基于改進型遺傳算法的PSS系統參數整定及應用

武海南，李 杰

（廣東粵電新會發電有限公司，廣東 江門 529149）

基于改進型遺傳算法的PSS系統參數整定及應用

武海南，李 杰

（廣東粵電新會發電有限公司，廣東 江門 529149）

在電網大區域聯絡的背景下，各區域電網的低頻振蕩問題變得越來越明顯。為了保證電網的安全穩定運行，解除低頻振蕩對聯絡線傳輸功率的限制，采用PSS抑制電力系統的低頻振蕩必不可少。抑制低頻振蕩的效果主要決定于PSS參數的整定。借用自適應遺傳算法對PSS參數整定優化，并以仿真和實際應用驗證其正確性，表明取得良好的效果。

PSS；低頻振蕩；參數整定；遺傳算法；自適應

0 引言

電力系統低頻振蕩的頻率范圍在0.2～2.5 Hz，對于低頻振蕩出現的原因，存在著多種解釋。其中認可程度最大的當屬負阻尼機理，認為電力系統中使用快速、高放大倍數特性的勵磁系統調節器，會導致出現負阻尼效果。這種負阻尼會與系統中原有的正阻尼發生中和，從而使得整個電力系統進入了弱阻尼的狀態。當系統受到擾動的頻率與系統的自然頻率存在某種特殊關系時，將會引起功率的增幅或者不衰減的振蕩，進而導致系統不能穩定運行[1]。發電機組應用電力系統穩定器（以下簡稱PSS）是抑制低頻振蕩的有力措施。

PSS系統的參數整定效果決定了其抑制低頻振蕩的能力。應用于參數整定的傳統方法有繼續提升的空間，自適應遺傳算法保證群體的多樣性，在優化能力上更優。

1 PSS原理

電力系統輸送電力的范圍大、距離長而且負荷也較重。一旦有干擾因素影響系統，功角出現振蕩，此時勵磁系統電壓調節器提供的附加力矩的相位落后于電網的實際相位，產生了負阻尼，進而使功率振蕩更加劇烈。為了消除此種情況，PSS通過引入一個附加的反饋信號，通過提供附加磁鏈相位上超前功角的相位，使得正阻尼變大，以此削弱低頻振蕩帶來的影響[2]。

目前，PSS的控制算法是以IEEE Std 421.5-2005中PSS2B為基礎的。PSS接入信號來源于轉速偏差Δω、功率偏差ΔP、頻率偏差Δf 3個變量中里的1項或者2項，經過超前、滯后環節來補償勵磁系統中的時滯，產生圖1中所示的在Δω軸的附加轉矩分量增加系統阻尼，抑制低頻振蕩[3]。本文中用的NES5100勵磁調節器附加的反饋信號為轉速偏差Δω、功率偏差ΔP，其數學模型如圖2所示[4]，圖中T為時間常數，K為放大倍數。

圖1 PSS引入向量

圖2 NES5100 PSS2B數學模型

根據PSS整定試驗導則，PSS輸出的轉矩相量對應Δω軸在超前10°到滯后 45°，即在-80°～-135°有補償特性，并使本機振蕩頻率力矩對應Δω軸角度在0°到滯后30°之間，以產生較大的附加阻尼轉矩和較小的附加同步轉矩[4]。

當PSS的附加力矩ΔPePSS與Δω同相位，即ΔPePSS只產生的正阻尼正好大于勵磁調節器的電磁轉矩ΔPe在Δω產生的負阻尼，使勵磁調節器提供正阻尼而不產生多余附加分量，在實際中ΔPePSS與Δω同相位是不可能的。當ω變化時，要求ΔPePSS滯后于Δω軸0°到45°即可。

2 PSS參數的自適應遺傳算法整定

2.1 自適應算法原理

遺傳算法通過模仿生物的遺傳、進化機理，進而引用隨機統計理論而形成。借助遺傳算法中選擇、交叉和變異等操作，求解過程是一代代遞進式尋找最優解。“適者生存”的核心是淘汰不好的個體，新的一代在各項指標上比上一代好，以此進行下去，一代比一代好。

自適應遺傳算法的一般步驟：編碼；遺傳操作，包括選擇、交叉、變異；參數控制；適應函數定標等。具體流程如圖3所示。

圖3 遺傳算法流程

區別于傳統遺傳算法，自適應遺傳算法的交叉率pc和變異率pm要隨時調整，其公式為：

式中：fmax為群體最大適應度值；favg為群體平均適應度值；f′為要交叉的2個個體中最大的適應度值；f為要變異個體的適應度值。

交叉率和變異率隨時調整確保了算法的收斂特性，是區別于傳統遺傳算法的優勢所在。

2.2 PSS參數整定

PSS參數整定的過程：根據實測無補償頻率響應特性的測試結果，利用自適應遺傳算法進行參數優化，找出多于或等于一組參數，使得不僅能夠在低頻振蕩全部頻率范圍上出現補償阻尼，同時也可以對整個系統發揮良性阻尼效果。

通過在線無補償頻率響應特性測試，獲得PSS輸出和產生阻尼轉矩二者之內的全部頻率段的相頻特性曲線β，如圖3所示。某發電機組在滿載時，A柜相頻特性曲線存在一個低谷，測得凹陷處滯后角為-158.94°，對應頻率為1.2 Hz。這是由于機組在本機振蕩處阻尼較弱及頻率響應測量時相干性等影響造成的，一般可以不考慮這段突變，而將其平滑拉直進行考慮[5]。在0.2～2.0 Hz的低頻振蕩頻段內，測得的滯后角從-15.27°下降到-93.42°。實驗預期的理想結果是接入信號通過PSS的滯后角α與β的相互作用產生的相同方向的力矩，也就是制造出一個特定的阻尼轉矩。

圖4 某發電機組滿載A柜在線無補償相頻特性

有部分PSS參數必須進行處理，主要包括超前滯后環節T1～T4，它的取值范圍0.01～5，增益Ks1值在經過臨界增益試驗最終確定的。其他參數根據系統推薦設定，隔直環節時間參數Tw1=Tw2= Tw3=4，Tw4=0慣性時間常數T7=4；斜坡時間常數T8=0.2，T9=0.1；放大倍數Ks2=0.5，Ks3=0.5。

參數整定過程如下：

（1）編碼、解碼。超前滯后過程階段T1～T4，最小值為Tmin=0.01，最大值為Tmax=5。使用遺傳算法將PSS參數進行整定，需要將參數T1～T4進行二進制編碼。具體操作為：首先把所有的參數按10位二進制進行編碼，相當于把整個取值范圍進行1023等分，然后需要對每個分節點進行取值；解碼把二進制進行處理，形成對應的實際參數[6]。解碼的計算方程式：

（2）初始種群的產生。遺傳算法中最初種群的確定方式是隨機的，此處采用MATLAB中的Rand（4×10，個體數）函數產生。

（3）適應度函數設計。遺傳算法中最重要的部分是適應度函數，主要作用為鎖定預期目標。通過適應度確定達標的優秀群粒子，由于遺傳幾率的大小與適應程度成正相關的關系，所以只需采用測算群粒子適應度的計算函數就可以對其遺傳幾率的大小進行評估[7]。在此過程中需要注意前后要保證用同一個原則，并且盡可能篩選出適應性最強的群粒子。群粒子適用度的計算函數要以目標函數為導向，完成篩選過程的重要參考條件。一般情況下，由于T1～T4取值確定，那么弧度s的取值就成為了決定穩定器相頻特性值的唯一變量，二者之間的對應關系如式（4）所示：

設函數f（α，β）=α（s）+β（s）-90，設目標函數的表達式如下：

式中：s1至s2為主頻率帶上對應的弧度值。

式（5）表示的整個頻率分布帶通過補償后形成的積分，代表的是相頻曲線和Y軸所圍成圖形的面積。由此可知，設計的目標函數G越小，則通過補償后出現的附加轉矩在低頻振蕩頻率活動范圍上越接近方向。

由于適應度函數J與理想預期函數G存在著互為倒數，欲使理想預期函數G取得最小值，需要通過適應度函數的測算篩選出適應程度最高的群粒子。

（4）遺傳操作。進行遺傳操作的任務是篩選出適應度高群粒子，并且同步把鎖定的優秀目標進行交叉和變異，從而達到在全局范圍內搜尋優秀目標，在完成這個任務的過程中運用的手段有選擇、復制、交叉、變異操作。

（5）參數控制。采用遺傳算法最終取得效果的優劣與控制參數確定環節有很大的關聯性，確切地說是參數的偏離程度與遺傳算法的收斂程度相關聯。由此可知，確定控制參數是遺傳算法過程中的重要一環，并且群粒子數目越多，得到最優解的可能性更大，也會耗費較長的運行時間[6]。本文選取群體個數80，遺傳代數100，變異率根據式（1）確定、交叉率根據式（2）確定。

（6）目標函數。按照之前適應度函數計算方法中提到的，設定的理想預期函數通過補償后的相頻曲線與Y軸所包圍面積導出，可以得到s1到s2的頻率范圍上處于相同位置。在一些頻率范圍上，它所處位置的高低與頻率范圍上的任何其它點是有區別的，并且所處位置越高，相角補償的效果越好。固有PSS單個頻率點與整個頻率范圍參數一致性是預期理想函數的設計依據。為使PSS參數得到最大程度的優化，確定預期理想函數采用了加權方法，預期理想函數如下：

式中：s1到s2表示的是關鍵頻率范圍；k表示的是權重值；s1到s3表示的是低頻振蕩全部頻率范圍。

將在線無補償頻率響應特性的測試結果與基于自適應遺傳算法的機組PSS參數進行綜合，獲得PSS設計參數見表1。綜合過程為：把無補償頻率特性與PSS單元頻率響應特性求和，記錄求和之后落在0.2～2.0 Hz頻率范圍的相位滯后結果，并且要確保PSS輸出的力矩向量所對應Δω軸在超前10°至滯后45°范圍內，同時也必須滿足本機振蕩頻率力矩對應Δω軸在0°至滯后30°范圍內[8]。

表1 某機組PSS設計參數

計算得到滿載時勵磁調節器A柜投入PSS參數時的有補償相頻特性圖5所示。

圖5 某發電機組滿載A柜有補償相頻特性

由圖5可知，某發電機組滿載PSS參數投入A柜時，在0.2～2.0 Hz的頻段內有補償頻率響應的相頻特性低頻段得到了滯后補償，在0.2～2.0 Hz的整個頻段范圍內PSS相位補償均滿足國標的要求[9]。

3 仿真分析驗證

3.1 系統參數

結合實際情況及研究需要，以4機2區域系統為仿真對象，2區域聯系弱，電力系統容易失去穩定。2區域對稱且4臺發電機、變壓器參數相同。具體參數如表2、表3所示。

表2 發電機變壓器主要參數

通過特征值分析，選取最弱阻尼振蕩，阻尼比為0.8265%。整定PSS參數后，傳統PSS整定阻尼比為7.6%，優化后PSS整定阻尼比為10.3%。

放大倍數KS1值一般取臨界增益的1/5～1/3。按照PSS模型的本機振蕩頻率的模值及PSS的阻尼效果考慮，取KS1=12。

以2%階躍量作為擾動時，傳統遺傳算法得到PSS參數加入時，發電機轉速偏差，即頻率偏差如圖6所示。

由圖6可知，附加PSS后，振蕩得到抑制，大約4 s后基本穩定，但是不太理想。

同樣擾動時，自適應遺傳算法得到PSS參數加入時，發電機轉速偏差如圖7所示。

圖6 傳統遺傳算法附加PSS時發電機轉速偏差

圖7 自適應遺傳算法附加PSS時發電機轉速偏差

由圖7可知，自適應算法優化PSS參數后，系統正阻尼良好，1 s左右趨于穩定，振蕩幅度明顯變小，抑制振蕩效果很好。

3.2 試驗驗證

試驗在滿載的條件下進行，不投入PSS補償時逐步增大擾動量，有功功率波動的峰峰值達到30 MW左右或振蕩次數大于5，對應的電壓擾動量為此次擾動試驗的階躍量，最終選定±1.5%階躍量。

勵磁調節器±1.5%階躍滿載無PSS時的擾動情況如圖8所示，從圖中可以看到，有功功率峰峰值達到16.78 MW，約為額定有功功率的4.8%。

圖8 無PSS滿載時±1.5%階躍

如圖9、圖10所示，輸入整定參數投入PSS進行滿載±1.5%階躍試驗，傳統PSS參數下測得的有功功率峰峰值為13.31 MW，遺傳算法PSS參數下測得的有功功率峰峰值為8.77 MW，振蕩均持續時間上遺傳算法PSS參數下收斂較快，曲線的平滑性更好。其參數對于本機振蕩頻率1.1 Hz左右的有功振蕩有良好抑制效果，證明遺傳算法優化整定參數的正確性[9-10]，同時滿足在0.2～ 2 Hz較寬頻段內的補償要求。

圖9 傳統方法PSS參數投入滿載時±1.5%階躍

圖10 遺傳算法PSS參數投入滿載時±1.5%階躍

勵磁調節器±1.5%階躍60%負載無PSS時的擾動情況如圖11所示，從圖中可以看到，有功功率峰峰值達到10.73 MW，約為有功功率的5.1%。

圖11 無PSS60%負載時±1.5%階躍

同樣在投入遺傳算法整定PSS后進行階躍試驗，試驗結果如圖12所示，有功功率均振蕩僅持續了1周就收斂，有功功率波動的最大峰峰值降為4.63 MW，約為額定有功的2.2%，抑制效果明顯。

圖12 PSS參數投入60%負載時±1.5%階躍

4 結論

提出自適應遺傳算法應用于PSS參數整定，通過仿真及試驗，證明其有較好的收斂特性。相比傳統的PSS參數整定方法，經過自適應遺傳算法優化后的參數在主振蕩頻率點和全頻帶的阻尼效果更好，同時，對振蕩的抑制能力更強，紋波更少，線形更加平滑。

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（本文編輯：楊 勇）

Parameter Setting of PSS Based on Improved Genetic Algorithm and the Application

WU Hainan，LI Jie
（Guangdong Yuedian Xinhui Power Generation Co.，Ltd.，Jiangmen Guangdong 529149，China）

In the context of power grid connection in large areas，low-frequency oscillation in regional power grids is becoming more and more obvious.In order to ensure operation safety and stability of power grid and eliminate limit of low-voltage frequency oscillation to transmission power of tie line，power system stabilizer（PSS）is necessary to inhibit the low-frequency oscillation in electric power system.The effect of low-frequency oscillation inhibition mainly depends on the quality of PSS parameter setting.Adaptive genetic algorithm is adopted to optimize PSS parameter setting，and the simulation and practical application are used to verify the correctness of the method，which turns out to be effective.

PSS；low-frequency oscillation；parameters setting；genetic algorithm；adaptive

TM731

B

1007-1881（2016）06-0011-06

2016-03-04

武海南（1987），男，工學碩士，從事發電廠調試以及運行相關工作。