CN102916439B - 一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，属于电力***稳定分析与控制技术领域。本发明的定位方法，首先获取必要的发电机参数和母线端量测后，计算各个发电机分别向网络中注入的暂态能量，并计算出暂态能量的非周分量斜率，设定斜率阈值，将计算得到的各斜率与阈值比较，选定存在振荡源的发电机，最后对振荡源进行定位。本发明方法对各类发电机和控制***都有效，所需的数据只需发电机所在母线上的本地量测，而无需远方量测信号，本方法可在发电厂站分散化地实现振荡源设备级定位。

Description

一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，属于电力***稳定分析与控制技术领域。

背景技术

在互联电力***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***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***会削弱所在发电机组的阻尼转矩，进而导致***负阻尼模式的出现。最近的各种仿真研究也表明，调速***参数选择不当也会引起负阻尼振荡。另一方面，近年来强迫振荡的机理也表明，发电机机械功率的周期性波动也可能导致***大幅振荡。

显然，如果能够在线定位振荡源，就能够针对性地采取控制措施，及时地抑制振荡。目前已经有不少学者开始了这方面的研究。最初有学者定义了发电机能量，可以找到引起强迫振荡的干扰源所在的发电机组。在此基础上，进一步发展了基于支路能量的方法，可以通过量测线路状态量对电力网络中能量流向进行溯源，从而判断振荡源所在的区域。另一方面，也有文献从哈密顿实现的角度定义了全局能量，并提出端口供给能量的概念，通过端口供给能量的监测来判断端口外子***是否是振荡源所在。

以上研究成果可以成功地对振荡源所在发电机进行定位，但对发电机内部的设备级定位还未见研究。发电机内部的两类控制设备即调速***和励磁***分别获取发电机相关电气量构成反馈控制，形成了发电机内部的两大控制通道如图1所示。图1中，P_m为发电机机械功率输入；E_f为发电机励磁电压输入；P_e为发电机输出有功功率；Q_e为发电机输出无功功率。设备级定位就是判断振荡源所在的发电机内部控制通道，从而辨识出存在振荡源的控制设备，这是采取针对性措施平息振荡的前提。在大量的振荡事故事后重现和原因分析工作中，设备级定位也非常关键。例如，2010年三峡电站发生功率振荡事故，为了确定是何种控制设备引发了振荡，研究人员进行了大量的启发式推理、排查和仿真工作，最终才确认是PSS控制通道上的转速获取算法错误导致了振荡。在此类振荡事故重现问题中，准确、快速地辨识振荡源所在控制通道，无疑能够极大减少事故分析的工作量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，基于哈密顿实现理论(Hamiltonian Realization)对发电机内部分析其能量结构，通过发电机的能量结构中经由不同控制通道注入电力网络的能量分量的性质来判断振荡源所在控制通道。

本发明提出的基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，包括以下各步骤：

(1)从电力***中各发电机的母线上获取以下量测值：发电机机端的有功功率P_ei,k，发电机机端的无功功率Q_ei,k，发电机母线的电压幅值U_ti,k，发电机母线的电压频率f_ti,k，其中i为发电机序号，i＝1～n，n为发电机数，k为采样点序号，k＝1～N，N为采样点总数；

(2)根据采样时间段的上述量测值，分别计算各发电机向电力***中的输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i：

$\mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{gen},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+Q_{\mathrm{ei},k}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}})$

其中ΔU_ti,k＝U_ti,k+1-U_ti,k，Δt_k＝t_k+1-t_k，f₀是电力***的基准频率，t_k为第k个采样时刻；

(3)计算各发电机向输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i中的非周期分量斜率S_i，将其中的最大值记为S_max；

(4)设定一个非周期分量斜率的阈值，该阈值为0.2S_max；

(5)将第i台发电机向输电网络供给的暂态能量的非周期分量斜率与上述阈值进行比较，若S_i＞0.2S_max，则选定第i台发电机，并进行步骤(6)，若S_i≤0.2S_max，则判定第i台发电机上不存在振荡源；

(6)对上述选定的第i台发电机，计算如下两个能量分量：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{gov},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+E_{i,k})\\ \mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{exc},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{ei},k}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}}-E_{i,k})\end{array}\right.$

其中：

$E_{i,k}=\frac{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})P_{\mathrm{ei},k}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ei},k}-P_{\mathrm{ei},k}^2{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{ei},k}-2P_{\mathrm{ei},k}^2{U}_{\mathrm{ti},k}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ti},k}/x_{\mathrm{qi}}}{P_{\mathrm{ei},k}^2+{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})}^2}$

其中x_qi为第i台发电机的q轴同步电抗；

(7)根据步骤(6)计算得到的两个能量分量，对振荡源进行定位：

(7-1)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的调速控制***中存在振荡源；

(7-2)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的调速控制***中不存在振荡源；

(7-3)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的励磁控制***中存在振荡源；

(7-4)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的励磁控制***中不存在振荡源；

(8)遍历电力***中的所有发电机，重复步骤(5)-(7)，实现对电力***振荡源的定位。

本发明提出的基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，其优点是：首先，对各类发电机和控制***模型都有效；其次，本发明方法是一种仅基于在线网络量测而非基于模型的算法，所有计算所需的数据全部取自于发电机母线上的在线量测，无需发电机内部量测信号，所以它可在控制中心只根据电力网络的在线量测就实现全网振荡源设备级定位与监测；第三，本发明方法所需的数据只需发电机所在母线上的本地量测，而无需远方量测信号，因此本方法还可在发电厂站分散化地实现振荡源设备级定位。

附图说明

图1是现有的电力***中，与调速、励磁控制***相关的发电机内部两大控制通道。

图2是用来验证本发明方法有效性的一个测试***的接线图。

图3是图2所示的测试***中第2台发电机的调速***引起的负阻尼振荡。

图4是图3所示的振荡中各发电机向输电网络供给的暂态能量的非周期分量斜率。

图5是图3所示的振荡中发电机2的两个能量分量的时域波形。

图6是图2所示的测试***中第4台发电机的励磁***引起的负阻尼振荡。

图7是图6所示的振荡中各发电机向输电网络供给的暂态能量的非周期分量斜率。

图8是图6所示的振荡中发电机4的两个能量分量的时域波形。

具体实施方式

本发明方法提出的基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，包括以下各步骤：

(1)从电力***中各发电机的母线上获取以下量测值：发电机机端的有功功率P_ei,k，发电机机端的无功功率Q_ei,k，发电机母线的电压幅值U_ti,k，发电机母线的电压频率f_ti,k，其中i为发电机序号，i＝1～n，n为发电机数，k为采样点序号，k＝1～N，N为采样点总数；

(2)根据采样时间段的上述量测值，分别计算各发电机向电力***中的输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i：

$\mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{gen},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+Q_{\mathrm{ei},k}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}})$

其中ΔU_ti,k＝U_ti,k+1-U_ti,k，Δt_k＝t_k+1-t_k，f₀是电力***的基准频率，t_k为第k个采样时刻；

(3)计算各发电机向输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i中的非周分量的斜率S_i，将其中的最大值记为S_max；

(4)设定一个非周分量的斜率的阈值，该阈值为0.2S_max；

(5)将第i台发电机向输电网络供给的暂态能量的非周期分量斜率与上述阈值进行比较，若S_i＞0.2S_max，则选定第i台发电机，并进行步骤(6)，若S_i≤0.2S_max，则判定第i台发电机上不存在振荡源；

(6)对第i台发电机，计算如下两个能量分量：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{gov},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+E_{i,k})\\ \mathrm{ESP}{|}_{\mathrm{exc},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{ei},k}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}}-E_{i,k})\end{array}\right.$

其中：

$E_{i,k}=\frac{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})P_{\mathrm{ei},k}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ei},k}-P_{\mathrm{ei},k}^2{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{ei},k}-2P_{\mathrm{ei},k}^2{U}_{\mathrm{ti},k}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ti},k}/x_{\mathrm{qi}}}{P_{\mathrm{ei},k}^2+{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})}^2}$

其中x_qi为第i台发电机的q轴同步电抗；

(7)根据步骤(6)计算得到的两个能量分量，对振荡源进行定位：

(7-1)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的调速控制***中存在振荡源；

(7-2)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的调速控制***中不存在振荡源；

(7-3)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的励磁控制***中存在振荡源；

(7-4)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的励磁控制***中不存在振荡源；

(8)遍历电力***中的所有发电机，重复步骤(5)-(7)，实现对电力***振荡源的定位。

以下结合附图介绍本发明方法的实施例：

用于验证此方法有效性的IEEE-39节点***接线图如图2所示。图2中，旁边有***数字的粗线段表示电力***中的母线，***数字是母线编号；母线上的箭头表示电力***中的负荷；母线上的代表此母线上连接有发电机。

①IEEE-39节点***中水轮调速***引起的负阻尼振荡

在发电机2上安装一个水轮机调速***，由于水锤效应环节，调速***弱化了***阻尼，使得***在故障扰动后发生了增幅振荡，如图3所示。

按照本发明的定位方法，在获取必要的发电机参数和母线端量测后，首先计算各个发电机分别向网络中注入的暂态能量，并计算出暂态能量的非周期分量斜率(按最大绝对值标幺化后结果)如图4所示。

对所有暂态能量的非周期分量斜率进行比较，得到最大值S_max＝S₂＝1，因此取阈值为0.2。

不妨按照发电机序号从小到大顺序选择：

S₁＝0.02＜0.2，因此发电机1上不存在振荡源；

S₁＝1＞0.2，因此选择发电机2继续计算它的两个能量分量ESP|_gov,2和ESP|_exc,2，如图5所示。从图5可以判断，振荡源在调速***控制通道上，而励磁***控制通道上不存在振荡源。

继续遍历剩下的发电机，可知发电机3-10向输电网络供给的暂态能量非周期分量斜率都小于阈值，因此发电机3-10上都不存在振荡源。

按此定位算法流程得到结论：振荡源位于发电机2的调速控制通道上。这与仿真设定相符。

②IEEE-39节点***中励磁***参数不当引起的负阻尼振荡

在发电机4上安装一套励磁***(自动电压调节器AVR以及电力***稳定器PSS)，设PSS的增益被错误地设为负值，从而使得***再故障后出现等幅振荡，如图6所示。

按照本发明的定位方法，在获取必要的发电机参数和母线端量测后，首先计算各个发电机分别向网络中注入的暂态能量，并计算出暂态能量的非周期分量斜率(按最大绝对值标幺化后结果)如图7所示。

对所有暂态能量的非周期分量斜率进行比较，得到最大值S_max＝S₄＝0.6，因此取阈值为0.12。

按照发电机序号从小到大顺序选择：

发电机1-3的暂态能量非周期分量斜率都小于阈值，因此发电机1-3上都不存在振荡源；

S₄＝0.6＞0.12，因此选择发电机4继续计算它的两个能量分量ESP|_gov,2和ESP|_exc,2，如图8所示。从图8可以判断，振荡源在励磁***控制通道上，而调速***控制通道上不存在振荡源。

继续遍历剩下的发电机，可知发电机5-10向输电网络供给的暂态能量非周期分量斜率都小于阈值，因此发电机5-10上都不存在振荡源。

按此定位算法流程得到结论：振荡源位于发电机5的励磁控制通道上。这与仿真设定相符。

Claims (1)

1.一种基于发电机机端母线量测的电力***振荡源定位方法，其特征在于该定位方法包括以下各步骤：

(1)从电力***中各发电机的母线上获取以下量测值：发电机机端的有功功率P_ei,k，发电机机端的无功功率Q_ei,k，发电机母线的电压幅值U_ti,k，发电机母线的电压频率f_ti,k，其中i为发电机序号，i＝1～n，n为发电机数，k为采样点序号，k＝1～N，N为采样点总数；

(2)根据采样时间段的上述量测值，分别计算各发电机向电力***中的输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i：

${\mathrm{ESP}|}_{\mathrm{gen},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+Q_{\mathrm{ei},k}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}})$

其中ΔU_ti,k＝U_ti,k+1-U_ti,k，Δt_k＝t_k+1-t_k，f₀是电力***的基准频率，t_k为第k个采样时刻；

(3)计算各发电机向输电网络供给的暂态能量ESP|_gen,i中的非周期分量斜率S_i，将其中的最大值记为S_max；

(4)设定一个非周期分量斜率的阈值，该阈值为0.2S_max；

(5)将第i台发电机向输电网络供给的暂态能量的非周期分量斜率与上述阈值进行比较，若S_i＞0.2S_max，则选定第i台发电机进行步骤(6)，若S_i≤0.2S_max，则判定第i台发电机上不存在振荡源；

(6)对上述选定的第i台发电机，计算如下两个能量分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ESP}|}_{\mathrm{gov},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{ei},k}2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{ti},k}-f_0){\mathrm{\Δt}}_k+E_{i,k})\\ {\mathrm{ESP}|}_{\mathrm{exc},i}=\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{ei},k}\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ti},k}}{U_{\mathrm{ti},k}}-E_{i,k})\end{array}\right.$

其中：

$E_{i,k}=\frac{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})P_{\mathrm{ei},k}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ei},k}-P_{\mathrm{ei},k}^2{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{ei},k}-{2P}_{\mathrm{ei},k}^2{U}_{\mathrm{ti},k}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ti},k}/x_{\mathrm{qi}}}{P_{\mathrm{ei},k}^2+{(Q_{\mathrm{ei},k}+U_{\mathrm{ti},k}^2/x_{\mathrm{qi}})}^2}$

其中x_qi为第i台发电机的q轴同步电抗；

(7)根据步骤(6)计算得到的两个能量分量，对振荡源进行定位：

(7-1)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的调速控制***中存在振荡源；

(7-2)若ESP|_gov,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的调速控制***中不存在振荡源；

(7-3)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率大于零，则判定发电机的励磁控制***中存在振荡源；

(7-4)若ESP|_exc,i的非周期分量斜率小于零，则判定发电机的励磁控制***中不存在振荡源；

(8)遍历电力***中的所有发电机，重复步骤(5)-(7)，实现对电力***振荡源的定位。