CN106940429B - 基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法 - Google Patents

基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，包括以下步骤：S1：当电网发生低频振荡时，根据割集能量法锁定振荡区域内的机组群，并且获取发电机控制装置的量测电气数据；所述发电机控制装置包括励磁系统和调速系统；S2：采用经验模态分解算法提取已获取的量测电气数据在主导振荡模式下的电气变化量，并进行归一化处理；S3：分别计算励磁系统和调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率，进一步基于经验模态分解算法对输出能量变化率进行分解过滤并利用最小二乘法进行曲线拟合获得量化指标；S4：根据指标进行低频振荡源的定位以及识别，判断发电机的励磁系统及调速系统是否为振荡源并指出该振荡源的类型。

Description

基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法
技术领域
本发明涉及电力系统稳定分析与控制技术，特别是涉及基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法。
背景技术
随着现代电力系统互联规模的日益扩大，系统的动态过程越来越复杂，低频振荡已经成为影响电力系统安全稳定运行的重要问题。引起电力系统低频振荡的因素主要包括弱(负)阻尼理论以及共振机理强迫振荡理论这两类。其中，弱阻尼振荡与强迫功率振荡具有非常相似的表现形式，但其发生机理和抑制措施有本质的区别。如何能够准确的定位振荡源，并且识别振荡源类型对抑制振荡具有重要的意义。
对同步发电机而言，原动机及其调速系统是发电机的输入能量源，能够引发强迫功率振荡的可能性和危害性非常大；而励磁系统不能控制能量注入，不能单独作为强迫扰动源，其与调速系统特性的好坏能够影响系统的阻尼。
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发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，该方法包括以下步骤：
S1：当电网发生低频振荡时，根据割集能量法锁定振荡区域内的机组群，并且获取发电机控制装置的量测电气数据；所述发电机控制装置包括励磁系统和调速系统；
S2：采用经验模态分解算法提取已获取的量测电气数据在主导振荡模式下的电气变化量，并进行归一化处理；
S3：分别计算励磁系统和调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率，进一步基于经验模态分解算法对输出能量变化率进行分解过滤并利用最小二乘法进行曲线拟合获得量化指标；
S4：根据指标进行低频振荡源的定位以及识别，判断发电机的励磁系统及调速系统是否为振荡源并指出该振荡源的类型。
进一步，所述步骤S1中的量测电气数据包括励磁系统的励磁电动势Ef和励磁电流if、原动机输出机械功率Pm和发电机转速ω。
进一步，所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1：采用经验模态分解算法过滤掉低频振荡时量测电气数据的干扰信号和衰减信号，提取出主导振荡模式下的电气变化量ΔEf、Δif、ΔPm和Δω；
S2.2：求取序列ΔEf、Δif、ΔPm和Δω的上下包络线，进一步求出其幅值，分别进行归一化处理，得到ΔE1 f，Δi1 f，ΔP1 m，Δω1。
进一步，所述步骤S3包括以下步骤：
S3.1：根据式(1)计算励磁系统在发生低频振荡时的输出能量变化率根据式(2)计算调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率Em D；
式(1)中，ΔE1 f为为归一化后的发电机励磁电动势的主导振荡模式下的变化量，Δi1 f为归一化后的发电机励磁电流的主导振荡模式下的变化量；
Em D＝ΔP1 m*Δω1 (2)
式(2)中，ΔP1 m为归一化后的发电机机械功率的主导振荡模式下的变化量，Δω1为归一化后的发电机转子转速的主导振荡模式下的变化量；
S3.2：对和Em D进行EMD分解，减去经验模态分量，剩下恒定分量；对恒定分量进行最小二乘曲线拟合，获得振荡源定位指标及识别指标Em D1D。
进一步，所述步骤S4中的判断方法包括以下步骤：
S4.1：判断是否成立：如果是，则进行步骤S4.2；否则，进行步骤S4.3；
S4.2：判断Em D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.4；否则，则进行步骤S4.5；
S4.3：判断Em D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.6；否则，则进行步骤S4.7；
S4.4：判断Em D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组励磁系统提供负阻尼且调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统和励磁系统同时提供负阻尼；
S4.5：判定该机组励磁系统提供负阻尼；
S4.6：判断Em D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统提供负阻尼；
S4.7：判定该机组不是振荡源。
有益效果：本发明从发电机引发低频振荡的发生机理的角度出发，深入到发电机的励磁系统和调速系统进行分析，能够准确地判断出该发电机的控制装置是否为振荡源并且可以识别该振荡源的类型；同时本发明利用经验模态分解方法的滤波功能将振荡的主导分量提取出来，且进一步制定振荡源定位及识别的量化指标，既能提高准确性，又能实现自动功能。此外，本发明所需数据均来自发电机组，不需要电网中完善的PMU配置，可实现分散化监测。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的方法流程图；
图2为本发明具体实施方式的简化原动机调节系统模型图；
图3为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
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式以四机两区系统来详细说明。
如图2所示，发电机的励磁系统采用简化的汽轮机调节系统模型，其中，Ka为放大倍数(调差系数的倒数)，Tg为调速器液压系统时间常数；TCH为汽轮机高压缸蒸汽容积时间常数。
四机两区系统如图3所示，根据小干扰稳定计算分析，该系统存在区域内弱阻尼振荡模式，振荡频率为1.145Hz，G1、G2相关因子分别为0.15和0.32；其中G1、G2调速系统参数设置一致，分界频率为0.411Hz。首先仿真系统弱阻尼振荡，在1s时对母线6施加一个瞬时三相短路故障。接着调整四台发电机的有功出力，使系统呈现正阻尼。根据小干扰稳定计算分析，该系统存在区域间振荡模式，振荡频率为0.708Hz。在机组G2的原动机侧添加频率为0.708Hz，大小为原机组输出有功功率10％的波动性功率，激发强迫功率振荡。其中，G1调速系统的分界频率为0.411Hz，G3、G4调速系统分界频率一致，为0.919Hz。
本具体实施方式公开了一种基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：当电网发生低频振荡时，根据割集能量法锁定振荡区域内的机组群G1-G4，并且获取发电机控制装置的量测电气数据；其中，发电机控制装置包括励磁系统和调速系统；量测电气数据包括励磁系统的励磁电动势Ef和励磁电流if、原动机输出机械功率Pm和发电机转速ω；
S2：采用经验模态分解算法提取已获取的量测电气数据在主导振荡模式下的电气变化量，并进行归一化处理；
S3：分别计算励磁系统和调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率，进一步基于经验模态分解算法对输出能量变化率进行分解过滤并利用最小二乘法进行曲线拟合获得量化指标；
S4：根据指标进行低频振荡源的定位以及识别，判断发电机的励磁系统及调速系统是否为振荡源并指出该振荡源的类型。
步骤S2包括以下步骤：
S2.1：采用经验模态分解算法过滤掉低频振荡时量测电气数据的干扰信号和衰减信号，提取出主导振荡模式下的电气变化量ΔEf、Δif、ΔPm和Δω；
S2.2：求取序列ΔEf、Δif、ΔPm和Δω的上下包络线，进一步求出其幅值，分别进行归一化处理，得到ΔE1 f，Δi1 f，ΔP1 m，Δω1。
步骤S3包括以下步骤：
S3.1：根据式(1)计算励磁系统在发生低频振荡时的输出能量变化率根据式(2)计算调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率Em D；
式(1)中，ΔE1 f为归一化后的发电机励磁电动势的主导振荡模式下的变化量，Δi1 f为归一化后的发电机励磁电流的主导振荡模式下的变化量；
Em D＝ΔP1 m*Δω1 (2)
式(2)中，ΔP1 m为归一化后的发电机机械功率的主导振荡模式下的变化量，Δω1为归一化后的发电机转子转速的主导振荡模式下的变化量；
S3.2：对和Em D进行EMD分解，减去经验模态分量，剩下恒定分量；对恒定分量进行最小二乘曲线拟合，获得振荡源定位指标及识别指标Em D1D，分别如表1和表2所示。
表1振荡源识别分析结果(弱阻尼振荡)
表2振荡源识别分析结果(强迫功率振荡)
步骤S4中的判断方法包括以下步骤：
S4.1：判断是否成立：如果是，则进行步骤S4.2；否则，进行步骤S4.3；
S4.2：判断Em D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.4；否则，则进行步骤S4.5；
S4.3：判断Em D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.6；否则，则进行步骤S4.7；
S4.4：判断Em D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组励磁系统提供负阻尼且调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统和励磁系统同时提供负阻尼；
S4.5：判定该机组励磁系统提供负阻尼；
S4.6：判断Em D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统提供负阻尼；
S4.7：判定该机组不是振荡源。
由表1可知，由于G2负荷较重，其励磁系统提供负阻尼；且G1、G2调速系统分界频率低于低频振荡频率，皆提供负阻尼，导致系统呈弱阻尼。G3、G4在该低频振荡模式下的参与度较小，提供的阻尼为正。振荡源识别分析结果与实际情况一致。
由表2可知，G2指标Em D1D为0.4842，接近于0.5，故强迫扰动源位于G2原动机侧；且G1调速系统分界频率低于低频振荡频率，提供负阻尼；而G3、G4调速系统分界频率高于低频振荡频率，提供阻尼为正。振荡源识别分析结果与实际情况一致。

Claims (5)

1.基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：当电网发生低频振荡时，根据割集能量法锁定振荡区域内的机组群，并且获取发电机控制装置的量测电气数据；所述发电机控制装置包括励磁系统和调速系统；
S2：采用经验模态分解算法提取已获取的量测电气数据在主导振荡模式下的电气变化量，并进行归一化处理；
S3：分别计算励磁系统和调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率，进一步基于经验模态分解算法对输出能量变化率进行分解过滤并利用最小二乘法进行曲线拟合获得量化指标；
S4：根据量化指标进行低频振荡源的定位以及识别，判断发电机的励磁系统及调速系统是否为振荡源并指出该振荡源的类型。
2.根据权利要求1所述的基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，其特征在于：所述步骤S1中的量测电气数据包括励磁系统的励磁电动势Ef和励磁电流if、原动机输出机械功率Pm和发电机转速ω。
3.根据权利要求1所述的基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1：采用经验模态分解算法过滤掉低频振荡时量测电气数据的干扰信号和衰减信号，提取出主导振荡模式下的电气变化量ΔΕf、Δif、ΔPm和Δω；
S2.2：求取序列ΔΕf、Δif、ΔPm和Δω的上下包络线，进一步求出其幅值，分别进行归一化处理，得到ΔP1 m，Δω1。
4.根据权利要求1所述的基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：
S3.1：根据式(1)计算励磁系统在发生低频振荡时的输出能量变化率根据式(2)计算调速系统在发生低频振荡时的输出能量变化率Εm D；
式(1)中，为归一化后的发电机励磁电动势的主导振荡模式下的变化量，为归一化后的发电机励磁电流的主导振荡模式下的变化量；
Εm D＝ΔP1 m*Δω1 (2)
式(2)中，ΔP1 m为归一化后的发电机机械功率的主导振荡模式下的变化量，Δω1为归一化后的发电机转子转速的主导振荡模式下的变化量；
S3.2：对和Εm D进行EMD分解，减去经验模态分量，剩下恒定分量；对恒定分量进行最小二乘曲线拟合，获得振荡源定位指标及识别指标Εm D1D。
5.根据权利要求4所述的基于发电机控制装置的低频振荡源定位及识别方法，其特征在于：所述步骤S4中的判断方法包括以下步骤：
S4.1：判断是否成立：如果是，则进行步骤S4.2；否则，进行步骤S4.3；
S4.2：判断Εm D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.4；否则，则进行步骤S4.5；
S4.3：判断Εm D1D>0是否成立：如果是，则进行步骤S4.6；否则，则进行步骤S4.7；
S4.4：判断Εm D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组励磁系统提供负阻尼且调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统和励磁系统同时提供负阻尼；
S4.5：判定该机组励磁系统提供负阻尼；
S4.6：判断Εm D1D≈1/2是否成立：如果是，则判定该机组调速系统存在强迫扰动源；否则，则判定该机组调速系统提供负阻尼；
S4.7：判定该机组不是振荡源。
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