一种抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法与流程

1.本发明涉及电网技术的技术领域，尤其涉及一种抑制电网低频振荡和超低 频振荡的实时仿真试验方法。


背景技术：

2.电网低频振荡：发电机的转子角、转速以及相关电气量，如线路功率、母 线电压等发生近似等幅或增幅的振荡，振荡频率一般在0.1hz－2.5hz，其引自 dl/t 961-2020《电网调度规范用语》，超低频振荡频率一般低于0.1hz。
3.低频振荡和超低频振荡的原因：电力系统中发电机并列运行时，在扰动下 发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时持续振荡，低频振荡是随着电 网互联而产生的，联网初期，同步发电机之间联系紧密，阻尼绕组可产生足够 的阻尼，低频振荡少有发生，随着电网互联规模的扩大，高放大倍数快速励磁 技术的广泛采用，以及受经济性、环保等因素影响下电网的运行更加接近稳定 极限，在世界各地许多电网陆续观察到低频振荡，大致可分为局部模式振荡和 区域间模式振荡两种，一般来说，涉及机组越多、区域越广，则振荡频率越低， 一般认为，低频振荡是电力系统在遭受扰动后联络线上的功率摇摆，系统动态 失稳是扰动后由于阻尼不足甚至是负阻尼引起的发散振荡导致的，失稳的因素 主要是系统电气阻尼不足或缺乏合适的有功配合，通常是由以下几种扰动引发 的：
4.(1)切机；(2)输电线故障或保护误动；(3)断路器设备事故；(4)损 失负荷，扰动现象一般要经历产生、传播、消散的过程，在传播过程中可能引 起新的扰动，同时针对扰动的操作本身也是一种扰动，所以，这些情况往往不 是孤立的，而是相互关联的，在时间、空间上呈现多重现象，这就是多重扰动 存在的实际物理背景，持续恶化的互相作用最终将导致系统失稳、解列，形成 大规模的停电事故；
5.综上所述，现有技术中研究抑制电网低频振荡的方法是在仿真软件环境中 建立电网模型，包括发电机本体模型、调速器模型、励磁器模型、pss模型。 这些数字模型与现场工程实际投运的控制器存在建模偏差，无法测试现场工程 实际投运的控制器对电网低频振荡的抑制效果，控制器参数难以完全通过理论 计算整定。


技术实现要素：

6.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本发明的范围。
7.鉴于上述现有抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法存在 数字模型与现场工程实际投运的控制器存在建模偏差的问题，提出了本发明。
8.因此，本发明目的是提供一种抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真 试验方法。
9.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种抑制电网低频振荡 和超低频振荡的实时仿真试验方法，包括，
10.搭建基于实时仿真器以及发电机励磁器的实时仿真试验平台，建立电网模 型并在所述实时仿真器中运行；
11.所述实时仿真器输出所述电网模型中第k台机组的电气量和开关量至所述 发电机励磁器；
12.在所述发电机励磁器中设置所述第k台机组pss控制器定值参数，继而输 出励磁电压至所述实时仿真器；
13.将所述实时仿真器收到的所述励磁电压加在所述第k台机组中；
14.开展试验，触发电网低频振荡以及超低频振荡，并记录所述第k台机组加 入pss控制器后的电网波形数据。
15.作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：实时仿真器基于电网方式数据建立电网模型。
16.作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：所述电网模型包括电网所有发电机模型、变电站模型、 换流站模型、负荷模型、架空线模型、电缆模型、hvdc模型以及高压直流输 电模型。
17.作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：所述电网模型为：
[0018][0019][0020]
pm为机械转矩；pe为电磁转矩；δ为转子对同步旋转的参考轴的角位移；tj是电机的转矩；ω0为同步转速；δω为转子电角速度与同步旋转坐标轴之间的 角速度之差，即相对角速度；d为所有与转速变化成正比的转矩的比例系数； 其中pm、pe、ω0以标么值表示，
[0021]
其中：
[0022][0023]e′q为q轴暂态电势，其中：
[0024]e′q＝u
t
+jx
′di
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0025]ut
为机端电压；x
′d为d轴暂态电抗值；i为励磁电流；j为常数。
[0026]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：实时仿真器将电网模型中第k台发电机的电气量和开关 量发送至gtao和gtdo板卡，发电机励磁器接收gtao和gtdo板卡的 模拟量信号和数字量信号。
[0027]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：励磁器经过pss控制功能运算，输出励磁电压信号至 gtai板卡，实时仿真器采集gtai板卡模拟量，并将该励磁电压模拟量信号 作用于第k台发电机的励磁电压。
[0028]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优
选方案，其中：通过触发电站近区母线三相短路接地故障、线路跳闸、 直流单极闭锁、直流双极闭锁故障扰动形式，继而触发电网的低频振荡以及超 低频振荡。
[0029]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：所述pss控制器选取为pss4b控制器。
[0030]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：将pss4b控制器上下两个通道的两级超前滞后环节设置 相同的参数，即t
l3
＝t
l9
，t
l4
＝t
l10
，t
l5
＝t
l11
，t
l6
＝t
l12
，并令
[0031][0032]
低频支路由差分滤波环节、相位补偿环节和增益环节组成，其中差分滤波 环节的中心频率为fl，系数r一般取1.2，从而pss4b参数转换为各支路的差 分滤波环节参数fl(i,h)，相位补偿环节参数tl(i,h)3、tl(i,h)4、tl(i,h)5、 tl(i,h)6，和增益环节参数kl(i,h)。
[0033]
作为本发明所述抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的 一种优选方案，其中：所述pss控制器选取为pss4b控制器。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
1、本发明无需对pss建模，其使用现场实际硬件控制器接入电网仿真模 型，开展pss对低频振荡和超低频振荡抑制效果的试验，不需要对pss模型建 模，保证了最准确的pss控制器对电网的控制效果。
[0036]
2、本发明中的实时仿真试验平台建设简单：
[0037]
a.无需重复建设试验平台；
[0038]
b.仅需一台发电机励磁器即可逐一测试全网每台发电机安装pss装置后对 电网低频振荡和超低频振荡的抑制效果。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 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它的附图。其中：
[0040]
图1为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法的实时 仿真试验平台处的功能框图。
[0041]
图2为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例2中第一台发电机安装pss控制器的振荡抑制效果示意图。
[0042]
图3为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例3中第二台发电机安装pss控制器的振荡抑制效果示意图。
[0043]
图4为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例4中中心频率形式pss4b低频支路结构示意图。
[0044]
图5为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例4中pss4b数学模型示意图。
[0045]
图6为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例4中pss4b的低中频段及高频段输入信号预处理支路示意图。
[0046]
图7为本发明抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试验方法所述的 实施例4中pss4b和pss2b在低中频段及高频段下输入信号预处理支路波特 图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0048]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
[0049]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在 一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施 例互相排斥的实施例。
[0050]
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图 只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长 度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0051]
实施例1
[0052]
参照图1，本发明公开了一种抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿真试 验方法，包括如下步骤：
[0053]
首先搭建基于实时仿真器以及发电机励磁器的实时仿真试验平台：
[0054]
实时仿真器基于电网方式数据建立电网模型，电网模型包括电网所有发电 机模型、变电站模型、换流站模型、负荷模型、架空线模型、电缆模型、hvdc 模型以及高压直流输电模型，电网模型由实时仿真器实时运行，电网模型中任 意一台发电机的机端电压、机端电流、同步电压以及励磁电流均通过rtds专 用通信板卡gtao输出至发电机励磁器，电网模型中任意一台发电机的机端断 路器位置信号均通过rtds专用通信板卡gtdo输出至发电机励磁器，优选的， 实时仿真器采用rtds仿真器。
[0055]
发电机励磁器接收实时仿真器输出的机端电压、机端电流、同步电压、励 磁电流以及机端断路器位置信号，并通过rtds专用通信板卡gtai输出某机组 的励磁电压至实时仿真器，优选的，发电机励磁器采用南瑞电控nes6100。
[0056]
而后建立电网模型并在实时仿真器中运行：
[0057]
其中：所述电网模型为：
[0058][0059][0060]
pm为机械转矩；pe为电磁转矩；δ为转子对同步旋转的参考轴的角位移；tj是电机的
转矩；ω0为同步转速；δω为转子电角速度与同步旋转坐标轴之间的 角速度之差，即相对角速度；d为所有与转速变化成正比的转矩的比例系数； 其中pm、pe、ω0以标么值表示，
[0061]
其中：
[0062][0063]e′q为q轴暂态电势，其中：
[0064]e′q＝u
t
+jx
′di
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0065]ut
为机端电压；x
′d为d轴暂态电抗值；i为励磁电流；j为常数。
[0066]
实时仿真器输出电网模型中第k台机组的电气量和开关量至发电机励磁器， 该步骤仅需在实时仿真器模型中切换输出对应机组的电气量和开关量，即可切 换到下一个机组的测试。
[0067]
在发电机励磁器中设置第k台机组pss控制器定值参数，继而输出励磁电 压至实时仿真器，该步骤仅需在发电机励磁器中设置对应机组的pss参数，无 需更改任何硬件配置和布线，即可切换到下一个机组的测试，具体的：
[0068]
第k台机组pss控制器定值参数选取差分滤波环节参数、加速功率以及系 统频率。
[0069]
将实时仿真器收到的励磁电压加在第k台机组中，该步骤在实时仿真器采 样到励磁器的励磁电压后，切换到对应机组的模型中，即可切换到下一个机组 的测试。
[0070]
开展试验，触发电网低频振荡以及超低频振荡，该步骤触发电网低频振荡 以及超低频振荡的方法可以是切除电网模型的一台机组、提升hvdc模型的传 输功率，切除电网模型中的负荷等方法，具体的：其通过触发电站近区母线三 相短路接地故障、线路跳闸、直流单极闭锁、直流双极闭锁等故障扰动形式触 发电网的低频振荡以及超低频振荡。
[0071]
记录第k台机组加入pss控制器后的电网波形数据，并开展下一台机组试 验。
[0072]
本发明无需对pss建模，其使用现场实际硬件控制器接入电网仿真模型， 开展pss对低频振荡和超低频振荡抑制效果的试验，不需要对pss模型建模， 保证了最准确的pss控制器对电网的控制效果；
[0073]
本发明中的实时仿真试验平台建设简单：a.无需重复建设试验平台；b.仅需 一台发电机励磁器即可逐一测试全网每台发电机安装pss装置后对电网低频振 荡和超低频振荡的抑制效果。
[0074]
实施例2
[0075]
如图2，本实施例具体为关于一种抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿 真试验方法用于第一台发电机的具体实施：
[0076]
搭建包含实时仿真器和发电机励磁器的实时仿真试验平台。
[0077]
建立电网模型并在实时仿真器中运行。
[0078]
启动发电机励磁器，在发电机励磁器中设置第1台发电机的pss控制器参 数。
[0079]
实时仿真器将电网模型中第1台发电机的电气量和开关量发送至gtao和gtdo板卡，发电机励磁器接收gtao和gtdo板卡的模拟量信号和数字量 信号。
[0080]
励磁器经过pss控制功能运算，输出励磁电压信号至gtai板卡，实时仿 真器采集gtai板卡模拟量，并将该励磁电压模拟量信号作用于第1台发电机的 励磁电压。
[0081]
触发电网故障，包括但不限于三相短路接地故障、线路跳闸故障、直流闭 锁故障等。
[0082]
观测第1台发电机的有功功率和转子频率，并且将数据记录至硬盘存储器 中。
[0083]
如图2所示，机组1中第1台发电机安装pss功能后，触发电网的直流单 极闭锁故障，从上至下依次为：直流功率、第1台发电机的功率、第1台发电 机的转子频率。第6秒时，直流单极闭锁，由5000mw功率跌至3000mw，第1 台发电机功率和频率出现了振荡频率为0.05hz的超低频振荡。证明在第1台发 电机安装pss效果不佳。
[0084]
实施例3
[0085]
如图3，本实施例具体为关于一种抑制电网低频振荡和超低频振荡的实时仿 真试验方法用于第二台发电机的具体实施：
[0086]
搭建包含实时仿真器和发电机励磁器的实时仿真试验平台；
[0087]
建立电网模型并在实时仿真器中运行；
[0088]
启动发电机励磁器，在发电机励磁器中设置第2台发电机的pss控制器参 数；
[0089]
实时仿真器将电网模型中第2台发电机的电气量和开关量发送至gtao和 gtdo板卡，发电机励磁器接收gtao和gtdo板卡的模拟量信号和数字量 信号；
[0090]
励磁器经过pss控制功能运算，输出励磁电压信号至gtai板卡，实时仿 真器采集gtai板卡模拟量，并将该励磁电压模拟量信号作用于第2台发电机的 励磁电压；
[0091]
触发电网故障，包括但不限于三相短路接地故障、线路跳闸故障、直流闭 锁故障等；
[0092]
观测第2台发电机的有功功率和转子频率，并且将数据记录至硬盘存储器 中。
[0093]
例如第2台发电机安装pss功能后，触发电网的直流单极闭锁故障，第2台发电机的数据从上至下依次为：直流功率、第2台发电机的功率、第2台发电机的转子频率。第6秒时，直流单极闭锁，由5000mw功率跌至3000mw，第2台发电机功率和频率在第80s时基本平息振荡。证明在第2台发电机安装pss对超低频振荡抑制效果明显。
[0094]
由第一个发电机和第二个发电机在安装pss功能之后的超频振荡抑制效果 对比可以直观的看出不同的发电机对于超低频振荡的抑制效果不同，但是在不 使用对pss模型建模的情况下，依旧能够测得最准确的pss控制器对电网的控 制数据，即利用简单的测试方法可以对多个不同发电机进行简单和有效的抑制 数据测量。
[0095]
实施例4
[0096]
如图4-7，本实施例具体为：在本实施例中，pss控制器定值参数选取差 分滤波环节参数、加速功率以及系统频率，且pss控制器选取为pss4b控制器。
[0097]
pss4b实质上是由三个差分滤波器组成，每一个差分滤波器都是在相应的 中心频率点实现带通滤波。以低频支路为例，将上下两个通道的两级超前滞后 环节设置相同的参数，即t
l3
＝t
l9
，t
l4
＝t
l10
，t
l5
＝t
l11
，t
l6
＝t
l12
，并令：
[0098]
[0099]
低频支路由差分滤波环节、相位补偿环节和增益环节组成，其中差分滤波 环节的中心频率为fl，系数r一般取1.2，从而pss4b参数转换为各支路的差 分滤波环节参数fl(i,h)，相位补偿环节参数tl(i,h)3、tl(i,h)4、tl(i,h)5、 tl(i,h)6和增益环节参数kl(i,h)。
[0100]
pss4b与pss2b类似，采用了双通道输入信号。作为pss的输入信号，频 率与电磁功率均有其优点与不足：频率信号最直观，但是高频噪声较大；电磁 功率信号没有高频噪声的问题，但是基于δpm≈0假设成立，当发电机正常 增减负荷时该假设不成立，使用电磁功率作为输入信号时会有“无功反调”问 题。因此pss4b利用滤波器，低、中频段使用频率信号，高频段使用电磁功率 信号。频率信号及功率信号在输入pss4b前要预先经过预处理。
[0101]
而后分析低中频段及高频段输入信号预处理支路，并建立波特图，如图7所示，左侧为pss4b在低中频段及高频段输入信号下的幅值，右侧为pss2b在低中频段及高频段输入信号下的幅值，通过分析波特图，pss4b相对于pss2b，在中低频段下，随着频率逐渐增高，自身的幅值下降程度更低，进而使得整体保持在较稳定范围，且在应对高频段输入信号时，还出现了幅值增高的情况，可以而pss2b则只会随着频率的增高而逐渐下降，进而pss4b在可控制方面具有优势。
[0102]
pss4b具有低、中、高三条支路，参数更多、频率特性更灵活，相比传统 pss具有更高的自由度。
[0103]
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和 布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅 此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖 教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结 构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使 用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或 元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数 目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围 内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺 序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的 执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明 的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他 替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展 至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0104]
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的 所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于 实现本发明不相关的那些特征)。
[0105]
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项 目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时 的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所 述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0106]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。