CN110492497A - 一种发电机组功率振荡综合诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种发电机组功率振荡综合诊断方法及系统，包括(1)实时数据采集；(2)发电机组功率振荡的判定；(3)振荡类型的判定；(4)对扰动源进行定位；(5)判定振荡原因，采取应急响应策略。本身清能够及时、准确地针对振荡原因采取应急响应策略，解决现有技术中对发电机组功率振荡的源头细节分析和综合诊断能力不够，以及对于强迫振荡控制能力不足的问题。

Description

一种发电机组功率振荡综合诊断方法及系统

技术领域

本申请属于电力系统技术领域，尤其涉及电力系统的安全稳定运行，具体涉及一种发电机组功率振荡综合诊断方法及系统。

背景技术

随着交直流电网互联的不断发展，电网结构日益庞大，电力系统动态性能变得愈加复杂，使得互联电网出现功率振荡的风险趋增。功率振荡抑制了电网的输电能力，易引发大面积停电事故，严重威胁了电力系统安全稳定运行。这种动态现象通常起因于发电机组控制设备异常或参数设置错误引起的机组功率振荡，很难及时发现扰动源与振荡起因，在缺乏有效正阻尼的情况下，振荡会长时间存在，甚至可能振荡发散。

就功率振荡监测而言，目前，在各电力调度中心主站端已经集成了广域相量测量系统(WAMS)，且在其主要直调厂站安装了与之网络通信互连的同步相量测量装置(PMU)，相对于传统的SCADA系统而言，可以以更高的时间精度在线连续监视和直接测量发电机的功角、内电势和各母线电压、电流的幅值和相角，同时也可同步测量励磁、PSS、一次调频等关键信号，成为电力系统动态过程监测和分析的重要数据源。虽然这一系统能够实时呈现电网中机组、母线和线路的功率振荡，但它对振荡的源头细节分析和综合诊断能力不够。

就功率振荡控制而言，针对远距离、大容量、跨区域的功率交换和大容量机组的高增益快速励磁，在电力系统的各主要环节已经大面积推广电力系统稳定器(PSS)。经过合理的建模和参数整定，可以适当增加系统的正阻尼作用，有效减弱电力系统中负阻尼或弱阻尼引起的功率振荡。但是，这种方式对于发电机组励磁系统、转速系统、流体压力、原动机等周期性波动引起的强迫振荡，并不能起到很好的控制作用，而需要基于对功率振荡性质、扰动源、振荡原因等问题的综合诊断，以便采取其它快速的应急响应策略。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中对发电机组功率振荡的源头细节分析和综合诊断能力不够，以及对于强迫振荡控制能力不足的问题，提供一种发电机组功率振荡综合诊断方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的诊断方法技术方案是：一种发电机组功率振荡综合诊断方法，包括如下步骤：

步骤一：实时采集与发电机组功率振荡相关的参数信息；

步骤二：根据采集的参数信息，确定发电机组有功功率在一个振荡周期内的波动幅值，若所述波动幅值在设定的连续N个振荡周期内均超过设定阈值，则判定发电机组发生功率振荡；

步骤三：根据发电机组在功率振荡过程中的功率波动变化情况，将功率振荡划分为起振阶段、稳定阶段和衰减阶段，根据三个阶段的功率振荡特征，判定功率振荡的振荡类型为负阻尼振荡或强迫振荡；

步骤四：通过综合比较不同发电机组发生功率振荡时，起振阶段的振荡功率，或发电机组出线端的能量流出大小，判定扰动源，其中，根据起振阶段的振荡功率判定扰动源的优先级较高；

步骤五：通过分析作为扰动源的发电机组的各系统信号特征，确定发电机组功率振荡的原因，从而采取应急响应策略。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，步骤三中，根据功率振荡特征，分别判定功率振荡在三个阶段的振荡类型，若功率振荡在两个以上阶段被判定为负阻尼振荡，则该功率振荡判定为负阻尼振荡；否则，判定为强迫振荡。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，所述起振阶段的振荡类型判定方法为：首先确定功率振荡曲线在起振阶段的上包络线，若所述上包络线的形状呈下凹型，则为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，所述稳定阶段的振荡类型判定主要是通过提取主导振荡分量，并分析阻尼比的方法来实现，若主导振荡分量的阻尼比为负值，则为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，所述衰减阶段的振荡类型通过振荡平息时间的长短来进行判断，即：若衰减阶段振荡周期数大于设定的阈值，则此功率振荡为负阻尼振荡，反之为强迫振荡。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，步骤四中，扰动源的具体定位方法为：

(1)若某发电机组的功率在时间上最先达到起振功率，则该发电机组确定为扰动源；若多台发电机组的功率同时到达起振功率，则将振荡幅值最大的发电机组确定为扰动源；

(2)计算发电机组出线端的能量流向，出线端能量流出较大的发电机组确定为扰动源。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，步骤五中，功率振荡的原因分为PSS问题、励磁装置问题、一次调频问题、调速系统问题和模拟量自动控制问题。

本发明还提供了一种发电机组功率振荡综合诊断系统，包括：

数据采集模块，用于实时采集与发电机组功率振荡相关的参数信息；

数据计算分析模块，用于对采集的数据信息进行定量计算和分析，在发电机组发生功率振荡时，确定功率振荡的振荡类型以及扰动源，分析功率振荡发生的原因；

告警显示模块，用于将数据计算分析模块的分析结果进行显示，并向应急控制系统推送告警信息，使应急控制系统采取响应策略。

进一步地，根据本发明所述的发电机组功率振荡综合诊断系统，所述告警信息包括功率振荡越限、阻尼比过小、PSS状态异常、励磁装置状态异常、一次调频状态异常、调速系统异常、模拟量调节控制异常。

本发明的有益效果是：本发明通过对发电机组的功率振荡性质、扰动源、振荡原因等进行综合诊断，及时发现扰动源与振荡起因，可以快速采取相应的应急响应策略，保障电力系统的安全稳定运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的诊断方法流程图；

图2是本申请实施例的诊断系统构架图；

图3为本申请实施例起振阶段的功率波动示意图；

图4a为本申请实施例的prony拟合曲线示意图；

图4b为本申请实施例的prony分析方法得到的主导振荡分量提取分析图；

图5为本申请实施例的功率振荡与励磁电压、励磁电流、汽门开度变化曲线的历史趋势对比图；

图6为本申请实施例的功率振荡与频率变化的历史趋势对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

诊断方法实施例：

本实施例提供一种发电机组功率振荡综合诊断方法，如图1所示，包括：功率振荡识别、振荡类型的判定、扰动源定位和振荡原因诊断四大步骤，具体如下：

步骤一，功率振荡识别：

实时采集与发电机组功率振荡相关的参数信息，包括：PSS、AVR、一次调频、功率和主汽压自动投退状态；励磁电压、励磁电流、机端电压、机端电流、机组转速、机组功率、出线频率、出线功率、一次调频修正前(后)机组负荷指令、机组调节级压力、总阀位指令(或开度指令、燃料指令)、一次调频控制参数、功率调节参数、主汽压调节参数、调速控制参数、故障录波曲线。

根据采集的参数信息，可以确定发电机组的有功功率变化趋势，根据有功功率变化趋势，当一个振荡周期内的有功功率最大值和最小值之差大于设定的阈值P_min，且持续周期数超过设定的限值NT_min时，即可判定发电机组发生了功率振荡。

步骤二，振荡类型的判定：

根据发电机组在功率振荡过程中的功率波动变化情况，将功率振荡划分为起振阶段、稳定阶段和衰减阶段，以起振阶段、稳定阶段和衰减阶段的功率振荡特征作为判据，对每个阶段的功率振荡类型进行判断。

若三个阶段的判断结果中有两个以上为负阻尼振荡，则此功率振荡被综合判断为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。通过对振荡类型的确定，以采取不同的振荡抑制措施和事后分析依据。

本实施例中，起振阶段为发电机组功率波动超过设定的阈值P_min升至最大振幅的90％之间的时间段；衰减阶段为发电机组功率最大振幅的90％降至最大振幅的10％之间的时间段；稳定阶段为起振阶段与衰减阶段之间的时间段。

(1)起振阶段振荡类型的判定

主要是通过起振阶段的功率上包络线的形状来实现：若起振阶段的功率上包络线呈下凹型，则为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

实施例1：首先通过拟合或插值方法得到振荡曲线的上包络线，将起振阶段上包络线等分为n个时间段，若在起振阶段范围内上包络线幅值满足：

则此功率振荡在起振阶段的振荡类型为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

其中，表示第n/2个时间段对应的上包络线幅值；A(0)表示初始时刻对应的上包络线幅值；A(n)表示第n个时间段对应的上包络线幅值。

实施例2：首先通过希尔伯特-黄变换(HHT)得到主导振荡模态的上包络线，再在此基础上得到上包络线的一次微分曲线和二次微分曲线，若起振初始几个或十几个周期振荡上包络线的一次微分曲线和二次微分曲线在时间轴同侧，则为负阻尼振荡，反之则为强迫振荡；

(2)稳定阶段振荡类型判定

稳定阶段振荡类型判定要是通过主导振荡分量提取和阻尼比分析的方法来实现。主导振荡分量的阻尼比为负值时为负阻尼振荡；

作为一种实施例，采用Prony分析方法对稳定阶段振荡类型进行判定：将离散的功率振荡采集点拟合下述复指数函数线性组合式：

λ_i＝σ_i±jω_i

式中：M为振荡模式数；A_i为振幅分量；j为虚部单位值；φ_i为相位分量；λ_i为模式特征值；σ_i为阻尼分量；ω_i为角频率分量；ξ_i为阻尼比分量。在一具体实例中，根据Prony分析方法得到的拟合曲线如图4a所示。

通过比较不同振荡模式的振荡能量占比，可以确定功率振荡的主导振荡分量，若功率振荡的主导振荡分量的能量占比大于80％且阻尼比小于0，则稳定阶段的功率振荡为负阻尼振荡，反之，则为强迫振荡；如图4a和图4b所示，功率振荡的主导振荡分量的阻尼比为负值，所以判断其为负阻尼振荡。根据图4a和图4b可以得到表一。

表一

主导振荡分量	頻率(HZ)	幅值	占比	阻尼比	相位
						頻率	1.1686	0.011	0.9318	-0.0053	-87.44
功率	1.1693	8.183	0.968	-0.0174	168.6

(3)衰减阶段的振荡类型判定

通过振荡平息时间的长短来进行判断：若衰减阶段振荡周期数小于设定的阈值NT_d，则衰减阶段的功率振荡为负阻尼振荡，若衰减周期数大于设定的阈值NT_d，则为强迫振荡。

步骤三，扰动源定位：

通过综合比较不同发电机组的起振特征和能量特征，对功率振荡的扰动源进行定位；其中，通过起振特征进行定位的优先级更高。

(1)根据起振特征对扰动源定位：

若某发电机组的功率在时间上最先达到起振功率，则确定该发电机组为扰动源；若多台发电机组几乎同时开始功率振荡，且起振阶段结束时功率振荡的幅值相差较大(如振幅比小于50％)，则功率振荡幅值最大的发电机组确定为扰动源。

(2)根据发电机组的能量特征定位扰动源：

通过计算发电机组出线端的能量流向，将能量流出较大的发电机组确定为扰动源。

其中，根据发电机组的能量特征定位扰动源的一个实施例为：通过发电机组出线端的功率和频率的初相位差来判断能量流向；如图4a和4b，通过Prony方法分别得到发电机组出线端的功率和频率的主导振荡分量，并得到其主导振荡分量的初相位θ₁和θ₂，若主导振荡分量的能量占比均大于80％，且初相位满足下式

|θ₁-θ₂|≤90°

则该发电机组为势能流出节点，即为扰动源。

步骤四，振荡原因诊断：

通过采集和分析作为扰动源的发电机组的各系统信号特征，将发电机组功率振荡的内部原因诊断分类为PSS、励磁装置、一次调频、调速系统、模拟量自动控制等问题。其中，

(1)PSS问题，主要体现在负阻尼振荡特征，主要原因在于PSS退出、PSS模型及参数设置缺陷等。如果通过步骤二判断功率振荡为负阻尼振荡，则需要查看PSS的投退状态和PSS设置问题。

(2)励磁装置问题，主要体现在机械功率变化特征与有功功率振荡特征不一致，主要原因在于励磁装置的通道切换、励磁模型及参数设置缺陷等。所述机械功率变化特征主要反映在机组调节级压力、汽门开度、主汽压力等参数；

如图5，为发电机组某次功率振荡过程中的功率、励磁电压、励磁电流、汽门开度的变化趋势，通过将发电机组的功率与励磁电压、励磁电流、汽门开度进行比较可以看出，当发电机组的功率发生快速波动时，励磁电压波动较小，励磁电流发生了超过30％的大幅波动，而汽门开度基本没有变化，这说明机械功率并没有随着有功功率波动；另外，功率波动的最大值(535MW)远大于发电机组的额定功率(390MW)，也验证了机械功率与有功功率的变化趋势不一致性；因此，此次功率振荡的原因在于励磁装置。

(3)一次调频问题，主要体现在功率振荡发生时间和一次调频动作时间相一致，主要原因在于一次调频信号源、控制回路和参数设置问题等；

由于一次调频的频率控制死区一般设置为±0.0333Hz(对应转速±2.0rpm)，所以如果功率振荡发生前的NT_f个振荡周期内的频率平均值大于50.034Hz(或小于49.966Hz)，则功率振荡主要原因在于一次调频。

如图6，在功率振荡前的频率平均值为49.965Hz，小于49.966Hz，所以此功率振荡的原因在于一次调频。导致功率振荡的一次调频问题包括转速或频率的信号精度太差、转速不等率过小、控制死区较小、PID控制参数过强等。

(4)调速系统问题，主要体现在功率振荡与总阀位指令(或开度指令、燃料指令)和调节级压力相一致，且振荡频率在0.1-2.5Hz。如果功率振荡起始时间与一次调频动作时间并不一致，原因主要包括：控制系统所设定的流量曲线与阀门实际流量曲线不一致、调速控制回路的控制参数过强、调速执行机构卡涩问题等。

(5)模拟量自动控制问题，多数体现在频率较低(低于0.1Hz)且幅度较小的功率振荡，主要原因包括功率调节、主汽压调节等控制回路所采用的模拟量信号及控制参数问题。

如果功率振荡频率低于0.1Hz，则需对比包括主汽压、有功功率的历史曲线；若两者历史曲线同步，则原因在于主汽压控制回路，若不同步，则原因在于功率调节回路。

在确定了功率振荡的原因之后，即向应急控制系统发出告警信息，使应急控制系统采取响应策略。其中，告警信息包括功率振荡越限、阻尼比过小、PSS状态异常、励磁装置状态异常、一次调频状态异常、调速系统异常、模拟量调节控制异常。

诊断系统实施例：

本实施例的发电机组功率振荡综合诊断系统既可应用于调度主站端，也可应用于厂站控制端，包括：

(1)数据采集模块，用于从调度主站端的WAMS、SCADA系统或厂站控制端的PMU装置、DCS、故障录波装置等数据源综合采集功率振荡相关信息，并将所采集信息上传给数据计算分析模块；

所采集的功率振荡相关信息包括：PSS、AVR、一次调频、功率和主汽压自动投退状态；励磁电压、励磁电流、机端电压、机端电流、机组转速、机组功率、出线频率、出线功率、一次调频修正前(后)机组负荷指令、机组调节级压力、总阀位指令(或开度指令、燃料指令)、一次调频控制参数、功率调节参数、主汽压调节参数、调速控制参数、故障录波曲线。

(2)数据计算分析模块，用于将从数据采集模块传来的数据进行必要的存储和前期处理，并进行定量计算和分析，即：判定发电机组是否发生功率振荡，并在发电机组发生功率振荡时，确定功率振荡的振荡类型以及扰动源，分析功率振荡发生的原因，并将结果转换为图表后传送给告警显示模块。本实施例具体的计算分析方法与上述诊断方法实施例相同，在此不再赘述。

其中，对采集的数据进行的前期处理包括对所采集数据的质量判断和选择、数据中断处理、数据跳变处理、滤波处理等。作为一种实施例，当数据中断或跳变时保持数值不变，通过所传报文中的质量位来判断和选择计算所用的数据信号源，通过卡尔曼滤波或滑动均值滤波滤除信号中的噪声干扰。

(3)告警显示模块，一方面在客户端显示数据计算分析模块传来的图表信息，一方面在紧急情况下向其他应急控制系统推送告警信息，使应急控制系统采取响应策略。

告警显示模块显示的图表信息包括：功率振荡趋势图、机组转速趋势图、出线频率趋势图、拟合变换分析图表、机组功率振荡性质表、扰动源设别定位图、PSS状态表、励磁装置状态表、一次调频状态表、调速系统状态表、功率及主汽压控制参数表、故障录波图。

告警显示模块发出的告警信息包括：功率振荡越限、阻尼比过小、PSS状态异常、励磁装置状态异常、一次调频状态异常、调速系统异常、模拟量调节控制异常。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (9)

1.一种发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，所述综合诊断方法包括如下步骤：

步骤一：实时采集与发电机组功率振荡相关的参数信息；

步骤二：根据采集的参数信息，确定发电机组有功功率在一个振荡周期内的波动幅值，若所述波动幅值在设定的连续N个振荡周期内均超过设定阈值，则判定发电机组发生功率振荡；

步骤三：根据发电机组在功率振荡过程中的功率波动变化情况，将功率振荡划分为起振阶段、稳定阶段和衰减阶段，根据三个阶段的功率振荡特征，判定功率振荡的振荡类型为负阻尼振荡或强迫振荡；

步骤四：通过综合比较不同发电机组发生功率振荡时，起振阶段的振荡功率，或发电机组出线端的能量流出大小，判定扰动源，其中，根据起振阶段的振荡功率判定扰动源的优先级较高；

步骤五：通过分析作为扰动源的发电机组的各系统信号特征，确定发电机组功率振荡的原因，从而采取应急响应策略。

2.根据权利要求1所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，步骤三中，根据功率振荡特征，分别判定功率振荡在三个阶段的振荡类型，若功率振荡在两个以上阶段被判定为负阻尼振荡，则该功率振荡判定为负阻尼振荡；否则，判定为强迫振荡。

3.根据权利要求2所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，所述起振阶段的振荡类型判定方法为：首先确定功率振荡曲线在起振阶段的上包络线，若所述上包络线的形状呈下凹型，则为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

4.根据权利要求2所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，

所述稳定阶段的振荡类型判定主要是通过提取主导振荡分量，并分析阻尼比的方法来实现，若主导振荡分量的阻尼比为负值，则为负阻尼振荡；反之，则为强迫振荡。

5.根据权利要求2所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，

所述衰减阶段的振荡类型通过振荡平息时间的长短来进行判断，即：若衰减阶段振荡周期数大于设定的阈值，则此功率振荡为负阻尼振荡，反之为强迫振荡。

6.根据权利要求1所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，步骤四中，扰动源的具体定位方法为：

(1)若某发电机组的功率在时间上最先达到起振功率，则该发电机组确定为扰动源；若多台发电机组的功率同时到达起振功率，则将振荡幅值最大的发电机组确定为扰动源；

(2)计算发电机组出线端的能量流向，出线端能量流出较大的发电机组确定为扰动源。

7.根据权利要求1所述的发电机组功率振荡综合诊断方法，其特征在于，步骤五中，功率振荡的原因分为PSS问题、励磁装置问题、一次调频问题、调速系统问题和模拟量自动控制问题。

8.一种发电机组功率振荡综合诊断系统，其特征在于：所述系统包括：

数据采集模块，用于实时采集与发电机组功率振荡相关的参数信息；

数据计算分析模块，用于对采集的数据信息进行定量计算和分析，在发电机组发生功率振荡时，确定功率振荡的振荡类型以及扰动源，分析功率振荡发生的原因；

告警显示模块，用于将数据计算分析模块的分析结果进行显示，并向应急控制系统推送告警信息，使应急控制系统采取响应策略。

9.根据权利要求8所述的发电机组功率振荡综合诊断系统，其特征在于，

所述告警信息包括功率振荡越限、阻尼比过小、PSS状态异常、励磁装置状态异常、一次调频状态异常、调速系统异常、模拟量调节控制异常。