用于产生说明在供电网中的摆动的信号的方法 |
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| 申请号 | CN201180075577.3 | 申请日 | 2011-12-16 | 公开(公告)号 | CN103999316B | 公开(公告)日 | 2016-10-19 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | A.利津格; S.皮尔; | ||||
| 摘要 | 为了以合适的方式向供 电网 的控制中心的运行人员提供关于可能在供电网中出现的摆动的信息，建议一种用于产生说明在供电网中的电参数的摆动的 信号 的方法，其中根据 电流 和/或 电压 相量测量值计算表征电参数的摆动状态的状态参数。此外在出现摆动的情况下确定对状态参数的变化的振幅进行说明的振幅特征值(A)和对状态参数的变化的振荡的衰减进行说明的衰减特征值(xi)。将由振幅特征值和相关的衰减特征值组成的各个值对的 位置 与在值域(44a‑c)中存在的、对供电网中的摆动的各自的危险程度进行说明的危险区域相比较以确定危险特征参数，并且依据各自的危险特征参数输出说明摆动的信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于产生说明在供电网中的电参数的摆动的信号的方法，其中执行如下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于产生说明在供电网中的摆动的信号的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于产生说明在供电网中的摆动(Pendelung)的信号的方法。 背景技术[0002] 为了确保顺利地并且可靠地运行供电网，在所谓的电网控制中心中监视供电网的对于网络状态来说是特征性的测量值，以便确定，供电网是处于其规定的运行状态还是处于关键的运行状态。为此在所选择的供电网的测量位置借助合适的互感器采集电测量参数的，诸如电流、电压和功率的测量值，并且通常以数字的形式将其传送到电网控制中心以用于分析和观察。为了彼此确保各个测量值的时间上的关系，通常为所记录的测量值补充所谓的时间戳，也就是时刻信息数据(Uhrzeitinformationsdaten)，该时刻信息数据表明已经采集了测量值的那个时刻。这样的时间戳例如可以以毫秒的精确性来安排。 [0003] 供电网的关键的运行状态的一个形式是所谓的“功率摆动”(下面简称为“摆动”)。这样的摆动例如在突然改变负载或改变供电网的结构(例如通过接入或断开较大的电源)的情况下产生。在此在供电网的馈入位置处的发电机必须调节到新的负载情况。这通常以具有几赫兹的频率的衰减的振荡的形式发生，直至供电网的新的工作点已经稳定。由于发电机的瞬时特性在供电网中产生摆动的电流状态和电压状态，其能够对供电网及其电组件(例如导线、电缆、变压器)产生不同影响。具有相对低的振幅的、衰减的摆动在供电网中相对快速地衰减并且由此可以被接受，而特别是微弱衰减的或甚至逐渐增长的摆动则表示供电网的最关键的状态，其容易地导致中断或断开较大的网络片段。此外，通过在中断单个网络片段的情况下跳跃式改变的网络结构使得供电网的仍运行的片段过载，这可以导致级联地断开直至导致所谓的停电(Blackout)。因此，特别地要将这种要作为关键归类的摆动立即发信号通知供电网的控制中心运行人员。 [0004] 随着在采集测量值的情况下测量位置数量的增加和采样间隔的缩短，要由运行人员在电网控制中心监视的测量值的数量近年急剧增加并且预期在未来还将进一步提高。特别是在将供电网构造为所谓的“智能电网(Smart Grid)”的情况下测量值按照如下的数量积累，所述数量超出了用于供电网的常规监视系统的测量值数量数个数量级。在此例如利用所谓的相量测量装置或“相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)”作为复数的电流或电压相量来采集测量值，该电流或电压相量包括关于在供电网的各个测量位置处待测量的测量参数的振幅和相位角的结论。利用高的采样率来采集这样的相量测量值，以便例如可以更精确地识别负载流和可能的网络摆动，并且必要时引入合适的对策来避免预告的不稳定的状态。由欧洲专利申请EP1489714B1公知了一种示例性的方法，通过该方法根据相量测量值通过连续地调整数学计算模型的参数可以推断出在供电网中的摆动的存在。 [0005] 基于可示出的测量值的大的数量和由此得出的各种各样的可能的由运行人员待展望的供电网的运行状态提出如下问题，与稳定运行状态的哪些偏差必须作为报警信号(例如以在电网控制中心的工作站上的消息的形式)显示。在此存在如下要求，即，一方面对于任何时间都必须确保供电网的稳定和正常的运行，但另一方面也必须这样选择报警信号的频度和内容，使得向运行人员给出关于各个网络状态的足够的信息，而不会通过过频繁的报警和/或与报警信号一起提供的信息的过高的细节性程度而苛求运行人员。 [0006] 在迄今为止的用于识别在供电网中的摆动的系统大多利用简单的阈值系统工作。在此关于阈值分析特定的测量参数(例如所测量的电流、电压或功率变化的频率或振幅)，并且在超过阈值的情况下触发报警信号。然后留给工作人员将为评估危险状态的相应的严重程度而所需的信息本身进行组合并判断，是否需要各自的必要时稳定网络的措施。 发明内容[0007] 因此，本发明要解决的技术问题是，以合适的方式向在供电网的控制中心装置中的运行人员提供关于可能在供电网中出现的摆动的信息，并且由此由运行人员实现供电网的更可靠的运行。 [0008] 按照本发明，上述技术问题通过用于产生到在供电网中的电参数(例如电流、电压、功率、阻抗)的摆动进行说明的信号的方法来解决，其中借助各自的相量测量装置在时间上同步地采集在供电网中的至少一个测量位置处的电流和/或电压相量测量值。电流和/或电压相量测量值被传输到监视供电网的控制中心装置；控制中心装置根据彼此相关的电流和/或电压相量测量值计算表征电参数(例如电流、电压、功率、阻抗)的摆动状态的状态参数，并且关于供电网中出现的摆动来检查状态参数的变化。在状态参数的出现的摆动的情况下通过控制中心装置确定对状态参数的变化的振幅进行说明的振幅特征值和对状态参数的变化的振荡的衰减进行说明的衰减特征值。将由振幅特征值和相关的衰减特征值组成的值对与在值域中存在的、对供电网中的摆动的相应危险程度进行说明的危险区域相比较，以确定危险特征参数，并且依据危险特征参数输出说明摆动的信号。 [0009] 通过按照本发明的方法可以以相对简单的方式实现多级的报警系统，因为依据各个识别的危险等级来输出分别输出的、说明摆动的信号。由此直接通过说明摆动的信号向运行人员给出关于与当前摆动相关的危险的区别的信息。 [0010] 按照本发明的方法的优选的实施方式在于，状态参数说明在供电网中的测量位置处存在的有效功率。作为对此的替换也设置，状态参数说明相位角差，该相位角差是指由电压相量测量值所包围的相位角，其中已经在供电网中的两个不同的测量位置处在时间上同步地采集了电压相量测量值。所描述的实施方式示出了特别适用于评估可能存在的摆动的状态参数。 [0011] 此外根据按照本发明的方法的另一种优选的实施方式，依据状态参数的当前频率来确定衰减特征值。 [0012] 由此衰减特征值可以特别良好地与各个存在的摆动状态相匹配。衰减特征值例如可以按照如下等式来确定： [0013] [0014] 其中ξ是按照百分比给出的衰减特征值，α表示指数降低(或增长)的振荡的按照1/s给出的衰减并且ω说明了按照1/s给出的角频率。通过将角频率ω容纳到关于衰减特征值的等式中得出与状态参数的振荡的当前频率的依赖关系。 [0015] 根据按照本发明的方法的另一种优选的实施方式，仅当振幅特征值和/或相关的衰减特征值分别超过预定的阈值时，才输出说明摆动的信号。 [0016] 由此，当通过摆动不影响供电网的状态的稳定性时，总是抑制说明摆动的信号的输出。然而关于随后的值对，只要振幅特征值和/或衰减特征值超过其各自的阈值，就相应地输出说明摆动的信号。 [0017] 按照本发明的方法的另一种优选的实施方式在于，说明摆动的信号包含关于状态参数的当前频率、状态参数的当前振幅特征值、状态参数的当前衰减特征值和/或危险特征参数的说明。 [0018] 由此可以直接利用说明摆动的信号向在控制中心中的运行人员提供最重要的信息，以便评估供电网的当前状态。在此，说明摆动的信号例如可以作为基于文本和/或图形的消息在工作站的显示装置上输出，该消息包含了各个必须的状态信息。 [0019] 根据按照本发明的方法的另一种优选的实施方式，依据危险特征参数以不同的方式输出说明摆动的信号。 [0020] 通过这种方式在输出信号时就已经可以指出各个不同的危险程度。由此信号例如可以在低危险级的情况下作为简单的文本消息、在中危险级的情况下作为具有附加的报警功能(例如颜色标记、闪烁)的文本消息以及在高危险级的情况下作为具有附加的视觉和/或声学的报警提示的文本消息输出。 [0021] 按照本发明的方法的另一种优选的实施方式在于，仅当危险特征参数在预定的延迟持续时间流逝之后也未低于预定的最小值时，才输出说明摆动的信号。 [0022] 由此可以首先通过控制中心装置验证，到底是否存在持续的摆动，并且在持续的摆动的情况下才输出信号。通过这种方式不会以不需要的频繁的报警来加重运行人员的负担。在此，延迟持续时间可以固定地或作为取决于摆动频率的值(例如在摆动的特定数量的振荡持续时间流逝之后)预先给定。 [0023] 此外根据按照本发明的方法的另一种优选的实施方式，将状态参数的频率的、状态参数的振幅特征值的、状态参数的衰减特征值的时间变化和/或对各自的危险特征参数的说明存储在控制中心装置的存储装置中。 [0024] 相应的时间变化的存储也允许事后精确地分析供电网中的过程，从而可以追溯可能的干扰。 [0025] 最后根据按照本发明的方法的另一种优选的实施方式，根据危险特征参数和与状态参数的振幅特征值有关的振幅参数以及与状态参数的衰减特征值有关的衰减参数计算危险参数，将其变化存储到控制中心装置的存储装置中。 [0026] 通过这种方式，为了随后的分析，摆动的各个危险程度不仅可以作为相应于各个危险区域的离散的值来说明，而且在使用振幅参数和衰减参数的条件下可以作为在各个危险区域内部的几乎连续的值来存储。在此优选这样选择振幅参数与衰减参数的关联，使得可以实现处于0和1之间的值。如果将该值加到各个危险区域的值，则得出危险参数的几乎连续的变化，该几乎连续的变化仅在两个危险区域之间的过渡位置处具有断续的变化。附图说明 [0027] 下面应当对照实施例对本发明作进一步的说明。附图中： [0028] 图1示出了用于监视供电网的自动化系统的实施例； [0029] 图2示出了以有效功率形式的状态参数的时间变化； [0030] 图3示出了以相位角差的形式的状态参数的时间变化； [0031] 图4示出了用于确定摆动的各个危险级的示图。 具体实施方式[0032] 在图1中可以看出具有控制中心装置10的布置，例如在电网控制中心的数据处理装置，其经由数据传输网络11与三个相量测量装置12a、12b和12c相连。相量测量装置12a-c例如是所谓的“相量测量单元(PMU)”，其采集在图1中未详细示出的供电网的测量位置处的电流和/或电压测量值，并且由此产生相应的电流和/或电压相量测量值。相量测量值在此表示如下测量值，其可以在复数平面中描绘并且其包括关于各个测量参数(在此为电流或电压)的当前振幅和当前相位角的说明。相量测量值与关于各个测量时间点的说明一起以数据组Da、Db和Dc的形式经由数据传输网络11被传输到控制中心装置10。三个相量测装置的数量在按照图1的实施例中仅是示例性地选择的，当然能够配置具有任意多个相量测量装置的布置。 [0033] 下面示例性地假定，相量测量装置12a被构造为用于测量电流相量测量值和电压相量测量值，并且相应地按照其数据组Da分别将电压相量测量值以及相关的电流相量测量值传输到控制中心装置10。相量测量装置12b和12c被构造为用于采集电压相量测量值，并且相应地将分别包含电压相量测量值的数据组Db和Dc传输到控制中心装置10。 [0034] 控制中心装置10包括分析装置13，其在它那一侧与配置装置14以及存储装置15相连。此外，控制中心装置经由信号输出端16将说明摆动的信号输出到在图1中未示出的电网控制中心的操作装置(例如具有显示屏的工作站)。在此操作装置可以是外部设备以及也可以是控制中心装置10的集成部件。 [0035] 按照图1的布置例如可以如下运行： [0036] 控制中心装置10分析由测量装置12a-c接收的数据组Da、Db和Dc并且由此处理传输的电流和电压相量测量值。因为在数据组Da、Db和Dc中也分别包含各自的测量时间点，所以控制中心装置10也可以对于每个相量测量值规定各自的测量时间点。 [0037] 控制中心装置10向分析装置13提供相应的相量测量值，从而该分析装置13可以访问相应的相量测量值。控制中心装置10还将相量测量值存储到存储装置15中，以便能够在需要时为之后的分析提供该相量测量值。 [0038] 分析装置13根据时间上属于彼此的电压或电压相量测量值确定表征供电网的摆动状态的状态参数。状态参数例如可以是有效功率或相位角差。对于有效功率使用在供电网中的测量位置处所测量的电流和电压相量测量值；有效功率作为电压相量测量值与时间上对应的电流相量测量值的乘积来确定。为此例如可以使用在数据组Da中包含的、相量测量装置12a的电压和电流相量测量值。对于相位角差，将在供电网中的两个不同的测量位置处时间上同步地测量的电压相量测量值关于其说明相位角的分量彼此比较，并且计算相位角差。为此例如可以使用电压相量测量值，该电压相量测量值由相量测量装置12b和12c采集并且将其以数据组Db和Dc传输到控制中心装置10。 [0039] 控制中心装置10可以借助分析装置13计算两个状态参数中的一个、或者计算两个状态参数，并且关于在供电网中的摆动的存在来检查该状态参数。此外，将(例如以相位角差或有效功率的形式的)各个计算的状态参数存储在存储装置15中以用于之后的分析。 [0040] 为了关于在供电网中存在的摆动来检查状态参数，将分别为计算状态参数所需的电流或电压相量测量值关于预选的时间范围进行积累。这些值在数据完整的情况下例如在使用快速傅里叶变换(FFT)或离散傅里叶变换(DFT)的条件下被变换到频域，以便必要时识别对于待识别的摆动过程特有的频率。因为可以同时激励多个频率(“模式”)，所以分析装置可以同时识别并计算多个模式。可以在配置装置14中由运行人员来规定预计的模式的最大数量及其典型的频域。 [0041] 对于每个在检查中识别的激励的频率，计算以振幅特征值的形式的时间变化的振幅的当前值和以衰减特征值形式的衰减系数的当前值。根据激励的频率在此必须关于较长的时间段进行测量，以便能够唯一地确定振幅特征值和衰减特征值。为了确定衰减特征值分析装置引入如下关系式 [0042] [0043] 其中 是振荡的状态参数的时间变化的振幅(振幅特征值)，并且α说明了按照1/s的振荡的衰减。根据值α，振荡的状态参数的振幅特征值可以减小(α为正)、不变(α＝0)或增加(α为负)。 [0044] 对于在供电网中的摆动的可能的影响重要的特征值是与摆动频率有关的衰减系数ξ，下面简称为衰减特征值。衰减特征值是无因次的并且下面按照百分比给出。衰减特征值例如可以按照如下等式来确定： [0045] [0046] 其中ξ是按照百分比给出的衰减特征值并且ω说明了按照1/s给出的振荡的状态参数的角频率ω。通过将角频率ω容纳到关于衰减特征值的等式中得出与状态参数的振荡的当前频率的依赖关系。由此衰减特征值(不取决于摆动的频率)给出关于摆动从任意一个最大值到下一个最大值的振幅改变的相对度量。负的衰减ξ在此对于在振幅中衰减的摆动是特有的。在图2中为了解释，仅示例性地示出了以有效功率形式的状态参数的振幅特征值的相应的时间变化。所示出的摆动的衰减特征值ξ处于-10％。所识别的激励的频率处于1.2Hz。具有低于-5％的衰减特征值ξ的状态参数的摆动通常在不太大的振幅的情况下被认为是不关键的。相反，高于-3％的衰减特征值尤其在供电网中的进一步激励的情况下可以导致振幅快速增大，并且因此必须特别重点考察。 [0047] 无衰减的摆动是特别关键的。衰减特征值为0％在此相应于时间上保持不变的振幅。增长的正值伴随着关于时间越来越陡地上升的振幅特征值的变化。示例性地在图3中示出了这样的以相位角差的形式的状态参数的具有上升的振幅特征值 的摆动。在图3中示出的摆动的衰减特征值ξ处于+10％。频率处于0.2Hz。 [0048] 从前面的实施中可以识别，摆动根据其振幅特征值的和其衰减特征值的值而具有对于供电网的不同的危险可能 因此向控制中心装置的运行人员提供尽可能简单且清楚的可能性，来识别出与在供电网中的当前摆动相关的危险可能。 为了评估危险可能并且由此评估当前摆动的可能的影响，因此在分析装置13中根据衰减特征值ξ在考虑当前的振幅特征值 的条件下确定表征了危险可能的危险特征参数。为此，如在图4中示例性示出的那样，由衰减特征值ξ的当前值和振幅特征值 的当前值形成值对，并且描绘在值域中的值对的位置，其在图4中作为示图40示出。 [0049] 示图40包括预定数量的危险区域，其中为了更好地理解而仅示例性地示出了图4中的危险区域44a-c。各个危险区域的形状和位置可以通过配置装置14由运行人员预先给定。每个危险区域对应于危险特征参数的唯一一个值。具体地，在图4中例如具有值“3”的危险特征参数与危险区域44a对应，具有值“0”的危险特征参数与危险区域44b对应并且具有值“9”的危险特征参数与危险区域44c对应。危险特征参数的值与各个危险区域的对应可以同样在配置装置14中由运行人员进行，并且随着危险特征参数的值的上升应当表明识别的摆动的危险可能上升。一般地成立，危险可能随着衰减特征参数和振幅特征参数的值的增长而提高。在示图40中的直线46说明衰减特征参数的值为零，并且由此说明从衰减的摆动至无衰减的摆动的突变点。 [0050] 为了确定适用于各个当前摆动的危险特征参数的值，在通过示图40示出的值域中考察由危险特征值和振幅特征值组成的值对的位置。依据在预定的危险区域中的值对的位置将各自的危险特征参数与当前摆动对应。例如将利用附图标记41表示的值对基于其在值域中的位置与具有值1的危险特征参数对应。与由此表征的摆动相关的危险可能可以基于衰减特征值的相对小的值被归类为低的。 [0051] 将利用附图标记42表示的值对基于其在示图40中的位置与具有值5的危险特征参数对应。该值对由于衰减特征值的较高的值而导致与值对41相比提高的危险可能。如果在摆动过程中振幅特征值由于摆动的衰减而降低(例如沿着图4中标明的箭头45)，则随着值对进入相邻的具有危险特征参数的值为2的危险区域，危险可能降低。 [0052] 现在可以由控制中心装置10的运行人员通过控制中心装置10在信号输出端16取决于各自的危险特征参数的值来输出说明摆动的不同的信号。信号在此例如可以作为数据报文被输出，并且(例如以文本和/或图形的形式)包括振幅特征值、衰减特征值和危险特征参数的各个当前值的说明。说明摆动的信号此外也可以以不同的形式输出，例如信号随着危险特征参数的值上升可以除了提到的信息内容之外还包括另外的声学或视觉的报警提示(报警音、闪烁、颜色标记)。为了不使运行人员被过于频繁的信号输出分散注意力，还可以设置为，仅当一定的危险特征参数在预定的延迟持续时间流逝之后仍然存在或不低于预定的最小值时，才输出信号。延迟时间的值可以被设置为固定的持续时间或者作为摆动周期的预计数量(和由此动态地取决于摆动频率)预先给定。 [0053] 此外可以设置，仅当振幅特征值和/或衰减特征值单独或组合地超出预定的阈值时，例如在图4中描绘的阈值SW1至SW4，才输出信号。例如可以由此规定，具有值0(振幅特征值低于SW3且衰减特征值低于SW1)、1(振幅特征值低于SW4且衰减特征值低于SW1)和2(振幅特征值低于SW3且衰减特征值低于SW2)的危险特征参数的相对无危险的摆动不导致输出信号。各个阈值可以利用配置装置预先给定。 [0054] 说明摆动的信号的这种构成具有大的优点，该信号可以以任意的分级的方式取决于当前振幅特征值和当前衰减特征值被产生并且由此通过信号已经能够向运行人员给出关于与当前摆动相关的危险可能的区别的信息。 [0055] 如果危险特征参数的值由于振幅特征值和/或衰减特征值的足够大的改变而改变，则通过当前有效的级来替代说明摆动的信号的最后有效输出。 [0056] 对于用于随后分析摆动状态的较高的细节可以通过绝对危险参数Ψ的几乎连续的变化来补充危险特征参数的离散值。为此将危险特征参数的当前值提高一个处于0和1之间的值，该值依据一方面取决于振幅特征值的振幅参数和另一方面取决于衰减特征值的衰减参数来确定。振幅参数和衰减参数例如可以如下面详细描述的那样取决于衰减特征值和振幅特征值分别超出边界值的大小。该绝对危险参数Ψ的各自的值例如可以按照如下举出的关系式来确定： [0057] [0058] 其中： [0059] GKG＝根据示图40的危险特征参数的(离散)值； [0060] kA＝振幅参数； [0061] Kξ＝衰减参数。 [0062] 振幅参数与衰减参数的乘积在此得出在0和1之间的值，该值被加到各自的(离散)危险特征参数并且由此允许绝对危险参数的几乎连续的变化。仅在从一个危险特征参数向另一个危险特征参数(例如沿着示图40中的箭头45)过渡处，绝对危险参数的变化具有断续的跳变位置。 [0063] 振幅参数或衰减参数的值例如可以如下地确定： [0064] 其中 [0065] 其中 [0066] 其中 [0067] 和： [0068] 其中ξ≥0 [0069] 其中ξSW2≤ξ<0 [0070] 其中ξSW1≤ξ<ξSW2 [0071] 其中ξ<ξSW1 [0072] 各自的下标SW1至SW4涉及在各自的阈值的情况下的振幅特征值和衰减特征值的值(参见图4)。 [0073] 通过这种方式计算的绝对危险参数与摆动的其余特征参数一起作为时间函数来记录和存储。由此能够在运行期间(“在线”模式)以及在随后的分析的范围内(“离线”模式)在具有相关的详细数据的上下文中来显示和分析绝对危险参数的各个当前值。 [0074] 说明摆动的信号的所描述的这种构成具有优点：即，控制中心装置的运行人员识别和精确估计摆动的敏感性通过利用信号提供的信息的适当的详尽程度而尽可能高。该优点一方面通过以相对小的分级说明了危险程度的危险特征参数来实现并且另一方面通过已经预先给定用于采取可能的措施的基本方向的、描述了危险程度的特征参数的足够的详尽程度来实现。 |
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