SignalCalc动态信号分析仪在励磁系统静态模型辨识中的应用

技术领域

本发明涉及励磁系统实验领域，具体是SignalCalc动态信号分析仪在励磁系统静态模型辨识中的应用。

背景技术

励磁系统静态模型辨识主要是对励磁调节器PID和PSS的各个传递函数环节进行频谱辨识，确定各个环节的准确性，具体辨识示意图如图1所示。

由图1可以看出，辨识需要对PID及PSS（这里为2A模型）共计9~14个传递函数环节进行辨识，每个环节的辨识需要读取记录每个频率点对应的相频和幅频特性，共计64组数据，则整个试验下来，仅读取记录的数据就多达576~896组，而目前的试验仪器安捷伦35670A由于功能的限制，试验数据的读取记录只能通过手动完成，使得原始数据的读取记录就占了50%的试验时间，如图2所示，因此要提高辨识的效率，就必须找到快捷的数据读取记录方法。

表1 两种试验仪器的优缺点分析

表1对安捷伦35670A和Signalcalc的优缺点进行了分析，由表1可知，Signalcalc在辨识完成后，即可直接导出数据，有效弥补了安捷伦35670A的缺点，进而提高试验效率，但设备无应用辨识的先例，其参数设置与效果均为未知，需要通过摸索尝试来进一步验证确认。

为了更加高效准确的完成励磁试验，在国内首次完成三机无刷励磁系统MEC7000的仿真建模，三菱MEC7000励磁系统现场实测模型如图3所示，在进行BPA仿真时，根据对比验证，采用FM型无刷励磁系统模型作为仿真计算用的等效模型，模型图如图4所示。在模型的等效转换中，图3中的主励磁机及不可控功率整流器模块b可与图4中主励磁机及不可控功率整流器模型d分别对应等效，其中图3中的K2/Rfe可由图4的二级调节器增益KB来等效，但由于K2/Rfe的现场实测值为14104，超出了二级调节器增益KB的最大取值范围（最大限值为9999），因而无法在BPA数据卡中输入该值；图3中的励磁机电流反馈增益参数Kf可由图4中的励磁机电流反馈增益KH进行等效，励磁机电流反馈增益参数Kf取值为0.0015，而励磁机电流反馈增益KH输入的数值精度达不到要求（最小限值为0.001），如采用约数，则可能影响仿真效果。因此需要通过进一步的等效计算，在保证仿真效果的情况下，降低二级调节器增益KB，增大励磁机电流反馈增益KH。

然而一直以来，在电力系统中，发电机励磁仿真建模校核计算多采用人工读数，手动计算的方式。由于此次是首次对三菱MEC7000进行仿真建模，需要通过不断的尝试修正参数，使仿真阶跃响应曲线与现场实测曲线一致，每修正一次，均需要重新进行校核计算，如果采用上述方法，将消耗大量时间在读数与计算上面；另外采用人工读数的方法也有可能对计算精度产生影响，降低仿真校核计算的效率和精度。

发明内容

为了将Signalcalc动态信号分析仪应用于励磁系统静态模型辨识中，发挥其优点，本发明提供了以下技术方案：

SignalCalc动态信号分析仪在励磁系统静态模型辨识试验中的应用，包括以下步骤：

（1）采用等效转换的方法，搭建仿真模型；

（2）采用BPA仿真工具进行仿真校核，检验搭建的仿真模型的功能效果；

（3）将SignalCalc应用于励磁系统静态模型辨识中，完成模型环节的辨识工作。

进一步，所述步骤（1）包含以下步骤：

1）励磁系统现场实测模型进行仿真时采用无刷励磁系统作为等效模型，在等效转换时，分别对励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型和无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型进行转换；

2）建立励磁系统模型转换的等效传递函数，令KB1=K2/Rfe，励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：

（1）

无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：

（2）

其中：KB为第二级调节器增益，KH为励磁机电流反馈增益，SE为励磁机饱和系数，VA为励磁调节器输出电压，VE为不可控三相全波整流桥的输出电压，其中K2为励磁调节器二级放大增益，Kf为励磁机电流反馈增益，KE为空载励磁电流的倒数，TE为励磁机时间常数，Rfe为励磁机磁场电阻,KB1为励磁调节器二级放大增益K2与励磁机磁场电阻Rfe的比值。

进一步，所述步骤2)中等效传递函数（1）和（2），采用解析求解的方法求解，求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值；励磁调节器二级放大增益K2取1890，励磁机电流反馈增益Kf取0.0015，励磁机时间常数TE取2.13,励磁机磁场电阻Rfe取0.134，空载励磁电流的倒数KE取0.0121。

进一步，所述采用BPA仿真工具进行仿真校核包括以下步骤：

1）修正BPA数据卡片，调用BPA程序进行仿真计算；

2）将BPA仿真计算结果导入“仿真.xls”；

3）启动程序；

4）点击“导入仿真数据”选择“仿真.xls”；

5）点击“导入实测数据”选择现场实测数据；

6）点击“校核计算”，同时计算仿真和实测数据的超调量、上升、峰值、调节时间，并进行误差计算；

7）校核仿真结果是否符合要求；

8）若仿真结果不符合要求，则返回步骤（1）重新开始进行以上步骤；若仿真结果符合要求，则仿真校核结束。

进一步，所述程序为应用编程软件编写的可直接读取数据文件中数据的程序；所述程序开发相应的图形界面，并且读取数据时直接导入到相应的图形界面进行校核计算；所述的数据文件中的数据是通过电力系统分析软件BPA对修正BPA数据卡片进行仿真计算，得出计算结果导出至数据文件得到的；所述的数据文件是Excel文件；所述的BPA数据卡片包括励磁系统FM卡、励磁系统F+数据卡、发电机MF卡。

进一步，所述的励磁系统FM卡参数：调差系数Xc为0、调节器输入滤波器时间常数T_R为0.004S、调节器PID增益K为23.55、积分调节选择因子Kv为0、电压调节器超前时间常数T₁为20S、电压调节器滞后时间常数T₂为20S、电压调节器超前时间常数T₃为0.95S、电压调节器滞后时间常数T₄为3.309S、电压调节器放大器增益K_A为1、电压调节器放大器时间常数T_A为0.004S、软负反馈放大倍数K_F为0、励磁机电流反馈增益KH（标幺值)为0.107；其中，调节器PID增益K、积分调节选择因子Kv、电压调节器放大器增益K_A、软负反馈放大倍数K_F、励磁机电流反馈增益KH均为标幺值。

进一步，所述的励磁系统F+数据卡参数：调节器最大内部电压V_AMAX为100、调节器最小内部电压V_AMIN为-100、二级调节器增益KB为169.98、二级调节器时间常数T5为0.01、励磁机自励系数KE为1、励磁机时间常数TE为2.13S、最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE1为0.154、75%最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE2为0.048、电压调节器最大输出电压V_RMAX为61.6、电压调节器最小输出电压V_RMIN为-31.7、换相电抗的整流器负载因子K_C为0.279、去磁因子KD为0.22、励磁机励磁电流限制增益KL1为40、励磁机电流限制VL1R为5.6、最大励磁电压EFDMAX为6；其中，调节器最大内部电压V_{AMAX>、调节器最小内部电压VAMIN、励磁机自励系数KE、电压调节器最大输出电压VRMAX、电压调节器最小输出电压VRMIN、换相电抗的整流器负载因子KC、去磁因子KD、励磁机励磁电流限制增益KL1、励磁机电流限制VL1R、最大励磁电压EFDMAX均为标幺值。}

进一步，所述的发电机MF卡参数：发电机母线电压为24.0kV、发电机标幺参数的基准容量为1222.2MVA、直轴暂态电抗Xd′为0.403、交轴暂态电抗Xq′为0.571、直轴不饱和同步电抗Xd为1.81、交轴不饱和同步电抗Xq为1.74、直轴瞬态开路时间常数Tdo′为8.208S、交轴瞬态开路时间常数Tqo′为0.8S、定子漏抗为0.234、额定电压时电机饱和系数为0.0784、1.2倍额定电压时电机饱和系数为0.4941；其中直轴暂态电抗Xd′、交轴暂态电抗Xq′、直轴不饱和同步电抗Xd、交轴不饱和同步电抗Xq均为标幺值。

进一步，所述步骤（3）将SignalCalc应用于励磁系统静态模型辨识中，完成模型环节的辨识工作包含以下步骤：

1）确定并设置SignalCalc控制软件的参数，如以下表6所示：

表6 SignalCalc控制软件的参数

2）基于SignalCalc控制软件，右键软件主界面的单击幅频特性图或相频特性图；

3）在弹出的菜单中选择“Graph”—“Copy Active Trace”；

4）拷贝试验数据至Excel，直接得到每个频率点对应的相位、幅值。

本发明的有益效果为：在未进行模型转换前，由于实测数据超过了BPA数据文件输入的范围，使得仿真工作无法开展。通过模型等效转换以及采用仿真校核计算程序的不断修正计算，确定了所有励磁系统模型参数。SignalCalc可采用拷贝的方式直接导出试验数据，避免了安捷伦35670A人工读数计数的弊端，另外其测试数据的可靠性较高，坏数据较少，减少了在数据修正上所耗费的时间。仿真计算效率和精度的提高，可为电网的安全稳定分析提供准确的励磁系统模型，以此可计算电网内部存在的安全风险隐患，防范电网发生低频振荡的风险，从而保障社会居民的用电安全。

附图说明

图1 PID和PSS模型频谱辨识示意图；

图2采用安捷伦35670A进行辨识试验所需时间统计图；

图3三菱MEC7000励磁系统现场实测模型图；

图4 BPA无刷励磁系统模型图；

图5三菱MEC7000励磁系统现场实测模型中b模块等效图；

图6 BPA无刷励磁系统模型中d模块等效图；

图7是仿真校核计算流程图；

图8是仿真校核程序图形界面截图；

图9是程序的图形界面截图；

图10 SignalCacl控制软件的参数设置主界面截图；

图11成果实施前后对比统计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

三菱MEC7000励磁系统现场实测模型进行BPA仿真时采用FM型无刷励磁系统作为等效模型，在等效转换时，将KE计入模型中，分别对三菱MEC7000励磁系统现场实测模型图3的主励磁机及不可控功率整流器模块b和BPA无刷励磁系统模型图4的主励磁机及不可控功率整流器模块d进行转换，分别得到的转换模型图如图5和图6所示。

建立励磁系统模型转换图的等效传递函数，令KB1=K2/Rfe，励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后的模型如图3，它的等效传递函数为：

>

无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后的模型如图4，结合传递函数计算的一般方法，可以求得式（2），它的等效传递函数为：

>

其中：KB为第二级调节器增益，KH为励磁机电流反馈增益；SE为励磁机饱和系数， VA为励磁调节器输出电压，VE为不可控三相全波整流桥的输出电压，其中K2为励磁调节器二级放大增益，Kf为励磁机电流反馈增益，TE为励磁机时间常数，Rfe为励磁机磁场电阻，KB1为励磁调节器二级放大增益K2与励磁机磁场电阻Rfe的比值。

等效传递函数（1）和（2），采用解析求解的方法求解，可求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值；励磁调节器二级放大增益参数取值K2取1890，励磁机电流反馈增益参数取值Kf取0.0015,励磁机时间常数参数取值TE取2.13,励磁机磁场电阻均为参数取值Rfe取0.134。

采用解析求解的方法求解等效传递函数，将参数代入式（1），令式（1）等于式（2），即：

可求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值，如表2所示，

表2 KB、KH转换前后参数值对比

由表1可得，模型转换后KB、KH的数值在其取值的限值内，另外由于式（1）等于式（2），可说明参数转换后，两个模型的仿真效果仍然一致的。

采用BPA仿真工具进行仿真校核以下步骤：

1）在进行校核计算前，先修正BPA数据卡片，调用BPA程序进行仿真计算，将BPA仿真计算结果导出至Excel文件；这些数据卡片如表3、表4、表5所示。

表3 励磁系统FM卡参数表

表4 励磁系统F+数据卡参数表

表5 发电机MF卡

2）启动已经编写好的计算程序，对应着仿真校核程序图形界面如图9点击“导入仿真数据”和“导入实测数据”，最后点击“校核计算”，计算机程序同时计算仿真和实测数据的超调量、上升时间、峰值时间、调节时间并进行误差计算。

3）通过仿真校核计算程序的不断修正计算，确定了所有励磁系统模型参数，得到图8为5%发电机电压阶跃仿真曲线与现场实测曲线的对比。

4）其中Excel文件包括仿真数据文件和实测数据文件。

本发明经过不断的尝试验证，确定了SignalCalc控制软件的参数，如表6所示，并据此对SignalCalc控制软件的参数进行设置。

表6 SignalCalc控制软件的参数

另外软件主界面右侧的四个显示框分别为输入输出信号的监视窗口、频谱分析的幅频特性图和相频特性图，如图10所示。试验结束后，对试验结果进行分析，不需要逐个记录每个频率点的幅值或相位，右键单击幅频特性图或相频特性图，在弹出的菜单中选择“Graph”—“Copy Active Trace”，拷贝试验数据至Excel，直接得到每个频率点对应的相位、幅值，避免了安捷伦35670A手动逐个记录数据的缺陷，极大提高了工作效率。

分别将安捷伦35670A和SignalCalc应用于励磁系统的静态模型辨识试验中，完成了对10个模型环节的辨识工作，具体效果如表7所示。

表7 安捷伦35670A和SignalCalc的应用对比

注：①幅频特性的计算公式：(P2-P1)/P1。其中P2为SignalCalc或安捷伦的实测幅值，

P1为对应环节的理论计算幅值。

②相频特性的计算公式：Q2-Q1。其中Q2为SignalCalc或安捷伦的实测相位值， Q1

为对应环节的理论计算相位值。

③每个环节的辨识时间不包括接线及参数设置的时间。

从表7可以看到，SignalCalc在相频或幅频特性的辨识精度较安捷伦35670A均有明显提高，而每个环节的辨识时间则缩短了10至15分钟。主要原因是SignalCalc可采用拷贝的方式直接导出试验数据，避免了安捷伦35670A人工读数计数的弊端，另外其测试数据的可靠性较高，坏数据较少，减少了在数据修正上所耗费的时间。

本发明实施后，总的辨识试验工作时间缩短至45分钟（不包括接线及参数设置的时间），试验效率提高72.7%，提升对比如图11所示。

另外本成果可提高仿真校核计算的效率和精度，具体的提升如表8：

表8 单次仿真和完成建模仿真在校核计算上所耗费时间

由表8可知，采用人工读数进行校核计算，每次需耗时3~5分钟，而应用本成果后，每次仅需不到30秒，而一般情况下，完成一次建模仿真需进行8~15次校核计算，则应用本成果最多可节约93%的时间。

经济效益的计算依据：

试验和仿真效率的提升，可缩短整个励磁试验的时间，整个试验周期由原来的8天缩短至5天，相当于可多承接3/8个电厂试验项目，按每个电厂试验项目30万元计，即可增加潜在收益12万元（算上节省3天的差旅费）。

Signalcalc应用于核电励磁系统静态模型辨识试验后，试验时间缩短了3个小时，即电厂可以提前3个小时并网发电，由核电上网电价0.215元/千瓦时计算（上网电价0.43元/千瓦时，商业运行之前，按半价计算），可为电厂增加收益69万元；

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。