（电力系统及其自动化专业论文）基于轨迹的轨迹灵敏度计算及电网仿真验证研究.pdf

删删f m i | 舢 y 17 8 61 a5llllj 1 1 i i i i 。 r e s e a r c ho nt h et r a j e c t o r yb a s e dt r a j e c t o r y s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n d v a l i d a t i o no fp o w e r s y s t e md i g i t a ls i m u l a t i o n d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i ll m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y i ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 一一 b y a nj u n s u p e r v i s e db y p r o f m ug a n g s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e c e m b e r2 0 0 9 ? 、 _ ， 声明尸 只月 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于轨迹的轨迹灵敏度计算及电 网仿真验证研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此声明。 签名： 琢盟了 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 可以学术交流为目的，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) 导师签名： 日期： 声明尸 只月 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于轨迹的轨迹灵敏度计算及电 网仿真验证研究，是本人在华北电力大学攻读搏士学位期间，在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此声明。 签名：日期：旦2 0 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 可以学术交流为目的，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： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力火学博+ 学位论文 摘要 数值仿真是分析电力系统动态行为的重要工具，仿真精度对电力系统安全分析 和控制具有重要影响。国内外多次事故后仿真复现结果均表明基于原有的模型参数 库仿真结果与实测轨迹存在较大差异。因此，如何基于仿真误差寻找误差源，并对 其进行有效校核，提高数值仿真可信度是提高电力系统安全分析水平，保证电力系 统运行安全性和经济性的重要研究内容。 轨迹灵敏度是数值仿真验证的重要工具，现有的轨迹灵敏度计算方法是基于电 力系统模型和参数得到轨迹灵敏度的计算模型，进而采用数值积分的方法获得轨迹 灵敏度，该方法不仅计算代价大，且计算结果依赖于所建立的模型和参数的准确性。 本文基于电力系统高阶模型，提出了基于轨迹计算单机系统和多机系统的轨迹 灵敏度的卷积法，仅根据轨迹即可计算得到轨迹相对于元件参数的灵敏度以及轨迹 相对于故障切除时间的灵敏度，避免了由数值积分计算轨迹灵敏度的方法对模型和 参数的依赖，充分揭示了轨迹灵敏度与轨迹之间关系的物理本质。该方法避免了参 数的误差对计算精度的影响，且计算简单，极大地减小了轨迹灵敏度计算代价，为 基于轨迹的电力系统动态分析提供了重要的理论支持。 本文深入研究了电力系统数值仿真验证面临的困难，提出了基于轨迹分段的振 荡模式识别方法。并基于轨迹特征给出了评价仿真精度的误差指标。给出了基于轨 迹灵敏度确定仿真误差源的方法。最后通过对动模实验室两机系统的事故后仿真复 现验证了本文提出的误差指标和误差溯源方法的有效性。 本文基于电力系统分块仿真验证思想，深入分析了基于混合动态仿真的电力系 统仿真解耦基本原理及实现方法，提出了基于实测电压轨迹的混合动态仿真方法， 实现了电网的分块仿真验证。通过对实际电力系统和新英格兰1 0 机系统的分块仿 真验证，说明了该方法的有效性。 为提高大区电网仿真验证的效率，本文开发了基于m a t l a b 环境的电力系统模型 参数校正软件。软件基于电力系统分析软件p s a t 为计算内核，可自动实现对电力 系统的分块解耦，确定仿真误差源，自动进行模型参数的校正，为实现大规模电力 系统的仿真验证提供了有效的工具。 关键词：电力系统，轨迹灵敏度，卷积法，混合动态仿真，参数校正 ， a b s t r a c t d i g i t a ls i m u l a t i o ni sa l li m p o r t a n tt o o li na n a l y z i n gp o w e rs y s t e md y n a m i c s ，a n d t h e v a l i d i t yo fs i m u l a t i o no u t p u ti sw i t hv i t a li m p o r t a n c et op o w e rs y s t e md y n a m i ca n l y s i s a n dc o n t r 0 1 s e v e r a lp o s t m o r t e ma n a l y s i ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o no u t p u tb a s e do nt h e g i v e nm o d e l sa n dp a r a m e t e r si sw i t hg r e a td i f f e r e n c et ot h e m e a s u r e dt r a j e c t o r y t h o u g h h o wt or e c o g n i z et h ee r r o n e o u sm o d e l sa n dp a r a m t e r sb a s e do nt h es i m u l a t i o ne r r o r , a n d c o r r e c tt h ee r r o n e o u sm o d e l sa n dp a r a m e t e r st oi m p r o v et h ev a l i d i t yo fd i g i t a ls i m u l a t i o n a n de n s u r et h es e c u r ea n de c o n o m i co p e r a t i n go fp o w e rs y s t e mi s a ni m p o r t a n tl s s u et o r e s e a r c h e r s t r a je c t o r ys e n s i t i v i t y i sa ni m p o r t a n tt o o l i np o w e rs y s t e m sd i g i t a ls i m u l a t i o n v a l i d a t i o n ，a n dt h ec o n v e n t i o n a lt r a je c t o r ys e n s i t i v i t yc a l c u l a t i o nm e t h o di s b a s e do n p o w e rs y s t e m m o d e l sa n dp a r a m e t e r st og e tt h ec o m p u t a t i o n sm o d e l s ，a n d t h e n n u m e r i c a li n t e g r a t i o ni su s e dt oo b t a i nt r a j e c t o r ys e n s i t i v i t i e s t h ec o m p u t a t i o nc o s to f t r a je c t o i n i v i t yi sg r e a t ，a n di td e p e n d so n t h ea c c u r a c yo fm o d e l sa n dp a r a m e t e r s p e rt h eh i g h e r o r d e rm o d e l so fp o w e rs y s t e m i sc o n c e r n e d ，a n da c o n v o l u t i o nm e t h o db a s e do nt r a j e c t o r yt o c a l c u l a t et r a j e c t o r ys e n s i t i v i t yi ns i n g l e m a c h i n ep o w e rs y s t e ma n dm u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e mi sp r o p o s e dt h es e n s i t i v i t yo f t r a je c t o r yt oc o m p o n e n tp a r a m e t e r sa n dt of a u l tc l e a r i n g t i m ec a nb eo b t a i n e do n l yb y t r a je c t o r y , a n dt h en u m e r i c a li n t e r g r a t i o no fp o w e rs y s t e mt oo b t a i nt r a je c t o r ys e n s i t i v i t y i sa v o i d e d a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt r a j e c t o r ys e n s i t i v i t ya n dt r a j e c t o r yi se x t r a c t e d t h e i n f l u e n c eo fe r r o n e o u sp a r a m e t e r sc a nb ea v o i d e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o nc o s t c a nb e r e d u c e d a n dt h ec o n v o l u t i o nm e t h o di ss i m p l ei nc a l c u l a t i n ga n dp r o v i d e sa n e ww a yf o r a n a l y z i n gp o w e rs y s t e md y n a m i c t h ed i m c u l t i e so fm o d e lv a l i d a t i o no fd i g i t a l s i m u l a t i o na r ec o n c e r n e d ，a n da w a v e f o m d i v i d i n gm e t h o dt or e c o g n i z et h eo s c i l l a t i o nm o d ei sp r o p o s e d ，a n das e to f i n d e x e st oa s s e s st h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o ni sp r o p o s e db a s e d o nt h et r a je c t o r y p e r f o r m a n c e a ne r r o rs o u r c er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e d o nt r a j e c t o r ys e n s i t i v i t ya n a l y s i s i s p r e s e n t e d c a s es t u d i e so fat w om a c h i n e a n da ni n f i n i t eb u ss y s t e mi nd y n a m i c l a b o r a t o r yv a l i d a t i o ns h o wt h a tt h ee r r o ri n d e xa n de r r o rs o u r c er e c o g n i t i o nm e t h o d a r e v a l i d t h ei d e ao fd i v i d i n gp o w e rs y s t e mi n t os e v e r a ls u b s y s t e m sw h i c hc a nv a l i d a t et h e i i i a b s t r a c t s u b s y s t e ms e p a r a t e l yi s u s e da n dah y b r i dd y n a m i cs i m u l a t i o nb a s e dp o w e rs y s t e m d e c o u p l i n g m e t h o di s c o n c e r n e d ，a n dam e a s u r e dv o l t a g eb a s e dh y b r i dd y n a m i c s i m u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt of u l f i lt h ed e c o u p l i n go fp o w e rs y s t e ma n ds u b s y s t e m m o d e lv a l i d a t i o n b yt h er e a lp o w e rs y s t e mm o d e la n dp a r a m e t e rc o r r e c t i o na n dn e w e n g l a n d10m a c h i n ep o w e rs y s t e mm o d e lv a l i d a t i o nt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d i sv e r j f i e d 。 i nt h i sp a p e ram a t l a bb a s e dp o w e rs y s t e mm o d e lv a l i d a t i o ns o f t w a r eo f d i g i t a l s i m u l a t i o ni s d e v e l o p e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fb u l kp o w e rs y s t e mm o d e l v a l i d a t i o n t h es o f t w a r eu s et h ed y a m i ca n a l y s i sf u n c i t o no fp o w e rs y s t e ma n a l y s i s t o o l b o x ( p s a t ) ，a n dc a nf u l f i lt h ep o w e rs y s t e md e c o u p l i n ga n dr e c o g n i z et h ee r r o r s o u r c ea n dc o r r e c tt h ee r r o n e o u sp a r a m e t e r s a u t o m a t i c a l l y , a n dt h es o f t w a r e i sa p o w e r f u lt o o lf o rm o d e lv a l i d a t i o no fp o w e rs y s t e md i g i t a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，t r a j e c t o r ys e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，c o n v o l u t i o nm e t h o d ， h y b r i dd y n a m i cs i m u l a t i o n ，p a r a m e t e rc o r r e c t i o n i v 华北电力大学博士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 电力系统数值仿真可信度研究的意义l 1 2 电力系统数值仿真验证的研究历程2 1 3 轨迹灵敏度研究及其在电力系统动态分析中的应用现状5 1 3 1 轨迹灵敏度计算方法的研究一6 1 3 2 轨迹灵敏度在电力系统动态安全分析中的应用6 1 3 3 轨迹灵敏度在电力系统仿真验证中的应用现状一7 1 4 本文的主要工作8 第二章基于动态系统模型的轨迹灵敏度计算方法11 2 1 电力系统的数学模型一1 1 2 1 1 混杂系统数学模型1 1 2 1 2 连续动态系统的数学模型1 2 2 2 基于模型参数的轨迹灵敏度计算方法1 3 2 2 1 混杂系统轨迹灵敏度计算方法1 3 2 2 2 连续动态系统轨迹灵敏度计算方法1 4 2 3 小结15 第三章基于轨迹的轨迹灵敏度计算方法16 3 1 基于轨迹计算轨迹灵敏度的卷积法原理1 6 3 2 阶跃扰动下基于轨迹的轨迹灵敏度计算方法18 3 2 1 单机系统的轨迹灵敏度计算方法1 8 3 2 2 多机系统的轨迹灵敏度计算方法一2 1 3 2 3 算例分析2 4 3 3 短路方式下基于轨迹的轨迹灵敏度计算方法2 9 3 3 1 单机系统中轨迹相对于系统参数的灵敏度计算方法2 9 3 3 2 单机系统中计算轨迹相对于故障切除时间灵敏度计算方法3 2 3 3 3 多机系统中轨迹相对于参数的灵敏度计算方法3 3 3 3 4 算例分析3 4 3 4 其他扰动形式下基于轨迹的轨迹灵敏度计算方法一3 7 3 5 小结3 7 v 目录 第四章基于轨迹灵敏度的电力系统数值仿真模型参数校正3 9 4 1 数值仿真误差评价指标体系及其计算方法3 9 4 1 1 电力系统动态轨迹特征识别方法3 9 4 1 2 基于轨迹特征的数值仿真误差评价指标体系一4 3 4 2 基于轨迹灵敏度的模型参数校正方法4 5 4 2 1 基于轨迹灵敏度的参数影响因素排序一4 5 4 2 2 基于非线性最小二乘法的模型参数校正4 5 4 2 3 待校正参数的独立性分析4 6 4 3 算例分析4 7 4 5 小结5 4 第五章基于实测轨迹的复杂电力系统仿真误差溯源5 5 5 1 复杂电力系统仿真误差溯源面临的困难5 5 5 2 基于轨迹的电力系统同调群识别5 6 5 2 1 主成分分析的基本思想5 7 5 2 2 主成分分析的数学模型5 7 5 2 3 主成分分析在电力系统同调分群中的应用5 8 5 2 4 算例分析5 9 5 3 基于轨迹的复杂电力系统解耦降维方法6 2 5 3 1 基于实测轨迹的电力系统解耦原理6 3 5 3 2 基于实测电压轨迹的解耦降维方法6 5 5 3 3 基于解耦降维的电力系统模型参数校正6 7 5 4 小结7 4 第六章电力系统模型参数校正系统开发7 6 6 1 基于p s a t 的仿真平台基本功能7 6 6 2 基于p s a t 的电力系统模型参数校正系统8 1 6 2 1 软件结构8 1 6 2 2 软件的功能8 1 6 2 3 分析结果的输出方式一8 7 6 3 小结8 7 第七章结论8 8 参考文献9 0 致谢。9 8 附录。9 9 v i i 华北电力大学博七学位论文 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表1 0 3 v i i - 1 华北电力大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统数值仿真可信度研究的意义 随着国民经济的不断发展，大规模、超高压互联电力系统正在逐步形成，电力 系统将承受更多的运行风险，如何保证电力系统的安全稳定运行已成为电力企业及 科研人员关注的重点i l 儿引。 电力系统受到扰动后将进入动态过程，若没有采取有效措施将会出现系统解 列，严重时将导致系统崩溃，造成大面积停电的后果【3 。j 。因此，必须采取有效手段 分析系统的动态行为，从而保证电力系统的安全稳定运行。 数值仿真是分析电力系统动态行为分析的主要手段，通过建立起系统各元件的 数学模型，采用数值积分的方法获取系统的动态轨迹，提取电力系统的动态特性， 在此基础上给出有效的控制措施以确保电力系统运行的安全性。 可见，数值仿真是电力系统运行、规划和控制的主要依据，仿真结果的有效性 对电力系统安全经济运行具有重要影响。只有当电力系统的模型参数都非常精确， 且仿真算法具有足够精度时，数值仿真结果才准确地描述了电力系统的动态行为， 基于数值仿真的电力系统运行分析、控制和规划才能够i l i o n 丌展。若仿真的模型和 参数与实际运行的系统不相符合，则有可能导致仿真计算结果的明显差异，从而严 重影响运行人员对电力系统安全水平的判断，影响电力系统运行的安全水平和经济 性。 长期以来，由于缺乏实测的系统扰动数据，仿真结果的精度难以判断。基于g p s 的同步相量测量技术( p m u ) 的出现，使得获取系统同步实时动态数据成为可能， 基于p m u 的量测数据与仿真结果的比对可以评价数值仿真的精度，从而为提高电 力系统安全分析水平提供了实测数据支持。 国内外的多次事故后分析和扰动实验的结果均表明，仿真结果与实测存在较大 差异。仿真与实测的巨大差异说明了数值仿真难以复现系统的真实行为，数值仿真 精度难以令人满意，从而极大地影响了电力系统安全分析水平。 电力系统模型参数的不准确被认为是仿真结果与实测出现巨大差异的重要原 因。虽然经过多年的研究，电力系统的大部分元件模型已经非常详细，其主要参数 可以通过实验或辨识的方法获得。但是，多次事故后仿真重现表明现有的模型参数 库并不能反映电力系统的真实特性。因此，获取准确的电力系统模型参数，提高数 第一章绪论 值仿真的可信度对提高电力系统运行安全水平和经济性具有十分重要的意义。 w a m s 系统能够记录真实的电力系统动态行为，将其与基于已有模型参数数值 仿真的结果进行比对即可判断数值仿真的精度，从而为模型参数校j 下提供了重要的 支持，基于w a m s 数据的模型参数校正也成为研究的热点。 1 2 电力系统数值仿真验证的研究历程 仿真可信度的概念出现在2 0 世纪6 0 年代。随着计算机仿真技术在各个学科和工程领 域的普遍应用，仿真模型可信度问题r 益受到人们的关注。文献 8 1 1 9 1 全面地介绍了仿 真可信度的概念及仿真可信度研究的主要内容，即仿真验证、确认和认定( v v & a ) ， 并指出了三者之间的区别。文献 1 0 】介绍了一种基于谱分析的仿真可信度研究方法。文 献 1 1 1 1 1 2 1 深入分析了数字仿真模型校核、验证与测试的相关内容，文献 1 3 1 提出了基于 数理统计的数值仿真验证方法。 仿真可信度理论主要应用于国防、航天领域的仿真系统丌发，而在电力系统中 的丌展较少。其主要原因就是在p m u 出现之前，缺乏能够同步记录电力系统动态 行为的装置，因此无法对数值仿真的有效性进行验证。 由于缺乏全系统同步的动态量测数据，对全系统的仿真有效性分析难以开展。 电力系统数值仿真验证的主要工作是验证各个元件模型参数的有效性，进而判断系 统整体的有效性。 经过长期的努力，电力系统的主要元件均己建立起相应的详细模型f 1 4 】【15 1 ，且参 数的测量与辨识相关标准也已给出。对各种元件模型，提出了多种参数辨识的方法， 且取得了一定成果【i “2 4 1 。根据建模和参数辨识形成的系统模型参数成为数值仿真的 标准数据库，被应用到电力系统动态分析的各个领域。 虽然通过建立起各个元件的模型组合得到电力系统的模型，但是由于电力元件 的参数通常是在出厂前有厂家经离线试验获得，并未考虑到元件在线运行时参数可 能发生的变化，同时由于电力设备( 如发电机) 长期运行也有可能导致运行参数与 出厂参数的不一致【2 5 j ；另外某些元件特别是负荷难以建立精确的模型，因此目前使 用的电力系统元件模型和参数可能存在一定误差【2 6 】【2 刀，且元件模型参数的误差可能 会对数值仿真产生重要的影响。 众多学者从不同角度分析了模型参数对仿真结果的影响。文献 2 8 1 分析了负荷 模型对数值仿真结果的影响。文献【2 9 】分析了电动机模型结构和参数对暂态稳定仿 真的影响。文献 3 0 1 研究了配电网络和无功补偿对数值仿真结果的影响。文献 3 1 0 从统计学角度分析了发电机和负荷模型参数对电力系统暂态稳定仿真的概率影响。 2 华北电力大学博士学位论文 文献【3 2 分析了感应电动机负荷参数对暂态电压稳定性的影响。 众多研究结果均表明，部分元件的模型和参数对数值仿真影响较大，采用不同 的元件模型和参数数值仿真的结果可能存在较大差异。因此，如何选择有效的模型 参数描述电力系统的动态行为成为困扰电力工程人员的一大难题。 随着基于g p s 的同步相量测量装置的出现，电力系统的动态行为能够被实时记 录下来。基于w a m s ( 广域量测系统) 提供的实时同步的精确数据，使得基于w a m s 量测分析系统行为的研究成为了热点【3 3 1 。w a m s 数据被广泛应用与电力系统分析的 各个领域，包括潮流直接可解3 4 1 、状态估计【3 5 1 、暂态稳定分析【3 6 】【3 7 1 、低频振荡模 式提取【3 8 】【3 9 】【4 0 1 、故障检测【4 1 】【4 2 1 、p m u 最优配置【4 3 】【4 4 1 、电压稳定4 5 1 、功角直接测 量及知识提取等诸多方面【4 6 j 【47 1 ，均取得了积极的成果。基于w a m s 的实测数据与 数值仿真结果的比较即可评价数值仿真的可信度，同时w a m s 数据亦可为模型参数 的校正提供必要的数据支持。 19 9 9 年发表在i e e et r a n s a c t i o n so np o w e rs y s t e m 上的( ( m o d e lv a l i d a t i o nf o rt h e a u g u s t1 0 1 9 9 6w s c cs y s t e mo u t a g e ) ) 是电力系统数值仿真可信度研究的罩程碑之 作【4 引。文中首次提出了一个现象，即采用w s c c 标准数据库中的参数复现1 9 9 6 年 8 月1 0 同w s c c 事故其仿真结果与实测存在明显差异，从而表明w s c c 标准数据 库中的模型和参数可能存在问题。文中，作者通过细致分析指出，当加入了a g c 模型和直流输电控制模型，修改了汽轮机调速器模型和电压控制模型后，仿真得到 的系统频率和电压变化曲线与实测曲线便比较接近了。最后通过修改功率送出端 ( 加拿大侧) 的负荷模型，即从静态指数模型改为动态电动机模型，或从指数模型 改为恒功率模型后，仿真可以重现系统的振荡情况。该文的出现使得人们重新认识 到数值仿真的有效性对电力系统安全分析的重要作用，并且表明了现有的模型和参 数不能够表征电力系统的动态特性，因而需要对模型和参数进行校正以提高电力系 统动态分析水平。 自1 9 9 6 年的w s c c 事故后，w s c c 便组织专家认真研究实测与仿真出现重大 差异的原因，决定对w s c c 所辖的所有元件进行试验，获取其参数，更新其参数库。 其中包括发电机参数，调速器参数，负荷参数等【4 9 5 2 1 。美国电科院和i e e e 也组织 了相关专家进行电力系统模型参数测试工作【5 引。经过长时l 日j 的测试，该工作取得较 大进展，在2 0 0 4 年6 月1 4r 的w s c c 电网事故后，w s c c 采用更新后的数据库对 事故进行复现，结果表明实测与仿真比较接近，当修改一座核电厂的发电机饱和系 数和过励模型后，仿真可取得较为满意的结果。此后，基于w s c c 记录的扰动数据 也对部分发电机和调速器的模型参数进行了调整，得到了使仿真与实测相吻合的结 果。 第一章绪论 除了w s c c ，北欧和美国的其他电网事故后重现工作也发现了与w s c c 相似的 现象，即实测与仿真结果不相符，基于实测轨迹对仿真模型参数进行校正的研究工 作也在逐步展开1 5 4 儿”j 。文【5 5 】对北欧电网受扰事故进行了仿真复现，通过调整相关 参数得到了与实测相接近的仿真结果。 在我国，由于缺乏必要的量测手段，数值仿真可信度的研究一直没有受到重视。 但是，在东北电网与华北电网进行联网时，采用不同的模型进行仿真得到的联络线 传输功率极限竞出现巨大差异，由此引发了模型的取舍问题的争论。 随着p m u 的出现，基于w a m s 数据的电力系统模型参数校正工作也逐步开展。 东北电网公司为了验证东北电网仿真计算模型的有效性，于2 0 0 4 年和2 0 0 5 年分别 作了两次大扰动实验【5 6 1 。通过将数值仿真结果与实测数据的比对分析，发现仿真与 实测之间存在偏差较大，仿真的结果偏于保守。事后，研究人员提出了一种新的负 荷模型，并对东北电网的部分发电厂励磁系统的仿真参数进行了调整，从而得到了 与实测轨迹相对接近的仿真结果【5 7 舻引。 华东、华北等电网公司均分别进行了旨在获取准确的系统模型参数的电网短路 实验，实验结果表明基于原有的模型参数库的仿真结果与实测差异明显，通过对励 磁系统等元件的模型参数进行调整，得到了与实测相接近的仿真结果【5 9 儿6 0 】。 由上可见，国内外多次事故后分析和大扰动实验的结果均说明了电力系统目前 所采用的仿真模型和参数存在一定误差，从而严重地影响了数值仿真可信度及电力 系统安全分析水平。因此，亟需寻找出误差源并对其进行修正，以提高数值仿真的 可信度。国内外的多位专家均提出了深入研究电力系统的模型参数为提高数值仿真 可信度的依据6 1 】【6 2 儿6 3 1 。 许多研究者从不同角度研究了数值仿真模型参数校正的问题，并取得了一定的 成果。文献 4 8 】提出了使实测与仿真相吻合的模型参数校正手段，但是并未从理论 上给出该校正手段的有效依据。文献 5 7 建立了一种新的负荷模型使得东北电网大 扰动实验的仿真与实测相对接近，但是亦未对该负荷模型有效性的机理进行深入分 析。文献 6 1 指出只有通过广域动态监测系统测量的数据对模型不断进行校核，才 能使系统模型逐步精确化，才能建立鲁棒性较强、更能反应系统多数情况下特性的 模型数据。文献 6 2 】提出了电网动态实时监控及管理系统的构想，以采用实际测量 数据评价模型参数的有效性。文献 6 3 提出了电力系统精确仿真的概念，并介绍了 基于实测数据的负荷建模方法。文献【6 4 】 6 5 系统地给出了电力系统仿真有效性评价 的指标体系，并采用p r o n y 方法实现对误差指标的计算。文献 6 6 】提出了稳定性、 极值和均值3 中仿真误差指标并应用于山东电网的仿真验证中。文献 6 7 提出了基 4 华北电力大学博士学位论文 于相似理论的数值仿真误差指标。 针对仿真误差溯源的研究也取得了极大的进展。文献 6 5 1 提出了基于w a m s 的 分层、分块解耦策略的模型参数校正思想，并给出了基于分块解耦策略的p m u 优 化配置方案，但该文并未提出分层、分块解耦的实现手段，更没能基于分层、分块 解耦策略实现对系统的解耦。文献【6 8 】基于p s s e 电力系统仿真软件初步实现了分 块解耦思想，利用p s s e 提供的i p l a n 语言实现了基于w a m s 实测数据的系统解 耦。但该文未能提出对解耦后的子系统进行误差溯源的有效方法。文献 6 9 【7 0 】提出 了一种基于混合动态仿真的电力系统模型参数校正思想，将p m u 实测数据与数值 仿真模型参数结合起来进行仿真，避免了对不关心的外部系统的建模和参数辨识。 文献 6 9 提出了基于移相变压器法的混合动态仿真方法，实现对仿真系统的解耦。 文献【7 0 提出了基于快速响应发电机法的混合动态仿真方法，并通过算例验证了该 方法的有效性。文献【6 7 提出了基于变阻抗法的混合动态仿真思想，并通过算例验 证了该方法的有效性。 文献【5 4 】【5 5 】提出一种基于轨迹灵敏度的参数校正方法，并将该方法应用于北欧 电网的模型参数校正中。但该方法并未深入分析w a m s 量测数据蕴含的系统动态特 征，需对系统中所有参数进行轨迹灵敏度的分析，计算代价大，对大规模电力系统 的参数校正难以实现。 电力系统本质上是一个高维非线性的动态系统，且参数之间相互耦合紧密，当 数值仿真结果与实测之间存在较大偏差时，数值仿真可信度研究面临以下困难： 1 ) 如何能够准确获取电力系统的动态特征，并基于动态特征评估数值仿真的 可信度是数值仿真可信度研究的基础。 2 ) 电力系统元件及参数众多，如何基于实测与仿真的误差实现对误差源的准 确定位是仿真可信度研究的重点。 3 ) 如何采用有效的方法实现对误差参数的有效辨识，使得仿真与实测相吻合。 4 ) 仿真验证工作代价太大，急需开发高效工具软件减小仿真验证的代价，提 高仿真验证的效率。 1 3 轨迹灵敏度研究及其在电力系统动态分析中的应用现状 轨迹灵敏度是反映系统中某一参数、结构发生微小变化时动态轨迹的变化程 度。用已知参数的动态响应轨迹及其轨迹灵敏度可以求得当参数有微小变化时系统 的动态轨迹，从而大大减少仿真计算量。由于轨迹灵敏度的能够充分揭示电力系统 第一章绪论 动态行为机理，因此被广泛应用于电力系统动态分析的各个领域。 1 3 1 轨迹灵敏度计算方法的研究 轨迹灵敏度是建立在电力系统模型参数基础上的，其计算模型为一组变系数微 分代数方程组，通常是基于其计算模型进行数值积分获得轨迹灵敏度，对于复杂电 力系统，该方法计算代价较大，且轨迹灵敏度的计算精度依赖于模型和参数的有效 性。由于轨迹灵敏度在电力系统动态分析中的广泛应用，因此对其计算方法的改进 也吸引了广泛的关注，许多研究者基于不同的应用目的提出了改进的轨迹灵敏度算 法，并应用于电力系统动态分析中，取得了较好的效果。 文献【7 1 】给出了连续动态系统轨迹灵敏度的计算模型，提出了一种交替修正的 方法求解轨迹灵敏度。文献 7 2 提出了一种轨迹灵敏度计算方法，解决了参数奇异 点处的轨迹灵敏度计算问题，文献 7 3 】提出了一种变参数的轨迹灵敏度计算方法。 文献 7 4 】提出了一种基于伴随方程的轨迹灵敏度计算方法。文献 7 5 】提出了一种受 控代数一一微分系统的灵敏度计算方法，并将其应用于电力系统紧急控制。文献 7 6 】 在应用数学领域推导了混杂离散的非线性系统的轨迹灵敏度的计算模型，为混杂系 统的轨迹灵敏度计算提供了理论基础，文中作者还提出了混杂系统轨迹灵敏度计算 的方法，即将轨迹灵敏度计算模型和电力系统仿真模型结合，采用数值积分求取电 力系统的受扰轨迹和轨迹灵敏度。 以上的研究虽然从不同的角度定义了新的轨迹灵敏度计算方法，但轨迹灵敏度 的获取并未脱离电力系统模型，因此难以避免模型和参数误差对轨迹灵敏度精度的 影响。 由于w a m s 的快速发展，越来越多的电力系统受扰轨迹被记录下来。轨迹中蕴 含了丰富的动态信息，其中不但包括电力系统的动态特征，可能也包括轨迹灵敏度 的信息。文献 7 7 首次分析了轨迹灵敏度与轨迹之间的物理联系，出了基于轨迹计 算轨迹灵敏度的卷积法，采用轨迹直接获取轨迹灵敏度，从而避免了轨迹灵敏度计 算对模型的依赖。但是该文仅在单机系统中分析了轨迹与轨迹灵敏度的关系，并未 深入分析复杂电力系统中轨迹与轨迹灵敏度的关系，从而未能给出复杂电力系统中 基于轨迹计算轨迹灵敏度的有效方法，影响了该方法在电力系统动态分析中的应 用。 1 3 2 轨迹灵敏度在电力系统动态安全分析中的应用 轨迹灵敏度在电力系统动态分析中的应用十分广泛。在电力系统稳定分析方 面，文献 7 8 给出了基于能量函数法的稳定裕度灵敏度计算方法。文献 7 9 】给出了 6 华北电力大学博士学位论文 结构保持模型下参量变化时的稳定裕度灵敏度计算方法，并基于灵敏度给出运行人 员关心的安全信息。文献 8 0 】推导了单机能量函数下的轨迹灵敏度解析公式，实现 对轨迹灵敏度和暂态稳定极限的快速计算。文献【8 1 】提出了安全裕度相对于机械功 率的灵敏度，并基于灵敏度对发电机进行重新优化组合实现对电力系统的安全控 制。文献 8 2 】结合时域仿真提出了加速面积、减速面积以及减速功率对网络节点有 功、无功及变压器变比的灵敏度分析方法。研究了在电网结构保持模型中能量裕度 灵敏度分析方法。文献【8 3 】将研究了计及综合负荷时暂念稳定裕度灵敏度的分析方 法。文献f 8 4 1 计算了修正能量函数相对于故障切除时间的灵敏度，并基于轨迹灵敏 度外推得到系统的极限切除时间，摆脱了对模型的限制。文献 8 5 1 8 6 提出了采用轨 迹灵敏度的电力系统动态安全评估方法，通过分析不同运行方式下轨迹对参数的灵 敏度差异评估系统的动态安全。文献 8 7 提出了运行状态与控制目标之间的距离指 标，并给出了距离指标相对于运行参数的灵敏度，基于灵敏度事先对电力系统的安 全控制。文献 8 8 提出了基于轨迹灵敏度的紧急控制地点选择方法。文献【8 9 】基于轨