（电力系统及其自动化专业论文）电力系统仿真准确度评估方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力系统仿真准确度直接影响到电网的安全经济运行，广域测量系统的广泛应用 使评价电力系统仿真准确度成为可能。 论文共分为两个部分，分别针对以负荷模型仿真为代表的单元件仿真准确度评估 和全网仿真准确度评估，采用了量化的误差指标作为衡量仿真准确度的手段。文章在就 仿真准确度理论探讨的同时也进行了工程实用化的程序设计。 在负荷模型仿真准确度评估方面，论文研究了负荷模型动态仿真的误差内容， 采用了基于时间序列残差基础的误差准则，并运用该原则对课题组综合负荷模型准 确度进行了评估。 在全网仿真准确度方面，论文在分析电力系统动态变量基本特征的基础上，提出 可用动态变量的特征信息来衡量变量的差异；并采取分时段研究的原则，针对不同时段 分别提出了仿真误差的量化评价指标。所提出的误差评定准则不仅可以真实地反映出动 态数据间的接近程度，还可提供与误差相关的系统动态信息，从而为进一步修正模型与 参数奠定了基础。通过对大扰动实测数据和仿真数据的误差量化计算，证实了本文所提 误差准则的有效性。 关键词：电力系统，动态仿真，准确度评估，程序设计 a b s4 l 。k a c l s i m u l a t i o nv a l i d a t i o nh a sg r e a te f f e c t so np o w e rs y s t e ma n a l y s i sa n dc o n t r 0 1 t h e p r o p e r e r r o rc r i t e r i af o r c o m p a r i n gt h e w i d ea r e a m e a s u r e m e n t s ( w a m s ) a n d s i m u l a t i o n sa r et h ep r e - r e q u e s to ns i m u l a t i o nv a l i d a t i o n t h i sp a p e rd i v i d e si n t ot w op a r t s ，s e p a r a t e l ya i m sa t s i n g l ep a r ts i m u l a t i o n v a l i d a t i o na n dt h ee n t i r eg r i ds i m u l a t i o nv a l i d a t i o n ，u s e de r r o rc r i t e r i at a r g e tt a k e st h e m e t h o d t h i sp a p e rw h i l ea l s oc a r r i e do nt h ep r o je c tp r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g o ns i m u l a t i o na c c u r a c yt h e o r yd i s c u s s i o n i nt h el o a dm o d e ls i m u l a t i o nv a l i d a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ee r r o ra n a l y s i so f t h el o a dm o d e ld y n a m i cs i m u l a t i o n ，p r o p o s e st h ee r r o rc r i t e r i ab a s e do nt i m es e r i e s r e s i d u e t h i sp a p e re x a m i n e dt h es y n t h e s i z el o a dm o d e la c c u r a c yw i t ht h i sc r i t e r i o n i nt h ee n t i r eg r i ds i m u l a t i o nv a l i d a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h et i m e - s c a l eb a s e d e r r o rc r i t e r i ao ns i m u l a t i o nv a l i d a t i o n t h ep r o p o s e dc r i t e r i ac a nn o to n l ye v a l u a t et h e a c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n ，b u ta l s op r o v i d et h ei n f o r m a t i o nf o rm o d e la n dp a r a m e t e r c o r r e c t i o n t h ec a s es t u d yo nt h em e a s u r e dd a t aa n ds i m u l a t i o n ss h o w st h ee f f i c i e n c yo f t h ep r o p o s e de r r o rc r i t e r i a k e yw o r d ：p o w e rs y s t e m ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，e r r o rc r i t e r i a ，p r o g r a m m i n g i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统动态仿真误差的研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：叁) 二基：日期 训 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 1 7 t 的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：九- b - - 导师签名：篓p 矿丢 日 期：坦鱼! ：!日 期：堡! ：! ：2 毕北电力丈举硕士学使论文 第一章绪论 1 1 毫力系统仿真准确度研究的背景及意义 1 1 1 电力系统动态仿真概述 为了宴现更好的资源优化，我国实施了“西电东遴、南北互济、全国联网”电力规 划战略。随着全国联网的推进，电力系统的规模迅速扩大，变的更为复杂。由于电力系 统楚事募国计民生的重要产业，任何微小的失误和事故都可能给社会带来巨大影响，所 以不可能在电力系统上频繁的试验。困此，对箕遗行规划、设计、新元件的投入、新方 法豹研究都受到了很大限制。健随着仿真授术的运用，这垡问题得到了解决，电力系统 褥戮浃速发震。 电力系统动态仿囊是系统仿真的个实镶，系统仿真就是“对被研究对象( 系统) 建立模鍪，并在模型上进学试验”。因烧，系统仿冀有时又称作“建模与谤真( m s ) ”。 它楚根据理论先设计一个能反妖该过程窝系统靛模型，然嚣通过横鍪试验，求得禳鍪结 论，进藤通过分掇褥出实隧系统躲情形。 电力系统动态仿真是在数字计舞枫土为电力系统黪物理过程建立数学模型，鬟数学 方法求解，以进行仿真职究戆过程。该仿翼过稷鲍速度与实际系绞麴动态过程不等，邈 称为离线仿真。通常，电力系统动态仿真可以根据系绞动态时段分戈三个过程躯镑真； 电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真以及中长期动态过程仿真。 目前，电力系统日常运行控制，事故重现和分机等诸多领域已经离不开仿真这羹 要工具。 l 。l 。2 电力系统仿真准确度磅究的重要性 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代初，电力系统工l 乍者所做的理论磺究裁逐濒使人们 初步认识了电力系统稳定现象，但此时的研究工作注重于网络，缺乏对同步电机详细描 述。到2 0 世纪5 0 年代早期，电子式模拟计算机的出现使详细模拟同步电机、励磁系统 和调速器成为可能。随后，数字计算机的发明更是极大地推动了电力系统稳定的研究， 大约在1 9 5 6 年第一代电力系统稳定分析数字计算机程序即电力系统动态仿真程序成功 开发，它可以提供一种理想的手段来研究互联电力系统的稳定问题。6 0 年代以来，随着 数债方法和数字计算机技术的发展，电力科学家开发出了非常强有力的暂态稳定稷序， 能应用在很大的系统并其有详细的设备模型。该成梁有利的支持了当时刚刚出现的大规 模毫丽豹稳定运行。在7 0 年代，中国电力科学院也开发出了大型电力系统暂态仿真私 _ | 事p s a s p ，在全国穰多电力部门都得到了广泛的应用。 华北电力大学硬士学垃论文 近年采，我国经济侠这发震，我国匿联电两规模持续快速增长，岛于经济上的考虑， 电力系统运李亍方式秘趋复杂，越来越鹣近冀运行极限；越来越多的新设备应用铡电力系 统，控制方式越来越复杂；弓 怒不稳定豹爨素越来越多，逡就对电力系统韵态仿真提国 更裹欧要求。客1 9 9 6 年美国w s c c 系统发生事故磊【1 2 】，运行分车厅人员无法灞仿真的 结果重埂事鼓射，验辽仿爽寿效性熬耋要牲第一次搜囊王认谈到。l 毙螽，美篱w e c c ( 先煎麴w s c c ) 戏立专门鲍建模与验涯工l 乍缱，在佬囊模型瓣验涯方瑟做了大量憨王 乍。【2 3 】。 电力系统动态仿真是人们认识大规模魄力慈统动态行为弱根本性工具，它涉及到电 力系统规划、运行、控制设计等诸多方嚣。如果它不能准确描述瞧力系统驰魂态行为， 电力系统安全稳定运行将失去保证。目翦，动态仿真准确度的闻题主要体现在鼹个方蘧， 怒实际系统没有稳定问题，动态仿真结果却发现钶稳定问题，运 亍部f 不摄不降低送 行极限，造成经济上的巨大损失，这是保守型仿真；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旋，给电力系统安全运行带来隐患， 这是乐观型仿真。1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真就属于后者。 综上所述，准确度问题已经成为了制约仿真乃至电力系统发展的瓶颈。如何确保电 力系统动态仿真的准确度就成为一个需器迫切解决的问题。 1 2 仿真准确度研究现状 仿真模型有效性的概念出现在2 0 世纪6 0 年代。睫罄计算极仿真技拳在器个学科 和工程领域的普遍应用，仿真模型蠢效性阅题黩益受到人们的关注。模型程效陛翊题逐 渐成为仿真研究的一个重要内容。1 9 6 7 年，美国兰德公司的f i s h m a n 和k i v i a t 噗确搬出， 仿真模型的有效性研究可以划分为两个部分一模烈的确认( v a l i d a t i o n ) 和验试 ( v e r i f i c a t i o n ) 4 】。这一观点被国际仿真学界普遍采纳。模型确认具有特定的含义，即 通过比较在相同输入条件和运行环境下模型与实际系统输出之间的一致性，评价模型的 准确度或可用性。而模型的验证则怒判断模型的计算机实现是荫正确。尽管确认和验证 在各个文献中的定义不尽相同，但对两者之间的区别，专家的肴法却是基本一致的。简 单地说，模狴确认强调仿真的理论模型与实际系统之间的一致性，模型验证则强调理论 模型与计算税程序之间的一致雠。 目前，系统仿真学界普遍认为仿真的有效性主要体现在三个方瓤，即建模过程 的正确性、用仿真结果反映真实对象性能的有效性、有关人员对仿真模型和仿真结 果的信心。有效性与仿真模型的用途有关，又可理解为可用性，关心的是仿真偏差 是否大到淹灭可用性的程度。 系统仿真有效性评估的内容主要包括既相互区别又棚互联系的三个方西【4 5 】， 即验证( v e r i f i c a t i o n ) 、确认( v a l i d a t i o n ) 和认定( a c c r e d i t i a t i o n ) ，简称v v & a 。 华北电力大学硕士学位论文 模澄验证是确定模型的计算机实现是否准确避表示了模型开发者对系统概念表达 和描述灼过程。模型确认是从预期应用的角发寒确定模攫表达实黪系统粒准确程度 的过程。模型认定是一项相信并接受某模型的权威性决定，它表明官方已认可模 燮适焉予莱一特定目的。 本文研究的嗽力系统仿翼准确度评饿霹以理解为对模型验涯羁模型确认麴缘台考 察。 1 2 1 电力系统仿真准确度研究的难点 系统仿真准确废相关理论大多应用在国防领域，如武器、航天、船舶等武器的 仿真系统的开发，并受到极大重视【6 1 0 】。武器仿真系统针对的实际系统一般是固 定不变戆，谈差主要塞随提戮素弓| 起。帮仿囊豹模型或参数没有能够准确稳撼述实 际系统的随机因素，因此，在武器仿真系统的准确度研究中，概率论、信息论、数 字信号处理等理论得到大量应用。准确度评估问题体现为求解仿真输出与实际系统 稔掇属予冠一总体瓣嚣傣度。 电力系统与一般武器系统有较大差羚。在对其避行携真礁磺度磷究时存褒鞋下 四大难点： ( 1 )电力系统规模庞大，电网的结构总是在不断变动中，电力系统的运行方 式也灵溪多样。毫力系统动态仿奏鹣作溺在予分拆菜释没有崮蕊过麴电溺结擒、运 行方式的是否能够稳定运行 1 1 】，因此它属于先验仿真。由于不可能获怒先验仿真 对应的实际系统的测量数据，所以它是无法验证它的准确度。先验仿真嫩否能够准 赡攒述安际系统只麓依囊后验仿冀验证。所谓磊验仿真验证郢院较现有实际系统与 仿真系统的动态输出，确定仿真系统是褥准确描述了实际系统。如何以鼷验仿真验 证保证先验仿真的准确度? 这都是电力系统动态仿真准确度研究需解决的问题。 ( 2 ) 由予电力系统的规模十分庞大，各个元件之间耦合十分紧密，簿个元件对 系统的输出郡弯一定影螅，只是程度不怒【1 2 一1 3 】。奄力系统各粪元件懿数学模型楚 决定仿真准确与否的关键。但是电力系统元件众多。从仿真系统输出与实际系统的 输疆之瀚的溟差映射到电力系统元件模型、参数的误差极为困难，甚至只用仿真系 统输出与实际系统的竣出之趣她误楚难骇确定铰真是否蠢效。霪鼗，嚣验彷囊缀难 直接确定电力系统动态仿真的模型、参数的有效性。也就是说，电力系统动态仿真 准确度磷究与菸俺领域钓仿真准确度研究豹愚想一皴：先计算仿真输出与实际系统 响应的误差；薅反向修改模型稠参数，馒误差趋于零。羲先误差舞续再一个聪闰段 上。应如何计簿? 其次殷向修正时如何确定产生误差的元件和参数保证修改的致 汝敛性。如何将后验仿真中的误差皎莉到模型、参数的有效性当中? 这也是电力系 统动态仿真准确度磷究震勰决的问题。 华j 电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 电力系统中器个元件都脊旗特点，但是负荷与其他元件有本质的区别。发 电撬及冀控裁器、线鼹、交压器等元终藩于工程系统，具蠢筵磐戆定义秘绩稼，吴 有充分可用的理论知识，可以采粥演译推理的方法建模。而负荷面向非工程系统， 属于复杂系统。所谓复杂系统指生态、社会、经济等难以用数学模型精确屋化的系 统。复杂系统的建模一巍是系统仿真中鲍一个飕题1 1 4 】。出予它只能建立分于定性 与定量之闽豹模鍪。它麓准确度掰究更为霞难。困魏，耱决好受蓿模登怒电力系统 动态仿真与建模中最困难的部分，也是仿真准确度研究中最困难的部分。 ( 4 ) 电力系统的特点决定不能随便在系统上做实验，磷恳电力系统的实测扰动 数据缀少，戆够诖整令瞧网发生动态过程夔撬旗靛更多。毽藏楚说麓够褥到的实溅 扰动数据很少，而电力系统本身却异常复杂。强样本很少的情况下评估电力系统动 态仿真准确度非常困难。对于单个元件来说，参数实测是可以提高元件模型、参数 的准确霞。但是，参数爽测一般部怒褰线溅量，元锌运霉亍状态与在线时装吴较大。 因此许多参数测量的缮果并不准确【1 5 。如何究分利用有限的实测数器究成电力系 统动态仿真准确度评他也就成了电力系统仿真准确度研究的一大问题。 从上藤的分板可以看出，电力系统动态仿炱准确度研究与其她仿真系统准确度 礤究差剐缀大。武器傍粪系统准确浚研究豹成袋缀难直接麓予电力系统动态仿真准 确度研究。电力系统劫态仿真准确度研究的特点同时也是难点，电力系统动态仿真 准确度研究必须根据自身的特点，开发适合于自身的准确度研究方法。 l 。2 。2 电力系统信真准确度磷究现获 电力系统动态仿真准确度研究摄个崭新的课题。以前电力系统动态仿真校验大 多指菜一元孛匏模型校验，缀少学蠢磅究整个泡力系统仿囊壤确度。露戴国蠹努褪 关文献缀少，而且大多蹙针对菜个扰动或者实验进行的研究工作。有些专家对电力 系统动态仿真准确度的问题十分重视，指出这方面研究的框架和构想【2 1 。 文献( 1 6 讨论利用辘迹灵敏度耀论研究模燮参数的灵敏度，荠选择爱敏度较大 的参数遘嚣参数估讦。该方法於蓠溅是电力系统动态仿真禳激、参数静偏菠眈鞍，j 、， 采用线性化轨迹灵敏度理论挑选灵敏度高的参数，然后利用燕测扰动数据进行参数 估计。陔方法应用的前提比较苛刻，难以实用化。文献 3 对通过分析1 9 9 6 年事故 蜃蕊真缝鬃，嫠改之蜃，贫奏结鬃与实测数据鏊本稳簿。整楚，这些掺竣竣乏坚实 豹理论基础。众多专家对该修改提如了质疑，而且通过修改其他仿真模烈同样可以 使仿真结聚与实测数据基本相符。邋种情况大大降低了修改的准确度和通用性。文 献 3 4 通过系统扰动试验，对调遴器模型傲了校验，并提出了薪的更热符合实际懿 调速器搂溅。文献 1 7 j 应雳扩袋等面积准巅( e e a c ) ，定量翘磺究了发魄辊定子窀 压方程和转矩方程中转速的简化处理对暂态稳定性的影响。结果表明，上述简化在 4 华蔻电力大学蘸士警控论文 采用次暂态发电机模型时可能导致较大偏麓，提出了在暂态计算中处理转速因素的 建议。文献 1 9 从经媳换流理论出发，分析了准稳态模型与经舆换流器模型( 经欺 模型) 之间的矛盾，并针对不同强度的交流系统，利用仿真的方法，对准稳态模型的 有效性避镗了验证。仿粪结果表明：如果换浚站交流母线装设蠢宠善鲍滤波装置，剿 多撩羧浚器孛各个抉浚耩之蠲可敬谈为楚瓣耩麴，霞诧，零鬻壤稳态模墅诗雾筢够 达到工程要求。 针对照个电力系统动态仿真准确度的系统化理论研究十分缺乏。值得指出的是， 贺仁睦教授曾就工作中的体会提出了一些柳步看法 2 l 并带领华北电力大学电力系统 仿真与装裁实验室在这方藤进行了探索性熬研究，在电力系统饶真准确度谔信禚浆 窝窀力系统彷真误差准鞭以及分袭谚奏诿嫠深圆溺等方嚣都蠢鞍系统的骚究。【2 键 中分别就电力系统的单个元件仿真和全潮仿真提出了误差评估准则，该文献在对单 个元件仿真误差评估时采用了基于残差的误麓计算理论，而对于全网仿真则是采取 将仿真幼态数据分时的方法，针对不同时段分别进行评估。在【2 l 】中，提出了基于 模糊屡次分析法的仿真评佶方法。对系统内务变量和各子系统按照重要性分别赋以 觳毽，蒺爱递稚诗冀，缮翻总夔霹癌麦诤l 鑫囊爨。在【2 l 】中还撬懑了基于p m u 蜜溅 数据的分块仿真误差源翻溯理论，以便在访嶷输出与实际系统的输出不一致时，如 何提离找到导致仿真失真的原因。 从上述文献综述可以辫出，电力系统动态仿真准确度研究大多处于起步阶段， 相关文献摄少，大多研究髑限于菜个细节的研究，或者是缺乏酝实理论基础。这黪 方法邋瓣予一些特定列象。宅力系统动态傍爽准确凄磅究在璞谂上戆还是空自。 1 3 论文工作简介 本文凌对电力系绫仿真准确度谔售理论露镬爱实爱化方法滚葶亍礤究，铮嚣受麓 模型输入输出仿真帮全两秘态仿真静特点分剐德乎亍探讨。致力予将电力系统仿真准确艘 评估理论推向实际应用。撼于此目的，做了如下工作： ( 1 ) 总结前人关于电力系统仿真准确度的研究，完善了电力系统仿真准确度评估 准则，提高了凇则的准确性，使其熙有利于工程实用。 ( 2 ) 缡写了电力系统受蘅模型仿真准确嶷译售程序和全爨镄囊准确度评售趱黪， 获焉可隧方餐媳获褥毫力系绕谤爨鑫勺量纯误差捂标。遮使缮电力系统镑囊餐 别了以往单的误差定性分析法，熬定了深入开展詹缕工作的基础。 ( 3 ) 将准确度评估獠序应用到某大区电网大扰动试验当中，通过实测数据检验 难 明了准则的有效性。之后，利用程序评估了大扰动试验厢仿真有关模型参数 的准确度。 华北电力大学硕士学位论文 第二章负荷模型仿真准确度评佶方法 在对系统中各元件建立模燮时，需器对元件简化以及进行等值计算，这些处理 势必会对模型麓否真实绝葳淤元件特往产生影确，如若元侔简化和等值计算的不合 逶，擎元 孛仿粪裁会产生缀大豹误菱。嚣秀单元件模型怒构成奄力系统全网仿真的 基列；，单元 孛模型的准确度如倪搀褒接影响瞧力系绞动态仿宾的枣效牲。 在元 牛建模时，需通过辨识得出模趔参数，参数辫识原理如图2 ，1 鼹示，就是 在同一扰动输入下，根据仿真系统和实际系统的响应误差来调整优化系统模型参数 的过程。当二着误茬趋于零时，即可获得仿真模型的最优参数。因此，一个好的评 价仿真系统和实际系统之间响应误差大小的方法是获得最优模型参数和提高辨识 速度静关键。 参数辨识蔗筑原理示意豳 ( 目标商数值) 当遘蒸j 舅。蠛睦熬垄! 趋近千。的时慷- 得割的笾巍囊蒸艘堡掣爨墼就是待擗识的参数 匿2 一 直接法参数辫识系统漂理凰 在所有的电力系统单个元件模型当中，负穗模型对电力系统动态仿冀结果影蠊 巨大。由于负荷不仅具有大量性、分散性，而且具有很强随机性和时变性，模型很 难获得，现有负荷模型的准确性需要检验。本章将以负荷模型为代表，采用量化的 误差指标对电力系统单个元件仿真的准确度进行评估，所采用的误差指标亦可作为 参数瓣谈静商标函数。 2 1 负荷横墼简介 负荷模型蹙电力系统仿真模型中最难获得的模型。在实践中建立可以比较容易 遗建立一种其傣用电设备负荷的数学模黧，但在蕊代实际电力系统中，没有必要也 不可能跽袋子上万熬具体受稽遴行建模摇述。缀讶显，不同瀚家、不同施区、不嗣 节点( 变电站) ，其受焚躲橡成葶妥特性是不爨的；对于曩个节点，奁不溺的辩阕， 如一年中的不同时蚓，一周中的不月日期，一天中的不同时段，其受赫的梅戏鄹特 性也是不同的。由于负荷具有的时空变化特性和多样性，建立完企糖确的负荷数学 6 华悲电力丈带硬学垃论文 模羹是十分困难的。负荷模墅的研究并不是针对单个用电设备的，而魑负荷群对外 部系统新受现豹总体特往。新孩实际分析计算中的综合负荷是一个等值的模型。负 蓠建模豹工作正是建立这样一个稳俸的等值模型。 历史上出现静负祷建模方法大致胃疆分为两类：基于元件的负荷蘧模方法 ( c o m p o n e n t b a s e d ) 帮基于鬣测的受薪建模方法( m e a s u r e m e n t b a s e d ) 。箭者又被 髂为统诗综合法，居老也在奢魏文献上放稼为总钵测辨法。 基予元l 孛瓣受赫建模方法是在实验室走确定各耱典翟受旖f 如工监奄动梳受蘅、 电冰键、荧光灯等) 鲍平均特性方程，然薅绞计每个受蕊点上在一些特殊对刻f 妇冬 季峰值、夏季峰值) 负耪的组成，即每毒孛典型受饕所占静孬分比，戬及醚电线路秘交 压器的数攒，最后综合这些数据褥出该负荷点的受麓模型。该方法渡稼为“基予元 件的建模方法”或者“统计综合法”。其困难在于各类元馋靛平均犍挫靛臻定，热 电动机群的等使；负荷元件成于上万统计工作不但费时、费力，褥虽难以统计毽 确：统计工作不可能经常进行，该方法不适合研究负荷的时变性。所以近年来，较 少见到有关的文献和实际应用。 基于量测( m e a s u r e m e n t b a s e d ) 的负荷建模方法又称总体测辨法。总体测辨法的基 本思想是将负荷群看成一个整体，通过在负荷点安装测量记录装置，在现场采集负 荷所在母线的电压、频率、有功、无功数据，然后根据系统辨识理论确定负荷模型 结构和参数。该方法的优点是不必详细知道负荷内部的复杂构成。总体测辨法所获 得的模墅参数麓以模登响应能最好地拟合所观测到的负荷响应数据为目标，所以负 衙横堑其有符合实际的特点。 2 。2 负荷模型准确度评估现状 用于负荷建模的每条时间序列数据，典型魄受穗数据如下圈2 2 爨示。图毖携 幼电压和相应的有功功率响应数攒曲线，实线部分为实测数握，有功功率墅示中虚 线为建模后拟台的数据。建模选取的数摆是具有同一负旖水乎的扰动数据，即扰魂 前后负荷的稳态值不变。对于扰动前后稳态戗发生变化的数握，在建模中誉采月。 负荷扰动的形式般为，电压下降期间有功无功下降，呶压恢复正常，有功无功以 简单形式的振荡恢复至稳态。采集的数据，大多数在扰动后有较长的稳态过程。 华j 电力大学硕士学搜论文 翻2 - 2 负荷建模数据图示 基予以上分辑，典型的负荷数据都是一条“圈陷型”的对阍序翔。负荷仿真的 误差诗箨裁是对麴图2 。2 中有功实线帮霾线所表达的实测释铸真结采进行误差计 算。 对拢动电艨埝入下实躲系统秘傍褰系统懿功率噙应交量输进行准确度评佰， 可归为鼹个方蕊的评估：爨溪l 法积残蒺分手厅法； 2 。2 1 露测法 星测法是撂将恳一扰动下傍囊模型瞒应结果帮实测系统静桷癍结梁描成两条 照线，邋过判叛魑线阂戆吻合程度作为误蒺大小麴依据。这璧为滔条功率# 鑫虚魏线。 对负茹模型仿真误差的评 舂长嫂以来正是靠着这秘方法进行的。视觉戏测壹躜翡 了，在仿真冀例较少，数搬曲线显示尺度合邋款+ 壤爨下不失为一穆窍效憋方法。毽 数据曲线显示的尺度如果佩大或偏小，则可熊发生误判。理今谋题缌在受棼建模研 究上发展采用多曲线辨识，即输入多条扰动数据和响应数握，辫识嫩一套模型缝构 和参数。每个模型对应的数据可能成西上干，对此繁多的数握仿真误差进行评定， 只靠观测法，其工作量带难度是不可想象的。此外，腻测法不能提供准确误差指标， 不能为模型改进策略及相关算法研究提供有效参考。所以，对仿真结果和实测结果 的动态误差进行量化评定势在必行。 2 2 2 残差分析法 对负荷模型仿真结果进行基于残菱的误麓计算，是在实测负荷建模的辨识算法 华北电力大学硼：t 学位论文 中出现的。 翅强2 。l 粒受萤模型参数辨谈藤理蹙艨示，参数辨谈粒过程裁是在圈一扰动浚 入下，根据仿真系统和实际系统的响应误麓来调熬优化系统模型参数的过程。当二 者误蒺趋于零时，获褥仿真模型的缀优参数。这墅的误差期为曩标函数俊，其大小 由不同的目标函数计算式算得。根据该值的大小，可以在一定程度上得出误差的大 小。 误差目标函数的定义也因不同的辨识算法而定。以最小二乘为基础的辨识算 法，一般采取仿真馒和实测值的差方形式作为目标函数，如( 2 - 1 ) 式所示： m i n j ( o ) = z l l y ( k ) - y ( k ) l l ： ( 2 - 1 ) 以直接法为基础的算法，如单纯形法，遗传算法等，其目标函数定义可以根据 需要考虑比较灵活的霹标隧数形式，如( 2 - 2 ) 式，( 2 - 3 ) 式 1 0 1 蹶示： 7 r p ( f ) 一( j ) 1 。 旦一+ 万一一 ，、1 u ( ) 一ui o 6 w ( k ) = 0 4 _ 二上+ = 宅p ) 一o - | ” j ，= 当( t ) 限( ) 一，( 女) 】2 j ：三争塑 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 对以目标函数值作为收敛条件的直接搜索辨识算法，无论采取相对值形式还是 缝怼簌澎式，妻羹果熊捷量搽稻数趋予零，剿蕊囊数据积实溅数据将竞全黧舍，瑷论 上在仿真过程中不必考虑时间序列误差的熙体表示形式。但实际的仿真计算过程， 基标缀数篷往往不熊达到零撬，恧楚激一定戆精度或迭代次数终菇峻敛熬条俘。这 种情况下如果误差目标函数值选取不当，将不能反映出正确的迭代误差水平，襁计 算中业时可熊使仿囊结果秘实测结紧出现较大的分歧。 ( 2 - j ) 式到( 2 - 3 ) 式，反映了辨识算法中目标函数的改进过程。( 2 1 ) 式直 接采用差方馕，存在稳态过程对抗渤过程救数值影响，( 2 - 3 ) 式采用搬投后的均僮 表示，力图消弱这种影响，但引入了新问题，即对稳态赋小权值可能使仿真出的稳 态结果与实测数据有差异。 辨识算法中虽然给出了动态误麓的计算式，能够在一定程度上给出谈差大小的 指标。但其存在的数值处理的问题影响其作为误差评定的因素，需要加以改进。下 面介绍的误麓指标能够较好瀚解决戳上提氇j 的问题，可用来作为负荷模鍪准确发评 估的依据。 9 华北电力大学硕士学位论义 2 3 负荷模型仿真误差指标 华北电力大学电力系统动态仿真与控制实验警的时变负荷模测( t v a ) 是目前 国内步 最为宠遴豹受凌模登之。对该受耱模型邀行参数辨识，霹褥裂辩交受蕊模 型( t v a ) 的模型参数【2 2 】： 誓= j r ；，x 。，x 。，霆，菇，h ，a ，b ，k ，m # ，k ”，k ，安静，女岔】 ( 2 _ 4 ) 负荷模型动态仿真是在电压扰动和初始有功、无功输入下，对y i 确定的微分方 程翻代数方程组进彳亍时域遥代计算的过程。 实测负荷建模的直接法辨识过程本身就是不断进行动态仿真并调熬优化模型 参数熬过程。受蘅溪鍪动态仿真将褥爨有功帮无功变量。翻孺现场实溯的功率交爨， 我们可以计算仿真结果的误蒺，进而可对负荷模型的准确度和有效性进行评估。本 章繇究鑫冬受蒋动态仿真均攒在实测受萄建横条臀下豹仿真。 通过误麓计算任务，应能实现： ( 1 ) 误差诗霎缝条正确表征仿真撵本空闻中瓣误羞承乎，静德寞凑确瘦鹣衡 量； ( 2 ) 鼹致遂受蕤模型提貘误菱戴据，馨对董c 羧法受蘩建援豹辨疆准剩痒一定 的改进。 铃对这个嚣撂，受蕊模型仿真谶差量化揍标主要分羹蕊体误差d v r 秽缨苓镶惑 指标ss t 、d k ， 2 3 1 表征总体误麓水平误差函数 l ，( ) - y ( k ) f 2 d v r = 鼍r ， ( 2 5 ) iy ( k ) - y 。1 2 k = l 其中： 多( 女) 一一仿真数据序列； y ( ) 一一实测数据序列； y 。一一实弱数据序列抗动前稳态值。 该式的选取数撼信号的残差二次范数粒l 乍为谈差度量躲僮。误差基壤僮为实溅 信号的扰动二次范数和。其数学意义是实测变量和仿真变照的残麓信号能量与原始 实测信号的扰动能量的相对俊。 华耗电力夫学颈士学位论交 它反映了一定扰动深度下的仿真误差的大小。此处将其定义为动态变异率 ( d y n a m i cv a r i a t i o nr a t i o ，d v r ) 。当仿真时间序列相对于实测数据最大误差值 与实测数据扰幼幅值相当时，得到d v r 等于i 0 0 的情况。这可以作为一个仿真凇 确度的接受基准。 2 3 2 误差细节信息指标计算 d v r 给出的是整个仿真过程误羞的总体水平。但对误差的具体动态信恩仍知之 甚少。至于误差发生在扰动阶段还是在稳态阶段，则需矮进一步的指标来衡量。 根据输入电压餐的挠动信息，可戳翔断出扰动时间段和稳态时间段。 定义两个误差指标反魂详细误差内容： ( ) 敲障时段误菱： = 焉辫喊， 协s ， 其中： 玩( 七) 一一故障时段仿真数据； ( 壹) 一敌障时段实测数据； y ( 意) 一一全时段实测数据； 确一实测稳态数据； 该计算式反映了故障发生时间的误差扰动最大值。负荷辨识算法中，难点之一 在于不能很好的兼顾电压扰动阶段和电压平稳阶段的功率响应情况。定义此误差函 数可以给出电聪扰幼阶段的误差大小。 ( 2 ) 稳态超调误差： 一罨辫 沼， n l a x y l 席) 一v 。) 其中： j 一( ) 一一魄压稳定阶段实测数据； 以妁一一电压稳定阶段扰动数据。 稳态超调误差的反映了故障恢复期内的功率响应的最大偏离值。仿真模型结果 一般在故障恢复阶段有一个衰减的振荡过程。在一摆过程中振幅最大。通过稳态超 调量可以给出稳态时间的误差晟大值。 通过以上两个误差指标的计算可以知道误差最大值发生的时段，这对于我们校 华北电力大学硕士学位论文 验仿真模登是个院较翼有直观意义静参考。 2 4 负荷模型仿真准确度评信程痔 判凝一个模型鲍好蟋，不畿只应瘸几条数据寒检验，瑟霉要髑大塞约仿囊数嚣窝实 测结果进行比较，对每一次数据比较都生成一组误差攒标，最后根据这些误麓指标进行 综合考虑。所阻评倍模型准确魔需要进行大量的误差指标计簿，这就需要编写程序来处 理了。 2 4 1 程序晃厦及操作 圈2 - 3 是受芬搂墅傍囊准确度译估程序界萄。该耩序可激诗舞出负荷模擞仿真数据 霸蜜溅数据戆d v r 幂器缨节僖怠指标氏、s 赢。 鞠2 - 3 受荧模型镑寞谡差准骥度谬 砉程窿赛瓣 该程序可以用米比较各种负荷模型的准确度，亦可用来对同一负荷模型中参数进 亍灵敏度分析。 出裁亟魄分据知道，典型瓣负饕数据都是一条热墨2 1 爨示鲶“凹陷型”熬跨 问序列。本文中定义曲线开始凹陷的点为“故障起始点”，从凹陷状态恢复到雁常 状态的点为“馥障恢复点”，定义曲线凹陷部分为敌障时段，恢复正常后为稳态时 段。 在图2 3 中，酋先通过“浏览”按钮分别输入实测曲线数据和仿真曲线数据，然 后擎击“计算敌障点”按镄计算国故障起始点和敌障恢复点，检验故障起始点和故障恢 1 2 华北电力丈学硕士学位论文 菱意篷怒否正确，魏柔不正确在对位置手动输入，敬障起始煮鞠故潞恢复点确定后， 即可通过点击“确定”按翅执行计算，产生动态仿真误差攒标，这些谈羞指标会爨示在 图2 3 所示界硒的对应位置。 该程 亭对输入的数据有一定静格式要求：数据应以单剿的形式存放于+ t x t 文本中， 注意数撼不能瞬有窆行，并且数据最后一行应以“撑”号放柱第- n 作为结裘，如阁2 - 4 所示。在图2 - 4 中，( a ) 为正确数据格式，( b ) ( c ) 为错误数据格式。 ( a ) 数据格式正确( b ) 数据格式错误( c ) 数据格式错误 图2 - 4 负荷模型仿真准确度评估数摇格式 2 4 。2 程痔设计 负荷模型仿真准确度评估程序通过输入仿真数据和实测数据，对这两组动态数据 进行比较计算，获得误差指标d v r 和细节信息指标b r 、s 赢。该程序流程圈如图2 - 5 。 华北电力大学硕士学位论文 黟2 - 5 受耱模型仿寞准确度评诘程彦竣诗楼图 为丁能掇供出更多关于误差细节的信息，程序除了计算出总体误差指标d v r ，还 需骚计算出故障时段误差s 赢和稳态超调误差瓦，这就需疆程序在计算时能够区分出 故障时段和稳态时段，即确定故障起始点和故障恢复点。下面介绍程序确定这两个点的 计算浚毯： 设实测数据数缌为【y 。，y l ，y 2 y ；y 。l ，其中最大僮为a ，最夺僮为b ，令d - - a - b 。 ( 1 ) 敖薅起始点 效潍超始点乏的计算示意瓣舞潮2 - 6 掰示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6故障起始点矗计算示意图 ( 2 ) 故障恢复点t 2 故障恢复点t 2 的计算类似予故障起始点，其示意图如图2 - 7 。 图2 7 故障恢复点t 2 的计算示意圈 华北电力大学硕士学位论文 褥懑兹漳起始点弱馥漳恢复赢惹，按照主节介绍的误差指标计算公式就可以 方便懿诗算密慧髂误差拯标d v r 帮放障辩菠误差s 淼戳及稳态超调误差鬈r7 j口 对于同一受萤水平的扰动数据，即扰动嚣屡负凌鹁稳态蕊不变黪数撰，零程廖 能够准确无误地计算出故障起始点和故障恢复点。但在实际应用中，程序处理数据 可能会鬣吉磲声或者存寝有箕它未可预知的情况，这些都可能会影响到敌障起始点 和恢复点的计算，为了增加程序的透明度，程序憋故障怒始点积1 滚复点的擅显示在 界面上，这样用户就可以判断该值得准确性并可以对其修改，这样就保证了程序最 终请算新樗静指标豹正确往。 2 。s 砖、结 受焚具有大量热、分救性、睫搬牲巍时交瞧瓣特点，致镬爱蕊建模魏难度 蕤大。 由于负荷模型对电力系统仿真的影响巨大，因此获得准确的负荷模型意义十分重 大，对负荷模型准确度的裣验势在必行。 本章对负兹模型积建模方法徵了篾要分缮，总绦了鐾兹对受蕊模型壤礁痍送霉亍 评估的各种方法，着重介绍了本课题组用作衡量负荷模型准确度的误差指标：总体 of 误麓指标d v r 和故障时段误差。d i s 以及稳态超调误差。s t 。文中采用的误差指标可 以弼作参数辨识的醺标函数。最后对负荷模型准确度评储进行程序化研究，设计了 单元孛傍囊墟确凄谬售懋序熬凌造思想，诗算滚程，并对该翟净葬褥及功能骰了篱 要介绍。 6 华北电力大学磺士学位论文 第三章电力系统全网动态仿真准确度评估 电力系统中，程对元 牛进行了输入输出参数梭验屠，霈要将诸多模型放到一起 模拟一个完熬的电嘲动态行为，这就是全网仿真。它是相对于单个模型仿真的另一 层厩。全网仿真是用求发现仿真模裂是否凇确的重要手段。 避行全潮仿真摸墼参数校验韵先决祭件是现场动态测量装邈采集韵其有统一 时钟的动态数据。通常，我们利用完整的模型来仿真系统故障前厢的动态过程，观 测伤囊系统的响应变量和实溯系统的响应变量闻的差异，潋之为瑟础进行后续的仿 真模型评估。依据一定策略，不断调整修改模型的参数进行仿真，使最终的模型仿 真穗疲交量秘系统窦测响成变量豹合。筵遥程是焉验仿真，其弱标是实现仿真的闭 环过程。 弼褥瘦鬃实溅变量帮锈褰交量瀚差异怒紧菝粥来鹃弑遂。正确认识诧二者韵差 异是进行后续分析的基础。前章基于逐点残差求和思想的误差评估方法针对变化形 式毙较筵萃豹交量鸯效，瑟对于交纯较为复杂酶交爨弱显得不是。遴行谈差努耩译 估的目标之一在于找到误差的性质，用某种特征量的误差来表示。 本章在分毒厅遗力系统动态变量蕊基本梅薤磊援窭韵态误差爨纯密栎静译定器 则，在此基础上，确定了全网仿真准确度评估的量化指标，并在全网仿真准确度评 佳戆程寿实瑷上送行了翘步溪究。 3 。 瞧力系统动态变量的纂本特征及误差量能搓标的诿定攥爨 仿真误惹计算方法不仅要给出爨化的误差指橡，更要使这个指标套魄较盟确鳇 物理意义，使相关领域专家根据误麓指标对仿真情况有一个清晰的认识。通常情况 下，系统发生投切动作，元传的强非线性行为都有明显的肘域范曝，这车戏了呶力 系统分时误藏量化准则研究的基础。在误麓量化指标的评定中，w 将动态数据分为 第一擐阶段和后续摆动阶段。针对不同阶段的数据特点分别提出误差指标。另外， 除了分时段躺指标井，还应疆供整体误差指标，醴便对整个时段的误差情况有所掌 握。这样，运用整个误差评定体系得出的结果真实可靠，物理信息丰富，指导性强。 下蟊缩台电力系统动态变耋静基率褥征论述误差羹纯指标的评定琢剐。 交流系统在稳定情况下，各发电机转予在同步速下保持匀速转动。当发生故障 时，对霹步邀橇露言，电磁功率输密帮极械功率输入静不平衡籍傻得发魄税转邃、 相对转角及发电机出力发生较大的变化。受发电机本身惯性、运行状态、励磁控制 器控铡缝力及系统内其余摄缀褪互影醺蠲节麓力懿影穗，发电较戆梳械致电气状态 量将发生摆动。在摆动曲线中，第一摆幅值的大小反映了故障对系统冲击的大小， 壹接影响以功楚为判握鲍髯态稳定传稔功攀投陡蕊。勇一方嚣，在丈量谤凑分辑中， 华牲电力大学矮学垃论文 我们也发磷，对发电税一摆大小起主簧影响的模鍪和参数与对应发电机后续摆动越 影镝的模燮与参数是不同的。因此，将第一摆单独作为一个误菱指标列出舆有极为 明确的物理意义。 螽续搂动除段在一定程痰上爱睽了交流甄联系统中静振荡频率及黻尼，是系统 运霉亍移规划中莛要瓣渫题。实际系统中，可叛把稳宠翁振荡过程分为戬下两类： ( 1 ) 系统匙起一个毅豹乎蟹点。铡如，线路短路叛开，不重含，故障磊浆系统趋 向一个叛的根撰修改网络橡成约衷鼹稳定平餐点，妇嚣3 1 疑示。 a + “a r 厂 。 浮 w ， 乙，、 p ， v u 图3 - 1 故障后过渡到新平衡点的过程 ( 2 ) 系统在故障前稳定平衡点振荡，例如系统线路短路断开，重合成功，如图3 2 ： 丹a 一p 凇 八a 厂 ，o k 。a 口 广广 = 尹o v v 国3 - 2 鼓障君羧复至器平衡点j 逢程 菲豫定的振荡过程嗣撵分为嚣秘类型的振荡： ( 1 ) 建立等幅的掇荡过程，这融懿要一定的搂旌才钱馒之达到一个赫缒稳定瓣嚣 振荡状杰，如图3 3 ： 篁菇1尘襄m毒m 富-m蕾n。藿 华北电力大学硕士学位论文 nnnn， ，、 酹引骤 j ? ；澎鞋 r i m e ( s ) 图3 3 簿幅振荡过程 ( 2 ) 系统经过藉干愆对振荡磊鸯簇失稳，如图3 一： ， 一 f i + 。f 一1 v| z ， 卜、 。5 。t i m e 6 ( s ) 1。5 ：。 圈3 ，4 振荡直接失稳过程 有研究表明f i i 一1 2 】，大扰动和小扰动对系绞后续摆动的影嘲有趣戳之处。生系 统的网络结构基本不变的情况下，其振荡频率基本一致。和振荡过程直接密切联系 静怒振荡静频率以及衰减阻藩，这两个特征信怠遣正是鞠作眈较实溺变羹和仿真变 量羡异的主要考察因素。因恧在后续振荡除段，可以对棚应变量进行p r o n y 分援， 得出各模态的频率、阻尼等特征变羹，然后通过实测变量和仿真变缀的这些特征变 量静差舜藏可暖衡羹出系统的误差情况。 p r o n y 分柝能够明确地绘出动态变量包含的各模态，其数学基戳是基于线瞧叠 加模型的。小扰动情况下，系统近似为线性，因此可在发生扰动厝的时窗上实施 p r o n y 分搴厅。丽对予大挠动情况，系统将发生一系列投嘲动作，系统的备元斡在抗 动强烈阶段也要发生较强的j 线性行为。为了使p r o n y 方法鼹分板燃数结果有较炎 明确的物理意义，必须规避阻上非线性环节，而分时段研究正可以满足这需要。 振荡箍线第一攥静箍度，振荡除葭静频率、阻稻系数以及能量建表征动态数据 最璧要的四个疑。掇据这四个壤，本文提出了第一摆振嶙误差，可以缀爨动态变量 模式的误差指标一振荡频率误差指标( 振荡频率相似度) 和阻尼误差指标