CN108702000A - 电力系统的改进及相关改进 - Google Patents

Abstract

在电力系统稳定性领域中提供一种用于预测电力系统(10)中存在失步状况(54)的方法，所述电力系统包括多个发电机(12、14、16、18)，所述方法包括以下步骤：(a)获得所述多个发电机中(12、14、16、18)中的一个个体发电机的转子角(δ_k)与所述多个发电机(12、14、16、18)中的其余发电机的惯性中心的等效转子角之间的差值(b)处理所述差值以确定所述差值是否预测将达到预定义参考阈值(δ_threshold)；以及(c)如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值(δ_threshold)，则预测所述电力系统(10)中存在所述失步状况(54)。

Description

电力系统的改进及相关改进

本发明涉及一种预测电力系统中的失步状况的存在的方法。

电力系统稳定性对于这些系统的安全操作而言至关重要。一种不稳定形式是由于电力系统内的个体发电机与电力系统中的其余发电机之间发生不稳定振荡而引起的，并且导致所述个体发电机与电力系统失步。

根据本发明的一个方面，提供一种用于预测电力系统中的失步状况的存在的方法，所述电力系统包括多个发电机，所述方法包括以下步骤：

(a)获得所述多个发电机中的一个个体发电机的转子角与所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心的等效转子角之间的差值(differential value)；

(b)处理所述差值以确定所述差分值是否预测将达到预定义参考阈值；以及

(c)如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值，则预测所述电力系统中存在失步状况。

差值的获取将建立电力系统的动态等效，其中会考虑电力系统拓扑结构和操作状态的变化，并且因此允许检测和预测失步状况，而不需要建立所述电力系统的动态数学模型。

对所述动态模型的依赖是不可取的，因为它们通常难以实时准确地反映电力系统的物理特性，尤其是当所述电力系统遭受若干级联故障时。结果，所述动态模型本身以及其中使用的参数通常都是不准确的，因此它们在检测和预测失步状况时会产生显著误差和相应的不良性能。

优选地，在步骤(a)中获得所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心(thecenter of inertia)的等效转子角(equivalent rotor angle)，方法是计算整个电力系统的惯性中心的转子角并且通过考虑所述个体发电机的所述转子角从中推导出所述等效转子角。

视情况而定，所述整个电力系统的惯性中心的转子角由中央控制单元计算并且随后传输到每个发电机的本地控制单元，并且每个本地控制单元从所述整个电力系统的惯性中心的计算所得转子角中推导出对应的所述等效转子角。

与使例如每个发电机的本地控制单元来计算所述多个转换器中的其余转换器的惯性中心的等效转子角相比，上述步骤使电力系统内的处理开销和通信负担减小。

所述中央控制单元可以接收来自每个发电机的带时间戳数据(time-stampeddata)以允许计算整个电力系统的惯性中心的转子角，并且所述整个系统的惯性中心的计算所得转子角可以随同步时间戳一起传输到每个发电机的本地控制单元。

所述步骤通过提供中央控制单元和每个发电机的本地控制单元的协同操作来便于分配上述数据处理。

在本发明的优选实施例中，处理所述差值以确定所述差值是否预测将超出预定义参考阈值的步骤(b)包括：

(d)检测所获得差值的波动程度；以及

(e)如果所述波动程度超出波动阈值，则将所获得差值拟合到曲线。

只有当所获得值的波动程度超出阈值时才将所获得的差值拟合到曲线可在所获得差值平滑到足以指示不存在不稳定风险，即当前不会发生失步状况时有效避免执行后续步骤。

视情况而定，检测所获得差值的波动程度的步骤(d)包括：

建立变异系数；以及

当所述变异系数超出预定阈值系数值时，确定所述波动程度已经超出所述波动阈值。

建立变异系数有利地可在对波动程度进行检测和评估的时间段即时间窗中实施一定程度的控制。

优选地，将所获得的差值拟合到曲线的步骤(e)Prony方法将采样获得的差值拟合到曲线。

使用Prony方法可以包括建立具有等级(rank)的电力系统振荡模型，所述等级通过试错(trial and error)方式进行确定，以将曲线拟合中的任何误差减至最小。

所述步骤，并且确切地说Prony的使用预期能够利用实时获得的差值，并且因此允许在在线即处于完全操作状态的电力系统中实际使用本发明的方法。

在本发明的进一步优选实施例中，处理所述差值以确定所述差值是否预测将超出预定义参考阈值的步骤(b)另外包括：

(f)评估所获得差值的稳定性；以及

(g)如果所获得差值的稳定性下降，则预测差值曲线的未来形状。

只有在所述值的稳定性降低的情况下才预测所述差值曲线的未来形状有利地避免需要在最终不会出现任何失步状况时预测所述未来形状。

优选地，评估所获得差值的稳定性的步骤(f)包括：

将每个所获得差值分解成具有随机幅度、相位、频率和衰减系数的多个指数多项式；以及

如果分解所得的指数多项式中的一个或多个指数多项式具有正衰减系数，则确定所获得差值的稳定性下降。

对所述衰减系数的考虑提供了识别所述差值何时变大的可靠且可重复方式，并且因此提供了识别特定发电机的稳定性何时下降，进而致使存在出现失步状况的风险的可靠且可重复方式。

视情况而定，预测所述差值曲线的未来形状的步骤(g)包括：

计算所述差值的预测轨迹；以及

计算所述差值的实时测量轨迹的变化率。

上述步骤中的每个步骤均有助于可靠地预测所述差值曲线的未来运动。

预测轨迹和变化率计算可以相对于在历史时段期间获得的差值来执行。

在每个实例中，所述步骤有助于提高最终对差值曲线的运动进行预测的准确性。

在本发明的更进一步优选实施例中，如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值则预测所述电力系统中存在失步状况的步骤(c)包括：

根据下式将未来时间点处的计算所得的预测差值与预定义参考阈值进行比较

其中，

是未来时间点t_p处的预测差值；

δ_k(t_p)是个体发电机k在时间t_p处的转子角；

是所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心在时间t_p处的等效转子角；并且δ_threshold是参考阈值；

根据下式将初始起动时间处的初始差值与初始起动时间和未来时间点之间的转子速度积分之和与预定义参考阈值进行比较

其中，

是初始起动时间t₀处的差值；

ω^k是个体发电机k的转子速度；

是所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心的平均转子速度；

t_p是未来时间点；并且δ_threhold是参考阈值；以及

如果前述比较均指示已经达到所述参考阈值，则预测存在失步状况。

使用预定义参考阈值执行上述比较可以可靠且可重复地对失步状况进行预测。

现在将参照以下附图以非限制性示例方式对本发明的优选实施例进行简要描述，在附图中：

图1示出包括多个发电机的示例性电力系统，其中根据本发明的方法可结合所述示例性电力系统进行操作；

图2示出相关个体发电机的转子角如何相对于图1所示多个发电机的其余发电机的惯性中心的等效转子角而变化；

图3示出本发明方法中的各个步骤；以及

图4示意性地示出如何根据本发明方法对失步状况进行预测。

示例性电力系统总体上用参考数字10表示，其中根据本发明的用于预测失步状况的存在的方法可以结合所述示例性电力系统操作。

电力系统10包括第一发电机12、第二发电机14、第三发电机16和第四发电机18，这些发电机通过输电介质20的各个部分彼此互连，其中所述输电介质的各个部分共同限定输电网22。

每个发电机12、14、16、18包括本地控制单元24，所述本地控制单元可操作地与其关联并且编程成控制对应的发电机12、14、16、18。每个发电机12、14、16、18还包括相位测量单元(PMU)26，所述相位测量单元直接提供，即直接且同步地测量，对应发电机12、14、16、18的转子角。

上述相位测量单元26中的每个相位测量单元布置成与中央控制单元28通信，并且由此限定广域测量系统(WAMS)30。每个本地控制单元24还布置成与每个相位测量单元26和中央控制单元28通信。

根据本发明的用于预测图1中所示电力系统10中失步状况的存在的方法包括以下步骤：

(a)获得相关个体发电机k(来自电力系统10内的多个发电机12、14、16、18)的转子角δ_k与所述多个发电机12、14、16、18中的其余发电机的惯性中心的等效转子角之间的差值

(b)处理所述差值以确定所述差值是否预测将超出预定义参考阈值δ_threshold；以及

(c)如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值δ_{thre hold}，则预测所述电力系统10中存在失步状况。

在本发明方法的步骤(a)中，获得所述多个发电机12、14、16、18中的其余发电机的惯性中心的等效转子角其方法是计算整个电力系统10的惯性中心的转子角δ_COI并且通过考虑所述相关个体发电机k的所述转子角δ_k而从中推导出所述等效转子角

更确切地说，由中央控制单元28根据下式计算整个电力系统10的惯性中心，包括整个系统速度ω_COI、整个系统转子角δ_COI和整个系统惯性M_sum：

其中，

M_k是给定发电机12、14、16、18的惯性；

ω_k是给定发电机12、14、16、18的速度；并且

δ_k是给定发电机12、14、16、18的转子角，

其中，

每个发电机12、14、16、18的前述各个惯性M_k、速度ω_k和转子角δ_k中的每一者由中央控制单元28接收，作为来自每个发电机12、14、16、18，即来自每个发电机12、14、16、18的相位测量单元26的带时间戳数据(time-stamped data)。

然后，将整个电力系统10的计算所得惯性中心，即计算所得的整个系统速度ω_COI、整个系统转子角δ_COI和整个系统惯性M_sum随同步时间戳(synchronous time stamp)一起传输到每个本地控制单元24。

之后，每个本地控制单元24通过考虑对应发电机12、14、16、18的转子角δ_k来从整个电力系统10的惯性中心中推导出其余发电机12、14、16、18的惯性中心的对应等效转子角并且更确切地说，使用以下方程式推导出对应的等效转子角

其中，

δ_COI是整个电力系统10的惯性中心的转子角，即整个系统转子角；

δ_k是对应发电机12、14、16、18的转子角；

M_sum是整个系统惯性；以及

M_k是对应发电机12、14、16、18的惯性。

之后，指定相关发电机k的相应差值由下式给出：

图2以示例方式示出当发电机本身的转子角δ_k与对应的等效转子角一起变化时，给定发电机k的差值如何变化。

之后，处理差值以确定差值是否预测将超出预定义参考阈值δ_threhold的步骤(b)包括每个相应本地控制单元24：

(d)检测所获得差值的波动程度；

(e)如果所述波动程度超出波动阈值，则将所获得差值拟合到差值曲线32。

(f)评估所获得差值的稳定性；以及

(g)如果所获得差值的稳定性逐渐下降，则预测差值曲线32的未来形状。

上述步骤在图3中示意性地示出并且在下文中更详细地描述。

检测所获得差值的波动程度的步骤(d)包括：

建立变异系数(coefficient of variation)C_V；以及

当所述变异系数C_V超出预定阈值系数值时确定所述波动程度已经超出所述波动阈值。

波动检测块36根据下式建立变异系数C_V

其中，

N是具有给定持续时间的相关时间窗中的样本数；并且A是所述时间窗中差值的平均值，

其中

A由下式给出

相对于所述时间窗，如果所述样本数选择为200，那么通过将所述样本数除以选定采样时间间隔例如10ms来确定所述时间窗的持续时间即长度，即，提供2000ms或2秒的时间窗。

通过这种方式，所述时间窗可以用于限定图4所示差值曲线32的第一部分44内的历史时段52，在此第一部分中，将对所获得差值的波动程度进行检测和评估。

如果采样获得的差值的变异系数C_V超出阈值系数值，其中所述阈值系数值优选地设置为0.05，则波动检测块36指示所述波动程度已经超出波动阈值，并且本地控制单元24进行到将采样获得的差值拟合到差值曲线32的步骤(e)，例如图4示意性地所示。

所述曲线拟合由每个本地控制器24内实施Prony方法的拟合块38执行。普罗尼(Prony)方法首先通过试错子块40建立具有等级的电力系统10的振荡模型，所述等级通过试错方式确定，以将曲线拟合中的任何误差减至最小。然后通过曲线拟合子块42，Prony方法将采样获得的差值拟合到差值曲线32。这产生差值曲线32的第一部分44，所述第一部分基于采样测量数据，即由每个发电机12、14、16、18的相位测量单元26获得的每个发电机12、14、16、18的采样测量个体速度ω_k和转子角δ_k。

之后，每个本地控制单元24内的稳定性评估块46执行评估采样获得的差值的稳定性的步骤(f)。每个稳定性评估块46执行此步骤的方法是，根据下式将每个采样获得的差值分解成多个，例如数字n，指数多项式，所述指数多项式具有随机幅度A_i、相位θ_i、频率f_i和衰减系数α

然后，如果一个或多个(但不是全部)分解所得的指数多项式具有正指数衰减系数α，即正指数衰减系数或正振荡衰减系数，则稳定性评估块46确定采样获得的差值的稳定性逐渐减小，即不稳定性增加，使得存在发生失步状况的风险。

如果稳定性评估块46确定所述稳定性降低，则每个本地控制单元24内的后续预测块48预测差值曲线32的未来形状，并且因此而基于预测值产生差值曲线32的第二部分50，即如图4所示。

预测块48通过以下方式预测差值曲线32的未来形状，即预测差值曲线32的第二部分50的构造，

计算所述差值的预测轨迹；以及

计算所述差值的实时测量轨迹的变化率。

在每个实例中，相对于在差值曲线32的第一部分44内的上述历史时段52期间获得的差值执行预测轨迹和变化率计算，其中所述差值全部基于测得数据。在图示的示例性实施例中，历史时段52在开始预测差值曲线32的未来形状之前持续2秒。

更确切地说，预测块48首先使用Prony方法确定上述指数多项式中的所有系数，即随机幅度A_i、相位θ_i、频率f_i和衰减系数α，即

以便所述指数多项式随后可以用于表示预测差值曲线32，其中曲线32在未来任何时间的值通过将所述时间代入所述多项式方程中来获得。

一旦建立特定相关发电机12、14、16、18的差值曲线32的未来形状，即建立特定发电机12、14、16、18的第二预测部分50，对应的本地控制单元24首先根据下式通过将在未来时间点t_p处的计算所得预测差值与预定义参考阈值δ_threhold进行比较来实施预测电力系统10中失步状况的存在的步骤(c)：

其中，

是未来时间点t_p处的预测差值，所述未来时间点是在此之前的预测差值均相关的某个未来时间点；

δ_k(t_p)是个体发电机k在时间t_p处的转子角；

是所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心在时间t_p处的等效转子角；并且δ_threshold是参考阈值；

给定本地控制单元24随后通过根据下式将在初始起动时间t₀，即当前时间的初始差值与初始起动时间t₀和未来时间点t_p之间的转子速度积分之和与预定义参考阈值进行比较，来考虑差值曲线32的变化率，其中所述未来时间点是在此之前的预测差值均相关的某个未来时间点：

其中，

是在初始起动时间t₀即当前时间的差值；

ω^k是个体发电机k的转子速度；

是所述多个发电机中的其余发电机的惯性中心的平均转子速度；以及δ_threshold是参考阈值。

给定本地控制单元24然后预测失步状况54的存在，如果前述比较指示已经达到参考阈值δ_threshold，所述参考阈值优优选地设置成180°，即与此阈值相等或超出此阈值。

对于上述两个比较，未来时间点t_p可以根据需要设置，所述未来时间点是在此之前的预测差值均相关的未来时间点，但是优选地不超过特定时间段，例如未来的2到4秒，以帮助确保失步状况54的预测保持可靠。

Claims (13)

1.一种用于预测电力系统(10)中存在失步状况(54)的方法，所述电力系统(10)包括多个发电机(12、14、16、18)，所述方法包括以下步骤：

(a)获得所述多个发电机中(12、14、16、18)中的一个个体发电机的转子角(δ_k)与所述多个发电机(12、14、16、18)中的其余发电机的惯性中心的等效转子角之间的差值

(b)处理所述差值以确定所述差值是否预测将达到预定义参考阈值(δ_threshold)；以及

(c)如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值(δ_threshold)，则预测所述电力系统(10)中存在失步状况(54)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)中获得所述多个发电机(12、14、16、18)中的其余发电机的所述惯性中心的所述等效转子角方法是计算整个所述电力系统(10)的所述惯性中心的转子角(δ_COI)并且通过考虑所述个体发电机(12、14、16、18)的所述转子角(δ_k)而从中推导出所述等效转子角

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述整个电力系统(10)的所述惯性中心的所述转子角(δ_COI)由中央控制单元(28)计算并且随后传输到每个发电机(12、14、16、18)的本地控制单元(24)，并且每个本地控制单元(24)从所述整个电力系统(10)的所述惯性中心的计算所得转子角(δ_COI)推导出对应的所述等效转子角

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述中央控制单元(28)接收来自每个发电机(12、14、16、18)的带时间戳数据以允许计算所述整个电力系统(10)的所述惯性中心的所述转子角，并且所述整个系统(10)的所述惯性中心的计算所得转子角(δ_COI)随同步时间戳一起传输到每个发电机(12、14、16、18)的所述本地控制单元(24)。

5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中处理所述差值以确定所述差值是否预测将超出预定义参考阈值(δ_threshold)的步骤(b)包括：

(d)检测所获得的差值的波动程度；以及

(e)如果所述波动程度超出波动阈值，则将所获得差值拟合到曲线(32)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中检测所获得的差值的波动程度的步骤(d)包括：

建立变异系数(C_V)；以及

当所述变异系数(C_V)超出预定阈值系数值时确定所述波动程度已经超出所述波动阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中将所获得的差值拟合到曲线(32)的步骤(e)包括使用Prony方法将采样获得的差值拟合到曲线(32)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中使用所述Prony方法包括建立具有等级的所述电力系统(10)的振荡模型，所述等级通过试错方式确定，以将所述曲线拟合中的任何误差减至最小。

9.根据权利要求5到8中的任一权利要求所述的方法，其中处理所述差值以确定所述差值是否预测将超出预定义参考阈值(δ_threshold)的步骤(b)另外包括：

(f)评估所获得的差值的稳定性；以及

(g)如果所获得的差值的稳定性下降，则预测所述差值曲线(32)的未来形状。

10.根据权利要求9所述的方法，其中评估所获得的差值的所述稳定性的步骤(f)包括：

将每个所获得的差值分解成具有任意幅度(A_i)、相位(θ_i)、频率(f_i)和衰减系数(α)的多个指数多项式；以及

如果分解所得的指数多项式中的一个或多个指数多项式具有正衰减系数(α)，则确定所获得差值的所述稳定性降低。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中预测所述差值曲线(32)的未来形状的步骤(g)包括：

计算所述差值的预测轨迹；以及

计算所述差值的所述实时测量轨迹的所述变化率。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预测轨迹和所述变化率计算相对于在历史时段期间获得的差值来执行。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中如果所述差值预测将达到所述预定义参考阈值(δ_threshold)，则预测所述电力系统(10)中存在所述失步状况(54)的步骤(c)包括：

根据下式将未来时间点(t_p)处的计算所得的预测差值与所述预定义参考阈值(δ_threshold)进行比较

其中，

是未来时间点t_p处的预测差值；

δ_k(t_p)是个体发电机k在时间t_p处的所述转子角；

是所述多个发电机中的其余发电机的所述惯性中心在时间t_p处的所述等效转子角；并且

δ_threshold是所述参考阈值；

根据下式将初始起动时间(t₀)处的初始差值与所述初始起动时间(t₀)和未来时间点(t_p)之间的转子速度积分之和与所述预定义参考阈值(δ_threshold)进行比较

其中，

是初始起动时间t₀处的差值；

ω^k是个体发电机k的所述转子速度；

是所述多个发电机中的其余发电机的所述惯性中心的所述平均转子速度；

t_p是所述未来时间点；并且

δ_threshold是所述参考阈值；以及

如果前述比较均指示已经达到所述参考阈值(δ_threshold)，则预测失步状况(54)的存在。