CN115668071A - 用于在数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(pss)的系统和方法 - Google Patents

用于在数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(pss)的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在具有自动电压调节器(AVR)的电力系统数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(PSS)的系统和方法，包括根据以下步骤向AVR提供控制输入：根据接收到的生成的端电压生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合，根据接收到的生成端电压的集合生成未补偿的频率响应并根据生成的未补偿频率响应使用粒子群优化(PSO)，根据电力系统的确定的开环频率响应生成调谐PSS增益值，确定PSS增益裕度，确定调谐PSS增益；以及将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值传输到PSS的控制接口。

Description

用于在数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器 (PSS)的系统和方法
相关申请
本申请要求于2020年5月28日提交的美国临时申请号63/031,308的优先权，其通过引用并入本文。
关于联邦资助研究的声明
不适用
技术领域
本公开涉及交流电力发电系统，并且更具体地，涉及用于调试发电机的励磁控制系统的系统和方法。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并不构成现有技术。
电力系统或发电系统用于为分布式电力发电系统供电，分布式发电系统通常包括常用电力、备用发电和网络支持。发电系统通常由原动机、同步机或发电机、原动机的转速控制器和自动电压调节器(AVR)组成。原动机的转速控制器通常包括调速器和燃料泵。AVR还包括作为控制输入的电力系统稳定器(PSS)，它可以是独立系统或者可以作为AVR的模块或功能实现。
发电系统通常由原动机、同步机和两个控制器(转速调速器和自动电压调节器)组成。同步机通常采用圆形转子或凸极转子。图1图示了现有技术系统20发电系统布置。系统20的基本组件包括在图2中也用相同数字指示的组件。这些组件包括发电机28、励磁机26、自动电压调节器(AVR)22、电力系统稳定器PSS 23(虽然单独示出，但其可以作为独立系统实现或者可以作为AVR的模块或功能实现)、放大器24、调速器30和其相关的燃料泵32。如已知的，当发电系统20连接到电网或电力系统88时使用PSS 23以在调试期间提供包括实际机电功率Pe’的功率Qe。调速器30已被用于维持恒定的发电机转速ω52。调速器30响应发电机转速ω52的改变以充当反馈控制器来控制燃料泵32的燃料比，从而最小化由发电系统的实际功率负载的突然改变引起的偏差。
如图1所示，Vref 34是发电机电压参考，Vt 36是发电机端电压以及Efd 37是励磁机26场电压。进一步，在框1/2H 42中，1/2H代表原动机(未明确示出)和发电机旋转部件的总转动惯量，Tm 44代表关于原动机和发电机旋转部件的机械扭矩，Tf 46代表原动机和发电机旋转部件的摩擦扭矩，Tmax 48代表关于原动机和发电机的最大扭矩，以及ωref 50是发电机转速参考而ω52代表发电机转速。1/s框54中的“s”是拉普拉斯算子(有时在整个图中也示为“S”)。
当发电系统20连接到诸如电网的电力系统88时，实际机电功率Pe 40被感测并作为反馈提供到框60和PSS 23的输入部25中。发电机28的转速ω也作为输入馈送到PSS 23的输入接口25中。从PSS 23输入到其求和点的AVR 22，通过经由将发电机端电压Vt 36、发电机电压参考Vref 34以及PSS输出电压VS 37进行求和56的反馈控制来控制到励磁机26的场电流Ifd，来维持恒定的发电机端电压Et。发电机端电压Vt 36通过将发电机输出电压Vt 36乘以发电机转速ω52来确定。生成的实际机电功率Pe 40通过如框60所示的1/ω52被馈送到转速控制回路。发电机转速ω52的标称值为每单位1.0。1/ω框60阐明了转速控制回路的从电功率到扭矩的单位转换。转速控制回路通过从发电机转速参考ωref 50中减去62发电机转速ω52来提供发电机转速ω52的反馈控制。
作为示例，但不限于此，发电系统可以在短时间段内将操作从空载改变为满载或改变负载量。负载中的这些改变会导致发电机转速ω52的改变或原动机的停转，以及其他不良效应。
在一些电力发电系统中，诸如在小型电力系统中，发电系统的功率负载的突然增加会导致原动机上的负载扭矩增加。由于负载扭矩超过原动机的扭矩并且调速器不能瞬时响应，发电机转速ω52下降。在这种较小型的电力发电系统中，检测到这种减速之后，调速器增加供应给原动机的燃料。由于生成的电压与发电机转速ω52成比例，发电机输出电压Et会由于电枢反应和内部电压下降而降低。AVR 22通过增加机器的场电流Ifd进行补偿。图1示出了通过电压和转速控制之间的相互作用在施加电阻负载时具有交叉耦合的简化发电系统模型。
当今的电力发电系统配备有快速作用的AVR以控制发电机的励磁。快速励磁控制器的好处可以提高连接到系统的发电机的瞬态稳定性。然而，这些AVR的高性能会对电力系统有不稳定的效应。小幅度和低频的功率振荡通常会持续长时间段。在一些情况下，这对系统内能够传输的功率量提出了限制。已经开发了各种电力系统稳定器以通过调制供应给同步机的励磁来帮助抑制这些功率振荡。
存在许多类型的PSS系统。加速功率积分PSS最常用于基于数字的励磁系统，该励磁系统在IEEE标准421.5中被描述为IEEE型PSS2A。对于这种类型的PSS，在调试期间需要对一些与PSS参数有关的制造商数据(特别是机器电抗和发电系统惯量)进行验证。相位补偿的超前滞后时间常数和系统增益也需要调谐以实现有效的PSS操作。
目前，加速功率积分型PSS系统必须手动调谐。手动调谐数字电压调节器需要专业知识和多年经验来确定针对特定发电机要调谐的最佳PSS参数。此外，这种手动调谐过程消耗相当长的时间。A.Murdoch,S.Venkatraman,R.A.Lawson,W.R.Pearson在“IEEETransactions on Energy Conversion”，1999年12月，第14卷,第4期的“Integral ofAccelerating Power Type PSS Part 1–Theory,Design,and Tuning Methodology”中简要描述了该过程。由于这种手动调谐的机器停机的成本及其所需的时间对于发电机系统操作员来说是非常昂贵的。测试和在这种手动测试期间使用的燃料的合并成本导致对发电机系统操作员的成本非常高。因此，需要能够以快速且成本更低的方式调谐加速功率积分型PSS系统的改进的系统和方法。
发明内容
公开了一种用于改进加速功率型PSS系统的调谐的系统和方法。如本文所描述，本公开的系统和方法提供了自动调谐，该自动调谐提供了PSS参数的设置，而不需要包括许多试错以及发电机的启动和停止的手动过程，以及与这种目前试错过程相关联的燃料和成本。本公开的系统和方法已在数字励磁控制系统中实现，并且所提供的改进性能已用硬件在环仿真进行了验证。
根据一方面，实现了一种用于在控制电力系统的数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(PSS)的系统，所述电力系统具有向具有励磁机的发电机提供旋转能量的原动机系统、用于测量电力系统的操作特性的多个传感器、具有输入求和点以及生成励磁机和发电机的控制参数的自动电压调节器(AVR)，所述PSS具有存储器、处理器、计算机可执行指令、用于接收PSS参数的通信控制接口以及用于生成到AVR输入求和点的控制输出的输出部。所述系统包括具有处理器、存储器、存储的计算机可执行指令、控制输入部和控制输出部的控制模块。所述计算机可执行指令包括配置所述控制模块以执行生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合的过程的指令，所述生成包括在电力系统的操作期间接收生成的端电压的集合、根据所接收到的生成的端电压的集合生成电力系统的未补偿的频率响应以及确定调谐相位补偿时间常数的集合，所述确定包括根据生成的未补偿的频率响应执行粒子群优化(PSO)。所述系统还被配置为生成调谐PSS增益值，包括确定电力系统的开环频率响应以确定PSS增益裕度，以及根据所确定的PSS增益裕度确定调谐PSS增益。所述系统还被配置为将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值从控制输出部传输到PSS的通信控制接口。
根据另一方面，一种方法和用于执行这种方法的计算机可执行指令，用于在控制电力系统的数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(PSS)，所述电力系统具有向具有励磁机的发电机提供旋转能量的原动机系统、用于测量电力系统的操作特性的多个传感器、具有输入求和点以及生成励磁机和发电机的控制参数的自动电压调节器(AVR)，所述PSS具有存储器、处理器、计算机可执行指令、用于接收PSS参数的通信控制接口以及用于生成到AVR输入求和点的控制输出的输出部。在具有处理器、存储器、存储的计算机可执行指令、控制输入部和控制输出部的控制模块中，所述方法包括生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述生成包括在电力系统的操作期间接收生成的端电压的集合、根据所接收到的生成的端电压的集合生成电力系统的未补偿的频率响应以及确定调谐相位补偿时间常数的集合，所述确定包括根据生成的未补偿的频率响应执行粒子群优化(PSO)。所述方法还包括生成调谐PSS增益值，所述生成包括确定电力系统的开环频率响应以确定PSS增益裕度以及根据所确定的PSS增益裕度确定调谐PSS增益。所述方法还包括将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值从控制输出部传输到PSS的通信控制接口。
本公开的其他方面将部分地显而易见以及部分地在下文中指出。应当理解，本公开的各个方面可以单独实施或相互结合实施。还应理解，详细描述和附图虽然指示了某些示例性实施例，但仅旨在用于说明的目的并且不应被解释为限制本公开的范围。
附图说明
图1是根据现有技术的当电力发电系统连接到电力系统时具有交叉耦合的简化发电系统模型的框图。
图2是根据一个示例性实施例的利用具有改进的自动调谐PSS参数输入控制器的加速功率积分PSS的励磁控制系统的PSS输入部的系统的框图。
图3是根据一个示例性实施例的发电机的相量图。
图4包括图4(a)和图4(b)，是以拉普拉斯算子形式的功能框图，图示了根据一个示例性实施例的与加速功率积分PSS一起使用的自动调谐PSS参数输入控制器的导出补偿频率以及PSS增益和相位补偿的生成。
图5是用于测试与加速功率积分PSS一起使用的当前公开的自动PSS参数输入控制器的一个示例性实施例的实时数字仿真器(RTDS)的电路图。
图6是根据一个示例性实施例的用于与加速功率积分PSS一起使用的自动调谐PSS参数输入控制器的五步过程的流程图。
图7是根据一个示例性实施例的用于在与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数生成控制系统中验证和确认制造商参数值并自动生成估计的PSS参数的步骤1-3过程的过程的流程图。
图8是根据使用图3的测试系统的一个测试，图示相比于制造商的饱和值，在测试期间步骤1生成的饱和系数和其测量值的比较的图表。
图9是根据一个示例性实施例的根据用于与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数输入控制器的本公开的方法的步骤3生成估计的发电系统惯量H的功能框图。
图10是根据一个示例性实施例的使用用于自动PSS参数生成控制系统的粒子群优化(PSO)方法生成估计生成惯量H的图，所述自动PSS参数生成控制系统用于与加速功率积分PSS一起使用。
图11是根据一个示例性实施例的在自动PSS参数生成控制系统中自动生成估计的PSS参数的步骤3和4的粒子群优化(PSO)过程的图，所述自动PSS参数生成控制系统用于与加速功率积分PSS一起使用。
图12包括图12(a)和12(b)，是根据一个示例性实施例的从用于自动PSS参数输入控制器的步骤3过程的估计的发电系统惯量和频谱的测试中生成的图表，所述自动PSS参数输入控制器用于与加速功率积分PSS一起使用。
图13是根据一个示例性实施例的在用于与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数生成控制系统中生成估计的相位补偿时间常数的粒子群优化(PSO)过程的流程图。
图14包括图14(a)、14(b)和14(c)，是根据一个示例性实施例的用于与加速功率积分PSS一起使用的，从针对步骤4的相位补偿的自动PSS参数输入控制器的测试中生成的图表，其中图14(a)图示了电压变化，图14(b)图示了有功功率变化，以及图14(c)图示了相位滞后和补偿相位。
图15是根据一个示例性实施例的当发电系统使用加速功率积分PSS时具有改进的调试控制系统的改进的发电系统的框图。
图16是根据一个示例性实施例图示了根据与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数输入控制器的测试计算从0.1Hz到10.0Hz的开环频率响应的增益和相位的图表。
图17包括图17(a)和17(b)，是根据一个示例性实施例将图17(a)中现有技术系统的测试与图17(b)中与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数输入控制器的有效性进行比较的实际功率响应图。
图18是根据一个示例性实施例的适合于本公开的系统和方法的实现的系统的图。
应当理解，在所有附图中，对应的参考数字指示相似或对应的部件和特征。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开或本公开的应用或用途。本公开提供了可以被认为是加速功率积分PSS的“自动调谐”的方法和系统。电压参考阶跃的小随机变化对于对发电系统的最小干扰是可取。如将要描述的，在验证制造商数据后，用于产生初始PSS参数的系统和过程(包括相位补偿超前滞后时间常数和PSS增益的调谐)，已被证明花费不到五分钟的时间并生成10dB的增益裕度。使用当前描述的生成初始加速功率积分PSS参数的方法和系统，可以非常快速地完成发电机的调试并具有优异的性能结果。
1.发电、控制系统和测试系统
1.1发电系统
如图2所示，发电机控制系统和方法的一个示例性实施例可以利用根据一个实施例的与加速功率积分PSS一起使用的自动PSS参数输入控制器进行调试和操作。
本系统和方法适用于连接到AC电网的AC电力发电机。这种AC电力发电机和相关联的电力系统组件的典型模型如图2所示。如所示出的，发电机28接收来自原动机82的旋转力输入，该原动机可以是例如蒸汽涡轮驱动的、燃气涡轮驱动的、水力驱动的或柴油驱动的。发电机28接收来自励磁机26的场电压Efd，该励磁机以可变的电平为发电机28中的场线圈供电。由励磁机26提供给发电机28的场电压Efd的量由AVR 22确定。AVR 22基于电力系统的操作需求确定适当量的场电压Efd以输送到发电机28。电力系统稳定器PSS 23与AVR 22互通以稳定由发电机28生成的电力。AVR 22和/或PSS 23监测电网和在发电机28的输出处的端电压Vt和端电流It，以确保发电机28按期望操作。此外，发电机28的转速ω也被监测并作为输入提供给PSS 23。电网84通过代表变压器86、传输线88以及代表功率因数负载90和电机负载92进行建模。
在调试时，PSS 23被要求在其PSS输入接口25处接收初始参数的集合。这些初始参数通常包括用于调整两个超前和滞后时间常数以最大化阻尼的相位补偿和PSS增益，如由A.Murdoch,S.Venkatraman,R.A.Lawson,W.R.Pearson在“IEEE Transactions on EnergyConversion”，1999年12月，第14卷,第4期的“Integral of Accelerating Power Type PSSPart 1–Theory,Design,and Tuning Methodology”中所描述。
如背景中所述，这些参数通常由工程操作员确定并且基于工程操作员的经验在试错的基础上输入到PSS 23中。当前的过程需要启动原动机82，然后多次地将发电机与电网88连接和断开连接。
本系统包括通信地耦合到PSS输入接口25的调试控制系统100，该调试控制系统用于基于当前公开的调谐过程向PSS 23提供其PSS参数的初始集合，其可以使用制造商规范的预定集合或组合。这特别适用于加速功率积分PSS系统。调试控制系统100可以包括如关于图18所描述的各种特征和元件，其可以包括如图18所示的用户输入接口1010。
1.2加速功率积分型电力系统稳定器(PSS)系统
首先描述了加速功率积分型PSS的简要概述以提供本公开的系统和方法的背景。
加速功率积分型PSS是为低频、局部模式振荡和电力系统振荡提供补充阻尼的双输入稳定器。它采用两种信号：轴转速和电功率。这种方法在避免了机械功率信号的测量的同时，从转速信号中消除了非期望的分量(诸如噪声、横向轴跳动或扭转振荡)。
从发电机电压互感器(potential transformer)测量的直接端电压频率已被用作许多稳定器中的输入信号，但它不能直接用于加速功率积分型PSS中。只能使用转子频率测量，其直接与轴位置改变耦合。发电机转子频率或转速ω称为补偿频率ωcomp。
发电机转子轴与发电机端电压Et以及与发电机端电流It成比例的内部电压Ei有关，如图3的相量图所示。
对于稳态，发电机端电压Et由方程(1)表示，其中Xq表示与交轴阻抗成比例的阻抗，以及j表示发电机端电压Et的相位偏移或相位错位的分量，即“j”代表发电机端电压Et的虚部分量，如图3中所示：
Figure BDA0003948928850000091
当转子在运动时，补偿电抗应该代表应用于感兴趣的频率范围的正交电抗。
转子的运动方程作为转矩的函数描述在方程(2)中：
Figure BDA0003948928850000101
其中
ω＝转子转速
H＝发电系统惯量
Tm＝机械转矩
Te＝机电转矩
使用拉普拉斯算子“s”，转子的运动可以改写为方程(3)：
2Hsω＝Tm-Te (3)
由于在每单位系统的额定转速下转矩在值上与功率相等，在方程(3)中的机械转矩Tm和机电转矩Te可以分别用机械功率Pm和机电功率Pe代替。机械功率Pm通过重新排列方程(3)得出，如方程(4)所示：
Pm＝2Hsω+Pe (4)
如本领域已知的，机械功率Pm难以测量。因此，机械功率Pm的量是使用方程(4)合成的，其中轴转速ω和机电功率Pe分别用补偿频率ωcomp和机电功率Pe代替。实际上，机械功率Pm改变得比机电功率Pe更慢，其通常以斜坡而不是阶跃函数移动。可以通过利用或穿过斜坡跟踪滤波器来确定合成的机械功率P^m或
Figure BDA0003948928850000102
(注意，如本文所使用的，参数上面的或紧跟在参数后面的“^”是相同的，用来表示参数的估计值。)例如，当T8＝MT9时可以使用斜坡跟踪滤波器，其中：
T8＝斜坡跟踪滤波器的超前时间常数；
N＝斜坡跟踪滤波器的数量；
M＝跟踪滤波器参数；以及
T9＝斜坡跟踪滤波器的滞后时间常数，使用方程(4B)：
Figure BDA0003948928850000103
如此，加速功率信号(Pacc)变为方程(5)的信号：
Figure BDA0003948928850000104
利用作为加速功率信号(Pacc)的函数、作为发电系统惯量常数H和拉普拉斯算子“s”的函数来获得基于加速功率积分的导出的补偿频率ω^[或
Figure BDA0003948928850000111
]。通过将加速功率信号(Pacc)乘以总转动惯量来提供导出的补偿频率ω^，总转动惯量包括原动机旋转部件、发电机转子等的转动惯量，其由如方程(6)提供的1/2Hs反映：
Figure BDA0003948928850000112
图4(a)以框图形式图示，使用两个冲失滤波器FW1和FW2以过程流程形式进行的上述计算被用于消除低频信号。输入机电功率Pe的第二冲失滤波器FW2的分子与两倍于发电系统惯量H的倍数、拉普拉斯算子“s”或“2Hs”项和第四冲失时间常数Tw4相结合。
Ks2＝Tw4/2H. (7)
如图4(a)所示，两个输入是正常操作中的补偿频率ωcomp和机电功率Pe。这些输入ωcomp和Pe的一些稳态值可以在很长一段时间内缓慢变化。将具有冲失时间常数TWn的冲失滤波器FWn应用于两个输入以消除低频信号。
基于加速功率积分的导出的发电机补偿频率ω^comp是如图4(b)所示的PSS的第二部分的输入，图4(b)使用3级超前滞后补偿器CA、CB和CC、系统增益Ks1和输出最大/最小限制Vemax/Vemin进行相位
Figure BDA0003948928850000113
补偿以生成PSS输出信号电压Vs，该输出信号电压作为输入提供给AVR。
1.3测试环境
如将使用本公开的方法的步骤和实施系统所解决的，本公开的系统和方法在具有商业调节器的实施方式中进行了测试。开发了具有图形用户接口(GUI)的应用程序，用于AVR和PSS参数的设置和测试。在该测试中，所有计算密集型计算(FFT和PSO例程)都在开发的应用程序中实现。
这些测试是基于如图5所示的硬件在环系统进行的。实际的电力系统被编程到实时数字仿真器RTDS中，该实时数字仿真器包括发电机、升压变压器和系统电网。发电机是额定为18kV和210MVA、0.85pf、60Hz的圆形转子机。惯量H为5.9MWs/MVA。发电机电气数据被提供如下：
发电机电气参数数据(210MVA、18.0KV)如表A所示：
T<sub>do</sub>’＝9.47, T<sub>do</sub>”＝0.06, T<sub>qo</sub>'＝1.0,
T<sub>qo</sub>”＝0.05, X<sub>d</sub>＝1.81, X<sub>q</sub>＝1.65,
X<sub>d</sub>’＝0.187 X<sub>q</sub>’＝0.6, X<sub>d</sub>”＝0.166,
X<sub>d</sub>”＝0.166, X<sub>l</sub>＝0.15, s(1.0)＝0.1976,
s(1.2)＝0.4589
表A：测试制造商的发电机参数
假定机器的励磁系统是如具有表B中参数的IEEE 421.5 ST4C模型所描述的静态励磁机：
K<sub>PR</sub>＝14.92, K<sub>IR</sub>＝2.98, V<sub>RMAX</sub>＝1.0,
V<sub>RMIN</sub>＝-0.8, K<sub>PM</sub>＝1.0, K<sub>IM</sub>＝0.0,
V<sub>Mmax</sub>＝99, V<sub>lmin</sub>＝-99, T<sub>A</sub>＝0.01,
V<sub>Amax</sub>＝99, V<sub>Amin</sub>＝-99, K<sub>G</sub>＝0.0,
T<sub>G</sub>＝0.0, V<sub>Gmax</sub>＝0.0, K<sub>P</sub>＝10.0,
K<sub>I</sub>＝0.0 K<sub>C</sub>＝0.15, X<sub>L</sub>＝0.0,
θ<sub>P</sub>＝0.0
表B：IEEE 421.5 ST4C励磁系统参数
2.PSS参数调谐方法
如本文所描述，本系统和方法通过向PSS提供初始PSS参数来提供加速功率积分PSS的调谐，所述初始PSS参数减少了电力发电机控制系统中调试加速功率积分PSS所需要的时间。当前所描述的系统和方法涉及生成为发电机和发电机系统确定的加速功率积分PSS参数的集合以获得适当的阻尼，而无需如当前执行的那样进行手动调谐的过程。
本系统和方法包括生成调谐的相位补偿超前滞后时间常数和PSS增益作为初始加速功率积分PSS参数的过程。此外，本系统和方法还可以包括估计的过程(在生成调谐的相位补偿超前滞后时间常数和PSS增益之前在需要的情况下)，以及识别发电系统参数值的某些制造商数据的过程，这些参数值目前可能未知，或者由于运输、安装期间的小改变、安装过程中的修改、系统组件的变化(其每一个通常发生在调试之前)而对于特定的电力发电系统来说并不精确。
虽然验证和调整所有制造发电机系统参数的过程并不总是在每个实施方式中都需要，但包括三个验证过程步骤和初始步骤的以下过程提供了可以在一些实施例中实施的完整过程流程。这在图6中示为五步过程，但应理解前三个步骤中的一个或多个是可选的，并不总是必需的，因为前三个步骤在确定需要时用于验证发电系统参数的制造商数据并对其进行调整。如图6所示，可以初步验证和调整的制造商发电系统参数包括发电机饱和系数s(1.0)和s(1.2)、诸如d-轴同步稳态电抗Xd的发电机数据。最终，发电系统惯量常数H可以如特定实施方式的需要进行验证和调整。根据这些或根据制造商为这些提供的参数数据值，本系统和方法提供用于生成调谐的相位补偿超前滞后时间常数和PSS增益，然后将其输入作为加速功率积分PSS系统的初始参数。
如最初的高度概述，图7提供了在用于验证和确认参数的制造商值的步骤1、2和3中使用的流程图过程200。如所示出的，过程开始并且在过程201和过程202中该系统和方法接收并存储诸如以上所描述的制造商数据。对于步骤1、2和3中的每一步，过程204提供制造商数据的估计，这在没有为一个或多个电力系统参数提供制造商数据的情况下也是需要的。如果没有进行估计，则过程前进到过程208，其中该过程使用存储的制造商数据计算PSS参数。如果进行了估计，过程204进入过程206，其中根据如下所述的过程为每个这样的参数提供制造商数据的值。一旦在过程206中估计和存储，则该过程接着继续在过程208中计算PSS参数。
2.1示例性的完整的五步过程流程(图6)
如上所述，完整的5步过程流程将被描述为步骤1到5。步骤1-3提供对制造商参数的验证，或此类参数的推导和调整以提供调整后的参数以用于在步骤4和5中生成相位
Figure BDA0003948928850000131
补偿的调谐的超前滞后时间常数T1–T6和PSS增益Ks的PSS输入参数。这5个步骤中的每一个将参考图6以示例的方式进行描述。
2.1.1步骤1：发电机饱和系数s(1.0)和s(1.2)
由于机器内部温度、磁饱和、老化以及机器与外部系统之间的耦合的改变，同步机的参数在不同的负载条件下会发生变化。在瞬态稳定性研究中进行了几个假设来表示饱和，因为在饱和状态下对同步电机性能进行严格处理是徒劳的。饱和效应由饱和函数表征。这种变化导致场电压Efd的改变。为了基于估计方法的简单性处理饱和效应，场电压Efd由饱和系数s(1.0)和s(1.2)的函数确定，并且发电机饱和系数同样如此。
补偿频率ωcomp将需要被确定。作为第一步，为了确定补偿频率ωcomp，对于诸如发电机的同步机，大多数商业级稳定性程序的用于表征发电机饱和的输入要求是依据饱和系数参数“s”。通常有两个饱和系数用于表征发电机，第一发电机饱和系数s(1.0)，即开路端电压为1.0pu时的饱和系数，以及在开路端电压为1.2pu时的第二饱和系数s(1.2)。这些量是基于递归最小二乘法从所测量的发电机电压Et和每单位从0.8到1.05的场电流Ifd估计的。饱和系数s(1.0)被确定为等于参数C1并且饱和系数s(1.2)被确定为等于C1乘以1.2的参数C2次幂。如此，每个饱和系数可以通过确定参数C1和C2来确定。
根据式(8)，场电流Ifd与C1和C2有关：
Figure BDA0003948928850000141
其中：
C1＝s(1.0) (9)
Figure BDA0003948928850000142
方程(8)重新排列成方程(11)：
Figure BDA0003948928850000143
对于第k个样本值，其可以表示为方程(12)：
Figure BDA0003948928850000144
对方程(1)取对数得到方程(13)：
Figure BDA0003948928850000151
因此，对于n个采样值，方程(13)提供：
Figure BDA0003948928850000152
由此，参数C1和C2的估计值可以通过最小二乘估计来确定，其中方程(14)中的未知参数C1和C2被选择为使得测量或实际观察到的发电机电压Et与计算的发电机电压E^t之间的平方误差和最小。
Figure BDA0003948928850000153
参数αT由方程(16)定义，参数
Figure BDA0003948928850000154
由方程(17)定义，yk由方程(18)定义，参数α可由方程(19)中的闭式解求解。
αT＝[log(C1)C2] (16)
Figure BDA0003948928850000155
Figure BDA0003948928850000156
Figure BDA0003948928850000157
为了有效的实时估计，使用遗忘因子λ将方程(18)操纵成递归形式，如由KiyongKim、Pranesh Rao和Jeffrey A.Burnworth在IEEE Swarm Intelligence Symposium，St.Louis MO USA，2008年9月21-23日的“Self-Tuning of the PID Controller for aDigital Excitation Control System”中所描述的。作为一个示例性实施例，遗忘因子λ可以选择0.9的值。然而，本领域普通技术人员应当理解，遗忘因子λ可以选择其他值并且一般应小于1.0，其中较小的值使旧样本数据对估计结果的影响更小。如此，方程(19)的递归形式由方程(20)、(21)和(22)提供：
Lk＝Pk-1-Pk-1φk[φT kPk-1φk+λ]-1 (20)
Figure BDA0003948928850000161
Figure BDA0003948928850000162
如上所述，在参数C1和C2被确定之后，饱和系数s(1.0)被确定为等于参数C1，并且饱和系数s(1.2)被确定为等于C1乘以1.2的参数C2次幂，如方程(23)和(24)分别所示：
s(1.0)＝C1 (23)
Figure BDA0003948928850000163
如上所述，饱和系数s(1.0)和s(1.2)被用来确定补偿频率ωcomp，或者使用方程(23)和(24)，参数C1和C2可以直接用于这种确定，如将在步骤2中所陈述的。
在上述步骤1过程的一个实施例中，两个饱和系数参数s(1.0)和s(1.2)是在发电机离线(即，操作但未附接到电网或负载)时测量的。如图8所示，当发电机电压从0.9以0.01的步长(step)增加到1.05pu时，对发电机电压Et和场电流Ifd进行采样，并使用上述递归最小二乘法计算饱和系数s(1.0)和s(1.2)。在一个示例性测试中，如图8所示，本文所述的步骤1的过程所提供的饱和系数的估计值提供了与制造商提供的特性的密切匹配。如已知的，制造商数据提供了饱和曲线上的两个点，并且可以使用各种非线性曲线拟合方案来获得其他点的饱和值，作为示例，一个结果示出在图8中。如图8所示，作为示例，基于如图8所示的测量点来估计两个点s(1.0)和s(1.2)作为测量的圆点。然后可以基于这两个估计点s(1.0)和s(1.2)使用方程(8)、(9)和(10)计算估计曲线。通过这种方式，使用估计的饱和系数参数s(1.0)和s(1.2)，本系统和方法可以向PSS提供改进的和更准确的初始调试参数的集合。
2.1.2步骤2：验证和调整补偿频率ωcomp
调谐参数是补偿的q-轴电抗Xqcomp。补偿频率是q-轴电抗Xqcomp的函数。当d-轴同步电抗Xd在方程(24)中被估计时，补偿的q-轴电抗Xqcomp可以设置在较低水平，诸如所估计的d-轴同步电抗X^d的三分之一。
发电机转子轴位置由发电机的端电压Vt和电流It以及补偿电抗X^d确定。适当的补偿电抗X^d应该从感兴趣的频率范围导出。一般来说，局部模式振荡约为1Hz。如本领域已知的，大多数功率振荡存在于0.1至3.0Hz之间，这包括其中跨区域(intertie)和区域间(interarea)模式存在的范围(0.1-0.9Hz)以及局部模式功率摆动模式(1-2Hz)的范围。因此，需要接近瞬态正交电抗(X’q)的阻抗值。在圆形转子机上，发电机同步电抗Xq接近d-轴同步电抗Xd。因此，本文使用d-轴同步电抗Xd代替发电机同步电抗Xq。
作为一个示例，对于凸极电机，同步阻抗提供了所需的补偿。然而，正确的补偿阻抗的选择更加复杂并且通常会执行仿真和现场测试来确认此设置。然而，对于本方法，在没有制造商数据可用的情况下，作为启动过程的一个示例，可以将估计的补偿电抗q-轴同步电抗X^qcomp设置为发电机同步电抗(Xq)的三分之一。
在稳态操作条件下，没有有功功率输出，Xd容易被估计，其中：
eq＝q-轴发电机电压；
id＝d-轴发电机电流；
Efd＝发电机场电流；
K^sd＝在稳态条件下的发电机饱和系数；
Ra＝发电机定子电阻；
Xl＝发电机漏磁电抗；
那么方程(24)提供补偿电抗X^d为：
Figure BDA0003948928850000171
饱和系数是使用测量的端电压Et和测量的端电流It使用如在方程(26)中记为Ψ的气隙磁链计算的：
Ψt＝|Et+(Ra+jXl)It| (26)
由此，在稳态下的发电机饱和系数K^sd使用如上述步骤1中所确定的饱和参数C1和C2在方程(27)中提供，或者使用方程(23)和(24)根据已知的或测量的发电机饱和系数s(1.0)和s(1.2)提供：
Figure BDA0003948928850000181
由于确定了在稳态下的发电机饱和系数K^sd，那么补偿电抗X^d可以使用方程(24)确定。对于具有Et和It的给定操作条件，基于方程(25)和(26)计算稳态K^sd，然后将其代入方程(24)以计算X^d。如本领域普通技术人员将理解的，当没有输出有功(实际)功率时，则eq＝Et且It＝id。
在实践步骤2的一个示例性实施例中，在步骤1完成之后，发电机连接到电网并因此在线。在没有实际机电功率Pe输出的情况下执行了几次电压阶跃测试(voltage steptest)。在一个示例性实施例中，使用了五(5)次电压阶跃，但其他数量的阶跃也是可能的。发电机同步电抗Xd是基于在稳态条件下测得的发电机电压Et和无功功率Q估计的。在没有提供制造商数据的情况下，补偿电抗q-轴同步电抗X^q可以从发电机同步电抗Xd的估计值中估计。在一个示例性实施例中，补偿电抗q-轴同步电抗X^q可以被估计为发电机同步电抗Xd的估计值的三分之一。
2.1.3步骤3：验证和调整发电系统惯量H(和冲失时间常数Tw)
作为步骤3的初始子步骤，将伪白噪声信号添加到AVR求和点并且进行测量以验证系统参数值。也识别了局部模式频率和涡轮扭转相互作用频率。当伪白噪声信号被添加到AVR求和点时，发电机实际机电功率Pe增加到大约0.2pu。记录所产生的发电机频率ω、三相发电机端电压Vt和电流It，并且可以确定诸如端电压变化ΔVt的变化。
通过对所测量的由输入到AVR求和点的伪白噪声引起的机电功率Pe变化或ΔPe进行快速傅里叶变换(FFT)识别0.1至100Hz范围内的所有电力系统振荡频率。所产生的频谱给出了各种功率振荡模式，包括涡轮发电机扭转振荡频率。
如图12(b)所示并且如下文基于最大幅度所描述的，局部模式频率和涡轮扭转相互作用频率使用FFT识别。本过程提供冲失时间常数Tw的确定，冲失时间常数Tw被选择为时间常数的五倍，该时间常数对应于将要描述的大约0.1至大约3赫兹之间的最大频率分量。确定适当的冲失时间常数Tw以允许低至0.1Hz的频率而不会显著衰减或增加过多的相位超前。它通常设置在2到10的范围内，基于PSS功能对电力系统的适当响应来选择该值。如果是10秒，则滤波器拐角频率为0.016Hz，这远低于跨区域模式频率。对于本公开的调谐方案，冲失时间常数Tw被选择为时间常数的五倍，该时间常数对应于大约0.1至大约3赫兹之间的最大频率分量，这是大多数功率振荡存在的频率范围，即，主要的功率振荡被识别为最大的频谱。如此，为了确定冲失时间常数，识别该范围内的最大频率分量。如本文所述，测量的由感应白噪声引起的变化(诸如端电压的变化/改变ΔVt)的由FFT得到的所产生的频谱的最大频率分量。如本领域已知的，该过程提供功率振荡频率、局部或扭转振荡模式的估计。一旦进行计算，则确定选定的频率分量的时间常数，然后将其乘以五以确定“适当的”冲失时间常数。通常，冲失时间常数应在大约2到大约10秒之间的范围内。
发电系统的惯量H是使用部分抛载测试估计的。记录该测试的发电机频率、实际功率和电流。粒子群优化(PSO)技术被应用于估计发电系统惯性H。PSO是一种已知的计算技术，并且已应用于确定AVR增益，但尚未用于PSS参数估计。用于识别等效转子转速或频率ω控制系统的参数的PSO过程的功能框图如图9所图示。仿真模型参数为发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降(Droop)。
该PSO过程示出在用于使用图10中提供的PSO生成估计的发电系统惯量H的流程图中。使用如图10所示的PSO技术生成发电系统惯量H的估计值。如所示出的，进行调整以提供机电功率Pe、电阻RA、端电流It、频率ω和参考频率ωref作为输入以计算频率ω，并将其与实际测量的频率ω进行比较。将这些进行比较，然后为H(发电系统惯量)、TA(燃料泵时间常数)、KP(调速器比例增益)、KI(调速器积分增益)、Wnfl(空载燃料消耗)和速降(转速速降)中的一个或多个生成调整规则。
将使用PSO过程获得的仿真结果与制造商值进行比较。如果结果不匹配，则通过PSO技术调整发电机参数以提供最佳匹配。该技术的灵感来自于鸟群或鱼群的社会行为。在PSO中，潜在的粒子(解)通过跟随当前最优粒子飞越问题空间。每个粒子都保持跟踪其在问题空间中的坐标，并将找到的最佳解传输给其他粒子。这种传输允许在下一次尝试找到最佳的可能解(发电机参数的集合)时做出明智的决定。
如关于图15将陈述的，本公开的系统和方法可以结合使用自动PSS参数生成系统的实际发电系统来实施。在一个实施例中，生成估计的PSS参数的本方法可以在能够操作WINDOWS环境的计算机系统上操作的基于MICROSOFT WINDOWS的应用程序中实现，本发明具有其自己的图形用户接口(GUI)和用于将所生成的参数传输给PSS系统的接口。
如在步骤3中公开的PSO导出的估计参数值基于制造商值以及实时的测量值，PSO方法基于测量值估计参数值以确定制造商定义的参数值是否合适，并通过PSO估计过程导出这些参数的新值，以用于将在下面描述的步骤4和5的PSS参数的生成。
使用利用记录的发电机频率ω、实际机电功率Pe和端电流It的时域仿真计算发电机频率变化Δω。此外，如所示出的，在该过程中使用了发电机定子电阻Ra。对于仿真系统模型，假设调速器采用比例和积分型调速器以及一阶燃料泵动态方程。仿真模型参数为H(发电系统惯量)、TA(燃料泵时间常数)、KP(调速器比例增益)、KI(调速器积分增益)、Wnfl(空载燃料消耗)和速降(转速速降)。
将仿真结果与所记录的数据进行比较。如果结果不匹配，则通过PSO技术调整上述模型参数以提供最佳匹配。
PSO例程从一组十个粒子(解)开始，然后通过跟随至今找到的最优粒子在问题空间中搜索最优值。目前的参数被认为是粒子，对于k＝1,…,N，对每个粒子(H、TA、KP、KI、Wnfl和速降)计算模型的阶跃响应Δωm(k)。所计算的响应与实际系统响应进行比较。在第k阶段的实际系统响应的采样值为Δω(k)时，选择最佳粒子的适应度函数为Δω(k)和Δωm(k)之差的平方和，k＝1,…,N，适应度函数如下：
Figure BDA0003948928850000211
初始的发电机频率ω、实际机电功率Pe和所生成的电流It被提供作为输入。比较频率输出以估计每个参数。仿真模型参数被识别为H、TA、KP、K1、Wnfl和速降。
考虑到变量vn是粒子速度，变量xn是当前的粒子(解)，变量
Figure BDA0003948928850000212
和变量Pglobal分别被定义为某一粒子的最佳值和所有粒子中的最佳值，并且参数α为惯性权重，rand1和rand2为0到1之间的随机数，以及β1和β2为学习因子，在使用PSO为每个参数H、TA、KP、KI、Wnfl和速降找到这六个最佳值之后，粒子使用方程(29)和(30)更新其速度和位置：
Figure BDA0003948928850000213
xn+1＝xn+van (30)
在一个实施例中，参考图11，PSO技术的计算程序总结如下：
过程701：初始化迭代索引NOI＝0、J＝0。
过程702：初始化每个粒子的位置。
过程704：确定最佳值的初始值。
过程706：使用选定的粒子位置确定模型的响应。
过程708：基于获得的模型的响应和所记录的响应确定适应度函数以检查最佳粒子。如果模型的响应更好，则更新最佳粒子。在参数为惯量H的情况下，如所陈述的，仿真参数和方程28和29适用于该过程。
过程710：直到在步骤710中计算出所有粒子，递增粒子计数器711并为每个粒子重复步骤704、706和708。
过程712：更新新的粒子位置和速度。
过程714：确定是否已达到最大迭代次数。如果未达到最大迭代次数，则转到过程716。如果已达到，则转到过程717。
过程716：递增迭代计数器(NOI和I)。
过程717：如果索引J为50，则转到步骤702。如果没有，则转到步骤704。
在迭代过程的最后，六个参数中每一个的全局最佳值包含参数值的最接近估计。
过程708：将估计值与所接收并存储的制造商值和差异进行比较。
从这个过程中，产生了H、TA、KP、KI、Wnfl和速降的最佳估计值，并如参考图7描述的分别与制造商值进行比较。
在一个示例性实施例中，在一个测试中估计的发电系统惯量常数H使用部分抛载测试来确认。如图12所示，这一测试结果反映了计算的单位发电系统惯量值H为5.95MW-s/MVA。该步骤3计算的发电系统惯量常数H的值与制造商提供的数据相匹配。发电系统惯量H可以用于对输入到加速功率积分PSS的有功功率进行缩放。导出的补偿频率ω^是在上面方程(6)中所提到的。
2.1.4步骤4：确定超前滞后相位补偿时间常数T1-T6
为了确定相位补偿的超前滞后时间常数，描述了三个子步骤，其包括初始频率响应测试。首先，将伪白噪声测试输入应用于AVR求和点约一分钟，并记录测试输入和发电机电压Vt。端电压的变化/改变ΔVt可以因此被确定。第二，所记录的信号被用于使用快速傅里叶变换(FFT)获得未补偿系统的频率响应。第三，为了获得在大多数功率振荡存在的频率范围(即从0.1到3Hz)内接近零(0到大约30度)的补偿相位曲线，确定相位补偿时间常数T1,T2,…,T6。本领域技术人员应该理解，在0.1到3Hz的频率范围内不可能达到或接近于零。对于大多数情况，发现高达约30度的量对于该过程是令人满意的，尽管其他值也是可能的。这些相位补偿时间常数使用如图13所示的PSO技术以及使用与上文关于图11描述的类似过程来确定。此外，本领域技术人员应该知道，输入的伪白噪声的最大幅度被限制为确保线性或其他方式稳定的AVR响应的量。
在步骤4中使用如上文关于步骤3所使用和描述的PSO技术，除了具有T1,T2,…,T6的超前滞后滤波器的相位补偿的计算在以下超前滞后滤波器的传递函数G(s)的方程中通过PSO调整：
Figure BDA0003948928850000231
当补偿相位曲线在从0.1到3Hz的功率振荡频率范围内变得接近零时，为PSS参数设置估计的时间常数。
由此，估计的相位补偿时间常数T1,T2,…,T6由本方法和系统生成以作为PSS参数输入。
在一个示例性实施例中，使用步骤4所描述的过程，相位超前滞后参数T1,T2,…,T6基于PSO使用测量的伪白噪声输入和发电机电压输出(即，端电压的变化/改变ΔVt)自动计算。图14(a)和14(b)图示了由一次测试产生的发电机电压Et和实际机电功率Pe。超前滞后相位补偿时间常数的计算的时间常数为T1＝0.1、T2＝0.02、T3＝0.2、T4＝0.005、T5＝0.2以及T6＝0.005。图14(c)图示了超前滞后框的计算的频率响应以及需要的相位补偿。
2.1.5步骤5：确定PSS增益Ks
用于与加速功率积分一起使用的自动调谐的PSS参数输入控制器的方法的最后一步，即步骤5，为确定PSS增益Ks。步骤5过程产生的PSS增益Ks的值设置为远低于极限的值，在该极限下励磁机模式是不稳定的。GM也可以是被确定为期望的预定增益裕度，诸如作为示例，励磁机模式不稳定时的极限的三分之一。
为了生成用于调试发电机的这种初始PSS增益Ks，基于从输入到AVR求和点的白噪声对带有补偿的超前滞后滤波器的PSS输出的开环频率响应，利用开环频率响应来估计增益裕度。
由于PSS输出被正向添加到AVR求和点，增益裕度在零度的相位交叉频率处确定。因此，如果需要10dB的增益裕度，即不稳定性增益的三分之一，PSS增益计算如下：
Ks1＝10GM-10 (32)
其中GM是利用Ks1＝1的开环频率响应获得的增益裕度。如图16所示，当正反馈系统的相位角为零度时，计算增益裕度GM。
通过步骤4生成的相位补偿，阻尼随着稳定器增益(Ks)的增加而增加。如果稳定器增益增加到励磁机模式穿过s域右半平面的值，则会导致系统不稳定。该值在PSS调试期间从假设为线性系统的增益裕度GM中得到验证。然而，作为本领域技术人员应该理解，由于电力发电系统不是线性的，增益可以降低到不稳定性增益的约三分之一。最终值增益设置选择为15，这比业界普遍知道的不稳定性增益小三倍。
图15提供了与如图1所示的现有技术的系统相比的本系统的框图。如所示出的，调试控制系统100通过用于向PSS 23提供其PSS参数的初始集合的PSS输入接口25通信地耦合到PSS 23。为了调试，提供VS的PSS 23的输出与AVR 22的求和点56不连接。
图16图示了从0.1Hz到10.0Hz的开环频率响应。图16示出了开环频率响应的相位和增益。
图17的图表中的测试结果图示了同步电机在调试期间的实时响应，并且清楚地示出了如本文所公开的电力系统稳定器的即时效应。图17(a)是记录图示了当应用2％电压阶跃时没有本公开的自动PSS参数输入控制器PSS的机器MW的图表。相比之下，图17(b)是图示当应用2％电压阶跃时具有本公开的用于PSS的自动PSS参数输入控制器的机器MW的测试结果的图表。可以看出，当调试具有加速功率积分PSS作为AVR输入的发电系统时，发电系统的性能在使用本公开的自动PSS参数输入控制器时有显著提高。
4.计算机环境
参考图18，如本文所述的用于检测发电机中的初期故障的系统和/或方法的图示实施例的操作环境是具有计算机1002的计算机系统1000，该计算机包括至少一个高速中央处理单元(CPU)1004、连同与至少一个总线结构1008互连的存储器系统1006、输入设备1010和输出设备1012。这些元件通过至少一个总线结构1008互连。存储器系统1006包括存储计算机可执行指令的非瞬态存储器，所述计算机可执行指令用于使得计算机1002能够和指示计算机1002执行如本文所述的方法。
如上所述，输入和输出设备可以包括包含图形用户接口的通信接口。网络接口和通信系统和方法的任何或所有计算机组件可以是任何计算设备，包括但不限于膝上型电脑、PDA、蜂窝/移动电话，以及潜在的专用设备。在一个实施例中，本公开的方法和系统可以是在其上实现为任何“app”并被认为在本公开范围内的软件。
用于检测发电机初期故障的系统的所图示的CPU 1004是熟悉的设计，并且包括用于执行计算的算术逻辑单元(ALU)1014、用于临时存储数据和指令的寄存器1016的集合以及用于控制计算机系统1000的操作的控制单元1018。对于CPU 1004，各种处理器中的任何一种，包括至少来自Digital Equipment、Sun、MIPS、Motorola、NEC、Intel、Cyrix、AMD、HP和Nexgen的这些处理器同样优选但不限于此。该图示实施例在被设计为可移植到这些处理平台中的任何一个处理平台的操作系统上操作。
存储器系统1006通常包括在非瞬态计算机可记录介质上为典型的诸如随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)半导体设备的介质形式的高速主存储器1020。本公开不限于此，还可以包括长期存储介质(诸如软盘、硬盘、磁带、CD-ROM、闪存等)形式的辅助存储器1022以及使用电、磁、光或其他记录介质存储数据的其他设备。在一些实施例中，主存储器1020还可以包括用于通过显示设备(未示出)显示图像的视频显示存储器。本领域技术人员将知晓，存储器系统1006可以包括具有各种存储容量的各种替代组件。
输入设备1010和输出设备1012在适用的情况下也可以提供在如本文所述的系统或其实施例中。输入设备1010可以包括任何键盘、鼠标、物理换能器(如麦克风)，并且可以通过与包括用于无线通信的天线接口的上述通信接口相关联或相分离的输入接口1024(诸如图形用户接口)互连到计算机1002。输出设备1012可以包括显示器、打印机、换能器(如扬声器)等，并且通过可以包括包含天线接口的上述通信接口的输出接口1026互连到计算机1002。一些设备，诸如网络适配器或调制解调器，可以用作输入和/或输出设备。
如本领域技术人员所熟悉的，计算机系统1000还包括操作系统和至少一个应用程序。操作系统是控制计算机系统操作和资源分配的软件的集合。应用程序是软件的集合，所述软件使用通过操作系统提供的计算机资源来执行检测发电机中的初期故障的方法和/或任何上述过程和过程步骤所需的任务。
根据计算机编程领域的技术人员的实践，下面参考由计算机系统1000执行的操作的符号表示来描述本公开。这种操作有时被称为是计算机执行的。应当理解，符号表示的操作包括CPU 1004对表示数据位的电信号的操纵和在存储器系统1006中的存储器位置处的数据位的保持，以及信号的其他处理。保持数据位的存储器位置是具有与数据位相对应的特定的电、磁或光学特性的物理位置。一个或多个实施例可以在由可以存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令定义的一个或多个程序中以有形形式实施。计算机可读介质可以是以上结合存储器系统1006描述的任何设备或设备的组合。
如本文通过各种实施例所描述的，提供了一种用于产生初始PSS参数的系统和方法，其提供了非常快速并具有优异的性能结果的发电机的调试。如所描述的，在验证制造商数据之后，PSS参数可以使用所描述的PSO性能参数估计方法进行快速估计，当其输入到PSS时，与现有方法和系统相比，可以为发电机的调试提供极短的时间。
当描述元件或特征和/或其实施例时，冠词“一个(a)”、“一个(an)”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件或特征。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在具有包容性，并且表示除了具体描述的那些之外，还可以存在附加的元件或特征。
本领域技术人员将知晓，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对上述示例性实施例和实施方式进行各种改变。因此，上述描述中包含的或附图中所示的所有内容均应解释为说明性的而不是限制性的。
还应理解，本文描述的过程或步骤不应被解释为必然要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行。还应理解，可以采用附加的或替代的过程或步骤。

Claims (51)

1.一种用于在控制电力系统的数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(PSS)的系统，所述电力系统具有向具有励磁机的发电机提供旋转能量的原动机系统、用于测量电力系统的操作特性的多个传感器、具有输入求和点并生成励磁机和发电机的控制参数的自动电压调节器(AVR)，所述PSS具有存储器、处理器、计算机可执行指令、用于接收PSS参数的通信控制接口以及用于生成到AVR输入求和点的控制输出的输出部，所述系统包括：
控制模块，具有处理器、存储器、存储的计算机可执行指令、控制输入部和控制输出部，所述计算机可执行指令包括用于配置所述控制模块以执行以下过程的指令：
a.生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述生成包括：
在电力系统的操作期间接收生成的端电压的集合；
根据所接收到的生成的端电压的集合生成电力系统的未补偿的频率响应；以及
确定调谐相位补偿时间常数的集合，包括根据生成的未补偿的频率响应执行粒子群优化(PSO)；
b.生成调谐PSS增益值，所述生成包括：
确定电力系统的开环频率响应以确定PSS增益裕度；以及
根据所确定的PSS增益裕度确定调谐PSS增益；以及
c.将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值从控制输出部传输到PSS的通信控制接口。
2.如权利要求1所述的系统，其中生成电力系统的未补偿的频率响应以生成超前滞后相位补偿时间常数的集合还包括：
对发电机执行频率响应测试，所述频率响应测试包括测量发电机的参数、将伪白噪声应用于AVR输入求和点以及测量应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数；
其中所述控制模块被配置为对频率响应测试的测量参数执行粒子群优化(PSO)。
3.如权利要求1所述的系统，其中生成超前滞后相位补偿时间常数的集合包括：
操作发电机处于在线模式的电力系统；以及
测量生成的端电压的集合；
其中所述控制模块被配置为根据生成的端电压使用快速傅里叶变换(FFT)生成未补偿的频率响应。
4.如权利要求3所述的系统，其中生成超前滞后相位补偿时间常数的集合还包括：
记录基线发电机电压Vt的集合；
将伪白噪声应用于AVR输入求和点；
记录应用的伪白噪声；以及
记录应用了伪白噪声的感应噪声电压ΔVt的集合；
其中所述控制模块被配置为根据感应噪声电压的集合和所记录的应用的伪白噪声使用FFT生成未补偿的频率响应。
5.如权利要求1所述的系统，其中调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合为常数T1、T2、T3、T4、T5和T6。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块被配置为根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内大约为零。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块被配置为根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内在零和大约30度之间。
8.如权利要求1所述的系统，其中生成调谐PSS增益值包括：
对发电机执行频率响应测试，所述频率响应测试包括测量发电机的参数、将伪白噪声应用于AVR输入求和点以及测量应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制模块被配置为通过将预定的增益裕度应用于所述频率响应测试的测量参数以确定PSS增益裕度来确定调谐PSS增益。
10.如权利要求1所述的系统，其中确定所述开环频率响应包括：
将伪白噪声应用于AVR输入求和点；以及
其中所述控制模块被配置为应用补偿的超前滞后滤波器；
其中根据为零度的相位交叉频率确定PSS增益裕度。
11.如权利要求10所述的系统，其中确定开环频率响应包括所述控制模块被配置为：
确定由应用的伪白噪声引起的输入到AVR输入求和点的参考电压的变化；
确定由应用的伪白噪声引起的PSS输出的变化；以及
确定由应用的伪白噪声引起的PSS增益的变化。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述控制模块被配置为根据所确定的由应用的伪白噪声引起的PSS输出的变化，通过执行粒子群优化(PSO)来确定由应用的伪白噪声引起的PSS增益的变化。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述PSS增益裕度被确定为所确定的由应用的伪白噪声引起的PSS增益的变化的三分之一。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块还被配置为：
在控制输入部处接收与电力系统相关联的配置数据的集合，所述配置数据的集合包括用于原动机系统、发电机、AVR和PSS的组件数据；
在PSS控制输入部处接收与电力系统相关联的多个操作参数中的每一个的值，所述多个操作参数选自包括以下的参数组：冲失时间常数、发电系统惯量、交轴电抗/阻抗、相位补偿时间常数和PSS增益；以及
将多个接收到的操作参数中的每一个的接收到的操作参数值存储在存储器中，
其中生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数和生成调谐PSS增益值中的至少一个是根据接收到的操作参数值进行的。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述控制模块还被配置为：
为接收到的电力系统操作参数中的至少一个生成估计值；以及
将所述估计值与接收到的至少操作参数的制造商值进行比较，
其中生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数和生成调谐PSS增益值中的至少一个是根据生成的估计值而不是根据接收到的制造商值进行的。
16.如权利要求15所述的系统，其中所接收到的操作参数是饱和系数，还包括：
在各发电机操作功率单元处测量发电机场电流和端电压的集合，
其中所述控制模块被配置为通过对所测量的发电机端电压和场电流应用递归最小二乘操作来生成饱和系数的估计值。
17.如权利要求15所述的系统，其中所接收到的操作参数是发电机数据参数，并且其中生成发电机数据参数的估计值包括选自由以下组成的组中的参数：同步电抗、瞬态电抗和瞬态时间常数。
18.如权利要求15所述的系统，其中接收到的操作参数是同步电抗Xd，并且其中生成补偿同步电抗X^ d的估计值包括：
操作在线并连接到电网负载的发电机，但没有输出实际功率；
在阶跃测试中测量大量发电机端电压；
确定稳态条件下的无功功率；以及
其中所述控制模块被配置为：
根据所测量的端电压和所确定的无功功率生成估计的发电机同步电抗的估计值。
19.如权利要求15所述的系统，其中所接收到的操作参数是同步电抗Xd，并且其中生成补偿同步电抗X^d的调谐值包括：
大约五次电压阶跃测试。
20.如权利要求15所述的系统，其中所述控制模块被配置为生成补偿电抗q-轴同步电抗Xqcomp，其是所生成的发电机同步电抗Xq的调谐值的三分之一。
21.如权利要求15所述的系统，其中所接收到的操作参数是发电系统惯量，并且其中生成发电系统惯量的估计值是根据燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降进行的。
22.如权利要求15所述的系统，还包括生成补偿频率的估计值，包括在发电机操作期间：
测量发电机的频率；
测量在发电机输出部处的实际功率；
测量在发电机输出部处的端电流；以及
接收发电机定子电阻；
其中所述控制模块被配置为根据所测量的发电机的频率、所测量的实际功率、所测量的端电流和所接收到的发电机定子电阻生成估计的补偿频率。
23.如权利要求15所述的系统，其中所述控制模块还被配置为：
根据发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降生成补偿频率的估计值。
24.如权利要求23所述的系统，还包括：
在发电机操作期间，测量发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降；以及
将每个发电机参数的估计值与测量值进行比较以确定它们匹配或不匹配；
在估计值与测量值匹配的情况下，根据估计值确定补偿频率；以及
在估计值与测量值不匹配的情况下，使用粒子群优化(PSO)调整每个发电机参数值以确定每个参数的调整的估计参数值，并根据调整的估计参数值确定补偿频率。
25.如权利要求15所述的系统，还包括：
估计冲失时间常数Tw。
26.如权利要求25所述的系统，其中估计冲失时间常数Tw包括：
将伪白噪声信号应用于AVR输入求和点；
提高发电机的实际功率；
在应用了伪白噪声信号的所述提高期间，测量发电机频率ω、三相发电机端电压Vt和端电流It；
对由应用的伪白噪声引起的测量的实际功率变化应用快速傅里叶变换(FFT)；
识别最大频率分量；以及
根据所识别的最大频率分量生成调谐冲失时间常数Tw。
27.如权利要求26所述的系统，其中生成冲失时间常数Tw是将所识别的最大频率分量乘以预定的乘数。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述预定的乘数为五。
29.如权利要求1所述的系统，还包括：通过执行粒子群优化(PSO)生成估计的发电系统惯量H。
30.如权利要求29所述的系统，其中生成估计的发电系统惯量包括：
对发电机执行部分抛载测试以产生多个发电系统惯量相关参数中的每一个的测量值；其中对发电系统惯量相关参数的集合中的每一个执行粒子群优化(PSO)以生成发电系统惯量的估计值。
31.如权利要求29所述的系统，其中将粒子群优化(PSO)用于一个或多个发电系统惯量H相关参数，所述相关参数选自以下组成的列表：发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降。
32.一种用于在控制电力系统的数字励磁控制系统中自动调谐/配置电力系统稳定器(PSS)的方法，所述电力系统具有向具有励磁机的发电机提供旋转能量的原动机系统、用于测量电力系统的操作特性的多个传感器、具有输入求和点以及生成励磁机和发电机的控制参数的自动电压调节器(AVR)，所述PSS具有存储器、处理器、计算机可执行指令、用于接收PSS参数的通信控制接口以及用于生成到AVR输入求和点的控制输出的输出部，在具有处理器、存储器、存储的计算机可执行指令、控制输入部和控制输出部的控制模块中，所述方法包括：
生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合，包括在电力系统的操作期间接收生成的端电压的集合，根据所接收到的生成的端电压的集合生成电力系统的未补偿的频率响应，以及确定调谐相位补偿时间常数的集合，包括根据生成的未补偿的频率响应执行粒子群优化(PSO)；
生成调谐PSS增益值，包括确定电力系统的开环频率响应以确定PSS增益裕度以及根据所确定的PSS增益裕度确定调谐PSS增益；以及
将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值从控制输出部传输到PSS的通信控制接口。
33.如权利要求32所述的方法，还包括：
对发电机执行频率响应测试，所述频率响应测试包括测量发电机的参数、将伪白噪声应用于AVR输入求和点以及测量应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数；
其中对所测量的应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数执行粒子群优化(PSO)。
34.如权利要求33所述的方法，其中生成超前滞后相位补偿时间常数的集合包括：
操作发电机处于在线模式的电力系统；
测量生成的端电压的集合；
其中在控制模块中，根据生成的端电压使用快速傅里叶变换(FFT)生成未补偿的频率响应。
35.如权利要求33所述的方法，其中生成超前滞后相位补偿时间常数的集合还包括：
记录基线发电机电压Vt的集合；
将伪白噪声应用于AVR输入求和点；
记录应用的伪白噪声；以及
记录应用了伪白噪声的感应噪声电压ΔVt的集合；
其中在控制模块中，根据感应噪声电压的集合和所记录的应用的伪白噪声使用FFT生成未补偿的频率响应。
36.如权利要求32所述的方法，其中根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内大约为零。
37.如权利要求32所述的方法，其中根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内在零和大约30度之间。
38.如权利要求32所述的方法，还包括：
对发电机执行频率响应测试，所述频率响应测试包括测量发电机的参数、将伪白噪声应用于AVR输入求和点以及测量应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数；
通过将预定的增益裕度应用于所述频率响应测试的测量参数以确定PSS增益裕度来确定调谐PSS增益。
39.如权利要求32所述的方法，还包括：
通过执行粒子群优化(PSO)生成估计的发电系统惯量H。
40.如权利要求39所述的方法，其中生成估计的发电系统惯量包括：
对发电机执行部分抛载测试以产生多个发电系统惯量相关参数中的每一个的测量值；其中对发电系统惯量相关参数的集合中的每一个执行粒子群优化(PSO)以生成发电系统惯量的估计值。
41.如权利要求39所述的方法，其中执行粒子群优化(PSO)包括对一个或多个发电系统惯量H相关参数执行PSO，所述相关参数选自以下组成的列表：发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降。
42.一种计算机可读介质，具有被配置为使计算系统执行方法的计算机可执行指令，所述方法包括：
生成调谐PSS超前滞后相位补偿时间常数的集合，包括在电力系统的操作期间接收生成的端电压的集合，根据所接收到的生成的端电压的集合生成电力系统的未补偿的频率响应，以及确定调谐相位补偿时间常数的集合，包括根据生成的未补偿的频率响应执行粒子群优化(PSO)；
生成调谐PSS增益值，包括确定电力系统的开环频率响应以确定PSS增益裕度以及根据所确定的PSS增益裕度确定调谐PSS增益；以及
在数字励磁控制系统中将所确定的调谐相位补偿时间常数的集合和所确定的调谐PSS增益值从控制输出部传输到电力系统稳定器(PSS)的通信控制接口，所述数字励磁控制系统通过使用自动电压调节器(AVR)控制电力系统。
43.如权利要求42所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
对测量的对AVR测量求和点应用的伪白噪声的集合和测量的由应用的伪白噪声引起的发电机参数执行粒子群优化(PSO)。
44.如权利要求43所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
接收当操作发电机处于在线模式的电力系统时所测量的生成的端电压的集合；以及
根据生成的端电压使用快速傅里叶变换(FFT)生成未补偿的频率响应。
45.如权利要求43所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
接收所记录的基线发电机电压Vt的集合；
接收当将伪白噪声应用于AVR输入求和点时所记录的应用的伪白噪声；
接收当应用了伪白噪声时所记录的感应噪声电压ΔVt的集合；以及
根据感应噪声电压的集合和所记录的应用的伪白噪声使用FFT生成未补偿的频率响应。
46.如权利要求43所述的计算机可读介质，包括用于根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合的计算机可执行指令，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内大约为零。
47.如权利要求43所述的计算机可读介质，包括用于根据补偿相位曲线生成调谐超前滞后相位补偿时间常数的集合的计算机可执行指令，所述补偿相位曲线在从大约0.1Hz到大约3.0Hz的频率范围内在零和大约30度之间。
48.如权利要求42所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
接收发电机上的频率响应测试的测量结果集合，包括所测量的发电机的参数，以及所测量的应用的伪白噪声和由应用的伪白噪声引起的发电机参数；以及
通过将预定的增益裕度应用于所接收的频率测试测量集合的测量参数以确定PSS增益裕度来确定调谐PSS增益。
49.如权利要求42所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
通过执行粒子群优化(PSO)生成估计的发电系统惯量H。
50.如权利要求49所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
接收由对发电机执行部分抛载测试引起的多个发电系统惯量H相关参数中的每一个的所产生的测量值，
其中所述计算机可读介质被配置为对发电系统惯量相关参数的集合中的每一个执行粒子群优化(PSO)以生成发电系统惯量H的估计值。
51.如权利要求49所述的计算机可读介质，具有被配置为还使计算系统执行以下步骤的计算机可执行指令：
其中执行粒子群优化(PSO)包括对一个或多个发电系统惯量H相关参数执行PSO，所述相关参数选自以下组成的列表：发电系统惯量H、燃料泵时间常数TA、调速器比例增益KP、调速器积分增益KI、空载燃料消耗Wnfl和速降。
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