（电力系统及其自动化专业论文）基于电力系统混合仿真的模型验证研究.pdf

l 华北l 乜力人学硕+ 学伊论文 摘要 电力系统仿真的准确度直接关系到系统的安全经济运行，但是系统元件模型参 数众多，到底哪些元件、参数与动态仿真关系密切，又对之产生多大的影响? 混合 仿真因其将外部实测数据注入到所研究的某部分电网，从而实现了实测与仿真紧密 结合。由于大型仿真软件p s s e 自带的i p l a n 编程语言为用户提供了二次开发平台， 所以本文提出了基于电力系统混合仿真的模型验证方法，采用不同的等值方法按照 区域、元件解耦在p s s e 中进行混合仿真，提出参数灵敏度计算方法并结合参数辨 识来校正模型参数，展开基于电力系统混合仿真的模型验证研究工作。 关键词：电力系统混合仿真，p s s e ，参数灵敏度，特征根灵敏度，误差量化，参 数辨识，模型验证 a b s t r a c t p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o na c c u r a c yi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es e c u r i t ya n de c o n o m i c o fs y s t e mo p e r a t i o n h o w e v e r ，t h e r ea r em a n ym o d e lp a r a m e t e r so fw h i c hh a v ec l o s e r e l a t i o n sw i t ht h ed y n a m i cs i m u l a t i o n ，a n dh o wm u c hi m p a c tt h e yh a v et ot h ed y n a m i c s i m u l a t i o n h y b r i dd y n a m i cs i m u l a t i o nw i t hi t sc a p a b i l i t yo fi n j e c t i n ge x t e r n a ld a t ai n t o t h en e t w o r ko fi n t e r e s tc a nc o m b i n es i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n t sc l o s e l y d u et ot h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tl a n g u a g ei p l a np r o v i d e db ys i m u l a t i o ns o f t w a r ep s s e ，t h i s p a p e rp r e s e n t sa m e t h o do fm o d e lv a l i d a t i o nb a s e d0 np o w e rs y s t e mh y b d ds i m u l a t i o n i m p l e m e n th y b r i ds i m u l a t i o nw i t hd i f f e r e n te q u i v a l e n tm e t h o d si np s s ea c c o r d i n gt o d e c o u p l i n go fc o m p o n e n t s 、a r e a s ，a n de m e n d a t em o d e lp a r a m e t e r su s i n gt h ep a r a m e t e r s e n s i t i v i t yc o m b i n e dw i t hp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nt ol a u n c ht h et a s ko fm o d e lv a l i d a t i o n s t u d i e sb a s e do nt h ep o w e rs y s t e mh y b r i ds i m u l a t i o n y a n gj u n x i n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yv i c ep r o f m aj i n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mh y b r i ds i m u l a t i o n ，p s s e ，p a r a m e t e rs e n s i t i v i t y ， e i g e n v a l u es e n s i t i v i t y ，e r r o rq u a n t i t a t i o n ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ， m o d e lv a l i d a t i o n 舢63 栅4m 6玛 肼1脚y ， 华北电力大学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 电力系统模型验证1 1 3 本文的研究内容和主要贡献3 第二章电力系统混合仿真原理5 2 1 电力系统数学模型5 2 2p s s e 介绍6 2 2 1 潮流计算模块6 2 2 2 动态仿真模块6 2 2 3i p l a n 编程语言7 2 3 电力系统混合仿真原理8 2 3 1 电网解耦思想8 2 3 2 混合仿真原理9 2 4 小结1 0 第三章基于电力系统混合仿真的模型验证实现方法1 2 3 1 变导纳注入1 2 3 1 1 原理1 2 3 1 2 算例验证1 3 3 2 移相变压器注入1 5 3 2 1 原理1 5 3 2 2 算例验证1 7 3 3 小结1 9 第四章模型参数校正及其泛化能力的研究2 1 4 1 引例2 1 4 2 轨迹灵敏度2 2 4 2 1 轨迹灵敏度的数学描述2 3 4 2 2 轨迹灵敏度方程的求解2 3 4 3s e et o o l 介绍2 4 4 4 参数辨识2 6 4 4 1 遗传算法2 6 4 4 2 单纯形算法2 7 4 4 3 粒子群算法2 8 4 5 算例分析3 0 华北电力人学硕十学位论文 4 5 1 电网混合仿真3 0 4 5 2 寻找关键参数3 2 4 5 3 优化参数4 0 4 6 参数的泛化能力研究4 2 4 7 小结4 4 第五章基于电力系统混合仿真的低频振荡误差校正策略4 5 5 1 低频振荡机理4 6 5 2p r o n y 分析4 7 5 3 特征根灵敏度分析4 8 5 4 参数辨识4 8 5 5 算例分析4 9 5 6 小结5 0 第六章结论5 1 参考文献5 2 致谢5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研的情况5 7 、一 ， 卜 i 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 电力系统动态仿真是人们认识电力系统的基础性工具，也是指导电力系统规 划、设计和运行的根本依据。电力系统动态仿真的准确度直接影响到系统安全稳定 策略的效果。只有建立准确的元件模型并选择尽可能准确的模型参数，才能得到正 确的分析计算结果。研究工作表明，模型准确与否对于系统仿真精度的影响很大， 特别是负荷模型对电力系统仿真结果有重要影响，其表现在不同的负荷特性对电 力系统的暂态稳定、小干扰稳定、电压稳定和低频振荡具有不同程度的影响，在临 界情况下，计算结果可能发生质的变化心1 。1 9 9 6 年美国西部大停电事故后仿真发现， 使用现有的仿真数据库不能重现实际系统失稳，随后研究表明仿真的准确性存在很 多问题。w s c c - 9 节点系统和湖南电网的仿真计算表明不同的模型结构及模型的不同 参数对电力系统极限情况下的暂态稳定仿真结果具有显著影响。在仿真1 9 9 6 年美 国西部电网的大停电事故中，采用目前的w s c c 数据库的模型和参数不能得到与现 场记录相一致的仿真结果，为使仿真结果与实测数据相符合，b a p 在w s c c 的仿真数 据库中修改了五项内容：太平洋直流联络线采用了更加详细的数学模型、自动发电 控制的动作、大型汽轮机的调速器模型、l o w e rc o l u m b i a 地区的水电厂的高压侧 电压控制模型和动态负荷模型。修改元件的数据或参数后，仿真结果与现场记录才 趋于一致，这充分说明了仿真电力系统动态过程的模型、参数的重要性口j 1 。目前， 动态仿真可信度问题主要体现在两个方面，一是实际系统没有稳定问题，动态仿真 结果却发现有稳定问题，运行部门不得不降低运行极限，造成经济上的巨大损失； 二是实际系统有稳定问题，动态仿真没有将其正确的描述出来，无法制定相应的控 制措施，给电力系统安全运行带来隐患，1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真就是一例。 因此，如何正确认识并提高电力系统动态仿真的可信度，确保仿真能够正确地反映 电力系统的动态特性成为目前迫切需要解决的问题。 1 2 电力系统模型验证 电力系统动念仿真的作用在于分析某种没有出现过的电网结构、运行方式、故 障属性下系统是否能够稳定运行，因此它属于先验仿真。先验仿真是否能够准确描 华北电力人学硕十学位论文 述实际系统只能依靠后验仿真保证。所谓后验仿真就是重现己经具有系统实测数据 的仿真。这种情况下，验证即比较现有实际系统的实测动态曲线与仿真系统的仿真 动态响应曲线，确定仿真系统是否准确描述了实际系统就是仿真的验证。电力系统 由众多元件组成，对应的先验仿真与后验仿真也由众多元件模型组成。如果所有的 元件模型足够有效，电力系统动态仿真可信度必然足够高。因此，能够在后验仿真 的准确度和先验仿真的可信度之问架起桥梁的只有用于仿真的所有模型和参数的 有效性哺1 。它们之间的关系如图卜1 所示，用后验仿真的误差不断f 确地找到误差 源，修正仿真数据库中的模型和参数，使模型和参数最终收敛于所描述实际元件的 特性。 图1 1 后验仿真与先验仿真之间关系 仿真验证的关键在于寻找引起仿真与实测相异的原因，并基于此对仿真的模 型、参数及算法进行修正。目前用于电力系统动态仿真的数值算法比较成熟，因此 引起仿真不准确的原因主要在于系统中元件模型与参数的不准确性。所以，要进行 仿真验证，只需集中精力于模型验证研究就够了。模型验证的研究在广域测量系统 w a m s 在电力系统中大规模应用之前是不可能的。w a m s 提供了具有统一时标的同步 相量，这才使得大区电网中分布于各处的点可以在同一时间尺度下进行比较。w a m s 的广泛应用，特别是近年来在我国各大区电网中的推广为仿真可信度的研究提供了 良机。但是电力系统地域广，涉及到的元件多，动态过程复杂，不准确的模型及参 数较多，因此当电力系统仿真结果与w a m s 的实际记录不一致时，很难定位究竟是哪 些元件或参数造成了仿真结果与真实动态的差异。可见，模型验证关键是要寻找到 造成这种误差的元件模型参数。 文献 6 9 提出轨迹灵敏度的计算来研究电力系统仿真的准确度。文献 5 提出 一种节点支路密度搜索分块算法将整个电网分解为多个相对较小的子网，分块原则 是子网与电网其它部分的连接点均装有p m u 等同步数据测量装置；将同步测量扰动 数据作为子网的输入，精确等值电网其他部分模型、参数的影响，对所有子网进行 逐个仿真分析，将误差溯源范围缩小到某个或某些子网内。文献 1 0 提出一种基于 广域测量系统w a m s 的电力系统动态仿真验证策略，其核心思想是利用电力系统自 2 t j i 华北电力人学硕十学位论文 身所具有的分时、分层、分区的特点，将电网进行解耦，并用p m u 实测数据在边界 母线注入来等值外界系统，通过动态仿真将误差定位在某个区域或者某个元件上， 从而实现电网动态仿真验证。文献 1 1 提出了进行仿真验证的误差评定准则。文献 1 2 提出通过建立电网动态实时监控及管理系统进行电力系统动态仿真可信度研 究的构想。 j 下如上面所况的，当仿真输出与实际系统的输出不一致时，如何才能找到导致 仿真失真的原因。电力系统包含数量庞大的发电机、变压器、调速器、励磁系统等 控制设备和负荷。它们通过结构复杂的输配电网络联系在一起，各部分紧密耦合， 相互影响。当发现仿真计算不能重现实际系统的动态行为，可能会有多种模型、参 数调整方案能使仿真结果与实测数据相符合，如何找到符合实际情况的方案，即如 何进行f 确的误差定位异常困难。电力系统动态仿真误差定位包含两个部分：一是 定位到某个或者某些较小的子网范围内，二是定位到某个或某些模型、参数上。模 型、参数的误差可能由两种情况造成。一是仿真所用的模型过于简单忽略的因素过 多；二是模型中的参数选取存在误差。电力系统模型验证流程如图1 - 2 所示。 i 警睁 l 壁三i 误蔗较小 误差较大 i 结束仿真 i - 1 得出结论 l 得出结论 | 图1 - 2 电力系统模型验证流程 近年来，运行部门对电力系统动态仿真准确性越来越重视，很少采用低阶的模 型，一般都采用比较详细的高阶模型。因此，参数的误差将是造成误差的主要因素。 如果能够准确的将误差定位到具体的模型或者参数上，那么再根据一定的参数校正 手段来改善这些模型和参数的有效性，这样就能提高仿真可信度，进而达到电力系 统模型验证的目的。 1 3 本文的研究内容和主要贡献 模型验证长期以来一直是电力系统研究方向中的一个重要课题，而仿真与实测 则是电力系统调度人员理解电网动态行为并更好地规划与运行系统的两条有效途 径。本课题利用电力系统仿真软件p s s e 中的二次丌发语言i p l a n ，首先阐明基于 p s s e 的电力系统混合仿真原理，然后基于混合仿真采用不同的等值方法按照区域、 元件将电网解耦以进行动态等值，通过观察、定性地比较仿真输出响应与实测响应， 确定引起仿真误差的可疑区域及元件，并结合参数灵敏度计算和参数辨识来校正模 3 -厂l 华北电力人学硕士学位论文 型参数，最后进行模型参数有效性的泛化能力研究，以及介绍本课题的应用情况。 具体研究研究思路如下： 1 、依据电力系统自身所具有的分层、分区这一电网解耦思想，阐明基于p s s e 的 电力系统混合仿真原理。 2 、采用不同的等值方法按照区域、元件解耦在p s s e 中进行混合仿真，比较仿真 输出响应与实测响应，确定引起仿真误差的可疑区域及元件，提出参数灵敏度 计算方法并结合参数辨识来校正模型参数，展开基于电力系统混合仿真的模型 验证研究工作。 3 、模型参数有效性的泛化能力研究。 4 、基于电力系统混合仿真的模型验证应用。 本课题提出在p s s e 中采用不同的动态等值解耦方法进行混合仿真，使基于电 力系统混合仿真的模型验证研究手段多样化；同时，提出了一种低频振荡误差校正 策略，具有一定的工程意义。 4 l j ，i 华北电力人学硕十学位论文 第二章电力系统混合仿真原理 电力系统仿真软件p s s e ( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o rf o re n g i n e e r i n g ) 是目前 公认的技术最先进，应用最广泛的一个商业化综合程序。其强大的功能对于提高我 们研究问题的分析仿真能力有着重要意义。本章依据电力系统自身所具有的分层、 分区的特点，详细地阐明基于p s s e 的电力系统混合仿真原理。 2 1 电力系统数学模型 电力系统元件大致可分为静态元件和动态元件两类。变压器、输电线路等是静 态元件，在机电暂态仿真中其动态过程基本可以忽略；而发电机、励磁控制系统、 调速器和负荷等都是动态元件。因此电力系统可用一组微分、代数方程即d a e 方程 来表示。其中，微分方程表示元件的动态部分，代数方程表示系统的非动态部分或 近似静态部分。整个系统的数学模型用d a e 方程表示如下： j z = f ( x ，y ，允) 【0 = g ( x ，y ，允) 其中，x 是状态变量，包括发电机功角、 动态变量等：y 为代数变量，如母线电压等； 参数等。 ( 2 1 ) 转子角速度、绕组磁链以及控制器的 五为元件参数，如线路阻抗、控制器 方程( 2 - 1 ) 就是描述电力系统有关元件动态特性的微分代数方程式。其中，微 分方程包括各发电机暂态和次暂态电势变化的微分方程、转子运动方程、励磁系统 暂态过程的微分方程、原动机及调速系统暂态过程的微分方程及感应电动机的暂态 过程方程；而代数方程包括描述在同步旋转坐标参考轴下各节点电压、电流之间关 系的网络方程、建立在由坐标系下的发电机定子绕组电压平衡方程及由坐标系与 捌坐标系间坐标变换方程。 方程组建立后，需要利用一定的数值算法进行时域上的迭代求解。针对不 同的动态过程，其计算方法不尽相同。机电暂态过程仿真的算法主要有隐式梯形积 分法、改进尤拉法、龙格一库塔法等，其中隐式梯形积分法由于数值稳定性好而得 到越来越多的应用。代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的 牛顿法。按照微分方程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。而中长 期动态过程中由于电力系统长过程动态的响应时间常数从几十毫秒到l o o s 以上， 是典型的刚性系统，需要采用隐式积分算法。为避免计算时间过长，还必须采用自 华北电力人学硕+ 学位论文 动变步长计算技术。目前，能够进行电力系统暂态和中长期过程仿真的商用软件在 数值计算上均能达到较好的稳定性和可靠性瞄1 。 2 2p s s e 介绍 2 2 i 潮流计算模块 在潮流汁算方法上，p s s e 提供了5 种方法，即固定坡度的解耦法、完全牛顿 拉夫逊法、解耦法( p q 分解法) 、高斯塞德尔法及改进的高斯塞德尔法。各种方法 在计算中可以相互切换，即对初值要求较高的情况下，可以在放丌发电机无功功率 限制的条件下选一种计算方法求得一个收敛值，然后将此收敛值作为初值，再加上 发电机无功功率限制选另一种计算方法进行潮流计算。 2 2 2 动态仿真模块 p s s e 动态仿真模块的主体结构如图2 - 1 所示，其中p s s e 主框架的功能包括数 据输入、输出、数值积分和网络方程求解，但不包括微分方程的求解。设备模型的 微分方程计算包含在子程序库中，其中每一个模型库中的模型都有一个子程序与其 对应。c o n e c ，c n o e t 本质上可看作是p s s e 主框架和模型微分数值之间的接口程序， 是在p s s e 主框架运算中调用相应的模型子程序这些模型子程序在主体p s s e 需要 相应的微分值时被调用，绝大多数模型由p s s e 自动调用引。 模型接口程序 p s s e 主框架模型子程序库 ( c o n e c 、c o n e t ) i j 善i e 动态仿真工作内存 图2 - ip s s e 动态仿真模块的主体结构 利用p s s e 进行动态仿真需要潮流计算结果数据及动态模型数据。后者包括发 电机、励磁器、调速器、稳定器、负荷模型等模型数据。其中模型子程序库中就包 含这些动态元件模型，而自定义模型包含在模型接口程序c o n e c 、c o n e t 中。 p s s e 动态仿真操作流程如图2 2 所示。 6 i j 卜 j 华北电力人学硕十学位论文 2 2 3i p l a n 编程语言1 4 1 p s s d s 4 ( 启动p s s e ) 潮j 流l i 算 rir n l f l j i l i ( 进入动念仿真界) l l 选择输出通道 i ( 仿裂们 l l 输出结果 l 图2 - 2p s s e 动态仿真操作流程 i p l a n 是p s s e 提供的一种类似于f o r t r a n 的二次开发语言，通过i l p a n 用户 可以对p s s e 进行功能扩展，使其更能足实际需求。i p a l n 语言提供了与f o r t r a n 语言类似的逻辑控制功能，并且直接利用p s s e 强大的计算引擎，使用户根据研究 分析的需要定制自己的计算解决方案，可以认为i p l a n 为用户提供了一个对p s s e 进行二次开发的平台。i p l a n 利用“p u s h 指令调用p s s e 中的“a c t i v i t y ”，它是 我们使用最多的指令。用户可以利用i p l a n 提供的库函数获取潮流计算中任何有价 值的信息来为计算流程服务，并使非常复杂的仿真计算过程自动进行。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 电力系统混合仿真原理 2 3 1 电网解耦思想 电力系统与一般系统有所不同，电力系统规模庞大、电网覆盖范围广、区域大 且所包含的设备元件多、各元件相互耦合。因此，当电力系统动态仿真结果与其实 测结果存在一定的差异时，这就很难确定到底是哪些元件模型、参数的不准确导致 了这样的误差。但是，我们知道电网是由不同电压等级组成的且不同级别的电网所 辖的电压等级也是不同的，如在目前的网调计算中，2 2 0 k v 母线以下均作为负荷模 型；在省调计算中，1 10 k v 以下均为负荷模型。这样电网根据不同的电压等级就可 以分层。以两机四区域系统为例，电网按元件解耦如图2 3 所示，将母线5 左侧的 发电机及其升压变压器与虚线右侧的网络分割。 - 一4 i f + j g 4 3 。一t 二：， i 图2 - 3 按元件解耦 另外，我国的大区电网具有明显的区域特性，如东北电网是由蒙西电网、黑龙 江电网、吉林电网与辽宁电网组成；华东电网由上海、江苏、浙江、安徽、福建电 网组成，且各个区域电网之间通过联络线相联。这样电网根据不同的区域就可以分 区、分块。仍以两机四区域系统为例，电网按区域解耦如图2 4 所示，将虚线左侧 的区域1 与虚线右侧的区域2 分割。 l i i i 1 i g l ：) - - - - - - 2 g 2 图2 - 4 按区域解耦 8 - 一4 g 4 3 o 二卜卜 一 一 一0 一 ( 1_ 二，、g _百)g 华北电力火学硕士学位论文 可见，依据电力系统自身的分层、分区特点可以将电网进行解耦。这就为下面 所述的基于p s s e 的电力系统混合仿真的实现做好了理论基础。 2 3 2 混合仿真原理 基于p s s e 的电力系统混合仿真就是将某电网按照元件或区域进行解耦，然后 用实测数据如边界母线的电压、电压相位角、注入的有功功率及无功功率来代替、 等效我们不感兴趣的那部分网络。 广域测量系统( w a m s ) 提供了具有统一时标的同步相量，这才使得大区电网中分 布于各处的点可以在同一时间尺度下进行比较。w a m s 的广泛应用，特别是近年来在 我国各大区电网中的推广为仿真可信度的研究提供了良机。因此，w a m s 的应用使得 p m u 实测数据得以获取，进而使基于p s s e 的电力系统混合仿真具有一定的意义。 如图2 5 所示，将某电网划分为三个区域。对该系统进行动态仿真，若仿真输 出响应与相应的实测响应不一致，甚至误差很大，现要找到误差源，即哪个或哪些 区域的元件模型参数不准确导致仿真失真。比方，我们要研究区域1 ，为了消除区 域2 、3 的模型及其参数对仿真结果的影响，可以直接将这两个区域去掉，而将实 测数据如母线电压、母线电压相角、线路的传输功率在边界母线处注入，如图2 6 所示。这些实测数据是独立于模型与参数的量测值，它们是真值。如果对该系统进 行动态仿真，此时仿真与实测响应的误差只能来自于区域1 中元件模型参数的不准 确性，这样就势必将仿真误差定位于区域1 ，从而实现了按区域对电网进行解耦的 混合仿真。 ) q , t t ) ) 图2 5 三区域系统图2 - 6 在边界母线处注入实测数据 如上所述，若将误差定位于区域l ，现想进一步寻找到底是区域1 中的哪个或 者哪些元件模型参数的不准确性引起了仿真误差。如图2 7 所示，比方，现在研究 发电机模型，那么可以将区域1 中除发电机及机端变压器以外的部分即区域1 的子 区域在母线处解耦( 因变压器为静止元件，其模型参数一般不会对动态仿真结果造 成影响) ，用实测数据u ( f ) ，p ( f ) ，p ( f ) ，q ( f ) 注入进行动态等值，从而将仿真误差定位 缩d , n 相应的某个元件上，这也就实现了按元件对电网进行解耦的混合仿真。 9 华北电力大学硕+ 学位论文 域i 图2 7 对电网解祸进行混合仿真 正如2 1 节所述，电力系统动态特性可以用一组微分代数方程米描述。现似殴 状态变量有m 个，代数变量有刀个，分别记作x = 五，x 2 ，】，y = y l ，y 2 ，儿】。现 进行混合仿真，假设电网解耦处边界母线的实测数据注入为己，( f ) ，秒( ，) ，尸( f ) ，q ( t ) ，记 作y + ，则方程组2 1 可写成如下形式： j 扣f ( x , y f l e w 少卅( 2 - 2 ) 【0 = g 。( z ，y 。，y + ，五) 令y = 乃，只。= y l ，y 2 ，乃小儿i ，一，只】。显然，代数方程少了一个，求知代数 变量也少一个，可以求解方程组2 2 。其中，y + 随仿真时间的推进而改变，体现了 实测数据的时变性。若用简单的一阶欧拉数值积分法来求解方程组2 2 ，其步骤如 下： 1 ) 计算t 时刻的微分x ( t ) = ( 工( f ) ，y 。( f ) ，y ( f ) ，兄) ； 2 ) 计算t + a t 时刻的状态变量新值工( f + a t ) = 工( f ) + x ( t ) * a t ； 3 ) 由o = g 一( x o + f ) ，儿。o + f ) ，y o + f ) ，五) 计算代数变量新值以。( f + f ) 4 ) 返回第一步，重复以上步骤直到仿真结束为止。 基于p s s e 的电力系统混合仿真流程如图2 8 所示： 2 4 小结 图2 8 电力系统混合仿真流程 本章首先介绍电力系统数学模型；接着介绍了大型电力系统仿真软件p s s e 的 l o 华北电力人学硕+ 学位论文 模块及二次开发编程语言i p l a n ：最后从电网解耦这一思想出发，阐明了基于p s s e 的混合仿真原理。基于p s s e 的电力系统混合仿真，就是在p s s e 中将某部分电网 用适当的模型代替，它们实质上是等效实测数据注入，保留可疑区域或者某元件进 行动态等值。 华北电力人学硕士学位论文 第三章基于电力系统混合仿真的模型验证实现方法 在第一章、第二章分别介绍电力系统模型验证概念和混合仿真原理的基础上， 本章用全网仿真数据作为p m u 实测数据，( 如不作特别声明，以后均遵照这一约定) 通过p s s e 自带的具备二次丌发功能的i p l a n 程审摔制语言，按元件、区域对电网 进行动态解耦，介绍基于电力系统混合仿真的各种模型验证实现方法，并分别以6 机2 3 节点系统、i e e e 3 机9 节点系统为算例，验证这些方法的j 下确性。 3 1 变导纳注入 本方法是随着仿真时间的推进，动态地调节接地导纳，使之消耗的有功功率、 无功功率动态地跟踪电网实测p m u 数据注入。 3 1 1 原理 如图3 1 所示，将某电网划分为区域，、区域口。其中，尸( f ) + j q ( t ) 是由区域 口流向区域，的功率，母线f 的电压值为u ( t ) 。 一一一一、 ， f，区域， 一一 、 图3 - 1 两区域系统 现对该电网动态解耦以进行混合仿真，比方要将区域，等值掉。那么，可以在 母线f 处连接一时变接地导纳y ( f ) ，如图3 2 所示。 戈名( 七h ) 一p m 仆胛爿时塑学触 o = d 工似“) + c y 名+ 鼠七jy 殂i h ) e n d 其中，f 为积分步长，在p s s e 中取0 0 1s ；g 、b 分别是变导纳的实部、虚 部，随着时间的推进，其也在跟踪变化；本次循环结合线路功率对参数允的灵敏度 方程4 一1 4 、4 - 1 5 即可求得最终的参数轨迹灵敏度。力， k = l ：n 3 ) 绘出轨迹灵敏度曲线 通过m a t l a b 的函数p l o t 作出发电机参数的轨迹灵敏度曲线，以观察灵敏度随 时间的变化情况。 至此，混合仿真系统中发电机g e n 3 的各参数灵敏度已经求出，轨迹灵敏度曲线 ( 参数顺序是r 由、t 。如、t p 、t 妒、局、x 0 、x 。、z 。一、x ，) 分别如下： 3 7 华北电力大学硕士学位论文 ； 。八八一 l 图4 - 1 5 线路有功功率p 对参数的轨迹灵敏度曲线 3 8 华北电力人学硕十学位论文 ，一j 图4 1 6 线路无功功率q 对参数的轨迹灵敏度曲线 根据各参数灵敏度的大小及灵敏度曲线的波动情况，我们寻找到关键参数 3 9 华北电力人学硕十学位论文 r 如、托、t 、x ，。接着，下面就对它们进行参数辨识以获取较为准确的参数值 来逼近实测响应曲线。 4 5 3 优化参数 本小节就用4 4 节介绍的参数辨识基于遗传算法对4 5 2 小节得到的关键参数进 行参数优化，而那些灵敏度不大的参数将其以原值或典型值固定。 谚籼c 2 - a a , a + a a ，“肚m a x c j 篇f ，| 揣f ) o 舯，a p “q 蒯是 实测功率与仿真输：h 响应的偏差，a p 0 2 、o q a 2 分别是有功、无功功率对参数五的 轨迹灵敏度。这里值得一提得是，若计算得到的五较大从而使得五的 取值范围被放大地很宽，这有可能使参数变得不合理甚至辨识结果错误。此时，我 们必须结合这一策略，即在该参数附近作一微小变化，将之作为其参数辨识的取值 范围。 参数辨识的适应度函数如下： v a l = 一( + 其中，权( 七) ：( 足) ：百0 4 _ 、( = u d = ( k 二) - 二u 二d ( 1 = ) 2 = + ( 二u q 二( k = ) - = u q ( 1 ) 2 + 百0 6 ，乞、应分别 ( ( 意) 一( 1 ) 2 + ( ( 七) 一( 1 ) 2 州 是实测有功功率、辨识有功功率，q 、q 分别是实测无功功率、辨识无功功率，n 、 、分别是采样数据点数、电压的d 、9 轴分量。 髑些浮参匹乎、警粤爱p 壁卜一 图4 - 1 7 参数优化流程 经参数优化后，各参数如表4 - 3 所示： 输出参敦 ，_ 华北电力大学硕士学位论文 丁。幽丁幽 丁乙丁。 hdx a 5 8 3 7 40 0 3 3 0 6 0o 0 73 0 l0 o 1 2 3 8 7 x ox d x 。 y 。一y x ls ( 1 0 )s 0 2 ) d 一 d 1 2 9 0o 1 8 1 30 2 3 1 4 7o 1 0 70 0 7 4 2 0 oo o 表4 3 发电机g e n 3 的新参数 现以这些优化后的参数作为混合仿真系统中发电机g e n 3 的新参数，其它模型参 数均不变。流过线路3 - 6 的有功功率及无功功率分别见图4 - 1 8 、4 - 1 9 。 图4 - 1 8 线路3 - 6 传输的有功功率 图4 - 1 9 线路3 - 6 传输的无功功率 现对参数校正前后的混合仿真结果进行误差量化，误差指标如表4 - 4 所示g 、j 一删m s e r e e 参数校正之前 o 2 130 1 7 40 0 5 5 有功 参数校正之后 0 0 1 30 0 6 60 0 0 8 参数校正之前 0 0 0 00 0 8 60 0 0 4 无功 参数校正之后 0 0 0 0o 0 210 0 0 0 表4 - 4 参数校正前后误差指标比较 4 l 华北电力大学硕士学位论文 由表4 4 清楚地看到，参数优化之后的混合仿真误差明显地比参数优化之前的 误差要小得多，这就证明了本次参数校正工作是正确的。 4 6 参数的泛化能力研究 参数的泛化能力是指根据已有p m u 实测数据所确定的电网模型参数对将来或者 未知的系统变化数据的解释能力。图4 - 1 8 和4 - 1 9 是参数优化、调整后仿真功率曲 线与该次实测功率曲线的比较，也就是说，较正后的参数只是对本次p m u 实测数据 是有效的( 本次发生的故障是靠近线路8 - 4 的首端发生= 三相短路) 。那么，我们很自 然地会提出这样的问题如果全网系统的运行情况发生了变化，那么，本次校正 后的参数是否在这种运行工况下仍然是有效的，即参数的泛化能力如何呢? 如图4 1 的i e e e 3 机9 节点系统，靠近线路7 - 5 的首端发生三相短路。图4 - 2 0 、 4 2 1 、4 2 2 所示的是参数优化调整之前的机端电压、发电机有功、无功出力的混合 仿真曲线；图4 2 3 、4 2 4 、4 2 5 所示的是参数优化调整之后的机端电压、发电机 有功、无功出力的混合仿真曲线。 图4 - 2 0 参数优化校正前发电机g e n 3 的机端电压 图4 - 2 1 参数优化校正前发电机g e n 3 的有功出力 4 2 图4 2 2 参数优化校正前发电机g e n 3 的无功出力 图4 2 3 参数优化校正后发电机g e n 3 的机端电压 图4 2 4 参数优化校正后发电机g e n 3 的有功出力 图4 2 5 参数优化校正后发电机g e n 3 的无功山力 4 3 华北电力大学硕士学位论文 现对参数优化校币前后的混合仿真结果进行误莠量化，误荠指标结果如表4 5 所示： 、 f s a ek s er e e 机端参数校正之前 - 0 0 5 0o o o l0 0 0 9 电压参数校正之后- 0 0 0 70 0 0 0o 0 0 l 有功参数校正之前 一o 12 90 0 0 l0 1 2 0 出力参数校正之后 - 0 0 0 70 0 0 00 0 0 8 无功参数校正之前 0 0 0 00 o o l0 0 0 4 出力参数校正之后 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 由表4 - 5 清楚地看到，参数优化校正之后的混合仿真误差明显地比参数校正之 前的误差要小得多，参数校正后的仿真曲线明显更接近于实测曲线。这就说明了根 据上一次p m u 实测数据优化调整的参数在另一次的实测数据下进行混合仿真也是有 效的，对这次的实测数据的解释能力较强。只要有足够多的实测数据，我们可以不 断地对参数进行优化和校正，使之越来越接近真实值。 4 7 小结 本章通过算例详细地介绍了如何基于电力系统混合仿真进行模型验证一一首 先，发现可疑模型的关键参数，即寻找到仿真误差源；然后根据参数的轨迹灵敏度 和参数辨识进行参数优化、校正；最后，研究了调整后的模型参数对实测数据的解 释能力，即参数有效性的泛化能力强弱问题。 总之，基于电力系统混合仿真进行模型验证将实测数据与仿真数据有机、紧密 地结合起来，并配合相关的参数优化等技术，这种方法可有效地解决电力系统模型 验证领域中的仿真误差判定、仿真可信度等问题。 华北电力人学硕+ 学位论文 第五章基于电力系统混合仿真的低频振荡误差校正策略 近年来，我国电力系统经历了大区电网互联的飞速发展。随着电网规模的日益 扩大，特别是东北一华北、川渝一华中、福建一华东、东北一华北一华中一川渝一 山东等联网工程的建设，“西电东送，南北互供，全国联网”的局面已初步形成别。 大型系统互联的目的是提高发电和输电的经济性和可靠性，但是系统之间的互联又 会产生动态稳定问题，例如联络线上时常发生的功率振荡问题。由于其振荡频率很 低( 一般为o 2 2 5 h z ) 、周期较长、波及面较广，给电力系统的稳定运行带来很大 的危害，这就是低频振荡问题乜引。低频振荡现象在大型互联电网中时有发生。由于 表现为等幅或增幅形式的低频振荡一旦发生，将严重威胁电网的安全稳定运行，很 有可能诱发连锁反应事故，造成系统稳定破坏，使大面积用户停电。因此对低频振 荡的研究具有十分重要的意义，目前已经成为电力系统稳定研究中重点问题之一。 研究系统的低频振荡就要首先获得系统的振荡频率、幅值及衰减等信息，而这 些信息只能来源于仿真数据。由于安全运行的限制，在研究电力系统的动态行为时， 不能采用直接在实际系统中进行各种试验的方法瞳钔。可见，电力系统动态仿真是电 力系统稳定分析与控制的主要工具，也是电网调度部门指导电力系统运行的主要依 据。先验仿真能否准确地反映实际系统的动态行为只能依靠后验仿真保证。仿真验 证就是比较现有实际系统的实测动态曲线与仿真系统的仿真动态响应曲线，确定仿 真系统是否准确地描述了实际系统。能够在后验仿真的准确度和先验仿真的可信度 之间架起桥梁的只有用于仿真的模型、参数的有效性1 。模型以及参数的不准确， 将造成仿真结果与实际系统动态行为之间的偏差。近年来，由于电力系统仿真软件 特别是p s s e ，其模型库中各种高阶模型不断增多，同时，运行部门对动态仿真准 确性越来越重视，所以，一般都采用比较详细的高阶模型。因此，参数的误差将是 造成动态仿真误差的主要因素。 文献 1 6 ，1 7 用带有理想移相变压器的无穷大发电机系统将电网的某部分作动 态等值。文献 1 7 ，1 8 将部分系统等值为配有快速调节励磁和调速器的发电机系统。 但它们均由于通过动态模型来等值外部系统而不可避免地引入仿真计算误差。近年 来，基于同步相量测量单元( p h a s em e a s u r eu n i t ，p m u ) 的广域测量系统( w i d ea r e a m e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) 在电力系统中获得了广泛应用，已经成为目前电力系 统稳定控制的发展趋势。我国已完成国调、东北、江苏、华东、四川等多个主站的 建设，在上述地区已安装运行的p m u 数量约8 0 0 个；其它国家电力系统中的w a m s 建设也均得到了快速发展，如美国p m u 御点接近2 0 0 个，意大利约2 1 个心 。为了 规范同步相量技术的发展，针对p m u 的相量测量，i e e e 制定并公布了相关的标准 4 5 华北电力大学硕+ 学位论文 2 s - 3 0 。2 0 0 3 年1 月，国家电力调度通信中心结合中国电网的特点，制定了电力系 统实时动态监测系统技术规范( 试行) ，对测量方法、相量数据输出格式、误差标 准等进行了说明和规定。该标准为同步相量技术在中国的广泛应用确定了统一的标 准接口方式和性能指标，提高了p m u 广域同步量测数据的质量，最大限度地发挥了 相量测量的作用乜7 3 卜33 l 。 安装到现场中的p m u 是根据以上标准进行检测，并用稳态潮流数据进行检验的。 文献 3 4 、 3 5 基于p m u 稳态数据，用线路两侧同步电压和电流，实现了线路参数 在线、实时、准确的带电测量心8 36 1 。三峡电网w a m s 工程和n e wy o r kp o w e r a u t h o r i t y ( n y p a ) w a m s 工程借助p m u 的精确测量优势，将p m u 数据加入了状态估计， 对s c a d a 量测数据进行检测，辨识不良数据，给出可疑数据标志，从而改进了状态 估计的速度、精度、收敛性和坏数据的处理能力o 3 卜3 。在1 9 9 6 年美幽的8 1 0 大 停电及2 0 0 3 年的美- a n8 1 4 大停电中，w a m s 真实、准确地记录了事故发生的过程， 为事故原因分析提供了可靠的具有统一时间断面和时序的快速广域同步动态数据 。s o u t h e r nc a l i f o r n i ae d i s o n ( s c e ) 的w a m s 工程基于p m u 动态量测数据实现了 对区间低频振荡的在线监视，识别包括振荡频率、阻尼等在内的时变的低频振荡特 性6 3 8 叫。江苏电网和东北电网w a m s 工程利用p m u 动态数据对仿真模型、参数进行 了校核，为确