CN107342599A - 一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，属于电力系统仿真技术领域。本发明通过统计各步长迭代收敛时超过指定迭代次数的连续步数，或者通过识别仿真中控制系统输出变量出现弱阻尼振荡或者增幅振荡，判断控制系统稳定性自动诊断是否启动；根据各步长迭代中的控制系统的输出变量迭代过程信息，或者从故障清除到控制系统稳定性自动诊断启动时段内控制系统的输出变量的均方差大小，确定主导不稳定的控制系统及其发电机，通过特征根分析，计算主导不稳定控制系统参数的阻尼比灵敏度；根据阻尼比灵敏度信息调整参数。本发明可以提高电力系统机电暂态仿真可信度，有助于电力系统安全稳定分析和控制器设计。

Description

一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整 方法

技术领域

本发明属于电力系统计算技术领域，更准确地说，本发明涉及一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法。

背景技术

电力系统机电暂态时域仿真是电力系统暂态和动态安全稳定分析与控制的基础。仿真中所采用的励磁、调速、PSS等控制系统的模型和参数的合理性又是仿真结果正确与否的关键。在仿真中实现对显著影响控制系统稳定性参数的自动诊断和调整，既能提高电力系统机电暂态仿真可信度，又有助于电力系统安全稳定分析和控制器设计。

控制系统的稳定性，表示系统能妥善地保持预定的工作状态，耐受各种不利因素的影响。在线性定常系统中，许多稳定性判据，如奈魁斯特稳定判据及劳斯稳定判据都给出了极为实用和非常方便的判别稳定性的方法。它们的基础都是利用特征根技术分析平衡点的稳定性，对于时变系统和非线性系统，分析稳定性的问题要复杂得多，上述各种稳定判据不能直接应用。实际的电力系统是典型的时变非线性系统，采用微分代数方程组描述，通过数值积分法求取受扰轨迹，基于对动态积分方程求参数的偏导获取参数轨迹灵敏度，进而分析控制系统参数对非自治非线性系统稳定性的影响。

结合平衡点特征根技术与数值积分，文献《轨迹特征根的解析估算及其误差分析》(电力系统自动化,2008,32(19):10-14)提出将平衡点特征根技术扩展到大扰动受扰轨迹的各个断面。对任意多机模型积分后，沿其受扰轨迹在每一步积分的起点处，按积分得到的实际状态将非自治非线性系统模型重新线性化后求解得到轨迹断面特征根，用轨迹断面特征根来考察非自治和非线性因素对系统稳定性的影响，可以获取更多的相关振荡模态的解析时间序列信息。

此外，电力系统机电暂态时域仿真采用数值积分方法逐个步长积分求解，过程中由于模型结构或者参数的不合理，会导致计算收敛性变差，因此，迭代求解过程中的信息也可用于评估控制系统的稳定性。

发明内容

本发明目的是：提供一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法。该方法在仿真中实现对显著影响控制系统稳定性参数的自动诊断和调整，提高电力系统机电暂态仿真可信度，为相关控制器设计提供参考。

本发明的原理是：采用将平衡点特征根技术扩展到大扰动受扰轨迹的各个断面的思想，结合电力系统机电暂态时域仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息和阻尼比灵敏度指标，找出仿真中主导不稳定的控制系统和参数，并对其进行调整。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括如下步骤：

1)从0秒开始进行电力系统机电暂态时域仿真，在故障清除后，开始在各仿真步长判断是否满足发电机所属控制系统稳定性自动诊断的启动条件，如满足则进入步骤2)，否则继续下一步长的电力系统机电暂态时域仿真，并重复本步骤的判断，如果达到设定的仿真结束时间仍未进入步骤2)，则进入步骤6)；

2)根据仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息，筛选仿真中的不稳定控制系统，确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机，将该主导不稳定的控制系统记为C，将C所属发电机记为G，并将确定主导不稳定的控制系统的时刻记为T1，记录T1时刻的系统状态，进入步骤3)；

3)通过戴维南等值法，以发电机G为端口向输电网内看，将T1时刻的系统等值为发电机G通过等值阻抗与无穷大母线相连接的单机无穷大系统S，进入步骤4)；

4)按照已经得到的在T1时刻的发电机G及其控制系统的状态变量值，将单机无穷大系统S线性化，并对单机无穷大系统S进行特征根分析；根据分析得到的特征根、阻尼比及振荡频率，选择振荡能量最大的振荡模式为主导振荡模式，将该主导振荡模式记为M，计算控制系统C所有参数在模式M下的阻尼比灵敏度，进入步骤5)；

5)比较控制系统C所有参数在模式M下的阻尼比灵敏度，确定阻尼比灵敏度绝对值最大者为要调整的关键参数，将该关键参数记为α；根据参数α的阻尼比灵敏度正负确定参数调整方向，阻尼比灵敏度大于零则增大参数，阻尼比灵敏度小于零则减小参数；在参数α原值基础上根据模式M目前的阻尼比ξ_目前和设定需要调整达到的阻尼比ξ_设定，计算参数α的调整量，为参数α的阻尼比灵敏度，重新开始进行机电暂态时域仿真，进入步骤1)；

6)在设定的仿真时间内，全网控制系统具有较高的稳定性，结束本方法。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中的发电机所属控制系统，限于发电机所属的调速器、原动机、励磁系统和PSS。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中的启动条件有两个，分别为启动条件一和启动条件二，二者满足其一即启动；

启动条件一：判断各仿真步长迭代收敛时的迭代次数是否超过迭代次数N，如果连续L步的迭代次数都超过N，则满足启动条件一，其中，N和L为预先设定值；

启动条件二：判断仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度，如出现弱阻尼振荡或者增幅振荡情况，则满足启动条件二。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，筛选仿真中的不稳定控制系统，确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机，通过以下两种方法进行：

当发电机所属控制系统稳定性自动诊断由启动条件一启动时，采用方法一，否则采用方法二；

方法一：计算仿真中发电机所属控制系统的输出变量在每步长迭代收敛时和前一次迭代计算的差值，如果差值大于设定的门槛值，则选择差值最大的控制系统为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统所属的发电机为影响系统不稳定的主导发电机；

方法二：根据仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度，筛选出具有弱阻尼振荡或者增幅振荡特性的变量，进一步选择这些变量中均方差值最大的控制系统为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统所属的发电机为影响系统不稳定的主导发电机。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中计算控制系统C所有参数在该模式M下的阻尼比灵敏度的方法如下：

用α代表控制系统C的各参数，计算α的阻尼比灵敏度的方法为根据公式(1)计算待考察参数α的特征根灵敏度根据公式(2)计算参数α的阻尼比灵敏度其中，A为系统的状态矩阵，特征根λ＝σ±jω，σ和ω分别为特征根的实部和虚部，v和u为相应的左、右特征向量，阻尼比表示振荡模式随振荡次数的衰减，

本发明的有益效果如下：本发明从电力系统机电暂态时域仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息捕捉不稳定现象，确定主导不稳定的控制系统及其发电机，计了电力系统动态过程的影响；对以该发电机为端口的戴维南等值单机无穷大系统进行特征根分析，计算主导不稳定控制系统参数的阻尼比灵敏度，根据阻尼比灵敏度信息调整参数，避免了对多机系统进行特征根分析不能求取所有特征根，甚至会遗漏主要的不稳定模式的问题，阻尼比灵敏度指标则可更直观反映参数对系统稳定性的影响。总的来说，本发明结合电力系统机电暂态时域仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息和阻尼比灵敏度指标，能够准确找出仿真中主导不稳定的控制系统和参数，实现控制系统稳定性自动诊断和参数调整，既能提高电力系统机电暂态仿真可信度，又有助于电力系统安全稳定分析和控制器设计。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1中步骤1描述的是，从0秒开始进行电力系统机电暂态时域仿真，在故障清除后，开始在各仿真步长判断是否满足发电机所属控制系统(调速器、原动机、励磁系统和PSS)稳定性自动诊断的启动条件。所述启动条件为两个：

启动条件一，判断各仿真步长迭代收敛时的迭代次数是否超过迭代次数N，如果连续L步的迭代次数都超过N，则满足启动条件一，其中，N和L为预先设定值。

启动条件二，判断仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度是否满足预先设定的要求，即判断是否出现弱阻尼振荡或者增幅振荡情况，如出现，则满足启动条件二。

如满足启动条件一或者启动条件二则进入步骤2)，否则继续下一步长的电力系统机电暂态时域仿真，并重复本步骤的判断，如果达到设定的仿真结束时间仍未进入步骤2，则进入步骤6；

图1中步骤2描述的是，根据仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息，筛选仿真中的不稳定控制系统，确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机。将确定主导不稳定的控制系统的时刻记为T1，记录T1时刻的系统状态，进入步骤3。

筛选仿真中的不稳定控制系统并确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机的方法有方法一和方法二两种。当发电机所属控制系统稳定性自动诊断由启动条件一启动时，采用方法一，否则采用方法二。

方法一，计算仿真中发电机所属控制系统的输出变量在每步长迭代收敛时和前一次迭代计算的差值DELT，如果差值DELT大于设定的门槛值，则选择差值最大的控制系统C为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统C所属的发电机G为影响系统不稳定的主导发电机；

方法二，根据仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度，筛选出具有弱阻尼振荡或者增幅振荡特性的变量，进一步选择这些变量中均方差值最大的控制系统C为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统C所属的发电机G为影响系统不稳定的主导发电机。

图1中步骤3描述的是，通过戴维南等值法，以发电机G为端口，向输电网内看，将T1时刻的系统等值为发电机G通过等值阻抗与无穷大母线相连接的单机无穷大系统S，进入步骤4。

图1中步骤4描述的是，按照已经计算得到的在T1时刻的发电机G及其控制系统的状态变量值，将单机无穷大系统S线性化，并对单机无穷大系统S进行特征根分析。根据计算得到的特征根、阻尼比、振荡频率，选择振荡能量最大的振荡模式M为主导振荡模式，计算控制系统C所有参数在该模式M下的阻尼比灵敏度，进入步骤5。

用α代表控制系统C的各参数，计算α的阻尼比灵敏度的方法为根据公式(1)计算待考察参数α的特征根灵敏度根据公式(2)计算控制系统参数α的阻尼比灵敏度其中，A为系统的状态矩阵，特征根λ＝σ±jω，σ和ω分别为特征根的实部和虚部，v和u为相应的左、右特征向量，阻尼比表示振荡模式随振荡次数的衰减，

图1中步骤5描述的是，比较控制系统C所有参数在模式M下的阻尼比灵敏度，确定阻尼比灵敏度绝对值最大者为要调整的关键参数，将该关键参数记为α，继续根据参数α的阻尼比灵敏度正负确定参数调整方向，阻尼比灵敏度大于零，则增大参数，阻尼比灵敏度小于零，则减小参数。在参数α原值基础上根据模式M目前的阻尼比ξ_目前和设定需要调整达到的阻尼比ξ_设定，计算参数α的调整量，重新开始进行机电暂态时域仿真，进入步骤1。

图1中步骤6描述的是，在设定的仿真时间内，全网控制系统具有较高的稳定性，结束本方法。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从0秒开始进行电力系统机电暂态时域仿真，在故障清除后，开始在各仿真步长判断是否满足发电机所属控制系统稳定性自动诊断的启动条件，如满足则进入步骤2)，否则继续下一步长的电力系统机电暂态时域仿真，并重复本步骤的判断，如果达到设定的仿真结束时间仍未进入步骤2)，则进入步骤6)；

2)根据仿真中各步长的发电机所属控制系统的输出变量信息，筛选仿真中的不稳定控制系统，确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机，将该主导不稳定的控制系统记为C，将C所属发电机记为G，并将确定主导不稳定的控制系统的时刻记为T1，记录T1时刻的系统状态，进入步骤3)；

3)通过戴维南等值法，以发电机G为端口向输电网内看，将T1时刻的系统等值为发电机G通过等值阻抗与无穷大母线相连接的单机无穷大系统S，进入步骤4)；

4)按照已经得到的在T1时刻的发电机G及其控制系统的状态变量值，将单机无穷大系统S线性化，并对单机无穷大系统S进行特征根分析；根据分析得到的特征根、阻尼比及振荡频率，选择振荡能量最大的振荡模式为主导振荡模式，将该主导振荡模式记为M，计算控制系统C所有参数在模式M下的阻尼比灵敏度，进入步骤5)；

5)比较控制系统C所有参数在模式M下的阻尼比灵敏度，确定阻尼比灵敏度绝对值最大者为要调整的关键参数，将该关键参数记为α；根据参数α的阻尼比灵敏度正负确定参数调整方向，阻尼比灵敏度大于零则增大参数，阻尼比灵敏度小于零则减小参数；在参数α原值基础上根据模式M目前的阻尼比ξ_目前和设定需要调整达到的阻尼比ξ_设定，计算参数α的调整量， 为参数α的阻尼比灵敏度，重新开始进行机电暂态时域仿真，进入步骤1)；

6)在设定的仿真时间内，全网控制系统具有较高的稳定性，结束本方法。

2.根据权利要求1所述的机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，其特征在于，所述步骤1)中的发电机所属控制系统，限于发电机所属的调速器、原动机、励磁系统和PSS。

3.根据权利要求2所述的机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，其特征在于，所述步骤1)中的启动条件有两个，分别为启动条件一和启动条件二，二者满足其一即启动；

启动条件一：判断各仿真步长迭代收敛时的迭代次数是否超过迭代次数N，如果连续L步的迭代次数都超过N，则满足启动条件一，其中，N和L为预先设定值；

启动条件二：判断仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度，如出现弱阻尼振荡或者增幅振荡情况，则满足启动条件二。

4.根据权利要求3所述的机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，其特征在于，所述步骤2)中，筛选仿真中的不稳定控制系统，确定主导不稳定的控制系统及其所属发电机，通过以下两种方法进行：

当发电机所属控制系统稳定性自动诊断由启动条件一启动时，采用方法一，否则采用方法二；

方法一：计算仿真中发电机所属控制系统的输出变量在每步长迭代收敛时和前一次迭代计算的差值，如果差值大于设定的门槛值，则选择差值最大的控制系统为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统所属的发电机为影响系统不稳定的主导发电机；

方法二：根据仿真中发电机所属控制系统的输出变量从故障清除时刻到现在的波形的振荡周期和振荡幅度，筛选出具有弱阻尼振荡或者增幅振荡特性的变量，进一步选择这些变量中均方差值最大的控制系统为影响系统不稳定的主导因素，同时确定控制系统所属的发电机为影响系统不稳定的主导发电机。

5.根据权利要求1所述的机电暂态仿真中控制系统稳定性自动诊断和参数调整方法，其特征在于，所述步骤4)中计算控制系统C所有参数在该模式M下的阻尼比灵敏度的方法如下：

用α代表控制系统C的各参数，计算α的阻尼比灵敏度的方法为根据公式(1)计算待考察参数α的特征根灵敏度根据公式(2)计算参数α的阻尼比灵敏度其中，A为系统的状态矩阵，特征根λ＝σ±jω，σ和ω分别为特征根的实部和虚部，v和u为相应的左、右特征向量，阻尼比表示振荡模式随振荡次数的衰减，

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