操控输电系统中的谐振的制作方法

操控输电系统中的谐振的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于操控输电系统中的谐振的方法、谐振操控装置和计算机程序产品。谐振操控装置(28)包括频率确定单元(22)，其配置成从输电系统的测量装置(12，14，16)得到测量(y1，y2，yr)，在至少一个状态空间模型(M1，M2)中应用测量，并且基于所述状态空间模型中的系统测量的应用来确定系统中的模态谐振频率(ωj)，以及活动确定单元(24)，其配置成确定谐振频率的至少一个的模态活动。
【专利说明】操控输电系统中的谐振

【技术领域】
[0001] 本发明涉及输电系统的广域监测和控制的领域。更具体来说，本发明涉及用于操 控输电系统中的谐振的方法、谐振操控装置和计算机程序产品。

【背景技术】
[0002] 机电振荡是AC传输系统的固有性质，并且无法完全消除。在许多情况下，区域间 机电振荡的阻尼设置电力传输容量的极限。另外，振荡在没有适当控制时可引起对系统安 全性的严重威胁。从操作观点来看，能够可靠地实时估计振荡的阻尼、以便采取适当和及时 措施来保持系统稳定具有高优先级。
[0003] ABB具有系统中实现的第一代机电振荡检测软件（命名为PSGuard)。在PSGuard 中，存在用于检测高压电力系统中的电力摆动的功能、即电力振荡监测（POM)。POM功能处 理来自相量测量单元（PMU)的单个输入信号，并且检测各种电力摆动模式，其能够用来检 测扰动。
[0004] Ρ0Μ迅速检测在来自例如广域测量系统（WAAMS)的测量中是可观测的摆动模式的 活动。另外，Ρ0Μ指示振荡的频率，其然后可与电力系统的现有已知模式进行比较，即，操作 人员可区分是激励本地还是区域间模式。
[0005] PSGuard系统现在还具有另一功能、即电力阻尼监测（PDM)，其使用与Ρ0Μ相似的 方式，但差别在于能够同时使用来自不同位置的多个测量以及数据的一般更长时间窗口。 在Ρ0Μ能够更快地检测产生于电力系统中的扰动或开关事件的振荡、而PDM能够更好地估 计正常操作条件期间的阻尼等级的意义上，PDM是对Ρ0Μ的补充。
[0006] PDM基于来自系统的模型中的多个PMU的测量值的应用，以便确定系统谐振。
[0007] 与PDM相似的一种类型的功能是所谓的Prony分析，其在US 7987059中描述。在 这里，在第一和第二状态空间模型中应用测量，以便得到系统的谐振频率，其中第二模型是 第一状态空间模型的形态变换变化。
[0008] 由 Jaime Quintero 等人在"An Oscillation Monitoring System for Real-time Detection of Small-Signal Instability in Large Electric Power Systems，' （2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting,2007 年 6 月 24-28 日，Tampa, Florida, USA)中也论述了 Prony分析的使用。
[0009] 因此，有可能找出系统中存在哪些谐振频率。但是，在电力振荡阻尼（power oscillations damping)领域存在改进的空间，特别是涉及这些振荡相对系统稳定性的严 重程度。
[0010] 因此，需要对这种状况的改进。


【发明内容】

[0011] 因此本发明一个目的是实现输电系统中的阻尼的改进。
[0012] 按照本发明的第一方面，提供一种用于操控输电系统中的谐振的方法，该方法包 括下列步骤： 从输电系统中的测量装置得到系统测量， 在系统的至少一个状态空间模型中应用测量， 基于所述状态空间模型中的系统测量的应用来确定系统中的模态谐振频率，以及 确定谐振频率的至少一个的模态活动。
[0013] 按照本发明的第二方面，提供一种用于操控输电系统中的谐振模式的谐振操控装 置，该装置包括： 谐振频率确定单元，配置成从输电系统的测量装置得到测量，在至少一个状态空间模 型中应用测量，并且基于所述状态空间模型中的系统测量的应用来确定系统中的模态谐振 频率，以及 活动确定单元，配置成确定谐振频率的至少一个的模态活动。
[0014] 按照本发明的第三方面，提供一种用于操控输电系统中的谐振模式的计算机程 序，该计算机程序可加载到计算机的内部存储器中，并且包括计算机程序代码部件，以便在 所述内部存储器中加载所述程序时使计算机： 从输电系统中的测量装置得到系统测量， 在系统的至少一个状态空间模型中应用测量， 基于所述状态空间模型中的系统测量的应用来确定系统中的模态谐振频率，以及 确定谐振频率的至少一个的模态活动。
[0015] 按照这些方面的本发明具有提供采取与输电系统的谐振频率相关的活动的形式 的附加数据的优点。这允许进行关于应当阻尼哪些谐振频率的更好判定。
[0016] 在本发明的一个变化中，谐振频率的模态活动基于链接到对应谐振频率的系统模 型变量的一组时间值来确定。
[0017] 还可存在第一和第二状态空间模型，其中第二状态空间模型是第一状态空间模型 的模态变换变化。
[0018] 在本发明的另一个变化中，模态活动的确定包括估计第一状态空间模型中的系统 的初始状态，模拟第一或第二状态空间模型中的状态的时间系列，并且经过处理与第二状 态空间模型中的谐振频率对应的状态的时间变化来确定模态活动。模拟可在第一状态空间 模型中执行，以及模拟状态变换成第二状态空间模型中的对应状态。备选地，初始状态可变 换成第二状态空间模型中的初始状态，以及模拟在第二状态空间模型中执行。
[0019] 在本发明的另一个变化中，模态活动基于经过下列而对测量值进行处理来确定： 将在时间点所得到的测量值的相位偏移取决于谐振频率和时间的相位，以及组合该时间间 隔中的这类相移测量值，并且与不同测量位置相关，以便得到活动的值。
[0020] 在本发明的另一个变化中，存在按照评级方案对谐振频率所执行的评级，其评级 可由谐振操控装置的评级单元来执行。
[0021] 测量还可包括频率测量。频率数据可在电压角或功率流或电压测量中提供。
[0022] 按照本发明的另一个变化，该方法还包括在各取样时刻确定不同源的测量的平均 频率，经过从频率测量中减去平均频率来得到每个源和取样时刻的振荡分量，以及提供振 荡分量以用于确定谐振频率和模态活动。
[0023] 该方法还可包括使用所确定模态谐振频率的数据以及与这个谐振频率的模态活 动有关的数据来计算电力振荡阻尼装置的校正信号或配置参数，目的是降低活动或者改进 所确定模态谐振中的阻尼。
[0024] 谐振操控装置可包括用于执行上述预处理的预处理单元。
[0025] 谐振操控装置还可包括探测信号生成单元，其配置成将探测信号注入输电系统， 以协助谐振的检测。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 下文中将参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括： 图1示意示出输电系统中的多个测量提供装置经由测量对齐装置连接到电力控制布 置， 图2示意示出概述在用于操控谐振的方法中执行的多个方法步骤的流程图， 图3示意示出用于预处理从系统所得到的测量的多个步骤， 图4示意示出按照本发明的第一实施例、用于确定谐振频率的活动的多个方法步骤， 以及 图5示意示出按照本发明的第二实施例、用于确定谐振频率的活动的多个方法步骤。

【具体实施方式】
[0027] 图1示意示出连接到输电系统中的多个测量装置12、14、16的电力控制布置10。 输电系统优选是AC输电系统，并且然后工作在诸如50或60 Hz的网络频率。
[0028] 输电系统可设置在多个地理区域中。这些区域通常设置成彼此相距较大距离，其 中一个可例如设置在芬兰南部，而另一个设置在挪威南部。地理区域能够被认为是相干区 域。相干区域是其中一组电机、例如同步发电机相干地移动、即它们共同振荡的区域。这种 区域还可被认为是电区域，因为机器在电方面来说相互接近。在这些地理区域中，存在用于 连接地理分隔区域的高压联结线、中压线、在这些线路之间变换电压和切换连接的变电站 以及局域中的各种母线。测量装置还连接至这类电力线和母线。测量装置在这里可连接至 测量提供装置12、14和16,其可以是相量测量单元（PMU)。PMU提供与系统有关的加时间戳 的本地数据，例如电流和电压相量以及频率测量。频率数据可存在于来自除了 PMU之外的 其它源的电压角或功率流或电压测量中。因此，由PMU在整个网络所收集并且集中处理的 多个测量能够提供输电系统的总体电所状态的快照。这类PMU通常还配备有GPS时钟，其 自身与采取GPS卫星形式的参考时钟装置同步，并且将在等距时间点、例如每隔20 ms发送 测量值。这些测量包括加时间戳的相量的测量值，并且时间戳可表示在系统中测量相量时 的时间点。
[0029] 图1中，一般存在各提供测量的r个这类测量提供装置12、14和16,其中示出三个 测量yi、y 2、…P这些测量提供装置12、14和16在这个示例中全部是PMU，其与时间生成 装置、例如GPS卫星（未示出）进行联络。它们还测量诸如电压、电流和频率之类的网络性 质，对测量加时间戳，并且将其发送，以便使这些测量由电力控制布置10来处理。这里应当 知道，在不同地理区域的系统中可存在更加多的不同测量提供装置，其中地理区域通常对 应于相对另一个地理区域的一组机器摆动的独立的一组机器。
[0030] 图1中，第一测量提供装置12示为发送第一测量yi，第二测量提供装置14示为发 送第二测量y2，以及第r测量提供装置16示为发送第r测量κ。所有这些测量均在线测 量，并且为电力控制布置10来提供。因此，测量yi、y2、…h在远处地理位置来得到，并且 可由测量提供装置12、14和16通常使用GPS时钟来加时间戳，以及经由潜在地为数千公里 长的通信通道发送给测量对齐装置18。
[0031] 测量对齐装置18可以是相量数据集中器（PDC)，以及接收上述测量并且将其同 步，即，采用同一时间戳来封装相量。
[0032] 测量对齐装置18监听定期（例如每隔20 ms)发送加时间戳测量的测量提供装 置。测量对齐装置18按照时间戳来对齐测量，从而预期在每个时隙来自各测量提供装置的 一个测量，并且在与给定时隙对应的测量可用时转发所有测量。
[0033] 测量对齐装置18向电力控制布置10提供时间对齐测量。应当知道，测量对齐装 置不是发明概念的中心。因此，它是可选的，并且还可省略。
[0034] 测量yi、y2、…h更具体来说提供给电力振荡阻尼装置30以及谐振操控装置28， 其两者均设置在布置10中。电力振荡阻尼装置可以是广域电力振荡阻尼装置。
[0035] 谐振操控装置28在这里包括可选预处理单元20,其预处理测量yi、y2、…h，并 且向谐振频率确定单元22(其确定系统的谐振频率 ωι、ω2、ωρ提供预处理数据^ ω〇Η(；>ι·。_旲态谐振频率确定单兀22连接到活动确定单兀24,其确定谐振频率中的活 动。活动确定单元24又连接到可选评级单元26,其对谐振进行评级。活动确定单元24以 及可选的评级单元26连接到电力振荡阻尼装置30,其生成控制信号、例如广域控制信号。 谐振操控装置28还包括可选探测信号生成单元27,其连接到电力振荡阻尼装置30和谐振 频率确定单元22。电力振荡阻尼装置30可基于一个或多个频率、优选地为所激活或激励 的频率来生成调制信号，并且将这个调制信号或控制信号提供给致动器控制装置32,其又 连接到输电系统的致动器、即其中提供测量装置12、14和16的输电系统的控制中涉及的元 件。致动器例如可以是FACTS系统中的变压器或者HVDC系统中的电压源转换器。当电力 振荡阻尼装置30为活动、即对系统的测量起作用时，它为闭环电力振荡阻尼（P0D)(其与上 述摆动所引起的机电振荡的阻尼相同）提供反馈环路。因此，电力振荡阻尼装置30将调制 信号提供给致动器控制装置32,其又将这个调制信号加入致动器控制信号，以便抵消电力 振荡。致动器控制信号然后提供给输电系统中的上述致动器（未示出）。
[0036] 在这里还应当知道，谐振模式操控装置28无需设置在布置10中，而是可单独设置 以用于仅提供将要用于分析谐振模式和活动的谐振数据。因此，能够看到，本发明能够无需 依靠广域电力振荡阻尼装置30和致动器控制装置32来实现。
[0037] 如在图1中能够看到，谐振操控装置28从系统接收测量。下文中，这些测量描述 为直接从系统来收集或接收。但是，作为备选方案，有可能的是，来自系统、例如从测量对齐 装置18所接收的测量存储在与谐振操控装置28关联的数据存储元件中。在这里还应当知 道，电力振荡阻尼装置30和可选探测信号生成单元27可将控制信号和探测信号提供给控 制输电系统中的其它致动器的若干致动控制单元。
[0038] 现在将参照图2来描述谐振模式操控装置28的一般操作，图2示出用于操控谐振 的方法中的多个方法步骤的流程图。
[0039] 如果例如在两个区域之间的电力的传输通过一组机器相对另一组的振荡的不充 分阻尼而受到限制，则谐振操控装置28能够通过提供比经由离线动态模拟能够得到的更 快和更准确的电流状况的视图，来协助使电力传输为最大。这归因于如下事实：PMU测量没 有遭受潜在地存在于离线模拟模型中的建模误差。
[0040] 谐振操控装置28还使得有可能经过提供模态可观测性信息来识别系统的哪些部 分参与所检测振荡。这种信息能够用来识别问题的根本原因。
[0041] 因此，重要的是找出任何谐振频率是否存在于输电系统中。但是，为了能够确定适 当校正活动，这也许不是全部。还可存在对确定谐振频率的活动的需要，例如以便执行电力 振荡阻尼装置的调谐。
[0042] 因为输电系统不是固定实体，所以可能需要调谐。它随时间而变化。这意味着，对 特定工作条件具有有效性能的电力振荡阻尼装置在新工作条件下可能不太有效。为了当存 在新工作条件时改变阻尼装置以用于促成系统稳定性，它们可需要经过调谐。新工作条件 能够涉及电力生成的变化和/或负载的变化（性质和模式）。但是，它也可涉及网络配置的 变化。
[0043] 本发明针对允许例如调谐等活动基于比谐振的存在要多的信息来更有效进行。本 发明针对确定输电系统中已经识别的谐振频率的活动。与谐振频率及其活动有关的信息然 后能够用于电力振荡阻尼装置的校正动作、例如调谐。现在将主要相对广域电力振荡阻尼 来描述这种调谐。但是，应当知道，它也可相对本地电力振荡阻尼来使用。它还可用于将信 息提供给操作人员，其又可确定必要的动作。
[0044] 谐振频率及其活动的确定可经过人工激活、例如经过操作人员推送按钮来发起或 开始。操作人员还可执行其它选择，例如哪些测量用作输入、其中将要进行测量的滑动窗口 的长度以及谐振操控装置将要被激活并且产生输出的频度。例如有可能的是，测量包括电 压角差测量和频率测量，滑动窗口为大约10-15分钟长，以及谐振操控装置每隔10-30秒一 次被激活或自动运行并且产生输出。还有可能判定要检测的谐振模式的最大数量以及用于 输出信号的分类的策略。不同策略可包括根据对某些预定义频率的最低阻尼接近性的评级 或者根据绝对频率的分类。
[0045] 操作还可例如在重复出现间隔或者基于系统测量差异的检测来自动发起或开始。 在发起方法时，具有电力振荡阻尼装置的输电系统还可处于操作中。因此，该系统可处于输 送电力的过程中，并且电力振荡阻尼装置处于检测和阻尼振荡的过程中。
[0046] 探测信号由先前所述的探测信号生成单元27来生成并且注入输电系统中，以便 协助谐振的检测。这种信号可能是重复出现的探测信号。它还可作为具有设置成对应于在 区域间模式振荡所预计的频率的脉冲重复频率的脉冲串来提供。探测信号的优点在于，与 在没有的情况下相比，能够实现谐振模式频率和阻尼的更准确确定。这是为了能够激励区 域间振荡模式可发生的频率。这些振荡对于工作在50-60 Hz的频率的系统常常以1 Hz或 者低于1 Hz的频率发生。因此，这种脉冲重复频率可有利地设置在大约1 Hz，其处于或者 略高于待激励频率。因此，这个串可包括例如在与先前所述滑动窗口（其中得到测量）关 联的预定探测信号窗口期间所提供的脉冲。探测信号还可包括白噪声。
[0047] 探测信号还可从探测信号生成单元27提供给致动器控制装置32,其将探测信号 调制到用来控制致动器的控制信号上。这样，探测信号可发送到输电系统中。因此，探测信 号可从输电系统中的同一位置（从其中，由电力振荡阻尼装置30来执行电力振荡阻尼控 制）来发送。提供探测信号的目的是将它用作状态空间模型中使用的输入信号。作为对探 测信号的一个备选方案，有可能的是，电力振荡阻尼装置的控制信号用作这种输入信号。由 于这类控制信号能够很少使用，所以不存在输入信号是可能的。
[0048] 该方法更具体来说涉及谐振操控装置28从设置在输电系统中的各种位置的测量 装置来得到系统测量。这更具体来说涉及谐振操控装置28的预处理单元20从测量装置 12、14和16接收测量 yi、y2、…k步骤34,其测量装置因而是在执行电力振荡阻尼时通常 使用的那些装置。因此，这些测量装置是用于电力振荡阻尼的系统框架的一部分。测量在 这里可包括相量、电压和/或电流相量，即，其中具有与也许采取相位角差形式的幅度和相 位以及频率有关的信息。测量还可在先前所述滑动窗口中得到。在预处理单元20中，确定 各测量7 1、5^、?5^的振荡分量（0。；3。，1、(0。 ；3。，2、(0。；3。4，步骤36。振荡分量（〇。；3。， 11是与所有测 量的平均频率的特定测量的频率偏差。稍后将更详细描述可如何得到这种振荡分量。预处 理测量然后转发到谐振频率确定单元22。如果使用探测信号，则谐振频率确定单元22还 接收探测信号。然后，谐振频率确定单元22继续进行，并且在系统的至少一个状态空间模 型中应用测量。在这里，这涉及谐振频率确定单元22在第一和第二动态状态空间系统模型 Ml和M2的等式中应用预处理测量，步骤38,其中第二系统模型M2是第一系统模型Ml的模 态变换变化。第二系统模型M2更具体来说是其中第一模型中的一个参数的本征向量的矩 阵用于变换的系统模型。
[0049] 更具体来说，该方法基于采取所谓的创新形式的第一模型Ml中的电力系统动态 学的一般状态空间描述

【权利要求】
1. 一种用于操控输电系统中的谐振的方法，所述方法包括下列步骤： 从所述输电系统中的测量装置（12,14,16)得到（34)系统测量（yi，y2，h)， 在所述系统的至少一个状态空间模型（Ml，M2)中应用（38)所述测量， 基于所述状态空间模型中的所述系统测量的所述应用来确定（40)所述系统中的模态 谐振频率（《j)，以及 确定（42)谐振频率的至少一个的所述模态活动。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，确定谐振频率的所述模态活动的所述步骤基于链 接到对应谐振频率的系统模型变量的一组时间值来确定。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，存在第一和第二状态空间模型（ΜΙ，M2)，其中 所述第二状态空间模型是所述第一状态空间模型的模态变换变化，确定所述模态活动的所 述步骤包括估计（54)所述第一状态空间模型中的所述系统的初始状态，模拟（56)所述第 一或者所述第二状态空间模型中的所述状态的时间系列，以及经过处理（60)与所述第二 状态空间模型中的所述谐振频率对应的所述状态的时间变化来确定所述模态活动。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述模拟在所述第一状态空间模型中执行，并且还 包括将所述模拟状态变换成所述第二状态空间模型中的对应状态。
5. 如权利要求3所述的方法，还包括将所述初始状态变换成所述第二状态空间模型中 的初始状态，并且执行所述第二状态空间模型中的模拟的所述步骤。
6. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述模态活动基于经过下列而对测量值进行处 理来确定：将在时间点所得到的测量值的所述相位偏移￠2)取决于所述谐振频率和所述 时间的相位，以及组合（64,66)时间间隔中的这类相移测量值，并且与不同测量位置相关， 以便得到所述活动的值。
7. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，还包括按照评级方案对所述谐振频率进行 评级（44)。
8. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述测量包括频率测量，并且还包括 在各取样时刻确定（48)不同源的所述测量的平均频率，经过从所述频率测量中减去所述 平均频率来得到（50)每个源和取样时刻的振荡分量，以及提供（52)所述振荡分量以用于 确定谐振频率和模态活动。
9. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，还包括使用（46)所确定模态谐振频率的 数据以及与这个谐振频率的所述模态活动有关的数据来计算电力振荡阻尼装置（30)的校 正信号或配置参数，目的是降低所述活动或者改进所述所确定模态谐振中的所述阻尼。
10. -种用于操控输电系统中的谐振模式的谐振操控装置（28)，所述装置包括： 谐振频率确定单元（22)，配置成从所述输电系统中的测量装置（12，14，16)得到测量 (yi，y2，以，在至少一个状态空间模型（M1，M2)中应用所述测量，并且基于所述状态空间模 型中的所述系统测量的所述应用来确定所述系统中的模态谐振频率（ωρ，以及 活动确定单元（24)，配置成确定所述谐振频率的至少一个的所述模态活动。
11. 如权利要求10所述的谐振操控装置，其中，所述活动确定单元配置成基于链接到 对应谐振频率的系统模型变量的一组时间值来确定所述模态活动。
12. 如权利要求10或11所述的谐振操控装置，其中，存在第一和第二状态空间模型 (Ml，M2)，其中所述第二状态空间模型是所述第一状态空间模型的模态变换变化，以及所述 活动确定单元在确定所述模态活动时配置成估计所述第一状态空间模型中的所述系统的 初始状态，模拟所述第一或者所述第二状态空间模型中的所述状态的时间系列，以及基于 与所述对应谐振频率相关的系统模型参数的一组时间值、经过处理与所述第二状态空间模 型中的所述谐振频率对应的所述状态的时间变化来确定所述模态活动。
13. 如权利要求12所述的谐振操控装置，其中，所述模拟在所述第一状态空间模型中 执行，以及所述活动确定单元还配置成将所述模拟状态变换成所述第二状态空间模型中的 对应状态。
14. 如权利要求12所述的谐振操控装置，其中，所述活动确定单元还配置成将所述初 始状态变换成所述第二状态空间模型中的初始状态，并且执行所述第二状态空间模型中的 所述模拟。
15. 如权利要求10或11所述的谐振操控装置，其中，所述活动确定单元配置成基于经 过下列而对测量值进行处理来确定所述模态活动：将在时间点所得到的测量值的所述相位 偏移取决于所述谐振频率和所述时间的相位，以及组合时间间隔中的这类相移测量值，并 且与不同测量位置相关，以便得到所述活动的值。
16. 如权利要求10-15中的任一项所述的谐振操控装置，还包括配置成按照评级方案 对所述谐振频率进行评级的评级单元（26)。
17. 如权利要求10-16中的任一项所述的谐振操控装置，其中，所述测量包括频率测 量，并且还包括预处理单元（20)，其配置成在各取样时刻确定不同源的所述测量的平均频 率，经过从所述频率测量中减去所述平均频率来得到每个源和取样时刻的振荡分量，以便 以及提供所述振荡分量以用于确定谐振频率和模态活动。
18. 如权利要求10-17中的任一项所述的谐振操控装置，还包括配置成将探测信号注 入所述输电系统以协助所述谐振的检测的探测信号生成单元（27)。
19. 一种用于操控输电系统中的谐振模式的计算机程序，所述计算机程序可加载到计 算机的内部存储器中，并且包括计算机程序代码部件，以便在所述内部存储器中加载所述 程序时使计算机： 从所述输电系统中的测量装置（12,14,16)得到系统测量（yi，y2, yj， 在所述系统的至少一个状态空间模型（Ml，M2)中应用所述测量， 基于所述状态空间模型中的所述系统测量的所述应用来确定所述系统中的模态谐振 频率（COj)，以及 确定所述谐振频率的至少一个的模态活动。
【文档编号】H02J3/24GK104126261SQ201280070171
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】M.拉斯森, P.奧文, M.盖格, V.贝格勒 申请人:Abb研究有限公司