基于实测的机网动态安全评估系统及方法

专利名称：基于实测的机网动态安全评估系统及方法
技术领域：
本发明属于电力系统的测量和动态稳定控制技术领域，尤其涉及一种基 于实测的机网动态安全评估系统及方法。
背景技术：
电力系统的安全稳定运行是关系到国家安全和人民生活的重大问题。电 力系统在运行中，经常可能受到各种自然或者人为因素的干扰，有的干扰幅 值不大或很快衰减，对系统运行影响不大；有些干扰可能引起严重后果，造 成系统稳定性破坏、设备损坏或导致大面积停电。电力系统受到小干扰后， 若考虑到调节器及元件的动态，并分析它在暂态过程后能否趋于或接近原来 的稳定工况运行的问题称作动态稳定分析。电力系统的安全稳定运行监测以 及电力系统动态安全稳定分析一直是电力系统相关技术部门研究的重要内 容。传统电力系统安全稳定运行监测是以数据采集与监视控制系统SCADA和 能量管理信息系统EMS及相关的应用软件为代表的调度监控系统，实质上是 在潮流水平上的电力系统稳态行为监控系统，对于电力系统的动态安全稳定 运行是无法监测记录。目前，电力系统主要采用相角测量装置(PMU)监测电 力系统动态参数，但其不足在于监测量单一，涵盖范围小，仅包括电力系统 中发电机电网侧的电气参数，忽略了发电厂汽轮机、发电机与电网动态过程 中的耦合特性，往往造成对某些电力系统动态过程的机理认识不清，引起电 力系统动态安全稳定评估的偏差，影响电力系统稳定控制措施的确定和实施。 另外，发电厂汽轮机、发电机和电网是相互作用、紧密耦合的整体，机网(发 电机组与电网简称机网)协调运行对电力系统安全稳定非常重要，在研究一
些电力系统稳定性问题时必须综合考虑机网的相互作用，尤其是电力系统动 态安全稳定问题。考虑机网动态过程的耦合特性，综合测量机网动态参数， 并基于实测数据进行电力系统动态安全稳定评估，国内外还没有相关的研究； 并且现代电力系统中发电机组容量不断增大，发电机组动态对电力系统稳定 的影响日益增强。因此，建立切合实际的机网动态安全评估系统具有十分重 要的现实意义。

发明内容
本发明的目的在于提供-种基于实测的机网动态安全评估系统及方法，通 过对发电厂的机网动态参数釆集和分析，可以得到电力系统机网动态模型及参 数，并结合电网运行技术数据实现对电力系统机网动态安全稳定的评估。
本发明的技术方案是， 一种基于实测的机网动态安全评估系统，其特征是 所述系统包括微机型机网参数综合测量装置、远方管理系统、后台分析软件系 统、机网耦合建模系统、电网数据信息平台、动态安全评估系统六个部分；其 屮，
所述微机型机网参数综合测量装置包括触摸屏、工控主机、微机键盘和数 据采集通道机箱；
所述远方管理系统通过专用网络与微机型机网参数综合测量装置进行通 讯，并通过管理工作站或运行方式工作站，对微机型机网参数综合测量装置进 行远方操作和管理；
所述后台分析软件系统实现记录数据的解压縮、数据预处理、数据分类和 查看以及数据的物理机理解释；
所述机网耦合建模系统实现机网动态耦合模型建立、模型参数辨识以及结 果的详细信息分类和查看；
所述电网数据信息平台以电网运行技术数据为基础，实现对汽轮机、发电机和电网运行状况的确定，用于给动态安全评估系统提供支持决策信息；
所述动态安全评估系统参考电网运行技术数据，利用Prony方法分析实测
机网动态参数数据，其结果与电力系统离线动态计算结果对比，实现电力系统
动态安全评估分析，并利用所建立的机网动态耦合模型的时域仿真实现验证。 所述数据采集通道机箱内部包括采集板、数据收集板、通讯管理板、系统
管理板、GPS时间板、高速A/D卡。
一种基于实测的机网动态安全评估方法，其特征是所述方法包括下列步
骤
步骤l:在发电厂现场安装微机型机网参数综合测量装置； 步骤2:在后台分析软件系统中，设定启动定值； 步骤3:启动微机型机网参数综合测量装置；
步骤4:微机型机网参数综合测量装置对汽轮机、发电机和电网动态过程 的现场数据进行采集；
步骤5:在采集现场数据的同时，进行信号调理，获得实测数据；
步骤6:远方管理系统通过网络，管理微机型机网参数综合测量装置获得 的实测数据；
步骤7:后台分析软件系统对数据进行预处理；
步骤8:加入电网数据信息，为确立机网动态耦合模型和选择模型参数提 供决策支持；
步骤9:在机网耦合建模系统中，确立机网动态耦合模型； 步骤10:在机网动态耦合模型中，进行模型参数辩识； 步骤lh对模型参数辩识结果的详细信息进行显示和保存； 步骤12:对确立的模型结构进行验证；并根据需要，进行时域仿真或者返 回步骤7重新确立机网动态耦合模型和进行模型参数辩识；
步骤13:利用Prony分析法对实测数据进行分析，得到实测数据的动态特
征；
步骤14:将汽轮机热力参数与电网电气参数的动态特征进行对比，得到发 电厂汽轮机发电机与电网之间的耦合性质；
步骤15:利用PSASP程序进行电网的小干扰稳定计算，得到离线情况下电 力系统动态安全稳定性指标；
步骤16:将上一歩骤得到的结果与实测数据分析结果进行对比，得出基于 实测数据的机网动态安全评估结果；
步骤17:利用所建立的机网动态耦合模型进行时域仿真。
所述步骤3中，启动微机型机网参数综合测量装置，以功率、电压、直流 量以及转子扭振为起动判据，包括各自突变量检测和越限检测；当电力系统受 到扰动时，迅速自动启动录波，直接记录下发电厂汽轮机及其调速系统、发电 机及其励磁系统以及电网的动态参数变化。
所述步骤4中，微机型机网参数综合测量装置对汽轮机、发电机和电网动 态过程的现场数据进行采集，采集的数据包括高、中、低压缸蒸汽压力，发电 机出口三相电压、电流，励磁电压和电流，转速和键相。
本发明克服了以往单一考虑电网动态特性，忽略发电机组与电网间的动态 耦合特性，造成电力系统动态稳定评估偏差的问题，将电力系统动态安全稳定 与发电机组和电网的动态过程的稳定性紧密相连，为研究电力系统机网协调运 行积累了第一手资料；同时，通过本发明所得到的机网动态耦合模型参数准确、 可靠，接近实际情况，完全适用于电网运行调度部门的生产实践。


图1是本发明的基于实测的机网动态安全评估系统构成原理示意图。 图2为本发明的基于实测的机网动态安全评估系统硬件原理示意图。 图3为本发明的微机型机网参数综合测量装置面板示意图。
图4为本发明的基于实测的机网动态安全评估方法流程图。
具体实施例方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅
仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明的基于实测的机网动态安全评估系统构成原理示意图。图1
中，汽轮机动态热力参数和发电机电网电气参数通过数据采集卡采进微机型机
网参数综合测量装置的前置PC机，并通过串口实现与站内主机的通讯且可以
实时显示数据，还能利用网卡，通过专用网络与远端主机进行通讯，在远端主 机上由后台分析软件系统进行数据处理，利用机网耦合建模系统进行建模分 析。
图2是本发明的基于实测的机网动态安全评估系统硬件原理示意图。图 2中，201表示主工作站，202表示主工作站调制解调器，203表示远端调制 解调器。
图4为本发明的基于实测的机网动态安全评估方法的流程图，图4中，参 考汽轮机以及发电机类型确定机网动态耦合模型结构，确定模型结构后进行模 型参数辨识，辨识结束后显示参数辨识结果以及拟合曲线，同时进行辨识结果 的保存。
图4中，步骤401:在发电厂现场安装微机型机网参数综合测量装置。 根据系统的实际情况，与发电厂技术工作人员一起安装微机型机网参数综合 测量装置。微机型机网参数综合测量装置安放于发电厂集控运行室电子间， 各项测量数据通过电缆线传到微机型机网参数综合测量装置内。安装过程需 要明确信号的来源，电缆走线和电缆两头接线的分工，保证接线工艺以及设 备良好的运行状况。图3为本发明的微机型机网参数综合测量装置面板示意 图，包括触摸屏，工控主机，微机键盘，数据采集通道机箱。工作人员可以 通过触摸屏和微机键盘实现人机互动，工控主机和数据采集通道机箱则是微
机型机网参数综合测量装置的核心计算部分。端子对应关系设定，机网参数 综合测量装置后端子可以在后台设置软件中定义，由于每个变换器插件由四 个电流变换器和两个电压变换器组成，因此测量装置后端子定义不能违反总 的数量和接线位置， 一般出厂前已经定义好，运行中没有必要修改，除非增 加端子数量。
步骤402:在后台分析软件系统中，设定启动定值。可以设置各路启动定 值，包括电压高限定值、电压低限定值、电压突变量定值、电流高限定值、电 流低限定值、电流突变量定值、有功功率突变量定值、无功功率突变量定值、 直流量高限定值、直流量低限定值、直流量突变量定值、扭振突变量定值、低 频定值、高频定值。
步骤403:启动微机型机网参数综合测量装置。手动启动，在微机型机网
参数综合测量装置运行界面中，启动录波，连续做五次，应能可靠启动。起动
判据为功率、电压、直流量以及转子扭振，包括各自突变量检测和越限检测； 另外，当电力系统受到扰动时，可以自动启动录波，直接记录下发电厂汽轮机 及其调速系统、发电机及其励磁系统以及电网的动态参数变化。
步骤404:微机型机网参数综合测量装置对汽轮机、发电机和电网动态过 程的现场数据进行采集，获得机网实测数据。测量数据包括高、中、低压缸蒸 汽压力，发电机出口三相电压、电流，励磁电压和电流，转速和键相。蒸汽压 力分别取自调节级后压力，再热器出口压力和中压缸排汽压力。发电机出口二
相电流电压取自继电保护专用电流电压信号或仪表专用电流电压信号。由于CT 开路和PT短路不但会造成继电保护误动作，而且会对设备或人身造成严重伤
害，所以此项工作一定要与电厂继电专工仔细协商，建议釆用仪表专用电流电 压信号。励磁电压电流取自相应变送器。转速信号来自机头安装的测速齿轮， 通过汽轮机自带位移传感器获得测速齿轮脉冲，也可以直接从发电厂数字电液
调节系统DEH (Digital Electric Hydraulic Control System)系统引出。同 样，键相信号来自机头的键相标识，可以直接从DEH系统引出。
步骤405:在采集现场数据的同时，进行信号调理。为保证A/D转换的正 常进行而且不损坏设备，需要对测量信号分别进行限幅、滤波和整形处理。电 压互感器二次侧电压信号较高，需迸行降压处理。电流变送器二次侧需接入一 个固定电阻，将电流信号转换为电压信号。电路中的稳压管起保护作用。设置 前置低通滤波器阻止频率高于采样截止频率的信号进入模数转换环节。此部分 功能通过机网参数综合测量装置的信号调理卡实现。
步骤406:远方管理系统通过网络，管理微机型机网参数综合测量装置采 集的现场数据，完成微机型机网参数综合测量装置的远方数据连接，并管理微 机型机网参数综合测量装置的定值资料。远方管理系统各部分功能分析如下
(1) 查看远方录波文件把微机型机网参数综合测量装置的磁盘上当前所 有的记录文件名目录传输过来，供浏览、选择传送或删除。
(2) 删除远方录波文件文件目录收到后，可以选择要删除的某个或某些 文件。
(3) 上载远方录波文件收到文件目录后，选择希望获取的数据上传，也 可以选择全部文件上传。
(4) 被中断文件续传传输意外或人工中断后，用该功能可以从中断点续 传最后一个被中断的文件。
(5) 远方对时主站给机网参数综合测量装置授时，用来统一各测量装置 时钟。
(6) 远方手动录波用来检验测量装置的记录能力是否正常，查看记录数 据的正确性。
(7) 远方系统复位测量装置收到此命令后，自动复位重新引导。
(8) 实时数据监视在短时间隔内，测量装置定时发送各通道信息、告警 信息等数据，使管理人员能在远方监视测量装置的运行状态和通道情况。
(9) 上载系统文件把测量装置的配置文件、定值文件上传给主站。
(10) 下传系统文件把更新过的定值参数传给测量装置。此后再远方复位，
即可使新定值生效。这一功能具备访问控制，须输入操作口令。
(11) 远方通讯复位使当前连接恢复一个干净的状态。
(12) 串口通讯仿真开发人员可对串口通讯进行仿真。
步骤407:后台分析软件系统对数据进行预处理。数据预处理的作用是将 机网参数综合测量装置记录的汽轮机、发电机及其电网动态参数数据首先解压 缩，然后经过计算得到基波正序的电压和功率并自动生成可读的文本文件格 式。 一台机网参数综合测量装置的模拟量通道数最大为64。数据预处理输入的
数据是机网参数综合测量装置输出的^DAT文件和同名的tCFG配置文件。该 程序的输出是电压功率有名值*. TUS文件。
步骤408:加入电网数据信息，为确立机网动态耦合模型和选择模型参数 提供决策支持。以电网运行技术数据为基础，实现对汽轮机、发电机和电网运 行状况的确定。电网数据信息平台用于给机网动态安全评估系统提供支持决策 信息，以供选择模型结构和参数。该信息平台基于PSASP (Power System Analysis Software Package,电力系统分析综合程序)软件数据库，通过调用 PSASP程序进行查看。
步骤409:在机网耦合建模系统中，确立机网动态耦合模型。
步骤410:在机网动态耦合模型中，进行参数辩识。辨识程序是一个优化 程序， 一般需要给定初始值和参数上下限，这在程序中有缺省的设定值。可以 直接使用设定值也可以按自己的要求定制，方法很简单，就是在程序界面上直 接修改即可。模型参数辨识程序采用的数据是数据预处理输出的^TUS文件。
模型参数辨识程序的输出分为三部分 一、针对每条数据都辨识出来一组参数
和相应的特征数据，该参数和特征数据分行以文本方式存入文件；二、最终的
综合优化结果输出(二次优化)，输出参数辨识结果和拟合误差值；三、模型
验证曲线输出，就是将综合优化结果得到的惟一一组参数载入实测数据进行拟
合，以观察该参数对实测数据的拟合能力。
步骤411:对模型参数辩识结果的详细信息进行显示和保存。对每个测点 的每条数据都辨识出一组参数，按行存放到按测点命名的文件中，得到的是一 个参数库，可方便査看参数变量的详细信息。
步骤412:对确立的模型结构进行验证；并根据需要，进行时域仿真或者 返回步骤7重新确立机网动态耦合模型和进行模型参数辩识。
步骤413:利用Prony分析法对实测数据进行分析，得到实测数据的动态 特征。利用Prony信号分析方法，对实测数据分段分次地进行分析，得到实测 数据的动态特征，包括振荡过程的频率、幅值、阻尼比和相对能量等。
步骤414:汽轮机热力参数与电网电气参数的动态特征进行对比，得到发 电厂汽轮机发电机与电网之间的耦合性质。其结果以图形化或表格化显示，可 输出为^xls文件。
步骤415:利用PSASP程序进行电网的小干扰稳定计算，得到离线情况下 电力系统动态安全稳定性指标。包括低频振荡模式、振荡频率和阻尼比、参与 机组等。
步骤416:将上一步骤得到的结果与实测数据分析结果进行对比，得出基 于实测数据的机网动态安全评估结果。
步骤417:利用所建立的机网动态耦合模型进行时域仿真。设置与实测数
据相同的输入，输出仿真结果，并与实测各项数据进行对比，分析其与实测数 据的拟合程度，其结果以图形化显示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种基于实测的机网动态安全评估系统，其特征是所述系统包括微机型机网参数综合测量装置、远方管理系统、后台分析软件系统、机网耦合建模系统、电网数据信息平台、动态安全评估系统六个部分；其中，所述微机型机网参数综合测量装置包括触摸显示屏、工控主机和数据采集通道机箱；所述远方管理系统通过专用网络与微机型机网参数综合测量装置进行通讯，并通过管理工作站或运行方式工作站，对微机型机网参数综合测量装置进行远方操作和管理；所述后台分析软件系统实现记录数据的解压缩、数据预处理、数据分类和查看以及数据的物理机理解释；所述机网耦合建模系统实现机网动态耦合模型建立、模型参数辨识以及结果的详细信息分类和查看；所述电网数据信息平台以电网运行技术数据为基础，实现对汽轮机、发电机和电网运行状况的确定，用于给动态安全评估系统提供支持决策信息；所述动态安全评估系统参考电网运行技术数据，利用Prony方法分析实测机网动态参数数据，其结果与电力系统离线动态计算结果对比，实现电力系统动态安全评估分析，并利用所建立的机网动态耦合模型的时域仿真实现验证。
2、 根据权利要求1所述的基于实测的机网动态安全评估系统，其特征是所 述数据采集通道机箱内部包括采集板、数据收集板、通讯管理板、系统管理板、 GPS时间板、高速A/D卡。
3、 一种基于实测的机网动态安全评估方法，其特征是所述方法包括下列步骤 步骤l:在发电厂现场安装微机型机网参数综合测量装置； 步骤2:在后台分析软件系统中，设定启动定值； 步骤3:启动微机型机网参数综合测量装置；步骤4:微机型机网参数综合测量装置对汽轮机、发电机和电网动态过程的现场数据进行采集；步骤5:在采集现场数据的同时，进行信号调理，获得实测数据；步骤6:远方管理系统通过网络，管理微机型机网参数综合测量装置获得的实测数据；步骤7:后台分析软件系统对数据进行预处理；步骤8:加入电网数据信息，为确立机网动态耦合模型和选择模型参数提供 决策支持；步骤9:在机网耦合建模系统中，确立机网动态耦合模型；步骤10:在机网动态耦合模型中，进行模型参数辩识；步骤11:对模型参数辩识结果的详细信息进行显示和保存；步骤12:对确立的模型结构进行验证；并根据需要，进行时域仿真或者返回 步骤7重新确立机网动态耦合模型和进行模型参数辩识；步骤13:利用Prony分析法对实测数据进行分析，得到实测数据的动态特征;步骤14:将汽轮机热力参数与电网电气参数的动态特征进行对比，得到发电 厂汽轮机发电机与电网之间的耦合性质；步骤15:利用PSASP程序进行电网的小干扰稳定计算，得到离线情况下电力 系统动态安全稳定性指标；步骤16:将上一步骤得到的结果与实测数据分析结果进行对比，得出基于实 测数据的机网动态安全评估结果；步骤17:利用所建立的机网动态耦合模型进行时域仿真。
4、根据权利要求3所述的基于实测的机网动态安全评估方法，其特征是所 述步骤3中，启动微机型机网参数综合测量装置，以功率、电压、直流量以及转 子扭振为起动判据，包括各自突变量检测和越限检测；当电力系统受到扰动时，迅速自动启动录波，直接记录下发电厂汽轮机及其调速系统、发电机及其励磁系 统以及电网的动态参数变化。
5、根据权利要求3所述的基于实测的机网动态安全评估方法，其特征是所 述步骤4中，微机型机网参数综合测量装置对汽轮机、发电机和电网动态过程的 现场数据进行采集，采集的数据包括高、中、低压缸蒸汽压力，发电机出口三相 电压、电流，励磁电压和电流，转速和键相。
全文摘要
本发明公开了电力系统的测量和动态稳定控制技术领域中的一种基于实测的机网动态安全评估系统及方法。技术方案是，所述系统包括微机型机网参数综合测量装置、远方管理系统、后台分析软件系统、机网耦合建模系统、电网数据信息平台、动态安全评估系统六个部分。所述方法是将微机型机网参数综合测量装置安装在发电厂现场，对汽轮机、发电机和电网动态过程的现场数据进行采集，通过网络或通讯把数据送到数据中心，然后对数据进行一系列分析处理，得到机网动态耦合模型及参数，并最终实现电力系统动态安全评估和时域仿真验证。本发明将电力系统动态安全稳定与发电机组和电网的动态过程的稳定性紧密相连，为研究电力系统机网协调运行提供了保障。
文档编号G05B19/418GK101364109SQ20081022324
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者徐衍会, 琳 杨, 董志平, 博 薄, 贺仁睦, 辛建波, 韩志勇, 进 马, 魏孝铭 申请人:华北电力大学