（电力系统及其自动化专业论文）同步发电机组参数辨识研究.pdf

a b s t r a c t v a l i d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp a r a m e t e r sp l a y av e r y i m p o r t a n t r o l ei nt h e s t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds h o r t - c i r c u i tc a l c u l a t i o no fp o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h e f o l l o w i n gi s s u e sa r ei n v e s t i g a t e d o nt h eb a c k g r o u n do f e n g i n e e r i n gp r o j e c t ： 1 t a k i n gt h eb p a m o d e la sm o d e lr e s e a r c ho b j e c t ，t h ec o r r e s p o n d i n gp r o b l e m b e t w e e nt h em o d e la n dp a r a m e t e r si ss t u d i e d f o re l e c t r i cp a r a m e t e r si nd - a x i s ，t a k i n g u s eo f s t e a d y s t a t ec o n d i t i o na n d t h er e s t r i c t i o n sb e t w e e nt h eg e n e r a t o rp a r a m e t e r s ，a n e wi d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sg i v e n t h r o u g ht h ei d e n t i f i c a t i o no f f o u rp a r a m e t e r s - - x d ，xf ，x ：，t 矗，a l lp a r a m e t e r si nd - a x i sc a n b em a d eo u t t h es i m u l a t i o ns h o w st h e e f f i c i e n c yo f t h i sm e t h o d 2 t h ei d e n t i f i b i l i t yo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rm e c h a n i cp a r a m e t e r si ss t u d i e d t a k i n g t h e h y d r a u l i c t u r b i n ea n dt u r b i n e g e n e r a t o r a si t sr e s e a r c h o b j e c t s ，t h e i d e n t i f i b i l i t yp r o b l e m o fm e c h a n i c p a r a m e t e r s i s a n m y z e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c h i n d i c a t e st h a tt h em e c h a n i cp a r a m e t e r sc a l lb ei d e n t i f i e du n i q u e l y t h es i m u l a t i o n i l l u s t r a t i o ns h o w st h e v a l i d i t yo f a b o v e t h e o r e t i c a la n a l y s i s 3 1 1 1 es y n c h r o n o u s g e n e r a t o rp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e d 4 s o m ea s p e c t sa f f e c t i n gt h ei d e n t i f i c a t i o na c c u r a c yo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r a r cs t u d i e d ，w h i c hs h o w st h er e a s o n a b l em o d e la n de f f e c t i v ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o da r e t h ek e y p o i n t st ot h es u c c e s so fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n t h i s p a p e rh a sm a d es o m ec o n t r i b u t i o n s t ot h e m o d e l i n g o f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o l k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，m e c h a n i cp a r a m e t e r s ， i d e n t i f i b i l i t y 学位论文独创性声明： 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者( 签名) ：笪兰# 坠 日期：矿西年? 月彤日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 学位论文作者( 签名) ， 墨继 日期： 驴厂年；月堵日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的重要意义 同步发电机组是电力系统的心脏。一般来说，电力系统分析和计算所用的计 算程序都给出同步发电机组的数学模型，但模型的准确度到底如何，会直接影响 系统分析计算的准确度和可信度2 【3 】i ”，为此，同步发电机组的建模【l l 【5 1 问题， 直成为专家们和广大电力工作者广泛重视和研究的热点。 同步发电机组模型中的电气参数受磁滞、涡流、损耗等因素和不同的运行工 况的影响，机械参数转动惯量随机组所带汽缸等机构的不同而变化，机械参数阻 尼系数也随机组的状况不同而不同【1 】【2 【3 】 4 】。目前在电力系统的分析计算只能依据 厂家提供的或手册的数据，或不得已采用简化模型，由于数据不全，且均未计及 实际运行工况的影响，所以计算结果常与实际工况不符，严重影响系统分析计算 的准确度和可信度，这些情况已为国内外一些文献所证实【“。所以基于实际系统 的情况，作同步发电机组的建模研究具有重要的工程实用意义。 同步发电机组的建模【5 研究分为：机理建模和辨识建模两种途径。机理建 模( 称为白箱建模) 是根据系统内在机理，按照基本物理、化学等定理定律来导 出模型。辨识建模( 称为黑箱建模) 是根据建模对象的运行及试验数据建立现场 测试动态建模。针对处于大电力系统中的同步发电机组，其结构和运行情况相当 复杂，相比较而言，显然后者因考虑的实际因素更多一些，更有优越性。当然更 具有工程实用价值的是采用机理建模和辨识建模两种途径相结合的方法，因为同 步发电机组的内部机理大体己知，可先按机理列出数学模型，再用系统辨识求出 参数( 称为灰箱建模) 【i j 【7 j f 8 j 【9 j 【i o j 【i l j 。2 1 。 同步发电机组电气参数的辨识已取得工程实用价值的研究成果【1 【8 】【9 】【1 0 l 。本 文结合工程实用化的需要，着重研究实用于实心转子汽轮机的六阶模型参数辨识 问题，提高了电气参数辨识的精度，分析得出能唯一辨识同步发电机组的机械参 数的结论，还用算例对电气参数和机械参数的辨识做出很好的验证。研究表明， 能高精度地辨识出同步发电机组的电气参数和机械参数，这为同步发电机组建模 研究工程应用化奠定了重要的理论基础，也将能为电力系统分析和计算提供更为 准确的同步发电机组参数，具有重要的实用价值。 河海大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 同步发电机组模型概述 随着同步发电机组相关研究工作的深入，人们根据不同的目的和运行工况的 要求，提出了不同的模型。在现代大电力系统中，含有上百台同步发电机组，为 避免维数灾引起分析计算困难的问题，工程实际工作中，都对同步发电机组的数 学模型作不同程度的简化，以便在不同场合下使用。下面选取三种模型加以介绍， 并着重介绍本课题所采用的六阶模型，具体推导过程可参阅文献【1 3 ： 1 、六阶模型f 1 】 1 3 l 【1 4 】 忽略定子绕组暂态( 定子电压方程中p q t 。= p v 。z 0 ) ，但计及q 轴阻尼绕 组d 、q 的暂态和d 轴g 绕组暂态以及励磁绕组暂态以及转子动态六阶模型 ( e ：，e j ，e j ，e ：，及6 为状态变量) 。该模型计及转子d 轴、g 轴的瞬变过程 及超瞬变过程，有利于描写实心转子的汽轮机。具体模型如下： ( 1 ) d 轴电气模型： 吃p e ；= q j x 。d 一- 。x ，ie q + x x a 。- 一x x ， ae ， 一生兰生二掣岛 弘；= 氆气站e ：+ 牛( 小蹴 ( 1 _ 1 ) “。= e ：一肖：一r i 。 其中毋：鲁嘞：k u 。 。 。 。 ( 2 ) q 轴电气模型 t q o p e a = 一丽x q - y 1 , 糟n 坠糟 商= 万x q - 百x t 一，俨。一e + e + ( 石：一) f ， t t d = 玩+ x q r i a ( 3 ) 转子运动方程 ( 1 2 ) 第一章绪论 l p j = 国一， l 坳印= m ，一m 。一d p 8 上述模型中各量均为标幺值，含义如下： e ：，e 一d ，q 轴次暂态电势； e ：，e - d ，g 暂态电势； ：，彳：一一d ，g 轴次暂态电抗； 呓，呓一d ，g 次暂态开路时间常数； x ：，：d ，g 轴暂态电抗； 吒，。一d ，g 暂态开路时间常数； 局，x 。一d ，g 轴同步电抗； e 一励磁电势； “m - 励磁电压； 励磁倍数； 占一g 轴与系统公共参考轴的夹角； d 转子转速： 缈，一系统公共参考轴的转速，一般取，= i m 转子的惯性时间常数； j d 阻尼时间常数； m 。- 机械转矩； m 电磁转矩； r 一定子电阻； x ，一为定子漏抗； p 一为微分算子； ( 1 3 ) 河海大学硕士学位论文 2 、五阶综合稳定计算模型【l j f l 3 】【1 4 】 当进一步忽略转予q 轴的超瞬变过程，但计及转子阻尼绕组作用时，亦及考 虑，d ，q 绕组的电磁暂态，可得五阶模型。该模型一般更适用于水轮机，具体 模型如下： ( 1 ) d 轴电气模型： 吃噼e ，一糟印嚣一坠掣屯 yy 砭线= 等t k p e ；一e ；+ 一( e e ) ( 1 - 4 ) j 一 = 乓一并：屯一r i 。 其中e r ：警h 日：k u 日。 r 村 。 ( 2 ) q 轴电气模型： 仔要_ = - x 或“牛砒 (15，；i r i l = 岛+口一d ”叫 ( 3 ) 转子运动方程同( 1 - 3 ) 。 3 、三阶机电暂态模型【l 】【1 4 】 在电力系统机电动态过程分析中，因动态过程时间较长，可进一步忽略阻尼 绕组的电磁暂态，仅计及励磁绕组的动态过程，从而获得常用的三阶机电暂态模 型。该模型广泛用于精度要求不高但需计及励磁系统动态的动态过程分折中。具 体模型如下： 瓦p e ，= e ，一e ：一( x a x ：) 。x 9 i 目一r i a u q = e j q x 一r i q t 1 - 6 ) k e p t , = m 。一m 。 p 8 = 一甜，= 1 1 2 2 模型参数的辨识方法 曾经盛行的同步发电机组参数辨识方法有：频域响应法和时域辨识法，而模 拟进化方法被引入电力系统辨识。显示出了很好的工程实用价值。 第一章绪论 1 、频域响应法 1 l f 】5 1 【1 6 】 频域响应法测同步发电机组参数在5 0 年代就已应用，在7 0 一8 0 年代形成高 潮。目前该法在分析理论、测试及处理技术等方面都有了根本的改进。其测试原 理是首先在待测系统上施加具有定频带的扰动信号，并录取其频率响应，然后 在计算机上利用动态拟合曲线程序求取传递函数，并求取电机参数。具体地又可 分为以下几种：( 1 ) 直流衰减法：电机静止时施加直流电源。属于静态测试，未 计及动态效应。( 2 ) 静态频域法：电机静止时加不同频率的正弦信号，利用频谱 分析，求取电机参数。( 3 ) 在线频域法：机组运行时加不同频率信号，然后分析 机组的暂态过程。 总结近年来频率响应法本身理论上的研究和工程上的实践，该法在计算方法 上比较成熟，算法稳定性好，且具有一定的滤波能力，但存在缺陷：( 1 ) 由于需 要进行频响分析，对输入信号的波形、幅值大小及其相关性要求严格，难以应用 电机动态过程本身扰动作为输入信号。( 2 ) 频响分析建立在线性系统的基础上， 不能反映动态过程中参数非线性变化的特点。由于方法本身的限制，此法的研究 趋于减少。 2 、时域辨识法【l 】f 1 7 】 时域辨识法在7 0 年代后期提出，开拓了在线辨识的广阔前景。美国的 d e m e l l o 等人提出一种时域辨识法一抛载法。实施过程是将电机调到零功率因素 负载或纯电流负载点，将电机从电网中解列，测其电压衰减曲线，从中得到一些 参数。 时域辨识法在辨识实现方法上主要有：( 1 ) 最小二乘法：利用最小二乘估计 法，估算能得到一个在最小方差意义上与实验数据最好拟合的数学模型。( 2 ) 卡 尔曼滤波法：把受扰信号看成一个动态过程，利用噪声的统计特性，把它从受扰 信号中减去，从而获得较精确的有用信号。 时域辨识法的优点是：计及运行工况对参数的影响。它的局限性是：只在超 瞬变过程中，电机的状态才与运行条件比较接近，其它参数的量测与实际运行条 件相差很远。 3 、模拟进化方法【1 】【1 0 】 8 0 年代后期自今，鞠平率先将模拟进化方法引入电力系统辨识，直接针对 河海大学硕士学位论文 电力系统非线性本质、间接借鉴线性理论，从可辨识性分析入手，较好地解决了 同步发电机组电气参数辨识不稳定问题。该方法的基本思想是：针对求解全局优 化问题，随机搜索算法在搜索过程的初始阶段找到全局最优解所在的一个局部区 域，然后逐步缩小搜索范围，最终求出全局最优解。目前，模拟进化方法主要包 括遗传算法、遗传编程法、进化规划法、进化策略法、模拟淬火法等。模拟进化 方法针对综合稳定计算模型，辨识出同步发电机组的电气参数，经工程实践的验 证，证明了该方法的有效性。但同步发电机组的机械参数辨识不稳定。 1 3 本文所做的工作 同步发电机组电气参数辨识的精度如何提高，机械参数是否可以唯一辨识， 如何辨识，这些问题需要进一步研究。本文开展了如下工作： 1 、对于同步发电机组电气参数辨识问题，在文献 1 】研究成果基础上，主要 是选取精度更高的六阶模型进行参数辨识，既研究了模型和其参数计算的对应 性，还结合稳态和电机本身的约束条件，提出了只辨识z 。，x ，；，巧。四个量， 就可以计算求得x 。，x ：，x ：，。，巧。，k 六个量的处理办法。采用六阶模型辨识了 交轴电气参数。这样既提高了辨识精度，又兼顾考虑了辨识方法对工程的实用性。 在实践上运用具体的辨识算例对理论分析的结论加以了验证，一方面证明了理论 分析的正确性，另一方面也为同步发电机组电气参数辨识的工程化作出了有益的 尝试。 2 、对于同步发电机组机械参数辨识问题，由于鲜有文献涉及，本文作了重 点研究。本文分别以汽轮机和水轮机作为研究对象，针对汽轮机分别配有液压调 节系统和功频电液调节系统以及水轮机配有离心飞摆调节系统等不同情况，在理 论上分析各自机械参数的可辨识性，得出了同步发电机组机械参数是可唯一辨识 的结论，这样解决了机械参数辨识的盲目性问题。在实践上运用具体的辨识算例 对理论分析的结论加以了验证，一方面证明了理论分析的正确性，另一方面也为 同步发电机组机械参数辨识的工程化作出了有益的尝试。 3 、编辑了同步发电机组参数辨识软件系统，为工程化辨识同步发电机组的 参数作了有益的尝试，使同步发电机组参数辨识研究课题成果化迈出了重要的一 6 第一章绪论 步。 4 、关于同步发电机组辨识建模中的影响辨识精度等落干问题，本文结合研 究计算的实际情况，从理论和实际两个方面作了分析，以便于和相关研究工作者 讨论。 河海大学硕士学位论文 第二章进化策略法参数辨识方法 参数辨识方法i l 】1 1 8 j 2 4 1 有很多，其中进化策略法 q 1 1 0 1 ( 简称嬲法， e v o l u t i o n a r ys t r a t e g i e s ) 是德国科学家r e c h e n b e r gi 及s 咖e f e ，h - p 在上世纪 6 0 年代提出的，用于解决多参数优化问题，历经众多研究者的运用和实践，在 电力系统研究应用中有很好价值。在同步发电机组的电气参数辨识的运用方面， 相对于其他辨识方法，在辨识精度及计算时间等方面有显著优势【l 】，本人的研究 实践也证明了这点，针对同步发电机组参数辨识的具体问题，本人还作了其他一 些的研究探索，对于提高辨识精度很有作用。下面对进化策略法参数辨识方法作 简单的介绍，并讨论了提高辨识精度的一系列问题，这些问题对于该方法工程应 用化有很重要的意义。 2 1 基本原理帅0 3 e s 法的原理及步骤非常简单，在此介绍多成员法的主要步骤： ( 1 ) 初始化。随机给出包含个个体的初始代，每个个体由n 个基因组成 的基因类型确定，基因类型决定了个体的适应性。 l = ( 一j - x i ) ( 2 1 ) x _ = ( x ，1 x ) ( 2 ) 变异。第g 代每个父体变异产生一个后代，子代的f 分量构成如下： 譬1 = x 岔+ z f 5 ( 2 2 ) 其中，e 表示父代，n 表示子代，z j 2 一般为正态分布的随机向量。 ( 3 ) 选择。在父代和子代的个体中选择个适应度最好的个体进入下一代。 适应度值要根据具体求解问题所设定的目标函数来计算，目标函数一般选为观测 量的己知值和待求值的平方和的倒数。 ( 4 ) 如此在第二和第三步之间循环，直到满足收敛判据为止。 第二章进化策略法参数辨识方法 2 2 工程运用 进化策略法运用于电力系统的参数辨识，相对于其他模拟进化方法，具有更 好的鲁棒性和精度【”。具体工程运用时，一些具体细节问题的处理对于该方法功 能的发挥有很大关系。 l 、辨识的输入量、观测量及其个数的选择。辨识参数时，从数学角度来看， 选哪一个已知量作为输入量或观测量都可行，从工程角度来看，输入量、观测量 的选择有讲究，就必须考虑工程量测的可行性及参量变化的大小。如由于电力系 统对电压的要求比较高，系统中还采用了多种方法来维持电压的稳定，辨识同步 发电机组的电气参数时，选择端口电流作为观测量，励磁电压作为输入量就比较 合适，因为端口电压有时变化量可能太小。再如由于同步发电机组的转速可以测 量，电磁转矩已知或可以计算( 见后面第四章分析) ，辨识同步发电机组的机械 参数时，选择电磁转矩作为输入量，转速作为观测量就比较合适。求解工程问题 时，有时选择一个参量作为输入量、观测量还不够，可以根据需要，增加输入量、 观测量个数。 2 、参数变化限度的设定。变异算子计算出的值叠加到父代值得到的子代值， 有可能使子代值超出合理的范围，单从数学问题的求解的角度来看，如果通过缩 小限度而使计算结果约束到我们希望的值，这是可以的，但显然这在工程上无法 运用。结合本课题的实践需要，本人认为变异值的变化范围选为初值的o 5 一1 5 倍之间比较合理，如果限域宽且辨识值理想，才能说明辨识方法有效，才能保证 工程问题求解的合理性，当变异使子代值超越限度时，设定子代值为参数的上下 限。 3 、变异算子的设定。进化策略法中的变异值可曲的方差盯的功能类似于迭 代法中的步长，其如何选取及如何变化会影响算法的收敛精度和收敛时间，一般 按照1 5 成功法则控制步长。本课题采用迭代代数影响方差的方法，每隔十代在 z f 曲这个正态分布的随机向量产生的盯加一，这样就能有效地搜索到最优点。 另在数字计算机中，位数是有限的，当一个数多次被比它大的数除，可能所得的 数就很小，接近于零，所以变异方差就可能为零，这会使辨识结果停留在局部最 优点，相当于缩小了搜索空间，为避免这种情况的发生，必须保持一定的方差。 9 河海大学硕士学位论文 本课题中，如果设定盯 s - o ) 其中：只一电机输出机械功率；汽门开度； 珊一转予转速；k 。测量放大系数； m 转子惯性时间常数；d 一阻尼系数 t 蒸汽容积效应时间常数；t 一伺服机时间常数； 。一转速稳态值；珂= o j ( t o ) + 4 0 ) 一参考转速。 ( 5 1 ) 第六章同步发电机参数辨识系统 用龙格库塔法计算电机的转速、功角、机械转矩、汽门开度的瞬时值( 标幺 值) ，为了参照p m u 项目的需要，计算输出的数据步长为0 0 2 秒。 根据仿真程序计算的电磁转矩t 、机械转矩l 和设定的惯性时间常数m 、 阻尼系数d ，来计算电机的转速q ，与仿真程序计算的转速值。比较，用 m a t l a b 画图程序画出转速的图形来比较，见图5 - 1 ，验模型结果良好。验好模 型后方可辨识机械参数。 5 1 2 辨识机械参数 用c + + 语言编写好进化策略法辨识程序，并辨识机械参数，选待求量与 已知量差值的平方和的倒数为目标函数，以转速为观测量时，辨识结果如下表 5 1 ： 表5 - 1 汽轮机机械参数辨识结果 目标 代数z 乙蚝 md 函数值 5 0 代1 3 9 4 8 91 5 9 6 72 0 8 8 8 82 0 3 7 0 43 2 8 9 9 l3 7 0 0 8 9 e + 0 0 8 1 0 0 代 1 3 9 4 8 91 5 9 6 72 0 8 8 8 82 0 3 7 0 43 2 8 9 9 13 7 0 0 8 9 e + 0 0 8 2 0 0 代1 3 9 4 8 9 1 5 9 6 72 0 8 8 8 82 0 3 ，7 0 43 2 8 9 9 l3 7 0 0 8 9 e + 0 0 8 5 0 0 代 1 3 9 4 8 91 5 9 6 72 0 8 8 8 82 0 3 7 0 43 2 8 9 9 13 7 0 0 8 9 e + 0 0 8 8 0 0 代 1 3 9 4 8 91 5 9 6 72 0 8 8 8 82 0 3 7 0 43 2 8 9 9 l3 7 0 0 8 9 e + 0 0 8 设定值 1 4 1 3 7 21 5 7 0 82 0 82 0 4 2 0 33 3 0 5 1 3 辨识精度考证 由表5 1 可见，机械参数的辨识精度相当好。 以算例一辨识的结果作为已知量，在同样的电磁扰动下，计算电机的转速 以，当辨识进行到第2 1 代时，结果已搜索稳定到最优点，再用m a t l a b 画图程 河海大学硕士学位论文 序，分别画出转速q 和仿真计算的转速的比较图形，如下图5 - 2 ，比较发现 辨识精度比较好。 【 _ _ _ - _ _ - - _ - _ - _ - - _ _ 、 ，、 ， ， ， 7 、埘l ， 、_ r ， ： 脚n ， i t - 一一- - - - ， 一 f ， ， ， ， ， ，- l ， ，- 。 ， 上。 f f 4 - _ _ _ t ； 第六章同步发电机参数辨识系统 队 | 曲l l o - 1 0 | j | | 髓，- 2 5 2 汽轮机仿真算例二调速器是功频电液调速器 汽轮机电磁转矩加一扰动在1 秒( 标幺值为1 3 1 4 1 5 9 2 6 ) 内均匀降到原值 的8 0 ，同步发电机组原始参数如下( 均为标幺值) 1 2 0 3 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；乃2 0 8 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；t = o 4 4 + 3 1 4 1 5 9 2 6 i = o 0 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；正。0 0 2 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；乃= 0 2 1 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ； k p = 3 8 ；k 52 1 8 8 ；肘= o 4 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；d 2 3 3 0 ；国( “) 2 1 0 m 。( f o ) = m 。( f o ) = ( ，o ) = o 8 5 1 1 ；t o = o ； 5 2 1 计算仿真数据并校验机械模型 调速系统的数学模型如下 河海大学硕士学位论文 警= k p ( 擎+ 等+ 百1 卣) t 警一壕 正警一针一懈 t 害 f 1 = k s ( 脚。r c o ) + m ，一m 。 其中： 氧，掌：分别为p i d 的输入、输出量 k 。，乃一分别为p i d 的参数 邑- 一电液转换器输出量：t 一电液转换器时间常数 六一继动器的输出量； 一继动器时间常数 t 一油动机时间常数；缸一转速反馈量的放大倍数； 一汽门开度； 国，m ，一含义同前 甜可，m 可一参考量，稳态时有卣( o ) = 0 ，彘( 0 ) = 0 ，彘( o ) = 0 ，六( o ) = 0 。 汽轮机的数学模型和转子运动方程如下 r 警一只+ m 警= 只胁t d ( ( o s - - ( ) 其中： 巴一电机输出机械功率； 国一转子转速； 一转速反馈量的放大倍数 ( 5 - 2 ) ( 5 - 3 ) m 转子惯性时间常数； d 阻尼系数； 用龙格库塔法计算电机的转速、功角、机械转矩、汽门开度、p i d 的输入输出量 的瞬时值( 标幺值) ，为了参照p m u 项目的需要，计算输出的数据步长为0 0 2 秒。 根据仿真程序计算的电磁转矩t 、机械转矩乙和设定的惯性时间常数肘、 第六章同步发电机参数辨识系统 阻尼系数d ，来计算电机的转速q ，与仿真程序计算的转速值国。比较，用 m a t l a b 画图程序画出转速的图形来比较，见图5 3 ，验模型结果良好。验好模 型后，方可辨识机械参数。 5 2 2 辨识机械参数 用c + + 语言编写好进化策略法辨识程序，并辨识机械参数，选待求量与已知 量差值的平方和的倒数为目标函数，以转速和汽门开度为双观测量时，辨识结果 如下表5 2 ： 河海大学硕士学位论文 表5 - 2 同步发电机组机械参数辨识结果 目标 代数md 函数值 5 0 代 1 7 0 9 8 73 2 9 0 0 23 3 5 0 5 7 1 0 0 代 1 3 8 8 4 93 2 9 3 7 73 8 8 5 8 4 2 0 0 代 1 3 8 8 9 l 3 2 9 6 2 73 8 9 1 3 8 5 0 0 代 1 3 8 9 8 1 3 2 9 6 7 93 8 9 2 6 9 8 0 0 代1 3 9 0 4 33 2 9 7 0 63 8 9 3 5 0 设定值 1 4 1 3 7 1 73 3 0 5 2 3 辨识精度考证 由表5 2 可见，机械参数的辨识精度相当好。 以算例二辨识的结果作为已知量，在同样的电磁扰动下，计算电机的转速 国。，再用m a t l a b 画图程序，分别画出仿真计算设定的转速和q 的对照图形， 如下图5 4 ，比较发现辨识精度比较好。 4 0 第六章同步发电机参数辨识系统 5 3 水轮机仿真算例一 水轮机电磁转矩加一扰动在1 秒( 标幺值为1 3 1 4 1 5 9 2 6 ) 内均匀降到原值 的6 0 ，同步发电机原始参数如下( 均为标幺值) ： l 2 l ，2 + 3 1 4 ，1 5 9 2 6 ；r s = 5 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ： j 2 1 5 8 ；巧，2 0 0 4 5 ；卢2 0 5 ； r 2 5 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；m = 2 5 + 3 1 4 1 5 9 2 6 ；d = 2 3 o ； c o ( t o ) 2 1 o ；t ( ) = 乙( r 。) = ( f o ) 2 0 8 5 1 1 ；f ( ，o ) 。o ： w2c o ( t o ) + 6 i , u ( t o ) ；t o = 0 ； 5 3 1 计算仿真数据并校验机械模型 本算例中，水轮机的机械模型方程取为( 离心飞摆式调速器) ： m a 出c o = 只国一t d ( c o , - c o ) 2 ：等等+ 2 , u - 2 d 讲t k ：， 塑：一盟“一一8 f + t c j ( c o , , ：- c o ) 3 2 d t t 。瓦7 t 警一半川等一扣t k a r l c c o r e - - c o ， 其中： 匕一电机输出机械功率；芦一水门开度 掌一软反馈量；国一转子转速 m 转子惯性时间常数：d 阻尼系数； l 一水流时间常数；l 一接力器时间常数 足；一测量放大系数：t 一静调差系数； 正一软反馈时间常数：一软反馈系数； c o = c o ( t o ) + 8 , u ( t o ) 一参考速度 4 l 河海大学硕士学位论文 仿真数据产生程序用龙格库塔法计算电机的转速、功角、机械转矩、水门开 度的瞬时值( 标幺值) ，计算输出的数据步长为o 0 0 5 秒。 根据仿真程序计算的电磁转矩疋、机械转矩乙和设定的惯性时间常数m 、 n ) e 系数d ，来计算电机的转速q ，与仿真程序计算的转速值比较，用 m a t l a b 画图程序画出转速的图形来比较，验模型结果良好后方可辨识机械参 数。 5 3 2 辨识机械参数 用c 十+ 语言编写好进化策略法辨识程序，并辨识机械参数，选待求量与已知 量差值的平方和的倒数为目标函数，以转速为观测量，辨识计算步长选为0 0 2 秒，辨识结果表5 3 。 表5 - 3 水轮机机械参数辨识结果 目标 代数md 函数值 5 0 代 7 8 1 4 9 22 3 1 3 6 3 1 5 5 9 5 9 e + 0 0 7 1 0 0 代 7 9 1 6 3 92 2 9 2 5 11 _ 9 2 6 8 8 e + 0 0 7 2 0 0 代7 8 7 4 9 82 2 9 4 4 22 1 2 3 2 e + 0 0 7 5 0 0 代7 8 5 2 0 52 2 9 7 2 53 1 1 6 9 1 e + 0 0 7 8 0 0 代 7 8 3 7 7 62 2 9 9 2 43 9 4 7 7 2 e + 0 0 7 设定值 7 8 5 3 9 8 1 52 3 o 5 3 3 辨识精度考证 由表5 - 3 可见，机械参数的辨识精度相当好。 分析辨识结果，发现m 和d 的辨识结果5 0 代就很好，把8 0 0 代的辨识结果 作为已知量，在同样的电磁扰动下，计算电机的转速，c o 再用m a t l a b 画图 第六章同步发电机参数辨识系统 程序，画出q 和仿真计算的转速对照图形，如下图5 - 5 ，虽然从表5 - 3 可以看 出机械参数的辨识结果比较好，但从图5 5 的放大效果来看，转速的对应值相差 还是比较大的，主要原因是针对水轮机的调速系统，只采用转速单一观测量时， 其参数是不可以唯一辨识，但可以看出m 和d 辨识结果还是相当精确的。至于 调速系统的参数如何辨识，需要另课题研究。 5 4 计及非线性特性的仿真算例 本质上来说汽轮机、水轮机的模型是典型的非线性模型，如汽门和水门的开 度有死区特性，开度还不能越限等，所以必须研究模型是非线性情况下对机械参 数辨识的影响，下面就以水轮机为例来进行研究。 电磁转矩加一扰动在1 秒( 标幺值为1 3 1 4 1 5 9 2 6 ) 内均匀降到原值的8 0 ， 同步发电机组原始参数同水轮机仿真算例一，水门开度超过0 0 0 1 才开始动作。 4 3 河海大学硕士学位论文 5 4 1 计算仿真数据并校验机械模型 仿真数据产生程序用龙格库塔法计算电机的转速、功角、机械转矩、水门开 度的瞬时值( 标幺值) ，为了参照p m u 项目的需要，计算输出的数据步长为o 0 0 5 秒。 根据仿真程序计算的电磁转矩t 、机械转矩l 和设定的惯性时间常数m 、 阻尼系数d ，来计算电机的转速，与仿真程序计算的转速值比较，用m a t l a b 画 图程序画出转速的图形来比较，验模型结果良好后方可辨识机械参数。 5 4 2 辨识机械参数 用c + + 语言编写好进化策略法辨识程序，并辨识机械参数，选待求量与已知 量差值的平方和的倒数为目标函数，以转速为观测量时，设定与上算例同样的初 值，辨识结果如下表5 4 。 表量4 水轮机机械参数辨识结果 目标 代数md 函数值 5 0 代 7 8 4 8 4 6 2 2 9 3 5 7 3 2 9 7 1 4 e + 0 0 7 1 0 0 代 7 8 4 9 8 32 2 9 2 1 84 1 7 6 6 2 e + 0 0 7 2 0 0 代7 8 4 8 6 52 2 9 2 24 1 8 1 2 1 时0 0 7 5 0 0 代7 8 4 9 8 32 2 9 2 2 8 4 1 8 3 1 5 e + 0 0 7 8 0 0 代 7 8 4 9 8 32 2 9 2 2 84 1 8 3 1 5 e + 0 0 7 设定值 7 8 5 3 9 8 1 52 3 0 5 4 3 辨识精度考证 由表5 - 4 可见，机械参数的辨识精度相当好。 分析辨识结果，发现m 和d 的辨识结果5 0 代就很好，把8 0 0 代的辨识结果 作为已知量，在同样的电磁扰动下，计算电机的转速0 9 。，再用m a t l a b 画图程 4 4 第六章同步发电机参数辨识系统 序，画出。和仿真计算的转速对照图形，如下图5 - 6 ，虽然从表5 - 4 可以看出 机械参数的辨识结果比较好，但从图5 - 6 的放大效果来看，转速的对应值相差还 是比较大的，原因同上例的分析。 这一算例可以说明在计及非线性影响时，可以比较精确辨识同步发电机组的 机械参数。 河海大学硕士学位论文 第六章同步发电机组参数辨识系统 结合前几章的研究成果，结合p m u 项目的需要，本人还用c h 7 0 开发了 “同步发电机组参数辨识系统”软件【l j ，辨识系统可包括数据转换和参数辨识两 大部分。c + + 7 0 相对于c + + 6 0 而言，更突出了网络支持功能，这更强化了各模 块之间的联系，使系统的运用更方便和快捷，也美化了视觉效果。介绍如下： 6 1 界面 主界面见图6 - 1 直轴电气参数辨识界面见图6 2 ： 第六章同步发电机参数辨识系统 交轴电气参数辨识界面见图6 3 液压调节系统的汽轮机的机械参数辨识的界面见图6 - 4 河海大学硕士学位论文 功频电液调节系统的汽轮机的界面见图6 - 5 离心飞摆式调节系统的水轮机的辨识界面见图6 - 6 第六章同步发电机参数辨识系统 6 2 功能 开发本系统的目的是在线辨识同步发电机组的参数，功能就是将g p s - - p m u 采集的有效数据经过转换后，再根据用户的需要辨识参数。装载g p s - - p m u 的用 户，只需输入有关参数的辨识初值，指定转换数据文件所在的位置，设置好辨识 的代数，就既可辨识电气参数，又可以辨识机械参数。 系统使用方便，美观大方，现只需稍作改进就可作实际运用。 河海大学硕士学位论文 第七章结论与展望 同步发电机组是电力系统的心脏，对于电力系统的安全稳定起着十分重要的 作用。关于同步发电机组建模研究一直是吸引着电力界广大理论和实际工作者的 关注。近年来几起大的停电事故的发生，促使人们更加重视系统安全稳定分析计 算的准确度，从而更加重视同步发电机组的建模研究。 7 1 本文的主要研究成果 本文结合p b i u 项目的需要，利用系统辨识理论对同步发电机组参数问题进行 了研究，主要研究成果有： 1 、详细研究了同步发电机组模型和参数的对应性问题。结合同步发电机组 稳态条件和参数间的约束，提出了对于六阶模型，只辨识x 。，x ，x ：，巧。四个量， 就可以计算求得x 。，z ：，z ：，巧。，k 六个量的方法，为准确地获取同步发电机 组直轴参数探索了一条新的途径。通过仿真计算，采用进化策略方法进行辨识， 利用上述方法辨识得到的直轴参数具有很高的精度，验证了上述分析的正确性。 采用六阶模型来辨识交轴参数，获得准确的结果，使辨识方法和辨识程序的适用 范围得以了扩展。这些工作也为同步发电机组电气参数精确辨识提供了一条新途 径。 2 、运用系统辨识理论，针对同步发电机组常见的调速系统，对机械参数是 否可以唯一辨识问题逐一进行了理论分析，从理论上证明了机械参数可唯一辨 识，仿真算例对上述结论逐一加以了证明，为机械参数辨识提供了理论依据。 3 、开发了同步发电机组参数辨识软件，为同步发电机组建模研究成果工程 化应用做了很重要的基础工作。 4 、研究了同步发电机组辨识建模中的影响辨识精度的若干问题，分析认为 合理的模型和有效的辨识方法是同步发电机组参数辨识成功的关键。 7 2 后续工作展望 同步发电机组参数辨识是一个很难又很有吸引力的课题，对它的研究将是一 第七章结论与展望 个长期的过程。本文只是从理论和仿真两个方面对同步发电机组参数辨识作出研 究，新兴的g p s p m u 技术带给我们一个崭新的研究平台，研究成果的工程化需 要做的工作还很多，具体概括如下： l 、利用g p s p m u 在线捕捉自然扰动得到的数据量将是非常巨大的”，而绝 大多数数据并不适用于同步发电机组参数辨识，必须从大量数据中筛选出有用的 部分，数据如何筛选需要进一步的研究。 2 、筛选出来的g p s - - p m u 在线捕捉到的有用数据，如何转换为辨识系统所需 要的数据库文件，需要进一步的研究。 3 、对于不同工况，同步发电机组参数可能是不同的，这一问题本文没有涉 及，但利用g p s - - p m u 这个平台可以较好地记录同步发电机组在不同运行工况下 的动态行为，进一步可以将人工智能和参数辨识程序结合，最终建立起一个较为 完整的同步发电机组参数随工况变化数据库。 4 、同步发电机组的建模研究还应该包括励磁系统的参数辨识和调速系统的 参数辨识，需要另课题研究。 5 、本文所有结论都建立在理想模型和仿真基础上，而实际情况将是非常复 杂的，这些结论正确与否还有待实际系统的一步检验。 河海大学硕士学位论文 参考文献 1 鞠平电力系统非线性辨识南京：河海大学出版社，1 9 9 9 2 李光琦电力系统暂态分析第二版北京：中国电力出版社，1 9 9 5 3 屠黎明，胡敏强，肖仕武，等发电机定子绕组内部故障分析方法电力系 统自动化，2 0 0 1 ，2 5 ( 1 9 ) ：4 7 5 l 4 高景德，王祥珩，李发海交流电机及其系统的分析北京：清华大学出 版社，1 9 9 3 5 沈善德，朱守真关于电力系统建模的一些看法与建议国家电网公司电力 系统稳定工作研讨会论文2 0 0 4 年4 月 6 陈新琪，竺士章，袁斌，等同步发电机参数与工况关系初探中国电力， 2 0 0 l ，3 4 ( 1 0 ) ：3 1 3 4 7 沈善德电力系统辨识北京：清华大学出版社1 9 9 3 8 李靖霞，倪腊琴，鞠平，等同步电机参数的可辨识性研究电力系统自动 化，1 9 9 8 ，2 2 ( 3 ) ：9 - 1 2 9 倪腊琴同步发电机和动态等职模型的可辨识性与辨识方法研究河海大学 硕士学位论文1 9 9 8 年3 月 1 0 鞠平，倪腊琴，韩敬东，等同步发电机参数辨识的模拟进化方法电工技 术学报，1 9 9 9 ，1 4 ( 5 ) ：1 4 1 1 方崇智，萧德云