一种防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法与流程

本发明属于水力发电机组自动控制技术领域，涉及一种防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法。

背景技术：

2016年云南电网与南方电网主网异步联网工程正式投产，实现了我国首个省级电网与大区域电网的异步互联。异步联网后云南电网独立于大区域电网运行，呈现出非常复杂的典型特征：1)系统规模小，外送比例高，网架结构薄弱，对功率平衡的要求更加苛刻，并网机组功率扰动对电网频率造成的影响加剧；2)作为独立的非同步交流系统，仅通过直流输电与大区域电网互联，需要单独响应电力系统的频率扰动；3)水电装机比重高，相比常规电网，具有水电富集电网调频能力欠缺的痼疾。

水电机组以有功功率为调节对象的调节包括定值调节和一次调频，其中定值调节的有功功率调节目标由水电站agc功能分配，或由水电站运行人员手动设定；一次调频的有用功率调节目标则由水电站调速器根据实时采集的电网频率计算得出。水电机组在定值调节过程中，或在一次调频过程中，受水流惯性、机组惯性、调节反馈延时等因素影响，均有可能使作为调节目标的水电机组有功功率产生持续振荡，进而在“大机组、小电网”的运行特性影响下，引发或加剧电网频率的振荡，成为电力系统稳定的不利因素。

中国专利《一种防止水电机组功率调节振荡的控制方法》(cn103490436a)针对定值调节导致的水电机组有功功率振荡问题，提出了机组功率调节pid参数自适应，以及在功率测量环节增加滤波环节的方法，但存在以下问题：1)文献仅仅提出了思路，对于方法中最困难同时也最关键的环节(例如“对控制参数进行整定的方法”，“滤波参数增加机组闭环调节回路阻尼的机制”等)没有进行正面的说明和解释，因此不具有可行性；2)没有考虑到大部分水电站(仅举澜沧江流域，就有功果桥、苗尾、小湾、漫湾、糯扎渡、景洪等水电站)的有功功率定值调节并未采用pid的控制方法，因此不具有广泛的适用性。

中国专利《一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法》(cn107086589a)提出了一种对调速器参数进行优化的方法，对于防止水电机组一次调频超调导致的电网频率振荡具有一定作用，但存在以下问题：1)受调节机制、水流惯性、机械惯性等因素影响，与火电机组一次调频相比，水电机组一次调频相对于电网频率变化具有严重的滞后性，其采用的抑制水电机组一次调频性能的方法，没有从根本上解决水电机组一次调频品质差的问题，实际上在目前的技术条件下，尚无有效方法可以“从根源上”解决水电机组的超低频振荡问题；2)在电网频率已经处于振荡的情况下，一次调频的调节目标会随电网频率一起波动，此时由于调节机制、水流惯性、机械惯性等因素所导致的水电机组一次调频的滞后性，即使调速器的pid参数设置为完全理想状态，也无法避免水电机组的一次调频起到维持或助长电网频率振荡的有害作用，而该专利对这种情况没有提出解决方法。

中国专利《基于wams的超低频振荡监测及其紧急控制方法》(cn107872064a)提出了一种在电网频率振荡过程中，通过机组有功功率和电网频率信号，利用多信号prony方法计算水电机组一次调频对电网频率的阻尼作用，并根据计算结果对一次调频功能进行自动干预，但是prony算法需要计算最小二乘法拟合和高次代数方程求复根，且对于信号噪声的影响非常敏感，有悖于电力系统实时控制系统的简单、可靠原则，极大削弱了其提供方法的可行性。

中国专利《一种电力系统超低频振荡敏感机组筛选方法》(cn107506945a)提供了一种筛选超低频振荡敏感机组的方法，但存在以下问题：1)没有提供建立仿真模型，以及利用仿真模型进行小干扰计算的可行方法；2)由于涉及水轮机、发电机等旋转设备，且受水流惯性、机械惯性等因素影响，搭建仿真模型对水电机组调速器进行分析，特别是进行定量分析时，与实际工况往往存在较大差别，得到的机组敏感系数信服力不足；3)仅通过基准容量、额定容量、惯性时间等常数对机组敏感性进行判断，而在实际振荡过程中，水电机组对电网频率的影响还受到数据采集延时、电网频率振荡周期等重要因素影响，从而进一步削弱了所得到的机组敏感系数的信服力。

因此设计一种可靠的，并且足够简单的，从而可以在各水电站实时控制系统中推广应用的，能够迅速甄别不利于电力系统稳定的水电机组有功功率振荡的方法，并进而通过自动或人工干预的手段终止这种有功功率振荡，尚是一个有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法，能够根据水电机组的有功功率调节类型，以及电网频率的实际振荡情况，自动监测水电机组有功功率在调节过程中产生的不利于电力系统稳定的超低频振荡，并根据监测结果，停止相应的有功功率调节功能，或者在报警后通过人工干预停止相应的有功功率调节功能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法，包括以下操作：

s1000)根据水电机组的实际工况激活相应的有功功率振荡监测模块：当水电机组处于有功功率定值调节过程中时，激活设有定时器的定值调节振荡监测模块；当水电机组处于一次调频过程中时，激活设有逻辑判断模块的一次调频振荡监测模块；当水电机组同时处于定值调节过程和一次调频过程中时，则同时激活定值调节振荡监测模块和一次调频振荡检测模块；

s2000)当定值调节振荡监测模块被激活时，其对定值调节导致的机组有功功率振荡进行以下t1和t2监测：t1为有功功率实发值超出有功功率设定值调节死区范围的累积时间；t2为有功功率实发值进入有功功率设定值调节死区范围的持续累积时间；并比较t1、t2与越限参数t1、t2来判断定值调节功能是否正常；当监测到定值调节功能异常时，该机组退出定值调节功能；

s3000)当一次调频振荡检测模块被激活时，其同时采用a、b两种逻辑将一次调频对电力系统稳定性的作用依次进行判断、量化、累积；其中，a逻辑基于有功功率实发值相对于有功功率设定值的偏离方向、电网频率相对于额定频率的偏离方向进行方向监测；b逻辑基于最近两个周期的有功功率实发值和电网频率的采样数据进行趋势监测；

当a、b两种逻辑其中之一所量化的不利作用超过判断阈值时发出报警，并提示运行人员进行人工干预；当a、b两种逻辑所累积的不利作用均超过判断阈值时，该机组退出一次调频功能。

所述的步骤s1000)具体包括以下操作：

s1100)当水电机组有功功率定值调节功能投入时，以有功功率设定值发生改变为起始时刻，以有功功率实发值稳定在有功功率设定值的有功功率定值调节死区范围内为结束时刻，期间水电机组处于有功功率定值调节过程中，定值调节振荡监测模块被激活；

s1200)当水电机组通过以下两种方式之一判断处于一次调频过程中时，一次调频振荡监测模块被激活：

s1210)以水电机组一次调频动作的开关量测点由0变1为起始时刻，以水电机组一次调频动作的开关量测点由1变0为结束时刻，期间水电机组处于一次调频过程中；

s1220)当水电机组一次调频功能投入时，以电网频率与额定频率的偏差绝对值大于或等于水电机组一次调频阈值为起始时刻，以电网频率与额定频率的偏差绝对值小于水电机组一次调频阈值为结束时刻，期间水电机组处于一次调频过程中。

所述的步骤s2000)包括：

s2100)定值调节振荡监测模块中的计时器监测累积时间t1和t2，其中t1为有功功率实发值超出有功功率设定值调节死区范围的累积时间，t2为有功功率实发值进入有功功率设定值调节死区范围的持续累积时间；

s2200)在定值调节振荡监测模块中设置越限参数t1和t2，其中t1用于t1超时判断，t2用于t2超时判断；

s2300)当机组有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值小于有功功率调节死区时，t2启动计时；

s2400)当机组有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值大于有功功率调节死区时，t1启动计时，t2归零；

s2500)当机组有功功率设定值发生改变时，t1归零；

s2600)当t2≥t2时，将t1归零；

s2700)当t1≥t1时，定值调节振荡监测模块判断机组定值调节功能处于以下两种情况之一：

1)定值调节功能无法调节到位，有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值长期大于有功功率设定值调节死区；

2)水电机组有功功率处于振荡状态，有功功率实发值无法稳定在有功功率设定值调节死区范围内；

这两种情况均属于定值调节功能异常情况，机组退出定值调节功能。

所述的步骤s3000)包括以下操作：

s3100)设置a逻辑对一次调频动作方向的正确性进行判断、量化和累积：

s3110)在实时控制系统的每个计算周期，根据该周期的数据采样结果，对一次调频动作的方向是否正确进行判断：当有功功率实发值相对于有功功率设定值的偏离方向，与电网频率相对于额定频率的偏离方向相反时，认为一次调频的动作方向是正确的；反之则认为一次调频的动作方向是错误的；

s3120)对s3110的判断结果进行量化；

s3130)对s3120最近若干周期的计算结果进行累加；

s3200)设置b逻辑对一次调频动作趋势的正确性进行判断、量化和累积：

s3210)在实时控制系统的每个计算周期，根据最近两个周期的数据采样结果，对一次调频动作的趋势是否正确进行判断：若有功功率实发值和电网频率的当前周期采样数据均大于或均小于上周期采样数据，则认为一次调频动作趋势错误；反之则认为一次调频动作趋势正确；

s3220)对s3210的判断结果进行量化；

s3230)对s3220最近若干周期的计算结果进行累加；

s3300)将s3130)的累加结果和s3230的累加结果分别与设置的判断阈值进行比较；

s3400)当s3130)的累加结果超过判断阈值，而s3230)的累加结果没有超过判断阈值，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3500)当s3230)的累加结果超过判断阈值，而s3130)的累加结果没有超过判断阈值，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3600)当s3130)的累加结果和s3230)的累加结果均超过判断阈值，则机组退出一次调频功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明根据水电机组有功功率定值调节和一次调频的调节特性分别进行振荡监测，其中定值调节监测模块利用了定值调节中有功功率设定值通常保持不变的静态特性，而一次调频监测模块则使用电网频率作为参照，从而可以有效甄别不利于电力系统稳定的水电机组有功功率超低频振荡。

本发明对于工况较为复杂的一次调频设计了a、b两种判断逻辑，当两种逻辑均认为一次调频不利于电力系统稳定时才将一次调频功能自动退出，否则仅发出报警并由运行人员决定是否退出一次调频功能，杜绝了实时控制系统误判、误退一次调频功能的可能性，提升了功能的可靠性；

本发明的算法基于简单的四则运算功能、计时功能、数值比较功能、与或非逻辑功能设计，不涉及复杂的函数运算以及微积分等高级运算功能，实施起来简单可靠，对于水电站实时控制系统而言具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法的主流程图；

图2为定值调节振荡监测模块中计时器触发计时和计时归零的逻辑图；

图3为定值调节所导致有功功率超低频振荡的波形图；

图4为一次调频所导致有功功率超低频振荡的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明提供的一种防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法，包括以下操作：

s1000)根据水电机组的实际工况激活相应的有功功率振荡监测模块：当水电机组处于有功功率定值调节过程中时，激活设有定时器的定值调节振荡监测模块；当水电机组处于一次调频过程中时，激活设有逻辑判断模块的一次调频振荡监测模块；当水电机组同时处于定值调节过程和一次调频过程中时，则同时激活定值调节振荡监测模块和一次调频振荡检测模块；

s2000)当定值调节振荡监测模块被激活时，其对定值调节导致的机组有功功率振荡进行以下t1和t2监测：t1为有功功率实发值超出有功功率设定值调节死区范围的累积时间；t2为有功功率实发值进入有功功率设定值调节死区范围的持续累积时间；并比较t1、t2与越限参数t1、t2来判断定值调节功能是否正常；当监测到定值调节功能异常时，该机组退出定值调节功能；

s3000)当一次调频振荡检测模块被激活时，其同时采用a、b两种逻辑将一次调频对电力系统稳定性的作用依次进行判断、量化、累积；其中，a逻辑基于有功功率实发值相对于有功功率设定值的偏离方向、电网频率相对于额定频率的偏离方向进行方向监测；b逻辑基于最近两个周期的有功功率实发值和电网频率的采样数据进行趋势监测；

当a、b两种逻辑其中之一所量化的不利作用超过判断阈值时发出报警，并提示运行人员进行人工干预；当a、b两种逻辑所累积的不利作用均超过判断阈值时，该机组退出一次调频功能。

进一步的，所述的步骤s1000)具体包括以下操作：

s1100)当水电机组有功功率定值调节功能投入时，以有功功率设定值发生改变为起始时刻，以有功功率实发值稳定在有功功率设定值的有功功率定值调节死区范围内为结束时刻，期间水电机组处于有功功率定值调节过程中，定值调节振荡监测模块被激活；

s1200)当水电机组通过以下两种方式之一判断处于一次调频过程中时，一次调频振荡监测模块被激活：

s1210)以水电机组一次调频动作的开关量测点由0变1为起始时刻，，以水电机组一次调频动作的开关量测点由1变0为结束时刻，期间水电机组处于一次调频过程中；

s1220)当水电机组一次调频功能投入时，以电网频率与额定频率的偏差绝对值大于或等于水电机组一次调频阈值为起始时刻，以电网频率与额定频率的偏差绝对值小于水电机组一次调频阈值为结束时刻，期间水电机组处于一次调频过程中。

进一步的，所述的步骤s2000)包括：

s2100)定值调节振荡监测模块中的计时器监测累积时间t1和t2，其中t1为有功功率实发值超出有功功率设定值调节死区范围的累积时间，t2为有功功率实发值进入有功功率设定值调节死区范围的持续累积时间；

s2200)在定值调节振荡监测模块中设置越限参数t1和t2，其中t1用于t1超时判断，t2用于t2超时判断；

s2300)当机组有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值小于有功功率调节死区时，t2启动计时；

s2400)当机组有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值大于有功功率调节死区时，t1启动计时，t2归零；

s2500)当机组有功功率设定值发生改变时，t1归零；

s2600)当t2≥t2时，将t1归零；

s2700)当t1≥t1时，定值调节振荡监测模块判断机组定值调节功能处于以下两种情况之一：

1)定值调节功能无法调节到位，有功功率实发值与有功功率设定值之差的绝对值长期大于有功功率设定值调节死区；

2)水电机组有功功率处于振荡状态，有功功率实发值无法稳定在有功功率设定值调节死区范围内；

这两种情况均属于定值调节功能异常情况，机组退出定值调节功能。

进一步的，所述的步骤s3000)包括以下操作：

s3100)设置a逻辑对一次调频动作方向的正确性进行判断、量化和累积：

s3110)在实时控制系统的每个计算周期，根据该周期的数据采样结果，对一次调频动作的方向是否正确进行判断：当有功功率实发值相对于有功功率设定值的偏离方向，与电网频率相对于额定频率的偏离方向相反时，认为一次调频的动作方向是正确的；反之则认为一次调频的动作方向是错误的；

s3120)对s3110的判断结果进行量化；

s3130)对s3120最近若干周期的计算结果进行累加；

s3200)设置b逻辑对一次调频动作趋势的正确性进行判断、量化和累积：

s3210)在实时控制系统的每个计算周期，根据最近两个周期的数据采样结果，对一次调频动作的趋势是否正确进行判断：若有功功率实发值和电网频率的当前周期采样数据均大于或均小于上周期采样数据，则认为一次调频动作趋势错误；反之则认为一次调频动作趋势正确；

s3220)对s3210的判断结果进行量化；

s3230)对s3220最近若干周期的计算结果进行累加；

s3300)将s3130)的累加结果和s3230的累加结果分别与设置的判断阈值进行比较；

s3400)当s3130)的累加结果超过判断阈值，而s3230)的累加结果没有超过判断阈值，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3500)当s3230)的累加结果超过判断阈值，而s3130)的累加结果没有超过判断阈值，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3600)当s3130)的累加结果和s3230)的累加结果均超过判断阈值，则机组退出一次调频功能。

下面给出具体的实施例。

本发明提供的防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法，包括以下步骤：

s1000)根据水电机组的实际工况激活相应的有功功率振荡监测模块，例如：当水电机组处于有功功率定值调节过程中时，激活定值调节振荡监测模块；当水电机组处于一次调频过程中时，激活一次调频振荡监测模块；当水电机组同时处于定值调节过程和一次调频过程中时，则同时激活定值调节振荡监测模块和一次调频振荡检测模块；

进一步的，振荡监测模块的激活包括以下操作：

s1100)当水电机组处于有功功率定值调节过程中时，激活定值调节振荡监测模块。

s1110)水电机组有功功率定值调节起始时刻的判断条件是，该机组有功功率定值调节功能投入，并且有功功率设定值发生改变；

s1120)水电机组有用功率定值调节结束时刻的判断条件是，该机组有功功率定值调节功能退出，或者有功功率实发值持续处于有功功率设定值调节死区范围内超过10秒。

s1200)当水电机组处于一次调频过程中时，激活一次调频振荡监测模块：1)水电机组一次调频起始时刻的判断条件是，该机组一次调频动作的开关量测点由0变1；

2)水电机组一次调频结束时刻的判断条件是，该机组一次调频动作的开关量测点由1变0。

s2000)当定值调节振荡监测模块激活时，对定值调节导致的机组有功功率振荡进行监测，当监测到持续振荡时，自动退出该机组定值调节功能；具体的操作包括：

1)在定值调节振荡监测模块中设置计时器t1和t2，其中t1为有功功率实发值超出有功功率设定值调节死区范围的累积时间，t2为有功功率实发值进入有功功率设定值调节死区范围的持续累积时间；

2)在定值调节振荡监测模块中设置越限参数t1和t2，其中t1为人为设置参数，用于t1超时判断，在本实施方式中设置为60秒；其中t2为人为设置参数，用于t2超时判断，在本实施方式中设置为10秒；

3)根据s2300至s2600，设置t1和t2计时器的触发计时逻辑和计时归零逻辑，如图2所示。

4)当t1≥60秒时，向定值调节机构发出定值调节功能退出指令，使定值调节机构不再根据有功功率设定值对有功功率实发值进行调节。

s3000)当一次调频振荡检测模块激活时，同时采用a、b两种逻辑将一次调频对电力系统稳定性的作用进行判断、量化、累积，当a、b两种逻辑所累积的不利作用均超过判断阈值时，自动退出该机组一次调频功能；否则，当a、b两种逻辑其中之一所量化的不利作用超过判断阈值时，发出报警，并引入运行人员的人工干预。具体操作包括：

s3100)设置a逻辑对一次调频动作方向的正确性进行判断、量化和累积，包括以下步骤：

s3110)在实时控制系统的每个计算周期，根据该周期的数据采样结果，对一次调频动作的方向是否正确进行判断，当有功功率实发值相对于有功功率设定值的偏离方向，与电网频率相对于额定频率的偏离方向相反时，认为一次调频的动作方向是正确的；反之则认为一次调频的动作方向是错误的；

s3120)对s3110的判断结果进行量化：sgn(vp-sp)×sgn(vf-50)，其中vp为有功功率实发值，sp为有功功率设定值，vf为电网频率，sgn为符号函数，当量化结果为正时，说明一次调频动作方向与电网频率偏差方向一致，一次调频动作方向是错误的；当量化结果为负时，说明一次调频动作方向与电网频率偏差方向相反，一次调频动作方向是正确的。

s3130)对s3120所得最近30个周期的计算结果进行累加。

s3200)设置b逻辑对一次调频动作趋势的正确性进行判断、量化和累积，包括以下步骤：

s3210)在实时控制系统的每个计算周期，根据最近两个周期的数据采样结果，对一次调频动作的趋势是否正确进行判断，若有功功率实发值和电网频率的当前周期采样数据均大于或均小于上周期采样数据，则认为一次调频动作趋势错误；反之则认为一次调频动作趋势正确；

s3220)对s3210的判断结果进行量化：sgn(vp-vp')×sgn(vf-vf')，其中vp’为有功功率实发值的上周期采样值，vf’为电网频率的上周期采样值，当量化结果为正时，说明一次调频动作趋势与电网频率变化趋势一致，一次调频动作趋势是错误的；当量化结果为负时，说明一次调频动作趋势与电网频率变化趋势相反，一次调频动作趋势是正确的。

s3230)对s3220所得最近30个周期的计算结果进行累加。

s3300)将s3130的累加结果和s3230的累加结果分别与人为设置的判断阈值10进行比较；

s3400)当s3130的累加结果≥10，而s3230的累加结果＜10，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3500)当s3230的累加结果≥10，而s3130的累加结果＜10，则进行报警，并由运行人员决定是否应该退出一次调频功能；

s3600)当s3130的累加结果和s3230的累加结果均≥10，则自动退出一次调频功能。

本发明对于防止定值调节和一次调频导致水电机组有功功率振荡的有效性，可以通过本实施方式在两起水电机组有功功率超低频振荡案例中的功能仿真进行验证。

首先是定值调节导致水电机组有功功率振荡的案例，及本发明仿真效果：

1)水电机组额定功率350mw；有功功率调节死区5mw；调节方式为监控系统plc与调速器双闭环调节方式，其中监控系统plc采用比例脉冲计算方式，调速器采用pid计算方式；

2)定值调节振荡案例，有功功率的振荡曲线如图3所示；

3)采用本发明防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法后，仿真结果如表1所示；

表1本发明作用于定值调节过程中产生的有功功率超低频振荡效果示意

4)如表1所示，0:30:40有功功率设定值发生变化，有功功率定值调节开始，但由于有功功率实发值始终无法稳定在有功功率设定值(257.5mw)的调节死区(5mw)范围内，0:31:39定值调节振荡监测模块判断该机组有功功率低频振荡，退出有功功率定值调节功能。

其次是一次调频导致水电机组有功功率振荡的案例，及本发明仿真效果：

1)一次调频振荡案例，有功功率、电网频率的振荡曲线如图4所示；

2)采用本发明防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法后，仿真结果如表2所示；

表2本发明作用于一次调频过程中产生的有功功率超低频振荡效果示意

3)如表2所示，21:25:55电网频率低于49.95hz，水电机组一次调频开始动作，但由于调节延时等因素的影响，调节效果始终处于不理想的状态，导致一次调频振荡监测模块多次发出一次调频异常报警；假如期间运行人员没有将一次调频功能退出的话，则21:28:26，一次调频振荡监测模块a、b逻辑所累积的不利于电力系统稳定的调节效果均超过判断阈值，于是向一次调频执行机构发出一次调频功能退出指令，不再根据电网频率与额定频率的偏差对有功功率实发值进行调节。

表1、表2是本发明防止水电机组有功功率在调节过程中产生超低频振荡的方法作用于实际的有功功率超低频振荡案例的仿真结果，表明本发明可以有效监测、终止水电机组因为定值调节或一次调频而产生的不利于电力系统稳定的有功功率超低频振荡。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如采用不同参数、增加报警复归死区功能、在s3120和s3220采用其它计算公式等，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。