大电网运行中总是存在各种扰动和事故，各种故障和扰动信息记录对分析电网稳定性以及励磁系统性能优劣、是否满足国标有着不可替代的作用。

WAMS可在统一时标下记录事故过程中各种电气量和模拟量的动态行为，为励磁行为的评估和分析提供极为有利的条件。然而WAMS主站存储的实时系统数据杂乱无章且数目巨大，海量的数据若仅靠人工分析几乎不可能提供有意义的分析数据。因此，可以在故障情况下利用WAMS数据来捕捉励磁系统的动态行为，并在线计算励磁系统的调节特性指标，以此评估励磁系统的动态特性。

6．2．2．1　捕捉扰动启动判据

励磁电压作为励磁系统中一个重要的控制信号——励磁电压的变化，可以准确反映励磁系统输出信号的变化，采用励磁电压突变作为启动条件能够保证扰动记录的灵敏性。一方面由于发电机组励磁系统的动态增益通常能够达到200倍以上，对于发电机机端电压小的波动，励磁电压也会产生快速的变化以保证机端电压的恒定。但另一方面，励磁电压测量常常容易受到干扰，此时励磁电压会发生瞬间突变。启动判据要综合考虑灵敏性和可靠性，既要准确迅速地记录励磁及相关参数波动，又要避免由于干扰或者其他因素引起的瞬间突变，记录无效数据。

因此，扰动捕捉启动程序采用实时采集数据中发电机机端电压和发电机励磁电压两者的变化作为判断指标（机端电压变化作为辅助条件可保证可靠性），启动条件为：

①发电机励磁电压30 ms内的变化量超过30%负载额定励磁电压。

②发电机机端电压500 ms内的变化量超过额定值的0．5%。

6．2．2．2　评价指标体系

电力系统对励磁系统及其控制器在动态过程中的要求可总结为以下几点：

①提供快速、精准而稳定的电压控制。

②PSS附加控制可有效增加阻尼，抑制低频振荡。

③有适当的强励倍数，可在故障下充分发挥发电机的短时过载能力。

不同情景下所关注的励磁控制系统励磁行为不同，下面将从大扰动和小扰动两个方面对电机励磁控制系统动态行为进行评价，把励磁的动态性能指标分为小干扰动态性能指标和大干扰动态性能指标。

1）小干扰动态性能指标

小干扰是电力系统正常运行中常常遇到的干扰，分析小干扰稳定性能指标对分析电力系统稳定性有重要意义。励磁控制系统的小干扰性能指标是指干扰信号较小，励磁调节在线性区工作的性能指标，因而不考虑其限幅，所关注的焦点主要是小扰动下励磁系统对电力系统稳定性的影响。

发电机励磁系统小干扰指标包括静态指标和动态指标，相关的国家标准和行业标准对多项指标提出了要求，本书只选择对系统扰动影响较明显的指标。静态指标为电压调节精度，动态指标包括振荡频率、阻尼比和调节时间，通过计算扰动下发电机和励磁系统的相关电气量可判断发电机并网后励磁调节器的动态行为是否满足要求。

（1）调节精度。

调节精度指的是系统扰动结束后，被控量与给定值之间的相符程度，考查的是控制系统的控制精度。由于计算的是扰动前后的稳态值的差异，因此属于静态指标。在此考查的是AVC的控制精度，一般AVC采用机端电压为控制对象，故调节精度公式如下：

式中　Ut——扰动平息后的机端电压稳态值，可由WAMS测量得到；

U ref——AVC控制器的设定值，可由电厂提供。

动态指标主要用于评估控制系统的快速性和平稳性，动态过程中需要评估的动态指标包括振荡频率、阻尼比、稳定时间。

（2）振荡频率。

振荡频率反映了系统受扰后发生电气量（包括发电机功角、联络线功率和母线电压等）的持续振荡的变化过程，是低频振荡分析的重要依据。需要指出的是，此处计算的是机组振荡的平均频率。

系统的低频振荡频率一般在0．1～2．5 Hz，又称机电振荡。若低频振荡频率为0．7～2．5 Hz，一般认为是局部振荡模式，通过安装PSS易于得到控制；若低频振荡频率为0．1～0．7 Hz，一般认为是区间振荡模式，参与机组多，影响范围广，多发生在联系薄弱的互联电网中，对电网的安全稳定威胁很大，难以通过PSS进行有效控制。在本章中仅对发电机侧的机电振荡过程进行记录和分析，因此测量的电气量为发电机的电磁功率P。

（3）阻尼比。

阻尼比反映了系统受扰后快速平息振荡的能力，计算机组有功功率受扰曲线阻尼比，可用于分析评估PSS投入时的阻尼效果。

一般来说，衰减振荡的曲线可用下式近似表示：

振荡频率即为上式中的f（Hz），阻尼比即为上式中的ζ。

（4）调节时间。

调节时间即从阶跃信号发生起，到被控量达到与最终稳态值之差的绝对值不超过5%稳态改变量的时间，对分析评估PSS投入时的效果有积极意义。(www.daowen.com)

调节时间的计算公式为：

式中　tc——稳定结束时间，有功功率与稳态值之差的绝对值第一次在±5%之内的时间；

t0——扰动发生时间，将符合启动判据的第一个时间点作为扰动发生时间点。

相关国标和行标对以上指标的规定如下表所示，在本章中选择行标对所提出的指标进行评估，见表6-1。

表6-1　各标准对励磁控制系统小干扰性能指标的规定

2）大干扰动态性能指标

大干扰动态性能指标是指扰动信号大到使调节达到限定幅值时的性能指标，这里主要考查的是励磁系统的强励指标。

强励即强行励磁，当系统发生严重故障时发电机机端电压下降较为严重，强励动作，抬升机端电压；当故障被切除后，强励迅速退出，即利用发电机的短时过载能力提高系统在故障期间维持稳定的能力。强励作用过程如图6-8所示，Ifd为发电机励磁电流，故障发生后励磁电流迅速上升至2Ifd，A为首次达到2Ifd的点，由于励磁限制器作用，励磁电流维持在2Ifd，随后过励限制器动作，励磁电流开始降低至1．1倍额定励磁电流IfN处，B为Ifd由2Ifd返回的起始点；C为Ifd首次返回到1．1Ifd的点。励磁电流在强励时的变化特性，是判定励磁系统强励能力的重要参考数据。

图6-8　强励过程中励磁电流的变化示意图

发电机励磁调节器过励限制环节是在保证设备安全的前提下，尽可能利用励磁绕组及发电机短时过载能力，防止系统发生电压崩溃。出于保护设备的考虑，该环节的设置通常趋向于保守，留有较大的裕度。

励磁系统的强励能力对励磁系统功率部件设计、励磁装置的成本和运行可靠性，以及电力系统的暂态稳定和电压稳定都有较大的影响。过去每种型号励磁装置的强励倍数和响应速度均是通过生产厂家试验或现场型式试验及计算确定的。但目前往往只鉴定AVR，放松了对励磁系统整体性能的监督，因而有必要分析机组的强励能力和相关指标。本书评估的强励指标包括强励电压倍数（顶值电压）、电流倍数（顶值电流）、励磁电压上升速度（励磁标称响应）、强励时间和返回时间。

（1）强励电压倍数KV。

式中　Ufdmax——强励过程中最大的励磁电压；

Ufde——额定励磁电压。

（2）强励电流倍数KI。

式中　Ifdmax——强励过程中最大的励磁电流；

Ifde——额定励磁电流，一般发生强励时都有KI＝2。

（3）励磁电压响应速度v。励磁电压响应速度（单位为倍／s）反映了强励的速度：

式中　Δt——励磁电压从稳态值到顶值电压的上升时间。

（4）强励时间和返回时间。强励时间是衡量励磁系统过载能力的重要指标，评估的是励磁系统在严重故障下对系统稳定性的贡献能力；返回时间衡量的是强励状态的退出速度，主要是从保护设备的角度出发。这两个指标分别表现了对系统和对机组安全性的考虑，同时保障厂网的安全是网源协调的初衷。

强励时间为图6-8中的t1，返回时间为t2，计算公式如式下：

国家标准GB／T7409．1、GB／T7409．2、GB／T7409．3和电力行业标准DL／T843、DL／T583对励磁系统大干扰动态性能指标的规定见表6-2，在本章中选择行标对所提出的指标进行评估。

表6-2　国标及行标对励磁系统大干扰动态性能指标的规定