CN107065519B - 一种pmu反馈控制信号预处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种PMU反馈控制信号预处理方法，针对广域电力***反馈控制中PMU信号存在时滞、且时滞可能在大范围内随机变化的问题，设计了PMU反馈控制信号进入稳定控制器前的预处理模块，提出了基于最优时滞匹配思想的随机时滞PMU反馈控制信号的预处理方法。该方法包含控制器最优时滞的确定、随机PMU信号重新排序、滤波、数据插值与采样、总时滞计算、最优时滞反馈控制信号选取、反馈控制这几个关键步骤。本发明可以使各类广域反馈稳定控制器在反馈控制信号的时滞大幅波动时，依然具有预设的稳定控制能力。

Description

一种PMU反馈控制信号预处理方法
技术领域：
本发明涉及大规模电力***广域时滞稳定控制方法，属于电力***稳定控制技术领域。
背景技术：
随着大区电网的互联，电力***的规模不断扩大，稳定问题也日益严重。如何确保大区电网特高压互联下的电力***具有较强的阻尼能力、在复杂剧烈扰动下能保持稳定运行，成为广域智能电网亟待解决的控制难题。
由于大区电网互联后，发生的扰动或者故障可能波及多个区域电网，分布面非常广，影响也很大。传统的采用本地信号作为反馈信号的电力***稳定控制器(PSS)，受控制信号的可观性限制，在抑制区间低频振荡方面效果非常有限。基于全球定位***(GPS)或北斗卫星导航***(BDS)授时技术的相量测量单元(PMU)，使电力***运行状态的同步测量不再是个难题，目前基于PMU的电力***广域测量***(WAMS)也正在不断完善中。利用PMU同步相量数据进行广域电力***稳定控制，较传统的基于本地信号的PSS控制具有显著的优势，在大量文献中已有明确的结论。但是，PMU同步相量的广域远距离传输也带来了控制信号时滞问题，若不妥善处理随机时滞大幅波动带来的影响，稳定控制器不仅不起作用，甚至可能进一步恶化电力***的稳定性。
PMU信号时滞大范围随机波动，使PMU端按顺序发送的信号到达控制器端时变得杂乱无序；此外，根据不同原理设计的控制器发挥最优阻尼效果时往往对应有一个特定的时滞值，即最优时滞。若按照传统的控制信号预处理方式，当时滞随机大范围波动时，往往无法发挥控制器最大的稳定控制能力。因此必须针对广域稳定控制中面临的时滞大幅波动现象，设计合适的PMU反馈控制信号预处理方法。
发明内容：
本发明针对广域电力***稳定控制中出现的时滞大幅度波动带来的PMU反馈控制信号预处理问题，设计了PMU信号到达稳定控制器端时的预处理方法，以确保控制器达到预设的稳定效果。
本发明的PMU控制信号预处理方法包含两个阶段，七个步骤：
(一)控制器设计阶段：
(1)控制器最优时滞的确定。将设计好的控制器加入电力***仿真分析模型，设定反馈控制信号的时滞，通过仿真分析不同时滞下电力***受到干扰后的动态特性，计算与其对应的阻尼指标，选取最大阻尼指标对应的时滞作为控制器的最优时滞，记为τm。
(二)实时反馈控制阶段：
(2)随机PMU信号重新排序。随机PMU信号达到控制器时，该信号记为Y1，其对应的测量时间序列记为T1，根据每个PMU信号标记的时标，重新对其进行排序，排序后的信号记为Y2，对应的时间序列记为T2。
(3)PMU信号滤波。采用无时延的非因果滤波器，滤除PMU信号Y2中夹杂的高频随机噪声，去噪后的PMU信号记为Y3，对应的时间序列记为T3。
(4)PMU信号数据插值与采样。根据电力***稳定控制器对反馈信号输入的要求，对PMU信号Y3进行插值采样，使PMU信号采样时间与控制器动作频率保持一致，插值采样后的PMU信号记为Y4，对应的时间序列记为T4。
(5)计算PMU反馈控制信号的总时滞。读取实时的GPS授时数据TG，TG减去时间序列T4中的时标，即可计算得到PMU信号Y4中每个采样点的总时滞，该时滞数据序列记为ΔT。
(6)最优时滞反馈控制信号的选取。确定时滞数据序列ΔT中与步骤(1)中最优时滞τm最接近的时滞点ΔTi，选取与ΔTi对应的PMU信号序列Y4中的点Y4i作为当前TG时刻的反馈控制信号y。
(7)反馈控制。将步骤(6)筛选的最优时滞控制信号y输入电力***稳定控制器。
本发明的优点是：解决了广域电力***时滞稳定控制中遇到的时滞PMU信号预处理技术难题，创新性地提出了基于最优时滞匹配思想的信号预处理方法，不仅可以应用于如图1所示的发电机励磁装置控制器，也可以类推应用于电力***中的其它调控装置的控制器。
附图说明：
图1广域电力***控制结构图
图2本发明的PMU控制信号预处理方法流程图
图3四机两区域电力***图
图4不同固定时滞下的稳定控制效果对比图
图5随机时滞随时间变化图
图6信号预处理方法对时滞PMU反馈控制信号的影响对比图
图7时滞PMU反馈控制信号预处理对控制效果的影响对比图
具体实施方式：
下面参照附图进一步说明本发明的技术方案。
图1所示为广域电力***控制结构图。电力网将地理上相距几百甚至上千公里的各类发电厂、用电负荷通过交流或者直流输电线路、变电站连接成网状。如此巨大的关乎国计民生的电力能源网络，一方面给能源的全局统筹互补优化带来了便利与效益，与此同时，也会扩大任何扰动或故障的波及面以及影响程度。长期的研究与应用推广，电力***中已经采用了大量的可控可调设备以增强***的抗干扰和稳定运行能力，这些调控装置包括：传统的发电机励磁装置、汽门调节装置、高压直流输电控制装置、新兴的柔***流输电装置等。这些调控装置的调控效果不仅与硬件技术、控制策略的设计密切相关，而且与电力***测量数据平台WAMS的支持能力、数据的分析技术也有很大关联。目前，我国电力***中发电厂、500kV及以上的变电站、部分220kV变电站都已经安装有PMU，PMU可以实时准确测量电力***的静态和动态数据，为***稳定分析与控制奠定了坚实的数据基础。本发明的PMU反馈控制信号预处理方法应用于图1中的电力***调控装置端，作为WAMS传递过来的PMU信号与调控装置稳定控制器之间的中间模块，即图1中的“PMU信号预处理模块”，为调控装置稳定控制器的正常工作提供保障。
本发明的PMU控制信号预处理方法流程图如图2所示，主要包含两个阶段，七个步骤：
(一)控制器设计阶段：
(1)控制器最优时滞的确定。将设计好的控制器加入电力***仿真分析模型，设定反馈控制信号的时滞，通过仿真分析不同时滞下电力***受到干扰后的动态特性，计算与其对应的阻尼指标，选取最大阻尼指标对应的时滞作为控制器的最优时滞，记为τm。
(二)实时反馈控制阶段：
(2)随机PMU信号重新排序。随机PMU信号达到控制器时，该信号记为Y1，其对应的测量时间序列记为T1，根据每个PMU信号标记的时标，重新对其进行排序，排序后的信号记为Y2，对应的时间序列记为T2。
(3)PMU信号滤波。采用无时延的非因果滤波器，滤除PMU信号Y2中夹杂的高频随机噪声，去噪后的PMU信号记为Y3，对应的时间序列记为T3。
(4)PMU信号数据插值与采样。根据电力***稳定控制器对反馈信号输入的要求，对PMU信号Y3进行插值采样，使PMU信号采样时间与控制器动作频率保持一致，插值采样后的PMU信号记为Y4，对应的时间序列记为T4。
(5)计算PMU反馈控制信号的总时滞。读取实时的GPS授时数据TG，TG减去时间序列T4中的时标，即可计算得到PMU信号Y4中每个采样点的总时滞，该时滞数据序列记为ΔT。
(6)最优时滞反馈控制信号的选取。确定时滞数据序列ΔT中与步骤(1)中最优时滞τm最接近的时滞点ΔTi，选取与ΔTi对应的PMU信号序列Y4中的点Y4i作为当前TG时刻的反馈控制信号y。
(7)反馈控制。将步骤(6)筛选的最优时滞控制信号y输入电力***稳定控制器。
图3所示的四机两区域电力***是研究区间低频振荡的基准测试***，发电机G1和G2位于区域1，发电机G3和G4位于区域2，两个区域通过长联络线互联。仿真中假设正常运行状态下4台发电机输出功率均为700MW，由于区域1中负荷较轻、而区域2中负荷较重，此时双回联络线7-9需要从区域1输送约300MW有功功率至区域2，节点8为长距离传输线路中间变电站。小干扰稳定特征值分析可知，该***存在3种低频振荡模式，区域1中的G1和G2相对区域2中的G3和G4存在区间低频功率振荡，振荡频率为0.5370Hz，阻尼值小于0。由于阻尼值为负，因此该***一旦受到扰动，发电机相对功角、联络线功率等都会长时间剧烈振荡，如图4中“无控制器”时的区间相对功角曲线所示。
假设发电机G2的励磁控制装置上安装有稳定控制器K，通过设定不同固定时滞进行***动态仿真分析，从图4种可以看到，该稳定控制器K在时滞500ms时具有最佳的阻尼控制效果，因此最优时滞设定为τm＝500ms。
然后，根据WAMS实际运行工况下PMU信号的通信时延正态分布特点，仿真测试中反馈控制中双向信号传输时延的均值取200ms，标准偏差取200ms，图5为该随机时滞随时间变化的情况，假设时滞下限为50ms，时滞上限为1000ms。为了模拟PMU信号中的噪声影响，在***动态仿真测量数据中加入高斯白噪声。将仿真模拟的随机时滞PMU反馈控制信号传递到发电机G2上的励磁控制装置端，经过下述几个步骤处理：
(1)随机PMU信号重新排序。随机PMU信号达到控制器时，该信号记为Y1，其对应的测量时间序列记为T1，根据每个PMU信号标记的时标，重新对其进行排序，排序后的信号记为Y2，对应的时间序列记为T2。
(2)PMU信号滤波。采用无时延的非因果滤波器，滤除PMU信号Y2中夹杂的高频随机噪声，去噪后的PMU信号记为Y3，对应的时间序列记为T3。
(3)PMU信号数据插值与采样。根据电力***稳定控制器反馈信号输入要求，对PMU信号Y3进行插值采样，使PMU信号采样时间与控制器动作频率保持一致，插值采样后的PMU信号记为Y4，对应的时间序列记为T4。
(4)计算PMU反馈控制信号的总时滞。读取GPS授时数据TG，TG减去时间序列T4中的时标，即可计算得到PMU信号Y4中每个采样点的总时滞，该时滞数据序列记为ΔT。
(5)最优时滞反馈控制信号的选取。确定时滞数据序列ΔT中与步骤(1)中最优时滞τm最接近的时滞点ΔTi，选取与ΔTi对应的PMU信号序列Y4中点Y4i作为当前TG时刻的反馈控制信号y。
最后，将上述实时筛选出来的最优时滞控制信号不断输入发电机G2励磁控制装置中的稳定控制器。PMU反馈控制信号采用本方法预处理后，稳定控制器可以正常发挥阻尼效果(与图4中固定时滞500ms时的效果相当)，即使随机时滞如图5所示大范围随机波动。
为了进一步说明本方法在广域电力***稳定控制中的重要性，本案例中还将其与其它3种可能的PMU信号选取策略进行对比，具体如下：
替换策略1——接收顺序：根据PMU信号到达稳定控制器的先后顺序进行反馈控制，无须重新排队；
替换策略2——发送顺序：对接收到的无序PMU信号重新进行排队，按PMU端的发送顺序进行反馈控制；
替换策略3——最新原则：选取最新的数据进行反馈控制；
如果时滞很小或者保持不变时，这3种替换策略选取的PMU反馈控制信号与本发明方法基本一致。当时滞较大且大幅波动时，不同策略选取的PMU反馈控制信号则可能存在较大差异，本案例中的效果对比如图6所示。从图6中可以看到：本发明策略“时滞匹配”下反馈控制信号的时滞较接近最优时滞500ms，替换策略1“接收顺序”和替换策略3“最新原则”下时滞较接近时滞下限50ms，其中“接收顺序”策略下反馈控制信号突变较多，替换策略2“发送顺序”下的时滞则非常接近时滞上限1000ms。
图7为与图6对应的***区间相对功角动态响应图，对于同一个稳定控制器，不同PMU反馈控制信号选取策略下的阻尼效果差异很大：“时滞匹配”策略下的阻尼效果最佳，“接收顺序”和“最新原则”策略次之，“发送顺序”策略则使***失去稳定。由此可见，在大幅波动的随机时滞环境下利用PMU信号进行反馈控制，必须重视随机时滞信号预处理环节中的反馈控制信号选取策略，本发明所提出的基于时滞匹配思想的PMU反馈控制信号预处理方法可以获得令人满意的效果。

Claims (1)

1.一种PMU反馈控制信号预处理方法，包含如下步骤：
(1)控制器最优时滞的确定；将设计好的控制器加入电力***仿真分析模型，设定反馈控制信号的时滞，通过仿真分析不同时滞下电力***受到干扰后的动态特性，计算与其对应的阻尼指标，选取最大阻尼指标对应的时滞作为控制器的最优时滞，记为τm；
(2)随机PMU信号重新排序；随机PMU信号达到控制器时，该信号记为Y1，其对应的测量时间序列记为T1，根据每个PMU信号标记的时标，重新对其进行排序，排序后的信号记为Y2，对应的时间序列记为T2；
(3)PMU信号滤波；采用无时延的非因果滤波器，滤除PMU信号Y2中夹杂的高频随机噪声，去噪后的PMU信号记为Y3，对应的时间序列记为T3；
(4)PMU信号数据插值与采样；根据电力***稳定控制器对反馈信号输入的要求，对PMU信号Y3进行插值采样，使PMU信号采样时间与控制器动作频率保持一致，插值采样后的PMU信号记为Y4，对应的时间序列记为T4；
(5)计算PMU反馈控制信号的总时滞；读取实时的GPS授时数据TG，TG减去时间序列T4中的时标，即可计算得到PMU信号Y4中每个采样点的总时滞，该时滞数据序列记为ΔT；
(6)最优时滞反馈控制信号的选取；确定时滞数据序列ΔT中与步骤(1)中最优时滞τm最接近的时滞点ΔTi，选取与ΔTi对应的PMU信号序列Y4中的点Y4i作为当前TG时刻的最优时滞反馈控制信号y；
(7)反馈控制；将步骤(6)筛选的最优时滞反馈控制信号y输入电力***稳定控制器。
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