CN117477680A - 同步系统调速器参数优化方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步系统调速器参数优化方法、装置、电子设备及介质，用于解决现有相关技术中针对同步系统进行调频时，调速器的参数优化存在局限性的问题。所述方法包括：获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于调速控制参数，构建同步系统的多机负荷调频控制模型；结合多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立同步系统的调速器参数优化模型；采用调速器参数优化模型，根据决策变量、目标函数以及约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统频率稳定分析技术领域，尤其涉及一种同步系统调速器参数优化方法、装置、电子设备及介质。
背景技术
由于目前新能源发电机组参与频率调节的控制器结构没有通用的规范，为了保证高比例新能源运行方式下系统对频率振荡模式能够提供足够的阻尼，对同步发电机的调速器参数进行整定优化是增强系统频率稳定性的有效方法。
为应对电力系统可能出现的频率振荡事件，现有方案主要考虑的是对采用PID(Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分)调节系统的水电机组调速器的PID参数进行整定优化，使输入转速偏差至输出原动机出力的单机调速系统开环传递函数的阶跃响应更快，同时满足单机调频闭环系统的最小阻尼比约束，以提升水电机组对处于低频段的频率振荡模式的阻尼。
但在实际应用中，由于频率是电力系统的共同因子，电力系统任何节点的发电或者负荷的变化都会通过频率的变化表现在整个系统当中，即会引起系统内部所有满足频率响应要求的发电机调速器动作。由此可见，现有方法仅考虑了单台机组的频率-有功调节过程，其频率响应的时域特性以及频域阻尼特性并不能表现为机组在整个同步系统当中的特性，从而使得通过计算所获得的参数优化结果具有一定的局限性。
发明内容
本发明提供了一种同步系统调速器参数优化方法、装置、电子设备及介质，用于解决或部分解决现有相关技术中针对同步系统进行调频时，调速器的参数优化存在局限性的技术问题。
本发明提供的一种同步系统调速器参数优化方法，所述方法包括：
获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
可选地，所述调速控制参数包括同步发电机的机组运行参数以及调速器的模型调速参数，所述多机负荷调频控制模型包括一次调频控制模型，所述基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型，包括：
对于每一台所述同步发电机，基于所述机组运行参数以及所述模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型；
建立多机等值发电机的转速方程，并结合所述转速方程以及各个所述状态空间模型，构建所述同步系统的一次调频控制模型，所述一次调频控制模型用于对所述同步系统中所有同步发电机进行一次调频。
可选地，所述机组运行参数包括同步发电机的转动惯量、机组容量、机组阻尼、所采用的原动机模型及其参数，所述模型调速参数包括调速器模型及其参数，所述基于所述机组运行参数以及所述模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型，包括：
根据所述转动惯量以及所述机组容量，计算所述同步发电机的惯性时间常数；
根据所述原动机模型及其参数，构建原动机状态空间模型，同时根据所述调速器模型及其参数，构建调速器状态空间模型；
分别对所述原动机状态空间模型以及所述调速器状态空间模型的时滞变量进行离散化处理，并结合所述惯性时间常数以及所述机组阻尼，采用离散化处理后的原动机状态空间模型以及调速器状态空间模型，构建所述同步发电机对应的单台机组一次调频的状态空间模型。
可选地，所述多机负荷调频控制模型还包括二次调频控制模型，所述基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型，还包括：
判断是否需要对所述同步系统进行二次调频，若是，则建立基于AGC简化模型的状态空间表达式；
获取所述同步系统的发电机组功率分配系数，所述发电机组功率分配系数表示需要参与二次调频的同步发电机组所对应的功率分配比例；
根据所述发电机组功率分配系数以及所述状态空间表达式，构建二次调频控制模型，所述二次调频控制模型用于对需要进行二次调频的同步发电机进行二次调频。
可选地，所述建立基于AGC简化模型的状态空间表达式，包括：
构建AGC简化模型；
以所述同步系统所对应区域内同步发电机的机组总容量作为基准容量，对所述AGC简化模型的时滞环节进行离散化建模，获得对应的状态空间表达式，所述状态空间表达式表征保留所述AGC简化模型的主体功能。
可选地，所述决策变量为机组容量大于预设容量阈值的同步发电机的调速器PID参数，所述目标函数对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式的最小阻尼比，所述约束条件表示所述调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部。
可选地，所述目标函数的确定过程，包括：
对所述多机负荷调频控制模型进行线性变换，获得调频控制变换矩阵，所述调频控制变换矩阵表示对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式；
求解所述调频控制变换矩阵，并将所述调频控制变换矩阵中位于z平面的系统特征值映射至s平面，以列写目标函数。
本发明还提供了一种同步系统调速器参数优化装置，包括：
多机负荷调频控制模型构建模块，用于获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
调速器参数优化模型构建模块，用于结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
调速器参数寻优求解模块，用于采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
本发明还提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上任一项所述的同步系统调速器参数优化方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上任一项所述的同步系统调速器参数优化方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
针对同步系统的频率调节控制，提供了一种调速器参数优化方法，首先获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于调速控制参数，构建同步系统的多机负荷调频控制模型，从而通过构建多机负荷调频控制模型，使得系统在进行有功-频率调节时，对多机负荷的频率控制更加灵活；接着结合多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立同步系统的调速器参数优化模型；然后采用调速器参数优化模型，根据决策变量、目标函数以及约束条件进行参数寻优求解，获得更全面的调速器参数优化结果，从而提高了系统的频率稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化方法的整体流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种AGC简化系统模型及多机负荷调频控制模型结构图；
图4为本发明实施例提供的一种原动机及调速器传递函数框架示意图；
图5为本发明实施例提供的一种调速器参数优化前后的发电机转速曲线对比图；
图6为本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化装置的结构框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种同步系统调速器参数优化方法、装置、电子设备及介质，用于解决或部分解决现有相关技术中针对同步系统进行调频时，调速器的参数优化存在局限性的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
作为一种示例，现有的同步电力系统频率控制方案主要考虑的是对采用PID调节系统的水电机组调速器的PID参数进行整定优化，使输入转速偏差至输出原动机出力的单机调速系统开环传递函数的阶跃响应更快，同时满足单机调频闭环系统的最小阻尼比约束，以提升水电机组对处于低频段的频率振荡模式的阻尼。
但在实际应用中，由于频率是电力系统的共同因子，电力系统任何节点的发电或者负荷的变化都会通过频率的变化表现在整个系统当中，即会引起系统内部所有满足频率响应要求的发电机调速器动作。由此可见，现有方法仅考虑了单台机组的频率-有功调节过程，其频率响应的时域特性以及频域阻尼特性并不能表现为机组在整个同步系统当中的特性，从而使得通过计算所获得的参数优化结果具有一定的局限性。
因此，本发明实施例的核心发明点之一在于：针对现有相关技术中所采用的分析模型只是局部的单机一次调频模型，所获得的参数优化结果具有局限性的问题，从实际系统的频率是由所有在线发电机组共同调节这一层面出发进行考虑，提供一种基于同步系统负荷频率控制模型的、能够提高同步电力系统频率稳定性的调速器PID参数的优化方法，首先获取同步系统所有同步发电机组的相关调速控制参数，接着建立单机一次调频的状态空间模型，结合多机等值发电机的转速方程，形成同步系统的一次调频控制模型；在考虑二次调频情况下，建立AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)系统简化模型，以形成同步系统的二次调频控制模型，从而通过构建包含一次调频与二次调频的多机负荷调频控制模型，使得系统在进行有功-频率调节时，可以在对同步系统区域内同步发电机进行一次调频基础上，进一步对区域内全局或者局部范围的同步发电机进行二次调频，从而不仅可以使多机负荷频率控制更加灵活，还可以大幅提升建模精度；最后通过构建同步系统的调速器参数优化模型，并采用智能优化算法进行参数寻优求解，获得使频率振荡模式阻尼比更高的调速器PID参数，从而提高系统的频率稳定性；同时，因本发明技术方案从同步系统的整体角度出发进行多机系统调速器PID参数的协调优化，从而能够用以指导大规模电力系统增强频率稳定性的调速器PID参数整定设计。
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化方法的步骤流程图，具体可以包括以下步骤：
步骤101，获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
同步系统(Synchronization System)指的是将交流同步发电机并入电力系统或使2个电力系统并列运行的系统，也是自动化控制技术发展的一个重要方向，广泛应用于水力发电、水电站电气回路及变电设备等相关领域，在本发明实施例中，可以将同步系统理解为包含了多个同步发电机的一个运行系统，该运行系统可以对应为单个电力系统，也可以对应为2个及以上电力系统并列运行的系统，可以理解的是，本发明对此不作限制。
在实际应用中，为保证电力系统的正常稳定运行，往往需要根据当前系统的运行情况对同步系统进行调频，本发明实施例中，主要通过构建同步系统的调频控制模型，并基于调频控制模型实现针对同步发电机组的调频，因此，可以获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数(可以进一步划分为同步发电机的机组运行参数以及调速器的模型调速参数)，如同步发电机的转动惯量、机组容量、机组阻尼、所采用的原动机模型及其参数(即机组运行参数)，调速器的模型及其参数(即模型调速参数)，接着基于这些调速控制参数，可以形成单台机组一次调频所对应的状态空间模型，然后建立多机等值发电机的转速方程，以形成同步系统中多台同步发电机一次调频所对应的多机负荷频率控制模型。
具体地，对于一次调频而言，此时多机负荷调频控制模型可以包括一次调频控制模型，则基于调速控制参数，构建同步系统的多机负荷调频控制模型的步骤，可以包括：
步骤S01：对于每一台同步发电机，基于机组运行参数以及模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型；
进一步地，基于机组运行参数以及模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型的步骤，可以包括：
步骤S011：根据转动惯量以及机组容量，计算同步发电机的惯性时间常数；
假设同步电力系统中的同步发电机有n台，第i台同步发电机的转动惯量(旋转动能)、机组容量(额定容量)以及机组阻尼分别记为Ei、Si、Di，根据转动惯量Ei以及机组容量Si，通过如下式子(1)可以得到以Si为基准的第i台同步发电机的发电机惯性时间常数TJi：
TJi＝2Ei/Si (1)
步骤S012：根据原动机模型及其参数，构建原动机状态空间模型，同时根据调速器模型及其参数，构建调速器状态空间模型；
步骤S013：分别对原动机状态空间模型以及调速器状态空间模型的时滞变量进行离散化处理，并结合惯性时间常数以及机组阻尼，采用离散化处理后的原动机状态空间模型以及调速器状态空间模型，构建同步发电机对应的单台机组一次调频的状态空间模型。
在以Si为基准容量的第i台同步发电机组所对应的原动机、调速器模型中，可以根据各自的模型结构以及具体参数，形成各自对应的状态空间模型，即原动机对应的原动机状态空间模型，以及调速器对应的调速器状态空间模型，接着可以分别对这两个状态空间模型中的时滞变量进行离散化处理，获得原动机(对应式子(2))以及调速器(对应式子(3))的数学模型分别为：
其中，zTi为第i台同步发电机组原动机的状态变量和代数变量所组成的向量集合，zGi为第i台同步发电机组调速器模型的状态变量和代数变量所组成的向量集合，前缀Δ表示参数偏差量，TTi、JTi、TGi、JGi均为系数矩阵，ΔPmi为原动机输出功率偏差，ΔPGi表示输入原动机的调速器输出开度偏差，ΔPrefi表示输入原动机的调速器参考功率值偏差，Δf为系统频率偏差，其值在标幺值下与输入调速器的转速偏差相等，aTi、bTi、aGi、bGi和表示输入向量，cTi、cGi表示输出向量，参数右上方角标“T”表示矩阵转置，参数正上方角标“·”表示对状态空间模型中相关时滞变量进行了离散化处理。
进一步地，结合惯性时间常数TJi、机组阻尼Di，以及上述式子(2)与(3)，可以构建第i台同步发电机组的单台机组一次调频的状态空间模型为：
更进一步地，上述式子(4)可以改写成如下分块矩阵结构：
其中，Ti、Ji、kTi、kJi均为系数矩阵，ΔPei表示同步发电机的电磁功率偏差，ePmi为表征原动机输出功率偏差ΔPmi在zi的具体位置向量，zi为状态变量与代数变量的集合向量，kAGCi表示第i台同步发电机组所对应的输入向量。
步骤S02：建立多机等值发电机的转速方程，并结合转速方程以及各个状态空间模型，构建同步系统的一次调频控制模型，一次调频控制模型用于对同步系统中所有同步发电机进行一次调频。
假设同步电力系统区域内所有同步发电机严格保持同步，则可以建立多机等值发电机的转速方程为：
其中，为第i台发电机额定容量占区域内所有同步发电机总容量的比值，ΔPL为多机等值的系统负荷变化量，其值与所有同步发电机的电磁功率偏差ΔPei之和相等，同时考虑到负荷具有一阶的静态频率特性，即/>Kf为静态频率放大因数。
进一步地，可以将单台机组一次调频的状态空间模型推广至多台机组，此时，若不考虑二次调频过程，可以令式(4)的ΔPrefi＝0，结合式(6)的多机等值发电机转速方程，形成同步系统一次调频的负荷频率控制模型为：
可以理解的是，式(7)可以看作是式(4)经过推广后的通用模型，即式(4)所对应的一次调频状态空间模型，仅适用于单台机组的情况，而式(7)所对应的同步系统一次调频控制模型，可以适用于同步系统含任意台机组(即n台同步发电机，n为正整数)的情况，也就是说，式(4)实际上是式(7)在n＝1时的特殊情况，本发明实施例中，先列写式(4)再列写式(7)，是为了在实现单台机组调频基础上，可以结合多机等值处理方式，得出适用于多台机组调频的同步系统一次调频控制模型。
若考虑二次调频，则可以建立保留主体功能的AGC系统简化模型，即建立AGC系统简化模型的状态空间表达式，接着获取同步系统中参与二次调频的发电机组功率分配系数，形成考虑二次调频的同步系统负荷频率控制模型。
其中，在电力系统中，AGC是调节不同发电厂的多个发电机有功输出以响应负荷的变化的系统，是能量管理系统(Energy Management System，EMS)中的一项重要功能，AGC控制着调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需求，并使系统处于经济的运行状态。
作为一种可选实施例，假设在一次调频基础上，需要对全部同步发电机或者部分同步发电机进行二次调频，此时多机负荷调频控制模型还可以包括二次调频控制模型，则基于调速控制参数，构建同步系统的多机负荷调频控制模型的过程，还可以包括如下步骤：
步骤S11：判断是否需要对同步系统进行二次调频，若是，则建立基于AGC简化模型的状态空间表达式；
进一步地，建立基于AGC简化模型的状态空间表达式，具体可以为：首先构建AGC简化模型；接着以同步系统所对应区域内同步发电机的机组总容量作为基准容量，对AGC简化模型的时滞环节进行离散化建模，获得对应的状态空间表达式，状态空间表达式表征保留AGC简化模型的主体功能。
以同步系统区域内同步发电机总容量为基准容量，对AGC简化模型的时滞环节进行离散化建模后，可以获得保留了主体功能的AGC简化模型，其状态空间表达式可以写成：
其中，TAGC、JAGC均为系数矩阵，zAGC,b为AGC系统向量zAGC在时刻t＝bT的离散采样点，kAGC表示AGC简化模型的输入向量，为表征AGC输出调节功率PAGC在zAGC的具体位置向量，T为AGC控制命令周期。
步骤S12：获取同步系统的发电机组功率分配系数，发电机组功率分配系数表示需要参与二次调频的同步发电机组所对应的功率分配比例；
假设同步系统区域内不参与二次调频的同步发电机的功率分配系数为0，则区域内第i台同步发电机参与二次调频的功率分配系数可以表示为αi，其中，功率分配系数αi根据实际情况和系统需求而确定，在实际情况中，需要考虑各机组的容量、电网损耗、稳定性等因素。
步骤S13：根据发电机组功率分配系数以及状态空间表达式，构建二次调频控制模型，二次调频控制模型用于对需要进行二次调频的同步发电机进行二次调频。
引入发电机组功率分配系数αi之后，则式(4)或(5)中ΔPrefi＝αiΔPAGC/ki，此时，结合式(8)，所形成的考虑二次调频的同步系统负荷频率控制模型(即二次调频控制模型)为：
其中，T、J、K均为系数矩阵。
通过前述步骤可以看出，本发明实施例所采用的调频控制模型是基于同步系统的多机负荷频率控制模型，该模型包含了一次调频以及二次调频两部分模型，使得系统在进行有功-频率调节时，可以在对同步系统区域内同步发电机进行一次调频基础上，进一步对区域内全局或者局部范围的同步发电机进行二次调频，从而不仅可以使多机负荷频率控制更加灵活，还可以大幅提升建模精度。同时，在进行建模时，采用了模块化建模方法，通过建立保留控制系统矩阵稀疏特性的状态空间模型，能够快速求解优化模型目标函数所考虑的振荡模式。
步骤102，结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
接着可以建立基于同步系统多机负荷调频控制模型的发电机调速器PID参数优化模型，在这个过程中，需要先确定决策变量、目标函数以及约束条件，其中，决策变量指的是机组容量大于预设容量阈值的同步发电机的调速器PID参数，目标函数对应多机负荷调频控制模型中所有振荡模式最小阻尼比的最大化，约束条件指的是调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部。
具体地，建立同步系统的调速器参数优化模型的决策变量可以为机组容量大于容量阈值S0的同步发电机组调速器PID参数的组合，假设满足机组容量大于容量阈值S0的同步发电机组有m台，则优化模型的决策变量k是同步发电机的调速器PID参数，即k＝[KP1 KI1KD1 … KPm KIm KDm]T，KPm、KIm、KDm分别表示调速器PID参数中的比例系数、积分系数以及微分系数，m是系统中机组容量大于容量阈值S0的同步发电机组数目。
进一步地，目标函数的确定过程可以为：首先对多机负荷调频控制模型进行线性变换，获得调频控制变换矩阵，其中，调频控制变换矩阵表示对应多机负荷调频控制模型中所有振荡模式；接着求解调频控制变换矩阵，并将调频控制变换矩阵中位于z平面的系统特征值映射至s平面，以列写目标函数。
结合前述内容可知，同步系统调速器参数优化模型的目标函数对应负荷频率控制系统中所有振荡模式的最小阻尼比，其大小直接体现在系统频率的动态响应特性上，从而得到的参数优化结果能够保证系统对频率振荡的阻尼，即能提高系统的频率稳定性。
从而，目标函数需要求解多机负荷调频控制模型的所有振荡模式，因此，对于同步系统的一次调频控制模型(即对应式(7))，可以线性变换为：
接着可以求解上式(10)中所有振荡模式的状态矩阵为：
其中，T11、T12、J11、J12、J21、J22均为系数矩阵，x、y分别表示一次调频控制模型的状态变量和代数变量。
同理，对于考虑二次调频的二次调频控制模型(即对应式(9))，可以线性变换为：
消去Δy得：
其中，K11、K21均为系数矩阵，xb、yb分别表示二次调频控制模型的状态变量和代数变量，对应为一次调频振荡模式的状态矩阵，对应为二次调频振荡模式的系数矩阵。
接着求解式(13)，将其在各个采样点处进行离散化处理，可以求解其对应离散时间系统所有振荡模式的状态矩阵为：
其中，I表示单位矩阵，此时，系统特征值λ位于z平面，可以映射到s平面，即λ＝ln(Re±jθ)/T＝lnR/T±jθ/T。
接着可以列写调速器参数优化模型的目标函数J(k)为：
J(k)＝min[ζp(A(k))] (15)
其中，min表示最小值求解，ζp(A(k))表示调速器PID参数为k时，系统状态矩阵A的第p个振荡模式的阻尼比。
对于式(11)或式(14)所示的系统状态矩阵，s平面复共轭特征值λp＝σp±jωp对应为一个振荡模式p，该模式对应的阻尼比为σp表示复数的模，指z平面距离原点的距离，ωp表示复数的辐角，指z平面与横轴的夹角。
调速器参数优化模型的约束条件为调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部，即k∈[lb,ub]，其中，lb和ub分别表示PID参数可调节区间边界值组成的上、下边界集合向量。
步骤103，采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
结合前述步骤，最终可以得出参数调整优化问题的数学模型为：
max J(k)
s.t.k∈[lb,ub] (16)
其中，max表示最大值求解，s.t.表示约束条件。
接着可以通过智能优化算法求解上述优化问题，获得的全局最优解，即为调速器PID参数的优化结果，其中，在进行参数寻优时，本领域技术人员可以根据实际需求，采用常用的智能优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法或者蚁群算法等各种优化类算法进行优化问题求解，可以理解的是，本发明对此不作限制。
在本发明实施例中，提供了一种同步系统调速器PID参数的优化方法，首先获取同步系统所有同步发电机组的相关调速控制参数，接着建立单机一次调频的状态空间模型，结合多机等值发电机的转速方程，形成同步系统的一次调频控制模型；在考虑二次调频情况下，建立AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)系统简化模型，以形成同步系统的二次调频控制模型，从而通过构建包含一次调频与二次调频的多机负荷调频控制模型，使得系统在进行有功-频率调节时，可以在对同步系统区域内同步发电机进行一次调频基础上，进一步对区域内全局或者局部范围的同步发电机进行二次调频，从而不仅可以使多机负荷频率控制更加灵活，还可以大幅提升建模精度；最后通过构建同步系统的调速器参数优化模型，并采用智能优化算法进行参数寻优求解，获得使频率振荡模式阻尼比更高的调速器PID参数，从而提高系统的频率稳定性。
为了更好地进行说明，参照图2，示出了本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化方法的整体流程示意图，需要指出的是，本实施例仅以同步系统调速器参数优化方法的大体流程进行简要说明，各个步骤的详细流程可以参照前述实施例中相关内容，可以理解的是，本发明对此不作限制。
第一步：输入同步系统中所有同步发电机的转动惯量、机组容量和机组阻尼以及所采用的原动机、调速器的模型及参数；
第二步：形成单台机组一次调频的状态空间模型，建立多机等值发电机的转速方程，形成同步系统一次调频的负荷频率控制模型；
第三步：若考虑二次调频，建立AGC系统简化模型，获取参与二次调频的发电机组功率分配系数，形成考虑二次调频的同步系统负荷频率控制模型；
第四步：建立基于同步系统多机负荷频率控制模型的发电机调速器PID参数优化模型，其中，决策变量是容量大于阈值的同步发电机的调速器PID参数，目标函数是所有振荡模式最小阻尼比的最大化，约束条件是调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部；
第五步：利用智能优化算法求解优化问题，得到的全局最优解即为调速器参数优化结果。
为了便于理解，也为验证本发明实施例所提出的基于同步系统负荷频率控制模型的调速器参数优化方法的有效性，以下通过一个具体示例对本发明实施例进行描述。
本示例采用标准的四机两区域系统，在测试系统中，AGC简化系统模型及多机负荷调频控制模型结构图如图3所示，4台发电机组均采用的GM(Genarator-Motor，发电机电动机一体化)型调节系统+GA(Asynchronous Generator，异步发电机)型电液伺服系统+TW型水轮机，具体的原动机及调速器传递函数框架示意图如图4所示，其中，发电机2与4参加二次调频，功率分配系数[α1,α2,α3,α4]＝[0,0.6,0,0.4]。
在如图3所示的一次调频基础上，建立四机系统所对应的考虑二次调频的负荷频率控制模型，可以写成如式(12)所示的用矩阵(J,T,K)表示的系统，从而可以得到其对应的离散化系统状态矩阵(对应式(14))，接着可以采用智能优化算法进行调速器参数优化模型的求解。
示例性地，表1示出了4台发电机组调速器PID参数优化前后，负荷频率控制模型对应的离散化系统状态矩阵的关键振荡模式：
| 项目 | 参数优化前 | 参数优化后 |
| z平面关键振荡模式 | 1.082∠±127.199° | 0.324∠±41.100° |
| s平面关键振荡模式 | 0.013±j0.371 | -0.188±j0.120 |
| 频率/Hz | 0.059 | 0.019 |
| 阻尼比 | -0.035 | 0.843 |
表1：调速器参数优化前后测试系统的关键振荡模式
从表1的调速器参数优化结果可以看出，在同步系统对应的负荷调频控制系统当中，系统振荡模式的最小阻尼比得到了明显的提升，也就是说，调速器参数优化后的负荷调频控制系统对频率振荡的阻尼得到了明显提升。
进一步地，在四机两区域系统的机电暂态仿真模型中采用优化前后调速器PID参数值进行负荷阶跃扰动的时域仿真，参数优化前后测试系统的发电机转速曲线如图5所示，由图5可以看出，原始的同步系统频率稳定性得到了增强，从而验证了采用基于同步系统的负荷调频控制模型进行调速器PID参数优化，对于增强系统频率稳定性而言是有效的。
需要说明的是，上述说明仅为本发明的其中一个具体实施例，可以知悉的是，本领域技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及技术方案的前提下，可以在包含不同调速器、原动机模型的火电、水电以及新能源参与频率响应等更加复杂的同步电力系统中做出多种类似的表示，只需在构建同步系统的多机负荷调频控制模型中加入对应的频率响应模型，后续执行相同或相似的操作，即可建立对应的负荷频率控制模型，然后构建相同的优化模型以对同步发电机组调速器PID参数进行优化，可以理解的是，类似这种处理以及变换方式，均落入本发明保护范围之内。
参照图6，示出了本发明实施例提供的一种同步系统调速器参数优化装置的结构框图，具体可以包括：
多机负荷调频控制模型构建模块601，用于获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
调速器参数优化模型构建模块602，用于结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
调速器参数寻优求解模块603，用于采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
在一种可选实施例中，所述调速控制参数包括同步发电机的机组运行参数以及调速器的模型调速参数，所述多机负荷调频控制模型包括一次调频控制模型，所述多机负荷调频控制模型构建模块601包括：
一次调频状态空间模型构建模块，用于对于每一台所述同步发电机，基于所述机组运行参数以及所述模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型；
一次调频控制模型构建模块，用于建立多机等值发电机的转速方程，并结合所述转速方程以及各个所述状态空间模型，构建所述同步系统的一次调频控制模型，所述一次调频控制模型用于对所述同步系统中所有同步发电机进行一次调频。
在一种可选实施例中，所述机组运行参数包括同步发电机的转动惯量、机组容量、机组阻尼、所采用的原动机模型及其参数，所述模型调速参数包括调速器模型及其参数，所述一次调频状态空间模型构建模块包括：
惯性时间常数计算模块，用于根据所述转动惯量以及所述机组容量，计算所述同步发电机的惯性时间常数；
参数状态空间模型构建模块，用于根据所述原动机模型及其参数，构建原动机状态空间模型，同时根据所述调速器模型及其参数，构建调速器状态空间模型；
一次调频状态空间模型构建子模块，用于分别对所述原动机状态空间模型以及所述调速器状态空间模型的时滞变量进行离散化处理，并结合所述惯性时间常数以及所述机组阻尼，采用离散化处理后的原动机状态空间模型以及调速器状态空间模型，构建所述同步发电机对应的单台机组一次调频的状态空间模型。
在一种可选实施例中，所述多机负荷调频控制模型还包括二次调频控制模型，所述多机负荷调频控制模型构建模块601还包括：
状态空间表达式建立模块，用于判断是否需要对所述同步系统进行二次调频，若是，则建立基于AGC简化模型的状态空间表达式；
发电机组功率分配系数获取模块，用于获取所述同步系统的发电机组功率分配系数，所述发电机组功率分配系数表示需要参与二次调频的同步发电机组所对应的功率分配比例；
二次调频控制模型构建模块，用于根据所述发电机组功率分配系数以及所述状态空间表达式，构建二次调频控制模型，所述二次调频控制模型用于对需要进行二次调频的同步发电机进行二次调频。
在一种可选实施例中，所述状态空间表达式建立模块包括：
AGC简化模型构建模块，用于构建AGC简化模型；
状态空间表达式建立子模块，用于以所述同步系统所对应区域内同步发电机的机组总容量作为基准容量，对所述AGC简化模型的时滞环节进行离散化建模，获得对应的状态空间表达式，所述状态空间表达式表征保留所述AGC简化模型的主体功能。
在一种可选实施例中，所述决策变量为机组容量大于预设容量阈值的同步发电机的调速器PID参数，所述目标函数对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式的最小阻尼比，所述约束条件表示所述调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部。
在一种可选实施例中，所述装置还包括：
调频控制变换矩阵生成模块，用于对所述多机负荷调频控制模型进行线性变换，获得调频控制变换矩阵，所述调频控制变换矩阵表示对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式；
目标函数列写模块，用于求解所述调频控制变换矩阵，并将所述调频控制变换矩阵中位于z平面的系统特征值映射至s平面，以列写目标函数。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见前述方法实施例的部分说明即可。
本发明实施例还提供了一种电子设备，设备包括处理器以及存储器：
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器用于根据程序代码中的指令执行本发明任一实施例的同步系统调速器参数优化方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行本发明任一实施例的同步系统调速器参数优化方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，包括：
获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
2.根据权利要求1所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述调速控制参数包括同步发电机的机组运行参数以及调速器的模型调速参数，所述多机负荷调频控制模型包括一次调频控制模型，所述基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型，包括：
对于每一台所述同步发电机，基于所述机组运行参数以及所述模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型；
建立多机等值发电机的转速方程，并结合所述转速方程以及各个所述状态空间模型，构建所述同步系统的一次调频控制模型，所述一次调频控制模型用于对所述同步系统中所有同步发电机进行一次调频。
3.根据权利要求2所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述机组运行参数包括同步发电机的转动惯量、机组容量、机组阻尼、所采用的原动机模型及其参数，所述模型调速参数包括调速器模型及其参数，所述基于所述机组运行参数以及所述模型调速参数，形成单台机组一次调频的状态空间模型，包括：
根据所述转动惯量以及所述机组容量，计算所述同步发电机的惯性时间常数；
根据所述原动机模型及其参数，构建原动机状态空间模型，同时根据所述调速器模型及其参数，构建调速器状态空间模型；
分别对所述原动机状态空间模型以及所述调速器状态空间模型的时滞变量进行离散化处理，并结合所述惯性时间常数以及所述机组阻尼，采用离散化处理后的原动机状态空间模型以及调速器状态空间模型，构建所述同步发电机对应的单台机组一次调频的状态空间模型。
4.根据权利要求2所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述多机负荷调频控制模型还包括二次调频控制模型，所述基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型，还包括：
判断是否需要对所述同步系统进行二次调频，若是，则建立基于AGC简化模型的状态空间表达式；
获取所述同步系统的发电机组功率分配系数，所述发电机组功率分配系数表示需要参与二次调频的同步发电机组所对应的功率分配比例；
根据所述发电机组功率分配系数以及所述状态空间表达式，构建二次调频控制模型，所述二次调频控制模型用于对需要进行二次调频的同步发电机进行二次调频。
5.根据权利要求4所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述建立基于AGC简化模型的状态空间表达式，包括：
构建AGC简化模型；
以所述同步系统所对应区域内同步发电机的机组总容量作为基准容量，对所述AGC简化模型的时滞环节进行离散化建模，获得对应的状态空间表达式，所述状态空间表达式表征保留所述AGC简化模型的主体功能。
6.根据权利要求1至5任一项所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述决策变量为机组容量大于预设容量阈值的同步发电机的调速器PID参数，所述目标函数对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式的最小阻尼比，所述约束条件表示所述调速器PID参数在满足单机动作特性要求的可调节区间内部。
7.根据权利要求6所述的同步系统调速器参数优化方法，其特征在于，所述目标函数的确定过程，包括：
对所述多机负荷调频控制模型进行线性变换，获得调频控制变换矩阵，所述调频控制变换矩阵表示对应所述多机负荷调频控制模型中所有振荡模式；
求解所述调频控制变换矩阵，并将所述调频控制变换矩阵中位于z平面的系统特征值映射至s平面，以列写目标函数。
8.一种同步系统调速器参数优化装置，其特征在于，包括：
多机负荷调频控制模型构建模块，用于获取同步系统中所有同步发电机的调速控制参数，并基于所述调速控制参数，构建所述同步系统的多机负荷调频控制模型；
调速器参数优化模型构建模块，用于结合所述多机负荷调频控制模型，确定决策变量、目标函数以及约束条件，以建立所述同步系统的调速器参数优化模型；
调速器参数寻优求解模块，用于采用所述调速器参数优化模型，根据所述决策变量、所述目标函数以及所述约束条件进行参数寻优求解，获得调速器参数优化结果。
9.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-7任一项所述的同步系统调速器参数优化方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-7任一项所述的同步系统调速器参数优化方法。
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