适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼控制器设计方法技术方案

电力系统时滞PID阻尼控制器的设计方法，包括：确定电力系统低频振荡模式，选取反应区间低频振荡特性的反馈控制信号以及合适的阻尼控制执行器，评估广域PMU信号可能的随机时滞分布特点，建立广域电力系统的传递函数数学模型，设计适用于PMU信号随机时滞情形的电力系统PID控制器结构，分别计算不同时滞下能够确保电力系统稳定的PID参数分布范围并取其交集，从中选取一组合适的PID参数作为阻尼控制器的参数。本发明专利技术不仅可以解决广域电力系统的区间低频振荡问题，而且适用于广域反馈PMU信号存在时滞的情形，允许时滞在一定范围内随机变化。所设计的控制器具有简洁的结构、易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及电力系统时滞PID阻尼控制器设计方法，属于电力系统稳定控制

技术介绍
：随着大区电网的互联，电力系统的规模不断扩大，低频振荡问题也日益严重。如何确保大区电网特高压互联下的电力系统具有较高的阻尼系数，成为现代电力系统安全稳定运行亟待解决的控制难题。由于大区电网互联后，发生的低频振荡可能同时涉及多个区域电网，分布面非常广，影响也很大。传统的采用本地信号作为反馈信号的电力系统稳定控制器(PSS)，受控制信号的可观性限制，在抑制区间低频振荡方面效果非常有限。基于GPS授时技术的相量测量单元(PMU)，使电力系统运行状态的同步测量不再是个难题，目前基于PMU的电力系统广域测量系统(WAMS)也正在成形与完善中。利用PMU同步相量数据进行广域电力系统低频振荡阻尼控制，较传统的基于本地信号的PSS控制具有显著的优势，在大量文献中已有明确的结论。但是，PMU同步相量的广域远距离传输也带来了控制信号时滞问题，若不妥善处理时滞影响，阻尼控制器不仅不能起到抑制低频振荡的作用，反而可能进一步恶化电力系统的稳定性。在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用，工业过程控制中95％以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的，电力系统亦不例外。PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，若要考虑时滞的影响，PID控制器的参数整定将难上加难。
技术实现思路
：本专利技术针对区域电网互联过程中出现的低频振荡问题和WAMS信号的随机时滞现象，提出了适用于随机时滞的广域PID阻尼控制器设计方法，包括：确定电力系统低频振荡模式，选取反应区间低频振荡特性的反馈控制信号以及合适的阻尼控制执行器，评估广域PMU信号可能的随机时滞分布特点，建立广域电力系统的传递函数数学模型，设计适用于PMU信号随机时滞情形的电力系统PID控制器结构，分别计算不同时滞下能够确保电力系统稳定的PID参数分布范围并取其交集，从中选取一组合适的PID参数作为阻尼控制器的参数。本专利技术所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼控制器设计方法的技术方案的实施步骤如下：(1)确定电力系统低频振荡模式，包括特征根、振荡频率、阻尼值、参与机组，从中筛选出区间低频振荡模式；(2)针对区间低频振荡模式，分析同步PMU信号对该模式的可观性，从中筛选出区间低频振荡的广域反馈控制信号；分析电力系统现有的调控装置，从中选取对该模式具有较高可控性的调控装置作为阻尼控制的执行器；(3)针对步骤(2)中所选的广域反馈控制信号和阻尼控制执行器，评估PMU信号从采集、传输、到达阻尼执行器这个过程中可能的随机时滞分布特点；(4)确定电力系统从步骤(2)中所选定的阻尼调控装置输入端至广域反馈控制信号的局部线性化传递函数模型；(5)设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构；(6)对PMU信号可能的随机时滞分布范围等间隔取点，分别计算不同时滞下能够确保电力系统稳定运行的PID参数分布范围，并取其交集作为适应随机时滞的PID参数分布范围；(7)从步骤(6)中的分布范围中选取一组参数作为适应随机时滞的PID阻尼控制器的参数。进一步，所述步骤(1)中，既可以采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可以采取电力系统动态仿真或者测量数据辨识技术，确定电力系统的低频振荡模式的特征根、振荡频率、阻尼值和参与机组，其中振荡频率低于1.0Hz且功率振荡参与机组分布在多个区域电网中的振荡模式就是区间低频振荡模式。进一步，所述步骤(2)中，可选的广域反馈信号来自各厂站、线路上布置的PMU装置，常见的有发电机功角和转速信号、联络线有功功率信号，通过比较这些信号对区间低频振荡模式的可观性指标，可以选出可观性较好的PMU信号作为反馈控制信号Y；可选的低频振荡稳定调控装置有发电机励磁装置、高压直流(HVDC)控制装置、静态无功补偿(SVC)装置等柔性交流输电(FACTS)装置，根据这些装置附加控制输入对该振荡模式的可控性指标，选取可控性较好的调控装置作为低频振荡阻尼控制的执行器，执行器的输入信号为U；反馈信号至阻尼控制执行器的时滞记为τ。进一步，所述步骤(3)中，评估PMU反馈信号从采集、传输、到达阻尼控制执行器这个过程中可能的时滞，设定时滞τ分布范围为[τmin，τmax]，剔除时滞大于τmax的数据，时滞小于τmin的数据采取等待策略。进一步，所述步骤(4)中，既可以采取电力系统线性化数学模型、也可以采取辨识算法确定从阻尼调控装置输入信号U至广域反馈控制信号Y的局部线性化传递函数模型G(s)＝N(s)e-τs/D(s)，其中N(s)＝bmsm+bm-1sm-1+…+b1s+b0；D(s)＝sn+an-1sn-1+…+a1s+a0；考虑到实际电力系统模型的阶数可能非常高，可以进一步采取降阶措施，使降阶后的传递函数模型包含主要的低频振荡模式，传递函数模型的形式同降阶前G(s)＝N(s)e-τs/D(s)。进一步，所述步骤(5)中，所设计的电力系统广域时滞PID阻尼控制器主要包括：广域测量信号预处理模块、比例(P)环节、积分(I)环节、微分(D)环节、输出限幅环节；其中电力系统WAMS中的PMU信号输入到该时滞PID阻尼控制器的测量信号预处理模块，剔除错误的数据和时滞过大的数据，并将其与稳态值进行比较，对不同时滞的PMU信号重新进行排队、根据设定的时滞等待后送入PID环节，PID环节输出的阻尼控制信号经过限幅环节后送入步骤(2)中所选定的低频振荡调控装置，作为附加控制信号参与电力系统的稳定控制。进一步，所述步骤(6)中，针对步骤(4)中获取的电力系统传递函数模型G(s)以及步骤(3)中设定的广域PMU反馈控制信号的时滞τ的分布范围[τmin，τmax]，按以下几个步骤计算适应随机时滞的PID阻尼控制器的参数分布范围(KP，KD，KI)：(a)将随机时滞τ的分布范围[τmin，τmax]等间隔离散化为T个点，记为τ1、τ1、τ2、……、τT，其中τ1＝τmin，τT＝τmax；(b)取τ＝τj，j＝1、2、……、T；(c)选取足够大的l，若n是偶数，则令Z＝2lπ，否则令Z＝2lπ+π/2；令s＝jz/τ，z为实数；假定Q是曲线f2(z)＝-q1(z)/[Nr2(z)+Ni2(z)]与直线f1(z)＝KP在区间(0，Z)内的交点数量，其中q1(z)＝[Dr(z)Nr(z)+Di(z)Ni(z)]cos(z)-[Di(z)Nr(z)-Dr(z)Ni(z)]sin(z)，Nr(z)、Ni(z)、Dr(z)、Di(z)分别为N(jz/τ)和D本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼控制器设计方法，步骤如下：(1)确定电力系统低频振荡模式，包括特征根、振荡频率、阻尼值、参与机组，从中筛选出区间低频振荡模式；(2)针对区间低频振荡模式，分析同步PMU信号对该模式的可观性，从中筛选出区间低频振荡的广域反馈控制信号；分析电力系统现有的调控装置，从中选取对该模式具有较高可控性的调控装置作为阻尼控制的执行器；(3)针对步骤(2)中所选的广域反馈控制信号和阻尼控制执行器，评估PMU信号从采集、传输、到达阻尼执行器这个过程中可能的随机时滞分布特点；(4)确定电力系统从步骤(2)中所选定的阻尼调控装置输入端至广域反馈控制信号的局部线性化传递函数模型；(5)设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构；(6)对PMU信号可能的随机时滞分布范围等间隔取点，分别计算不同时滞下能够确保电力系统稳定运行的PID参数分布范围，并取其交集作为适应随机时滞的PID参数分布范围；(7)从步骤(6)中的分布范围中选取一组参数作为适应随机时滞的PID阻尼控制器的参数。

【技术特征摘要】
1.适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼控制器设计方法，步
骤如下：
(1)确定电力系统低频振荡模式，包括特征根、振荡频率、阻尼值、
参与机组，从中筛选出区间低频振荡模式；
(2)针对区间低频振荡模式，分析同步PMU信号对该模式的可观性，
从中筛选出区间低频振荡的广域反馈控制信号；分析电力系统
现有的调控装置，从中选取对该模式具有较高可控性的调控装
置作为阻尼控制的执行器；
(3)针对步骤(2)中所选的广域反馈控制信号和阻尼控制执行器，评
估PMU信号从采集、传输、到达阻尼执行器这个过程中可能的
随机时滞分布特点；
(4)确定电力系统从步骤(2)中所选定的阻尼调控装置输入端至广域
反馈控制信号的局部线性化传递函数模型；
(5)设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构；
(6)对PMU信号可能的随机时滞分布范围等间隔取点，分别计算不
同时滞下能够确保电力系统稳定运行的PID参数分布范围，并
取其交集作为适应随机时滞的PID参数分布范围；
(7)从步骤(6)中的分布范围中选取一组参数作为适应随机时滞的
PID阻尼控制器的参数。
2.如权利要求1所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼
控制器设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，既可以采取电力系统
小干扰稳定特征根分析，也可以采取电力系统动态仿真或者测量数据
辨识技术，确定电力系统的低频振荡模式的特征根、振荡频率、阻尼
值和参与机组，其中振荡频率低于1.0Hz且功率振荡参与机组分布在
多个区域电网中的振荡模式就是区间低频振荡模式。
3.如权利要求1所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼
控制器设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，可选的广域反馈信号
来自各厂站、线路上布置的PMU装置，常见的有发电机功角和转速
信号、联络线有功功率信号，通过比较这些信号对区间低频振荡模式
的可观性指标，可以选出可观性较好的PMU信号作为反馈控制信号Y；
可选的低频振荡稳定调控装置有发电机励磁装置、高压直流(HVDC)
控制装置、静态无功补偿(SVC)装置等柔性交流输电(FACTS)装置，根
据这些装置附加控制输入对该振荡模式的可控性指标，选取可控性较

\t好的调控装置作为低频振荡阻尼控制的执行器，执行器的输入信号为
U；反馈信号至阻尼控制执行器的时滞记为τ。
4.如权利要求1所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼
控制器设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，评估PMU反馈信号
从采集、传输、到达阻尼控制执行器这个过程中可能的时滞，设定时
滞τ分布范围为[τmin，τmax]，τmin和τmax分别为时滞τ的下限和上限，
剔除时滞大于τmax的数据，时滞小于τmin的数据采取等待策略。
5.如权利要求1所述的适用于随机时滞的电力系统广域PID阻尼
控制器设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，既可以采取电力系统
线性化数学模型、也可以采取辨识算法确定从阻尼调控装置输入信号
U至广域反馈控制信号Y的局部线性化传递函数模型
G(s)＝N(s)e-τs/D(s)，其中N(s)＝bmsm+bm-1sm-1+…+b1s+b0，
D(s)＝sn+an-1sn-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚军，欧林林，周文委，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33