适用于随机时滞的电力系统广域pid阻尼控制器设计方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及电力系统时滞PID阻尼控制器设计方法，属于电力系统稳定控制技术 领域。
【背景技术】：
[0002] 随着大区电网的互联，电力系统的规模不断扩大，低频振荡问题也日益严重。如何 确保大区电网特高压互联下的电力系统具有较高的阻尼系数，成为现代电力系统安全稳定 运行亟待解决的控制难题。
[0003] 由于大区电网互联后，发生的低频振荡可能同时涉及多个区域电网，分布面非常 广，影响也很大。传统的采用本地信号作为反馈信号的电力系统稳定控制器（PSS)，受控制 信号的可观性限制，在抑制区间低频振荡方面效果非常有限。基于GPS授时技术的相量测 量单元（PMU)，使电力系统运行状态的同步测量不再是个难题，目前基于PMU的电力系统广 域测量系统（WAMS)也正在成形与完善中。利用PMU同步相量数据进行广域电力系统低频 振荡阻尼控制，较传统的基于本地信号的PSS控制具有显著的优势，在大量文献中已有明 确的结论。但是，PMU同步相量的广域远距离传输也带来了控制信号时滞问题，若不妥善处 理时滞影响，阻尼控制器不仅不能起到抑制低频振荡的作用，反而可能进一步恶化电力系 统的稳定性。
[0004] 在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用，工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的，电力系 统亦不例外。PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，若要考虑时滞的 影响，PID控制器的参数整定将难上加难。
【发明内容】
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[0005] 本发明针对区域电网互联过程中出现的低频振荡问题和WAMS信号的随机时滞现 象，提出了适用于随机时滞的广域PID阻尼控制器设计方法，包括：确定电力系统低频振荡 模式，选取反应区间低频振荡特性的反馈控制信号以及合适的阻尼控制执行器，评估广域 PMU信号可能的随机时滞分布特点，建立广域电力系统的传递函数数学模型，设计适用于 PMU信号随机时滞情形的电力系统PID控制器结构，分别计算不同时滞下能够确保电力系 统稳定的PID参数分布范围并取其交集，从中选取一组合适的PID参数作为阻尼控制器的 参数。
[0006] 本发明所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼控制器设计方法的技术 方案的实施步骤如下：
[0007] (1)确定电力系统低频振荡模式，包括特征根、振荡频率、阻尼值、参与机组，从中 筛选出区间低频振荡模式；
[0008] (2)针对区间低频振荡模式，分析同步PMU信号对该模式的可观性，从中筛选出区 间低频振荡的广域反馈控制信号；分析电力系统现有的调控装置，从中选取对该模式具有 较高可控性的调控装置作为阻尼控制的执行器；
[0009] (3)针对步骤（2)中所选的广域反馈控制信号和阻尼控制执行器，评估PMU信号从 采集、传输、到达阻尼执行器这个过程中可能的随机时滞分布特点；
[0010] (4)确定电力系统从步骤（2)中所选定的阻尼调控装置输入端至广域反馈控制信 号的局部线性化传递函数模型；
[0011] (5)设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构；
[0012] (6)对PMU信号可能的随机时滞分布范围等间隔取点，分别计算不同时滞下能够 确保电力系统稳定运行的PID参数分布范围，并取其交集作为适应随机时滞的PID参数分 布范围；
[0013] (7)从步骤（6)中的分布范围中选取一组参数作为适应随机时滞的PID阻尼控制 器的参数。
[0014] 进一步，所述步骤（1)中，既可以采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可以采 取电力系统动态仿真或者测量数据辨识技术，确定电力系统的低频振荡模式的特征根、振 荡频率、阻尼值和参与机组，其中振荡频率低于1.0 Hz且功率振荡参与机组分布在多个区 域电网中的振荡模式就是区间低频振荡模式。
[0015] 进一步，所述步骤（2)中，可选的广域反馈信号来自各厂站、线路上布置的PMU装 置，常见的有发电机功角和转速信号、联络线有功功率信号，通过比较这些信号对区间低频 振荡模式的可观性指标，可以选出可观性较好的PMU信号作为反馈控制信号Y ;可选的低 频振荡稳定调控装置有发电机励磁装置、高压直流（HVDC)控制装置、静态无功补偿（SVC) 装置等柔性交流输电（FACTS)装置，根据这些装置附加控制输入对该振荡模式的可控性指 标，选取可控性较好的调控装置作为低频振荡阻尼控制的执行器，执行器的输入信号为U ; 反馈信号至阻尼控制执行器的时滞记为τ。
[0016] 进一步，所述步骤（3)中，评估PMU反馈信号从采集、传输、到达阻尼控制执行器这 个过程中可能的时滞，设定时滞τ分布范围为[τ_，τ_]，剔除时滞大于τ_的数据，时 滞小于1_的数据采取等待策略。
[0017] 进一步，所述步骤（4)中，既可以采取电力系统线性化数学模型、也可以采取辨识 算法确定从阻尼调控装置输入信号U至广域反馈控制信号Y的局部线性化传递函数模型 G(s) =N(s) e Ts/D (s)，其中 N(s) =13^+1^8^+...+1^8+13(^0(8) =s n+anlsn1+…+ap+a。； 考虑到实际电力系统模型的阶数可能非常高，可以进一步采取降阶措施，使降阶后的传递 函数模型包含主要的低频振荡模式，传递函数模型的形式同降阶前G(S) =N(S)eTS/D(s)。
[0018] 进一步，所述步骤（5)中，所设计的电力系统广域时滞PID阻尼控制器主要包括： 广域测量信号预处理模块、比例（P)环节、积分（I)环节、微分（D)环节、输出限幅环节；其 中电力系统WAMS中的PMU信号输入到该时滞PID阻尼控制器的测量信号预处理模块，剔除 错误的数据和时滞过大的数据，并将其与稳态值进行比较，对不同时滞的PMU信号重新进 行排队、根据设定的时滞等待后送入PID环节，PID环节输出的阻尼控制信号经过限幅环节 后送入步骤（2)中所选定的低频振荡调控装置，作为附加控制信号参与电力系统的稳定控 制。
[0019] 进一步，所述步骤（6)中，针对步骤（4)中获取的电力系统传递函数模型G(S)以 及步骤（3)中设定的广域PMU反馈控制信号的时滞τ的分布范围[τ_，τ_]，按以下几 个步骤计算适应随机时滞的PID阻尼控制器的参数分布范围（KP，IVK1):
[0020] (a)将随机时滞τ的分布范围[τ _，τ _]等间隔离散化为T个点，记为τ η τ η 丁 2、 ......、丁 Τ，其中 丁 1= 丁 min，丁 T= 丁 max;
[0021] (b)取 τ = τ ρ j = 1、2、......、T ;
[0022] (c)选取足够大的1，若η是偶数，则令Z = 21jt，否则令Z = 2131 + 31/2 ;令s = jz/ τ，z 为实数；假定 Q 是曲线 f2(z) = -Q1 (z)/[N12(z)+Ni2(Z)]与直线 fjz) = Kp在区 间（〇，Z)内的交点数量，其中 Q1 (z) = [Dr (Z)Nr (ζ)+0?(ζ)Ν?(ζ)](：〇8(ζ)-〇^ (z)Nr (Z)-Dr (z) N1(Z) = Sin(Z), Nr(ZhN1(Z)Uz)Uz)分别为 N(jz/〇 和 D(jz/〇 的实部和虚部；确 定Kp的分布范围[K P_，KpniaJ，使Q满足下式：
[0024] 其中，I (N)、r (N)和j (N)分别为N(S)在s左半平面、右半平面和正虚轴上的零点 数量；
[0025] ⑷将心分布范围[Κ P_，KP_]等间隔分为F段，间隔点分别为Kro、KP1、K P2、……、 KPi、KP(i+1)、......、1^，其中1 -0、1、2、......、F，Kpo -K pmin，Kpf -Kpmax;
[0026] (e)对于给定的 Kp= K Pi，其中 i = 0、1、2、......、F，计算 q(z，Kp)= {?ω+ΚρΕΝ/ω+Ν^ωΒζ/τ在区间[0, Z)内不同的实零点，从小5IJ大依次为Z0、Zl、 Z2、......、Zc 1，且 Zc - Z ;
[0027] (f)对于 t = 1、2、......、c，如果N(_jzt/ τ ) = 〇,则 it= 〇 ;若N(_s)在原点有个零 点，则令 i。= sgnWIipJzU/dzIz =。），其中sgn()为符号函数，P1 (z) =HIiDi(Z)Nr(Z)-Dr(Z) NjzUcosbHIiDjzMJzHDjzMdzUsinbMz/ τ ;否则 it= -1 或 1，具体由下式决定：
[0032] 假设满足上述条件的集合I有h组；
[0033] (g)若根据步骤⑷得到的I是唯一的，计算由不等式组[KfAbjKD+BbJitX) 确定的（KDi，Kn)稳定区间的交集3;，其中A(Zt) =Zt2/ T2，B(zt) =P1 (zJ/IX^zJ+NiYzt)]， t = 0、l、2、……、c，且t满足N(jzt/〇乒0;若I不是唯一的，（KDl，Kn)则是步骤（d)中 的h组I所对应的稳定区间的并集S1;
[0034] (h)返回步骤（e)，直至所有的Kpi所对应的（KDl，K 11)稳定区间S1计算完毕。
[0035] (i)得到能够确保时滞为τ』时系统G (s)稳定的时滞PID参数分布范围（K Pj，KDj， Klj)为（KPl，S1),其中 i = 0、1、2、……、F。
[0036] (j)若步骤（a)中的所有时滞离散点遍历完毕，则取所有时滞对应的稳定参数分 布范围（KPj，KDj，Kl j)的交集作为适应随机时滞的PID参数分布范围（KP，KD，K1),否则返回 步骤（b)。
[0037] 进一步，所述步骤（7)中，在KpIeoKi三维坐标系中，由步骤（6)计算所得时滞PID 参数分布范围（KpKwK1)形成若干个立体空间，确定每个立体空间的重心位置（KP，K epKi), 选择其中一组作为所设计时滞PID阻尼控制器的参数。
[0038] 本发明的优点是：不仅可以