CN1093171A - 监测电力系统次同步振荡的方法及监测仪 - Google Patents

Abstract

一种监测电力系统次同步振荡的方法及监测仪， 属测量方法及仪器。本监测方法是测得电网系统的 三相电压和电流信号，求出瞬时电磁功率，再用频谱 分析方法从瞬时功率中获取次同步振荡分量，将所得 的次同步振荡分量与设定的判据进行比较，以确定是 否产生会使发电机损坏的次同步振荡，来实现对电力 系统的次同步振荡的监视。本发明的监测仪由信号 获取单元，信号处理和控制单元，显示、打印、报警单 元三部分组成。

Description

本发明涉及电信号的检测及测量仪器，属测量方法及仪器。

电力系统中的串联补偿电容器以及直流输电系统在一定条件下可能引起一种形态很复杂的电力系统稳定问题，即电力系统次同步振荡（SSO）。这种振荡可能导致大型汽轮发电机组轴系的过应力而使大轴损坏，给电力系统的安全运行带来严重的威胁，以致造成极大的经济损失和社会影响。比如，1970年和1971年在美国Mohave电厂由于串补电容引起了发电机大轴的两次扭振破坏;在1977年，美国的Square    Butte直流输电工程引起了发电机大轴扭振现象。在我国，随着电网的发展，长距离、重负荷输电线路使用串补电容势在必行，而且第一条直流输电线路-葛上线已投入运行，据初步研究可能在一定条件下会发生由高压直流输电系统引起的发电机轴系扭振现象。因此在电网系统中要有次同步振荡的监测装置。国外已有用电量测量为输入信号的次同步振荡监测仪，但有以下缺点：不作分频段告警，因而难以区分发电机多质块轴系中那一质块发生了次同步振荡或扭振，不利于用户分析判断扭振发生的原因，因此性能较差，相应的软件分析性能及硬件的快速并行工作性能也较低。

本发明的目的是提供一种能够指出次同步振荡的频率、监测速度快的电力系统次同步振荡监测方法及监测仪。

本发明的内容是：因为电磁功率包含了发电机轴力矩状态的信息，所以通过测得电网系统的三相电压和电流信号，求出瞬时电磁功率Pe，再用频谱分析方法从Pe中快速获取次同步振荡分量，并将所得的次同步振荡分量与设定的判据进行比较，以确定是否产生可使发电机损坏的次同步振荡，以实现电力系统次同步振荡（SSO）的在线监视。

其具体做法是：

采用16位8098单片机构成一个“一主四从”多CPU系统，利用共享存储器、快速窄带数字滤波及交流采样等技术，由一个主CPU管理四个从CPU共同工作，并行地对电磁功率信号Pe进行在线分析。主CPU除管理四个从CPU之外，还实现对多路数据采集和模数转换（AD）的控制，同时完成对键盘、显示、打印及报警等的控制;四个从CPU的主要功能是窄带数字滤波及软件判断，它们将次同步频段分成四段，分别实现Pe在四个频段的滤波分析及判断。其中，第一频段的范围为10～20HZ，第二段为20～30HZ，第三段为30～40HZ，第四段为40～45HZ。四个从CPU具有相同的结构，所不同的只是各滤波器的参数。

其工作原理如下：首先，将从一次电压、电流互感器出来的0～100V三相交流电压信号（u₁，u₂，u₃）及0～5A三相交流电流信号（i₁，i₂，i₃）分别通过二次电压互感器（PT）和电流互感器（CT），变成0～5V的模拟电压信号，对其进行交流采样。然后，在主CPU的控制下，每隔一毫秒对这些模拟信号进行一次数据采集及模数转换（AD），使之变为相应的数字信号，并由此计算出此时电磁功率的瞬时值Pe（ $\mathrm{pe}=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{i}_k).$

然后将计算所得的Pe瞬时值送入四个从CPU中，四个从CPU分频段分别对主CPU送入的瞬时功率数据进行整系数数字滤波（软件滤波），并对各自的滤波结果进行软件判断，确定是否发生次同步振荡。如果某一从CPU判断出产生次同步振荡后，便向主CPU发出报警信号;当主CPU接收到任何一个从CPU发出的报警信号时，便立即给出声、光报警并自动启动微型绘图打印机打印输出事故记录及有关数据，包括：事故前一秒内Pe的波形及事故前1/4秒内四个从CPU的滤波结果波形等，同时指出是哪一个从CPU检测到的次同步振荡，从而得出相应的次同步振荡频率。

说明附图如下：

图1为本发明电力系统次同步振荡监测仪电气原理图。

图2为本发明电力系统次同步振荡监测仪信号输入部分接线图。

图3为本发明电力系统次同步振荡监测仪报警系统电气原理图。

图4为判断是否产生次同步振荡的软件程序框图。

图5为本发明次同步振荡监测方法的监测过程软件框图。

其中    a为主CPU软件框图    b为从CPU软件框图

图6为本发明次同步振荡监测仪的硬件系统示意图。

结合附图说明实施例如下：

本发明监测电力系统次同步振荡的过程如下：

主CPU每隔一毫秒对从二次电压互感器及电流互感器中出来的三个电压值（u₁，u₂，u₃）和三个电流值（i₁，i₂，i₃）进行交流采样，并进行模数转换及相应的计算，得出瞬时功率值Pe（ $\mathrm{pe}=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{i}_k$ ），然后将计算所得的Pe值同时送入四个从CPU中，四个从CPU分别同时对主CPU送入的瞬时功率数据进行整系数数字滤波（软件滤波）。数字滤波器采用的是无限冲激响应型，其转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{r=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_r{Z}^{-r}}{1+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{Z}^{-K}}$

其中：a_k，b_r为常系数;M，N为常量。

根据计算速度与精度的要求，取定滤波器的阶数为6阶;再用双线性变换法可设计出相应滤波器的形式为：

$H\left(z\right)=c\underset{r=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}\frac{1-Z^{-2}}{1+a_{\mathrm{ir}}{Z}^{-1}+a_{\mathrm{zr}}{Z}^{-2}}$

然后，采用级联型实现方法，可导出数字滤波器的结构如下：

其中：X（n）为数字滤波器的输入，表示由主CPU传送给从CPU的数据;

y（n）为数字滤波器的输出，用以进行软件判断;

n为采样点数，y₁（n），y₂（n），y₃（n）和W（n）为中间变量;

a₁₁，a₂₁，a₁₂，a₂₂，a₁₃及a₂₃为滤波器的系数;

C为滤波器的放大倍数。

通过适当地选择数字滤波器的系数，可使从1CPU的通带频率范围为10～20HZ，从2CPU的为20～30HZ，从3CPU的为30～40HZ，从4CPU的为40～45HZ，且其通带波纹不超过1分贝，带外衰减大于20分贝，从而确保滤波的正确性。

四个从CPU经过对瞬时功率数字滤波后，即可得出不同频段的功率值，然后分别与给定的判据进行比较以确定是否产生次同步振荡。其中软件判断的判据设置原则如下：

电力系统次同步振荡主要包括暂态力矩放大作用以及机电扭振互作用引起的轴系扭振，前者对应于暂态（大扰动）情况，其振荡幅值较大;后者对应于准稳态（小扰动）情况，其振荡幅值较小，但持续时间较长。另一方面，当电力系统发生大扰动时，如短路、断路、甩负荷等，在次同步频段也可能发生大幅值的功率振荡，但其衰减很快（一般在0.2秒之内即可衰减完毕）。

因此，为了判断次同步振荡并区分暂态力矩放大作用以及机电扭振互作用引起的轴系扭振，本发明在判断软件中采用了大阈值和小阈值两种准则。同时，为了不致将大扰动引起的正常功率振荡（不一定引起次同步振荡）误判成次同步振荡，本发明还在判断软件中设定了与阈值相应的延时，使其大于大扰动后正常功率振荡的衰减时间。总起来说，本发明在判断软件中采用了两种判断原则，即大阈值（S_D）/小延时（D_S）和小阈值（S_S）/大延时（D_D）的原则，两者分别对应于暂态情况下的扭振判断及准稳态情况下的扭振判断问题。判据的具体设置如下：

其中：P_H为额定有功功率。

对于以上各种判据的设置，其判断准则是：在给定的延时D_S（或D_D）之内，如果滤波结果（离散周期波形）每个半波的峰值之绝对值均大于阈值S_D（或S_S），则称在D_S（或D_D）之内滤波结果持续大于S_D（或S_S），从而判断成立，并向主CPU发出S_D/D_S（或S_S/D_D）判据的报警信号;否则，如果在D_S（或D_D）之内滤波结果至少有一个半波的峰值之绝对值小于S_D（或S_S），则称在D_S（或D_D）之内滤波结果不是持续大于S_D（或S_S），从而判断无效，不向主CPU发报警信号。

其中，判断滤波结果某个半波的峰值之绝对值是否大于给定阈值的方法是：设从过零点后开始，每得到一次滤波值，均将其绝对值与给定的阈值相比较，直到滤波值改变符号（过零点）。如果其间至少有一个滤波值之绝对值大于给定的阈值，则称这半波的峰值之绝对值大于该阈值;否则如果其间没有一个滤波值的绝对值大于给定的阈值，则称该半波的峰值之绝对值小于该阈值。

整个判断工作均由软件来完成，其工作过程如下：

当从CPU检测出本次滤波值之绝对值大于小阈值（S_S）时，则同时启动大延时（D_D）和小延时（D_S）计时器进行计时。以此为起点，首先进行S_D/D_S判断，如果在D_S计时器到时之前，滤波结果每个半波的峰值之绝对值均大于S_D，则S_D/D_S判断成立，由该从CPU向主CPU发出S_D/D_S判据的报警信号;否则，如果在D_S计时器到时之前的某一时刻判断出滤波结果有一个半波的峰值之绝对值小于S_D，则判断无效，放弃S_D/D_S判断。但在这一时刻之前滤波结果是持续大于S_S的，从而应继续进行S_S/D_D判断，如果在D_D计时器到时之前，滤波结果持续大于S_S，则S_S/D_D判断成立，由该CPU向主CPU发出S_S/D_D判据的报警信号;否则，如果在此期间判断出滤波结果有一个半波的峰值之绝对值小于S_S，则判断无效，放弃S_S/D_D判断。软件判断的原理框图如图4所示。

当主CPU收到报警信号，首先判断是那一个从CPU发出报警信号，然后向外设板发出相应的信号，由外设板驱动面板上相应的报警指示灯，同时驱动继电器J的常开触点吸合，发出声音报警。报警系统的原理图见图3，图中Po为继电器J的驱动位，不论那个从CPU发出报警信号，Po均为“1”，从而使继电器常开触点吸合，发出声音信号。

P₁，P₂，P₃和P₄分别为四个频段（四个从CPU）的报警指示灯驱动位，只要某一从CPU发出报警信号，则相应的驱动位为“1”，从而使相应频段的报警指示灯点亮。

整个监测过程的软件程序框图见图5所示。

按本发明的监测方法来实现电力系统次同步振荡的监测仪由信号获取单元，信号处理及控制单元，显示、打印报警单元三部分组成（见图6）。信号获取单元由电流互感器，电压互感器，模/数转换器组成。信号处理及控制单元由一个主CPU及四个从CPU组成。显示、打印及报警单元分别由键盘、显示、打印、声、光报警元件组成。信号获取单元采用电压、电流互感器作为传感元件，在主CPU控制下，对从电网一次互感器输出的电压及电流信号进行交流采样并经过模/数转换后送入信号处理及控制单元;信号处理及控制单元是一个主从多CPU系统，采用共享存贮器及整系数数字滤波等技术对来自信号获取单元的信号进行并行处理，即：主CPU将从信号获取单元来的数据同时送入各从CPU进行并行处理，而各从CPU又将处理结果送给主CPU，由主CPU决定是否向显示、打印、报警单元发出启动显示、打印信号以及报警信号。

采用本发明的电力系统次同步振荡监测方法及监测仪，可以及时发现电力系统中次同步振荡的发生，并可指出该次同步振荡发生在发电机轴的那一个质块，从而可以有效地分析次同步振荡产生的原因，以便采取相应的控制措施。

Claims (2)

1、一种监测电力系统次同步振荡的方法，其特征是通过测得电网系统的三相电压和电流信号，求出瞬时电磁功率，再用频谱分析方法从瞬时电磁功率中获取次同步振荡分量，将所得的次同步振荡分量与设定的判据进行比较，以确定是否产生可使发电机损坏的次同步振荡，来实现对电力系统的次同步振荡的监视。

2、一种监测电力系统中次同步振荡的监测仪，其特征在于该监测仪由信号获取单元，信号处理及控制单元，显示、打印和报警单元三部分组成;信号获取单元由电流互感器、电压互感器、模/数转换器组成，信号处理及控制单元由一个主CPU及四个从CPU组成，显示、打印及报警单元由键盘、显示、打印、声、光报警元件组成;信号获取单元采用电压、电流互感器作为传感元件，在主CPU控制下，对从电网一次互感器输出的电压、电流互感器作为传感元件，在主CPU控制下，对从电网一次互感器输出的电压、电流信号进行交流采样，并经过模/数转换后送入信号处理及控制单元;信号处理及控制单元是一个主从多CPU系统，采用共享存贮器及整系数数学滤波等技术对来自信号获取单元的信号进行并行处理，即主CPU将从信号获取单元来的数据同时送入各从CPU进行并行处理，而各从CPU又将处理结果送给主CPU，由主CPU决定是否向显示、打印和报警单元发出启动显示、打印信号，以及报警信号。

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