应急控制电力系统稳定方法

摘要

本发明适用于电力系统阻尼控制技术领域，提供了一种应急控制电力系统稳定方法，本方法通过对电力系统中低频振荡频率和阻尼比在线辨识、PSS应急通道路径设计以及应急通道参数即使整定，达到使电力系统稳定，本方法只需要根据采样分析得到的当前系统的振荡模式进行应急控制通道参数的即时更新，无需使用过于复杂的控制算法，以及克服了PSS4B模型参数难以整定的问题，所述新型PSS模型在原有PSS2B模型基础上改进实现，结构简单，工程上易于实现。

权利要求

1.一种应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据电网多个典型运行方式下运行数据，建立电力系统状态空间模型，利用几何算法计算得到系统在典型运行方式下的振荡模式、阻尼比以及电力系统的能观性和能控性几何度量，根据几何度量确定用于抑制电力系统在典型运行方式下的振荡模式的PSS控制机组，采用极点配置法进行原有PSS参数整定；

(2)考虑电网经特高压联网后，电网负荷变化、结构改变以及运行方式多变对相频特性和系统扰动影响，会出现电网动态特性恶化的情况，通过计算各种情况下的振荡模式以及用于抑制电力系统各区间振动模式的控制机组，利用相位超前滞后环节对每个区间进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，形成含多个振荡区间的离线PSS参数库；

(3)使用微处理器对各发电机输出功率进行实时采集，通过改进的Prony分析发电机输出功率，在线辨识当前低频振荡模式的频率和阻尼比，当电力系统中存在阻尼比低于阈值的低频振荡时，在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS控制机组；

(4)在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS参数，并对PSS应急控制通道参数进行即时更新，通过应急控制选择开关选择应急控制通道，对电网进行紧急控制。

2.根据权利要求1所述的应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(1)中PSS原有输出通道参数按照系统典型运行方式下的振荡模式进行整定，对电力系统主要振荡模式进行相位补偿。

3.根据权利要求1所述的应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(1)中电力系统状态空间模型包括微处理器、采集装置、存储器、选择控制开关和在原有PSS2B模型上新增可供选择的输出通道路径，所述采集装置、所述存储器和所述选择控制开关均连接所述微处理器，所述采集装置用于采集发电机的有功功率。

4.根据权利要求3所述的应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，所述采集装置为A/D转换器。

5.根据权利要求3所述的应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，所述PSS2B上新增的输出通道与原有输出通道结构相同。

6.根据权利要求1所述的应急控制电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(4)中在电力系统经特高压交流、直流联网后，系统负荷、结构以及运行方式多变，采用典型运行方式下的振荡模式进行PSS参数整定无法满足全频段的补偿要求，通过应急控制输出通道进行即时参数整定进行紧急情况下的低频振荡相位补偿。

说明书

应急控制电力系统稳定方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统阻尼控制技术领域，尤其涉及一种应急控制电力系统稳定方法。

背景技术

[0002] 近年来，我国进行了大规模的特高压规划和建设，特高压交流、直流工程的建设和投运实现了跨区域远距离输电，使得电网规模增大及运行方式日趋复杂，同时在很大程度上改变了原有电网结构及潮流走向，区域电网的联系将更加的紧密，区域电网的动态特性也将发生重大变化，加之地区电网的发展、电源的建设和负荷水平的增加，对电网的动态特性产生了重大影响，在此背景下保证系统安全可靠运行的技术难度逐渐增大。局部的小扰动或异常运行都可能引起大范围的连锁反应。同时远距离大容量的输电和大机组高快励磁装置的使用，在一定运行方式下会恶化系统的阻尼，使得电力系统低频振荡现象时有发生，已成为限制电网传输能力的瓶颈之一。对电力系统低频振荡的有效抑制不仅能增加线路的传输容量，而且对提高整个系统的稳定水平具有重要作用。

[0003] 电力系统稳定器是目前阻尼低频振荡最有效、经济的装置，既可以阻尼局部的低频振荡，也可以阻尼区域间的低频振荡，然而电力系统互联、快速励磁系统的大量投运使得系统阻尼水平和低频振荡的频率不断降低，传统的PSS2B型电力系统稳定器本质上用来抑制0.2～2Hz的局部低频振荡，且涉及的控制器一旦设计完成并投入使用，其参数就固定不变了，受到高频段临界增益的限制，PSS2B难以满足低频段增益要求，已经不能适应电网的发展要求；PSS4B型的新型电力系统稳定器虽然在低频段具有较好的抑制能力，但双变量输入和多支路并联的结构模式也带来了PSS4B本身的相位关系难以计算、参数难以整定等问题。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种应急控制电力系统稳定方法，解决控制电力系统稳定困难的问题，具有控制电力系统稳定简单的特点。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应急控制电力系统稳定方法，包括以下步骤：

[0006] (1)根据电网多个典型运行方式下运行数据，建立电力系统状态空间模型，利用几何算法计算得到系统在典型运行方式下的振荡模式、阻尼比以及电力系统的能观性和能控性几何度量，根据几何度量确定用于抑制电力系统在典型运行方式下的振荡模式的PSS控制机组，采用极点配置法进行原有PSS参数整定；

[0007] (2)考虑电网经特高压联网后，电网负荷变化、结构改变以及运行方式多变等各类因素对相频特性和系统扰动影响，可能出现电网动态特性恶化的情况，通过计算各种情况下的振荡模式以及用于抑制电力系统各区间振动模式的控制机组，利用相位超前滞后环节对每个区间进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，形成含多个振荡区间的离线PSS参数库；

[0008] (3)使用微处理器对各发电机输出功率进行实时采集，通过改进的Prony分析发电机输出功率，在线辨识当前低频振荡模式的频率和阻尼比，当电力系统中存在阻尼比低于阈值的低频振荡时，在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS控制机组；

[0009] (4)在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS参数，并对PSS应急控制通道参数进行即时更新，通过应急控制选择开关选择应急控制通道，对电网进行紧急控制。

[0010] 进一步地，所述步骤(1)中PSS原有输出通道参数按照系统典型运行方式下的振荡模式进行整定，对电力系统主要振荡模式进行相位补偿。

[0011] 进一步地，所述步骤(1)中电力系统状态空间模型包括微处理器、采集装置、存储器、选择控制开关和在原有PSS2B模型上新增可供选择的输出通道路径，所述采集装置、所述存储器和所述选择控制开关均连接所述微处理器，所述采集装置用于采集发电机的有功功率。

[0012] 进一步地，所述采集装置为A/D转换器。

[0013] 进一步地，所述PSS2B上新增的输出通道与原有输出通道结构相同。

[0014] 进一步地，所述步骤(4)中在电力系统经特高压交流、直流联网后，系统负荷、结构以及运行方式多变，采用典型运行方式下的振荡模式进行PSS参数整定无法满足全频段的补偿要求，通过应急控制输出通道进行即时参数整定进行紧急情况下的低频振荡相位补偿。

[0015] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本方法通过对电力系统中低频振荡频率和阻尼比在线辨识、PSS应急通道路径设计以及应急通道参数即使整定，达到使电力系统稳定，本方法只需要根据采样分析得到的当前系统的振荡模式进行应急控制通道参数的即时更新，无需使用过于复杂的控制算法，以及克服了PSS4B模型参数难以整定的问题，所述新型PSS模型在原有PSS2B模型基础上改进实现，结构简单，工程上易于实现。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1是本发明实施例提供的应急控制电力系统稳定方法的逻辑流程图；

[0018] 图2是本发明实施例提供的电力系统稳定器的工作流程图。

具体实施方式

[0019] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

[0020] 如图1所示，为本发明实施例提供的应急控制电力系统稳定方法的逻辑流程图，包括以下步骤：

[0021] (1)根据电网多个典型运行方式下运行数据，建立电力系统状态空间模型，利用几何算法计算得到系统在典型运行方式下的振荡模式、阻尼比以及电力系统的能观性和能控性几何度量，根据几何度量确定用于抑制电力系统在典型运行方式下的振荡模式的PSS控制机组，采用极点配置法进行原有PSS参数整定；

[0022] (2)考虑电网经特高压联网后，电网负荷变化、结构改变以及运行方式多变等各类因素对相频特性和系统扰动影响，可能出现电网动态特性恶化的情况，通过计算各种情况下的振荡模式以及用于抑制电力系统各区间振动模式的控制机组，利用相位超前滞后环节对每个区间进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，形成含多个振荡区间的离线PSS参数库；

[0023] (3)使用微处理器对各发电机输出功率进行实时采集，通过改进的Prony分析发电机输出功率，在线辨识当前低频振荡模式的频率和阻尼比，当电力系统中存在阻尼比低于阈值的低频振荡时，在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS控制机组；

[0024] (4)在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS参数，并对PSS应急控制通道参数进行即时更新，通过应急控制选择开关选择应急控制通道，对电网进行紧急控制。

[0025] 本发明的一个实施例中，步骤(1)中PSS原有输出通道参数按照系统典型运行方式下的振荡模式进行整定，对电力系统主要振荡模式进行相位补偿。

[0026] 本发明的一个实施例中，步骤(1)中电力系统状态空间模型包括微处理器、采集装置、存储器、选择控制开关和在原有PSS2B模型上新增可供选择的输出通道路径，所述采集装置、所述存储器和所述选择控制开关均连接所述微处理器，所述采集装置用于采集发电机的有功功率。

[0027] 本发明的一个实施例中，采集装置为A/D转换器。

[0028] 本发明的一个实施例中，PSS2B上新增的输出通道与原有输出通道结构相同。

[0029] 本发明的一个实施例中，步骤(4)中在电力系统经特高压交流、直流联网后，系统负荷、结构以及运行方式多变，采用典型运行方式下的振荡模式进行PSS参数整定无法满足全频段的补偿要求，通过应急控制输出通道进行即时参数整定进行紧急情况下的低频振荡相位补偿。

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

[0031] 如图2所示，为本发明实施例提供的一种具有应急控制功能的新型电力系统稳定器的设计，其在特高压交流、直流联网背景下的区域电网上实现，新型电力系统稳定器采用通过总线连接的微处理器、存储器、A/D转换器以及应急控制选择开关、在原有PSS2B型上增加可供选择的输出通道路径的改进PSS组成，微处理器控制A/D转换器以一定的采样频率对发电机有功功率进行采样，然后对发电机有功功率使用改进的Prony分析，在线辨识出当前电力系统的低频振荡频率及阻尼比，当满足应急控制条件时，根据当前低频振荡模式在离线PSS参数库中选择最适宜的PSS参数对应急控制输出路径进行即时更新，实现对电网低频振荡的阻尼。

[0032] 如图1所示，为本发明实施例提供的应急控制电力系统稳定方法的逻辑流程图，包括以下步骤：

[0033] (1)根据电网多个典型运行方式下运行数据，建立电力系统状态空间模型，利用几何算法计算得到系统在典型运行方式下的振荡模式、阻尼比以及电力系统的能观性和能控性几何度量，根据几何度量确定用于抑制电力系统在典型运行方式下的振荡模式的PSS控制机组，采用极点配置法进行原有PSS参数整定。

[0034] 具体过程为：建立电力系统非线性状态方程组模型，并在电力系统平衡点处进行线性化，得到系统的线性化状态方程为：

[0035]

[0036] 式(1)中，X为系统增量形式的状态矢量，A为系统的系数矩阵，由常微分方程的稳定性理论可知，系统相应的特征方程为

[0037] |λI-A|＝0   (2)

[0038] 通过求解(2)式可得所有的特征根λ1,λ2,...,λN，其中一对共轭复根为[0039] λi,j＝α±jω   (3)

[0040] 由(3)式可得此对共轭复根对应的振荡模式的振荡频率为 阻尼比为[0041] 定义特征根λi对应的右特征向量为ui，满足：

[0042] Aui＝λiui(i＝1,2,...N)   (4)

[0043] 则系统特征根对应的右特征向量矩阵为

[0044] U＝[u1,u2,…uN]   (5)

[0045] 定义特征根λi对应的左特征向量为vi，满足：

[0046]

[0047] 式(6)中，Λ＝diag(λ1,λ2,...,λN)，则系统特征根对应的左特征向量为：

[0048] V＝[v1,v2,...,vN]   (7)

[0049] 通过左右特征向量可以求取度量第k个状态变量Xk同第i个特征根λi的可控可观性几何度量，即相关因子为pki：

[0050]

[0051] 由式(8)计算得到各振荡模式的相关因子，通过相关因子排序得到与各振荡模式强相关的机组，即控制机组。

[0052] 得到与各低频振荡模式的控制机组后，采用极点配置法进行PSS参数整定，具体实施过程为：以机组有偿相位特性在各振荡模式区间满足要求为目标，确定PSS的相位补偿环节的时间常数；在临界增益法的基础上，以振荡过程中机组电磁功率振荡最小为优化目标整定PSS控制增益；选取人工智能方法进行优化模型的求解，从而完成对原有PSS参数的整定。

[0053] (2)考虑电网经特高压联网后，电网负荷变化、结构改变以及运行方式多变等各类因素对相频特性和系统扰动影响，可能出现电网动态特性恶化的情况，通过计算各种情况下的振荡模式以及用于抑制电力系统各区间振动模式的控制机组，利用相位超前滞后环节对每个区间进行补偿，得到相位超前滞后环节参数，形成含多个振荡区间的离线PSS参数库。

[0054] 具体过程为：搜索电力系统联网后，负荷变化、电网结构改变以及系统中的运行方式数据，分别构建系统状态空间模型，由式(1)～(8)计算各种情况下的振荡模式的频率、阻尼比、与当前电网振荡模式强相关的机组以及采用极点配置法进行相应PSS参数整定，将所得各种振荡模式的强相关机组以及PSS整定参数存入存储器，构建PSS参数离线库。

[0055] (3)使用微处理器对各发电机输出功率进行实时采集，通过改进的Prony分析发电机输出功率，在线辨识当前低频振荡模式的频率和阻尼比，当电力系统中存在阻尼比低于阈值的低频振荡时，在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS控制机组。

[0056] 具体实施过程中，微处理器控制A/D转换器进行发电机有功功率采样时，需要满足采样定理，采样频率需要大于信号最高频率的两倍，实际应用中，还需要留有相当的裕度，在低频振荡过程中，关心的频率段为0～2Hz，本发明实施例选取10Hz的采样频率，采样周期Ts为0.1秒，更高的采样频率可能会导致拟合结果变差。另外，采样时间长度tl一般应该包括两个周期的最低频率的振荡，在低频振荡分析中，取10～20秒时间长度进行改进的Prony分析，过长的时间可能使衰减快的分量无法辨识，使得结果丢失重要信息。

[0057] 得到采样数据后，由于在线辨识低频振荡频率和阻尼比使用的Prony分析方法对噪声有较高的要求，故需要对发电机有功功率信号进行预处理，本发明实施例采用简单的数字滤波器对高频杂散信号进行滤除，然后使用均值法去除直流分量。同时，选取合适的Prony算法的样本函数矩阵阶数可提高算法精度。

[0058] 在对当前电力系统进行低频振荡频率及阻尼比在线辨识时，由于Prony算法对噪声信号较为敏感，使用单输入信号进行振荡模式辨识时，会产生较大误差，故使用改进的Prony算法，利用同类信号进行平均，使得各个信号相互补充，提高辨识的准确性。

[0059] 具体实施过程中，选取除故障机组外的所有发电机有功出力信号的采样值进行平均值求取，记第k组发电机有功信号的第n个采样点为xk(n)(n＝0,1,...,N-1)，则发电机组的采样值信号可采用P个指数函数的线性组合进行拟合：

[0060]

[0061] 式(9)中Am表示振幅，θm表示相位，am表示衰减因子，fm表示振荡频率，Δt表示采样时间间隔。

[0062] 得到M组发电机组的采样信号后，计算采样信号平均值为：

[0063]

[0064] 构建样本函数矩阵为：

[0065]

[0066] 式(11)中， Pm为算法阶数估计值，且有Pm>P,1≤i≤Pm,0≤j≤Pm。

[0067] 使用奇异值分解和最小二乘法确定样本矩阵的有效秩P以及参数ai，有：

[0068] 1+a1z-1+...+apz-p＝0   (12)

[0069] 求取式(12)的根，并递推第k组发电机组信号的近似值

[0070]

[0071] 且有

[0072] 采用式(14)求取参数bk：

[0073]

[0074] 其中，bki为第k组发电机组信号的第i个分量。

[0075] 然后，计算每个信号的振幅Aki，相位θki，衰减因子ai及频率fi有：

[0076]

[0077] 在线辨识出当前电力系统低频振荡频率及阻尼比后，若存在阻尼比低于阈值(5％)的低频振荡，则选择应急控制，在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS控制机组。

[0078] (4)在离线的PSS参数库中选择与当前电网低频振荡模式对应的PSS参数，并对PSS应急控制通道参数进行即时更新，通过应急控制选择开关选择应急控制通道，对电网进行紧急控制。

[0079] 本发明的有点在于：

[0080] (1)由于新增加了应急控制通道路径，且应急通道路径参数可即时整定，电网通过特高压交直流联网后，当电网负荷、结构、运行方式多变导致系统动态特性恶化时，能够通过应急控制对系统进行相位补偿，实现全频段(0～2Hz)的补偿，增强了电力系统的稳定性。

[0081] (2)在本发明中，只需要根据采样分析得到的当前系统的振荡模式进行应急控制通道参数的即时更新，无需使用过于复杂的控制算法，以及克服了PSS4B模型参数难以整定的问题，所述新型PSS模型在原有PSS2B模型基础上改进实现，结构简单，工程上易于实现。

[0082] 以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。