CN109004647B - 一种ieee 2a型电力系统稳定器pss控制参数自适应拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统中的自动化控制技术领域，具体涉及一种IEEE 2A型电力系统稳定器(PSS)控制参数自适应拟合方法。该方法通过实测试验获得发电机励磁控制系统无补偿特性，计算PSS最优补偿特性后，建立以PSS补偿特性与最优补偿特性方差最小为目标的极值函数，依托该函数建立并求解PSS控制参数自适应拟合模型，最终得到PSS控制系统参数。该方法实现了自适应发电机励磁控制系统无补偿特性的PSS控制参数自动快速拟合，操作简单，避免了大量的反复迭代计算和校验操作，有效提高了试验人员的现场工作效率。
Description
技术领域
本发明属于电力系统中的自动化控制技术领域，具体涉及一种IEEE 2A型电力系统稳定器(PSS)控制参数自适应拟合方法。
背景技术
互联电力系统的出现和扩大以及快速励磁系统的大规模应用削弱了电网的系统阻尼，甚至出现了负阻尼，这就使得电力系统受到小扰动时，有关电气量(电流、电压、功率)表现为在其稳态运行值附近的周期性变化，即电力系统振荡。其中，把振荡频率在0.1-2.0Hz范围内的振荡模式称为低频振荡。电力系统发生低频振荡时，由于出现的不平衡功率在系统内的发电机组间来回传播，导致发电机转子间相互摇摆，同时也会引发系统电流、电压、功率的振荡。如果不及时采取有效的措施，可能导致系统的严重事故，造成重大损失。
电力系统稳定器(Power System Stabilizer,简称PSS)是为抑制同步电机低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它抽取与机组振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理后作为附加信号引入到励磁电压调节器中产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼作用，用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。
PSS因其输出信号和控制系统传递函数的不同可分为多种类型，其中IEEE 2A型PSS以电功率信号作为输入，在实际应用中显现出良好的性能和低频振荡抑制效果，是目前国内应用最广泛的PSS设备。IEEE 2A型PSS发挥良好的作用依赖于控制系统合理的运行参数，这些参数之间具有复杂的耦合关系，并且与发电机参数和电网结构密切相关，因此需基于现场实测试验并通过相应的计算手段获得。基于频率特性分析理论可得：由PSS产生的同步电机附加转矩增量滞后于PSS输入信号(有功功率)90°时，附加转矩全部起阻尼作用，PSS效果最佳。国家电网公司企业标准要求：在0.1-2.0Hz范围内，不同频率扰动下同步电机附加转矩增量滞后PSS输入信号应在90°±40°范围内。现场试验中，常用发电机机端电压信号代替同步电机附加转矩增量信号，PSS控制系统运行参数整定的目标为不超出相关标准规定的前提下，使0.1-2.0Hz各频率段发电机机端电压信号滞后PSS输入信号尽可能的接近90°。PSS产生的附加力矩增量与其输入信号间的滞后特性由两部分构成：一是无PSS时励磁调节器产生的力矩分量对于PSS输出信号的相角滞后即励磁控制系统无补偿特性，这和发电机励磁系统参数及当地电网结构有关；二是PSS输出信号与其输入信号的滞后特性即PSS滞后特性，这与PSS控制系统运行参数直接相关。PSS参数整定试验中，首先通过频谱分析仪器实测发电机的励磁控制系统无补偿特性，以此为基础，匹配整定PSS滞后特性，使无补偿特性和PSS滞后特性叠加后满足0.1-2.0Hz范围内各频率段附加力矩滞后PSS输入信号尽可能的接近90°的要求。
现有的IEEE 2A型PSS参数整定采用试探法在0.1-2.0Hz范围内以0.1Hz为步长逐点计算各参数取值，通过不断逼近的方法确定能使0.1Hz、0.2Hz、…等20个频率段试验结果均满足相关要求的一组次优参数。具体实施步骤为先确定扰动频率为1Hz时的参数取值，校核并调整此组参数，确定扰动频率为1.5Hz时的参数取值，并校核1Hz扰动下参数是否满足要求，如果不满足，则需重新调整参数，如果满足要求，则再调整此组新参数确定扰动频率为0.5Hz时的参数取值，满足要求后仍需校核1Hz和1.5Hz扰动下参数是否满足要求。以此类推，遍历所有需计算的离散频率点，不断缩小参数取值范围直至完成参数整定。现有的参数整定方法需多次人工迭代计算和校验操作，计算过程复杂、计算量大、误差不可控、效率低下，并且高度依赖现场技术人员的经验，试验耗时长，操作难度高，参数整定过程不具有可重复性，难以形成标准化流程。
发明内容
针对上述问题和现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种IEEE 2A型电力系统稳定器(PSS)控制参数的自适应拟合方法，在通过频谱仪扫频获得励磁控制系统无补偿特性后，可实现自适应无补偿特性的PSS控制参数自动快速拟合，并能保证与最优参数误差最小。
本发明提供了一种IEEE 2A型电力系统稳定器(PSS)控制参数自适应拟合方法，该方法包括以下步骤:
(1)基于发电机全轴系转动惯量、发电机额定转速、发电机额定容量、电功率信号输入支路隔直环节时间常数自动计算KS2参数；
(2)实测获得发电机励磁控制系统无补偿特性，记作H(f)，单位为度，其中f＝0.1,0.2，…2.0，间隔0.1，单位为赫兹；
(3)根据步骤(2)中实测得到的发电机励磁控制系统无补偿特性计算得0.1～2.0Hz范围内20个离散点处的PSS最优补偿特性，记作G(f)，计算公式为G(f)＝-90-H(f)；
(4)以PSS控制参数为未知量，建立PSS补偿特性函数P(f)。在0.1～2.0Hz范围20个离散点上建立以PSS补偿特性与最优补偿特性方差最小为目标的极值函数，记为F(f),并以PSS运行在相关技术标准规定范围内为约束条件，计算公式为：
式中，θ1、θ2、…、θ20为使PSS运行在相关标准规定范围内的约束条件；
(5)基于MATLAB编程求解步骤(4)中的模型，给定约束条件后计算获得PSS控制参数；
(6)当步骤(5)得正实数解后记录并生成结果，否则返回步骤(4)优化约束条件继续计算拟合PSS控制参数。
进一步地，上述步骤(4)中的约束条件θ1、θ2、…、θ20取值满足MAX(θ1,θ2,…,θ20)≤40。
本发明的有益效果在于：
(1)该方法实现了自适应发电机励磁控制系统无补偿特性的PSS控制参数自动快速拟合，操作简单，避免了大量的反复迭代计算和校验操作，有效提高了试验人员的现场工作效率。
(2)该方法通过调整PSS运行参数拟合模型的不等式约束条件，可降低PSS试验拟合参数与最优参数间的误差，为拟合参数优化提供了手段和依据。
(3)该方法实现了PSS参数整定试验的流程化和标准化，简化了试验过程，避免了参数选取对试验人员工作经验的高度依赖，大幅降低了试验难度。
(4)基于该方法和MATLAB编程语言开发的PSS控制参数整定软件原理清晰，界面友好，功能丰富，操作简单，计算结果可靠。
附图说明
图1：本发明所提供的一种IEEE 2A型电力系统稳定器(PSS)控制参数自适应拟合方法流程图；
图2：通过拟合模型计算获得的PSS控制系统参数；
图3：PSS控制系统无补偿特性、滞后特性、有补偿特性的曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是发明的全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1一种IEEE 2A型PSS控制参数自适应拟合方法——以国电投小峡水电站#3机组PSS参数整定试验为例
(1)KS2参数计算
KS2是IEEE 2A型PSS中将电功率信号和转速信号进行合成的关键参数。KS2的值与发电机转速、发电机额定容量、发电机全轴系转动惯量、电功率信号输入支路隔直环节时间常数等参数有关，这些参数由发电机厂家提供。本专利提供的方法中，设置了KS2计算模块，输入发电机转速等参数后，可自动计算KS2的值。
国电投小峡水电站#3机组额定转速为68.2n/min，全轴系转动惯量为30000kg.m2，机组额定容量为67.65MVA，电功率信号输入支路隔直环节时间常数为6。计算KS2，其值为1.062。
(2)发电机励磁控制系统无补偿特性实测
发电机励磁控制系统无补偿特性通过频谱分析仪将白噪声(random noise)信号加入到PSS输出信号叠加点，扫频分析频谱仪输出信号和发电机机端电压的相频特性，即为发电机励磁控制系统无补偿特性，记作H(f)。小峡水电站#3机组的无补偿特性如下表1所示：
表1小峡水电站#3机组的无补偿特性
| 频率 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1 |
| 无补偿特性 | -17.255 | -28.011 | -45.68 | -54.22 | -62.84 | -68.05 | -75 | -82.11 | -83.17 | -84.8 |
| 频率 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 | 1.7 | 1.8 | 1.9 | 2 |
| 无补偿特性 | -87.9 | -95.7 | -96.83 | -105.73 | -111.45 | -119.16 | -110.66 | -105.29 | -116.8 | -110.5 |
(3)IEEE 2A型PSS控制参数拟合模型求解
将实测获得的发电机励磁控制系统无补偿特性输入到基于MATLAB开发的IEEE 2A型PSS控制参数自适应拟合求解程序中，并指定相应的不等式约束条件后，点击程序运行按钮即可由计算机自动完成参数拟合模型求解，获得待整定PSS的控制系统参数，如图2所示。具体步骤为：①根据步骤(2)中实测得到的发电机励磁控制系统无补偿特性计算得0.1～2Hz范围内20个离散点PSS最优补偿特性，记作G(f)，计算公式为G(f)＝-90-H(f)，小峡水电站#3机组的最优补偿特性如表2所示；②以PSS控制参数为未知量，建立PSS补偿特性函数P(f)，在0.1～2Hz范围20个离散点上建立以PSS补偿特性与最优补偿特性方差最小为目标的极值函数，记为F(f),并以PSS运行在相关标准规定范围内为约束条件，计算公式为：
式中，θ1、θ2、…、θ20为使PSS运行在相关标准规定范围内的约束条件，小峡水电站#3机组的约束条件如表3所示；③基于MATLAB编程求解步骤②中的公式模型获得PSS控制参数如图2所示。
表2峡水电站#3机组的最优补偿特性
| 频率 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1 |
| 最优补偿特性 | -72.745 | -61.989 | -44.32 | -35.78 | -27.16 | -21.95 | -15 | -7.89 | -6.83 | -5.2 |
| 频率 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 | 1.7 | 1.8 | 1.9 | 2 |
| 最优补偿特性 | -2.1 | 5.7 | 6.83 | 15.73 | 21.45 | 29.16 | 20.66 | 15.29 | 26.8 | 20.5 |
表3小峡水电站#3机组的约束条件
| θ1 | θ2 | θ3 | θ4 | θ5 | θ6 | θ7 | θ8 | θ9 | θ10 |
| 25 | 10 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| θ11 | θ12 | θ13 | θ14 | θ15 | θ16 | θ17 | θ18 | θ19 | θ20 |
| 10 | 5 | 5 | 5 | 10 | 15 | 5 | 10 | 5 | 10 |
(4)试验结果
PSS控制参数整定试验完成后，得到的参数拟合结果如图3所示，包括无补偿特性、PSS滞后特性、有补偿特性的曲线。通过发电机电压阶段试验验证以上方法拟合的IEEE 2A型PSS控制参数的有效性。对比PSS退出与投入的试验结果：使用该组参数的PSS投入后，机组振荡次数明显减少，发电机低频振荡可快速平抑，证明使用以上方法拟合的PSS控制参数可靠有效。
Claims (2)
1.一种IEEE2A型电力系统稳定器PSS控制参数自适应拟合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
(1)基于发电机全轴系转动惯量、发电机额定转速、发电机额定容量、电功率信号输入支路隔直环节时间常数自动计算KS2参数；
(2)实测获得发电机励磁控制系统无补偿特性，记作H(f)，单位为度，其中f＝0.1,0.2，…2.0，间隔0.1，单位为赫兹；
(3)根据步骤(2)中实测得到的发电机励磁控制系统无补偿特性计算得0.1～2.0Hz范围内20个离散点处IEEE2A型PSS最优补偿特性，记作G(f)，计算公式为G(f)＝-90°-H(f)；
(4)以IEEE2A型PSS控制参数为未知量，建立该型PSS补偿特性函数P(f)，进而在0.1～2.0Hz范围20个离散点上建立以PSS补偿特性与最优补偿特性方差最小为目标的极值函数，记为F(f),并以PSS运行在相关标准规定范围内为约束条件，计算公式为：
式中，θ1、θ2、…、θ20为使PSS运行在相关标准规定范围内的约束条件；
(5)指定θ1、θ2、…、θ20取值，基于MATLAB编程求解步骤(4)中的模型获得PSS控制参数；
(6)当步骤(5)得正实数解后记录并生成结果，否则调整θ1、θ2、…、θ20取值并返回步骤(4)继续拟合计算。
2.如权利要求1所述的一种IEEE2A型电力系统稳定器PSS控制参数自适应拟合方法，其特征在于，步骤(4)中的约束条件θ1、θ2、…、θ20取值满足MAX(θ1,θ2,…,θ20)≤40。
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