CN106058897B - 一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法 - Google Patents
一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，包括以下步骤：S1：根据电力系统振荡预警信号，选定功率振荡幅值超过阈值区域内的发电机组；S2：获取选定发电机组实测的输出电气功率、频率或转速、机端电流和励磁电流数据；S3：对实测数据进行预处理并获得主导强迫振荡模式，并计算主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量；S4：根据发电机相应电气波动量相量之间的关系进行发电机强迫扰动源的定位，并进一步确定扰动源所在的控制系统。本发明通过分析两大控制通道上的相关电气波动量的相量关系，准确定位扰动源所在的发电机组并且判断提供的强迫扰动是来自于调速系统还是励磁系统，这对于快速切除扰动源、有效抑制强迫振荡有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统运行与控制技术领域，特别是涉及一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法。
背景技术
在大区电网互联的局面下，电网可靠性得到提高、资源配置优化的同时，低频振荡问题也成为影响电力系统安全稳定运行的关键问题。当系统受到持续的周期性的扰动时，扰动频率接近或与系统自然频率相等时，会引起大幅度的功率振荡，这就是强迫功率振荡理论。该理论指出，强迫扰动所引起的响应不仅与电力系统本身的特性有关，也与扰动的变化规律有关。强迫振荡具有明确的扰动源，起振快，表现为持续的等幅振荡，当扰动源切除后，振幅迅速衰减。因此，对于强迫功率振荡最有效的抑制和处理措施就是快速准确地找到扰动源并切除。
发电机作为扰动源引起系统发生强迫振荡的可能性更高，引起的电网功率振荡幅值也越大，对电网安全稳定运行的威胁更大。现有的扰动源定位方法主要是基于能量函数来计算网络中振荡能量，根据能量流向能够定位到扰动源所在的区域以及相关机组。然而，现有技术中大多数只能确定到扰动源存在的发电机组，但对于发电机中具体哪一控制系统产生的扰动引发功率振荡却无法判断。为了确定发电机内哪种控制设备产生的扰动，需要进行大量的推理、排查和仿真工作，增加了实现快速切除扰动源，抑制强迫功率振荡的复杂程度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于相量的发电机强迫扰动源定位方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，包括以下步骤：
S1：根据电力系统振荡预警信号，选定功率振荡幅值超过阈值区域内的发电机组；
S2：获取选定发电机组实测的输出电气功率、频率或转速、机端电流和励磁电流数据；
S3：对实测数据进行预处理并获得主导强迫振荡模式，并计算主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量；
S4：根据发电机相应电气波动量相量之间的关系进行发电机强迫扰动源的定位，并进一步确定扰动源所在的控制系统：如果机组输出电气功率波动与频率波动相位相差小于90度，则扰动源位于该机组且由调速系统提供机械功率扰动；如果机端电流波动量超前于励磁电流波动，则扰动源位于该机组且由励磁系统提供励磁扰动；如果以上两个判据都不满足，则该机组不是扰动源。
进一步，所述步骤S1包括以下的步骤：
S1.1：确定功率振荡预警阙值；
S1.2：电力系统发生强迫振荡时，系统根据阙值发出预警信号，并选取振荡明显区域内的相应发电机组。
进一步，所述步骤S3中，对实测数据进行的预处理包括剔除异常数据、填补数据、滤波、去直流以及对称化处理；采用TLS-ESPRIT算法获取主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量。
进一步，所述步骤S4中的判据通过以下分析得到：
S4.1：当单机无穷大系统发生强迫功率振荡时，发电机的微分方程增量化后可表示为：
式(1)中，Td'0为发电机d轴短路暂态时间常数，M为发电机惯性常量，D为发电机阻尼转矩系数，ΔEq'为电机q轴瞬变电动势波动，ΔEf为定子励磁电动势波动，ΔEq为空载电动势波动，Δδ为发电机内节点电压相角波动，Δω为转速波动，ΔPm为电机机械功率波动，ΔPe为输出电气功率波动，p＝d/dt为对时间的导数算子；
S4.2：记调速器的传递函数为GGOV(s)、励磁系统的传递函数为GE(s)及电力系统稳定PSS的传递函数为Gpss(s)，三种判据分别由如下的方法得到：
1)当发电机存在机械功率扰动时，此时励磁系统正常工作，如式(2)所示：
其中，Ke+sDe为发电机存在机械功率扰动时的发电机复转矩，Ke和De都为正值，Ut为机端电压，TE为一阶励磁系统的时间常数，KE为一阶励磁系统的放大倍数；
因此，ΔPe相位介于Δδ和Δω之间，即ΔPe与Δω之间相位相差小于90度；
由式(3)可知，ΔE'q超前于ΔPe，ΔEq超前于ΔPe且滞后于ΔE'q，因此ΔE'q相位超前于ΔEq且小于90度；
2)当发电机存在励磁扰动时，此时可得：
其中，K’e+D’e为发电机存在励磁扰动时的发电机复转矩，此时调速系统正常工作，可得：
ΔPe＝ΔPm-DΔω-sMΔω＝GPe(s)Δω (5)
其中，GPe(s)＝GGOV(s)-D，由于GGOV(s)具有负实部，因此GPe(s)实部为负，ΔPe与Δω之间相位相差大于90度；
由于ΔPe相位介于Δδ和-Δω之间，根据式(3)可得，ΔE'q滞后于ΔPe，ΔEq滞后于ΔPe且超前于ΔE'q，因此ΔEq相位超前于ΔE'q且小于90度；
3)当发电机不是扰动源时，此时可得：
ΔPe＝ΔPe0+ΔPe1 (6)
其中，ΔPe0即式(2)中的ΔPe，是发电机控制系统产生的电气功率波动；ΔPe1是系统发生强迫振荡，施加给发电机的一个电气功率波动强迫项；因此，根据式(5)可知，ΔPe与Δω之间相位相差大于90度；根据式(3)可知，ΔE'q相位超前于ΔEq且小于90度；
S4.3：将步骤S4.2分析得出的三种相量关系转换为易直接测量的电气波动量之间的相量关系，并应用于发电机强迫扰动源定位：如果机组输出电气功率波动与频率波动相位相差小于90度，则扰动源位于该机组且由调速系统提供机械功率扰动；如果机端电流波动量超前于励磁电流波动，则扰动源位于该机组且由励磁系统提供励磁扰动；如果以上两个判据都不满足，则该机组不是扰动源。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)分析两大控制通道上的相关电气波动量的相量关系，准确定位扰动源所在的发电机组并且判断提供的强迫扰动是来自于调速系统还是励磁系统，这对于快速切除扰动源、有效抑制强迫振荡有重大意义；
(2)采用TLS-ESPRIT算法进行识别分析，提取出可用于扰动定位的主导频率下的相量信息，能够减少异常数据以及与强迫扰动无关分量对判别结果的影响；
(3)由于具体到电网中某台机组进行分析，所需数据皆可以在发电机组本地测量，不需要远方的实测数据，避免引入全网模型导致分析误差变大，且只需实测数据信息无需进行额外计算，提高了定位的准确性；
(4)为电力系统安全稳定运行提供保障，能够快速定位系统扰动源，减少了低频振荡带来的经济损失及社会问题，具有经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的单机无穷大系统振荡传递函数图；
图3是本发明的WAMS实测数据预处理并获取相量信息流程图；
图4是本发明的发电机内电气波动相量关系转换图；
图5是本发明具体实施方式的四机两区系统接线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
下面以四机两区系统发生强迫振荡的扰动源定位为例，说明本发明的具体实施方式，该系统接线图如图5所示。其中，发电机内控制系统的传递函数框图如图2所示，调速器的传递函数为GGOV(s)、励磁系统的传递函数为GE(s)及电力系统稳定PSS的传递函数为Gpss(s)，系数K1～K6是和系统结构、参数、运行工况有关的常数，通常为正值。其中， 发电机经过小干扰稳定分析可知，该系统包含1个区间振荡模式，频率为0.64Hz。首先对该模式的强相关机组G1额外施加持续性的机械功率扰动，扰动频率为0.64Hz，扰动幅值为0.01p.u.，发生强迫振荡后进行扰动源定位；接着对该模式的强相关机组G1额外施加持续性的励磁电压扰动，扰动频率为0.64Hz，扰动幅值为0.8p.u.，发生强迫振荡后进行扰动源定位。本发明公开了一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：根据电力系统振荡预警信号，选定功率振荡幅值超过阈值区域内的发电机组；
S2：获取选定发电机组实测的输出电气功率、频率或转速、机端电流和励磁电流数据；
S3：对实测数据进行预处理并获得主导强迫振荡模式，并计算主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量；与扰动相关的振荡频率下的相量信息通过以下步骤得到：
S3.1：对实测数据进行剔除、填补处理，并且经过滤波、去直流以及对称化，数据处理流程图如图3所示；
S3.2：通过TLS-ESPRIT算法计算出预处理后数据中各分量的频率大小、衰减系数及阻尼比；
S3.3：根据强迫振荡过程中波动稳态量不衰减特点，确定强迫振荡的主导频率，即共振频率；
S3.4：通过最小二乘法获取共振频率下，电气波动相量的幅值和相位；
以上方法能够滤去异常数据以及与振荡模式无关的高次分量的影响，使所获得数据更加理想，不会对其相量信息造成影响，采用TLS-ESPRIT获取主导振荡频率下的相量幅值和相位信息，使结果更加准确。具体实施例的数据分析如下：
1)当发电机调速系统提供机械功率扰动发生强迫振荡时，发电机相关电气波动量相位信息如表1所示：
表1主导振荡模式相位参数
2)当发电机励磁系统提供励磁电压扰动发生强迫振荡时，发电机相关电气波动量相位信息如表2所示：
表2主导振荡模式相位参数
S4：根据发电机相应电气波动量相量之间的关系进行发电机强迫扰动源的定位，并进一步确定扰动源所在的控制系统。
根据ΔPe与Δω以及ΔE'q与ΔEq之间的相量关系得出的判据，将之转换为易直接测量的电气波动量之间的相量关系，转换过程包括：
a.发电机角频率的波动量相量Δω与机端母线电压频率波动量相量Δf存在Δω＝2πΔf这一关系，因此发电机角频率与输出电气有功功率之间的相量关系可转换为机端电压频率与输出电气有功功率之间的相量关系。
b.发电机内部各电气量存在关系式：
其中xd,x'd分别为发电机的d轴同步电抗和d轴瞬态同步电抗且xd-x'd大于0，Δid为d轴电流波动，xad为发电机d轴电枢反应电抗，Δif为励磁电流波动。根据相量关系，可将ΔE'q与ΔEq之间的相量关系转换为Δid与Δif之间的相量关系，相量关系图如图4所示。
另外，发电机d轴电流波动量Δid与发电机机端电流波动量ΔI同相位，因此Δid与Δif之间的相量关系转化为ΔI与Δif之间的相量关系。
综上，如果机组输出电气功率波动相位与频率波动相位相差小于90度，即则扰动源位于该机组且由调速系统提供机械功率扰动；如果机端电流波动量相位超前于励磁电流波动量相位即则扰动源位于该机组且由励磁系统提供励磁扰动；以上两个判据都不满足，则该机组不是扰动源。
1)当发电机调速系统提供机械功率扰动发生强迫振荡时，根据表1可知，机组G1满足式(5)而不满足式(7)，且其他三台机组均不满足于，因此可以得出，机组G1是扰动源且调速系统提供机械功率扰动。这与实际情况相符合。
2)当发电机励磁系统提供励磁电压扰动发生强迫振荡时，根据表2可知，机组G1满足式(7)而不满足式(5)，且其他三台机组均不满足于，因此可以得出，机组G1是扰动源且励磁系统提供励磁电压扰动。这与实际情况相符合。
以上分析结果与实际情况皆相符合，验证了本发明的有效性及实用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据电力系统振荡预警信号，选定功率振荡幅值超过阈值区域内的发电机组；
S2：获取选定发电机组实测的输出电气功率、频率或转速、机端电流和励磁电流数据；
S3：对实测数据进行预处理并获得主导强迫振荡模式，并计算主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量；
S4：根据发电机相应电气波动量相量之间的关系进行发电机强迫扰动源的定位，并进一步确定扰动源所在的控制系统：如果机组输出电气功率波动与频率波动相位相差小于90度，则扰动源位于该机组且由调速系统提供机械功率扰动；否则，如果机端电流波动量超前于励磁电流波动，则扰动源位于该机组且由励磁系统提供励磁扰动；如果以上两个判据都不满足，则该机组不是扰动源。
2.根据权利要求1所述的一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下的步骤：
S1.1：确定功率振荡预警阙值；
S1.2：电力系统发生强迫振荡时，系统根据阙值发出预警信号，并选取振荡明显区域内的相应发电机组。
3.根据权利要求1所述的一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，其特征在于：所述步骤S3中，对实测数据进行的预处理包括剔除异常数据、填补数据、滤波、去直流以及对称化处理；采用TLS-ESPRIT算法获取主导强迫振荡模式下的相应电气波动量相量。
4.根据权利要求1所述的一种基于相量的发电机强迫扰动源定位方法，其特征在于：所述步骤S4中的判据通过以下分析得到：
S4.1：当单机无穷大系统发生强迫功率振荡时，发电机的微分方程增量化后可表示为：
式(1)中，T′d0为发电机d轴短路暂态时间常数，M为发电机惯性常量，D为发电机阻尼转矩系数，ΔEq'为电机q轴瞬变电动势波动，ΔEf为定子励磁电动势波动，ΔEq为空载电动势波动，Δδ为发电机内节点电压相角波动，Δω为角频率波动，ΔPm为电机机械功率波动，ΔPe为输出电气功率波动，p＝d/dt为对时间的导数算子；
S4.2：记调速器的传递函数为GGOV(s)、励磁系统的传递函数为GE(s)及电力系统稳定PSS的传递函数为Gpss(s)，三种判据分别由如下的方法得到：
1)当发电机存在机械功率扰动时，此时励磁系统正常工作，如式(2)所示：
其中，Ke+sDe为发电机存在机械功率扰动时的发电机复转矩，Ke和De都为正值，Ut为机端电压，TE为一阶励磁系统的时间常数，KE为一阶励磁系统的放大倍数；
因此，ΔPe相位介于Δδ和Δω之间，即ΔPe与Δω之间相位相差小于90度；
由式(3)可知，ΔE'q超前于ΔPe，ΔEq超前于ΔPe且滞后于ΔE'q，因此ΔE'q相位超前于ΔEq且小于90度；
2)当发电机存在励磁扰动时，此时可得：
其中，K’e+sD’e为发电机存在励磁扰动时的发电机复转矩，此时调速系统正常工作，可得：
ΔPe＝ΔPm-DΔω-sMΔω＝GPe(s)Δω (5)
其中，GPe(s)＝GGOV(s)-D，由于GGOV(s)具有负实部，因此GPe(s)实部为负，ΔPe与Δω之间相位相差大于90度；
由于ΔPe相位介于Δδ和-Δω之间，根据式(3)可得，ΔE'q滞后于ΔPe，ΔEq滞后于ΔPe且超前于ΔE'q，因此ΔEq相位超前于ΔE'q且小于90度；
3)当发电机不是扰动源时，此时可得：
ΔPe＝ΔPe0+ΔPe1 (6)
其中，ΔPe0即式(2)中的ΔPe，是发电机控制系统产生的电气功率波动；ΔPe1是系统发生强迫振荡，施加给发电机的一个电气功率波动强迫项；因此，根据式(5)可知，ΔPe与Δω之间相位相差大于90度；根据式(3)可知，ΔE'q相位超前于ΔEq且小于90度；
S4.3：将步骤S4.2分析得出的三种相量关系转换为易直接测量的电气波动量之间的相量关系，并应用于发电机强迫扰动源定位：如果机组输出电气功率波动与频率波动相位相差小于90度，则扰动源位于该机组且由调速系统提供机械功率扰动；否则，如果机端电流波动量超前于励磁电流波动，则扰动源位于该机组且由励磁系统提供励磁扰动；如果以上两个判据都不满足，则该机组不是扰动源。
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