（电力系统及其自动化专业论文）基于pmu信号的电力系统稳定控制.pdf

p o w e r s y s t e ms t a b i l i t yc o n t r o lb a s e d o nt h es i g n a lo fp m u s u m m a r y i np o w e rs y s t e m ，b o t ht h et r a n s i e n ts t a b i l i t ya n ds m a l ls i g n a la l ep o w e ra n g l es t a b i l i t yf o c u s e do n b yp e o p l e ，i fp o w e rs y s t e m i si nd e f e c t o fs o m en e c e s s a r yc o n t r o l m e u s u r o s ，o n el o c a l d i s t u r b a n c e so r 曲i l o r m a i o p e r a t i o nc o u l da l o t l ”c h a i nr e a c t i o no fp o w e rs y s t e m w j t l tt h e e s t a b l i s ho fw a m sh a s e do op m u a n dc o m b i n e dw i t ht h ed e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e d t h e o r e t i c s 。t h em a i ns t u d yf o re x c i t a t i o ns y s t e ma sf o l l o w s ： 1 1 1 l i sp a p e re x p a t i a t e so nab a s i cc o n c e p to f p o w e ra n g l es t a b i l i t y ( t r a n s i e n t s t a b i l i t ya n ds m a l l s i g n a ls t a b i l i t y ) i no r d e rt op r e s e n tt h r o u g ia l l k i n d so fc o n t r o ld e v i c e sc a l l i m p r o v et h e s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，e x i s td i s a d v a n t a g e t h e s ec o n t r o ld e v i c e sa l eu s u a l l y d e c e n t r a l i z a t i o na l l o c a t i o na n dc o n t r o l ；l ti sd i f f i c u l tt oc h e wo nc o o r d i n a t i o nf u n o t i o n b e t w e e nt h e m , i nd e f e c to fd y n a m i cc o o r d i n a t i o na b i l i t y o n l yu s i n gl o c a li n f o r m a t i o nf o r c o n s t i t u t i n gf e e d b a c kc o n t r o l ，t h es y s t e mo s c i l l a t i o nw i l tn o tb ed e p r e s s e db o r e r s ot h i sp a p e r b yu s i n gs i g n a lo fw i d e a l g am e a s u r e m e n t sc o m b i n e dw i t hd e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e d c e n t r e lt h o o r e t i c sd e s i g ne x c i t a t i o nc o n t r o l l e r 2 t h i sp a p e ri n s t r u c t st h eb a s a lp r i n c i p l ea n dc o n s t i t u t i o no fw a m sb a s e d0 np m u p m ua r e t h eb a s a lf a c t o r so f w a m s 。p l a yai m p o r t a n tr o l e mw a m s a n di m l t u c t st h eb a s a lo f p m u 3 。i n s t r u c t st h em a i nc o n t e n t sa n di d e o l o g yo fd e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dt h e o r y a n d e x p a t i a t e sh o wd e s i g nt h ed e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e de x c i t a t i o nc o n t r o l l e r 4 f o ras i m p l ee i g h t m a c h i n ep o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g ne x c i t a t i o nc o n t r o l l e rw i t hs i g n a l w i d e - a r e am e 越n 托m c n t sc o m b i n c dw i t hd e c e n t r a l i z e da n dc 0 0 f d i n a t e dc o n t r o lt h e o n e t i c s t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fm u l t i m a c h i n es y s t e mi se s t a b l i s h e db yp r o g r a m m i n g , a n dt h ec o n t r o l l a wi so b t a i n e db yc a l c u l a t i n gl e v i n e - a t h a u se q u a t i o n s 。i ti ss i m u l a t i n gi np s a s ei no r d e rt o c o m p s , d e s i g n i n gt h ed e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e de x c i t a t i o nc o n t r o l l e rw i t hf e e d i n gb a c k l o c a ls i g n a l f i n a l l y ，t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n sp r o v e st h ed e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e d c o n t r o l l e rw i t hs i g n a lo fw a m se f f e c t0 1 1i m p r o v i n gt h et r a n s i e n ts t a b i l i t ya n ds m a l l s i g n a l s t a b i l i t y k e y w o r d s ：p o w e r s y s t e m , p o w e r a n g l es t a b i l i t y , p h a s o r m e a s u r e m e n t u n i t , w i d e a r e sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，d e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 e x c i t a t i o nc o n t r o l 贵州大学硕士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：速生建 日 期： 2 业2 生互旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影c f 、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雄导师签名：晔日期：! ! q z 生旦 贵卅l 大学硕士学位论文基于p m u 信号的电力系统稳定控制 第一章绪论 1 1 引言 电力负荷的增长使得现在电力系统朝着超高压、长距离输电、大容量机组、大范围互 联的方向发展。我国电力系统己步入大电网、大机组，交直流混合远距离输电、跨区域联网 的新阶段随着三峡电站的建成，全国联网已是大势所趋。电网互联技术可以合理利用资源， 提供相互支援，极大地提高了发电和输电的经济可靠性，但同时也带来了一些新的问题。随 着电力网络互联程度的不断提高系统越来越大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠 运行的难度也越来越大，使电网安全稳定问题越来越突出在线大大电网中，各区域、各部 分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措 施，一个局部的扰动或异常运行也可能引起全系统的连镇反应。 电力系统稳定，目前人们关注的主要是功角稳定、频率稳定和电压稳定。其中功角稳定 包括静态( 小干扰稳定) 和暂态稳定。目前可以用来改善电力系统功角稳定的措施很多如 快速切出故障、电力系统稳定器( p s s ) 、静止无功补偿装置，最优励磁控制器、直流输电 调节器等等，这些改善稳定的控制措施通常都是按照分散配置和分散控制的。传统的分散配 置的分散控制器实际上是在简化模型下设计的“孤立”控制器只考虑本机可测信号，不 考虑多机系统之间的关联作用也不考虑系统中其他控制器的存在及其交互影响其结果是 使这种控制器只能对改善本机控制特性有一定好处，对系统中其他相邻的动态行为不可能有 确定的改善，相反却存在由于各控制器之间动作无法相互协调而使系统或各自的控制特性恶 化的可能北美系统就有一步加装p s s 过程中曾有过缺乏相互协调而使低频振荡现象重新 出现甚至加剧的实例。 所以现有的阻尼控制器并不能很好的解决功角问题的更本原因在于： 不能直接利用相对功角和角速度构成闭环控制，虽然采用相对功角和角频率来实现阻 尼控制是最直接和有效的，但长期以来缺少必要的测量方法，只能采用其他间接变量来代替。 导致控制效果不佳 限于本地局部信息采用本地控制测量构成反馈控制，不能很好的反映区间振荡模态 导致控制系统虽然能阻尼本地振荡模式但难以有效控制区间振荡模式。 缺乏动态协调能力分散、局部设计的控制器可能由于缺少彼此协调而使低频振荡现 象重新出现乃至加剧，采用分散协调理论设计的阻尼控制器可在特定工况下获得静态协调特 性，但是大电网系统的模型复杂，运行方式众多振荡模式多变，使得离线设计静态协调控 制的有效性受到限制f 3 1 1 因此如果能将广域测量的信息运用到励磁控制中来，并且采用分散协调的思想来设计控 制器势必可以提高系统的稳定性能。 1 2 大电网控制的新要求 保证大电网的经济、安全运行，以及阻止系统出现故障时的连锁反应的综合控制措施需 要提供更好的信息平台：另外f c r s 等新兴控制系统的发展也需要提供相应的信息平台 目前控制系统对以下信息颇为关注： 电网各点的频率变化尤其是在暂态的情况下 干扰情况下。系统不同地点之间的功角摇摆情况 发电机、负荷、输电线路跳闸对系统的冲击情况 广域测量数据的显著特点是在不同地点的相量等信息具有同步性，数据可以帮助理解 整个系统在事故过程中的演变过程、基于广域监测的信息，控制系统在先进的原理的帮助下 可以判断系统是否是安全的。以及如何调节系统，使之更安全，从而加强对电力系统动态行 贵州大学硕士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 为的控制。 1 3 利用p m u 信号的提出 复杂电网区域间的低频振荡已成为制约互联系统传输容量的颈瓶。现有的电力系统稳 定器( p s s ) 虽然对抑制功率振荡起到了重要作用；但是一方面由于本地信号反馈的约束， 不能很好地抑制互联电网区问低频振荡，另一方厦仅针对特定工况离线设计难以适应电网运 行方式的变化适应性差。信息处理和通信技术的迅猛发展推动了电力工业应用技术的进步 使得现有阻尼控制的固有缺陷逐渐被克服，尤其自2 0 世纪9 0 年代兴起的同步相量技术和广 域测量系统( w a m s - - - w i d e a l e sm e a s u t e m e b ts y s t e m ) ，给电力系统的监测、分析和控制提供 了新的手段为互联电网阻尼控制带来新的契机【3 0 。如国内投运的w a m s 能以5 0 h z 的 频率实时同步采集电网的动态运行参数，为稳定分析和监控提供数据平台在此基础上发展 广域控制将是电网自动化技术必然的趋势。 同步相鼍最初的含义是指被打上同步时标的电网电压电流正序基波相量但目前实 用的相量测量单元( p m u p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t ) 可同步采集表征电网运行状态的几乎 所有的变量，最关键的是它能测量发电机内电势、转子角，角速度、母线电压相位等与低频 振荡密切相关的量。在高速通信嬲络( 如电力数据宽带网) 的支持下，各p m u 采集的带时 标的数据能以较小的延时( 数十毫秒到数百毫秒内) 传递到数据中心站，完成同步处理和分 析，构成w a m s 3 l 】它为克服现有阻尼控制的固有缺陷创造了条件；它可以在一定延时内 获取机组阃的相对功角和角频率将其作为阻尼控制器的反馈输入构成闭环控制在工程上是 可行的，这在国内外w a m s 应用工程中己得到充分证明 5 7 】：同时它能向分散布置的阻尼 控制器提供全局信息，使其能有效抑制本地和区间两种模式的低频振荡 4 9 由于w a m s 根本上克服了现有阻尼控制的固有缺陷从而为构建新型的区间阻尼控 制系统带来了机遇，随着w a m s 技术的迅速发展特掰是通过工程应用获得了实际经验和 初步效益，开发采用广域信号的区间阻尼控制系统成为一个热点问题 1 4 分散协调控制理论的提出 目前电力系统中的各种常规控制器，都属于分散型控制器。如电力系统稳定器( p s s ) 、 最优励磁控制器等新型控制器，这些控制器都是按照系统简化后的某局部模型来设计的。 对于分别依据各局部模型设计的各控制器，很难考虑它们之间的协调作用。同时各控制器虽 然能各自为其局部的目标服务。报难保证各局部控制器的控制作用不发生相互冲突即使各 控制器之间不发生冲突，要使它们相互协调。使系统总体性能达到最佳，也几乎是不可能的 显然如果在设计各个控制元件的控制规律时进行全盘考虑、综合设计，使得各局部控制器 不仅对丁它们的控制对象或局部系统的控制效果是晟优的而且能够协调一致的工作，使全系 统地性能在同一指标下达到最优称为最优分散协调控制 1 5 分散协调控制理论的主要内容和思想 分散协调理控制论主要研究内容是：在限定各局部控制器仅反馈当地可以测得的状态量 或输出量的条件下，如何设计和协调这些局部控制器的控制规律。以使系统的总体性能最优 分散协调控制理论的主要思想是先将大系统分解为各个子系统然后采用一定的数学方 法将全系统的最优指标在近似的条件下分配给各个子系统再针对所分得的性能指标设计各 个子系统的最优控制器，到此实现了“分散”的目的。此时的系统从全局来看存在着协调误 差s 井未达到协调。因此分散协调理论的下一步就是利用数学手段使得f = 0 ，且要具有 合理的收敛速度。不但使全系统总体性能指标达到最优而且使各局部之间协调一致的工作。 这时才能完成“协调”工作 分散协调控制器的设计方法主要有两种：一种是包含全部关联的总系统出发，按有结构 约束的控制器来设计各子系统的局部控制器通常称之为可选择结构分散协调控制器。另一 种是从予系统本身的局部控制器出发再考虑交连作用的影响而进行的设计此种控制器被称 4 赛州大学硕士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 作模型分解分散协调控制器，其设计的关键是如何处理各子系统模型之间关联项的影响。 1 6 分散协调最优控制理论与其它基于线性控制理论的分散最优控制的比较 其它基于线性控制理论的分散最优控制包括孤立分散控制传统全状态量反馈最优控制 及改进全状态量反馈最优控制。 传统的分散配置的分散最优控制器，也称孤立分散最优控制器，实际上是在简化的模型下 设计的”孤立”控制器只考虑本地可测信号，不考虑各个子系统的关联作用，也不考虑系统中 其他控制器存在及其交互影响。其结果是使这种控制器只能对改善本局部控制特性有一定好 处，对系统中其他相邻的动态行为不可能有确定的改善，相反却存在由于各控制器之问动作无 法相互协调而使系统或各自的控制特性恶化的可能。 传统全状态量反馈( 或全维输出量反馈) 最优控制可以按全系统性能指标对各个控制器 的动态行为进行协调，但其各个控制器的反馈量必须取全系统所有状态量或输出量这是实 际系统中无论从反馈量的数目考虑还是信息传输的地域考虑都是无法实现的。也是没有必要 的 而分敞协调控制是在有结构约束的条件下对各子系统的局部设计控制器，因此基本实 现了真正意义上的分散与协调，该控制方法与上述分散控制的本质区别就在于它能够科学的 处理复杂系统中受控对象如何解耦，解耦以后又怎样按给定性能指标进行分散控制器之间的 最优协调控制。 1 7 电力系统励磁控制的发展情况 同步发电机励磁控制直是一个非常活跃的领域箕控制目标包括：电压调节功能，无 功功率分配功能，提高人工阻尼和提高系统稳定性和传输功率功能 最早的励磁控制是自动电压调节器( a v r ) 2 0 世纪5 0 年代出现的a v r 是采用机端电 压偏差作为反馈量进行比例( p ) 或比例积分一微分( p i d ) 调节，虽能提高系统的动态性能 但不能解决调节精度和稳定性间的矛盾 随着现代控制理论的发展及成熟，2 0 世纪6 0 年代末，线性最优励磁控制( l o e c ) 被 引入到了电力系统励磁控制中由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，井采用了最优化 设计，因而具有更好的动态性能但缺少足够高的电压反馈增益 2 0 世纪7 0 年代，美国人首先提出了“a v r + p s s ”结构的控制器该控制器是在反馈机 端电压偏差的同时引入发电机转速或功率由于容易实现且能提供人工阻尼及有效改善系统 稳定性因而得到了广泛的应用 2 0 世纪7 0 年代末出现了分散协调控制理论9 0 年代末被引入到电力系统中 1 8 本文主要内容 作者在阅读了国内外关下j 域测蕈系统及电力系统分散协调控制的相关文献利用广域 测龄系统的信号结合分散协调理论对励磁控制器进行设计 ( 1 ) 本文对基y - p m u 的广域测量系统做了简要介绍，并将广域测量系统的测量信号运用到电 力系统控制中的作心进行了阐述。 ( 2 ) 设计常规分散协调控制器井与手动励磁对系统稳定的影响进行比较 ( 3 ) 利 广域测譬信号设计的分散协调控制器与常规分散协调控制器进行比较 ( 4 ) 编程实现了所有的设计计算工作，并通过仿真、分析，比较后证明本文工作的正确性 贵州大学硕士学位论义基于p m u 信号的电力系统稳定控翩 第二章基于p m u 的广域测量系统 2 1 广域测量系统介绍 目前电力系统动态信息缺乏成为威胁大电网可靠性的重要原因，动态信息在人们对打 电网扰动过程监测、调度运行，事故后恢复乃至控制起若基础性作用1 9 8 9 年，美国邦纳 维尔电力局( b p a ) 和美国西部电力局( w a p a ) 参加美国能源部的关于未来电力系统发展、 研究课题的评估工作。得到一个结论：实时获取电力系统广域动态信息是加强电力系统控制、 运行的关键途径为了逐步落实以上目标1 9 9 5 年美国能源部联合这两个电力局在美国西 北部系统开发广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s ) ，该项目设计到很多大 学、美国国家实验室、美国电科院等单位。到目前为止，广域测量系统已经在美国，日本， 冰岛，英国等多个国家逐步实旌 j j 域测量系统基于同步相量测量以及现代通信技术。对地域辽阔的电力系统运行状态 进行动态监测和分析为电力系统实时控制、运行及离线分析等服务 厂域测鼙系统不仅可以提高传统测控技术的性能。有助于进一步分析电网运彳亍动态特 性，更重要的是它为实现电力系统新的控制策略和控制手段提供料技术基础。广域测量系统 适麻了电力系统动态信息监测、应用的需要，提供了电力系统动态监控的平台，它所测量的 信号可以提供给系统的事故分析离线分析、系统规划、控制，保护等装置研发等使用在 目前全国联网和电力市场改革的过程中广域测量系统可以进一步加强电力系统稳定、经济 运行 随着国内外互联网发展的需要，国内各省局己认识到广域测量系统得必要性发展广 域测量系统实电力系统发展的一个趋势 2 2 基于p m u 的广域实时监测系统的原理 2 0 世纪9 0 年代初，基于全球定位系统( g p s ) 的相量测量单元( p m u ) 的成功研制8 1 标志着同步相量技术的诞生1 9 9 3 年美国研制出第一台p m u 装置。标志着同步相量技术的 实用化。此后在美国的w s c c 和b p a 先后在系统中布置料上百个p m u ，形成了广域实 时动态监测系统( w a m s ) 我国在同步相量技术领域的研究始于1 9 9 5 年前后并实现了局 部的相量测量和记录功能但未能实现高速的网络互联。更缺少一个高效的中心管理系统 随着电网互联的进行，实时动态监测系统在我国蓬勃发展起来电力系统实时动态监 测( 控制) 系统基于广域测量技术，加强了电力系统的动态过程监测( 控制) 能力它称为 电力系统动态实时数据平台，并逐步能够与e m s 系统结合，从而加强对电力系统动态安全 稳定的监控。 电力系统实时监测系统由子站和分析中心站及高速通信网络组成。 i ) 予站是安装在同一发电厂或变电站的相量测量装置和数据集中器的组合。子站可以使单 台相量测颦装置也可以由多台相量测量装置和敷据集中器构成。一个子站可以同时向多个 主站传送测量数据。子站能测量、发送和存储实时测量数据子站能与变电站自动化系统或 发电厂监控系统交换信息 2 ) 分析中心站一般由主站及在主站基础平台上的高级应用工作站等组成主站是安装在电 力系统调度中心、变电站或发电厂，用于接受、管理、存储和转发源自子站数据的计算机系 统。主站能接收、管理、存储和转发源自子站的实时测擐数据主站之间能交换实时测量数 据 分析中心站安装在电力系统调度中心是具有对实时相量数据分析处理和存储归档对 电力系统的运行状态进行监测，分析、告警等功能的主站分析中心站能对实时相量数据进 行分析、处理和存储归档对电力系统的运行状态进行监测、分析、告警等，以提高调度机 6 责州大学硕士学位论文基于p m u 信号的电力系统稳定控制 构准确把握系统运行状态的能力，并有助于研究大电网的动态过程，为制订电力系统控制策 略和设计、运行、规划方案提供依据。 典型的电力系统实时动态监测系统的结构如图2 1 图2 1 电力系统实时动态监澳j 系统结构图 广域实时测量系统是通过安装在发电厂和变电站相量测量单元对母线电压和电流进行 交流采样，并用相量法计算出正负零序相量、频率和功率，对于发电厂还得到机组的内电势 相量然后由g p s 接受器提供的高精度时钟信号将测量结果打上时标，继而遵循共同的网 络接口协议( 如i e e e l 3 4 4 标准) 将带时标的相量数据打包。并通过高速通信网络传送到数 据中心，数据中心将对各子站的相量进行同步处理和存储，并可计算系统惯性中心角度和各 机组、母线的相对相角，进一步由相应的高级应用软件对相量数据进行实时评估，从而对电 网的安全稳定性进行动态监视，或进行离线分析，为系统的优化运行提供依据，通过与电同 控制相结合就能进一步提高电网的安全稳定水平和传输能力 2 3 实时相量测量单元( p m u ) 介绍 实时相量测量单元是整个广域实时动态监测系统的基础，它为动态监视电网的安全稳定 提供晟基础、最原始的数据，因此测量数据的实时性和可靠性直接影响着这个监测系统的实 时性及可靠性 p m u 是一多功能信号采集系统，不仅要完成对电压相角的实时铡量以获得参考相位角， 还能实现对电压、电流、有功的实时测量与计算。最后将数据帧送调度中心p m u 的基本 原理为：g p s 接收器给出l p p s ( 1 个脉冲每秒) 信号锁相振荡器将其划分成一定数量的脉 冲用于采样，滤波处理厉的交流信号经a d 转换器量化，微处理器按照递归离散傅立叶变 换原理计算出相量。对三相相量微处理器采用对称分量法计算出正序相量依照i e e e 标 准1 3 4 4 - - 1 9 9 5 规定的形式将正序相量、时间标记等装配成报文通过专用通道传送到远端 的数据集中器。数据集中器收集来自各个p m u 的信息为全系统的监视，保护和控制提供数 据 1 2 电力系统相量测量装置( p m u ) 的结构分为硬件部分和软件部分。硬件部分采用了工 控总线和d s p 并行数据处理系统相结合的硬件平台具有稳定可靠、结构层次清晰、总线速 度快、系统数据处理能力强等特点其硬件结构如图2 2 其中g p s 时钟信号变送模块： 对监视点的交流电压、电流等信号进行滤波、a d 转换，转换后的高精度数字信号送入微处 理器单元：处理器模块：负责计算相对于g p s 同步参考时间的电压相角值及有关电量有效 7 贵州大学硕士学位论文 基于p m u 信号的l 乜力系统稳定挣制 值，加上同步时间构成数据帧，传送给通信模块：通信模块：其结构视通道介质而定，如为 微波通道可通过数字接口直接接入数字通道若为光纤通道需要光端机接入 图2 2 相量测量单元硬件结构框图 电力系统相量测量装置以嵌入式实时操作系统为软件运行平台，其软件结构框图如下图 2 3 。 图2 j 相量测量单元软件结构框图 相量浸0 量单元装置的程序按功能划分为一个监控及管理模块，以及数据采集、文件管理， 人机界面，对外通讯等四个独立的功能模块。各功能模块在监控及管理模块的监管下独立运 行相互之间通过共享数据区交换数据和信息该软件在运行过程中t 各个模块相互独立， 单个模块发生异常时不会影响其他模块的正常运行，当监控模块发现某一功能模块异常时可 以将其重新启动。且每个功能模块可以独立升级 2 4 功角的测量方法 在相量测量的过程中相角的测量是相量测量中的关键，时间误差1 m s 就会带来1 8 。 工频相角误差，测茸误差若要求0 ，l 。的话，那么时间同步精度应为5 p s g p s 的i p p s 秒 脉冲信号与国际标准时问( u c t ) 同步误差小于l p s 可以保证相位测蕈问题 电力系统相鼙测鼍单元的相角包括发电机的功角和母线电压相角。发电机功角时指发电 3 贵州大学硕士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 机空载电势相量e 。或暂态电势相量e ，与受端系统电压楣量u 之间的夹角或者是指送、受 两端发电机转子间的相对位置。由于功角占和系统状态有着密切的联系不仅可直接作为监 测量供运行人员判别系统的稳定情况，而且在电力系统稳定控制中，把j 及d 州d 耐p 为发电 机送出的有功功率) 作为系统判断稳定的一个重要条件因此，准确地实时地测量发电机功 角是非常必要的，也是非常关键的。 目前，测量发电机功角的方法有以下几种：( 1 ) 利用发电厂或变电站测量的电压、电 流和功率计算出功角：( 2 ) 通过专门通道把发电机电势或母线电压送到受端然后与该端 的发电机内电势或母线电压进行相位比较，计算功角。但该方法由于发电机内电势难以得到 而不易实现： ( 3 ) 利用位置传感器检测转子的位置，但该方法检测精度低误差大且对 环境要求较高； ( 4 ) 文献 1 l 】提出利用发电机本身具有的转速表准确测量发电机转速，通 过对转速求积分的方式计算发电机转子位置的变化情况利用文献( 1 8 间接测量功角的方法 计算积分常数。该方法在工程上易于实现，现场抗干扰能力强、能通用于汽轮发电机组和水 轮发电机组，满足了建设大规模电网安全稳定检测系统的世纪需要。下面将对几种功角测量 的方法进行介绍 2 4 1 功角的问接测量 间接法就是实时采集发电机的端电压和端电流，在借助于发电机模型计算出转子的位 置。对于隐极式同步发电机采用如下模型： e _ = u q + j 1 x d 其中：e 。发电机内电势 u 。二- 发电机定子端电压 这种方法在世纪应用中误差比较难以控制，即使采用诸如f f t 之类的信号处理手段也不 能消除那些暂态分量引起的误差。这一点在系统暂态过稳中更加明显。而恰恰此时测量精度 要求最高，可见这种方法存在着致命的缺点，同时，由测量计算发电机转子位置时利用了发 电机的参数这样的精度对测量精度的影响也比较大，并且在实时监控中，由于这种方法响 应速度慢。需要较大存储容量，从而限制了该方法的使用 另外，利用位置传感器检测转子的位置，从而得出功角但该方法检测精度低，误差大， 且对环境要求较高：因此限制了该方法的应用。 2 4 2 利用转子位置酒置相角 发电机并网运行时，e q 是不可测得的从而必须找到一个与它具有恒定相位关系的量 米替代它。对单机而言，功角j 有双重无力意义：一个是发电机内部感应电势e o 和发电机 端电压u 之间的时间相角：另一个则表示主极磁场f ，和气隙合成磁场f 5 两者在空间的夹 角。 由图2 4 主极磁场f ，的方向即为d 轴方向，因此电势e o ( 在礴自上) 与转子d 有9 0 。 固定相角所以如果在转轴上任意找一个固定的机械位置，( 设其与礴自问相角为卢) 则e o 与d 7 问相角也是固定的( 9 0 + p ) 所以d7 也就间接地代表了e o 的方向( 相位) ， 9 贵州大学硕士学位论文基于p m u 信号的电力系统稳定控制 致使d7 与e o 之间有一个固定不变的相角磊( 磊= 9 0 。+ ) 而已，此暂称为“定位相角” d 图2 4 功角测量原理 将转子上固定的机械位置，变为对应的电信号( 如其过零点) ，则可以实测d ，信号与 端电压u ( 过零点) 问相角( s z = 6 0 + o o 如果知道定位相角民，则可求得j 的值因 此关键是如何测得磊值 当发电机电流j 卸( 如并网前) 时，u 与e o 间无相角差( 同方向，艿：o ) 显然此时 实测的j 7 信号与u 信号之问的相角差晚= 矗。 当i 0 且有功分量不为零时，e o 与u 间有功角占，此时实测d 与u 信号之间的相 角差：畦= 民+ 占- 因此可求得功角：占= 磊一如 2 4 3 利用发电机转速信号测量功角【4 0 ，4 1 1 在现代电力系统中，无论是汽轮发电机组还是水轮发电机组都装有测速装置转速 表，该装置的构成是：在发电机的轴上安装一个6 0 齿的齿轮，这6 0 个齿大小完全一样，均匀 分布在圆盘上，每一个此在发电机转轴上都代表固定的机械装置，转速表的测量电路负责检 测齿轮所发出的脉冲，每6 0 个脉冲代表转子旋转一周，转子的瞬时速度由2 - 1 式给出， ，= 2 t t 6 0 瓦 ( 2 - 1 ) 式中：死为两个相邻脉冲的时间问隔 在确定转子转速后。转子位置由2 2 式确定： 蚴= i q ( ，) 刃+ 岛( 2 - 2 ) 在2 2 式中，只要已知转子在初始时刻的位置以及任意时刻的转速，( r ) ，就可以准确 0 贵州大学硕士学位论j 基于p m u 信号的电力系统稳定控稠 地确定转子在任意时刻的位置口( f ) ，由转速表负责测量( 其测量精度与电力系统得稳定状 态无关) ，所以在正确确定o o ，式2 2 能通用于电力系统的任意状态，并且也通用于汽轮发 电机组和水轮发电机组 在稳态情况下，利用发电机出口端的电压相量、电流相量以及发电机有关参数计算 发电机的空载电势e o e = u + j i x d ( 隐极机) e 4 = uq + j l xd + l x 4 ( 凸捂渴u ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 在计算出e o 后，进一步可以得到e o 与u 的相位差，即发电机的实时功角占 j ：口，c c o t 警一舢c o t i r e u ( 2 - 5 ) i i l l ei m u 为便于计算，不妨选择发电机出口端a 相电压正向过零时刻t 。为检测点此时 相电压 u a ，相角为万2 ，如空载电势e o 的相位角只，则功角艿为： 艿= a 一万，2( 2 6 ) 玑 _ 彳 图2 s 在t o 时刻的相量图 在t o 时刻，空载电势e o 与电压( ，j 的相位关系如图2 5 ，转子位置( 即转子d 轴与定 子绕组的相对空间位置) 如图2 6 ； 贵卅大学硕士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 ， 一c f 弩 毫 i ! 妒 ” 、 图2 6 在t o 时刻的转子图 由图2 6 ，在t o 时刻转子d 轴与a 相绕组中心线的夹角为o l ，与 相绕组正向轴线的夹 角为只一州2 ，取a 绕组中心线的位置为转子d 轴的零点则在t 。时刻。转子的位置为 吼= 只。在任意时刻，转子的位置为： p ( f ) = fc o r ( t ) d t + o o = 口( f ) = f m ，( f ) + q ( 2 _ 7 ) o 任意时刻发电机功角为； 占( f ) = f 脚，( ，) 出+ b 一( ，) ( 2 _ 8 ) 式中( f ) 是发电机出口端电压实测相位角 工程中t 利用过零检测法测量发电机端口电压相量，即所取的检测时刻为电压过零时刻即 ( f ) = # 2 ，故上式可简化为： 占( ，) = i ，( o a t + b 一 ( 2 9 ) o z 在装置重新恢复真流电源后。计算出发电机当前运行的功角6 ，再找到对应于定子旋转 磁场方向最接近于计算功角占的那个脉冲，就再次找出了转子旋转磁场的方向并重新“一 记忆”装置又可以正常运行了 2 5 本章小结 本章主要对基于p m o 的广域测量系统的构成及基本原理做了简要介绍，同步相量测量 单元作为广域测量系统的基本构成元素对广域测量系统起到了非常重要的作用因此对同 步相量铡量单元( p m u ) 的构成和工作原理进行了简要介绍。并对在相量测量中。如何进 行发电机功角测量的原理做了阐述 贵州大学颂士学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 第三章分散协调控制理论【：8 】 3 1 前言 分散协调控制理论是大系统理论分支领域之一。大系统是具有某种特定功能的、结构上 多级且控制过程按其特点分为多段的、复杂到难以用一般方法求解的系统。大系统都有一个 共同的特点，就是他们一般具有很多可控点或可控元件。处理这一问题，一般采用传统方 法孤立分散控制，即分别依据各局部模型，忽略各模型之间的相互作用，设计各控制器 来进行控制。由于这种方法很难考虑控制器之间的协调作用，也就是说，各控制器虽然能各 自为其局部的目标服务，但很难保证各局部控制器的控制作用不会发生冲突即使各控制其 之间不发生相互冲突。要使它们相互协调，使得系统总体性能达到最佳，也几乎是不可能的。 大系统理论是不断处理与解决局部与整体这样一对矛盾，使整体达到相对的最优的控制 理论与方法。分散协调控制理论就属于大系统理论的一个分支，它的研究内容是：在限定各 局部控制器仅反馈当地可以测得的状态量或输出量的条件下如何设计和协调这些控制器的 控制规律，以使得系统的总体性能最优。 分散协调控制理论的出现始于7 0 年代初迄今虽然其理论体系尚不够完善但在理论研 究和设计方法上已取得长足进展从对控制对象数学模型的处理方式看分散协调控制器的 设计方法大体可分为两类：一种是可选者结构分散协调控制器它是以全系统模型为基础设 计各局部控制器。但对各局部控制器的控制结构加以分散约束。另一种是模型分解分散协调 控制器，是将大系统模型进行分解，然后在子系统模型基础上设计各局部控制器 3 2 可选择结构的最优分散协调控制 全状态量反馈最优控制和同维输出反馈控制方法适用于几何空间较小的系统这是由于 它们没有对系统中各控制器所选反馈信号的区域范围作出限制。对于分布区域的广阔的大型 系统按照上述方法所设计的各控制器通常需要反馈大量的、远方的物理量对于电力系统 这样的典型的大系统，其覆盖区域往往包括几个省甚至全国、数国，在这种情况下，大量采 用远方物力量的反馈有很大弊端。这一方面是由于信息通道造价昂贵：另一方面由于信号众 多，信息传递距离远使信号故障的几率大大增加降低控制系统的可靠性 具有可选择结构的分散协调控制的基本出发点是其控制器是按地区分散的，其结构可以 由设计者选定而其性能指标是全系统协调的即在设计时事先对各控制器的反馈信号加以约 束，规定各局部控制器仅反馈当地容易测得的信号，在这种约束下求解能够使全系统性能 指标最优的各局部控制器的控制规律，所求得的控制规律是在这种分散结构的约束条件下的 最优协调控制。 3 2 1 按子系统状态量反馈的分散协调控制 设大系统可分为相互关联的 价子系统，每个子系统的线性化状态方程可写为 土蠹”xaox岫啪) ) 协， x ，( r ) = 至口+ 马( f ) 【 f ，一1 、 i o i r、o ， 。( o ) = 五o j 式中x 。r 1 为子系统f 的状态向量 u r 为子系统f 的控制向量 显然上述各子系统方程的集合也即全系统的状态方程可写作 贵州大学硕上学位论文 基于p m u 信号的电力系统稳定控制 妻曷三掣制 c s 屯， x ( o ) = z o j x = 证tx 2 x n x u = i v 。【，：u 。1 r 彳= 扣。，i = 1 ，2 ，；j = 1 ，2 ， 仨r 4 m b = b l o c k d i o g b t 易吼 r “7 式中丹= ” i l ，= ： ，l i b l o c k d i a g 表示分块对角。 状态量反馈分散控制所要解决的问题可描述如下：设计具有分散控制结构的，形如 u i ( f ) = k x ，( f ) ( j = 1 2 ，- m 的控制器即各子系统控制器仅反馈本子系统得状 态量- 使全系统的二次型性能指标达到最小u ，( ，) = k ，x ，( ，) 写成集中形式为 焉rk 2 足。 三翌 k j = b l o c k d i a g k ik 2 k ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 为方便起见令q 为具有髟结构形式的所有分块对角正阵的集合，即 q ：k 足“。；k = 6 白靠旅昭阮q k m ) ；墨最m ( 3 - 5 ) 则所要解决的问题成为：在q 集合中，寻找一个能够使全系统二次型性能指标最小的 x d 。用数学形式描述，即为目标泛函( 性能指标) m i n ，：f k r ( f ) o ) + ( ，r ( f ) r c ，o ) k ( 3 6 ) k f e n 。 1 4 贵州大学硕士学位论文基于p m u 信号的电力系统稳定控制 式中q 为正半定阵： r 为正定阵 约束条件1 ： 1 x ( f ) = 从( r ) + b u ( t ) i( 3 - 7 ) x ( o ) = 托j 约束条件2 ： u=kdx(3-8) 在3 2 2 节我们将会看到，按子系统状态量反馈分散控制只是按子系统选定输出量反馈 分散控制的一个特例，有关公式推导过程在下一节中给出，本节只给出用于求解k 。的矩阵 方程组l e v i n e - t h s 方程组，如下所示： ( 占7 p v ) d + r k d 屹= 0i ( 一+ b k a ) v + 矿( 彳4 - b 心) + ，= o ( 3 9 ) ( 4 + b k d ) 7 p + p ( 4 + b k j ) + q 十砰r k d = 0 i 3 2 2 可选择结构的部分输出量反馈最优分散协调控制 在状态量反馈分散最优控制中每个子系统控制器的反馈变量仅限于本子系统的状态变 量，这种限制很可能分给分散控制的实施带来不便，同时也在一定程度上限制了控制器效果 的充分发挥这可以从以下两个方面加以说明 首先。如果各子