电力系统稳定器PSS，模拟励磁调节器实时采集电厂发电机组机端电压、机端电流信号，并计算模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss；

步骤5：若根据步骤4所计算的模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss大于低频振荡告警阈值，则计算实际电厂发电机组所连接的电网在低频振荡期间有功功率扰动响应曲线的频率平均值f_PSS和平均阻尼比ζ_PSS；

步骤6：根据步骤5的计算结果对发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果判断分析：

查询步骤3中建立的电力系统稳定器PSS不投入状态下的不同振荡频率的平均阻尼比离线策略表，通过比较相同振荡频率下，有PSS的有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ_PSS与无PSS的平均阻尼比ζ来评估电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡的效果：

当满足ζ≥0.1，ζ_PSS-ζ＞0.05，或当ζ＜0.1，ζ_PSS-ζ＞0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS能够有效抑制电网低频振荡；

当满足ζ≥0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.05，或当ζ＜0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果一般；

当满足ζ_PSS-ζ≤0时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS不能够有效抑制电网低频振荡，需报警提示工作人员，以便对抑制效果差的电力系统稳定器PSS进行参数修正。

本发明所达到的有益效果：

采用本发明方法，可实现在电厂发电机组励磁调节器正常运行过程中，实时在线自动捕捉到实际电厂发电机组连接的电网中发生低频振荡，并对实时数据进行记录同时对电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡的效果进行量化考核，在线实时分析评价。当发现电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果不显著乃至没有抑制效果时，能够及时地进行报警，发现PSS薄弱环节，以便及时调整电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS参数，从而使电网上的电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS能有效抑制大区电网互联后发生的低频振荡，不断提高互联电网的动态稳定性，保障电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法流程示意图；

图2-a为PSS1A模型传递函数；

图2-b为PSS2B模型传递函数；

图2-c为PSS3B模型传递函数；

图2-d为PSS4B模型传递函数

图3为低频振荡仿真测试系统结构框图；

图4为低频振荡过程中有功功率扰动响应曲线图。

具体实施方式

结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。如附图1所示，本发明公开的PSS抑制电网低频振荡性能的在线测试方法包括以下步骤：

步骤1：在RTDS仿真系统中建立励磁调节器模型即模拟励磁调节器，将所述模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS选择为与实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS一致的传递函数，并根据实际电厂发电机组的励磁调节器进行参数整定；

模拟励磁调节器根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)划分的PSS1A(单输入Single-input PSS)、PSS2B(双输入Dual-input PSS)、PSS3B(双输入Dual-inputPSS)、PSS4B(多频段Multi-band PSS)建立四种PSS传递函数。

附图2-a为PSS1A型电力系统稳定器PSS传递函数。PSS1A，单输入PSS，两级超前滞后环节。普遍采用有功功率Pe作为输入量，利用隔直环节得到ΔPe，再对ΔPe进行超前滞后处理，以达到抑制低频振荡之目的。

附图2-b为PSS2B型电力系统稳定器PSS传递函数。PSS2B，双输入PSS，一个输入量是转速ω，一个是有功功率Pe，三级超前滞后环节。其原理是利用转速ω和有功功率Pe计算发电机机械功率ΔPm和电磁功率ΔPe，二者一减得到发电机的加速功率ΔPa，当机组单方向增负荷或单方向减负荷时，加速功率等于零，PSS不起作用。当机组有功增减变化即振动时，PSS起作用，抑制系统低频振荡。

附图2-c为PSS3B型电力系统稳定器PSS传递函数。PSS3B也是双输入PSS，一个输入量是转速ω，一个是有功功率Pe，相当于转速ω输入的单PSS与有功功率Pe输入的单PSS叠加、协调工作，以达到抑制低频振荡之目的。

附图2-d为PSS4B型电力系统稳定器PSS传递函数。PSS4B是多频段的PSS，将转速ω分成三个频率段分别处理最后再叠加，每个频段都可以单独整定相应的频率特性，以更好为低频震荡提供合适的正阻尼转矩，达到更好抑制效果。

所述模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS选择与实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS一致的传递函数，并整定模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS传递函数中的参数，包括放大倍数、隔直环节的时间常数、惯性时间常数、超前时间常数、滞后时间常数等与实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS传递函数中的参数一致。

步骤2：确定实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值，并将该低频振荡告警阈值作为模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS的低频振荡告警阈值；

根据实际电厂发电机组连接至电网的运行方式，结合实际发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS试验过程中的试验数据，确定实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值，该阈值也是在仿真系统中模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值。

步骤3：建立电力系统稳定器PSS不投入状态下的电网在不同振荡频率的平均阻尼比离线策略表；

其中，所述平均阻尼比离线策略表显示不同振荡频率与对应阻尼比的关系对照。根据监测实际发电机组振荡频率，查询此表能得到相同振荡频率下无PSS的阻尼比。

附图3为低频振荡仿真测试系统结构框图。以RTDS仿真系统模拟实际电厂发电机组参数、实际电网参数、实际电厂发电机组连接至电网的运行方式，经功率放大单元把RTDS仿真系统的信号放大，接至实际励磁调节器，实际励磁调节器输出计算后的控制电压Uc，RTDS仿真系统采集此控制电压，形成闭环。从而使RTDS仿真系统与实际励磁调节器构成恒机端电压运行的闭环仿真系统。在实际励磁调节器的电力系统稳定器PSS不投入状态下，通过实际励磁调节器的阶跃试验，使闭环仿真系统的有功功率出现低频振荡。RTDS仿真系统中的模拟励磁调节器通过实时采集功率放大单元输出的机端电压、机端电流等信号，计算得到发电机有功功率Pe、发电机转速ω及转速偏差Δω，作为模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输入信号。再根据步骤1中的电力系统稳定器PSS传递函数实时计算模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS电压输出幅值Urpss，当其大于步骤2中的低频振荡告警阈值时，模拟励磁调节器的低频振荡告警标记启动，以启动标记的时刻为时间节点，录制该时刻前40s后160s共计200s的有功功率波形，即有功功率扰动响应曲线，同时录制模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出值Urpss、无功功率等波形。通过改变RTDS仿真系统机组的惯性时间常数实现有功功率振荡频率的变化。模拟不同振荡频率(0.04Hz～4Hz)的有功功率扰动响应曲线。并根据有功功率扰动响应曲线算出平均阻尼比ζ，建立电网在不同振荡频率的平均阻尼比关系对照表。

如附图4低频振荡过程中有功功率扰动响应曲线图所示，有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ：

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{2N\mathrm{\π}}Ln\left(\frac{P_1-P_2}{P_{2N+1}-P_{2N+2}}\right)---\left(1\right)$

式中：

P₁、P₂——低频振荡期间出现的第一个和第二个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

P_2N+1、P_2N+2——低频振荡期间出现的第(2N+1)个和第(2N+2)个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

步骤4：在实际电厂发电机组励磁调节器正常运行中，投入电力系统稳定器PSS，模拟励磁调节器实时采集电厂发电机组机端电压、机端电流等信号，并计算模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss；

模拟励磁调节器实时采集电厂发电机组机端电压、机端电流等信号，该信号与实际电厂发电机组励磁调节器采集的机端电压、机端电流等信号来自同一个电压互感器或电流互感器。计算得到发电机有功功率Pe、发电机转速ω及转速偏差Δω，作为模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS传递函数的输入信号。

当实际励磁调节器的电力系统稳定器PSS达到激活条件时，根据步骤1选择的模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS传递函数的可实时计算出模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss。依据所计算的模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出的幅值Urpss捕捉低频振荡的起始点，当输出幅值Urpss大于步骤2所设定的电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值时，则被监测实际电厂发电机组所连接的电网发生低频振荡，置低频振荡告警启动标记，以启动标记的时刻为时间节点，录制该时刻前40s后160s共计200s的发电机有功功率波形，即有功功率扰动响应曲线，同时录制模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出值Urpss、发电机无功功率等波形。

步骤5：若根据步骤4所计算的模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss大于低频振荡告警阈值，则计算实际电厂发电机组所连接的电网在低频振荡期间有功功率扰动响应曲线的频率平均值f_PSS和平均阻尼比ζ_PSS；

如附图4低频振荡过程中有功功率扰动响应曲线图所示，按照公式(2)计算被监测实际电厂发电机组所连接的电网在低频振荡期间有功功率扰动响应曲线频率的平均值f：

f＝N/(T_2N+1-T₁)    (2)

式中：

N——计算周期数，是指在低频振荡期间的周期数，即从步骤4判断电网发生低频振荡时的启动标记时刻开始到电网有功功率响应曲线趋于稳态值所需要的周期数；

T₁——低频振荡期间有功功率的第一个峰值出现的时间，单位为秒(s)；

T_2N+1——低频振荡期间有功功率的第(2N+1)个峰值出现的时间，单位为秒(s)；

按照公式(3)计算实际电厂发电机组所连接的电网在低频振荡期间有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ：

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{2N\mathrm{\π}}Ln\left(\frac{P_1-P_2}{P_{2N+1}-P_{2N+2}}\right)---\left(3\right)$

式中：

P₁、P₂——低频振荡期间出现的第一个和第二个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

P_2N+1、P_2N+2——低频振荡期间出现的第(2N+1)个和第(2N+2)个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

步骤6：根据步骤5的计算结果对发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果判断分析：

查询步骤3中建立的电力系统稳定器PSS不投入状态下的不同振荡频率的平均阻尼比离线策略表，通过比较相同振荡频率下，有PSS的有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ_PSS与无PSS的平均阻尼比ζ来评估电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡的效果：

当满足ζ≥0.1，ζ_PSS-ζ＞0.05或当ζ＜0.1，ζ_PSS-ζ＞0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS能够有效抑制电网低频振荡；

当满足ζ≥0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.05或当ζ＜0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果一般；

当满足ζ_PSS-ζ≤0时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS不能够有效抑制电网低频振荡，需报警提示工作人员，以便对抑制效果差的PSS进行参数修正。

Claims (2)

1.一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法，其特征在于：所述方法根据电厂发电机组励磁调节器实际采用的电力系统稳定器PSS模型，实时计算励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss，将其与低频振荡告警阈值比较，判断电网是否发生低频振荡，同时根据有功功率扰动响应曲线平均阻尼比评价电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果。

2.一种励磁调节器抑制低频振荡性能的在线评估方法，所在线评估的励磁调节器为实际电厂发电机组带有电力系统稳定器PSS的励磁调节器；其特征在于，所述在线评估方法包括以下步骤：

步骤1：在RTDS仿真系统中建立励磁调节器模型即模拟励磁调节器，将所述模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS选择为与实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS一致的传递函数，并根据实际电厂发电机组的励磁调节器进行参数整定；

步骤2：确定实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS低频振荡告警阈值，并将该低频振荡告警阈值作为模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS的低频振荡告警阈值；

步骤3：使RTDS仿真系统与实际电厂发电机组励磁调节器构成恒机端电压运行的闭环仿真系统，在实际电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS不投入状态下，通过实际电厂发电机组励磁调节器的阶跃试验模拟低频振荡，计算在电力系统稳定器PSS不投入状态下电网的低频振荡期间有功功率扰动响应曲线频率的平均值以及平均阻尼比ζ，建立电力系统稳定器PSS不投入状态下的电网在不同振荡频率的平均阻尼比离线策略关系对照表；

步骤4：在实际电厂发电机组励磁调节器正常运行中，投入电力系统稳定器PSS，模拟励磁调节器实时采集电厂发电机组机端电压、机端电流信号，并计算模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss；

步骤5：若根据步骤4所计算的模拟励磁调节器的电力系统稳定器PSS输出幅值Urpss大于低频振荡告警阈值，则计算实际电厂发电机组所连接的电网在低频振荡期间有功功率扰动响应曲线的频率平均值f_PSS和平均阻尼比ζ_PSS；

步骤6：根据步骤5的计算结果对发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果判断分析：

查询步骤3中建立的电力系统稳定器PSS不投入状态下的不同振荡频率的平均阻尼比离线策略表，通过比较相同振荡频率下，有PSS的有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ_PSS与无PSS的平均阻尼比ζ来评估电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡的效果：

当满足ζ≥0.1，ζ_PSS-ζ＞0.05，或当ζ＜0.1，ζ_PSS-ζ＞0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS能够有效抑制电网低频振荡；

当满足ζ≥0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.05，或当ζ＜0.1，0＜ζ_PSS-ζ≤0.1时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果一般；

当满足ζ_PSS-ζ≤0时，认为电厂发电机组励磁调节器的电力系统稳定器PSS不能够有效抑制电网低频振荡，需报警提示工作人员，以便对抑制效果差的电力系统稳定器PSS进行参数修正。