基于PMU数据的发电机AGC功率调节线性特性的分析方法

摘要

本发明针对现有的发电机调节性能分析方法不能对发电机AGC调节的线性特性以及实际调节特性与申报的线性特性的差别进行校核的缺点，提出了一种对发电机的AGC调节速率的线性特性及其偏离申报的线性调节性能的程度的分析方法。该方法利用AGC调节过程中PMU记录的机端有功功率变化曲线和AGC指令信息依次计算该发电机AGC功率调节的三角形参数、最短调节轨迹参数、功率调节线性特性参数以及考虑线性特性的发电机AGC功率调节速率参数。根据后两个参数，运行人员可以优先选择线性特性好、实际功率调节特性与申报调节特性差别小的发电机参与AGC调节，从而可以更快速准确地实现AGC调节目标。

说明书

技术领域

本发明属于发电机组性能在线检测和分析技术领域，更具体地涉及利用广域相量测量信息在调度中心对发电机组自动发电控制(即AGC，以下简称AGC)功率的线性特性进行分析的方法。

背景技术

电力系统的自动发电控制(AGC)功能是由电网调度中心通过控制调度区域内发电机组的有功功率，使本区域机组发电出力跟踪负荷的变化，以满足电力供需的实时平衡，从而维持系统频率与额定值的偏差在允许的范围内，或者同时维持对外联络线净交换功率与计划值的偏差在允许的范围内。

调度中心的控制命令为机组的目标有功出力，控制周期为3～15秒。为了能及时响应调度中心的控制命令，从而达到电网预定的频率和功率控制目标，参与AGC调节的发电机组的性能必需达到规定的要求或者达到其申报的性能参数。调度中心通常会对参与AGC的机组进行在线监视，通过对接收到AGC功率设点命令(即电网调度规定该机组应达到的有功出力数值)前后实测的机组有功功率曲线进行分析，来衡量机组的响应性能是否达到要求。

通常所使用的用来衡量发电机机组响应性能的参数包括：调节速率、调节精度和响应时间。这些参数的计算通常是以一个执行周期的起始和终止时刻的有功和时间为依据进行计算的，因此没有考虑在起始和终止时刻之间有功出力的变化情况。一次典型的AGC机组设点控制过程如附图1所示。其中调节速率的计算公式为：

$v=\left(\begin{array}{cc}\frac{P_E-P_S}{T_E-T_S}& P_d\in (P_E,P_S)\\ \frac{P_E-P_S}{(T_E-T_S)-T_d}& P_d\in (P_E,P_S)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中v是该机组的调节速率，T_S是发电机响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻，P_S是对应该时刻的出力，T_E是发电机进入目标功率死区范围的时刻，P_E是对应时刻的出力，P_d是其启停磨功率，T_d是启停磨实际消耗的时间，启停磨期间有功功率可认为保持不变。

若机组的申报调节速率为v_N，则该机组的调节速率参数为

$K_1=\frac{v}{v_N}---\left(2\right)$

上述调节速率和调节速率参数实际上是把发电机组的功率调节特性等价为线性调节，然后用线性参数来近似衡量机组的AGC调节响应特性。然而，实际的发电机功率调节特性并非线性的，在不同的运行点甚至有很大的变化。机组申报的往往是其在线性运行范围内的调节特性，当运行点偏离线性范围时，其实际调节特性将与申报的调节特性会有较大差距。因此为调度员提供一种简单直观的方法将发电机AGC性能的这种非线性特性表现出来，及时告知调度人员AGC调节性能的变化以及与预想线性特性能的差距，将有利于调度运行人员合理分配AGC机组出力，保证电网整体频率和联络线功率迅速恢复到目标范围内。

另外需要指出的是，在传统的调度中心，运行人员只能借助SCADA获取发电机以几秒钟为间隔的量测数据，这种采样间隔难以准确反映机组的AGC动态调节性能。广域测量系统的采用，可以使得运行人员在调度中心观测到发电机10ms或20ms级采样的动态数据，这使得在调度中心利用实测数据衡量机组的AGC调节的动态特性成为可能。

发明内容

针对现有的发电机调节性能分析方法不能对发电机AGC调节的线性特性以及实际调节特性与申报的线性特性的差别进行评估的缺点，基于由广域测量系统提供的相量测量单元PMU(以下简称PMU)数据，本发明提出了一种基于PMU数据的发电机AGC功率调节线性特性的分析方法。

一种基于PMU数据的发电机组AGC功率调节线性特性的分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过相量测量单元PMU获取发电机组的一次AGC设点控制过程的有功功率-时间曲线；

(2)确定发电机响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S，该时刻对应的出力P_S，即起始功率，发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E，该时刻对应的出力P_E，启停磨消耗的时间T_d，以及启停磨期间维持的功率P_d；

(3)计算发电机AGC功率调节的三角形参数，计算公式如下：

$k_{\Delta }=\frac{S_{\mathrm{trace}}}{S_{\mathrm{line}}}=\frac{{\int }_{T_s}^{T_E}[p\left(t\right)-P_s]\mathrm{dt}}{0.5(T_E-T_S)(P_E-P_S)}---\left(3\right)$

其中，S_trace为发电机组实际功率曲线相对于起始功率P_S所在的水平直线，在发电机组响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S起至发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E之间，所围出的面积；S_line为发电机组功率调节起点与终点的连线相对于起始功率P_S所在的水平直线，在发电机组响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S起至发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E之间，所围出的三角形区域的面积；P_E为T_E时刻对应的机组有功出力；p(t)为对应t时刻的机组出力；

前述发电机AGC功率调节的三角形参数计算公式可进一步离散化为下式，以便于实际应用：

$k_{\Delta }=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}-2P_s(T_E-T_S)}{(T_E-T_S)(P_E-P_S)}---\left(4\right)$

式中，N_E为从T_S开始到T_E结束的时段中的采样点数，ΔT为采样的时间间隔，通常取为0.1秒，p_j表示第j个采样点的有功功率。

对于调节过程中有启停磨的情况，并且在衡量发电机调节特性时删除启停磨的影响时，离散化后的三角形参数公式为：

$k_{\Delta }=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}-2P_s(T_E-T_S)-2(P_d-P_s)·T_d}{(T_E-T_S-T_d)(P_E-P_S)}---\left(5\right)$

式中，P_d为启停磨临界点功率，T_d为启停磨实际消耗的时间，启停磨期间功率认为不变。

(4)计算发电机AGC功率调节的最短调节轨迹参数，计算公式如下：

$k_D=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2{+\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S}\right)}^2}}{\sqrt{2}}---\left(6\right)$

其中，N_E为从T_S开始到T_E结束的时段中的采样点数，ΔT为采样的时间间隔，p_j表示第j个采样点的有功功率；

对于调节过程中有启停磨的情况，并且在衡量发电机调节特性时删除启停磨的影响时，则最短调节轨迹参数公式修正如下：

$k_D=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2{+\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S-T_d}\right)}^2}-\frac{T_d}{T_E-T_S-T_d}}{\sqrt{2}}---\left(7\right)$

(5)计算发电机AGC功率调节的线性特性参数K_L，计算公式如下：

K_L＝k_Δk_D    (8)

(6)计算考虑线性特性的发电机AGC功率调节速率参数K_1L，计算公式如下：

$K_{1L}=K_1{K}_L=K_L\frac{v}{v_N}---\left(9\right)$

式中v为发电机组AGC实际功率调节速率，v_N为发电机组申报的功率调节速率；

(7)对发电机组AGC功率调节能力的线性特性进行评价：当K_L越接近1时，该发电机的AGC功率调节特性越接近线性调节；K_1L越接近于1，则发电机组的实际功率调节特性越接近于其申报的线性调节特性。

运行人员优先采用发电机AGC功率调节的线性特性参数K_L接近1，同时发电机AGC功率调节速率参数K_1L接近于1的发电机组参与电网的自动发电控制AGC功率调节。

本发明提出的上述方法解决了现有的发电机调节性能评价方法不能对发电机AGC调节的线性特性以及实际调节特性与申报的线性调节特性的差别进行评估的问题。所提出的参数中，三角形参数k_Δ越接近于1时，功率调节特性通常会越接近线性，但是在功率曲线中有明显振荡成分情况下，会存在误判；最短调节轨迹参数k_D越接近1，功率调节特性通常会越接近1，但是当采样步长较小时，由测量误差导致的轨迹轻微波动以及功率本身的随机波动，会使得轨迹长度大大超过直线段长度，这也会造成对发电机功率调节线性特性的误判；K_L参数将k_Δ和k_D参数相结合，进行优缺点互补，从而可以更准确地判断发电机AGC功率调节的线性特性。当发电机的调节速率相差不大时，运行人员应优先选择线性特性好的发电机参与AGC调节，从而保障机组可以快速准确地达到设定的功率运行点。参数K_1L将线性特性参数和通常的调节速率参数相结合，通常情况下，其越接近于1，说明发电机的实际功率调节特性越接近于其申报的线性调节特性。根据该参数，运行人员可以优先采用实际功率调节特性与申报的调节特性差别小，且具有良好线性调节特性的机组提供AGC服务，从而可以更快速准确地实现AGC调节目标。

附图说明

图1为一次典型的AGC机组设点控制过程示意图；

图2为发电机组AGC功率调节线性特性分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

针对现有的发电机调节性能评价方法不能对发电机AGC调节的线性特性以及实际调节特性与申报的额定线性特性的差别进行评估的缺点，基于由广域测量系统提供的PMU数据，本发明提出了一种对发电机的AGC调节速率的线性特性及其偏离额定线性调节性能的程度的分析方法，该方法的核心步骤流程图见图2，其具体实施步骤如下：

(1)对需要进行AGC调节性能评估的发电机组安装PMU，并将机端有功功率、频率、发电机组接收到并执行AGC功率设点指令的时刻等PMU测量信息上送至调度中心的广域测量系统WAMS。PMU数据上送的速率通常为50帧/秒。

在调度中心的广域测量系统监测平台，当检测到发电机组接收到并执行AGC功率设点指令时，开始记录该发电机组的功率时间曲线，并检测何时发电机组的有功出力达到AGC设定的目标功率，并且趋于稳定，记录并保存发电机该时段的有功功率-时间曲线。

(2)针对步骤(1)中获得的发电机组AGC功率调节期间的有功功率-时间曲线，结合发电机功率调节的死区阈值参数，确定发电机组响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S，该时刻对应的出力P_S，即所述起始功率，发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E，该时刻对应的出力P_E，启停磨消耗的时间T_d，以及启停磨功率P_d。

(3)计算发电机组AGC功率调节的三角形参数：三角形参数描述发电机组实际功率曲线相对于起始功率P_S所在的水平直线，在发电机组响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S起至发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E之间所围出的区域，与功率调节起点与终点的连线相对于起始功率P_S所在的水平直线，在发电机组响应AGC设点指令并越出死区开始功率调节的时刻T_S起至发电机进入目标功率死区范围的时刻T_E之间所围出的三角形区域在面积上的相似程度，采用这两个区域的面积比值来衡量，具体计算公式如下：

$k_{\Delta }=\frac{S_{\mathrm{trace}}}{S_{\mathrm{line}}}=\frac{{\int }_{T_s}^{T_E}[p\left(t\right)-P_s]\mathrm{dt}}{0.5(T_E-T_S)(P_E-P_S)}---\left(10\right)$

其中，S_trace为图1中实际功率曲线相对于起始功率所围出的面积，S_line为图1中功率调节起点与终点的连线相对于起始功率所围出的面积，p(t)为对应t时刻的机组出力。在实际应用时需将式10中的积分进行离散化，假设从T_S开始到T_E结束的时段中，各时间采样点的编号为0～N_E，采样的时间间隔为ΔT，通常可取ΔT为0.1秒，第j个采样点的有功功率用p_j表示，则公式10可离散化为公式11：

$k_{\Delta }=\frac{S_{\mathrm{trace}}}{S_{\mathrm{line}}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\frac{(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}}{2}-P_s(T_E-T_S)}{0.5(T_E-T_S)(P_E-P_S)}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}-2P_s(T_E-T_S)}{(T_E-T_S)(P_E-P_S)}---\left(11\right)$

对于调节过程中有启停磨的情况，并且调度人员允许在衡量发电机调节特性时删除启停磨的影响时，则上述的公式10和公式11可分别修正为下列的公式12和公式13：

$k_{\Delta }=\frac{S_{\mathrm{trace}}}{S_{\mathrm{line}}}=\frac{{\int }_{T_s}^{T_E}[p\left(t\right)-P_s]\mathrm{dt}-(P_d-P_s){·T}_d}{0.5(T_E-T_S-T_d)(P_E-P_S)}---\left(12\right)$

$k_{\Delta }=\frac{S_{\mathrm{trace}}}{S_{\mathrm{line}}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\frac{(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}}{2}-P_s(T_E-T_S)-(P_d-P_s){·T}_d}{0.5(T_E-T_S-T_d)(P_E-P_S)}$(13)

$=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}(p_j+p_{j+1})·\mathrm{\Delta T}-2P_s(T_E-T_S)-2(P_d-P_s)·T_d}{(T_E-T_S-T_d)(P_E-P_S)}$

其中P_d为启停磨临界点功率，T_d为启停磨实际消耗的时间，启停磨期间功率可认为不变。

(4)计算发电机AGC功率调节的最短调节轨迹参数：最短调节轨迹参数描述实际功率调节曲线与功率调节起点与终点的连线在轨迹长度上的相似程度，采用这两条曲线(后者实际为直线段)长度的比值来衡量。为了使得功率方向的长度和时间坐标方向的长度可比，需要先将横纵坐标方向上的长度进行标么化，时间轴的基准为T_E-T_S，，功率轴的基准为P_E-P_S，具体计算公式如下，其中L_trace为标么化的实际功率调节时间曲线长度，L_Line为标么化的功率调节起点与终点的连线的长度，其他参数意义同前：

$k_D=\frac{L_{\mathrm{trace}}}{L_{\mathrm{line}}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\frac{P_E-P_S}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{T_E-T_S}{T_E-T_S}\right)}^2}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S}\right)}^2}}{\sqrt{2}}---\left(14\right)$

对于调节过程中有启停磨的情况，并且调度人员允许在衡量发电机调节特性时删除启停磨的影响时，则上述的公式14可修正为公式15：

$k_D=\frac{L_{\mathrm{trace}}}{L_{\mathrm{line}}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S-T_d}\right)}^2}-\frac{T_d}{T_E-T_S-T_d}}{\sqrt{{\left(\frac{P_E-P_S}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{T_E-T_S-T_d}{T_E-T_S-T_d}\right)}^2}}---\left(15\right)$

$=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_E-1}{\Sigma }}\sqrt{{\left(\frac{p_{j+1}-p_j}{P_E-P_S}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_E-T_S-T_d}\right)}^2}-\frac{T_d}{T_E-T_S-T_d}}{\sqrt{2}}$

(5)计算发电机AGC功率调节的线性特性参数K_L：功率调节线性特性参数利用前面步骤计算得到的三角形参数和最短调节轨迹参数共同衡量发电机AGC功率调节的线性特性，其计算公式如下：

K_L＝k_Δk_D    (16)

当K_L越接近1时，该发电机的AGC功率调节特性越接近线性调节。

(6)计算考虑线性特性的发电机AGC功率调节速率参数：将通常的调节速率参数k₁即实际调节速率与申报调节速率的比值乘以AGC功率调节的线性特性参数K_L参数，就得到考虑线性特性的发电机AGC功率调节速率参数。

$K_{1L}=K_1{K}_L=K_L\frac{v}{v_N}---\left(17\right)$

式中v为该发电机AGC调节速率，v_N为该发电机的申报调节速率。

(7)根据上述参数对发电机AGC调节能力的线性特性进行评价：当发电机AGC功率调节的线性特性参数K_L越接近1时，该发电机的AGC功率调节特性越接近线性调节。

当各发电机的申报调节速率相同时，运行人员应优先选择线性特性好的发电机参与AGC调节，从而保障机组可以快速准确地达到设定的功率运行点。考虑线性特性的发电机AGC功率调节速率参数K_1L将线性特性参数和通常的调节速率参数相结合，通常情况下，其越接近于1，说明发电机的实际功率调节特性越接近于其申报的线性调节特性。根据该参数，运行人员可以优先采用实际功率调节特性与申报的调节特性差别小，且具有良好线性调节特性的机组提供AGC服务，从而可以更快速准确地实现AGC调节目标。由于发电机AGC功率调节速率参数K_1L中已考虑了发电机AGC功率调节的线性特性参数K_L，因此在实际应用中，只依据K_1L选择或评价参与AGC调节的发电机组即可。