发电机控制设备对电力系统振荡影响的辨识方法

摘要

本发明提出一种发电机控制设备对系统振荡影响的辨识方法，包括以下步骤：首先获取必要的发电机参数和励磁设备控制模型，然后获取有关的发电机量测信号，进而搭建励磁设备模型并使用在线量测作为输入进行仿真，得到相应的仿真输出，根据该输出可以计算励磁设备和电力系统稳定器分别对系统振荡影响的指标。本发明只需要对部分控制设备搭建仿真模型，对模型和参数的依赖程度低，并通过量测结合仿真的方法减小了系统分析的难度，可推广到各种复杂模型、连接关系的控制系统中，具有很好的通用性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统稳定分析与控制技术领域，具体涉及一种发电机控制设备对电力系 统振荡影响的辨识方法。

背景技术

在互联电力系统中，特定工况下的故障可能引起发电机转子间的相对摇摆，相应的输电 线路上可能发生大幅功率振荡，从而威胁电力传输的安全。近年来国内外发生的多起振荡事 故表明，功率振荡问题已经成为互联电力系统发展的关键瓶颈之一。

关于引发振荡的原因，传统负阻尼机理认为，高倍快速励磁系统会削弱所在发电机的阻 尼转矩，进而导致系统负阻尼模式的出现。最近各类文献中的仿真研究也表明，励磁系统中 的励磁设备（包括励磁调节器AVR和励磁机Exciter，下文统称AVR）或者电力系统稳定器 （PSS）的参数不当可能导致系统大幅振荡。

显然，如果能够在线地定位振荡源，就能够为及时采取针对性措施抑制振荡提供极大便 利。目前不少学者已经开始在这方面开展了研究。最初有学者定义了发电机能量来寻找强迫 振荡中干扰源所在的发电机组，并在此基础上进一步发展了基于支路能量的方法，可通过量 测线路状态量对电力网络中的能量流进行溯源，从而判断振荡源所在区域。在成功找到振荡 源所在发电机组之后，又有学者成功地根据机端母线量测找到了振荡源所在的发电机内部控 制通道，即判断振荡源位于励磁系统还是调速系统上。

现有的研究已经可以将振荡源定位工作深入到发电机内部的控制系统，一般来说，控制 系统是由若干控制设备以串联或并联的形式组成，例如现代电力系统中发电机励磁系统一般 是由PSS和AVR串联而成。因此很自然地，如果已经确定振荡源位于励磁系统中，能否进 一步判断出振荡源是位于此控制系统中何种设备上。

实现这个目标的关键点是辨识两类控制设备即AVR和PSS在振荡过程中的作用。

发明内容

本发明的目的是提出一种辨识发电机控制设备对系统振荡的影响的方法，基于发电机在 线量测信号，结合离线建模仿真的方法，计算不同控制设备对系统振荡的影响指标，从而据 此判断振荡源位于何种控制设备。

根据本发明实施例的发电机控制设备对系统振荡影响的辨识方法，包括以下步骤：

(1)从相关建模报告中获得AVR的控制函数框图及控制参数，并利用离线建模工具搭建 时域仿真分析模型；

(2)从发电机铭牌中获取以下参数：T′_d0：d轴开路暂态时间常数，x_d：d轴同步电抗，x′_d： d轴瞬变电抗；

(3)获取时间段[t₁,t₂]内如下物理量的在线量测值：U_t：发电机机端电压幅值量测， E_f：发电机励磁电压，E′_q：发电机q轴瞬变电动势；

(4)通过对(2)中量测值进行简单处理得到以下参数：U_ref：AVR对机端电压参考值的整 定结果，E_f0：发电机励磁电压的稳态值；

(5)以U_ref-U_t作为（1）中所搭建模型的输入信号，在时间段[t₁,t₂]进行仿真得到输出 E_{f_avr}；

(6)按公式E_{f_pss}=E_f-E_f0-E_{f_avr}计算E_{f_pss}；

(7)对E′_q做数值微分得到其导数然后根据公式计算q轴空载电动势 E_q；

(8)对时间段[t₁,t₂]内任一时间点τ，均按下式计算判断励磁控制设备对系统振荡影响的 指标：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{avr}}\left(\tau \right)={\int }_{t_1}^{\tau }\frac{E_{f\_\mathrm{avr}}}{T_{d0}^{\prime }}\frac{E_q}{x_d-x_d^{\prime }}\mathrm{dt}\\ V_{\mathrm{pss}}\left(\tau \right)={\int }_{t_1}^{\tau }\frac{E_{f\_\mathrm{pss}}}{T_{d0}^{\prime }}\frac{E_q}{x_d-x_d^{\prime }}\mathrm{dt}\end{array}\right)$

(9)根据步骤（8）中公式计算的指标进行如下判断：

a)若V_avr(τ)随时间单调减或恒定，V_pss(τ)随时间单调增，说明PSS对振荡起激励 作用，振荡源应位于PSS上；

b)若V_avr(τ)随时间单调增，V_pss(τ)随时间单调减或恒定，说明AVR对振荡起激励 作用，振荡源应位于AVR上；

c)若V_avr(τ)随时间单调减或恒定，V_pss(τ)随时间单调减或恒定，说明AVR和PSS 都不对振荡起激励作用，两种设备上都没有振荡源。

本发明提出的发电机控制设备对系统振荡影响的辨识方法，具有以下优点：对模型和参 数依赖小，只需要对部分控制设备搭建仿真模型；仿真结合量测的方法，减小了系统分析的 难度，可推广到各种复杂模型、连接关系的控制系统中，具有很好的通用性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：

图1是本发明实施例的有效性测试系统的接线图；

图2是根据获得的AVR控制框图搭建的Simulink仿真模型的示意图；

图3是本发明一个实施例中量测所得的励磁电压的波形；

图4是本发明一个实施例中AVR仿真模型的输入即机端电压偏差的波形；

图5是本发明一个实施例中AVR仿真模型仿真所得的波形；

图6是根据图3、图5所示波形及式(1)计算所得的波形；

图7是根据量测所得并做数值微分所得的，并结合式(2)计算所得的波形；

图8是对第一仿真算例计算得到的AVR和PSS分别对振荡激励作用的指标；

图9是对第二仿真算例计算得到的AVR和PSS分别对振荡激励作用的指标；

图10是对第三仿真算例计算得到的AVR和PSS分别对振荡激励作用的指标。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚 度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺 时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特 定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含 地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非 另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机 械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以 包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们 之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一 特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特 征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅 仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的目的是提出一种辨识发电机控制设备对系统振荡的影响的方法，基于发电机在 线量测信号，结合离线建模仿真的方法，计算不同控制设备对系统振荡的影响指标，从而据 此判断振荡源位于何种控制设备。

根据本发明实施例的发电机控制设备对系统振荡影响的辨识方法，包括以下步骤：

(1)从相关建模报告中获得AVR的控制函数框图及控制参数，并利用离线建模工具（例 如Simulink）搭建时域仿真分析模型。

(2)从发电机铭牌中获取以下参数：

T′_d0：d轴开路暂态时间常数；

x_d：d轴同步电抗；

x′_d：d轴瞬变电抗。

(3)获取时间段[t₁,t₂]内如下物理量的在线量测值：

U_t：发电机机端电压幅值量测（标幺值）；

E_f：发电机励磁电压（标幺值）；

E′_q：发电机q轴瞬变电动势。

(4)通过对(2)中量测值进行简单处理得到以下参数：

U_ref：AVR对机端电压参考值的整定结果（标幺值，一般可从现场相关运行资料中获 得，仿真中可通过对取稳态值得到）；

E_f0：发电机励磁电压的稳态值（可通过对E_f取稳态值得到）。

(5)以U_ref-U_t作为（1）中所搭建模型的输入信号，在时间段[t₁,t₂]进行仿真得到输出 E_{f_avr}；

(6)按下列公式计算E_{f_pss}：

E_{f_pss}＝E_f-E_f0-E_{f_avr}      （1）

(7)对E′_q做数值微分得到其导数然后根据下列公式计算q轴空载电动势E_q：

$E_q=E_f-T_{d0}^{\prime }{\stackrel{.}{E}}_q^{\prime }---\left(2\right)$

(8)对时间段[t₁,t₂]内任一时间点τ，均按下式计算判断励磁控制设备对系统振荡影响的 指标：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{avr}}\left(\tau \right)={\int }_{t_1}^{\tau }\frac{E_{f\_\mathrm{avr}}}{T^{d0}}\frac{E_q}{x_d-x_d^{\prime }}\mathrm{dt}\\ V_{\mathrm{pss}}\left(\tau \right)={\int }_{t_1}^{\tau }\frac{E_{f\_\mathrm{pss}}}{T_{d0}^{\prime }}\frac{E_q}{x_d-x_d^{\prime }}\mathrm{dt}\end{array}\right)---\left(3\right)$

(9)根据式(3)计算的指标进行如下判断：

a)若V_avr(τ)随时间单调减或恒定，V_pss(τ)随时间单调增，说明PSS对振荡起激励 作用，振荡源应位于PSS上；

b)若V_avr(τ)随时间单调增，V_pss(τ)随时间单调减或恒定，说明AVR对振荡起激励 作用，振荡源应位于AVR上；

c)若V_avr(τ)随时间单调减或恒定，V_pss(τ)随时间单调减或恒定，说明AVR和PSS

都不对振荡起激励作用，两种设备上都没有振荡源。

本发明提出的发电机控制设备对系统振荡影响的辨识方法，具有以下优点：对模型和参 数依赖小，只需要对部分控制设备搭建仿真模型；仿真结合量测的方法，减小了系统分析的 难度，可推广到各种复杂模型、连接关系的控制系统中，具有很好的通用性。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，现结合附图介绍本发明方法的实施示例：

用于验证此方法有效性的IEEE-39节点标准数据系统接线图如图1所示。图1中，旁边 有阿拉伯数字的粗线段表示电力系统中的母线，阿拉伯数字是母线编号；母线上的箭头表示 电力系统中的负荷；母线上的G代表此母线上连接有发电机。

第一仿真算例：

发电机G4上装设合理参数的AVR和错误参数的PSS

在G4上安装合理参数的AVR，以及错误参数的PSS（PSS增益被错误地设置为负）， 因此系统在扰动后发生了增幅振荡。

按照本发明方法的步骤，首先获取并搭建AVR的Simulink仿真模型如图2所示，该AVR 的模型包括了输入量测环节和简单的惯性放大环节。然后获取必要的参数和量测，其中励磁 电压E_f如图3所示；根据此模型进行仿真，仿真中AVR的输入即机端电压偏差U_ref-U_t如 图4所示，仿真所得输出即E_{f_avr}如图5所示；根据式(1)得到E_{f_pss}如图6所示；按照式(2) 进行处理得到E_q如图7所示；根据式(3)计算两种控制设备对系统振荡的激励作用指标如图 8所示。

从图8可以看到，V_avr在10s以后基本维持恒定，而V_pss却迅速单调增加，因此可判定PSS 对振荡有激励作用，振荡源应位于PSS上，这与仿真设定相符。

第二仿真算例：

发电机G4上装设错误参数的AVR和合理参数的PSS

发电机G4上安装合理参数的PSS，以及错误参数的AVR（励磁增益倍数过大，导致了 系统负阻尼），因此系统在扰动后发生了增幅振荡。

按照本发明的方法，计算得到AVR和PSS对振荡的激励作用指标如图9所示。由图可 知，AVR对振荡激励作用明显，振荡源应位于AVR上，这与仿真设定相符。

第三仿真算例：

发电机G4上装设合理参数的AVR和PSS

在G4上安装合理参数的AVR和PSS，系统在扰动后发生衰减振荡。按照本发明的方法， 计算AVR和PSS对系统振荡的激励作用指标，如图10所示。由图可知，在10s之后，V_avr和 V_pss随时间都基本恒定，因此两种控制设备上都不存在振荡源，这与仿真设定相符。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一 个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部 分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的 顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被 本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含 于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的 是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或 多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下 在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。