用于非侵入式發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩估計的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明題為用于非侵入式發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩估計的系統(tǒng)和方法。用于與電功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SAS)包括處理器，其與關聯(lián)發(fā)電機的PMU進行通信。處理器配置成接收來自PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合。第一數(shù)據(jù)集基本上表示發(fā)電機的至少一個測量。處理器還配置成至少部分基于第一數(shù)據(jù)集來確定發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩。處理器還配置成至少部分基于估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。處理器還配置成向操作員輸出估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供發(fā)電機和網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
【專利說明】
用于非侵入式發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩估計的系統(tǒng)和方法
技術領域
[0001] 本公開一般設及電力網(wǎng)中的電力生成和穩(wěn)定性，W及更具體來說設及用于電力網(wǎng) 中的發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] -些已知電力系統(tǒng)基于系統(tǒng)的靜態(tài)視圖來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，運可能不考慮發(fā)電 機、負載和控制裝置之間的機電交互。隨著可再生發(fā)電（例如太陽能和風力發(fā)電機）的廣泛 部署，可控負載、能量儲存裝置和插入式混合電動車輛預計網(wǎng)絡基礎設施(例如通信、計算 和控制）的更大集成，實時地監(jiān)測和控制電力網(wǎng)的動態(tài)性能變得越來越重要。
[0003] 當分析電力系統(tǒng)時，電力系統(tǒng)狀態(tài)（例如變量）可分類為兩類，即，靜態(tài)類和動態(tài) 類。靜態(tài)類包括各種母線電壓幅值和相位角。運些測量可對某個時間期間緩慢地變化。但 是，變化將是較小并且短暫的。在一些已知系統(tǒng)中，運些靜態(tài)變量使用利用來自監(jiān)控和數(shù)據(jù) 獲取(SCADA)系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計器(SE)來估計。動態(tài)狀態(tài)包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度和 轉(zhuǎn)子角、與發(fā)電機、激勵器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、滿輪調(diào)速器、風力發(fā)電系統(tǒng)和系統(tǒng)中的其他動 態(tài)組件(例如電動機負載)關聯(lián)的內(nèi)部差異變量。雖然運些狀態(tài)類均對時間連續(xù)改變，但是 動態(tài)狀態(tài)是主要變量類，其支配系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。在許多情況下，可能不存在從電網(wǎng)可用的 運些動態(tài)狀態(tài)的直接測量。
[0004] 許多現(xiàn)代電力系統(tǒng)包括多個發(fā)電裝置，其在使用中基本上相互同步。各發(fā)電機在 物理配置W及操作性能特性和限制方面具有至少部分細微差異，因此各發(fā)電機將針對負荷 與其他所連接發(fā)電機略微有偏差。由于電力系統(tǒng)上的總負載在添加和去除負載時將隨時間 而連續(xù)改變，所W各同步發(fā)電機將W不同方式對變化起反應。雖然基本上保持發(fā)電機的電 磁和機械轉(zhuǎn)矩之間的均衡，但是電力系統(tǒng)的負荷中的小擾動將在同步發(fā)電機基于其結構W 及操作配置和限制對運些變化進行調(diào)整時對短時間期間發(fā)起電力系統(tǒng)中的電力需求與電 力可用性之間的平衡的偏移。跟隨擾動的各同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩的變化分解為兩個分 量，即，與轉(zhuǎn)子角偏差同相的同步轉(zhuǎn)矩分量W及與角速度偏差同相的阻尼轉(zhuǎn)矩分量。缺乏充 分同步轉(zhuǎn)矩與非振蕩不穩(wěn)定性關聯(lián)，W及缺乏阻尼轉(zhuǎn)矩引起低頻振蕩。
[0005] 更多相異的電力生成源的電網(wǎng)集成中固有的增加難題是表征單獨發(fā)電機對較高 級全系統(tǒng)目標、例如電網(wǎng)穩(wěn)定性的貢獻。一些已知穩(wěn)定性分析工具通過定義與各發(fā)電機關 聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩來針對振蕩的阻尼。但是，使用例如經(jīng)過相量測量單元(PMU)所提供的電壓和 電流樣本的外圍測量的阻尼轉(zhuǎn)矩估計按傳統(tǒng)完全是具有有限成功的概念工具。因此，為了 執(zhí)行單獨發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩評估，發(fā)電機必須經(jīng)受侵入式測試，也就是說，發(fā)電機對測試和 分析的時長必須停止使用，或者在使用中經(jīng)過人為擾動。但是，運種侵入式測試不提供跨不 同操作條件實時地估計來自各發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩貢獻。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 在一個方面，提供一種用于與電功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式 估計的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SAS)。該SAS包括處理器，其與關聯(lián)發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進 行通信。處理器配置成接收來自PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合。第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示發(fā) 電機的至少一個測量。處理器還配置成至少部分基于第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定發(fā)電機的估 計轉(zhuǎn)矩。處理器還配置成至少部分基于估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn) 矩分量。處理器還配置成向操作員輸出估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供發(fā)電 機和電功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0007] 在另一方面，提供一種用于與功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估 計的基于計算機的方法。該方法使用包括至少一個處理器的計算裝置，至少一個處理器與 關聯(lián)發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進行通信。該方法包括接收來自PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集 合。第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示發(fā)電機的至少一個測量。該方法還包括至少部分基于第 一數(shù)據(jù)樣本集合來確定發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩。該方法還包括至少部分基于估計轉(zhuǎn)矩來確定估 計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。該方法還包括向操作員輸出估計平均轉(zhuǎn)矩和一個 或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供發(fā)電機和功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0008] 在另一方面，提供一種其上包含了計算機可執(zhí)行指令的至少一個非暫時計算機可 讀存儲介質(zhì)。在由至少一個處理器運行時，計算機可執(zhí)行指令使處理器接收來自相量測量 單元(PMU)(其與處理器進行通信并且與功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián))的第一數(shù)據(jù)樣本集合。 第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示發(fā)電機的至少一個測量。另外，在由至少一個處理器運行時， 計算機可執(zhí)行指令使處理器至少部分基于第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩。此 夕h在由至少一個處理器運行時，計算機可執(zhí)行指令使處理器至少部分基于估計轉(zhuǎn)矩來確 定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。此外，在由至少一個處理器運行時，計算機可 執(zhí)行指令使處理器向操作員輸出估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供發(fā)電機和功 率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0009] 技術方案1: 一種用于與電功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計 的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，所述穩(wěn)定性分析系統(tǒng)包括與關聯(lián)所述發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進 行通信的處理器，所述處理器編程為： 接收來自所述PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合，所述第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示所述發(fā)電 機的至少一個測量； 至少部分基于所述第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定所述發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩； 至少部分基于所述估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量;W及 向操作員輸出所述估計平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供所述發(fā)電機和所 述電功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0010] 技術方案2:如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩 分量的各轉(zhuǎn)矩分量與模態(tài)角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。
[0011] 技術方案3:如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個 或多個估計轉(zhuǎn)矩分量包括使用系統(tǒng)識別技術來估計所述平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計 轉(zhuǎn)矩分量。
[0012] 技術方案4:如權利要求3所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)識別技術是卡爾 曼濾波器、粒子濾波器、龍伯格觀測器和自適應向量量化(AVQ)其中之一。
[0013] 技術方案5:如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個 或多個估計轉(zhuǎn)矩分量還至少部分基于確定在時間t的所述估計平均轉(zhuǎn)矩如勺值和滬g 參考系中的?^估計轉(zhuǎn)矩分量死抓'麻死g W，其中J'=l至扭，使得在時間謝所述估計轉(zhuǎn)矩死W 基本上等于：
其中，
是所估計角，其中Wj是第i模態(tài)角頻率的所述估計速度，W 及
是所估計空間相量對其參考系被鎖定的角度。
[0014] 技術方案6:如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述第一數(shù)據(jù)樣本包括在 時間t的功率A的樣本的離散值，其中所述估計轉(zhuǎn)矩計算為所述功率A與所述發(fā)電機的估計 速度和測量速度中的一個速度W的比率。
[0015] 技術方案7:如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述處理器還編程為： 使用與所述發(fā)電機關聯(lián)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)來初始化與所述一個或多個轉(zhuǎn)矩分量關聯(lián)的 多個頻率;W及 使用比例-積分補償器來更新所述多個頻率，W使連續(xù)樣本中的相位角之間的誤差為 最小。
[0016] 技術方案8:-種用于與功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的 基于計算機的方法，所述方法使用包括與關聯(lián)所述發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進行通信 的至少一個處理器的計算裝置，所述方法包括： 接收來自所述PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合，所述第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示所述發(fā)電 機的至少一個測量； 至少部分基于所述第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定所述發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩； 至少部分基于所述估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量;W及 向操作員輸出所述估計平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供所述發(fā)電機和所 述功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0017] 技術方案9:如權利要求8所述的方法，其中，所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量的各轉(zhuǎn) 矩分量與模態(tài)角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。
[0018] 技術方案10:如權利要求8所述的方法，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估 計轉(zhuǎn)矩分量包括使用系統(tǒng)識別技術來估計所述平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。
[0019] 技術方案11:如權利要求10所述的方法，其中，所述系統(tǒng)識別技術是卡爾曼濾波 器、粒子濾波器、龍伯格觀測器和自適應向量量化(AVQ)其中之一。
[0020] 技術方案12:如權利要求8所述的方法，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估 計轉(zhuǎn)矩分量還至少部分基于確定在時間t的所述估計平均轉(zhuǎn)矩如勺值和滬g參考系中 的m個估計轉(zhuǎn)矩分量Te抓V和TegW，其中i=l至m，使得在時間t的所述估計轉(zhuǎn)矩7；^^基本上等 于：
[態(tài)角頻率的所述估計速度，W 及
I所估計空間相量對其參考系被鎖定的角度。
[0021] 技術方案13:如權利要求8所述的方法，其中，所述第一數(shù)據(jù)樣本包括在時間t的功 率A的樣本的離散值，其中所述估計轉(zhuǎn)矩計算為所述功率A與所述發(fā)電機的估計速度和測 量速度中的一個速度W的比率。
[0022] 技術方案14:如權利要求8所述的方法，還包括： 使用與所述發(fā)電機關聯(lián)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)來初始化與所述一個或多個轉(zhuǎn)矩分量關聯(lián)的 多個頻率;W及 使用比例-積分補償器來更新所述多個頻率，W使連續(xù)樣本中的相位角之間的誤差為 最小。
[0023] 技術方案15:至少一個非暫時計算機可讀存儲介質(zhì)，其上包含了計算機可執(zhí)行指 令，其中，在由至少一個處理器運行時，所述計算機可執(zhí)行指令使所述處理器： 接收來自與所述處理器進行通信并且與功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的相量測量單元 (PMU)的第一數(shù)據(jù)樣本集合，所述第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示所述發(fā)電機的至少一個測 量； 至少部分基于所述第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定所述發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩； 至少部分基于所述估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量;W及 向操作員輸出所述估計平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供所述發(fā)電機和所 述功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。
[0024] 技術方案16:如權利要求15所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述一個或多個估 計轉(zhuǎn)矩分量的各轉(zhuǎn)矩分量與模態(tài)角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。
[0025] 技術方案17:如權利要求15所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩 和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量包括使用系統(tǒng)識別技術來估計所述平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多 個估計轉(zhuǎn)矩分量。
[0026] 技術方案18:如權利要求17所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述系統(tǒng)識別技術 是卡爾曼濾波器、粒子濾波器、龍伯格觀測器和自適應向量量化(AVQ)其中之一。
[0027] 技術方案19:如權利要求15所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩 和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量還至少部分基于確定在時間t的所述估計平均轉(zhuǎn)矩州勺 值和(6/-慘考系中的估計轉(zhuǎn)矩分量心W和死g W，其中J'= 1至扭，使得在時間術所述估計 轉(zhuǎn)矩基本上等于：
其中，
是所估計角，其中是第i模態(tài)角頻率的所述估計速度，W 及
是所估計空間相量對其參考系被鎖定的角度。
[0028] 技術方案20:如權利要求15所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述第一數(shù)據(jù)樣本 包括在時間t的功率Pe的樣本的離散值，其中所述估計轉(zhuǎn)矩計算為所述功率A與所述發(fā)電機 的估計速度和測量速度中的一個速度W的比率。
【附圖說明】
[0029] 通過參照附圖閱讀W下詳細描述，將會更好地了解本公開的運些及其他特征、方 面和優(yōu)點，附圖中，相似標號通篇表示相似部件，附圖包括： 圖I是示范輸送網(wǎng)絡和示范配電系統(tǒng)的一般示意圖； 圖2是用來分析圖1所示輸電網(wǎng)的示范穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SAS)的框圖； 圖3是包括多個相量測量單元(PMU)、用于使用圖2所示SAS來監(jiān)測和管理圖1所示電功 率網(wǎng)絡的示范廣域測量系統(tǒng)(WAMS)的數(shù)據(jù)流程圖； 圖4是包括其中PMU數(shù)據(jù)由包括示范動態(tài)狀態(tài)估計器、圖2所示SAS來收集和分析的示范 發(fā)電機和圖3所示W(wǎng)AMS、圖1所示電功率網(wǎng)絡的一部分的簡圖； 圖5是由圖4所示阻尼轉(zhuǎn)矩估計器所執(zhí)行W用于使用圖4所示動態(tài)狀態(tài)估計器所生成的 估計輸出來估計圖4所示發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的示范過程的簡圖； 圖6是與圖4所不發(fā)電機關聯(lián)的相量Aff和AS的定位的圖表； 圖7是由圖5所示示范轉(zhuǎn)矩相量提取器所執(zhí)行W用于估計與各振蕩模式對應的轉(zhuǎn)矩相 量的示范過程的簡圖； 圖8是使用圖2所示SAS對圖4所示發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的示范方法的流 程圖；W及 圖9示出可用于如本文所述的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的計算裝置中的數(shù)據(jù)庫的示例 配置連同如其他相關計算組件。
[0030] 除非另加說明，否則本文所提供的附圖意在示出本公開的實施例的特征。運些特 征被認為可適用于包括本公開的一個或多個實施例的大量系統(tǒng)。因此，附圖不是意在包括 本領域的技術人員已知的、實施本文所公開實施例所需的所有常規(guī)特征。
【具體實施方式】
[0031] 在W下說明書和權利要求書中，將參照定義成具有下列含意的多個術語。
[0032] 單數(shù)形式"一"、"一個"、"該"和"所述"包括復數(shù)引用，除非上下文另加明確說明。
[0033] "可選的"或"可選地"表示隨后描述的事件或情況可能發(fā)生或者可能不發(fā)生，W及 本描述包括其中發(fā)生事件的實例W及其中沒有發(fā)生事件的實例。
[0034] 如本文在本說明書和權利要求書中通篇使用的近似語言可適用于修改可準許改 變的任何定量表示，而沒有引起與其相關的基本功能的變化。相應地，通過諸如"大紛V'近 似"和"基本上"之類的一個或多個術語所修改的值并不局限于所指定的精確值。在至少一 些情況下，近似語言可對應于用于測量該值的儀器的精確度。在運里并且在整個說明書和 權利要求書中，范圍限制可經(jīng)過組合和/或互換，運類范圍被標識，并且包括其中包含的所 有子范圍，除非上下文或語言另加說明。
[0035] 如本文所使用的術語"處理器"和"計算機"及相關術語、例如"處理裝置"、"計算裝 置"和"控制器"并不局限于只是本領域稱作計算機的那些集成電路，而是廣義地表示微控 制器、微型計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、專用集成電路W及其他可編程電路，并且運些 術語在本文中可互換地使用。在本文所述的實施例中，存儲器可包括但不限于計算機可讀 介質(zhì)(例如隨機存取存儲器(RAM))和計算機可讀非易失性介質(zhì)(例如閃速存儲器）。備選地， 也可使用軟盤、致密光盤只讀存儲器(CD-ROM)、磁光盤(MOD)和/或數(shù)字多功能光盤(DVD)。 另外，在本文所述的實施例中，附加輸入通道非限制性地可W是與操作員接口關聯(lián)的計算 機外設，例如鼠標和鍵盤。備選地，也可使用其他計算機外設，其可包括例如但不限于掃描 儀。此外，在示范實施例中，附加輸出通道可包括但不限于操作員接口監(jiān)視器。
[0036] 如本文所使用的術語"非暫時計算機可讀介質(zhì)"意在表示按照任何方法或技術所 實現(xiàn)W用于信息(例如計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結構、程序模塊和子模塊或者任何裝置中的其 他數(shù)據(jù))的短期和長期存儲的任何有形的基于計算機的裝置。因此，本文所述的方法可編碼 為包含在有形非暫時計算機可讀介質(zhì)(非限制性地包括存儲裝置和/或存儲器裝置)中的可 執(zhí)行指令。運類指令在由處理器運行時使該處理器執(zhí)行本文所述方法的至少一部分。此外， 如本文所使用的術語"非暫時計算機可讀介質(zhì)"包括所有有形計算機可讀介質(zhì)，非限制性地 包括非暫時計算機存儲裝置(非限制性地包括易失性和非易失性介質(zhì)、可拆卸和不可拆卸 介質(zhì)，例如固件、物理的虛擬存儲裝置、CD-ROM、DVD)和任何其他數(shù)字源(例如網(wǎng)絡或因特 網(wǎng)）W及有待開發(fā)的數(shù)字介質(zhì)，其中唯一例外是暫時傳播信號。
[0037] 如本文所使用的術語"軟件"和"固件"是可互換的，并且包括存儲器中存儲的任何 計算機程序，W供非限制性地包括移動裝置集群、個人計算機、工作站、客戶端和服務器的 裝置執(zhí)行。
[0038] 此外，如本文所使用的術語"實時"表示關聯(lián)事件的發(fā)生時間、預定數(shù)據(jù)的測量和 收集的時間、處理數(shù)據(jù)的時間W及對事件和環(huán)境的系統(tǒng)響應的時間中的至少一個。在本文 所述的實施例中，運些活動和事件基本上同時發(fā)生。
[0039] 如本文所使用的術語"操作員"包括與操作和維護配電系統(tǒng)關聯(lián)的任何職位的任 何人，非限制性地包括本文所述系統(tǒng)的用戶、輪班操作人員、維護技術人員和系統(tǒng)監(jiān)控人 員。
[0040] 如本文所使用的術語"數(shù)據(jù)流"一般用來表示數(shù)據(jù)值的有序系列，其從一個裝置來 收集并且跨通信網(wǎng)絡發(fā)送給另一個裝置。更具體來說，在一些實施例中，相量測量單元 (PMU)從輸電網(wǎng)中的特定點來捕獲數(shù)據(jù)值、例如電流和電壓電平。在一些實施例中，運些值 W每秒60次的頻率來收集（即，每隔1/60秒收集一個值KPM閑尋所收集值的運個系列作為 "數(shù)據(jù)流"連續(xù)發(fā)送給另一個計算裝置、例如相量數(shù)據(jù)集中器(PDC)和/或穩(wěn)定性分析系統(tǒng) (SAS)，供進一步處理。
[0041 ]如本文所使用的術語"穩(wěn)定性分析"用來表示經(jīng)過至少一個相量測量單元(PMU)所 記錄的實時數(shù)據(jù)的分析，W估計單獨發(fā)電機的動態(tài)狀態(tài)，并且實現(xiàn)針對頻率振蕩的各單獨 模式實時地對相應發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的實際估計。
[0042] 如本文所使用的術語"模式"用來表示電力系統(tǒng)中的低頻振蕩的機電模式。各振蕩 模式通過整個電力系統(tǒng)的振蕩的關聯(lián)模態(tài)角頻率(modal angular打equency)、阻尼和形 狀來定義。模式形狀定義整個系統(tǒng)的振蕩的幅度和定相(phasing), W及有效振蕩阻尼至少 部分依靠電力系統(tǒng)的機電模態(tài)性質(zhì)的有效識別。
[0043] 本文所述的方法和系統(tǒng)包括分析從相量測量單元(PMU)發(fā)送給輸電和/或配電網(wǎng) ("電力網(wǎng)"）中的相量數(shù)據(jù)集中器(PDC)和/或穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SAS)的數(shù)據(jù)流。運些系統(tǒng)和 方法針對提供電力網(wǎng)中的穩(wěn)定性W及更具體來說是用于估計與電力網(wǎng)中的發(fā)電機關聯(lián)的 阻尼轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)和方法。如本文所使用的SAS平衡估計發(fā)電機的動態(tài)狀態(tài)的PMU 技術的進步并且實現(xiàn)進一步針對單獨模式的單獨發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的實際估計。本文所述 的SAS使用高解析度PMU測量來估計動態(tài)狀態(tài)，W提供對電網(wǎng)穩(wěn)定性的判斷力。運類測量對 電網(wǎng)操作越來越至關重要，因為越來越大的發(fā)電量由與電網(wǎng)運營商無關的實體來提供，從 而要求來自單獨發(fā)電機的電網(wǎng)穩(wěn)定貢獻在無需在單獨發(fā)電機設施的侵入式測量的情況下 量化和檢驗。PMU跨大地理位置是時間同步的，與改進算法和計算硬件相組合，估計系統(tǒng)的 動態(tài)狀態(tài)并且實時地跨寬廣區(qū)域捕獲動態(tài)性能。
[0044] 圖1是示范電功率網(wǎng)絡100的一般示意圖。電功率網(wǎng)絡100通常包括經(jīng)過輸電網(wǎng)103 輸出電力的發(fā)電廠102,其中輸電網(wǎng)103包括超高壓輸電網(wǎng)104和高壓輸電網(wǎng)106,經(jīng)過其將 電力傳送給示范配電系統(tǒng)110。電功率網(wǎng)絡100非限制性地可包括任何數(shù)量、類型和配置的 超高壓輸電網(wǎng)104、高壓輸電網(wǎng)106和配電系統(tǒng)IioW及配電系統(tǒng)110、高壓輸電網(wǎng)106(例如 大于110-265千伏化V)和超高壓輸電網(wǎng)104(例如大于265 kV)中的任何數(shù)量的消費者。
[0045] 配電系統(tǒng)110包括低瓦特消費者112和工業(yè)中等瓦特消費者114。配電系統(tǒng)110還包 括分布式發(fā)電機130,其中包括城市發(fā)電廠132、太陽能發(fā)電場134和風力田136。雖然配電系 統(tǒng)110示為具有示范數(shù)量和類型的分布式發(fā)電機130,但是配電系統(tǒng)110可包括任何數(shù)量和 類型的分布式發(fā)電機130,非限制性地包括柴油發(fā)電機、微型滿輪機、太陽能收集器陣列、光 伏陣列和風力滿輪機。
[0046] 圖2是用來分析網(wǎng)絡100(圖1所示）的示范穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SASU20的框圖。備選 地，可使用實現(xiàn)如本文所述的SAS 120的操作的任何計算機架構。SAS 120促進從例如網(wǎng)絡 100中的發(fā)電機的互連點的PMU數(shù)據(jù)的收集、動態(tài)狀態(tài)變量(例如發(fā)電機轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)子速度） 的分析、測量和估計、各種穩(wěn)定性分析(包括但不限于發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩貢獻的估計、具有不 正確調(diào)諧組件(例如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、激勵器)的發(fā)電機的識別、用于改進系統(tǒng)穩(wěn)定性的控 制的關鍵發(fā)電機的識別、實時地對穩(wěn)定性余量的識別和跟蹤W及分析結果的呈現(xiàn)和/或?qū)?網(wǎng)絡100的配置變更的執(zhí)行）。
[0047] 在示范實施例中，SAS 120包括存儲器裝置150W及操作上禪合到存儲器裝置150 供運行指令的處理器152。在一些實施例中，可執(zhí)行指令存儲在存儲器裝置150中。SAS 120 由編程處理器152可配置成執(zhí)行本文所述的一個或多個操作。例如，可通過將操作編碼為一 個或多個可執(zhí)行指令，并且在存儲器裝置150中提供可執(zhí)行指令，來對處理器152編程。處理 器152可例如非限制性地包括按照多核配置的一個或多個處理單元。
[0048] 此外，在示范實施例中，存儲器裝置150是實現(xiàn)諸如可執(zhí)行指令和/或其他數(shù)據(jù)之 類的信息的存儲和檢索的一個或多個裝置。存儲器裝置150可包括一個或多個有形非暫時 計算機可讀介質(zhì)，非限制性地例如隨機存取存儲器(RAM)、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、靜 態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、固態(tài)硬盤、硬盤、只讀存儲器(ROM)、可擦可編程ROM化PROM)、電 可擦可編程ROM化EPROM)和/或非易失性RAM(NVRAM)存儲器。上述存儲器類型只是示范性 的，并且因而并不是限制可用于存儲計算機程序的存儲器的類型。
[0049] 另外，在示范實施例中，存儲器裝置150可配置成存儲與發(fā)電廠102的組件關聯(lián)的 多種操作數(shù)據(jù)W及從與輸電網(wǎng)103的組件關聯(lián)的PMU(圖1中未示出）所傳送的操作數(shù)據(jù)，非 限制性地包括在輸電網(wǎng)103中的感興趣點的電壓和電流。
[0化0] 在一些實施例中，SAS 120包括禪合到處理器152的呈現(xiàn)接口 154。呈現(xiàn)接口 154向 用戶156呈現(xiàn)諸如用戶界面和/或告警之類的信息。例如，呈現(xiàn)接口 154可包括顯示適配器 (未示出），其可禪合到諸如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器化CD)、有機LED(OLED)顯示器和/ 或具有顯示器的手持裝置之類的顯示裝置(未示出）。在一些實施例中，呈現(xiàn)接口 154包括一 個或多個顯示裝置。作為補充或替代，呈現(xiàn)接口 154可包括音頻輸出裝置(未示出），例如音 頻適配器和/或卿趴。
[0051 ] 在一些實施例中，SAS 120包括用戶輸入接口 158。在示范實施例中，用戶輸入接口 158禪合到處理器152,并且接收來自用戶156的輸入。用戶輸入接口 158可包括例如鍵盤、指 針裝置、鼠標、觸控筆和/或觸敏面板(例如觸摸板或觸摸屏）。單個組件、例如觸摸屏可用作 呈現(xiàn)接口 154和用戶輸入接口 158的顯示裝置。
[0052] 此外，通信接口 160禪合到處理器152,并且配置成禪合成與一個或多個其他裝置 (非限制性地例如輸電網(wǎng)103中的組件、另一個SAS 120、一個或多個PMU(圖2中未示出）W及 能夠訪問SAS 120的任何裝置、非限制性地包括便攜膝上型計算機、個人數(shù)字助理(PDA)和 智能電話)進行通信。通信接口 160可W非限制性地包括有線網(wǎng)絡適配器、無線網(wǎng)絡適配器、 移動電信適配器、串行通信適配器和/或并行通信適配器。通信接口 160可從一個或多個遠 程裝置接收數(shù)據(jù)和/或向其傳送數(shù)據(jù)。例如，一個SAS 120的通信接口 160可將事務信息傳送 給另一個SAS 120的通信接口 160和/或PMU(圖2中未示出KSAS 120可W是萬維網(wǎng)使能的， W供例如與遠程臺式計算機(未示出）進行遠程通信。在示范實施例中，通信接口 160基于至 少部分通過標準(非限制性地包括電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)C37.118-2標準)所支配的 通信協(xié)議來接收和處理來自PMU的信號。
[0053] 另外，呈現(xiàn)接口 154和/或通信接口 160均能夠例如向用戶156或另一個裝置提供適 合與本文所述方法配合使用的信息。相應地，呈現(xiàn)接口 154和通信接口 160可稱作輸出裝置。 類似地，用戶輸入接口 158和通信接口 160能夠接收適合與本文所述方法配合使用的信息， 并且可稱作輸入裝置。
[0054] 此外，處理器152和/或存儲器裝置150也可在操作上禪合到存儲裝置162。存儲裝 置162是適合存儲和/或檢索數(shù)據(jù)、非限制性地例如與數(shù)據(jù)庫164關聯(lián)的數(shù)據(jù)的任何計算機 操作硬件。在示范實施例中，存儲裝置162集成在SAS 120中。例如，SAS 120可包括作為存儲 裝置162的一個或多個硬盤驅(qū)動器。此外，例如，存儲裝置162可包括多個存儲單元，例如按 照冗余廉價磁盤陣列(RAID)配置的硬盤和/或固態(tài)磁盤。存儲裝置162可包括存儲區(qū)域網(wǎng)絡 (SAN)、網(wǎng)絡附連存儲(NAS)系統(tǒng)和/或基于云的存儲。備選地，存儲裝置162是SAS 120外部 的，并且可由存儲接口（未示出）來訪問。
[0055] 此外，在示范實施例中，數(shù)據(jù)庫164包含與組件關聯(lián)的多種靜態(tài)和動態(tài)操作數(shù)據(jù)， 其中一部分可從與網(wǎng)絡100中的組件關聯(lián)的PMU(圖2中未示出）來傳送，非限制性地包括網(wǎng) 絡100中的感興趣點的電壓和電流相量。
[0056] 本文所示和所述的實施例W及本文沒有具體描述但處于本公開的方面的范圍之 內(nèi)的實施例構成用于使用來自一個或多個PMU的數(shù)據(jù)值來估計阻尼轉(zhuǎn)矩的示范部件。例如， SAS 120W及添加到其中或者包含在其中的任何其他類似計算機裝置當集成在一起時包括 充分的計算機可讀存儲介質(zhì)，其編程有充分的計算機可執(zhí)行指令，W便如本文所述采用處 理器來運行進程和技術。具體來說，SAS 120W及對其添加或者其中包含的任何其他類似計 算機裝置當集成在一起時構成用于估計與網(wǎng)絡100中的一個或多個發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩 的示范部件。
[0057] 圖3是包括多個相量測量單元(PMU)320、用于使用SAS 120(圖2所示）來監(jiān)測和管 理電功率網(wǎng)絡1〇〇(圖1所示）的示范廣域測量系統(tǒng)(WAMS)300的數(shù)據(jù)流程圖。WAMS 300包括 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡310,其使用數(shù)據(jù)鏈路312在通信上禪合一個或多個PMU 320和至少一個相量數(shù)據(jù) 集中器和/或SAS 120。每個PMU 320在特定位置、例如變電站322在通信上禪合到輸電網(wǎng)（圖 I所示）。在一些實施例中，變電站322是發(fā)電廠102連接到輸電網(wǎng)103的點。此外，在一些實施 例中，PMU 320和SAS 120在通信上禪合到時間同步源、例如衛(wèi)星340。無線數(shù)據(jù)鏈路342允許 PMU 320和SAS 120與衛(wèi)星340進行通信，W促進使用加時戳的已知方法所收集的樣本的同 步。
[0058] 在操作期間，在示范實施例中，PMU 320測量和/或收集來自網(wǎng)絡100中的變電站 322的數(shù)據(jù)、例如相量數(shù)據(jù)。PMU 320可每秒多次、例如在每秒10與120個樣本之間對數(shù)據(jù)值 進行取樣。PMU 320還將時間與衛(wèi)星340同步，使得對所收集數(shù)據(jù)值加時戳，從而允許來自多 個PMU 320的值在分析期間共同經(jīng)過時間相互關連。PMU 320跨數(shù)據(jù)網(wǎng)絡310將所測量值作 為"數(shù)據(jù)流"傳送給管理裝置、例如SAS 120"SAS 120將運個數(shù)據(jù)流用于操作任務，例如估計 網(wǎng)絡100中的一個或多個發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩。
[0059] 圖4是包括其中PMU數(shù)據(jù)由SAS 120來收集和分析的發(fā)電機410和WAMS 300(圖3所 示）的電功率網(wǎng)絡100的簡圖400。發(fā)電機410產(chǎn)生并且向網(wǎng)絡100傳送電力輸出412。在示范 實施例中，SAS 120包括動態(tài)狀態(tài)估計器430,其包括用于使用來自一個或多個PMU 320的實 時PMU測量來生成一個或多個發(fā)電機410的動態(tài)狀態(tài)(例如速度和角）的模型432。運些動態(tài) 狀態(tài)作為估計輸出440提供給阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450,其生成估計阻尼轉(zhuǎn)矩460。
[0060] 更具體來說，在示范實施例中，模型432(例如發(fā)電機的動態(tài)模型）使用來自PMU 320、采取在發(fā)電機母線(未示出）的電壓和電流相量的形式的PMU數(shù)據(jù)來估計處于當前時間 樣本的動態(tài)變量，W及對將來的若干時間樣本預測運些變量。另外，模型432配置成使用某 些輸入的測量和計算值W及估計值，非限制性地例如測量和估計功率、現(xiàn)慢和估計速度W 及計算轉(zhuǎn)矩。
[0061] 在一個實施例中，動態(tài)狀態(tài)估計器430實現(xiàn)狀態(tài)觀測器算法、例如基于龍伯格觀測 器化uenberger Observer)的方式。應用龍伯格觀測器的一種版本的假設包括下列一個或 多個：（i)基礎物理系統(tǒng)，其可通過已知為適當精度的線性時不變化TI)模型來近似計算； (ii化TI模型必須是可觀測的（例如W充分余量通過可觀測性的代數(shù)秩測試，W允許健壯數(shù) 值計算）；W及（iii)輸入量和輸出的實時測量可用來提供給觀測器算法。歷史上，運些假設 過于嚴格而無法實際使用，特別是在假定可能用作電力網(wǎng)的驅(qū)動輸入的大范圍的量作為測 量是可用的常常被看作不切實際的電力系統(tǒng)情況下。在運里，來自PMU 320的數(shù)據(jù)克服運些 歷史限制的至少一部分。在與綁定到交流(AC)電網(wǎng)（例如網(wǎng)絡100)的同步發(fā)電機(例如發(fā)電 機410)的行為關聯(lián)的狀態(tài)的上下文中，PMU 320提供可使用的輸出量。通過適當構成的模型 432,動態(tài)狀態(tài)估計器430使用表示發(fā)電機輸入量的信號對狀態(tài)觀測器進行饋送，而無需發(fā) 電機410內(nèi)部的侵入式測量。
[0062] 禪合到AC電網(wǎng)（例如網(wǎng)絡100)的同步機器(例如發(fā)電機410)在運個示范實施例中 描述為具有兩個主要輸入信號:機械軸轉(zhuǎn)矩和所施加場繞組電壓。在考慮關聯(lián)激勵和調(diào)速 器控制系統(tǒng)之前，注意點首先開始于發(fā)電機410。雖然將要被看作輸出的量的選擇可隨建模 方式而改變，但是運個示范實施例考慮作為發(fā)電機410所確定的輸出的定子電流。發(fā)電機端 子電壓和輸送電力然后通過運些電流與附連AC網(wǎng)絡的交互經(jīng)過電力流方程來確定。在電網(wǎng) 操作中，SAS 120集中于作為接近正弦信號的運些電流的正序列元素的相量行為。運個行為 通過如PMU 320所提供的幅值、相位角和頻率(例如從發(fā)電機410輸送到網(wǎng)絡100的電力輸出 412的報告)來確定。
[0063] 在示范實施例中，動態(tài)狀態(tài)估計器430使用"自舉"過程(其評估更簡單模型432W 從代數(shù)關系來恢復輸入量，然后按照更詳細模型432來細化內(nèi)部發(fā)電機狀態(tài)的估計)來估計 輸入量。可通過采用降維龍伯格觀測器的理論并且利用可用的若干PMU量是系統(tǒng)狀態(tài)的子 集的直接測量的事實，來使運種試探方式是嚴格的。例如，對于輸入轉(zhuǎn)矩信號的恢復的情 況，給定輸送到網(wǎng)絡的發(fā)電機電流的PMU測量W及在升壓變壓器(未示出）的端子電壓或代 數(shù)相關量，SAS 120具有電輸出功率的數(shù)據(jù)。在運個示范實施例中，自舉的一個元素也使用 電壓角和頻率測量來直接得出角加速度的"測量"。隨后，描述原動機所驅(qū)動的=相同步發(fā) 電機中的轉(zhuǎn)子動態(tài)的"擺動方程"提供來自加速度和電力的代數(shù)關系，W恢復輸入機械轉(zhuǎn) 矩。在擺動方程的使用中隱含的是發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)慣性。通過構成降維觀測器的運種示范方 式允許作為偽狀態(tài)的狀態(tài)空間到慣性的擴大，并且允許觀測器還產(chǎn)生其值的估計。運種降 維龍伯格觀測器架構提供固有地是分布式的優(yōu)點，其中具有各發(fā)電機的內(nèi)部狀態(tài)的估計W 及可局部估計的阻尼轉(zhuǎn)矩貢獻。
[0064] 在另一個實施例中，動態(tài)狀態(tài)估計器430實現(xiàn)基于卡爾曼化alman)濾波器（"KF") 的方式(例如卡爾曼濾波器及其變體、例如擴展卡爾曼濾波器化KF))。在運個實施例中，KF 方式遞歸地使用所觀測的有噪測量的時間系列來產(chǎn)生未知狀態(tài)/變量的統(tǒng)計上最佳的估 計。在估計過程期間，電力系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)被看作是隨機變量，其中具有考慮測量噪聲的估 計平均數(shù)和協(xié)方差。關于考慮對電力系統(tǒng)應用KF方式是處理由微分和代數(shù)方程(DAE)所定 義的系統(tǒng)動態(tài)的非線性數(shù)學模型的能力。為了簡化過程，非線性DAE經(jīng)過線性化和雅可比 (Jacobian)計算來近似計算。運種線性化引入隨時間可變得顯著的近似誤差。此外，雅可比 的計算是計算費用高的，因為它必須在算法的各迭代執(zhí)行。
[0065] 為了克服運些限制的至少一部分，在一個實施例中，使用無味變換化T)(例如無導 數(shù)方式）dUT與KF相組合W形成無味卡爾曼濾波器化KF)方式，其更為簡單并且更為計算有 效。UKF方式是用于近似計算概率分布的非線性變換的一般方法。核屯、思路是查找經(jīng)受DAE 模型所給出的非線性變換的隨機變量的平均數(shù)和協(xié)方差的一致、有效和無偏估計。使用離 散取樣點集合可用來參數(shù)化平均數(shù)和協(xié)方差的原理，估計器對線性系統(tǒng)產(chǎn)生與KF相似的性 能，但是一般化到?jīng)]有邸F所要求的線性化步驟的非線性系統(tǒng)。
[0066] 圖5是由阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450所執(zhí)行W用于使用動態(tài)狀態(tài)估計器430所生成的估計 輸出來估計發(fā)電機410(圖4所示）的阻尼轉(zhuǎn)矩的過程500的簡圖。在示范實施例中，發(fā)電機 410的機電轉(zhuǎn)矩死按照功率角（S)和速度（W)平面來表示。不是使用絕對值，示范實施例而 是使用運些量的偏差(例如端、AS和A ?)。在網(wǎng)絡1〇〇(圖1所示）中的擾動之后，死、巧口《 W表征網(wǎng)絡100上的發(fā)電機的機電響應的頻率進行振蕩。假定單模態(tài)特性，運些量中的偏差 可表達為相同頻率Wi但不同相位的正弦波。因此，轉(zhuǎn)矩偏差、功率角偏差A S和速度偏 差A W可分別表達為旋轉(zhuǎn)相量和。
[0067] 圖6是與發(fā)電機(圖4所示)關聯(lián)的估計轉(zhuǎn)矩偏差相量A君610、功率角偏差相量A京 620和速度偏差為瓦：630的定位的圖表600。圖表600定義原點602。在示范實施例中，A罕 610是轉(zhuǎn)矩相量，M 620是角相量，A瓦630是速度相量，W及AE 630軸超前記620軸90 度，因巧
旋轉(zhuǎn)的角速度等于振蕩的角頻率。因此，轉(zhuǎn)矩相量A巧610可寫作：
其中J指示矩形坐標系中的特定軸旋轉(zhuǎn)90度(例如A W 630軸超前A京620 90度）。沿 速度相量本E 630的轉(zhuǎn)矩相量AS； 610的分量是阻尼轉(zhuǎn)矩614, W及是阻尼轉(zhuǎn)矩系 數(shù)。沿角相量;A普：620的轉(zhuǎn)矩相量.A巧610的分量是同步轉(zhuǎn)矩&鴉612, W及策是同步轉(zhuǎn)矩系 數(shù)。
[006引現(xiàn)在參照圖5和圖6,在示范實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450從PMU測量420來估計例 如發(fā)電機410的阻尼轉(zhuǎn)矩;614和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)&/。使用動態(tài)狀態(tài)估計器430(例如經(jīng)由 DSE算法)所估計的速度W W及在發(fā)電機端子(例如從PMU 320)的測量功率輸出A，發(fā)電機 410的機電轉(zhuǎn)矩7；可通過下式來計算：
其中，下標' e '指示關聯(lián)變量是電轉(zhuǎn)矩或功率，如與例如機械轉(zhuǎn)矩或功率相反。備選地， 不是使用估計速度W值，而是使用來自所安裝儀表的所測量實時速度W值。
[0069] 在實際電力系統(tǒng)中，發(fā)電機400中的振蕩可具有多種模式的簽名。阻尼轉(zhuǎn)矩的概念 保持為相同，只不過單獨模式在獨立旋轉(zhuǎn)相量參考系(其速度對應于相應模態(tài)角頻率）中分 析。在示范實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450實現(xiàn)通用多模態(tài)系統(tǒng)的估計過程500。下面，轉(zhuǎn)矩 和速度表達為空間相量焉和苦而不是相量戈:嘴卑?？臻g相量的分量在公共旋轉(zhuǎn)直接-正交 rV-g")參考系中測量。下標在本文中用來表示第模式。
[0070] 假定存在模式，經(jīng)過測量功率511和估計速度512(在一些實施例 中使用測量速度W 從等式2所得到的所計算電磁轉(zhuǎn)矩Ut; 510可表達為：
其中死aw似是轉(zhuǎn)矩的平均值，"Re"指示復合量的實部，W是轉(zhuǎn)子速度，堤時間，嫌 示正交軸，W及i表示發(fā)電機索引'i'?？臻g相量可分解為單獨旋轉(zhuǎn)參考系，如：
在運里，
，其中是第i模態(tài)角頻率的估計速度，W及
是估計空間相量對其參考系被鎖定的角度。
[0071 ] 在示范實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450的目標是計算530、TegW八妍日Tww a如勺值。阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450實現(xiàn)使用遞歸卡爾曼濾波方式的轉(zhuǎn)矩相量提取520, W估計參 數(shù)向量：
，（等式5) 在各迭代，執(zhí)行若干步驟。步驟1包括計算預測誤差：
(等式6) 其中，參紙是回歸量，表達為：
，（等式7) 步驟2包括計算卡爾曼增益向量估
(等式8) 步驟3包括更新協(xié)方差矩陣/Yt入
(等式9) 步驟4包括更新參數(shù)向量禽槪：
參數(shù)向量沒托諫用零來初始化，W及協(xié)方差矩陣/Yt;采用高值(例如1〇4/，其中堤單 位矩陣）來初始化。化是對角矩陣，其元素相對化來歸一化，運使化變?yōu)閱挝辉?。化的選擇 取決于過程噪聲協(xié)方差，其難W先驗地已知。因此，化可調(diào)諧成得到濾波器收斂速度與參數(shù) 估計中的平穩(wěn)(tranqui 1 i ty)之間的適當平衡。
[0072] 此外，模態(tài)頻率可采用例如從線性分析所得到的標稱值來初始化，其對較大的實 際電力系統(tǒng)可能不一定是直接的。為了避免運種情況，在示范實施例中，采用自行初始化方 法，其中適合于環(huán)境條件的估計算法用來得到測量數(shù)據(jù)的頻譜，W初始化頻率。也可采用歷 史數(shù)據(jù)和/或操作員經(jīng)驗。運個初始頻率然后隨時間根據(jù)實際測量來更新。隨變化操作條件 的頻率的變化被單獨模式的頻率校正回路在線跟蹤，其中P巧H嘗器使連續(xù)樣本中的相位角 之間的誤差為最小。
[0073] 在示范實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450從轉(zhuǎn)矩相量提取器520的輸出522來確定轉(zhuǎn) 矩幅值和相位540, W生成幅值542和角度544。在示范實施例中，為了避免實際限制，采用自 行初始化頻率校正回路524,其中適合于環(huán)境條件的估計算法用來得到測量數(shù)據(jù)的頻譜，W 初始化頻率。頻率校正回路524生成頻率校正526。
[0074] 在一些實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450使用速度相量提取器550來生成速度相位提 取輸出552和平均速度560。確定速度幅值和相位570, W生成幅值572和角度574。 比較546角度544和574, W確定各模式的相對角度548。
[0075] 在示范實施例中，阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)齡通過由速度相量572的幅值來歸一化阻尼轉(zhuǎn)矩 相量542的幅值而確定，因此：
.(等式11) 另外，在示范實施例中，來自阻尼轉(zhuǎn)矩估計器的輸出、例如估計阻尼轉(zhuǎn)矩460(圖4所示） 和/或估計阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)估用來識別具有不正確調(diào)諧組件(例如，非限制性地包括自動電壓 調(diào)節(jié)器(AVR)、激勵器和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS))的發(fā)電機，識別用于改進系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制 動作的關鍵發(fā)電機，識別對全局系統(tǒng)穩(wěn)定性的發(fā)電機貢獻，并且實時地跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0076] 此外，在示范實施例中，除了如上所述的信息確定之外，來自阻尼轉(zhuǎn)矩估計器450 的輸出、非限制性地例如估計阻尼轉(zhuǎn)矩460和估計阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)估用來生成控制信號，W通 過控制一個或多個發(fā)電機、例如駐留在發(fā)電廠1〇2(圖1所示）中的發(fā)電機410(圖4所示)和/ 或旋轉(zhuǎn)類型分布式發(fā)電機130(圖1所示)對轉(zhuǎn)矩振蕩進行阻尼。具體來說，對于系統(tǒng)、例如相 對機電模式是振蕩穩(wěn)定的電功率網(wǎng)絡1〇〇(圖1所示），發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)必須為正。機 電模式的阻尼轉(zhuǎn)矩自然由發(fā)電機阻尼器繞組(若其中存在的話)來提供。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 (PSS)用來實現(xiàn)對某些操作條件的預期阻尼。一旦經(jīng)過調(diào)諧，其控制參數(shù)保持為固定。由于 阻尼轉(zhuǎn)矩是系統(tǒng)操作條件的函數(shù)，所WPSS的一部分有可能在提供正阻尼中變成無效。因 此，通過系統(tǒng)地實時計算和跟蹤發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)和/或阻尼轉(zhuǎn)矩值，它們能夠用作振蕩 穩(wěn)定性的指示符。該方式能夠快速預測系統(tǒng)振蕩條件，指出有問題發(fā)電機或PSS，識別有效 可控發(fā)電機，并且便于操作員采取預防或校正動作。
[0077] 此外，例如，將估計阻尼轉(zhuǎn)矩460和/或估計阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)齡的確定傳送給控制系 統(tǒng)，其連網(wǎng)到發(fā)電機410。運類確定對各發(fā)電機410個性化，并且傳送給關聯(lián)PSS，W通過控制 各發(fā)電機410來擴展系統(tǒng)穩(wěn)定性參數(shù)的余量。PSS將其穩(wěn)定性信號傳送給關聯(lián)AVR，W調(diào)節(jié)關 聯(lián)發(fā)電機410的激勵。各發(fā)電機410的阻尼特征用來通過對與所確定速度幅值和相位570同 相的發(fā)電機410的關聯(lián)轉(zhuǎn)子生成阻尼轉(zhuǎn)矩，針對其他發(fā)電機410對與各發(fā)電機410關聯(lián)的振 蕩進行阻尼。
[0078] 圖7是由轉(zhuǎn)矩相量提取器520(圖5所示)所執(zhí)行W用于估計與各振蕩模式對應的轉(zhuǎn) 矩相量的示范過程700的簡圖。模態(tài)頻率可采用從線性分析所得到的標稱值來初始化，其對 較大的實際系統(tǒng)可能不一定是直接的。在示范實施例中，為了避免實際限制，采用自行初始 化頻率校正回路524(圖5所示），其中適合于環(huán)境條件的估計算法用來得到測量數(shù)據(jù)的頻 譜，W初始化頻率。歷史數(shù)據(jù)或操作員經(jīng)驗也可在運個過程中起作用。初始頻率754然后隨 時間根據(jù)實際測量來更新。隨變化操作條件的頻率的變化經(jīng)過單獨模式的頻率校正回路在 線跟蹤，其中P巧H嘗器740使連續(xù)樣本中的相位角750之間的誤差為最小(例如，頻率校正回 路524中的相位角計算720)。頻率校正可限制到適當頻帶(例如±0.1化），W避免多模態(tài)信 號中存在的相鄰頻率之間的重疊。自由運行振蕩器760可用于對頻率756進行積分，W 生成角度辦烘762。
[0079] 圖8是使用穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(SAS)120(圖4所示)對發(fā)電機410(圖4所示）的阻尼轉(zhuǎn) 矩的非侵入式估計的示范方法800的流程圖。在示范實施例中，方法800由一個或多個計算 系統(tǒng)、例如SAS 120(圖2所示)或計算裝置910(圖9所示)來執(zhí)行。方法800包括接收810來自 PMU 320 (圖3所示）的第一數(shù)據(jù)樣本。方法800還包括至少部分基于第一數(shù)據(jù)樣本集合來確 定820發(fā)電機410的估計轉(zhuǎn)矩。
[0080] 在示范實施例中，方法800包括至少部分基于估計轉(zhuǎn)矩來確定830估計平均轉(zhuǎn)矩和 一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。在一些實施例中，一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量的各轉(zhuǎn)矩分量與模 態(tài)角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。此外，在一些實施例中，確定830估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或 多個估計轉(zhuǎn)矩分量包括使用系統(tǒng)識別技術來估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。在 一些實施例中，系統(tǒng)識別技術是卡爾曼濾波器。備選地，使用任何系統(tǒng)識別技術，非限制性 地包括粒子濾波器、龍伯格觀測器和自適應向量量化（AVQ: adaptive vector quantization)。另外，在一些實施例中，確定830估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量 還至少部分基于確定在時間t的估計平均轉(zhuǎn)矩的值和參考系中的m個估計轉(zhuǎn)矩 分量戶6^。和其中i=l至m)，使得在時間t的估計轉(zhuǎn)矩Te r 基本上等于
，其中機娘孩如奪鞠巧是所估計 角，是第模態(tài)角頻率的估計速度，W及
I估計空間相量對其cz-g參 考系被鎖定的角。在一些實施例中，第一數(shù)據(jù)樣本包括在時間t的功率A的樣本的離散值， 其中估計轉(zhuǎn)矩計算為發(fā)電機的功率A與估計速度W的比率。
[0081] 在示范實施例中，方法800包括向操作員輸出840估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計 轉(zhuǎn)矩分量，供發(fā)電機和功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。在一些實施例中，方法 800還包括使用與發(fā)電機關聯(lián)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)來初始化與一個或多個轉(zhuǎn)矩分量關聯(lián)的多個 頻率，和/或使用比例積分補償器來更新多個頻率，W使連續(xù)樣本中的相位角之間的誤差為 最小。如本文所使用的術語"環(huán)境條件數(shù)據(jù)"表示穩(wěn)態(tài)條件，即，沒有擾動的條件。
[0082] 圖9示出可用于如本文所述的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的計算裝置910中的數(shù)據(jù) 庫920的示例配置900連同如其他相關計算組件。數(shù)據(jù)庫920禪合到計算裝置910中的若干獨 立組件，其執(zhí)行特定任務。在示范實施例中，計算裝置910可W是SAS 120(圖2-4所示）。
[0083] 在示范實施例中，數(shù)據(jù)庫920包括PMU數(shù)據(jù)922、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)924和估計數(shù)據(jù)926dPMU數(shù) 據(jù)922包括與來自裝置、例如PMU 320(圖3所示）的數(shù)據(jù)流關聯(lián)的信息。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)924包括與 網(wǎng)絡100(圖1和圖4所示)關聯(lián)的信息、例如模型432(圖4所示）。估計數(shù)據(jù)926包括與估計值 關聯(lián)的信息、例如估計輸出440(圖4所示)和估計阻尼轉(zhuǎn)矩460(圖4所示）。
[0084] 計算裝置910包括數(shù)據(jù)庫920W及數(shù)據(jù)存儲裝置930。計算裝置910還包括用于估計 與例如發(fā)電機400(圖4所示)關聯(lián)的狀態(tài)的動態(tài)狀態(tài)估計器組件940。計算裝置910還包括用 于基于例如動態(tài)狀態(tài)估計器組件950的輸出來計算阻尼轉(zhuǎn)矩估計的阻尼轉(zhuǎn)矩估計器組件 950。計算裝置1710還包括用于與PMU 320和/或其他計算裝置進行通信的通信組件960。處 理組件980幫助與系統(tǒng)關聯(lián)的計算機可執(zhí)行指令的執(zhí)行。
[0085] 上述方法和系統(tǒng)包括分析從相量測量單元(PMU)發(fā)送給輸電和/或配電網(wǎng)（"電力 網(wǎng)"）中的相量數(shù)據(jù)集中器(PDC)和/或穩(wěn)定性分析系統(tǒng)（SAS)的數(shù)據(jù)流。運些系統(tǒng)和方法針 對提供電力網(wǎng)中的穩(wěn)定性W及更具體來說是用于估計與電力網(wǎng)中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn) 矩的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)和方法。如本文所使用的SAS平衡估計發(fā)電機的動態(tài)狀態(tài)的PMU技術的 進步并且實現(xiàn)進一步針對單獨模式的單獨發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩的實際估計。本文所述的SAS 使用高解析度PMU測量來估計動態(tài)狀態(tài)，W提供對電網(wǎng)穩(wěn)定性的判斷力。運類測量對電網(wǎng)操 作越來越至關重要，因為越來越大的發(fā)電量由與電網(wǎng)運營商無關的實體來提供，從而要求 來自單獨發(fā)電機的電網(wǎng)穩(wěn)定貢獻在無需在單獨發(fā)電機設施的侵入式測量的情況下量化和 檢驗。PMU跨大地理位置是時間同步的，與改進算法和計算硬件相組合，估計系統(tǒng)的動態(tài)狀 態(tài)并且實時地跨大區(qū)域捕獲動態(tài)性能。
[0086] 由運個系統(tǒng)所解決的技術問題的至少一個包括：（i)基于例如網(wǎng)絡上的擾動期間 的發(fā)電機之間的交互的功率網(wǎng)絡中的不穩(wěn)定性；（ii)確定單獨發(fā)電機對較寬功率網(wǎng)絡上的 系統(tǒng)穩(wěn)定性的阻尼轉(zhuǎn)矩貢獻的困難；（iii)要求使發(fā)電機脫機W執(zhí)行階段測試，W便識別引 起例如網(wǎng)絡上的電力生成的降低或損失和/或收益損失的阻尼參數(shù)；（iv)確定單獨發(fā)電機 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的單獨模態(tài)貢獻的困難；W及(V)與依靠用于確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方面的較寬 系統(tǒng)模型關聯(lián)的計算復雜度和不準確性。
[0087] 本文所述的方法、系統(tǒng)和設備的一個示范技術效果包括下列至少一個：（a)基于實 時PMU測量非侵入式實時地估計發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩；（b)降低或消除依靠完整系統(tǒng)模型及其 復雜動態(tài)模擬(其可能是費時、計算密集的，并且可遭受模型不準確性)的需要，計算處理要 求降低；（C)例如在遠程管理設施集中發(fā)電機的動態(tài)狀態(tài)和阻尼轉(zhuǎn)矩的計算；（d)例如在單 獨發(fā)電機相交點變電站分布發(fā)電機的動態(tài)狀態(tài)和阻尼轉(zhuǎn)矩的計算；W及(e)在電力系統(tǒng)中 W逐個發(fā)電機為基礎改進阻尼矩陣的實時跟蹤，由此實時得到系統(tǒng)穩(wěn)定性的改進測量。
[0088] W上詳細描述了用于非侵入式發(fā)電機轉(zhuǎn)矩阻尼估計的系統(tǒng)和方法的示范實施例。 本文所述的系統(tǒng)和方法并不局限于本文所述的具體實施例，而是可單獨并且獨立于本文所 述的其他組件和/或步驟來利用系統(tǒng)的組件和/或方法的步驟。例如，方法還可與設及數(shù)據(jù) 流的分析的其他系統(tǒng)結合使用，而并不局限于僅采用如本文所述輸電系統(tǒng)和方法的實施。 示范實施例而是能夠與許多其他數(shù)據(jù)流分析應用結合實現(xiàn)和使用。
[0089] 雖然各個實施例的具體特征可在部分附圖中示出而在其他附圖中未示出，但是運 只是為了方便起見。按照本文所述系統(tǒng)和方法的原理，可與任何其他附圖的任何特征結合 引用和/或要求保護附圖的任何特征。
[0090] -些實施例設及一個或多個電子或計算裝置的使用。運類裝置通常包括處理器、 處理裝置或控制器，例如通用中央處理器(CPU)、圖形處理單元(GPU)、微控制器、簡化指令 集計算機(RISC)處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯電路(PLC)、現(xiàn)場可編程口陣列 (FPGA)、數(shù)字信號處理(DSP)裝置和/或能夠運行本文所述功能的任何其他電路或處理裝 置。本文所述的方法可編碼為包含在非限制性地包括存儲裝置和/或存儲器裝置的計算機 可讀介質(zhì)中的可執(zhí)行指令。運類指令在由處理裝置運行時使該處理裝置執(zhí)行本文所述方法 的至少一部分。上述示例只是示范性的，因而并不是要W任何方式限制術語"處理器"和"處 理裝置"的定義和/或含意。
[0091] 本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開實施例，并且還使本領域的技術人員 能夠?qū)嵤嵤├ㄖ谱骱褪褂萌魏窝b置或系統(tǒng)，W及執(zhí)行任何結合方法。本公開的專利 范圍由權利要求書來定義，并且可包括本領域的技術人員想到的其他示例。如果運類其他 示例具有與權利要求的文字語言完全相同的結構單元，或者如果它們包括具有與權利要求 的文字語言的非實質(zhì)差異的等效結構單元，則預計它們落入權利要求的范圍之內(nèi)。
[0092] 附圖標記說明
【主權項】
1. 一種用于與電功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的穩(wěn)定性分析 系統(tǒng)，所述穩(wěn)定性分析系統(tǒng)包括與關聯(lián)所述發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進行通信的處理 器，所述處理器編程為： 接收來自所述PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合，所述第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示所述發(fā)電 機的至少一個測量； 至少部分基于所述第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定所述發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩； 至少部分基于所述估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量；W及 向操作員輸出所述估計平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供所述發(fā)電機和所 述電功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。2. 如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量的各轉(zhuǎn)矩 分量與模態(tài)角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。3. 如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn) 矩分量包括使用系統(tǒng)識別技術來估計所述平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。4. 如權利要求3所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)識別技術是卡爾曼濾波器、粒 子濾波器、龍伯格觀測器和自適應向量量化(AVQ)其中之一。5. 如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn) 矩分量還至少部分基于確定在時間t的所述估計平均轉(zhuǎn)矩州勺值和參考系中的m 個估計轉(zhuǎn)矩分量死抓V和Teg W，其中i=l至m，使得在時間t的所述估計轉(zhuǎn)矩7； α;基本上等于：其中，辦C詩-6如.4-學6肖:;是所估計角，其中是第i模態(tài)角頻率的所述估計速度，W及是所估計空間相量對其滬g參考系被鎖定的角度。6. 如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述第一數(shù)據(jù)樣本包括在時間t的功率A 的樣本的離散值，其中所述估計轉(zhuǎn)矩計算為所述功率A與所述發(fā)電機的估計速度和測量速 度中的一個速度W的比率。7. 如權利要求1所述的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其中，所述處理器還編程為： 使用與所述發(fā)電機關聯(lián)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)來初始化與所述一個或多個轉(zhuǎn)矩分量關聯(lián)的 多個頻率;W及 使用比例-積分補償器來更新所述多個頻率，W使連續(xù)樣本中的相位角之間的誤差為 最小。8. -種用于與功率網(wǎng)絡中的發(fā)電機關聯(lián)的阻尼轉(zhuǎn)矩的非侵入式估計的基于計算機的 方法，所述方法使用包括與關聯(lián)所述發(fā)電機的相量測量單元(PMU)進行通信的至少一個處 理器的計算裝置，所述方法包括： 接收來自所述PMU的第一數(shù)據(jù)樣本集合，所述第一數(shù)據(jù)樣本集合基本上表示所述發(fā)電 機的至少一個測量； 至少部分基于所述第一數(shù)據(jù)樣本集合來確定所述發(fā)電機的估計轉(zhuǎn)矩； 至少部分基于所述估計轉(zhuǎn)矩來確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量；W及 向操作員輸出所述估計平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量，供所述發(fā)電機和所 述功率網(wǎng)絡的一個或多個的穩(wěn)定性分析中使用。9. 如權利要求8所述的方法，其中，所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量的各轉(zhuǎn)矩分量與模態(tài) 角頻率所表征的振蕩模式關聯(lián)。10. 如權利要求8所述的方法，其中，確定估計平均轉(zhuǎn)矩和一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量包 括使用系統(tǒng)識別技術來估計所述平均轉(zhuǎn)矩和所述一個或多個估計轉(zhuǎn)矩分量。
【文檔編號】H02J3/06GK106099931SQ201610268885
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月27日 公開號201610268885.2, CN 106099931 A, CN 106099931A, CN 201610268885, CN-A-106099931, CN106099931 A, CN106099931A, CN201610268885, CN201610268885.2
【發(fā)明人】N.阿查亞, N.R.喬扈里, C.A.鮑內(nèi)
【申請人】通用電氣公司