一種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定領(lǐng)域的一種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法。該方法通過對電網(wǎng)有關(guān)參數(shù)和調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)信號的測量，對系統(tǒng)進(jìn)行初步模態(tài)分析，結(jié)合對電網(wǎng)功率振蕩信號頻率和波形的分析，形成低頻振蕩產(chǎn)生機理的判據(jù)。結(jié)合低頻振蕩產(chǎn)生機理的判據(jù)和電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性計算，形成判斷調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩機理的方法。
【專利說明】
-種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定領(lǐng)域，特別設(shè)及電力系統(tǒng)低頻振蕩機理分析。尤其 設(shè)及汽輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法，適用于生產(chǎn)實踐。
【背景技術(shù)】
[0002] 互聯(lián)電網(wǎng)可W提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，然而也導(dǎo)致電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題非 常突出，國內(nèi)外多次發(fā)生過低頻振蕩現(xiàn)象?，F(xiàn)代快速、高放大倍數(shù)勵磁系統(tǒng)是引起負(fù)阻尼的 主要原因，加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS可W對運類低頻振蕩現(xiàn)象進(jìn)行比較有效的抑制。隨著調(diào) 速系統(tǒng)的快速發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響日益突出，系統(tǒng)中多次出 現(xiàn)由調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)的低頻振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響的系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
[0003] 現(xiàn)代大型汽輪機調(diào)速系統(tǒng)通常采用功頻電液控制，其響應(yīng)速度比W往機械液壓式 調(diào)速系統(tǒng)大大提高，已經(jīng)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的動態(tài)產(chǎn)生較大影響。調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速測量機 構(gòu)、控制器、電液轉(zhuǎn)換器、油動機W及閥口控制等，某個環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置不合理或者出現(xiàn)故障 均可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥口擺動，進(jìn)而造成電網(wǎng)低頻功率振蕩。
[0004] 目前，電力系統(tǒng)低頻振蕩的機理主要包括負(fù)阻尼機理和強迫振蕩機理。負(fù)阻尼機 理是解釋自由振蕩穩(wěn)定性的成熟理論，而強迫振蕩是指系統(tǒng)在外施擾動源激勵作用下產(chǎn)生 的振蕩。對于汽輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)引起的振蕩，究竟是負(fù)阻尼機理還是強迫振蕩機理并沒 有完善的判斷方法。本發(fā)明專利通過對調(diào)速系統(tǒng)和電網(wǎng)有關(guān)參數(shù)的測量，形成判斷調(diào)速系 統(tǒng)低頻振蕩機理的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)的低頻振蕩，提出了一種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理 識別方法，其特征在于，所述方法包括
[0006] 步驟1、計算互聯(lián)電網(wǎng)的各振蕩模式，根據(jù)特征值求各振蕩模式的振蕩頻率與阻尼 比;計算參與因子，參與因子Pki表示第i個模式中第k個變量的參與程度；
[0007] 步驟2、實測信號，信號包括電網(wǎng)功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥口指令、等效閥位、閥位 開度W及調(diào)節(jié)級壓力；
[000引步驟3、提取實測信號的振蕩頻率及其衰減因子；
[0009] 步驟4、基于上述步驟和判據(jù)判斷調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩的機理。
[0010] 所述步驟4的具體過程為
[0011] 步驟401、對系統(tǒng)進(jìn)行初步模態(tài)分析；
[0012] 根據(jù)廣域測量系統(tǒng)同步相量測量裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，若是監(jiān)測到至少兩個區(qū)域的機 組群發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可判斷系統(tǒng)振蕩模式為區(qū)域振蕩模式，振蕩產(chǎn)生機理為負(fù)阻尼 振蕩;若是僅監(jiān)測到單個發(fā)電廠內(nèi)的機組發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可初步判斷系統(tǒng)振蕩模式 為本地振蕩模式，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷；
[OOU]步驟402、判據(jù)Fi:電網(wǎng)功率信號振蕩頻率；
[0014] 由步驟I求得互聯(lián)電網(wǎng)本地振蕩模式的振蕩頻率，其中頻率最小值為fmin，最大值 為fmax ;當(dāng)電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率f Pe在[fmin，fmax]范圍W外時，判據(jù)Fl = 0，振蕩產(chǎn)生機理 為強迫振蕩；當(dāng)時e在[fmin，fmax]范圍W內(nèi)時，判據(jù)Fl = I，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷；
[0015] 步驟403、判據(jù)F2:電網(wǎng)功率信號振蕩波形；
[0016] 在Fl = I的基礎(chǔ)上，起振階段為增幅振蕩而穩(wěn)態(tài)階段為等幅振蕩時，判據(jù)F2 = 0,振 蕩產(chǎn)生機理為強迫振蕩;起振階段與穩(wěn)態(tài)階段均為增幅振蕩時，判據(jù)F2=l，振蕩產(chǎn)生機理 為負(fù)阻尼振蕩；
[0017] 步驟404、判據(jù)F3:電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性；
[0018] 計算電網(wǎng)實測信號與調(diào)速系統(tǒng)實測信號的振蕩頻率方差：
[0019]
[0020] 其中，fPe為電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率，為調(diào)節(jié)閥口指令的振蕩頻率，f。為發(fā)電 機轉(zhuǎn)速信號的振蕩頻率，fsv為等效閥位信號的振蕩頻率，fgv為閥位開度信號的振蕩頻率， 時"為調(diào)節(jié)級壓力信號的振蕩頻率;y為所有實測信號的平均振蕩頻率；
[0021] 當(dāng)D(f)《0.005時，判據(jù)F3=l，判斷該強迫振蕩是由調(diào)速系統(tǒng)引起；當(dāng)D(f)> 0.005時，判據(jù)F3 = 0,判斷該強迫振蕩不是由調(diào)速系統(tǒng)引起。
[0022] 有益效果
[0023] 本發(fā)明方法結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)W及廣域測量裝置對系統(tǒng)各信號的檢測，形 成識別系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機理的判據(jù)，能夠判斷系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因，從而能夠更有 針對性地采取控制措施抑制低頻振蕩。
【附圖說明】
[0024] 圖1為調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法原理圖；
[0025] 圖2為電網(wǎng)功率信號的在線檢測圖；
[0026] 圖3為調(diào)節(jié)閥口指令信號的在線檢測圖；
[0027] 圖4為等效閥位信號的在線檢測圖；
[0028] 圖5為閥位開度信號的在線檢測圖；
[0029] 圖6為調(diào)節(jié)級壓力信號的在線檢測圖；
[0030] 圖7為發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號的在線檢測圖。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明提出了一種判斷調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩機理的方法，圖1為調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻 振蕩的機理識別方法原理圖，具體步驟為
[0032] (1)計算互聯(lián)電網(wǎng)的各振蕩模式、參與因子；
[0033] (a)計算互聯(lián)電網(wǎng)的振蕩模式；
[0034] 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程表示如下：
[0035]
(1)
[003引其中A X是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，A U是系統(tǒng)的輸入向量，A y為輸出向量。矩陣A與電網(wǎng) 系統(tǒng)的發(fā)電機參數(shù)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，通過求取矩陣A的特征值和特征向量，可W獲得系 統(tǒng)模態(tài)。
[0037]系統(tǒng)的特征方程與特征向量求解如下：
[003引 det(A-人 1)=0 (2)
[0039] A4)i = Ai(l)i (3)
[0040] 由特征方程可W求得狀態(tài)矩陣的特征值，其中每一對共輛復(fù)數(shù)特征值〇± jo對應(yīng) 系統(tǒng)的一個振蕩模式，并可根據(jù)特征值求得振蕩的頻率f與阻尼比C如下：
[0041] (4)
[0042] 皎）
[0043] (b)計算參與因子；
[0044] 由于式(2)中矩陣A為非對角陣，變量之間存在禪合，為解禪作如下變換，取A X = 巫A Z，其中O為矩陣A對應(yīng)的右模態(tài)矩陣。取A Z = ^A X，其中4為矩陣A對應(yīng)的左模態(tài)矩陣。 則參與矩陣P=[Pi P2，，，Pn]結(jié)合左模態(tài)矩陣與右模態(tài)矩陣，作為狀態(tài)變量與模式之間的一 種度量。
[0045] 其中
[0046]
(6)
[0047] 參與因子Pki表示第i個模式中第k個變量的參與程度。
[0048] (2)電網(wǎng)功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥口指令、等效閥位、閥位開度、調(diào)節(jié)級壓力等信 號的檢測；
[0049] Prony算法是針對等間距采樣點，假設(shè)模型是一些具有任意幅值、相位、頻率和衰 減因子的指數(shù)函數(shù)的線性組合，即認(rèn)為測量輸入X(O),…，x(n-l)的估計值可W表示為：
[0050]
(7)
[ooy] 其中Am為幅值，fm為頻率，am為衰減因子，0m為初化A t為時間間隔。
[0化2]算法的主要步驟為：
[0053] (a)構(gòu)造樣本函數(shù)矩陣；
[0056] (b)確定R陣的有效秩P;[0057] (C)根據(jù)式(9)求解a;
[0054； (8)
[0化5:
[005引
（9)
[0059] (d)求多項式(10)的根z;
[0060] l+aiz-i+...+SpZ-P = O (10)
[0061] 并根據(jù)式an遞推出i(")
[0065] (f)利用式(13)計算振幅、相位、頻率和衰減因子；
[006^ (U)
[0063]
[0064] (12)
[0066；
(13)
[0067] (3)實測信號的振蕩頻率和衰減因子提??；
[0068] W調(diào)速系統(tǒng)的電網(wǎng)功率信號為例，通過Prony算法對在線監(jiān)測的電網(wǎng)功率信號進(jìn) 行分析后，得到一組具有不同幅值、相位、頻率和衰減因子的指數(shù)函數(shù)信號的線性組合。指 數(shù)信號的幅值A(chǔ)j最大時對應(yīng)的信號為主導(dǎo)振蕩信號。取主導(dǎo)振蕩信號的頻率。取為振蕩頻 率，取主導(dǎo)振蕩信號的衰減因子ai為振蕩衰減因子，即
[0069] (14)
[0070] (巧）
[0071] 尼比由式(16)求得
[0072] 觸
[0073] 同理可得調(diào)節(jié)閥口指令信號的振蕩頻率fuT，發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號的振蕩頻率f。、等效 閥位信號的振蕩頻率fsv、閥位開度信號的振蕩頻率fgv、調(diào)節(jié)級壓力信號的振蕩頻率fpm。
[0074] (4)判斷調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩的機理；
[0075] (a)對系統(tǒng)進(jìn)行初步模態(tài)分析；
[0076] 根據(jù)廣域測量系統(tǒng)(WAMS)同步相量測量裝置(PMU)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，若是監(jiān)測到兩個 或多個區(qū)域的機組群發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可判斷系統(tǒng)振蕩模式為區(qū)域振蕩模式，振蕩產(chǎn) 生機理為負(fù)阻尼振蕩；若是僅監(jiān)測到單個發(fā)電廠內(nèi)的機組發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可初步判 斷系統(tǒng)振蕩模式為本地振蕩模式，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷。
[0077] (b)判據(jù)Fi:電網(wǎng)功率信號振蕩頻率；
[0078] 在初步分析系統(tǒng)為本地振蕩模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步判斷電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率 fPe是否在本地振蕩模式的頻率范圍內(nèi)。由步驟（1)求得互聯(lián)電網(wǎng)的各個振蕩模式的振蕩頻 率，對本地模式振蕩頻率進(jìn)行排序，其中本地振蕩模式頻率最大值為fmax，最小值為fmin。若 電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率時e在[fmin，fmax]范圍W外，判斷振蕩產(chǎn)生機理為強迫振蕩;若電網(wǎng) 功率信號的振蕩頻率時e在[fmin，fmax]范圍W內(nèi)，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷。
[0079] f Pe在[fmin，fmax ]范圍W外時，F(xiàn)l = 0，振蕩產(chǎn)生機理為強迫振蕩；
[0080] f Pe在[fmin，fmax ]范圍W內(nèi)時，F(xiàn)l = 1，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷。
[0081] (C)判據(jù)F2:電網(wǎng)功率信號振蕩波形；
[0082] 當(dāng)電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率時e在本地模式范圍內(nèi)時，通過振蕩信號的波形特征判 斷振蕩機理。若振蕩波形的起振階段為增幅振蕩，阻尼呈現(xiàn)為負(fù)值，而穩(wěn)態(tài)階段為等幅振 蕩，阻尼呈現(xiàn)為弱阻尼，振蕩產(chǎn)生機理為強迫振蕩;若振蕩波形的起振階段和穩(wěn)態(tài)階段均為 增幅振蕩，阻尼一直呈現(xiàn)為負(fù)值，振蕩產(chǎn)生機理為負(fù)阻尼振蕩。
[0083] 起振階段為增幅振蕩而穩(wěn)態(tài)階段為等幅振蕩時，F(xiàn)2 = 0,振蕩產(chǎn)生機理為強迫振 蕩；
[0084] 起振階段與穩(wěn)態(tài)階段均為增幅振蕩時，F(xiàn)2=1，振蕩產(chǎn)生機理為負(fù)阻尼振蕩。
[0085] (d)判據(jù)F3:電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)信號的振蕩頻率的一致性；
[0086] 在判斷系統(tǒng)功率振蕩產(chǎn)生機理為強迫振蕩的基礎(chǔ)上，利用電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系 統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性來判斷該強迫振蕩是否由調(diào)速系統(tǒng)引起。
[0087] 方差是在概率論和統(tǒng)計方差衡量隨機變量或一組數(shù)據(jù)時離散程度的度量，概率論 中方差用來度量隨機變量和其數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度，方差的計算如式(17)所示
[008引 (17)
[0089] 其中，W = E(X)
[0090] 令電網(wǎng)功率信號與各調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率為變量，則頻率的方差如式（18)所 示，用來度量電網(wǎng)功率的振蕩頻率與調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性。
[0091]
側(cè)
[0092] 其中，y = E(f);
[0093] 方差的大小與信號振蕩頻率的一致程度呈負(fù)相關(guān)性，即方差越小，則數(shù)據(jù)間的波 動越小，信號間的振蕩頻率一致性越高;方差越大，則數(shù)據(jù)間的波動越大，信號間的振蕩頻 率一致性越低。
[0094] D(f)《0.005時，判據(jù)F3= 1，判斷該強迫振蕩是由調(diào)速系統(tǒng)引起；
[00M] D( f) > 0.005時，判據(jù)F3 = 0，判斷該強迫振蕩不是由調(diào)速系統(tǒng)引起。
[0096]南方電網(wǎng)某電廠共有2臺額定功率330MW的汽輪發(fā)電機組。2013年5月8日，機組檢 修后并網(wǎng)運行，1號機組帶220MW負(fù)荷運行，2號機組帶230MW負(fù)荷運行，13:50分1號機組開始 進(jìn)行單順閥切換操作。閥切換過程中，1號機組發(fā)生低頻功率振蕩，有功功率在186MW~ 279MW范圍內(nèi)擺動，振蕩持續(xù)77秒，振蕩頻率為0.171監(jiān)，PMU/WAMS系統(tǒng)記錄到了機組有功振 蕩，其實測信號如圖2所示。
[0097] (a)實測信號的振蕩頻率提?。?br>[0098] 圖3-圖7分別為調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥口指令、等效閥位、閥位開度、調(diào)節(jié)級壓力、發(fā) 電機轉(zhuǎn)速等實測信號圖，通過Prony算法，可依次得出各實測信號的振蕩頻率。其中，fuT = 0.163監(jiān)，f CV = 0.16細(xì)Z，f gv=0.163監(jiān)，fpm=0.180HZ，f。= 0.164HZ。
[0099] (b)電網(wǎng)功率信號振蕩頻率；
[0100] 功率振蕩的頻率fPe為0.171監(jiān)，電網(wǎng)本地振蕩模式的最小振蕩頻率fmin為0 .細(xì)Z，最 小振蕩頻率fmax為1.2監(jiān)。由于時e在[fmin，fmax]范圍W外時，判據(jù)Fl = 0，振蕩產(chǎn)生機理為強迫 振蕩。
[0101] (C)電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性；
[0102] 根據(jù)公式（18)，對信號的振蕩頻率進(jìn)行方差計算，求得實測信號振蕩頻率的期望 值
[0103] E(f)=0.168 監(jiān)
[0104] 求得實測信號振蕩頻率的方差
[0105] D(f)=3.714X10-已
[0106] 由于0(門《0.005，判據(jù)。3 = 1，因此，可^判斷本次低頻振蕩是由調(diào)速系統(tǒng)引起的 強迫振蕩。
【主權(quán)項】
1. 一種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法，其特征在于，所述方法包括 步驟1、計算互聯(lián)電網(wǎng)的各振蕩模式，根據(jù)特征值求各振蕩模式的振蕩頻率與阻尼比； 計算參與因子，參與因子Pki表示第i個模式中第k個變量的參與程度； 步驟2、實測信號，信號包括電網(wǎng)功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥口指令、等效閥位、閥位開度 W及調(diào)節(jié)級壓力； 步驟3、提取實測信號的振蕩頻率及其衰減因子； 步驟4、基于上述步驟和判據(jù)判斷調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩的機理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)低頻振蕩的機理識別方法，所述步驟4的具 體過程為 步驟401、對系統(tǒng)進(jìn)行初步模態(tài)分析； 根據(jù)廣域測量系統(tǒng)同步相量測量裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，若是監(jiān)測到至少兩個區(qū)域的機組群 發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可判斷系統(tǒng)振蕩模式為區(qū)域振蕩模式，振蕩產(chǎn)生機理為負(fù)阻尼振蕩； 若是僅監(jiān)測到單個發(fā)電廠內(nèi)的機組發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，則可初步判斷系統(tǒng)振蕩模式為本地 振蕩模式，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷； 步驟402、判據(jù)Fi:電網(wǎng)功率信號振蕩頻率； 由步驟1求得互聯(lián)電網(wǎng)本地振蕩模式的振蕩頻率，其中頻率最小值為fmin，最大值為 fmax ;當(dāng)電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率f P廟[f min，fmax]范圍W外時，判據(jù)Fl = 0，振蕩產(chǎn)生機理為 強迫振蕩；當(dāng)時e在[fmin，fmax]范圍W內(nèi)時，判據(jù)Fl = l，振蕩產(chǎn)生機理須進(jìn)一步判斷； 步驟403、判據(jù)F2 :電網(wǎng)功率信號振蕩波形； 在Fl = l的基礎(chǔ)上，起振階段為增幅振蕩而穩(wěn)態(tài)階段為等幅振蕩時，判據(jù)F2 = 0,振蕩產(chǎn) 生機理為強迫振蕩;起振階段與穩(wěn)態(tài)階段均為增幅振蕩時，判據(jù)F2=l，振蕩產(chǎn)生機理為負(fù) 阻尼振蕩； 步驟404、判據(jù)F3:電網(wǎng)功率信號與調(diào)速系統(tǒng)信號的振蕩頻率的一致性； 計算電網(wǎng)實測信號與調(diào)速系統(tǒng)實測信號的振蕩頻率方差：其中，fPe為電網(wǎng)功率信號的振蕩頻率，為調(diào)節(jié)閥口指令的振蕩頻率，f。為發(fā)電機轉(zhuǎn)速 信號的振蕩頻率，fsv為等效閥位信號的振蕩頻率，fgv為閥位開度信號的振蕩頻率，fpm為調(diào) 節(jié)級壓力信號的振蕩頻率;μ為所有實測信號的平均振蕩頻率； 當(dāng)D(f)《0.005時，判據(jù)F3 = l，判斷該強迫振蕩是由調(diào)速系統(tǒng)引起；當(dāng)D(f)>0.005時， 判據(jù)F3 = 0,判斷該強迫振蕩不是由調(diào)速系統(tǒng)引起。
【文檔編號】G01R31/08GK106099952SQ201610515402
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】徐衍會, 伍雙喜, 張莎, 吳國炳, 楊銀國, 錢峰
【申請人】華北電力大學(xué), 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心