一种电力系统稳定器及其实现方法与流程
本发明涉及高电压运行领域的实现方法及系统，具体涉及一种电力系统稳定器及其实现方法。
背景技术：
电力系统稳定器(PSS)就是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。
现有电力系统稳定器PSS已经发挥最大作用，而系统的部分振荡模式需要进一步提升阻尼。因此需要额外的阻尼方法。半波长线路功率波动时线路过电压明显，需要快速抑制。因此提出基于功角差的广域电力系统稳定器，同时考虑了信号延时与缺失问题。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种电力系统稳定器及其实现方法，解决了信号传输时滞的问题。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
第一个方面，本发明提供一种电力系统稳定器的实现方法，所述方法包括下述步骤：
将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器；
利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理；
将处理后的信号输出至发电机的励磁调节器，所述处理后的信号与所述励磁调节器的电压参考点叠加后输出。
进一步地，在所述将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器之前，所述方法可以进一步包括：
确定需要抑制的振荡模式以及产生所述振荡模式的发电机组A和B；
测量所述发电机组的功角δA与δB；
根据所述发电机组的功角δA与δB确定发电机组的功角差δAB。
进一步地，t时刻的功角差δAB(t)的值可以根据下式计算得到：
δAB(t)＝2δAB(t-τ)-δAB(t-2τ)；
其中：δAB(t-τ)为t-τ时刻的功角差测量值；τ为传输信号的延时。
进一步地，在所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理之前，所述方法可以进一步包括：
确定需要抑制的振荡模式的留数R；
根据所述留数R计算控制参数。
进一步地，所述根据所述留数R计算控制参数，具体可以为采用下式计算：
T2＝T4＝αT1；
其中，为需要补充的相位，T1、T2、T3、T4为广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数，fi表示需要抑制的振荡模式的频率；α表示中间计算结果，
进一步地，所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理，可以包括：
根据采样时间常数Tr对所述功角差信号进行采样；
根据决定稳定器产生阻尼的大小的参数K对采样的功角差信号进行放大；
将放大后的信号进行隔直处理；
根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T1、T2、T3、T4对隔直处理后的功角差信号进行相位补偿。
第二个方面，本发明还提供一种电力系统稳定器，所述电力系统稳定器可以包括：
输入模块，用于将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器；
处理模块，用于利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理；
输出模块，用于将处理后的信号输出至发电机的励磁调节器，所述处理后的信号与所述励磁调节器的电压参考点叠加后输出。
进一步地，所述电力系统稳定器可以进一步包括：
功角差计算模块，用于在所述将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器之前，确定需要抑制的振荡模式以及产生所述振荡模式的发电机组A和B，测量所述发电机组的功角δA与δB，根据所述发电机组的功角δA与δB确定发电机组的功角差δAB。
进一步地，所述电力系统稳定器可以进一步包括：
控制参数计算模块，用于在所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理之前，确定需要抑制的振荡模式的留数R，根据所述留数R计算控制参数。
进一步地，所述处理模块可以包括：
采样单元，用于根据采样时间常数Tr对所述功角差信号进行采样；
放大单元，用于根据决定稳定器产生阻尼的大小的参数K对采样的功角差信号进行放大；
隔直单元，用于对放大后的信号进行隔直处理；
第一超前滞后单元，用于根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T1、T2对上一单元输出的功角差信号进行第一次相位补偿；
第二超前滞后单元，用于根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T3、T4对上一单元输出的功角差信号进行第二次相位补偿。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
本发明提供的一种电力系统稳定器及其实现方法，采用了发电机的功角差这一广域信号作为电力系统稳定器的输入信号，利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理，所述功角差信号经过广域电力系统稳定器后叠加到发电机励磁调节器的电压参考点上，与参考电压叠加，从而实现电力系统稳定器的功能，采用本发明所提供的技术方案可以更有效的抑制振荡，解决了广域电力系统稳定器参数的确定、信号延时与缺失问题，实现了广域电力系统稳定器的工程应用的可行性。
附图说明
图1是本发明提供的具体实施例一的广域电力系统稳定器的实现方法的流程图；
图2是本发明提供的具体实施例二的广域电力系统稳定器的模型结构示意图；
图3是本发明提供的具体实施例二的广域电力系统稳定器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
Prony算法，是用一组指数项的线性组合来拟和等间距采样数据的方法，以从中分析出信号的幅值、相位、阻尼因子、频率等信息。
WAMS(广域监测系统，Wide Area Measurement System)，采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元(PMU)，实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。
实施例一、
本发明提供了一种以发电机功角差作为输入信号的广域电力系统稳定器的实现方法，该方法解决了信号时滞影响稳定器运行的问题，实现了广域电力系统稳定器的工程应用的可行性。
下面进行详细说明。
首先，本发明实施例可以通过电网离线的仿真计算选择需要抑制的振荡模式及安装广域电力系统稳定器的机组。在所选机组附近进行扰动试验，从而获得机组功角差曲线，再结合Prony算法获得该振荡模式的留数，最终获得广域电力系统稳定器的控制参数。对应WAMS系统传输信号的时延，采用线性插值算法获得，保证信号的实时性，确保广域电力系统稳定器工作的可靠性。
图1示出了本发明实施例中电力系统稳定器的实现方法的流程示意图，所述方法可以包括下述步骤：
步骤101、将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器；
步骤102、利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理；
步骤103、将处理后的信号输出至发电机的励磁调节器，所述处理后的信号与所述励磁调节器的电压参考点叠加后输出。
为了实现广域电力系统稳定器，并解决信号传输时滞的问题，本发明实施例提供了一种以发电机功角差作为输入信号的广域电力系统稳定器的实现方法，该方法解决了信号时滞影响稳定器运行的问题，实现了广域电力系统稳定器的工程应用的可行性。
实施中，在所述将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器之前，所述方法可以进一步包括：确定发电机组的功角差。
所述确定发电机组的功角差具体可以包括以下步骤：
确定需要抑制的振荡模式以及产生所述振荡模式的发电机组A和B；
测量所述发电机组的功角δA与δB；
根据所述发电机组的功角δA与δB确定发电机组的功角差δAB。
实施中，所述两台机组的功角差δAB可以为：δAB＝δA-δB。
由于WAMS系统传输信号的延时τ不是一个常量，为了进一步解决延时问题，本发明实施例还可以采用如下方式实施。
t时刻的功角差δAB(t)的值可以根据下式计算得到：
δAB(t)＝2δAB(t-τ)-δAB(t-2τ)；
其中：δAB(t-τ)为t-τ时刻的功角差测量值；τ为传输信号的延时。
实施中，在所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理之前，所述方法可以进一步包括：
确定需要抑制的振荡模式的留数R；
根据所述留数R计算控制参数。
具体实施时，本发明实施例可以利用离线仿真发电机机端电压阶跃来获得两台机组间功角差变化曲线，结合Prony辨识方法，确认需要抑制的振荡模式的留数R。
实施中，所述根据所述留数R计算控制参数，具体可以为采用下式计算：
T2＝T4＝αT1；
其中，为需要补充的相位，T1、T2、T3、T4为广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数，fi表示需要抑制的振荡模式的频率；α表示中间计算结果，
实施中，所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理，可以包括：
根据采样时间常数Tr对所述功角差信号进行采样；
根据决定稳定器产生阻尼的大小的参数K对采样的功角差信号进行放大；
根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T1、T2、T3、T4对放大后的功角差信号进行相位补偿。
具体实施时，本发明实施例中对功角差信号的处理可以包括采样环节、放大环节以及两个超前滞后环节。
本发明实施例所提供的电力系统稳定器的实现方法，由于采用了发电机的功角差这一广域信号作为电力系统稳定器的输入信号，利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理，所述功角差信号经过广域电力系统稳定器后叠加到发电机励磁调节器的电压参考点上，与参考电压叠加，从而实现电力系统稳定器的功能，采用本发明实施例所提供的方案，通过提升了振荡模式的阻尼，快速抑制功率的波动，解决了信号传输时滞的问题，可以更有效的抑制振荡。
实施例二、
本发明实施例所提供的方法可以包括如下步骤：
1)广域电力系统稳定器参数的确定和信号延时问题的解决，根据离线计算需要安装广域电力系统稳定器的机组；
2)通过在线试验确认需要抑制的振荡模式的留数；
3)进而求取广域电力系统稳定器的参数；
4)构建广域电力系统稳定器的模型；
5)确定广域电力系统稳定器模型的控制参数，并将功角差信号经过该广域电力系统稳定器后最终叠加到发电机励磁调节器电压参考点上，从而实现电力系统稳定器的功能。
其中：步骤1)中，首先根据电网的离线计算确定需要抑制的振荡模式及与其相关的两台相对机组A与B，利用WAMS测量这两台机组的功角δA与δB。
其中：步骤2)中，确定所述两台机组A与B的功角差δAB(t)为：
δAB(t)＝δA(t)-δB(t) (1)
在发电机励磁系统施加扰动，利用广域监测系统WAMS所记录的两台机组间功角变化曲线δA(t)、δB(t)，进而得到功角差曲线；
其中：δA与δB分别表示利用广域监测系统WAMS测量的两台机组A与B的功角；t表示时间。
其中：步骤3)中，结合Prony辨识方法，确认需要抑制的振荡模式的留数R。
结合Prony辨识方法，确认需要抑制的振荡模式的留数R；
对于一个线性时不变系统的输入、输出进行拉普拉斯变换，则其模型为：
Y(s)＝G(s)*I(s) (2)
式中：I(s)、Y(s)、G(s)分别为电力系统的输入、输出和传递函数的拉普拉斯变换；
上述电力系统中的输出信号Y(s)被分解成若干个模态之和；传统的Prony算法仅对输出信号进行分析，没有考虑输入信号的影响，因此无法直接取G(s)。因为通过分析Y(s)所得到的模态既包含了系统自身的模态，又包含了由输入信号引起的模态，而且对于特定的输入、输出信号中包含的模态数是确定的，因此如果已知输入信号的具体形式就可以得到准确的系统传递函数。
设电力系统的传递函数为：
式中：λi是极点，Ri是留数；
设I(s)由有限项的延迟因子ci(i＝0,1,2,3…k)及同样数量的特征值Dj(j＝0,1,2,3…k)组成，表示为：
当考虑输入信号I(s)的作用后，该系统的输出Y(s)就包含了输入信号引起的模态和系统固有模态：
利用部分分式法可将式(5)转化为：
式中：
对Y(s)进行拉普拉斯反变换，则：
如果t≥Dk，则式(8)变换为
式中D0＝0。
对式(9)不能直接进行Prony分析，由于t必须大于最大的延时因子DK，因此设τ＝t-Dk，则变为：
将式(11)代入(7)，得到传递函数的留数为：
式(12)中的Bj与λj可以通过对(9)进行Prony分析得到，ci,Di与λn+1可以根据输入得到。因此如果将式(4)形式下的输入应用于励磁系统，就可以通过对机组功角差曲线Prony分析得到系统的传递函数。选择传递函数中需要关注的特征值，根据其对应的留数设计模型参数。
图2示出了本发明实施例中电力系统稳定器的模型结构示意图，如图2所示，信号处理过程可以包括：采样环节、放大环节、隔直环节和两个超前滞后环节。图2中的字母s表示复参数，Tw表示放大环节时间常数。
模型的控制参数可以通过辨识出的主导模式的留数R计算：
T2＝T4＝αT1 (16)
K值决定了广域电力系统稳定器产生阻尼的大小，理想情况下这个增益设在对应最大阻尼下的值，通常通过现场试验确定。Tr为采样环节的时间常数，通常取0.02秒。
为需要补充的相位，α为中间计算结果，T1、T2、T3、T4为广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数，fi表示需要抑制的振荡模式的频率。R为需要抑制的振荡模式的留数；
其中：步骤5)确定广域电力系统稳定器模型的控制参数，并确定广域监测系统WAMS传输信号的时延对应的功角差。
由于WAMS系统传输信号的延时τ不是一个常量，可以采用线性插值的方法解决延时问题。
利用卡尔曼滤波对功角差信号δAB(t)进行处理，以处理后的值作为广域电力系统稳定器的输入。这样可以解决广域监测系统WAMS传输信号的延时问题及测量误差问题。
卡尔曼滤波基本原理如下：
系统方程：X(k)＝A*X(k-1)+B*U(k)+W(k) (17)
再加上系统的测量值方程：
Z(k)＝H*X(k)+V(k) (18)
上两式子中，X(k)是k时刻的系统状态，U(k)是k时刻对系统的控制量。A和B是系统参数，对于多模型系统，他们为矩阵。Z(k)是k时刻的测量值，H是测量系统的参数，对于多测量系统，H为矩阵。W(k)和V(k)分别表示过程和测量的噪声，本发明实施例假设所述噪声为高斯白噪声(White Gaussian Noise)，它们的协方差(covariance)分别是Q，R(本发明实施例假设Q、R不随系统状态变化而变化)。
假设现在的系统状态是k，根据系统的模型，可以基于系统的上一状态而预测出现在状态：
X(k|k-1)＝A*X(k-1|k-1)+B*U(k) (19)
式(19)中，X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果，U(k)为现在状态的控制量，如果没有控制量，它可以为0。
用P表示协方差(covariance)：
P(k|k-1)＝A*P(k-1|k-1)*A‘+Q (20)
P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程的协方差。式(19)、(20)就是卡尔曼滤波器5个公式当中的前两个，也就是对系统的预测。
结合预测值和测量值，可以得到现在状态(k)的最优化估算值X(k|k)：
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)*(Z(k)-H*X(k|k-1)) (21)
其中Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain)：
Kg(k)＝P(k|k-1)H’/(H*P(k|k-1)H’+R) (22)
为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束，本发明实施例还可以进一步更新k时刻下X(k|k)的协方差：
P(k|k)＝(I-Kg(k)*H)*P(k|k-1) (23)
式(19)-(23)为卡尔曼滤波的基本方程，可以用于下一时刻的预测，同时减小了测量噪声影响。
为了在本申请中应用，可以在投入广域电力系统稳定器时标记k＝1，此时电力系统稳定的输入为X(0|0)，X(0|0)＝δAB(0)，P(0|0)＝0，A＝1，B＝0，H＝1，由于没有控制量，所以U(k)＝0。Z(k)＝δAB(k)，Q与R可以通过现场测试校核获得。这样就可以让卡尔曼滤波方程开始循环，保证了广域电力系统稳定器的输入信号。
实施例三、
基于同一发明构思，本发明还提供了一种电力系统稳定器，由于该设备解决问题的原理与一种电力系统稳定器的实现方法相似，因此该设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图3示出了本发明实施例中电力系统稳定器的结构示意图，如图3所示，所述电力系统稳定器可以包括：
输入模块301，用于将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器；
处理模块302，用于利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理；
输出模块303，用于将处理后的信号输出至发电机的励磁调节器，所述处理后的信号与所述励磁调节器的电压参考点叠加后输出。
实施中，所述电力系统稳定器可以进一步包括：
功角差计算模块，用于在所述将发电机的功角差作为输入信号输入电力系统稳定器之前，确定需要抑制的振荡模式以及产生所述振荡模式的发电机组A和B，测量所述发电机组的功角δA与δB，根据所述发电机组的功角δA与δB确定发电机组的功角差δAB。
实施中，所述电力系统稳定器可以进一步包括：
控制参数计算模块，用于在所述利用预先计算得到的控制参数对功角差信号进行处理之前，确定需要抑制的振荡模式的留数R，根据所述留数R计算控制参数。
实施中，所述处理模块可以包括：
采样单元，用于根据采样时间常数Tr对所述功角差信号进行采样；
放大单元，用于根据决定稳定器产生阻尼的大小的参数K对采样的功角差信号进行放大；
隔直单元，用于对放大后的信号进行隔直处理；
第一超前滞后单元，用于根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T1、T2对上一单元输出的功角差信号进行第一次相位补偿；
第二超前滞后单元，用于根据广域电力系统稳定器的超前滞后环节的参数T3、T4对上一单元输出的功角差信号进行第二次相位补偿。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
1、目前系统中的发电机组已广泛配置PSS，但由于交流电网规模增大，在某些情况下的振荡模式需要进一步提高阻尼，例如：半波线路由于线路等值长度较短，振荡阻尼需要进一步增强。因此，本发明提供了一种基于广域量测信号的电力系统稳定器及其实现方法，增加了系统阻尼，结合功角差信号变化缓慢的特点，以功角差信号为输入；同时利用卡尔曼滤波既可以滤波，又可以进行预测的特点，解决了广域测量信号延时及测量误差的问题，保证广域电力系统稳定器的正常工作。
2、由于卡尔曼滤波算法采用递推方式，特别便于程序实现，而且计算速度快，适合工程应用。
3、本发明提供的一种电力系统稳定器的实现方法及电力系统稳定器，采用了广域信号作为输入信号，因此可以更有效的抑制振荡，解决了广域电力系统稳定器参数的确定、信号延时与缺失问题，实现了广域电力系统稳定器的工程应用的可行性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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