新型外掛式電力系統穩定器裝置的設計與實現

韓 兵， 吳 龍， 吳跨宇，石祥建， 盧岑岑

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014)

新型外掛式電力系統穩定器裝置的設計與實現

韓 兵1， 吳 龍1， 吳跨宇2，石祥建1， 盧岑岑2

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014)

針對電網對發電機勵磁系統配置電力系統穩定器的應用要求，分析了電力系統穩定器(power system stabilizer，PSS)裝置功能需求，提出一種以PowerPC+DSP為控制核心的新型外掛式電力系統穩定器裝置。闡述了裝置的軟硬件設計方案，提出了一種發電機轉子轉速實時快速測量方法，通過動模仿真試驗驗證了裝置設計的實用性和功能的正確性。該裝置提供了一種通過外加裝置實現勵磁系統PSS功能改造、升級的途徑，能夠增強投運機組抑制系統有功低頻振蕩的能力，提高電網的穩定裕度。

PSS；裝置；外掛式；設計

0 引言

隨著特大型交流同步電網建設推進和快速勵磁系統的大量投運，系統的阻尼水平和低頻振蕩頻率不斷降低，電網的動態穩定風險隨之增加[1,2]。電力系統穩定器(power system stabilizer，PSS)作為同步發電機勵磁調節器的一種附加軟件控制功能的零件，用于增強電力系統正阻尼特性，抑制系統低頻振蕩，是目前最有效、最經濟的低頻振蕩抑制手段[3-5]，也是當代勵磁調節器不可缺少的功能。

PSS作為電力系統管理部門對勵磁系統的考核對象，對模型的選型及性能指標有嚴格要求[6，7]。但是，現場存在一定數量的勵磁調節器，其PSS模型因性能無法滿足網源協調要求未投入運行。特別是對于部分前期進口勵磁系統，由于國內外對PSS模型需求的不同，存在PSS模型配置、參數整定等難以滿足國內要求的問題。廠家通常無法及時或者不能提供對PSS升級的服務，而將勵磁調節器整體更換升級成本較高，涉及到的現場控制接口也非常復雜，此類難以完成PSS升級改造的勵磁系統存在對PSS功能單獨改造需求。

另一方面，電力系統中部分節點對PSS有相對獨特的要求，如目前部分電網區域已有要求考慮低至0.1 Hz的低頻振蕩抑制要求[3]，當前勵磁調節器配置的模型(如PSS2B等)無法滿足其需求。隨著PSS模型研究深入，已有PSS4B，PSS-NEW-B等。

新型模型提出，逐步完善了當前模型的功能缺點，提升了PSS2B等在有功振蕩低頻段抑制能力[3,4]。但是，直接在原勵磁調節器進行軟件升級面臨原設備硬件運算能力、接口條件等諸多限制，部分升級由于硬件資源門檻難以實現。因此，一種功能齊全、易于實現、價格經濟的PSS功能升級改造方案具有一定的市場需求。

文中首先對當前熱點的PSS模型進行介紹，對PSS裝置的需求進行分析，提出一種基于PowerPC+DSP為控制核心的新型外掛式電力系統穩定器裝置以及一種發電機轉子轉速實時快速測量方法，通過動模仿真系統對該裝置的性能進行驗證，在勵磁調節器不改動情況下，實現勵磁系統PSS功能升級。

1 PSS模型介紹

國內早期勵磁調節器采用PSS1A模型，該模型輸入為單變量，如機組有功功率、轉子轉速等，能夠實現系統低頻振蕩抑制效果，但在有功功率快速連續調節時，存在無功功率“反調”問題，特別是在水電、燃機機組，有功調節速度相對較快，無功功率反調明顯[8,9]。

隨著業界對PSS研究的深入，不斷有新的模型提出，根據其模型結構以及工作原理[10-14]，可以區分為2種類型。

一種采用有功功率或剩余功率為主調節因數，轉速作為輔助因數，代表拓撲結構PSS2B模型，為串聯拓撲結構，如圖1所示。PSS2B模型是目前國內應用最為廣泛的PSS模型。在實際工程應用中，PSS2B模型在1.0 Hz以上振蕩高頻段抑制有功振蕩阻尼能力強，同時抑制無功功率“反調”效果明顯。但由于末端三階超前滯后相位補償環節的引入，在中低頻段增益相對減小，抑制效果普遍較差，僅依靠參數整定很難在整個有功低頻振蕩范圍內都提供較強阻尼。

圖1 PSS2B模型原理框圖Fig. 1 Principle diagram of PSS2B model

基于保留PSS2B高頻段抑制能力強和抑制反調的特點，增強低頻段振蕩抑制效果的考慮，有PSS-NEW-B[4]等新型模型提出，拓撲結構與PSS2B類似，如圖2所示。

與PSS2B相比，原位于有功通道的滯后環節移位于轉速通道，有功功率相位大幅超前，通過這種扭轉前置相位關系避免使用大角度超前補償，進而提高了中低頻段模型增益，解決了PSS2B低頻段阻尼較差的問題。

另一種電力系統穩定器采用有功功率和轉速共同作用，代表拓撲結構PSS4B模型，為多頻段并聯拓撲結構類型，如圖3所示。

圖2 PSS-NEW-B模型原理框圖Fig. 2 Principle diagram of PSS-NEW-B model

圖3 PSS4B模型原理框圖Fig. 3 Principle diagram of PSS4B model

PSS4B將低頻振蕩分為3個頻段：低頻段、中頻段和高頻段，3個頻段的劃分為解決PSS2B模型中單一函數所帶來的增益變化大的不足提供了途徑。但是模型補償參數眾多，IEEE標準[11]根據北美電網的應用給出了一組推薦參數，但未說明參數的整定方法；國內學者提出一些整定方法[15-17]，但在現場實施普遍較復雜。PSS4B模型在推薦參數相移范圍有限，僅適合無補償相移范圍較小的自并勵系統，且無法保證在整個低頻振蕩范圍內，PSS4B輸出力矩始終保持與轉速變化方向一致(-30°～30°)，導致PSS4B在高頻段抑制效果降低。對于無補償相移范圍較大的勵磁機勵磁系統，PSS4B推薦參數則無法適用，在高頻段可能會引起發散性振蕩，反而給電力系統安全運行帶來負面影響。

基于以上問題，有PSS4B-W[3]等新模型提出，如圖4所示。PSS4B輸出經過多階超前滯后相位補償環節，規避了PSS4B眾多參數難以現場整定的問題，也解決PSS4B中高頻段相位偏移問題。

圖4 PSS4B-W模型原理框圖Fig.4 Principle diagram of PSS4B-W model

由于現有主流模型PSS2B對低頻段振蕩阻尼效果較弱的缺陷，隨著大電網聯網導致系統振蕩頻率不斷降低以及新模型的研究深入，后續可預期有更完善的模型由理論研究投入到實際應用。

2 外掛式PSS裝置的功能需求

提出一種繼續使用原勵磁調節器的PSS改造、升級方案，現場增加一臺外掛式PSS裝置，完成PSS模型計算功能，將裝置計算結果輸出至勵磁調節器，參與機端電壓調節。基于此，對外掛式裝置的基本軟件功能以及硬件配置需求進行分析。

2.1 PSS模型配置

面向當前及未來電網對發電機勵磁系統PSS的要求，外掛式裝置需要對當前主流模型如PSS2B以及研究熱點且具有推廣價值的模型如PSS-NEW-B,PSS4B等應當均有配置，同時預留硬件資源，方便后續新型PSS模型的擴展。

2.2 設備接口需求

2.2.1 與勵磁調節器接口

外掛式PSS裝置主體功能是完成PSS模型計算，并向勵磁調節器傳輸模型計算值，需要能夠與不同廠家勵磁調節器輸入接口匹配。

按照國內現場勵磁系統PSS建模相位無補償特性測試的需要，勵磁調節器具備白噪聲的輸入接口。測試中，白噪聲輸入值替代調節器自身PSS模型輸出，疊加至電壓參考值。白噪聲一般為±5 V或4～20 mA弱電信號。借用該端口，外掛式PSS裝置配置該類型的數模轉換(digital to analog，DA)輸出端口，輸出計算值至勵磁調節器替代內部PSS模型輸出。

2.2.2 與電源管理單元等其他設備接口

勵磁系統PSS功能涉及電網運行安全，是電網調度在線監測對象之一。PSS投入/退出信號是PSS功能狀態指示，需接入電源管理單元(power management unit , PMU)裝置或經DCS/監控系統上傳至調度端；PSS計算輸出值，需經裝置DA輸出口，以直流電流或電壓信號接入PMU裝置。相應的PSS裝置需配置數字量輸出節點及DA輸出端口。

2.3 發電機轉子轉速測量

PSS輸出的附加轉矩必須與發電機轉速變化量同相，才能加強機組的正阻尼，起到抑制低頻振蕩作用。轉速測量的實時性和準確性對PSS抑制有功振蕩有著直接的影響：測量越準確、間隔越小，PSS調節越細致，調節效果越好；反之，測量偏差及延遲甚至會帶來負阻尼，加劇系統的振蕩。

當發電機空載時，發電機旋轉速度與機端電壓頻率相同，所以有廠家采用機端電壓頻率信號近似代替發電機轉速信號來簡化計算。該方法通過測量正弦電壓信號相鄰過零點時間計算電壓周期，50 Hz穩態時，最小過零點間隔為半個周期，即最小測量間隔為10 ms，測量間隔長。該方法忽略了定子電流對發電機合成內點勢的影響，在發電機有功、無功變化時，存在測量偏差。

PSS4B等對轉速實時性要求高的模型，需要提供一種計算簡單、測量快速、實時性高的轉速測量方法。這也是PSS裝置技術關鍵點及難點之一。

3 外掛式PSS裝置的設計

3.1 軟件設計

3.1.1 PSS模型實現

配置PSS2B，PSS4B以及PSS-NEW-B等多種模型，模型S域傳遞函數通過Z變換轉換成差分方程，供編程使用。為了便于現場PSS建模試驗的進行，軟件提供PSS模型內部變量輸出。

3.1.2 發電機轉子轉速測量

圖5 發電機合成等效電路和電勢相量Fig. 5 Composite equivalent circuit and potential phasor of generator

(1)

圖6 發電機三相等效電路圖和電勢相量Fig. 6 Three-phase equivalent circuit and potential phasor of generator

(2)

將式(2)進行旋轉變換得：

(3)

(4)

(5)

(6)

每次采樣完成一次運算，ΔT取值越小，則轉速的計算周期越短，測量延時越小。應用于PSS運算時，根據PSS對轉速測量實時性的要求，轉速測量間隔可選取在0.2～1 ms，該計算周期遠遠小于采用過零點完成轉速計算的10～20 ms。

3.2 硬件設計

裝置采用高性能32位微處理器PowerPC+DSP作為控制核心：PowerPC負責順序事件記錄、錄波、打印、對時、人機接口及與監控系統通訊等功能；DSP負責PSS模型運算及相應的功能投退、模型切換等流程控制。DSP與微處理器分工明確，通過內部通訊總線進行數據交互及資源共享，高性能的硬件保證了裝置的實時計算能力。同時，裝置硬件采用模塊化設計，硬件模塊可以通過內部高速總線擴展，具有較好的靈活性及可擴展性。裝置的硬件結構圖如圖7所示。

圖7 外掛裝置硬件結構Fig. 7 Hardware structure diagram of external device

CPU插件由高性能PowerPC芯片、現場可編程門陣列芯片FPGA、存儲器、以太網控制器及其他外設組成，實現對整個裝置的管理、人機界面、通信和錄波等功能。

DSP插件由高性能的數字信號處理器、光纖接口、16位高精度模數轉換回路以及其他外設組成，完成模擬量數據采集、控制計算等功能。

DA輸出插件配置多路通道，滿足PSS計算值、白噪聲信號、有功無功、轉速以及PSS計算中間值輸出等，可供勵磁調節器、PMU裝置、中控后臺和進行PSS模型辨識試驗使用。

開關量輸出插件主要是向PMU裝置和控制后臺等表明當前裝置的工作狀態。

4 試驗測試

搭建動模仿真系統對PSS外掛裝置性能進行試驗測試。系統采用單機無窮大模型，主回路如圖8所示。380 V測試發電機經過升壓變連接到1 kV線路，經降壓變與380 V電網系統連接。試驗機組采用15 kW發電機，通過控制裝置參數轉化，模擬20 kV,300 MW機組運行。

圖8 動模系統回路示意圖Fig. 8 Circuit diagram of dynamic simulation system

勵磁調節器以機端電壓閉環調節運行，控制整流橋觸發角度，維持機端電壓穩定。外掛裝置完成PSS運算，計算值輸出至勵磁調節器采樣端口。

在外掛PSS裝置中實現發電機轉子轉速的過零點測量及基于瞬時采樣值快速測量，過零點測速轉速計算間隔10 ms，基于瞬時值測速計算間隔250 μs。在調節器機端電壓參考值5%向上階躍過程中，轉速測量如圖9所示。由于動模機組轉動慣量較小，轉速變化幅度較大。過零點采樣受過零點時刻測量偏差的影響，振蕩過程計算值出現5 r/min波動，且計算噪聲較大，在圖中0.8～0.85 s時間窗口內出現約3 r/min測量噪聲。基于瞬時值測速最大4.2 r/min波動，同樣50 ms采樣窗口內最大測量噪聲約1 r/min。基于瞬時值測速，因計算間隔減小，相比過零點測速，測量噪聲頻率增加，但波動幅值減小，測量更穩定。

圖9 轉子轉速測量對比Fig.9 Comparison graph of rotor speed measurement

PSS模型功能測試采用對比測試方式，在勵磁調節器和外掛PSS裝置內設置相同的PSS模型，調節器機端電壓參考值進行5%向上階躍，兩者試驗結果相互對比。

投入PSS2B模型，勵磁調節器內PSS模型計算值及接收到的外掛裝置輸出值對比如圖10所示，兩裝置模型輸出值曲線接近。

圖10 勵磁調節器及外掛裝置PSS輸出對比Fig.10 Comparison graph of PSS model Output

投入PSS2B模型，勵磁調節器分別疊加調節器內PSS模型計算值及外掛裝置輸出值，有功功率振蕩對比如圖11所示。

圖11 投入PSS2B模型有功振蕩對比Fig. 11 Comparison graph of active power oscillation with PSS2B model input

2種方式下，有功振蕩抑制效果接近：有功功率峰值變化12.3 MW，11.7 MW，振蕩次數均為2次，頻率約為0.4 Hz。

投入PSS4B模型，勵磁調節器分別疊加調節器內PSS模型計算值及外掛裝置輸出值，有功功率振蕩對比如圖12所示。2種方式下，有功振蕩抑制效果接近：有功功率峰值變化12.8 MW，12.3 MW，振蕩次數均約為1次，頻率約為0.6 Hz。

圖12 投入PSS4B模型有功振蕩對比Fig. 12 Comparison graph of active power oscillation with PSS4B model input

投入PSS-NEW-B模型，勵磁調節器分別疊加調節器內PSS模型計算值及外掛裝置輸出值，有功功率波動對比如圖13所示。2種方式下，有功振蕩抑制效果也比較接近：有功功率峰值變化14.6 MW，14.0 MW，振蕩次數均為2次，頻率約為0.5 Hz。

圖13 投入PSS-NEW-B模型有功振蕩對比Fig. 13 Comparison graph of active power oscillation with PSS-NEW-B model input

測試結果表明，外掛式裝置具有和勵磁調節器內部PSS模型接近的計算值；勵磁調節器分別疊加調節器內PSS模型計算值及外掛裝置輸出值，有功功率低頻振蕩的抑制效果接近。外掛式裝置可以替代調節器內部PSS模型，實現對有功低頻振蕩同樣的抑制效果。

5 結論

文中介紹了多種PSS模型的結構及優缺點，分析了外掛式PSS裝置的功能需求，提出了新型外掛式電力系統穩定器裝置的軟硬件設計方案。裝置具備PSS2B，PSS4B和PSS-NEW-B等多模型，采用基于發電機三相等效電路和電勢相量分析的發電機轉子轉速測量方法。通過交流發電機動模試驗進行測試，試驗結果驗證了裝置設計的實用性和功能的正確性。文中提出的裝置具有硬件結構清晰、軟件功能豐富，同時易于勵磁調節器工程現場升級使用的特點。該裝置借助PSS優化模型的實現，能夠最大限度的發揮發電機勵磁抑制電力系統有功低頻振蕩的作用，提高電網的穩定裕度。

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韓 兵

韓 兵(1985—)，男，山東濟寧人，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統和電力電子技術應用(E-mail: wildhogs@163.com)；

吳 龍(1970—)，男，江蘇宿遷人，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為電力系統自動化；

吳跨宇(1979—)，男，浙江蕭山人，碩士，高級工程師，主要研究方向為發電機勵磁系統及電力系統分析；

石祥建(1980—)，男，江蘇徐州人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統和電力電子技術應用；

盧岑岑(1986—)，女，浙江杭州人，碩士，工程師，主要研究方向為發電機勵磁及電力系統分析。

(編輯錢 悅)

DesignandRealizationofNewExternalPowerSystemStabilizerDevice

HAN Bing1, WU Long1, WU Kuayu2, SHI Xiangjian1, LU Cencen2

(1. NARI Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

For the application requirements of power system stabilizer for generator excitation system, the functional requirements of PSS devices are analyzed. And a new external power system stabilizer device based on PowerPC + DSP as the control core is proposed. The hardware and software design of the device is described, and a real-time measurement method of the generator rotor speed is proposed. The efficiency and applicability of this device are demonstrated by dynamic simulation test. The device provides a way to realize the transformation and upgrading of PSS for excitation system through the external device, which can enhance the effect of the generator on suppressing the low frequency oscillation of the power system and improve the stability margin of the power grid.

power system stabilizer; device; external; design

TM774

A

2096-3203(2017)06-0144-07

2017-07-13；

2017-08-11

國網浙江省電力公司科技項目(5211DS150025)