基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法及装置与流程

本发明涉及发电机无功控制技术领域，尤其涉及一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法及装置。

背景技术：

维持电压的合理水平是电力系统安全稳定运行所必须满足的条件，而电网电压的高低主要和无功功率的平衡有密切关系，故障后系统即便是电压稳定的，但系统中某些母线的电压却可能经历较长的时间(数秒到数十秒)才能恢复至正常水平，存在电压延迟恢复问题，这主要是因为系统中的无功不足，导致系统中某些母线电压不能在较短的时间内恢复，可能造成母线上的电压敏感类负荷不能正常工作，从而导致负荷损失。因此在电力系统运行过程中，系统的无功电源应该满足系统中无功负荷和无功损耗的变化要求，否则电压就会偏离额定值。影响电能质量。

广域测量系统(WAMS)已经广泛应用在电力系统中，主要实现动态监测、暂态分析控制、电压控制和非线性励磁控制等。电压稳定问题是一个局部问题，同步相量测量技术的出现打破了很多传统控制系统的死区，因为系统的任何变化均可反映在被测的同步相量中。广域实时信息能有效地反映运行方式与故障形态的特征。在电力系统遭受大扰动之后，快速、准确地判断暂态稳定性，也可以与紧急控制系统结合，实现基于动态响应的紧急控制策略。

考虑到当WAMS测量体系发生故障时会造成通信传输中断，导致不能在短时间内将存在故障问题的母线电压反馈到控制中心，从而使得系统中关键母线电压不能在规定的时间内恢复至稳定值，不利于提高系统电压稳定性，这就需要其他后备方法来维持系统电压，使电力系统平稳渡过紧急状态。电力系统故障会造成系统中关键母线电压发生跌落，发电机作为系统中重要的无功电源，在系统电压发生跌落时，会迅速自启动励磁控制，为系统提供动态无功支撑。系统由于故障而引起母线电压发生跌落时，发电机机端电压与系统电压产生电压差，此时，发电机升压变高压侧母线电压也会发生相应的变化。发电机组相对于系统故障点的电气距离越近，发电机升压变高压侧母线电压的跌落程度越大。

因此，现有的控制系统在遇到电力扰动时母线电压不能及时恢复是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法及装置，为系统电压跌落提供充足的动态电压支撑，改善母线电压延迟恢复问题。

本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法，包括：

S1：获取电力系统的故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值并计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率；

S2：判断电压跌落百分比和电压跌落率是否都处于预设的设定范围内，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行步骤S3；

S3：从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组；

S4：根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量；

S5：根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量对电力系统进行紧急控制。

优选地，所述步骤S1具体包括：

获取故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

根据第一公式计算高压侧母线电压跌落百分比，根据第二公式计算电压跌落率；

所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，V₀为高压侧母线电压初值，表示故障后高压侧母线电压跌落的最小值；t_G表示故障发生时间，t_D为故障后高压侧母线电压跌落到最小值的时间，为t_D对应的高压侧母线电压。

优选地，所述步骤S3具体包括：

判断电厂机组的容量是否大于预设的参与励磁控制电厂的标准容量，若是，则将该电厂机组设置为参与励磁控制的电厂机组。

优选地，所述步骤S4具体包括：

设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量并使得发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围在预设范围内；

所述发电机无功输出的限值在预设范围内的具体公式为：

Q_i≤Q_imax；

其中，Q_i为电厂机组i的无功出力值，Q_imax为电厂机组i的无功出力最大值；

所述发电机的机端电压范围的具体公式为：

V_i≤(V_i)_max；

其中，V_i为发电机组的机端电压，(V_i)_max为电厂机组i机端电压上限值。

优选地，所述步骤S1之前还包括：

对电力系统进行离线仿真，设置电力系统的故障点和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

所述步骤S4之后还包括：

根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量生成离线控制策略表；

所述步骤S5具体包括：

根据PMU测量装置实时检测电力系统的母线电压，若发生稳定性故障，则在线匹配并调用所述离线控制策略表，并根据所述离线控制策略表中的参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量启动相关电厂参与励磁参考电压阶跃控制对电力系统进行紧急控制。

本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制装置，包括：

电压跌落百分比和电压跌落率计算模块，用于获取电力系统的故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值并计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率；

紧急判断模块，用于判断电压跌落百分比和电压跌落率是否都处于预设的设定范围内，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行电厂机组确定模块；

电厂机组确定模块，用于从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组；

阶跃控制量设置模块，用于根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量；

紧急控制模块，用于根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量对电力系统进行紧急控制。

优选地，所述电压跌落百分比和电压跌落率计算模块具体包括：

信息获取单元，用于获取故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

计算单元，用于根据第一公式计算高压侧母线电压跌落百分比，根据第二公式计算电压跌落率；

所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，V₀为高压侧母线电压初值，表示故障后高压侧母线电压跌落的最小值；t_G表示故障发生时间，t_D为故障后高压侧母线电压跌落到最小值的时间，为t_D对应的高压侧母线电压。

优选地，所述电厂机组确定模块具体用于：

判断电厂机组的容量是否大于预设的参与励磁控制电厂的标准容量，若是，则将该电厂机组设置为参与励磁控制的电厂机组。

优选地，所述阶跃控制量设置模块具体用于：

设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量并使得发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围在预设范围内；

所述发电机无功输出的限值在预设范围内的具体公式为：

Q_i≤Q_imax；

其中，Q_i为电厂机组i的无功出力值，Q_imax为电厂机组i的无功出力最大值；

所述发电机的机端电压范围的具体公式为：

V_i≤(V_i)_max；

其中，V_i为发电机组的机端电压，(V_i)_max为电厂机组i机端电压上限值。

优选地，本发明实施例还包括：

离线仿真模块，用于对电力系统进行离线仿真，设置电力系统的故障点和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

离线控制策略表生成模块，用于根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量生成离线控制策略表；

所述紧急控制模块具体用于：

根据PMU测量装置实时检测电力系统的母线电压，若发生稳定性故障，则在线匹配并调用所述离线控制策略表，并根据所述离线控制策略表中的参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量启动相关电厂参与励磁参考电压阶跃控制对电力系统进行紧急控制。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法，通过计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率并判断其是否都大于预设值，从而筛选出在故障点附近的电厂，进而从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组，根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量，最终获得参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量并对电力系统进行紧急控制，为系统电压跌落提供充足的动态电压支撑，改善母线电压延迟恢复问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的一个实施例的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的另一个实施例的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法应用于电力系统后电厂参与励磁控制后200kV板桥站母线电压波形图；

图4为本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法应用于电力系统后C厂#1机组无功功率输出波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法及装置，为系统电压跌落提供充足的动态电压支撑，改善母线电压延迟恢复问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的一个实施例，包括：

101：获取电力系统的故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值并计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率；

通过发电机端母线电压与系统电压差判断故障点的种类和位置。系统由于故障而引起母线电压发生跌落时，发电机机端电压与系统电压产生电压差，此时，发电机升压变高压侧母线电压也会发生相应的变化。发电机组相对于系统故障点的电气距离越近，发电机升压变高压侧母线电压的跌落程度越大。

根据高压侧母线电压跌落程度，定义一种电压跌落百分比及电压跌落率来表示电压跌落的程度。

102：判断电压跌落百分比和电压跌落率是否都处于预设的设定范围内，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行步骤103；

步骤102具体为：逐个对电力系统中的电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率进行是否都处于预设的设定范围内的判断，若是都处于预设的设定范围内，则设置对应的电厂为初选电厂，并判断下一个电厂，若否，则放弃对应的电厂，并判断下一个电厂，直到所有电厂都判断完毕，就选出若干个初选电厂，成为初选电厂组。

这样，选出来的初选电厂分布在故障点邻近区域且对改善母线电压恢复效果较为明显。

103：从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组；

104：根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量；

通过实施发电机励磁参考电压阶跃控制来增加发电机的无功输出，需要考虑发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围和参与控制的电厂的机组容量。

通过大量仿真分析，发明中将参与励磁控制电厂的标准容量定为300MW。

根据机组的机端电压安全范围合理选择励磁参考电压的阶跃控制量，当参与励磁控制电厂机组的机端电压超过上限时，适当降低阶跃控制量，本发明中统一选取励磁参考电压阶跃量为2％。

105：根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量对电力系统进行紧急控制。

通过使用本发明的基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制策略，能够满足电力系统动态无功紧急控制的要求，与使用基于广域测量系统的控制策略相比，两者能达到近似相同的补偿效果。

步骤101具体包括：

获取故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

根据第一公式计算高压侧母线电压跌落百分比，根据第二公式计算电压跌落率；

所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，V₀为高压侧母线电压初值，表示故障后高压侧母线电压跌落的最小值；t_G表示故障发生时间，t_D为故障后高压侧母线电压跌落到最小值的时间，为t_D对应的高压侧母线电压。

根据高压侧母线电压跌落程度，定义了一种电压跌落百分比T及电压跌落率K_D来表示电压跌落的程度。

步骤103具体包括：

判断电厂机组的容量是否大于预设的参与励磁控制电厂的标准容量，若是，则将该电厂机组设置为参与励磁控制的电厂机组。

步骤104具体包括：

设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量并使得发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围在预设范围内；

所述发电机无功输出的限值在预设范围内的具体公式为：

Q_i≤Q_imax；

其中，Q_i为电厂机组i的无功出力值，Q_imax为电厂机组i的无功出力最大值；

通过实施发电机励磁参考电压阶跃控制来增加发电机的无功输出，需要考虑发电机无功输出的限值，假设电厂机组i的无功出力最大值为Q_imax。

所述发电机的机端电压范围的具体公式为：

V_i≤(V_i)_max；

其中，V_i为发电机组的机端电压，(V_i)_max为电厂机组i机端电压上限值。

同时，也需要考虑发电机的机端电压范围，假设电厂机组i机端电压上限值(V_i)_max。

参与控制的电厂同时也要考虑其机组容量C，当采用相同的励磁阶跃控制量时，机组容量C越大，故障后，该机组输出的动态无功就越多。

参与控制的电厂同时也要考虑其机组容量C，当采用相同的励磁阶跃控制量时，机组容量C越大，故障后，该机组输出的动态无功就越多。通过大量仿真分析，发明中将参与励磁控制电厂的标准容量定为300MW即当电厂机组容量大于300MW时，则选择该电厂参与励磁控制。励磁参考电压的阶跃控制量根据机组的机端电压安全范围合理选择，当参与励磁控制电厂机组i的机端电压超过上限时，适当降低阶跃控制量，本发明中统一选取励磁参考电压阶跃量为2％。

本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法，通过计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率并判断其是否都大于预设值，从而筛选出在故障点附近的电厂，进而从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组，根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量，最终获得参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量并对电力系统进行紧急控制，为系统电压跌落提供充足的动态电压支撑，改善母线电压延迟恢复问题。

本发明实施例包括：定义一种电压跌落百分比及电压跌落率来表示电压跌落的程度；通过实时监测发电机高压侧母线电压，系统扰动后，当电压跌落幅度满足预设的判据时，能够快速有效选择参与励磁控制的电厂，发送控制信号到励磁控制器，主要依靠调节电压跌落母线区域及邻近区域的发电机无功出力来改善母线电压恢复问题；计及发电机组容量C，根据发电机高压侧母线电压跌落百分比T和电压跌落率K_D，选择适合参与励磁控制的电厂；通过实施发电机励磁参考电压阶跃控制来增加发电机的无功输出。只需调节关键母线所在区域和邻近区域发电机无功出力，付出的代价小，能够有效改善或抑制故障后关键母线电压恢复问题，提高系统的整体电压稳定性。

以上是对本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的一个实施例，包括：

201：对电力系统进行离线仿真，设置电力系统的故障点和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

202：获取电力系统的故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值并计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率；

203：判断电压跌落百分比和电压跌落率是否都处于预设的设定范围内，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行步骤204；

204：从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组；

步骤204具体包括：

2041：获取参与控制电厂机组容量C；

2042：若电厂机组容量C大于预设的参与励磁控制电厂的标准容量，则选取该电厂参与励磁控制

205：根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量；

206：根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量生成离线控制策略表；

207：根据PMU测量装置实时检测电力系统的母线电压，若发生稳定性故障，则在线匹配并调用所述离线控制策略表，并根据所述离线控制策略表中的参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量启动相关电厂参与励磁参考电压阶跃控制对电力系统进行紧急控制。

步骤207具体包括：

2071：根据PMU测量装置实时检测电力系统的母线电压的稳定性；

2072：根据母线电压的稳定性判断是否存在电压恢复问题，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行步骤2073，若否，则继续执行步骤2071；

2073：在线匹配并调用所述离线控制策略表；

2074：根据所述离线控制策略表中的参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量启动相关电厂参与励磁参考电压阶跃控制对电力系统进行紧急控制。

以下将对本发明实施例应用于电力系统的效果进行说明：

本发明结合电网的运行方式，分析中负荷采用50％感应电动机+50％恒定阻抗模型，当电站发生三相短路单相中开关拒动故障后，220KV板桥站存在电压恢复问题。研究中通过定量仿真分析得出结论，当25％<T₀<75％且K_D>3.5时，筛选出的电厂分布在故障点邻近区域且对改善母线电压恢复效果较为明显，考虑到故障后小容量机组的无功输出较少，设置参与励磁控制电厂的机组标准容量C_s＝300MW。分析计算故障后各电厂机组的电压跌落百分比T及跌落率K_D，基于上述预设判据筛选出参与励磁参考电压阶跃控制的电厂机组，本发明仅列出前6个电厂如下表1所示：

表1

按表1选择参与励磁控制的电厂，当故障发生后，启动上述电厂参与2％励磁参考电压阶跃控制，对220KV板桥站母线电压恢复的影响与未实施励磁控制时的电压恢复效果对比，如图2所示。

图3表明，故障发生后，与未实施励磁控制时相比，板桥站母线电压恢复至0.95p.u.的时间缩短至5.69s，与未实施励磁控制时缩短了1.22s，对改善母线电压恢复时间效果显著，有利于提高系统动态电压稳定性。

根据选择参与励磁参考电压阶跃控制的电厂，与未实施励磁控制时，C厂#1机组无功功率输出如图3所示。

图4表明，与未实施励磁控制时，C厂#1机组发电机无功功率输出明显增加，能够为220KV板桥站母线电压恢复提供更多的动态无功支撑，缩短母线电压恢复时间，提升系统电压稳定性。

上述故障仿真结果表明，计及发电机组容量C，根据发电机高压侧母线电压跌落百分比T和电压跌落率K_D，选择参与励磁控制的电厂，能够在故障后缩短母线电压恢复时间，对母线电压恢复效果会产生较大影响，有利于增强故障后系统的稳定性。

以上是对本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制方法的另一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制装置的一个实施例进行详细的描述。

本发明实施例提供的一种基于本地电压信号的发电机无功出力紧急控制装置的一个实施例，包括：

电压跌落百分比和电压跌落率计算模块，用于获取电力系统的故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值并计算电力系统中电厂的高压侧母线电压跌落百分比和电压跌落率；

紧急判断模块，用于判断电压跌落百分比和电压跌落率是否都处于预设的设定范围内，若是，则设置对应的电厂为初选电厂并执行电厂机组确定模块；

电厂机组确定模块，用于从初选电厂中根据电厂的机组容量确定参与励磁控制的电厂机组；

阶跃控制量设置模块，用于根据发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量；

紧急控制模块，用于根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量对电力系统进行紧急控制。

电压跌落百分比和电压跌落率计算模块具体包括：

信息获取单元，用于获取故障点高压侧母线的位置和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

计算单元，用于根据第一公式计算高压侧母线电压跌落百分比，根据第二公式计算电压跌落率；

所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，V₀为高压侧母线电压初值，表示故障后高压侧母线电压跌落的最小值；t_G表示故障发生时间，t_D为故障后高压侧母线电压跌落到最小值的时间，为t_D对应的高压侧母线电压。

优选地，所述电厂机组确定模块具体用于：

判断电厂机组的容量是否大于预设的参与励磁控制电厂的标准容量，若是，则将该电厂机组设置为参与励磁控制的电厂机组。

阶跃控制量设置模块具体用于：

设置参与励磁控制的电厂机组的励磁参考电压的阶跃控制量并使得发电机无功输出的限值、发电机的机端电压范围在预设范围内；

所述发电机无功输出的限值在预设范围内的具体公式为：

Q_i≤Q_imax；

其中，Q_i为电厂机组i的无功出力值，Q_imax为电厂机组i的无功出力最大值；

所述发电机的机端电压范围的具体公式为：

V_i≤(V_i)_max；

其中，V_i为发电机组的机端电压，(V_i)_max为电厂机组i机端电压上限值。

本发明实施例还包括：

离线仿真模块，用于对电力系统进行离线仿真，设置电力系统的故障点和故障点高压侧母线的电压跌落幅值；

离线控制策略表生成模块，用于根据参与励磁控制的电厂机组、励磁参考电压的阶跃控制量生成离线控制策略表；

所述紧急控制模块具体用于：

根据PMU测量装置实时检测电力系统的母线电压，若发生稳定性故障，则在线匹配并调用所述离线控制策略表，并根据所述离线控制策略表中的参与励磁控制的电厂机组和励磁参考电压的阶跃控制量启动相关电厂参与励磁参考电压阶跃控制对电力系统进行紧急控制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上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。