CN103414245B - 一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法,步骤如下:1)在广域测量***当中,信息的采集是通过PMU来完成的,PMU以固定的采样周期对电力***状态量进行测量,建立以T为采样周期的闭环电力***离散化状态空间模型。2)在实际***中,***的状态难以全部测得。3)采用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法对得到的电力***模型进行稳定性分析,使得满足不等式(15),然后设计控制器增益分析验证。本发明能够保证电力***在带有量化器情况下的稳定性,有效缓解了通信网络拥塞问题,减少了在通信网络上的建设费用,同时节约数据存储中心的存储空间,有利于***的扩展,增加经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及广域电力***控制领域,具体涉及一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法。
背景技术
随着电网规模的扩大以及各种新型输电技术的采用,电网结构日益复杂,电力***的动态行为也变得更为复杂。近年来,国内外电网事故频发,引起多起大停电事故,电力***的稳定性分析与控制已经成为当前研究的热点。
广域测量***(Wide-Area Measure System,WAMS)的出现为广域电力***的稳定性分析和控制提供了新的契机。WAMS是基于同步相量测量单元(PhaseMeasurement Unit,PMU)和现代通信技术,对地域广阔的电力***运行状态进行监测和分析、为电力***实时控制和运行服务的***。它可以在同一时间参考坐标下捕捉到大规模互联电力***各地点的实时动态信息,为整个电力***的优化控制以及紧急控制提供数据平台。
同步相量技术在中国大陆的研究始于1994年。然而,在2002年之前PMU/WAMS已在国外应用。在我国,所做的工作也取得了一些成果。8年的初体验,通信设备的提高,和最重要的“电力***实时动态监控***技术规范”的出版。这个规范基于IEEE标准1344-1995(电力***同步相位IEEE标准),规范了PMU/WAMS的一般结构、基本功能、通信接口和其他相关事宜。它极大地促进了同步相量技术在中国的应用。在过去几年里,10项新的WAMS工程已经完成或部分完成,70个PMUs已经投入应用,另外还有35个PMUs在建。它们应用在5个区域电力***(即华北,东北,华中,华南和华东电网)和5个省级电力***(即江苏,河南,广东,云南和贵州省级电网)。PMU具有以下功能模块:
1.同步模块(SM,synchronizing module),使用来自GPS/北斗(BD)定位***的同步信号锁定信息。
2.同步向量采集模块(SAM,synchrophasor acquisition module),把模拟电压、电流和状态数字转换成向量,并打上时标,如SOC(second of century)和SMPCNT(sample count)。
3.发电机内部电压相量采集模块(GIVPAM,generator internal voltage phasoracquisition module),用于电厂测量电机的内部电压相量,它是由电机内部电压和转子角度组成的复数。
4.相量处理中心模块(CPPM,central phasor processing module),收集SAMs和GIVPAMs的相量,执行综合相量计算,压缩和解压同步相量,利用人机界面(MMI,man-machine interface)局部监督、管理,与中心站和其他PMU通信。
5.记录和重发模块(RRM,record and replay module),是一个选择模块,它的功能就像数字错误记录器(DFR,digital fault recorder),即记下发生的扰动,在需要的时候重发数据。
上述的模块通过网络设备(光纤/电缆,集线器和转换器)相连,形成一个整体PMU。模块的数量和类型可以选择和组合以满足不同应用的各种要求。
在WAMS中心站,通信服务器通过国家电力数据网络(SPDnet)搜集来自地域上分布式的PMU的相量数据。数据服务器实时更新数据库,旧的数据被传递到大容量的历史数据库。实时和历史数据库都有标准数据接口,工作站通过接口得到完成特定功能需要的数据。其他的应用***,例如,能量管理通信(EMS),自动电压控制(AVC),暂态稳定控制***和分布式管理信息***(DMIS),与中心站连接,因此可以与WAMS交换数据。对于安全问题,DMIS通过物理绝缘器与WAMS连接,允许单通道数据传输,即从WAMS到DMIS。为了加强***可靠性,中心站的关键设备,如通信服务器和数据库服务器都有备份副本,与主设备同步运行,一旦主设备出现故障可以立即启动。由此可知,数据在通信网络中的传输以及在数据库中的存储对于***的稳定运行就有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决广域测量电力***中的通信信道拥塞问题和数据库存储空间不足问题。本发明提出了一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法,包括如下步骤:
1)在广域测量***当中,信息的采集是通过PMU来完成的,PMU以固定的采样周期对电力***状态量进行测量,以T为采样周期的闭环电力***离散化状态空间模型为:
其中,
k表示第k个传输周期kT;
A,B表示电机的常数矩阵;
C为***的输出矩阵;
x(k+1)表示广域电力***在第k+1周期的状态变量;
u(k)为***第k周期的输入变量。
y(k)表示***在第k周期的输出变量。
2)在实际***中,***的状态难以全部测得。因此本发明首先根据输出信号对***的状态进行观测,然后设计基于观测器的输出反馈控制器对***进行控制。电网的扩大导致WAMS中PMU个数增多,采集的数据量也在增长,会引起数据存储空间不足的问题。同时也会导致网络传输负载加大,在一定的带宽条件下,容易引起网络拥塞。为解决这些问题,本发明在电力***闭环***中加入量化器,对PMU采集***输出量进行量化。采用对数量化器:
yq(k)=f(y(k))
相应的量化等级定义为:
0<ρ<1,u(0)>0 (3)
其中,yq(k)为量化后的输出变量,ρ为量化密度,
根据输出信号对***的状态进行观测,带有量化器的观测器结构为:
其中,为观测器的状态变量,为观测器的输出变量。
3)采用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法可得到保证整个广域电力***在量化误差存在的情况下保持稳态运行的充分条件:
其中,Y=PBK,Z=QL。
通过Matlab中的LMI工具箱可解出矩阵Y和Z,则所求的控制器增益为K=(PB)-1Y。再将得到的控制器加入***中,使***保持稳定。
本发明的技术构思为:针对大型电力***通信拥塞以及数据存储空间不足的问题,采用量化技术,设计基于量化的广域电力***输出反馈控制器。
同步发电机的数学模型有很多种,如经典模型3~8阶模型等,在电力***动态分析中,当要计及励磁***动态,又要避免高阶模型带来的维数灾时,三阶模型便是一个不错的选择。因此,本发明选取三阶模型对广域测量***进行研究。对于有多台发电机的电力***,第i台电机的模型可表示为:
其中,脚标i表示第i台电机,δi是电机的转子角,单位为rad;ωi为电机的角速度的标幺值;Mi为电机的惯性时间常数;Pmi为电机机械功率的标幺值;Pei是电机励磁功率的标幺值;Di为电机阻尼系数;E′qi为同步电机q轴暂态电势标幺值;T′d0i为励磁绕组暂态时间常数;Efdi0为励磁电压稳态标幺值;Eqi为q轴电势标幺值;ufi为励磁电压增量的标幺值;
将3阶非线性电力***模型(6)在平衡点处线性化,得到如下电力***状态空间模型:
其中, 为状态变量,ui=Δufi是控制变量,Ai、Bi分别为常数矩阵。
其中,
Mi=2Hi
ωi0、δi0、E'qi0、Vti0为平衡点处值。
由m个电机组成的电力***模型为:
其中,x为***的状态变量,u为***的控制输入,y为***的测量输出变量, 和分别为***矩阵、输入矩阵和输出矩阵, 根据测得的输出变量定义。
在广域测量电力***当中,信息的采集是通过PMU来完成的,PMU以固定的采样周期对电力***状态量进行测量,则以T为采样周期的电力***离散化模型即为(1)式,其中,
定义误差变量根据式(4)可以得到
取增广状态 则
其中,
引入Lyapunov函数
V(k)=xT(k)Px(k)+eT(k)Qe(k) (11)
由Lyapunov稳定性理论可知,若存在P>0,Q>0使得下式成立,
ΔV(K)=V(K+1)-V(K)<0
即
其中,
Φ11=(A+BK)TP(A+BK)+(LΔC)TQ(LΔC)-P,
Φ12=-[(A+BK)TPBK+(LΔC)TQ(A-LC)],
Φ21=-[(BK)TP(A+BK)+(A-LC)TQ(LΔC)],
Φ22=(BK)TP(BK)+(A-LC)TQ(A-LC)-Q,
则***(1)渐近稳定。
由式(12)可知
对式(13)多次应用Shur补引理,并根据量化误差有界性||Δ||≤δ,可得
令Y=PBK,Z=QL,即可得到下式。
应用MATLAB中LMI工具箱求解式(15)的解,即可得出保证***稳定性能的控制器增益K=(PB)-1Y,则控制器的输出为
从上述技术方案可以看出,本发明的有益效果主要表现在:对电力***中的测量数据进行量化,在保证广域电力***稳定性的情况下,减小数据包的大小,可以缓解通信网络拥塞问题,提高通信信道的利用率,同时,也减轻了数据中心存储区空间紧张的压力,减少了在通信网络建设和存储空间扩展上需要的费用,
极具经济性。
附图说明
图1是本发明的带有量化器的电力***输出反馈控制结构图。
图2是本发明的四机两区域***示意图。
图3是本发明的不加控制器时四台电机的转子角速度ω图。
图4是本发明的不加入控制器后四台电机的机端电压Vt图。
图5是本发明的加入控制器后四台电机的转子角速度ω图。
图6是本发明的加入控制器后四台电机的机端电压Vt图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例
本发明以Kundur的四机两区域电力***为例,在Simulink中验证所提出的控制算法,四机两区域***结构图如图2所示。
本***包括两个相似的区域,每个区域包含两个耦合的单元,每个单元的额定功率为900MVA,额定电压为20KV,电机的阻尼系数D都为0,各电机主要参数标幺值如下:
Xd=1.8 Xq=1.7 Xl=0.2 X′d=0.3
Xq′=0.55 Xd′′=0.25 Xq′′=0.25 Ra=0.0025
Td′0=8.0s Tq′0=0.4s Td′′0=0.03s T′′q0=0.05s
HG1=6.5 HG2=6.5 HG3=6.175 HG4=6.175
变压器额定功率为900MVA,变压等级为20KV/230KV,阻抗标幺值为0+j0.15。输电线的额定电压为230KV,在100MVA及230KV基准值下输电线路参数标幺值如下:
r=0.0001pu/km xL=0.001pu/km bC=0.00175pu/km
***运行时,区域一输送400MV的功率到区域二,各电机发出的功率如下所示:
G1:P=700MW Q=185MVAr Et=1.03∠20.2°
G2:P=700MW Q=235MVAr Et=1.01∠10.5°
G3:P=719MW Q=176MVAr Et=1.03∠-6.8°
G4:P=700MW Q=202MVAr Et=1.01∠-17.0°
***负载的功率如下:
负载1:PL=967MW QL=100MVAr QC=200MVAr
负载2:PL=1767MW QL=100MVAr QC=350MVAr
当四机两区域***未加本发明所设计的控制器时,如图3和图4所示***经过较长的时间才能达到稳定运行。考虑到量化器对***的影响,量化过程会存在量化误差。采用三阶电机模型广域电力***的状态变量为:
x=[ω1,E′q,δ21,ω2,δ31,ω3,δ41,ω4]T
其中,δi1为电机i与电机1的功角差,即δi1=δi-δ1。
具体按如下步骤实现稳定性控制:
步骤S1:在Simulink中运行四机两区域***模型,***运行在平衡点处,此时***平衡点处值为:
将模型在平衡点处线性化,得到***的状态空间模型如(8)式。
将得到的电力***闭环状态空间模型离散化,选取T=0.05s为采样周期,由公式 可得:
B=[0 0.0061 0 0 0 0 0 0]T.
此时可得到(1)式所示电力***离散化模型。
步骤S2:由于实际***中***的状态难以全部测得,本发明首先根据输出信号对***的状态进行观测,观测器结构为:
然后设计基于观测器的输出反馈控制器对***进行控制。
为解决数据存储空间不足和网络拥塞问题,本发明在电力***闭环***中加入量化器(2),对PMU采集***输出量进行量化。带有量化器的观测器结构为:
步骤S3:采用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法可得到保证整个广域电力***在量化误差存在的情况下保持稳态运行的充分条件,即不等式(15)。将参数带入不等式(15),运用Matlab中的LMI工具箱可求出控制器增益K和观测器增益L分别为:
K=[0.4762 -0.9950 1.4307 0.0152 1.4299 0.0042 1.4301 0.0062],
将所得到的增益设计成输出反馈控制器,加到四机两区域***Simulink模型中,观察***动态是否满足电力***稳定性要求。从图3、图4、图5、图6中可以看出,***没有加控制器时动态性能较差,***在加入控制器后能迅速进入稳态,并保持稳定运行。
图5是本发明的加入控制器后四台电机的转子角速度ω。开始阶段由于量化误差使ω的值波动较大,但总体来看四台电机的运行状态都很快向平衡点靠拢。图中电机的角速度ω从初始值0.999(pu)过渡到了平衡点0.9987(pu),变化幅度很小,不会引起电机的振荡。
图6是本发明的加入控制器后四台电机的机端电压Vt。从图中可以看到,机端电压振荡后在5s内就达到稳定。
以上阐述的是本发明给出的实例,仿真结果体现了本发明所提出的技术方案对于四机电力***具有优良的控制效果。需要指出的是,本发明不只限于上述实施例,对于其他带有量化器的多机电力***,采用本发明的技术方案,在保证电力***稳定性的前提下,均能有效缓解通信信道拥塞问题,节约控制中心的存储空间。
Claims (1)
1.一种基于量化的广域电力***输出反馈控制方法,其特征在于:所述控制方法包括以下步骤:
1)在广域测量***当中,信息的采集是通过PMU来完成的,PMU以固定的采样周期对电力***状态量进行测量,以T为采样周期的闭环电力***离散化状态空间模型为:
其中,
k表示第k个传输周期kT;
A,B表示电机的常数矩阵;
C为***的输出矩阵;
x(k+1)表示广域电力***在第k+1周期的状态变量;
u(k)为***第k周期的输入变量;
y(k)表示***在第k周期的输出变量;
2)首先根据输出信号对***的状态进行观测,然后设计基于观测器的输出反馈控制器对***进行控制,并在电力***闭环***中加入量化器,对PMU的输出量进行量化,采用对数量化器:
相应的量化等级定义为:
U={±u(i),u(i)=ρiu(0),i=±1,±2,…}∪{±u(0)}∪{0}
0<ρ<1,u(0)>0
其中,yq(k)为量化后的输出变量,u(i)为第i级量化水平、u(0)为初始量化水平,ρ为量化密度,
带有量化器的观测器结构为:
其中,为k+1时刻***状态的估计值、L为观测器增益、为观测器的输出变量;
3)采用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法可得到保证整个广域电力***在量化误差存在的情况下保持稳态运行的充分条件:
其中,P为Lyapunov函数的状态权重矩阵,Q为Lyapunov函数的误差权重矩阵,ε为1维参数变量,矩阵Y为Y=PBK,矩阵Z为Z=QL,
通过Matlab中的LMI工具箱可解出矩阵Y和Z,则所求的控制器增益为K=(PB)-1Y,再将得到的控制器加入***中,使***保持稳定。
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