CN105406491B - 一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统 - Google Patents

Abstract

一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统，该系统包括现场扭振系列装置、子站级数据管理中心和主站级数据管理中心。现场扭振系列装置与子站级数据管理中心通过交换机进行通讯连接，子站级数据管理中心与主站级数据管理中心通过电力数据网进行通讯连接。扭振系列装置均与标准时间系统GPS同步，子站级数据管理中心完成同一厂站内所有装置上送数据的集成和转发，主站级数据管理中心完成所管辖范围内子站数据的集中管理和综合分析。本发明除了可实现环境激励下区域电网内次同步谐振或振荡特性的实时监控外，还实现了基于扭振数据的机网运行方式智能聚类、风险评估和安全预警。可有效服务于电力调度运行人员，具有技术先进、性能优良、实用、可扩展性强等优点。

Description

一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统，主要用于环境激励下区域电网内动态振荡的实时监控和集中管理。

技术背景

随着区域电网的互联，远距离大容量输电需求的不断上升，串补输电、交直流混合输电及柔性交流输电设备等新型技术被电力系统越来越多地采用，使得由此引发的次同步谐振或振荡问题严重威胁了电网和机组的安全稳定运行。作为动态电力系统稳定控制领域的一个关键问题，研究一种面向次同步谐振或振荡的广域监测系统具有重要的理论和现实意义。

目前，国内外对次同步谐振或振荡问题的研究主要集中在扭振保护和振荡控制方面。工程应用中，借助扭振系列装置(监测类、保护类和控制类)对轴系转速和机端电压/电流进行采集和分析，实现对应机组的扭振监控和现场运行指导。主要体现在振荡模态幅值、阻尼(扰动工况下)和轴系危险截面的疲劳计算等方面。然而，需要指出的是，模态阻尼作为衡量次同步谐振或振荡稳定的重要指标，目前尚缺乏一种环境激励下的辨识手段，因此，研究一种适用于实时多变运行环境的次同步模态阻尼连续监测技术十分必要。此外，由于区域电网的互联，系统运行中导致次同步风险的薄弱环节增多，为了保证机组和电网的安全可靠运行，亟需研究一种面向区域电网的扭振集中监控系统，提升运行管理的智能化水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种扭振远程监控系统来实现环境激励下次同步谐振或振荡的实时远程监控系统，为区域电网内动态振荡特性的集中管理提供一种智能化手段。

本发明具体采用以下技术方案：

一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统，其特征在于：

该远程监控系统包括顺次连接的现场扭振系列装置、子站级数据管理中心和主站级数据管理中心三部分；

其中，扭振系列装置安装在发电厂及枢纽变电站，通过对发电机组轴系转速和发电机组机端电气量连续监视和分析，从扭振安全监测、振荡阻尼控制和机组保护跳闸方面为包括机械系统和电气系统的整个机网运行系统分析提供解决方案和扭振监测数据；

子站级数据管理中心位于配置有扭振系列装置的发电厂或枢纽变电站，通过交换机与扭振系列装置完成通讯连接，用于集成同一发电厂或变电站内所有扭振监测和扭振保护数据；

主站级数据管理中心位于调度中心，通过电力数据网与子站级数据管理中心完成通讯连接，用于对所管辖区域电网内扭振监测和保护数据的集中管理、综合分析和高级应用展示。

本发明进一步优选包括以下方案：

所述的扭振系列装置均与标准时间系统同步，所述扭振系列装置包括扭振监测装置、扭振控制装置和扭振保护装置；其中，扭振监测装置用于实现发电机组轴系扭振的模态监测和发电机组轴系危险截面的疲劳监测；扭振控制装置用于在发电机组出现扭振时，通过提高机网运行系统阻尼水平对机组扭振加以抑制；扭振保护装置在发电机组轴系扭振威胁到机组安全时，进行保护跳闸、告警和联动。

扭振监测装置通过对连续采集的轴系转速和机端电气量进行频谱分析、模态分析、阻尼分析和疲劳分析，实现次同步监测功能。扭振监测数据包括①模拟量：模态频率、模态幅值、模态阻尼、电压有效值、电流有效值、轴系危险截面单次扰动疲劳累积值和疲劳总累积值；②数字量：模态启动告警和模态开始疲劳累积告警；③录波数据：轴系转速、各阶模态、机端电压、机端电流、装置启动和装置告警信号。其中，模态阻尼作为衡量次同步谐振或振荡稳定性的重要指标，是基于环境激励下连续采集的轴系转速响应，利用随机减量技术和依氏时域法实时辨识的。扭振控制装置通过提高机网运行系统阻尼水平配合保护装置共同维护机组和电网的安全稳定运行。

扭振保护装置通过对连续采集的轴系转速进行模态发散判断，综合机端电气量辅加疲劳损耗判断，在发现扭振可能威胁机组安全时，实现机组保护功能。扭振保护数据包括：①模拟量：模态频率、模态幅值、电压有效值、电流有效值、轴系危险截面单次扰动疲劳累积值和疲劳总累积值；②数字量：模态启动告警、模态开始疲劳累积告警和装置动作告警；③录波数据：轴系转速、各阶模态、机端电压、机端电流、装置启动、装置告警和装置动作信号。

所述的本发明具体涉及的扭振监测和保护数据，首先借助交换机，一方面通过设置在发电厂电源点和枢纽变电站的上位机显示，另一方面存储至子站级数据管理中心；然后通过电力数据网完成由子站向主站的数据转发。

子站级数据管理中心将同一发电厂或者枢纽变电站内的扭振监测和扭振保护数据进行集中接入，实现大容量数据的管理、为厂站层装置和远端监控系统的相互通讯提供规约转换接口。

所述的主站级数据管理中心至少包含一台远端服务器，通过对所辖区域电网内所有上送扭振监测和扭振保护数据进行入库存储和综合分析，以客户端或浏览器的方式向调度人员提供高级应用功能；所述高级应用功能包括实时监控、历史统计、运行方式聚类、风险评估和安全预警。

其中，所述实时监控是指：基于各子站级数据管理中心上送的扭振监测装置和扭振保护装置当前运行数据，对所辖区域电网内次同步振荡的模态幅值和模态阻尼、机端电压和电流进行实时集中展示。

所述的历史统计是指：基于各子站级数据管理中心上送的扭振监测装置和扭振保护装置历史运行数据，对告警信息、录波信息、模态幅值、模态阻尼和疲劳累积信息进行综合分析，并将其统计分布特性以图表方式展示。

所述运行方式聚类是指：基于主站数据管理中心存储的历史模态幅值和模态阻尼信息，通过聚类挖掘算法，建立大扰动、小扰动及噪声扰动三种典型机网运行方式下的次同步振荡模态特征分布模型。

所述风险评估和安全预警是指：基于主站数据管理中心存储的历史录波，通过时间序列特征提取，结合基于距离的异常检测数据挖掘手段，建立基于录波的次同步风险评估模型；次同步风险评估模型可对当前区域电网运行工况进行评估，当捕捉到潜在事件时，以短信或邮件方式向调度运行人员提供预警信号和运行建议。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所公开的一种面向次同步谐振/振荡的远程监控系统，通过对所管辖范围内所有扭振监测和保护数据进行集中管理和综合分析，实现了对区域电网次同步谐振或振荡特性的连续监测和深层挖掘。采用该技术方案后，不仅可以实现运行环境下区域电网次同步阻尼的连续集中监控，而且可及时发现系统运行中存在的安全隐患和薄弱环节，为调度运行人员提供有效的辅助决策支持。

附图说明

图1为本发明申请的SSR/SSO远程监控系统架构图；

图2为本发明申请的SSR/SSO远程监控系统功能图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。

如图1所示，一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统，包括顺次连接的扭振系列装置、子站级数据管理中心和主站级数据管理中心三部分。其中，扭振系列装置中的扭振监测和保护数据借助交换机，一方面通过本地上位机显示，一方面存储至子站级数据管理中心；子站级数据管理中心通过对同一厂站内所有扭振监测和保护数据进行集成和转发，经电力数据网上送至主站级数据管理中心；主站级数据管理中心至少包含一台SCADA服务器，通过对所管辖区域电网内的扭振数据进行集中管理和综合分析，以客户端或浏览器方式向调度人员提供多种高级应用功能。

其中扭振系列装置位于发电厂电源点或枢纽变电站，包括扭振监测装置、扭振控制装置和扭振保护装置，为面向次同步谐振或振荡的远程监控系统提供充足的数据来源通讯。扭振系列装置采用转速传感器和电压/电流互感器连续采集轴系转速和机端电压/电流，通过模态特征分析和轴系疲劳监测，分别从扭振监测、阻尼控制和机组保护三方面出发，为机网系统运行中可能存在的次同步谐振或振荡问题提供工程解决方案。

根据实际现场需求，扭振监测装置、扭振控制装置和扭振保护装置被安置于各大发电厂或枢纽变电站，所有扭振系列装置均与标准时间系统GPS同步。其中，扭振控制装置主要配合扭振保护装置为机网安全稳定运行提供工程解决方案，对本发明所述的面向次同步谐振或振荡的远程监控系统并不作为直接的数据来源。本发明所涉及的通讯数据主要来源于扭振监测装置和扭振保护装置。

扭振监测数据来源于扭振监测装置，该装置通过连续采集发电机组轴系转速和机端电气量，借助频谱分析、模态分析、阻尼分析和疲劳分析方法，实现机组侧或电网侧次同步谐振或振荡的实时监测。具体通讯数据包括①模拟量：模态频率、模态幅值、模态阻尼、电压有效值、电流有效值、轴系危险截面单次扰动疲劳累积值和疲劳总累积值；②数字量：模态启动告警和模态开始疲劳累积告警；③录波：轴系转速、各阶模态、机端电压、机端电流、装置启动和装置告警信号。

模态阻尼作为衡量次同步谐振或振荡稳定性能的重要指标，其实时监测对机网系统运行中的动态振荡研究具有重要意义。基于发电机组轴系转速信号的模态阻尼实时计算步骤如下：

①利用无限长窄带滤波算法从发电机组轴系转速信号中分离出各阶次同步模态；

②基于随机减量技术，从各阶次同步模态信号中提取确定性部分，该部分正比于轴系转子的自由振动响应；

③基于获得的自由振动响应，借助振动领域的依氏时域ITD法实现次同步模态阻尼辨识；

④动态移动分析数据窗，完成次同步模态阻尼的连续监测。

扭振保护数据来源于扭振保护装置，该装置通过对发电机组轴系转速进行连续监视和分析，根据转速特征判断扭振发散情况，综合机端电气量辅加寿命疲劳损耗的判断，当次同步模态发散或疲劳累积可能对机组安全造成威胁时，进行保护跳闸、告警和联动。具体通讯数据包括①模拟量：模态频率、模态幅值、电压有效值、电流有效值、轴系危险截面单次扰动疲劳累积值和疲劳总累积值；②数字量：模态启动告警、模态开始疲劳累积告警和保护动作告警；③录波：轴系转速、各阶模态、机端电压、机端电流、装置启动、装置告警和装置动作信号。

在本发明所述的面向次同步谐振或振荡的远程监控系统中，来自于装置层的数据共三种类型：模拟量、数字量和录波。其中，模拟量属于二次计算量，数字量和录波属于一次采集量。

子站级数据管理中心位于部署有扭振系列装置的厂站，向下与扭振系列装置通过交换机进行通讯连接，向上与主站级数据管理中心通过电力数据网进行通讯连接，用于完成本厂站内所有扭振监测和保护数据的集成和转发。子站级数据管理中心具有分布式SCADA、通信和控制功能，能完成大量实时数据和历史数据的管理，可实现与厂站层装置和远程监控系统间的相互通讯。实际中，为了保证数据传输的可靠性，多采用双机部署模式。

主站远端SCADA服务器位于调度中心，可实现所管辖区域电网内所有扭振上送数据的集中管理，通过开发一些高级应用功能，以客户端或浏览器的方式展现给调度人员，为系统运行提供辅助决策指导。

如图2所示，该面向次同步谐振或振荡的远程监控系统的高级应用功能包括：1)实时监控模块；2)历史统计模块；3)运行方式聚类模块；4)风险评估和安全预警模块。

1)实时监控模块：基于子站级数据管理中心上送的扭振监测和保护实时数据，以机组为单位实时显示当前机网系统运行环境下的次同步模态幅值、模态阻尼、机端电压有效值和机端电流有效值。

2)历史统计模块：基于子站级数据管理中心上送的扭振监测和保护历史数据，以机组为单位统计历史一段时间内次同步模态阻尼和模态幅值分布、装置启动告警次数、装置开始疲劳累积次数、装置录波次数，并将统计分布特性以图表方式展示。

3)运行方式聚类模块：依托主站数据管理中心SCADA服务器存储的历史模态幅值和阻尼，利用聚类挖掘算法，建立机网系统运行中发生的大扰动、小扰动及噪声扰动工况下，次同步振荡模态特征的分布模型。其具体实现步骤如下：

①收集同一机组一段时间内的历史模态幅值和模态阻尼(一个时间断面对应一个样本)；

②基于上述由模态幅值和模态阻尼构成的二维数据集采用基于高斯混合模型的聚类算法将样本分成3类(分别对应大扰动、小扰动及噪声扰动工况)；

③基于聚类后的各子集，结合概率统计原理，给出各类扰动工况下次同步振荡模态幅值和模态阻尼的分布特性。

4)风险评估和安全预警模块：由于系统运行中出现的某些扰动会加剧次同步风险，严重时导致机组解列，因此有必要对不同程度扰动下的次同步风险进行评估，切实做好安全防御工作。该模块既可用于对历史数据的离线分析，也可用于对当前数据的实时分析，其具体实现步骤如下：

①收集同一机组一段时间内的录波文件；

②遍历每一录波文件，分别从转速信号和电流信号中提取直流、工频、次同步模态幅值和直流、工频、次同步、超同步谐波幅值，构成特征样本集；

③采用主成分分析法对特征样本集进行数据清洗和优化，进而采用最小协方差行列式算法可靠估计特征样本集的特征期望和特征方差；

④计算特征样本集中所有样本与可靠估计量间的马氏距离，基于假设检验理论建立异常检测模型；

⑤对于机网系统运行中扰动触发的录波文件，通过上述异常检测模型完成次同步风险评估，并在风险高于90％时，以短信或邮件的方式告知调度人员。

5)此外，该远程监控系统还具有对扭振系列装置的定值配置管理、报告查询功能。

采用以上技术方案后，除了可实现环境激励下区域电网内次同步谐振或振荡的实时监控外，还依托大数据平台和挖掘算法，开发了基于扭振数据的运行方式智能聚类、风险评估和安全预警高级应用功能。为区域电网内扭振数据的获取、传输和分析提供了一种自动化手段，实现了次同步谐振或振荡的广域监测、保护和控制，该系统可有效服务于电力调度运行人员，为其提供切实可行的辅助决策支持。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向次同步谐振或振荡的远程监控系统，其特征在于：

该远程监控系统包括顺次连接的现场扭振系列装置、子站级数据管理中心和主站级数据管理中心三部分；

其中，扭振系列装置安装在发电厂及枢纽变电站，通过对发电机组轴系转速和发电机组机端电气量连续监视和分析，从扭振安全监测、振荡阻尼控制和机组保护跳闸方面为包括机械系统和电气系统的整个机网运行系统分析提供解决方案和扭振监测数据，其中，扭振监测数据包括①模拟量：模态频率、模态幅值、模态阻尼、电压有效值、电流有效值、轴系危险截面单次扰动疲劳累积值和疲劳总累积值；②数字量：模态启动告警和模态开始疲劳累积告警；③录波数据：轴系转速、各阶模态、机端电压、机端电流、装置启动和装置告警信号；

子站级数据管理中心位于配置有扭振系列装置的发电厂或枢纽变电站，通过交换机与扭振系列装置完成通讯连接，用于集成同一发电厂或变电站内所有扭振监测和扭振保护数据；所述扭振监测和保护数据一方面通过设置在发电厂电源点和枢纽变电站的上位机显示，另一方面存储至子站级数据管理中心，然后通过电力数据网完成由子站向主站的数据转发；

主站级数据管理中心位于调度中心，通过电力数据网与子站级数据管理中心完成通讯连接，用于对所管辖区域电网内扭振监测和扭振保护数据的集中管理、综合分析和高级应用展示。

2.根据权利要求1所述的远程监控系统，其特征在于：

所述的扭振系列装置均与标准时间系统同步，所述扭振系列装置包括扭振监测装置、扭振控制装置和扭振保护装置；其中，扭振监测装置用于实现发电机组轴系扭振的模态监测和发电机组轴系危险截面的疲劳监测；扭振控制装置用于在发电机组出现扭振时，通过提高机网运行系统阻尼水平对机组扭振加以抑制；扭振保护装置在发电机组轴系扭振威胁到机组安全时，进行保护跳闸、告警和联动。

3.根据权利要求2所述的远程监控系统，其特征在于：

扭振监测装置通过对连续采集的轴系转速和机端电气量进行频谱分析、模态分析、阻尼分析和疲劳分析，实现次同步监测功能。

4.根据权利要求2所述的远程监控系统，其特征在于：

扭振控制装置通过提高机网运行系统阻尼水平配合保护装置共同维护机组和电网的安全稳定运行。

5.根据权利要求2所述的远程监控系统，其特征在于：

扭振保护装置通过对连续采集的轴系转速进行模态发散判断，综合机端电气量辅加疲劳损耗判断，在发现扭振可能威胁机组安全时，实现机组保护功能。

6.根据权利要求1所述的远程监控系统，其特征在于：

所述的主站级数据管理中心至少包含一台远端服务器，通过对所辖区域电网内所有上送扭振监测和扭振保护数据进行入库存储和综合分析，以客户端或浏览器的方式向调度人员提供高级应用功能；所述高级应用功能包括实时监控、历史统计、运行方式聚类、风险评估和安全预警。