一种水电监控装置的全过程仿真监控系统及方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，并且更具体地，涉及一种水电监控装置的全过程仿真监控系统及方法。

背景技术

我国电力系统负荷与发电呈逆向分布，伴随以新能源为主体的新型电力系统的构建，大规模特高压交直流线路在电网中占比不断提高，与主网异步互联的能源送出基地数量不断提高。同时为降低新能源发电间歇性与不确定性等问题，我国建立了大量抽水蓄能电厂，至2021年底，全球最大的抽水蓄能丰宁电厂将并网投运。至此部分综合性能源基地呈现出整体规模较小、水电占比较高的特点，客观上也造成主网调频能力下降。送受端电网均呈现出系统抗扰动能力下降，电网频率稳定性问题凸显。

为确保电网频率的稳定性，某电网展开的多次扰动试验，验证电网的频率控制能力。其中部分试验出现以下问题：

(1)实际系统扰动初期二次调频与系统一次调频调节间发生拉扯，一次调频动作量被二次调频动作抵消，仿真中无法复现；

(2)系统实际一次调频动作速度快于仿真结果(已排除调速器参数问题)；

(3)扰动后频率恢复的中长期过程中，或稳态频率中长期仿真过程中，系统二次调频调节与一次调频调节过程解耦，仿真中二者调节速度相互耦合的情况，仿真中动态调节过程与系统实际存在一定偏差。

经确认为水电动力系统模型不完善的问题。现有的电力系统仿真工具与实际系统相比，水电厂动力系统建模中的调速系统及AGC系统均进行了详细建模，但未对于其中起连接作用的监控系统进行建模，导致水电动力系统中前馈支路缺失，模型不够客观和全面，仿真性能有待进一步改进以满足实际系统仿真的需要。

故亟需建立一种高精度广适应性的水电监控系统模型，确保仿真特性与实际装置保持一致，为构建以新能源为主体的新型电力系统保驾护航。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种水电监控装置的全过程仿真监控系统，包括：

物理上的监控系统，所述物理上的监控系统，包括：一次调频支路、二次调频支路及功率反馈支路；

所述一次调频支路截取水电监控装置的频率偏差作为输入信号，根据所述频率偏差，进行延迟模拟及一阶惯性模拟，模拟完成后进入死区判断环节；

所述二次调频支路，接收水电监控装置中AGC主站下发的调节量作为输入信号，并根据所述调节量进行惯性环节模拟；模拟完成后进入死区判断环节；

所述功率反馈支路以水电监控装置的发电机发出的电磁功率作为输入信号，经延迟环节和惯性环节后，与一次调频支路和二次调频支路共同进入死区判断环节；

所述死区判断环节的输出信号与水电监控装置的功率闭环比例系数的乘积作为脉冲发生器的输入值；

脉冲发生器，根据所述输入值输出控制脉冲信号；

调速器与水电监控装置进行耦合，耦合完成后，根据脉冲发生器输出的控制脉冲信号，以控制脉冲信号不同的比例增益进行调速动作模拟。

可选的，频率偏差的获取方式如下：

对水电监控装置接入母线的频率偏差进行滤波环节的滤波处理，获取滤波后的频率偏差信号作为输入信号；

若滤波后的频率偏差超出一次调频动作死区，将所述频率偏差与调差系数做比，获取的比值，经过限幅及限速环节后作为输入信号。

可选的，延迟模拟具体为，对水电监控装置中量测装置的滞后进行模拟。

可选的，惯性环节模拟具体为，对水电监控装置动作过程中的平滑效应进行模拟。

可选的，以不同的比例增益进行调速动作模拟，具体为：对比例增益后的控制脉冲信号进行限幅后输入积分器，对积分器输出进行限幅处理。

本发明还提出了一种水电监控装置的全过程仿真监控方法，包括：

通过一次调频支路截取水电监控装置的频率偏差作为输入信号，根据所述频率偏差，进行延迟模拟及一阶惯性模拟，模拟完成后进入死区判断环节；

通过二次调频支路接收水电监控装置中AGC主站下发的调节量作为输入信号，将水电监控装置的多个动作环节等效为延迟环节，并根据所述调节量进行惯性环节模拟；模拟完成后进入死区判断环节；

通过功率反馈支路以水电监控装置的发电机发出的电磁功率作为输入信号，首先经延迟环节，再经惯性环节后，与一次调频支路和二次调频支路共同进入死区判断环节；

所述死区判断环节的输出信号与水电监控装置的功率闭环比例系数的乘积作为脉冲发生器的输入值；

使用脉冲发生器，根据所述输入值输出控制脉冲信号；

通过调速器与水电监控装置进行耦合，耦合完成后，根据脉冲发生器输出的控制脉冲信号，以控制脉冲信号不同的比例增益进行调速动作模拟。

可选的，频率偏差的获取方式如下：

对水电监控装置接入母线的频率偏差进行滤波环节的滤波处理，获取滤波后的频率偏差信号作为输入信号；

若滤波后的频率偏差超出一次调频动作死区，将所述频率偏差与调差系数做比，获取的比值，经过限幅及限速环节后作为输入信号。

可选的，延迟模拟具体为，对水电监控装置中量测装置的滞后进行模拟。

可选的，惯性环节模拟具体为，对水电监控装置动作过程中的平滑效应进行模拟。

可选的，以不同的比例增益进行调速动作模拟，具体为：对比例增益后的控制脉冲信号进行限幅后输入积分器，并且对积分器输出进行限幅处理。

本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。

本发明能够准确模拟调节过程中一次调频和二次调频的拉扯效应，实现频率调节过程中一次调频和二次调频解耦，提高对水电动力系统的仿真精度。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为本发明实施例系统的示意图；

图3为本发明实施条例的监控系统与调速器的配合关系图；

图4为本发明实施例的脉冲示意图；

图5为本发明实施例中四机仿真验证的脉冲示意图；

图6为本发明实施例中监控、调速系统协调性仿真的曲线图；

图7为本发明实施例中实际电网仿真的曲线图；

图8为本发明方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提出了一种水电监控装置的全过程仿真监控系统200，如图1 所示，包括：

物理上的监控系统，所述物理上的监控系统，包括：一次调频支路、二次调频支路及功率反馈支路；

所述一次调频支路截取水电监控装置的频率偏差作为输入信号，根据所述频率偏差，进行延迟模拟及一阶惯性模拟，模拟完成后进入死区判断环节；

所述二次调频支路，接收水电监控装置中AGC主站下发的调节量作为输入信号，将水电监控装置的多个动作环节等效为延迟环节，并根据所述调节量进行惯性环节模拟；模拟完成后进入死区判断环节；

所述功率反馈支路以水电监控装置的发电机发出的电磁功率作为输入信号，经延迟环节和惯性环节后，与一次调频支路和二次调频支路共同进入死区判断环节；

所述死区判断环节的输出信号与水电监控装置的功率闭环比例系数的乘积作为脉冲发生器的输入值；

脉冲发生器，根据所述输入值输出控制脉冲信号；

调速器与水电监控装置进行耦合，耦合完成后，根据脉冲发生器输出的控制脉冲信号，以控制脉冲信号不同的比例增益进行调速动作模拟。

其中，频率偏差的获取方式如下：

对水电监控装置接入母线的频率偏差进行滤波环节的滤波处理，获取滤波后的频率偏差信号作为输入信号；

若滤波后的频率偏差超出一次调频动作死区，将所述频率偏差与调差系数做比，获取的比值，经过限幅及限速环节后作为输入信号。

其中，延迟模拟具体为，对水电监控装置中量测装置的滞后进行模拟。

其中，惯性环节模拟具体为，对水电监控装置动作过程中的平滑效应进行模拟。

其中，以不同的比例增益进行调速动作模拟，具体为：对比例增益后的控制脉冲信号进行限幅后输入积分器，对积分器输出进行限幅处理。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：

完整的监控系统仿真模型由物理上的监控、脉冲发生器、物理上的调速器构成，如图2所示，物理上的监控系统，各种信号经过功率死区后，确定功率闭环比例系数，根据闭环比例系数，脉冲发生器发出脉冲信号，根据脉冲信号，使用物理上的调速器进行调速。

1)物理上的监控包含一次调频支路、二次调频支路及功率反馈支路。

(1)若监控系统一次调频支路存在，系统频偏经一次调频支路参与监控系统调节，该变量顺序经过纯延迟环节、惯性环节、死区环节、频率功率转换环节、限速环节、限幅环节后与二次调频分量叠加；若监控系统一次调频支路不存在则忽略此支路。其中各环节相关变量含义如下：

Df为系统频偏，T

(2)二次调频调节量通过二次调频支路参与监控系统调节，该变量顺序通过纯延迟环节、惯性环节、限速环节，最终与一次调频分量一起经前馈输出环节输出至水电调速器部分。其中各环节相关变量含义如下：

(3)P

发电机输出功率通过率反馈支路参与监控系统调节，该变量顺序通过纯延迟环节、惯性环节后，与一次调频和二次调频分量求和，输入值功率死区环节及功率闭环环节。其中各环节相关变量含义如下：

P

2)脉冲发生装置包含限幅环节和脉冲发生装置。

物理上的监控系统输出顺序通过限幅环节和脉冲发生装置。脉冲发生装置对详细动作情况如图4所示。

其中，Ymc

3)物理上的调速器。

脉冲发生装置输出信号顺序通过油动机开关环节、限幅环节、积分器、限幅环节和开度前馈输出环节。

其中，K

监控系统与调速器的配合关系如图3所示，其中物理监控模型包含一次调频支路、二次调频支路及功率反馈支路。监控系统与调速器的配合关系，具体如下：

1)调速器模型为典型调速器仿真模型，包含功率模式和开度模式两种工况。

(1)功率模式下包含频率支路及功率支路。

发电机转速通过纯延迟环节、惯性环节，与系统基准频率做差，作为频率支路死区环节输入，死区环节输出与水头系数相乘，作为调速器PID 输入组成部分。其中各环节相关变量含义如下：

w为发电机转速，T

P

(2)开度模式包含频率支路及开度支路。

发电机转速通过纯延迟环节、惯性环节，与系统基准频率做差，作为频率支路死区环节输入，死区环节输出与水头系数相乘，作为调速器PID 输入组成部分。其中各环节相关变量含义如下：

w为发电机转速，T

水轮机开度通过纯延迟环节、惯性环节后，与水轮机初始开度做差，与开度系数相乘后作为开度支路死区环节输入，根据相关标志位作为调速器PID积分环节输入或与频率支路求和后作为调速器PID输入。PID输出经限幅环节和限速环节即为调速器输出。其中各环节相关变量含义如下：

Y为水轮机开度，T

2)监控系统包含物理上的监控、脉冲发生器、物理上的调速器

(1)物理上的监控

物理上的监控由一次调频支路、二次调频支路和功率反馈支路构成

一次调频支路

根据机组接入母线的频率偏差并经过滤波环节进行滤波，得到滤波后的频率偏差信号。

若滤波后的频率偏差超出一次调频动作死区，将其与调差系数做比，所得结果经过限幅及限速环节后作为一次调频实际动作目标值。

一次调频支路截取系统频率偏差作为输入，以纯延迟模拟及一阶惯性模拟量测装置的滞后及平滑效应，典型值均为0.02s。

若实际系统仅在调速器环节投入频率偏差控制，模型中一次调频支路无效，将K0置零。

二次调频支路(功率模式及开度模式)

二次调频支路接收AGC主站下发的调节量，将系统信号传输、装置动作延迟等多环节等效为一纯延迟环节，并采用惯性环节模拟实际系统动作过程中的平滑效应。

延迟环节典型时间常数为15s至20s，惯性环节典型时间常数为10s 至20s。

AGC主站下发调节量为基于当前功率的增量，而非目标功率。机组未投运AGC控制时，AGC功率给定为0。

功率反馈支路

功率反馈支路以发电机发出的电磁功率(实际系统以发电机输出有功) 为输入，经延迟与惯性环节后，与一次调频支路和AGC支路输出之和相加，进入死区判断环节。

死区判断环节控制逻辑如下：

式中：DB

死区环节输出乘以功率闭环比例系数，作为脉冲发生装置输入。

功率闭环比例系数典型值为0.04，该值不宜过大，否则容易引发系统震荡。

(2)脉冲发生

脉冲控制根据指定时间内的输入值，对输出的控制脉冲进行均匀分配，确保后续环节动作特性符合预期要求。脉冲发生器详细动作特性，如图4 所示。

(3)物理上的调速器

实际监控系统与调速系统存在耦合，仿真中在监控模型引入调速器部分动作环节描述该耦合效应，即为物理上的调速器。

根据脉冲发生装置输出信号正负，调速器动作速度不同，仿真模型中以不同的比例增益进行模拟。

对增益后的信号进行限幅后输入积分器，该限幅的作用为控制积分环节动作速率，之后对积分器输出进行限幅处理。

3)与调速器的配合关系

不同工作方式下，水电监控与调速器配合方式有所区别。

机组运行于功率模式，仅需一次调频支路与AGC支路部分，模型将二者输出之和作为调节量下发调速器功率参考值，该调节量乘以前馈系数叠加至调速器PID输出，作为前馈分量；

机组运行于开度模式，模型需全部模块，模型将一次调频支路、AGC 支路与功率反馈支路输出作为脉冲发生环节输入，生成脉冲后下发模型中物理上的调速器模块，最终形成下发调速器的调节量，该调节量下发调速器开度参考值，调节量乘以前馈系数叠加至调速器PID输出，作为前馈分量。

本发明在PSD-BPA软件中予以实现，并在4机2区域的典型小系统和某实际电网中得到应用。

进行四机系统仿真验证；

建立了一个典型的四机电力系统，包括发电机1-4，单机容量900MW，采用相同的发电机，地理接线图如图5所示，其中发电机1、发电机2、母线5、母线6与其间联络线组成区域一，发电机3、发电机4、母线10、母线11与其间联络线组成区域二，剩余母线及联络线组成两区域间断面；

分别考虑三种情况：

(1)考虑调速系统一次调频；

(2)不协调现状：考虑机组现状的“监控系统功率闭环”+“调速器一次调频”；

(3)协调方案：考虑机组现状的“监控系统功率闭环+监控调频”+ “调速器一次调频”。

三种情况的计算结果如图6所示；

可见，不考虑协调的监控系统功率闭环明显限制了系统频率恢复(带有正方形的线)，考虑监控系统与一次调频协调优化，有利于系统频率调整，且频率恢复速度可以提高(带有圆形的线)。

2)西南电网仿真验证(大电网验证，针对背景技术中的问题2和问题 3)其中(问题2为：系统实际一次调频动作速度快于仿真结果(已排除调速器参数问题)；问题3为：扰动后频率恢复的中长期过程中，或稳态频率中长期仿真过程中，系统二次调频调节与一次调频调节过程解耦，仿真中二者调节速度相互耦合的情况，仿真中动态调节过程与系统实际存在一定偏差。)

仿真基于某电网实际运行数据，其中发电39581.7MW，负荷 32770.7MW，系统发电机、励磁、调速、PSS、马达及负荷等数据沿用方式计算数据，AGC控制模式及控制参数按照系统实际情况进行设置，监控系统参数依照实测结果，如图7所示。其中：

(1)工况一：水电动力系统中考虑监控模型，其他参数按照系统实际设置；

(2)工况二：水电动力系统中不考虑监控模型，其他参数按照系统实际设置；

(3)工况三：水电东西理系统不考虑监控模型，为保证二次调频效果与系统基本一致，调整了水电调速器参数。

可见，在仿真中若不考虑监控系统，系统频率恢复速度较实际系统慢，若按照实际系统恢复速度拟合一次调频等参数，又会造成在频率恢复初期 (一次调频起主导作用的控制过程)与系统实际不符。

本发明还提供了一种水电监控装置的全过程仿真监控方法，如图8所示，包括：

通过一次调频支路截取水电监控装置的频率偏差作为输入信号，根据所述频率偏差，进行延迟模拟及一阶惯性模拟，模拟完成后进入死区判断环节；

通过二次调频支路接收水电监控装置中AGC主站下发的调节量作为输入信号，将水电监控装置的多个动作环节等效为延迟环节，并根据所述调节量进行惯性环节模拟；模拟完成后进入死区判断环节；

通过功率反馈支路以水电监控装置的发电机发出的电磁功率作为输入信号，经延迟环节和惯性环节后，与一次调频支路和二次调频支路共同进入死区判断环节；

所述死区判断环节的输出信号与水电监控装置的功率闭环比例系数的乘积作为脉冲发生器的输入值；

使用脉冲发生器，根据所述输入值输出控制脉冲信号；

通过调速器与水电监控装置进行耦合，耦合完成后，根据脉冲发生器输出的控制脉冲信号，以控制脉冲信号不同的比例增益进行调速动作模拟。

其中，频率偏差的获取方式如下：

对水电监控装置接入母线的频率偏差进行滤波环节的滤波处理，获取滤波后的频率偏差信号作为输入信号；

若滤波后的频率偏差超出一次调频动作死区，将所述频率偏差与调差系数做比，获取的比值，经过限幅及限速环节后作为输入信号。

其中，延迟模拟具体为，对水电监控装置中量测装置的滞后进行模拟。

其中，惯性环节模拟具体为，对水电监控装置动作过程中的平滑效应进行模拟。

其中，以不同的比例增益进行调速动作模拟，具体为：对比例增益后的控制脉冲信号进行限幅后输入积分器，并且对积分器输出进行限幅处理。

本发明能够准确模拟调节过程中一次调频和二次调频的拉扯效应，实现频率调节过程中一次调频和二次调频解耦，提高对水电动力系统的仿真精度。

本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述方法的步骤。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。