一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法与流程

1.本发明涉及网源协调技术领域，特别是一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法。


背景技术：

2.随着新型电力系统构建的不断深入，我国电网逐渐形成远距离、大容量、高电压输电系统新格局，促进了区域间能源资源的优化配置。但与此同时，电力系统电压稳定问题日益突出。因此，掌握有效的无功功率平衡和电压控制技术对提升电能质量和保证电网安全稳定运行具有重要意义。
3.发电机进相运行作为调节电力系统无功和电压的一种有效措施，具有无级平滑调压、无需额外设备投资、易于操作、安全经济等优势，是切实可行、效果显著的调压手段，已在电力系统中得到了广泛应用。为保障发电机进相运行的安全性，发电企业需事先委托有资质的电力试验单位开展进相试验，确定发电机组的进相能力，作为机组进相运行的重要参考依据。根据进相试验原理，试验人员需在试验过程中同时采集机端电压、电流、功角、有功功率、无功功率等机组动态信号以及系统电压信号来综合判断机组实时运行状态下的进相情况。这些信号分散在不同的作业点，机端电压和电流信号在励磁系统试验现场进行采集，发电机功角、输出有功功率和无功功率可由机端电压和电流信号计算得到，而系统电压信号需在电厂集控室进行读取并通过对讲机等方式进行传递，该过程不可避免地存在信号采集和沟通的不同时性和时延性，降低了进相试验的效率和准确性。因此，需要解决试验过程中分散信号集中监测的难题，实现由试验现场采集的机组动态信号至系统电压信号的在线转换，避免低效沟通，进而提升进相试验工作效率，缩短发电机出力受限时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提出一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法，提升进相试验效率，实现由试验现场采集的机组动态信号至系统电压信号的在线转换，可极大缩短进相试验时间，解决试验过程中分散信号集中监测的难题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明是一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法，包括以下步骤：
7.步骤1：构建系统电压辨识的优化模型，包括目标函数和约束条件；
8.步骤2：设置试验初始工况，电厂工作人员调整发电机组的运行状态以满足试验工况；
9.步骤3：采集并存储发电机组运行数据，包括发电机端电压v
t
'、定子电流i'、励磁电压和励磁电流；
10.步骤4：数据初步计算,根据发电机定子绕组的接线方式，由发电机端电压v
t
'、定子电流i'计算得到对应的线电压v
t
和线电流i以及输出无功功率q；
11.步骤5：设置采样频率要求；
12.步骤6：增加励磁电流扰动，利用励磁系统的“增/减磁功能”产生一个励磁电流的扰动，连续采集并存储扰动产生后规定时间内步骤3中要求的发电机组运行数据，并根据步骤4计算处各组数据对应的发电机输出无功功率q；
13.步骤7：构建样本数据库，调取励磁电流扰动前后的v
t
、i和q的时间序列，构建发电机组动态信号样本数据库；
14.步骤8：将发电机组动态信号样本数据输入系统电压辨识模型，计算得到系统电抗xs和系统电压vs，最后，使用matlab进行编程实现自动化流程。
15.进一步的，对于远距离、大容量输电系统中远离负荷中心的同步发电机而言，可将其外部等值为一个单机无穷大系统，在该单机无穷大系统模型中，机端电压、电流之间的关系公式如下：
[0016][0017]
式中，v
tq
,v
td
分别为发电机端电压的交轴和直轴分量；v
sq
,v
sd
分别为无穷大母线电压(即系统电压)的交轴和直轴分量；iq,id分别为发电机定子电流的交轴和直轴分量。
[0018]
所述步骤1中，构建系统电压辨识的优化模型具体为建立目标函数，目标函数的具体建立步骤为：
[0019]
对式(1)进行移项，得到式(2)：
[0020][0021]
对式(2)中的两个等式两边进行平方并相加，得到式(3)：
[0022]vs2
＝v
t2-2idx
svtq
2iqx
svtd
i2x
s2
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
考虑到
[0024]
q＝i
dvtq-i
qvtd
ꢀꢀꢀ
(4)
[0025]
式中，q为发电机机端输出的无功功率；
[0026]
综合式(3)和式(4)，可得
[0027]vt2-2qxs i2x
s2-v
s2
＝0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0028]
于是，可获得系统电压辨识模型的目标函数，公式如下：
[0029][0030]
考虑进相试验过程中发电机组的实际运行情况，设置的约束条件如公式(7)：
[0031][0032]
式(7)中，v
tn
为发电机额定电压，in为发电机定子额定电流，t和t
max
分别为发电机定子铁芯和端部构件实际温度及其限值，δ和δ
max
分别为发电机实际功角及其限值。
[0033]
进一步的，所述步骤3中，机端电压v
t
'是在pt的二次侧进行信号采集，然后根据pt变比计算一次电压值，定子电流i'是在ct的二次侧进行信号采集，然后根据ct变比计算一
次电流值，励磁电压是在励磁调节器的励磁电压表计处进行信号采集，励磁电流是在励磁调节器的转子电流分流器二次侧进行信号采集，然后根据分流器变比计算一次电流值。
[0034]
进一步的，在所述步骤5中，采样频率即数据采样的频率，采样频率要求≥50hz。
[0035]
进一步的，在步骤7中，发电机组动态信号样本数据库包含n组样本，其中n＝1 10
×
采样频率。
[0036]
进一步的，所述步骤8中系统电抗xs和系统电压vs通过二元二次方程的解法来求解式(5)得出，计算方法如下：
[0037]
步骤81，将式(5)看作关于xs和v
s2
的二元二次方程，具体如下：
[0038]
i2·
x
s2
(-2q)
·
xs (-1)
·vs2
v
t2
＝0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0039]
步骤82，利用“消元”原理将式(8)转化为一元二次方程，具体操作为从样本数据库中取第1和2组样本代入式(8)，可得公式(9)的联立方程式，将等号两边分别进行相减，消去v
s2
可以得到关于xs的一元二次方程，公式如下：
[0040][0041]
(i
22-i
12
)x
s2-2(q
2-q1)xs (v
t22-v
t12
)＝0
ꢀꢀꢀ
(10)
[0042]
步骤83，求解式(10)，求解结果如下：
[0043][0044]
步骤84，以此类推，从样本数据库中取第i和i 1组样本，重复步骤82和步骤83计算得到对应的xs(i)和vs(i)，如下：
[0045][0046]
步骤85，重复步骤84直至i＝n-1，最后，由式(13)计算得到系统电抗xs和系统电压vs，即：
[0047][0048]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0049]
本发明是一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法，提高信号采集和沟通的效率和同时性，显著提升进相试验效率，缩短发电机出力受限时间，实现由试验现场采
集的机组动态信号至系统电压信号的在线转换，可极大缩短进相试验时间。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
[0051]
图1本发明中的单机无穷大系统模型图；
[0052]
图2本发明中的系统电压获取流程图。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0054]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0055]
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0056]
在本发明中，对于远距离、大容量输电系统中远离负荷中心的同步发电机而言，可将其外部等值为一个单机无穷大系统，如图1所示。发电机以外系统的运行方式及结构的变化可等值为系统电抗xs(变压器电抗x
t
与输电线路x
l
之和，即xs＝x
t
x
l
)和系统电压vs的变化。在该单机无穷大系统模型中，机端电压、电流之间的关系如式(1)所示。
[0057][0058]
式中，v
tq
,v
td
分别为发电机端电压(线电压)的交轴和直轴分量；v
sq
,v
sd
分别为系统电压(线电压)的交轴和直轴分量；iq,id分别为发电机定子电流(线电流)的交轴和直轴分量。
[0059]
实施例一
[0060]
本发明是一种用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法，具体步骤为：
[0061]
步骤1，构建系统电压辨识的优化模型；
[0062]
(1)目标函数
[0063]
对式(1)进行移项，得到式(2)：
[0064][0065]
对式(2)中的两个等式两边进行平方并相加，得到式(3)：
[0066]vs2
＝v
t2-2idx
svtq
2iqx
svtd
i2x
s2
ꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
考虑到
[0068]
q＝i
dvtq-i
qvtd
ꢀꢀꢀ
(4)
[0069]
式中，q为发电机机端输出的无功功率。
[0070]
综合式(3)和式(4)，可得
[0071]vt2-2qxs i2x
s2-v
s2
＝0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
于是，可获得系统电压辨识模型的目标函数，公式如下：
[0073][0074]
(2)约束条件
[0075]
考虑进相试验过程中发电机组的实际运行情况，设置的约束条件如公式(7)：
[0076][0077]
式中，v
tn
为发电机额定电压，in为发电机定子额定电流，t和t
max
分别为发电机定子铁芯和端部构件实际温度及其限值，δ和δ
max
分别为发电机实际功角及其限值。
[0078]
步骤2-步骤8为系统电压获取流程，如图2所示，具体的：
[0079]
步骤2，设置试验初始工况，电厂工作人员调整发电机组的运行状态以满足试验工况；
[0080]
步骤3，采集并存储发电机组运行数据，采集的发电机组运行数据包括机端电压v
t
'(在pt的二次侧进行信号采集，然后根据pt变比计算一次电压值)、定子电流i'(在ct的二次侧进行信号采集，然后根据ct变比计算一次电流值)、励磁电压(在励磁调节器的励磁电压表计处进行信号采集)、励磁电流(在励磁调节器的转子电流分流器二次侧进行信号采集，然后根据分流器变比计算一次电流值)；
[0081]
步骤4，数据初步计算，根据发电机定子绕组的接线方式，由发电机端电压v
t
'、定子电流i'计算得到对应的线电压v
t
和线电流i以及输出无功功率q；
[0082]
步骤5，设置采样频率为200hz；
[0083]
步骤6，增加励磁电流扰动，利用励磁系统的“增/减磁功能”产生一个励磁电流的扰动，连续采集并存储扰动产生后10s内步骤3中要求的发电机组运行数据，并根据步骤4计算处各组数据对应的发电机输出无功功率q；
[0084]
步骤7，构建样本数据库，调取励磁电流扰动前后的v
t
、i和q的时间序列，构建发电机组动态信号样本数据库，包含n组样本，n＝1 10
×
采样频率；
[0085]
步骤8，求解系统电抗xs和系统电压vs；
[0086]
采用二元二次方程的解法来求解式(5)，求解思路如下：
[0087]
步骤81，将式(5)看作关于xs和v
s2
的二元二次方程，具体如下：
[0088]
i2·
x
s2
(-2q)
·
xs (-1)
·vs2
v
t2
＝0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0089]
步骤82，利用“消元”原理将式(8)转化为一元二次方程。具体操作为从样本数据库中取第1和2组样本代入式(8)，可得公式(9)的联立方程式，将等号两边分别进行相减，消去v
s2
可以得到关于xs的一元二次方程，公式如下：
[0090][0091]
(i
22-i
12
)x
s2-2(q
2-q1)xs (v
t22-v
t12
)＝0
ꢀꢀꢀ
(10)
[0092]
步骤83，求解式(10)，求解结果如下：
[0093][0094]
步骤84，以此类推，从样本数据库中取第i和i 1组样本，重复
②
和
③
计算得到对应的xs(i)和vs(i)，如下：
[0095][0096]
步骤85，重复步骤84直至i＝n-1。最后，由式(13)计算得到系统电抗xs和系统电压vs。
[0097][0098]
最后，使用matlab进行编程实现本发明方法的自动化流程。
[0099]
本发明是用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法，本实施例以重庆草街水电站#4机组动态信号为例进行系统电压获取，并且调取系统电压实际值v
s0
对计算结果进行检验。
[0100]
1.根据系统电压获取流程中的步骤(1)-(6)构建草街水电站#4机组动态信号样本数据库。样本数据库中的部分数据组如表1所示：
[0101]
表1草街水电站#4机组动态信号样本数据库部分数据组
[0102][0103][0104]
2.本实施例中的机组动态信号均采用标幺值代入式(12)进行计算，草街水电站#4机组参数的基准值如表2所示。机组动态信号的标幺值计算如式(14)所示。
[0105]
表2草街水电站#4机组参数基准值
[0106]
机组参数v
tb
(kv)ib(ka)sb(mva)v
sb
(kv)基准值15.755.24142.9229.9
[0107][0108]
式中，v
tb
、ib、sb和v
sb
分别为机组机端电压、定子电流、容量和系统电压的基准值；v
t*
、i
*
和q
*
分别为机组机端电压、定子电流和输出无功功率的标幺值。
[0109]
3.按式(15)计算系统电压计算值vs与系统电压实际值v
s0
之间的相对误差ev，具体计算结果如表3所示。
[0110]
[0111]
表3草街水电站#4机组系统电压计算结果
[0112]
机组参数vs(kv)v
s0
(kv)ev(％)数值225.85225.880.013
[0113]
从表3可以看出，本发明提供的用于同步发电机进相试验的系统电压获取方法的精确度较高，计算出的系统电压vs基本与系统电压实际值v
s0
基本一致。
[0114]
本发明的系统电压获取方法可以提高信号采集和沟通的效率和同时性，显著提升进相试验效率，缩短发电机出力受限时间，实现由试验现场采集的机组动态信号至系统电压信号的在线转换，可极大缩短进相试验时间。
[0115]
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。