一种基于WAMS动态数据的发电机励磁系统在线监测与评估系统

摘要

一种基于WAMS动态数据的发电机励磁系统在线监测与评估系统，包括发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块。实时计算和监测发电机运行状态指标、评估励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡能力以及在线对励磁调节器限制与保护动作的正确性做出评价。本发明以设备在线监测为手段，搭建发电机励磁系统的监测评价平台，通过远程对发电机励磁系统运行状况进行实时监测，及时发现电源侧影响电网安全稳定运行的因素，同时也为电网调度运行人员快速定位励磁系统问题提供了辅助工具和便利手段。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统动态监测领域，具体涉及一种基于电网广域测量系统(即WAMS) 动态数据的发电机励磁系统在线监测与评估系统。

背景技术

随着全国互联电网规模的不断扩大，电力系统稳定问题备受关注。其中，发电机励磁 控制是维持机端电压恒定和并联运行机组之间的无功功率合理分配，同时也是改善和提高 电力系统稳定性的最经济有效的方法之一。但长期以来，缺少一种根据实测数据对发电机 励磁系统有效性进行评估的方法体系。

随着相量测量单元(PMU)和广域测量系统(WAMS)技术的发展。机组的各种动态信息， 包括励磁系统电力系统稳定器PSS投入/退出信号、低励限制动作信号、强励限制动作信号、 伏赫兹限制动作信号、及电力系统稳定器PSS输出信号已纳入WAMS量测范围，解决了电力 系统稳定器PSS输出与电网动态相量的广域同步量测和数据集成问题。为发电机励磁系统 在线监测评估提供了数据基础。基于此，本发明提出一种基于WAMS动态数据的发电机励磁 系统在线监测与评估系统。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的缺点，提供一种能够监测发电机状态、及时跟 踪评价励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡的效果、以及在线评价励磁调节器限 制与保护动作正确性的实时监测评估系统。通过对励磁系统故障的实时在线监测，可综合 评价发电机励磁系统的运行状况。

本发明解决其发明目的所采用的技术方案为：

一种基于WAMS动态数据的励磁系统在线监测与评估系统，所述励磁系统在线监测 与评估系统包括发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果 评价模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块和可视化人机界面；其特征在于：

所述发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价 模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块的输入端均与广域量测系统WAMS相 连，输出端均连接至可视化人机界面；

所述发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价 模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块读取广域量测系统WAMS时间序列实 时库数据，实时计算各个功能模块的评价指标、并将所述评价指标及故障告警、故障数据 输出至可视化人机界面。

所述发电机状态监测模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时监测 发电机机端电压、发电机机端电流、发电机频率、发电机有功功率、发电机无功功率，当 上述实时监测的电气量超过设定的对应电气量门槛值或其变化量超过设定的对应变化量 门槛值时，则认为发电机运行状态异常，所述在线监测与评估系统发出故障告警，并自动 存储发电机机端电压、发电机机端电流、发电机励磁电压、发电机励磁电流、发电机频率、 发电机有功功率、发电机无功功率在故障时间段的数据，绘制故障波形曲线，通过可视化 人机界面显示。

所述励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价模块读取广域量测系统 WAMS时间序列实时库数据，实时监测发电机有功功率及电力系统稳定器PSS输出电压 Urpss，当Urpss大于设定的告警阈值时，计算有功功率响应曲线的平均阻尼比，对发电机 组励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果判断分析，并将所述励磁调节器 电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果分析结果输出至可视化人机界面。

所述励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块读取广域量测系统WAMS时间序列 实时库数据，根据预存的励磁调节器的内部限制和保护逻辑模型进行计算，得到相应的判 断结果与电厂实际应用的励磁调节器的限制与保护动作开关量进行对比，判断励磁调节器 是否存在误动、拒动现象，并将是否存在误动、拒动现象的考核结果输出至可视化人机界 面。

本发明充分利用WAMS动态数据满足国调中心关于源网动态性能在线监测技术规范 (调运〔2014〕32号)的特征。从发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑 制低频振荡效果评价模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块三个方面综合评估 分析发电机励磁系统运行情况，辅助调度运行人员直观、全面地反映全网发电机励磁系统 运行情况。

本发明可以有效解决发电机励磁系统难以评估的问题；构建的系统作为智能电网调度 技术支持系统的WAMS应用下的子单元，为调度运行人员快速掌握发电机励磁系统指标 提供了便利，为进一步地分析发电机励磁系统提供更为详细的辅助决策依据。

附图说明

图1是本发明发电机励磁系统在线监测与评估系统的功能框图；

图2是本发明励磁调节器低励限制动作正确性评价逻辑框图；

图3是本发明励磁调节器强励限制动作正确性评价逻辑框图；

图4是本发明励磁调节器伏赫兹限制动作正确性评价逻辑框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明适用于不同电厂、不同发电机励磁系统的监测与评估。通过提供发电机励磁 系统的参数列表，根据发电机组相关数据实时计算模块的评估指标。发电机励磁系统在线 监测与评估系统属于WAMS应用下的一个子单元，基于智能电网调度技术支持系统平台， 通过发电机励磁系统在线监测与评估系统为调度运行人员快速掌握发电机励磁系统的各 项指标提供了便利，为进一步地分析发电机励磁系统运行情况提供更为详细的辅助决策依 据。

本发明发电机励磁系统在线监测与评估系统如附图1所示。本发明公开的一种基于 WAMS动态数据的发电机励磁系统在线监测与评估系统包括发电机状态监测模块、励磁 调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价模块、励磁调节器限制与保护动作正确 性评价模块。

所述发电机状态监测模块、励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价 模块、励磁调节器限制与保护动作正确性评价模块读取广域量测系统WAMS时间序列实 时库数据，实时计算各个功能模块的评价指标、并将所述评价指标及故障告警、故障数据 输出至可视化人机界面。

所述发电机在线监测模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，包括发电 机机端电压、发电机机端电流、发电机频率、发电机有功功率、发电机无功功率等电气量， 对数据进行数据的预处理、标幺化处理。实时在线监测这些电气量，当其超过设定的门槛 值或其变化量超过设定的门槛值时，则认为发电机运行状态异常，评估系统发出故障告警， 并自动存储发电机机端电压、发电机机端电流、发电机励磁电压、发电机励磁电流、发电 机频率、发电机有功功率、发电机无功功率在故障时间段的数据，绘制故障波形曲线，通 过可视化人机界面显示。

所述励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡效果评价模块读取广域量测系统 WAMS时间序列实时库数据，实时监测励磁调节器电力系统稳定器PSS输出信号Urpss， 当励磁调节器电力系统稳定器PSS输出信号Urpss大于告警阈值时，则认为发电机连接的 电力系统发生低频振荡。存储发电机机端电压、发电机励磁电流、发电机有功功率、发电 机无功功率等波形。根据低频振荡过程中有功功率扰动响应曲线计算发电机有功功率扰动 响应曲线的平均阻尼比ζ：

$\zeta =\frac{1}{2N\pi }ln\left(\frac{P_a-P_2}{P_{2N+1}-P_{2N+2}}\right)$

式中：N为计算周期数，是指在低频振荡期间的周期数，即从判断电网发生低频振荡 时的启动标记时刻开始到电网有功功率响应曲线趋于稳态值所需要的周期数；P₁、P₂为低 频振荡期间出现的第一个和第二个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；P_2N+1、P_2N+2为低频振 荡期间出现的第(2N+1)个和第(2N+2)个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

根据发电机有功功率扰动响应曲线的平均阻尼比ζ的计算结果对发电机组励磁调节 器电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果判断分析：当阻尼比ζ大于设定的门槛值时， 认为调节器的电力系统稳定器PSS能够有效抑制电网低频振荡；当阻尼比ζ小于设定的门 槛值时，认为调节器的电力系统稳定器PSS抑制电网低频振荡效果不显著，将计算得到的 阻尼比及PSS抑制低频振荡效果的判断结果存储到商用库表中，并通过可视化人机界面查 询商用库表和WAMS历史时间序列库数据，以数据、表格和曲线形式展示所述评价指标， 同时系统告警提示工作人员，以便及时了解励磁调节器电力系统稳定器PSS抑制低频振荡 的效果，对抑制效果差的电力系统稳定器PSS进行参数修正。阻尼比门槛值是根据大型汽 轮发电机自并励静止励磁系统技术条件由本领域技术人员自主设定。对于大型汽轮发电 机，本申请优选所述阻尼比门槛值选为0.1。所述励磁调节器限制与保护动作正确性评价 模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，对WAMS时间序列实时库数据进行数 据的预处理、标幺化处理。根据处理后的发电机组相关数据，根据励磁调节器保护和限制 逻辑模型进行计算，得到相应的励磁调节器限制与保护是否动作。与从广域量测系统 WAMS时间序列实时库数据读取到的实际应用的励磁调节器保护与限制动作开关量进行 对比，从而判断励磁调节器是否存在误动，拒动现象。励磁调节器限制与保护动作正确性 评价包括低励限制和保护动作正确性评价、强励限制和保护正确性评价、伏赫兹限制和保 护正确性评价、将上述励磁调节器限制和保护动作评价指标以记录形式存储到商用库表 中，通过可视化人机界面显示。

低励限制动作正确性判断逻辑如图2所示，其中Pe为有功功率、Pe01为有功功率0.1s 滤波值、Qe为无功功率、Qe01为无功功率0.1s滤波值，P1、P2、P3、P4、P5是低励限制 曲线有功交点，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5是低励限制曲线无功交点。根据有功功率0.1s滤波 值Pe01，求出低励限制曲线上的无功功率临界值Qe_临界，若无功功率0.1s滤波值小于等于无 功功率临界值Qe_临界，则满足低励限制条件，评估系统低励限制信号动作，反之。同时将该 结果与WAMS系统的低励限制告警信号对比，若两者动作不一致，则认为“低励限制动作 异常”，评估系统发出告警。强励限制动作正确性判断逻辑如图3所示，其中If为励磁电流 标幺值、If01为励磁电流标幺值的0.1s滤波值，Lifr为强励顶值电流，Ifx为长期电流值， Q1为强励时间，NQY为额定发热量，计算公式为：NQY＝[强励顶值电流*强励顶值电流 -1.0*1.0]*强励时间，If01为励磁电流0.1s的滤波值。当励磁电流If大于1.1p.u.时，开始进 行强励反时限计算，并将得到的计算结果即转子的实际发热量与额定发热量NQY比较，当 实际发热量大于额定发热量时，则满足强励限制条件，评估系统强励限制信号动作，反之。 同时将该结果与WAMS系统的强励限制告警信号对比，若两者动作不一致，则认为“强励 限制动作异常”，评估系统发出告警。伏赫兹动作正确性判断逻辑如图4所示，其中Ut为发 电机机端电压标幺值、Fr为发电机频率标幺值、M1为额定磁密、M2为磁密顶值、M3为限 制复归、C2为动作时限。计算Ut/Fr与额定磁密M1的差值，并对差值进行积分，当其积分 和大于(M2-M1)*C2*25时(程序周期为40ms)，或Ut/Fr大于M2状态持续2s以上，则满 足伏赫兹限制条件，评估系统伏赫兹限制信号动作，反之。同时将该结果与WAMS系统的 伏赫兹限制告警信号对比，若两者动作不一致，则认为“伏赫兹限制动作异常”，评估系 统发出告警。