董 清,王 瑩
(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)
隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的增強以及系統(tǒng)中各類阻尼控制裝置的完善,目前傳統(tǒng)的弱阻尼型低頻振蕩已經(jīng)較少發(fā)生,而由發(fā)電機調(diào)速控制系統(tǒng)耦合干擾造成的強迫共振型低頻振蕩CRLFO(Compelled Resonance Low Frequency Oscillation)成為低頻振蕩事故的主要形式[1-2]。強迫振蕩嚴重危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,快速準確地發(fā)現(xiàn)擾動源機組的位置并采取及時的控制措施,對于消除低頻振蕩恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義[3-6]。
針對低頻振蕩問題,主要有2個方面的研究:一方面是研究低頻振蕩特征參數(shù)的辨識方法[7-11],另一方面是研究低頻振源定位方法。對于低頻振蕩源定位方法的研究主要集中在能量函數(shù)及行波檢測等方面。能量函數(shù)法主要針對區(qū)域振蕩模式,通過關(guān)鍵節(jié)點所連接支路的勢能流入、流出節(jié)點情況在線判斷擾動源的大致方位[12-16]:文獻[12-13]研究了發(fā)電機能量消耗與阻尼轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系,提出了一種利用電網(wǎng)中的振蕩能量流定位振蕩源的方法;文獻[14-15]提出了割集能量的概念和計算方法,并采用力矩分解法將擾動源精確定位;文獻[16]利用區(qū)域電網(wǎng)斷面和分區(qū)斷面的耗散能量鎖定擾動源所在的分區(qū),提出了一種計及相量測量單元(PMU)信息不可觀性的強迫功率擾動源定位方法。但是以上利用能量函數(shù)法定位低頻振源的不足之處是:算法復(fù)雜不利于擾動源的快速定位,且電網(wǎng)頻率偏移產(chǎn)生的相位計算誤差會造成誤定位。行波檢測法基于實測的響應(yīng)軌跡,依據(jù)“擾動在前,響應(yīng)在后”的原理,充分考慮了系統(tǒng)的非線性化影響,對于局部和區(qū)域振蕩模式均具有實用前景[17-18]。文獻[19]提出了利用擾動電壓波形定義順序相關(guān)度函數(shù)的定位方法。文獻[20]提出一種利用Hermite插值函數(shù)提取低頻振蕩擾動變量的方法,并將該新形式采集數(shù)據(jù)用于低頻振蕩擾動源定位。文獻[21]通過提取各發(fā)電機組出口處的低頻擾動變量,利用順序相關(guān)度函數(shù)提取低頻擾動行波到達各測點的先后次序和時差定位擾動源,但是該方法較復(fù)雜。
本文針對發(fā)電廠內(nèi)強迫共振型低頻振蕩源的定位問題,分析了低頻振蕩發(fā)生時電網(wǎng)中低頻擾動信號在電網(wǎng)中的變化特征;利用三次Hermite插值函數(shù)提取各發(fā)電機組低壓側(cè)的低頻擾動變量;根據(jù)低頻擾動電壓的衰減特性,比較各個測點上擾動電壓幅值大小,提出了一種快速定位低頻振蕩源機組的方法。
發(fā)電廠內(nèi)低頻強迫振蕩的主要原因是:某臺發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)(或調(diào)速系統(tǒng))受到低頻信號的耦合干擾,當干擾信號的頻率與系統(tǒng)的某一固有低頻振蕩頻率相近時將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的低頻振蕩。低頻強迫振蕩源機組相當于一個能發(fā)出50 Hz和低頻信號的調(diào)幅諧波源,該振源機組發(fā)出的低頻擾動量將沿著電網(wǎng)向四處傳播。所以當電網(wǎng)中發(fā)生強迫低頻振蕩時,可將低頻振蕩源等效為工頻電壓源和低頻擾動電壓源的疊加,電網(wǎng)中各節(jié)點處的電壓變量也是包含工頻分量成分和低頻振蕩成分,各節(jié)點處電壓變量中的低頻振蕩成分的大小,將由低頻振源在電網(wǎng)中的位置來決定。通過分離、提取各節(jié)點處的低頻振蕩電壓擾動成分,并比較低頻振蕩電壓擾動成分的幅值衰減特征,便可快速定位低頻振源。
以含2臺單元發(fā)電機組的電廠發(fā)生強迫共振型低頻振蕩為例進行分析,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。
假設(shè)電廠內(nèi)由于發(fā)電機G1勵磁系統(tǒng)受到低頻信號的干擾發(fā)生強迫共振型低頻振蕩,振源機組相當于一個能發(fā)出50 Hz和低頻信號的諧波源,該振源機組發(fā)出的低頻擾動量將沿著電網(wǎng)向四處傳播。
圖1 雙機無窮大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of 2-machine infinite system
根據(jù)疊加原理,系統(tǒng)的工頻信號等效電路如圖2所示,低頻擾動電壓源單獨作用下的等效電路如圖3所示。
圖2 工頻電壓源作用下的等效電路Fig.2 Equivalent circuit with power-frequency voltage source
圖3 低頻擾動源作用下的等效電路Fig.3 Equivalent circuit with low-frequency disturbance source
對比圖2和圖3可見:當?shù)皖l擾動源單獨作用時,即發(fā)電機G1等效為低頻振蕩擾動源,G2等效為負荷阻抗,G1發(fā)出的低頻擾動電流經(jīng)母線分流后流入發(fā)電機G2。另外,在低頻信號作用下,元件的阻抗參數(shù)也有一定變化,電阻R、電感L與頻率無關(guān),其電抗X與相應(yīng)電感L有如式(1)所示關(guān)系,即電抗值與頻率成正比。
結(jié)合圖3低頻擾動源作用下的等效電路,發(fā)電機G1端電壓Ugf1與G2端電壓Ugf2的低頻擾動電壓關(guān)系為:
其中,dUtfn=Ifn(Rtfn+jXtfn)(n=1,2)表示變壓器阻抗上的擾動電壓降落,其幅值如式(3)所示。
由以上分析得出,低頻擾動電壓信號在傳遞過程中逐漸衰減,擾動源機端的低頻擾動電壓幅值始終高于其他機組,并且擾動電壓的衰減與支路阻抗分流有關(guān)。因此可以通過比較電廠內(nèi)各機端低頻擾動電壓幅值的大小,快速定位低頻振源機組。
當發(fā)生低頻強迫振蕩時,電網(wǎng)中的工頻電壓變量相當于一個包含低頻擾動量的調(diào)幅余弦信號[22]。由于低頻擾動分量的頻率遠低于50 Hz,可以用很多方法來提取,例如傅里葉變換、小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 EMD(Empirical Mode Decomposition)等方法[23]。借鑒EMD算法[24],本文采用插值擬合求取極大值包絡(luò)線的方法提取低頻振蕩擾動變量。
為了減少擬合曲線的過沖和欠沖問題,本文采用分段三次Hermite插值函數(shù)法擬合電壓的包絡(luò)線。提取低頻擾動分量的具體做法如下:求取電壓信號的極值及其對應(yīng)的時刻;利用分段三次Hermite插值函數(shù)擬合極值包絡(luò)曲線;減去工頻量獲得低頻電壓擾動信號。
以含6臺單元發(fā)電機組的電廠為例,說明利用電壓衰減特性如何定位發(fā)電廠內(nèi)的擾動源機組。圖4是6臺發(fā)電機兩兩并聯(lián)向電網(wǎng)供電的結(jié)構(gòu)簡圖,G1—G6為6臺發(fā)電機;T1—T6為6臺變壓器;在機端安裝6個測量單元C1—C6。6臺發(fā)電機同時供電,監(jiān)測點C1—C6儲存的電壓實時數(shù)據(jù)分別為 u1(τ)—u6(τ)(τ?[0,T],T 為仿真過程的時間長度)。分別提取 6個擾動信號 uf1(τ)—uf6(τ),比較各個測量單元低頻擾動電壓波形的幅值。
圖4 六機無窮大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Simplified structure of 6-machine infinite system
根據(jù)上述分析,如果擾動源在電廠內(nèi),擾動機組低頻擾動電壓幅值大于其他機組,且擾動變量的幅值會依據(jù)實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依次降低。如果各測點間低頻擾動電壓的幅值相差不大,說明此時電廠內(nèi)的擾動量是從高壓側(cè)母線傳播到各臺發(fā)電機組的,低頻振蕩的振蕩源不在本發(fā)電廠內(nèi)。
參照圖4所示的六機無窮大系統(tǒng)簡圖,建立相應(yīng)的仿真模型,各發(fā)電機的慣性時間常數(shù)如表1所示。
表1 發(fā)電機的慣性時間常數(shù)Table 1 Generator inertia time constantss
發(fā)電機出口額定電壓為13.8 kV,高壓側(cè)母線額定電壓為220 kV。每臺發(fā)電機機端升壓變壓器的低壓繞組和高壓繞組的參數(shù)相同,低頻情況下變壓器的參數(shù)見表2,線路采用分布參數(shù)模型,長度參數(shù)見表3。
表2 低頻情況下變壓器參數(shù)的實際值Table 2 Parameters of transformer in low-frequency condition
表3 線路長度參數(shù)Table 3 Line lengths km
假設(shè)發(fā)電機G3的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在t=12 s時刻出現(xiàn)了1 Hz的持續(xù)干擾噪聲,使G3發(fā)生了1 Hz的低頻振蕩,進而引起整個電網(wǎng)的低頻振蕩。各測點都以A相電壓為例進行分析,測點C4的瞬時電壓u4(t)如圖5所示。
圖 5 測點 C4的電壓 u4(t)Fig.5 u4(t),voltage of measuring point C4
由圖5可看出,工頻信號的振幅比低頻擾動信號的幅值大很多,低頻振蕩擾動信號的特征不明顯。為了提取低頻擾動信號,利用分段三次Hermite插值法提取實時波形 u4(t)相對應(yīng)的電壓包絡(luò)變量 uf4(t),如圖6所示。
從圖6中可以明顯看出低頻振蕩擾動量的變化情況。利用同樣的處理方法對其他發(fā)電機機端測點實時電壓數(shù)據(jù)進行處理并減去直流量,提取發(fā)電機端相對應(yīng)的低頻振蕩電壓擾動變量 uf1(t)—uf6(t),各測點低頻電壓擾動量波形圖如圖7所示。
圖6 測點C4的電壓包絡(luò)變量Fig.6 Voltage envelope of measuring point C4
圖7 各測點低頻電壓擾動波形圖Fig.7 Low-frequency voltage disturbance of different measuring points
從圖7可以明顯看出,測點C3的低頻擾動電壓的幅值明顯比其他測點高很多,說明低頻擾動源在測點C3附近,發(fā)電機G3為低頻振蕩源。
下面利用擾動電壓衰減特性驗證仿真的正確性。六機無窮大系統(tǒng)在低頻擾動源作用下的等效結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。
圖8 六機無窮大系統(tǒng)低頻振蕩等效結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Equivalent structure of 6-machine infinite system with low-frequency oscillation
依據(jù)圖8電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,利用仿真模型得出數(shù)據(jù),根據(jù)式(3)和系統(tǒng)元件參數(shù)進行電壓衰減計算,得到其他發(fā)電機機端擾動電壓幅值的實測值和計算值,對比結(jié)果見表3。
表3 機端擾動電壓實際幅值和計算幅值對比Table 3 Comparison of generator-terminal disturbance voltage between actual and calculated magnitudes
由表3可見,各機端擾動電壓幅值計算值與實際值非常接近,驗證了定位結(jié)果的正確性??梢娡ㄟ^比較電廠內(nèi)各個監(jiān)測點擾動電壓信號的幅值能夠快速準確地定位擾動源機組。
利用某電廠 12:00—12:05時間段內(nèi) 300 s的PMU實測數(shù)據(jù)進行發(fā)電廠內(nèi)低頻振蕩源的定位分析,該電廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。實測數(shù)據(jù)中共有發(fā)電機組0001F、0003F、0005F、0006F這4組數(shù)據(jù),第2臺和第4臺機組處于檢修停運狀態(tài)。選取227~229 s內(nèi)C相電壓數(shù)據(jù)進行分析,各機組低壓側(cè)實測PMU的電壓波形如圖9所示。
圖9 各機組實測電壓波形圖Fig.9 Measured unit-voltage waveforms
圖9中低頻振蕩的特征不明顯且不在同一電壓等級,提取各機端低頻振蕩電壓擾動變量uf1(t)、uf3(t)、uf5(t)、uf6(t)并歸算至高壓側(cè),得到發(fā)電機機端低頻電壓擾動波形圖如圖10所示。
圖10 各機組低頻電壓擾動波形圖Fig.10 Unit-voltage low-frequency disturbances
從圖中可以看出,0001F的低頻擾動電壓的幅值明顯高于其他機組,說明0001F為低頻擾動源。為了驗證分析結(jié)果是否正確,結(jié)合發(fā)電廠電氣主接線和機組參數(shù),利用式(3)對其余機組進行擾動電壓衰減計算,計算值與實際測量值的對比結(jié)果如表4所示。
表4 機端擾動電壓實際幅值和計算幅值對比Table 4 Comparison of generator-terminal disturbance voltage between actual and calculated magnitudes
由表 4看出,機組 0003F、0005F、0006F的機端擾動電壓實際值和計算值均相差不大,驗證了此發(fā)電廠內(nèi)存在低頻振蕩源,振蕩源機組為0001F。
針對發(fā)電廠內(nèi)強迫共振型低頻振蕩源機組的定位問題,本文利用低頻擾動電壓的衰減特性,提出了一種發(fā)電廠內(nèi)強迫共振型低頻振蕩源定位的新方法。并通過一個一般性的六機無窮大系統(tǒng)的仿真分析和某發(fā)電廠實測PMU數(shù)據(jù)的算例分析,驗證了所提方法的正確性和準確性。
理論分析、仿真驗證和實測數(shù)據(jù)分析表明該方法具有以下特點:利用實測PMU數(shù)據(jù)的包絡(luò)線,分離并提取了低頻擾動變量信號,提高了數(shù)據(jù)的利用價值;利用低頻擾動電壓的幅值衰減特性進行振蕩源機組的定位分析,所需計算量較少、定位更準確。
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