適用于隨機時滯的電力系統(tǒng)廣域pid阻尼控制器設計方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)時滯PID阻尼控制器設計方法，屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術 領域。
【背景技術】：
[0002] 隨著大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，低頻振蕩問題也日益嚴重。如何 確保大區(qū)電網(wǎng)特高壓互聯(lián)下的電力系統(tǒng)具有較高的阻尼系數(shù)，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定 運行亟待解決的控制難題。
[0003] 由于大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)后，發(fā)生的低頻振蕩可能同時涉及多個區(qū)域電網(wǎng)，分布面非常 廣，影響也很大。傳統(tǒng)的采用本地信號作為反饋信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器（PSS)，受控制 信號的可觀性限制，在抑制區(qū)間低頻振蕩方面效果非常有限?；贕PS授時技術的相量測 量單元（PMU)，使電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的同步測量不再是個難題，目前基于PMU的電力系統(tǒng)廣 域測量系統(tǒng)（WAMS)也正在成形與完善中。利用PMU同步相量數(shù)據(jù)進行廣域電力系統(tǒng)低頻 振蕩阻尼控制，較傳統(tǒng)的基于本地信號的PSS控制具有顯著的優(yōu)勢，在大量文獻中已有明 確的結(jié)論。但是，PMU同步相量的廣域遠距離傳輸也帶來了控制信號時滯問題，若不妥善處 理時滯影響，阻尼控制器不僅不能起到抑制低頻振蕩的作用，反而可能進一步惡化電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0004] 在過去的幾十年里，PID控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應用，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎的，電力系 統(tǒng)亦不例外。PID控制器結(jié)構(gòu)和算法簡單，應用廣泛，但參數(shù)整定方法復雜，若要考慮時滯的 影響，PID控制器的參數(shù)整定將難上加難。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明針對區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)過程中出現(xiàn)的低頻振蕩問題和WAMS信號的隨機時滯現(xiàn) 象，提出了適用于隨機時滯的廣域PID阻尼控制器設計方法，包括：確定電力系統(tǒng)低頻振蕩 模式，選取反應區(qū)間低頻振蕩特性的反饋控制信號以及合適的阻尼控制執(zhí)行器，評估廣域 PMU信號可能的隨機時滯分布特點，建立廣域電力系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學模型，設計適用于 PMU信號隨機時滯情形的電力系統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)，分別計算不同時滯下能夠確保電力系 統(tǒng)穩(wěn)定的PID參數(shù)分布范圍并取其交集，從中選取一組合適的PID參數(shù)作為阻尼控制器的 參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明所述的適用于隨機時滯的電力系統(tǒng)廣域PID阻尼控制器設計方法的技術 方案的實施步驟如下：
[0007] (1)確定電力系統(tǒng)低頻振蕩模式，包括特征根、振蕩頻率、阻尼值、參與機組，從中 篩選出區(qū)間低頻振蕩模式；
[0008] (2)針對區(qū)間低頻振蕩模式，分析同步PMU信號對該模式的可觀性，從中篩選出區(qū) 間低頻振蕩的廣域反饋控制信號；分析電力系統(tǒng)現(xiàn)有的調(diào)控裝置，從中選取對該模式具有 較高可控性的調(diào)控裝置作為阻尼控制的執(zhí)行器；
[0009] (3)針對步驟（2)中所選的廣域反饋控制信號和阻尼控制執(zhí)行器，評估PMU信號從 采集、傳輸、到達阻尼執(zhí)行器這個過程中可能的隨機時滯分布特點；
[0010] (4)確定電力系統(tǒng)從步驟（2)中所選定的阻尼調(diào)控裝置輸入端至廣域反饋控制信 號的局部線性化傳遞函數(shù)模型；
[0011] (5)設計電力系統(tǒng)時滯PID阻尼控制器的結(jié)構(gòu)；
[0012] (6)對PMU信號可能的隨機時滯分布范圍等間隔取點，分別計算不同時滯下能夠 確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的PID參數(shù)分布范圍，并取其交集作為適應隨機時滯的PID參數(shù)分 布范圍；
[0013] (7)從步驟（6)中的分布范圍中選取一組參數(shù)作為適應隨機時滯的PID阻尼控制 器的參數(shù)。
[0014] 進一步，所述步驟（1)中，既可以采取電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定特征根分析，也可以采 取電力系統(tǒng)動態(tài)仿真或者測量數(shù)據(jù)辨識技術，確定電力系統(tǒng)的低頻振蕩模式的特征根、振 蕩頻率、阻尼值和參與機組，其中振蕩頻率低于1.0 Hz且功率振蕩參與機組分布在多個區(qū) 域電網(wǎng)中的振蕩模式就是區(qū)間低頻振蕩模式。
[0015] 進一步，所述步驟（2)中，可選的廣域反饋信號來自各廠站、線路上布置的PMU裝 置，常見的有發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速信號、聯(lián)絡線有功功率信號，通過比較這些信號對區(qū)間低頻 振蕩模式的可觀性指標，可以選出可觀性較好的PMU信號作為反饋控制信號Y ;可選的低 頻振蕩穩(wěn)定調(diào)控裝置有發(fā)電機勵磁裝置、高壓直流（HVDC)控制裝置、靜態(tài)無功補償（SVC) 裝置等柔性交流輸電（FACTS)裝置，根據(jù)這些裝置附加控制輸入對該振蕩模式的可控性指 標，選取可控性較好的調(diào)控裝置作為低頻振蕩阻尼控制的執(zhí)行器，執(zhí)行器的輸入信號為U ; 反饋信號至阻尼控制執(zhí)行器的時滯記為τ。
[0016] 進一步，所述步驟（3)中，評估PMU反饋信號從采集、傳輸、到達阻尼控制執(zhí)行器這 個過程中可能的時滯，設定時滯τ分布范圍為[τ_，τ_]，剔除時滯大于τ_的數(shù)據(jù)，時 滯小于1_的數(shù)據(jù)采取等待策略。
[0017] 進一步，所述步驟（4)中，既可以采取電力系統(tǒng)線性化數(shù)學模型、也可以采取辨識 算法確定從阻尼調(diào)控裝置輸入信號U至廣域反饋控制信號Y的局部線性化傳遞函數(shù)模型 G(s) =N(s) e Ts/D (s)，其中 N(s) =13^+1^8^+...+1^8+13(^0(8) =s n+anlsn1+…+ap+a。； 考慮到實際電力系統(tǒng)模型的階數(shù)可能非常高，可以進一步采取降階措施，使降階后的傳遞 函數(shù)模型包含主要的低頻振蕩模式，傳遞函數(shù)模型的形式同降階前G(S) =N(S)eTS/D(s)。
[0018] 進一步，所述步驟（5)中，所設計的電力系統(tǒng)廣域時滯PID阻尼控制器主要包括： 廣域測量信號預處理模塊、比例（P)環(huán)節(jié)、積分（I)環(huán)節(jié)、微分（D)環(huán)節(jié)、輸出限幅環(huán)節(jié)；其 中電力系統(tǒng)WAMS中的PMU信號輸入到該時滯PID阻尼控制器的測量信號預處理模塊，剔除 錯誤的數(shù)據(jù)和時滯過大的數(shù)據(jù)，并將其與穩(wěn)態(tài)值進行比較，對不同時滯的PMU信號重新進 行排隊、根據(jù)設定的時滯等待后送入PID環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)輸出的阻尼控制信號經(jīng)過限幅環(huán)節(jié) 后送入步驟（2)中所選定的低頻振蕩調(diào)控裝置，作為附加控制信號參與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控 制。
[0019] 進一步，所述步驟（6)中，針對步驟（4)中獲取的電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型G(S)以 及步驟（3)中設定的廣域PMU反饋控制信號的時滯τ的分布范圍[τ_，τ_]，按以下幾 個步驟計算適應隨機時滯的PID阻尼控制器的參數(shù)分布范圍（KP，IVK1):
[0020] (a)將隨機時滯τ的分布范圍[τ _，τ _]等間隔離散化為T個點，記為τ η τ η 丁 2、 ......、丁 Τ，其中 丁 1= 丁 min，丁 T= 丁 max;
[0021] (b)取 τ = τ ρ j = 1、2、......、T ;
[0022] (c)選取足夠大的1，若η是偶數(shù)，則令Z = 21jt，否則令Z = 2131 + 31/2 ;令s = jz/ τ，z 為實數(shù)；假定 Q 是曲線 f2(z) = -Q1 (z)/[N12(z)+Ni2(Z)]與直線 fjz) = Kp在區(qū) 間（〇，Z)內(nèi)的交點數(shù)量，其中 Q1 (z) = [Dr (Z)Nr (ζ)+0?(ζ)Ν?(ζ)](：〇8(ζ)-〇^ (z)Nr (Z)-Dr (z) N1(Z) = Sin(Z), Nr(ZhN1(Z)Uz)Uz)分別為 N(jz/〇 和 D(jz/〇 的實部和虛部；確 定Kp的分布范圍[K P_，KpniaJ，使Q滿足下式：
[0024] 其中，I (N)、r (N)和j (N)分別為N(S)在s左半平面、右半平面和正虛軸上的零點 數(shù)量；
[0025] ⑷將心分布范圍[Κ P_，KP_]等間隔分為F段，間隔點分別為Kro、KP1、K P2、……、 KPi、KP(i+1)、......、1^，其中1 -0、1、2、......、F，Kpo -K pmin，Kpf -Kpmax;
[0026] (e)對于給定的 Kp= K Pi，其中 i = 0、1、2、......、F，計算 q(z，Kp)= {?ω+ΚρΕΝ/ω+Ν^ωΒζ/τ在區(qū)間[0, Z)內(nèi)不同的實零點，從小5IJ大依次為Z0、Zl、 Z2、......、Zc 1，且 Zc - Z ;
[0027] (f)對于 t = 1、2、......、c，如果N(_jzt/ τ ) = 〇,則 it= 〇 ;若N(_s)在原點有個零 點，則令 i。= sgnWIipJzU/dzIz =。），其中sgn()為符號函數(shù)，P1 (z) =HIiDi(Z)Nr(Z)-Dr(Z) NjzUcosbHIiDjzMJzHDjzMdzUsinbMz/ τ ;否則 it= -1 或 1，具體由下式?jīng)Q定：
[0032] 假設滿足上述條件的集合I有h組；
[0033] (g)若根據(jù)步驟⑷得到的I是唯一的，計算由不等式組[KfAbjKD+BbJitX) 確定的（KDi，Kn)穩(wěn)定區(qū)間的交集3;，其中A(Zt) =Zt2/ T2，B(zt) =P1 (zJ/IX^zJ+NiYzt)]， t = 0、l、2、……、c，且t滿足N(jzt/〇乒0;若I不是唯一的，（KDl，Kn)則是步驟（d)中 的h組I所對應的穩(wěn)定區(qū)間的并集S1;
[0034] (h)返回步驟（e)，直至所有的Kpi所對應的（KDl，K 11)穩(wěn)定區(qū)間S1計算完畢。
[0035] (i)得到能夠確保時滯為τ』時系統(tǒng)G (s)穩(wěn)定的時滯PID參數(shù)分布范圍（K Pj，KDj， Klj)為（KPl，S1),其中 i = 0、1、2、……、F。
[0036] (j)若步驟（a)中的所有時滯離散點遍歷完畢，則取所有時滯對應的穩(wěn)定參數(shù)分 布范圍（KPj，KDj，Kl j)的交集作為適應隨機時滯的PID參數(shù)分布范圍（KP，KD，K1),否則返回 步驟（b)。
[0037] 進一步，所述步驟（7)中，在KpIeoKi三維坐標系中，由步驟（6)計算所得時滯PID 參數(shù)分布范圍（KpKwK1)形成若干個立體空間，確定每個立體空間的重心位置（KP，K epKi), 選擇其中一組作為所設計時滯PID阻尼控制器的參數(shù)。
[0038] 本發(fā)明的優(yōu)點是：不僅可以