（电路与系统专业论文）基于CIM的电网动态等值及信息交换模型的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力工业的发展迫切需要建立开放的、标准化的能量管理系统( e m s ) 以及其它电 力控制中心系统与应用，国际电工委员会的i e c6 1 9 7 0e m s - a p i 系列标准即为实现这一 目标而制定。该系列标准的核心内容是提出一个公共信息模型( c i m ) 和一组公共服务， 简化了不同能量管理系统以及其它电力控制中心系统和应用之间的信息交换，从而提高 了互操作性。本文研究的基于c i m 的电网动态等值就是遵从i e c 6 1 9 7 0 标准的能量管理 系统中的一个动态等值应用。信息交换模型是在该标准的框架中应用组件的标准化信息 交换( 会话) 的描述，即传递什么消息以及用什么服务来传递这些消息。本文对信息交 换模型的研究主要依据对动态等值应用的分析，试探性地提出动态等值应用的信息交换 模型方案。 本文对基于c i m 的电网动态等值研究分为两部分：对动态等值方法的研究和动态 等值应用与遵从i e c 6 1 9 7 0 标准的能量管理系统的数据交换的研究。在动态等值方法的 研究中，首先介绍了动态等值的发展历史和现状。然后详细描述了本文所采用的基于同 调的动态等值的原理和实现步骤，针对其中的同调发电机群的划分，本文提出了一种新 的基于规则的方法，把人工计算经验与数学分析结果有机结合，提高了程序的自动化程 度。在研究基于c i m 的动态等值应用数据交换中，首先介绍了i e c 6 1 9 7 0 系列标准的内 容框架，详细介绍了其中与数据交换关系较密切的组件接口规范部分，而后，本文从分 析动态等值应用的数据需求入手，将其用于交换的数据用标准的c i m 来表述并给出了 实现数据交换的方法。 在对信息交换模型的研究过程中，本文介绍了i e c 6 1 9 7 0 标准中对于信息交换模型 的描述，而后确定采用1 e m 进行数据交换的能量管理系统架构，并以此架构为基础展 开动态等值应用i e m 的研究。通过对动态等值应用的功能和运行场景的分析，本文抽 取出信息交换所涉及的公共对话和所交换的消息类型，对每个消息给出了消息格式和实 现方法，所有这些内容可以作为动态等值应用i e m 规范的原型。本文的相关研究结论 可以作为形成i e m 规范草稿的参考性内容。 最后简要介绍了本文研究过程中所开发的动态等值应用程序d e q u i 。 关键词 电力系统动态等值规则推理i e c 6 1 9 7 0 公用信息模型信息交换模型 山东犬学硕士学位论文 ar e s e a r c ho nc i m - b a s e dd y n a m i ce q u i v a l e n c ea n d i n f o r m a t l 0 ne x c h _ a n g em o d e l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y , t h en e e dt oc o n s t r u c tam o r eo p e na n d s t a n d a r d i z e de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) b e c o m eu r g e n t f o rt h i s p u r p o s e ，t h e i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) h a sd e v e l o p e das e r i e so fs t a n d a r d s ，w h i c h a r et e r m e da si e c 6 1 9 7 0 t h es t a n d a r d sh a v ei n t r o d u c e dac o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) a n dac o l l e c t i o no fc o m m o ns e r v i c e s j 强es t a n d a r d sh a v ef a c i l i t a t e d 曲ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e b e t w e e nd i f i e r e n te m sa n do t h e rp o w e rc o n 扛o lc e n t r es y s t e m s a p p l i c a t i o n s a n dt h u sh a v e i m p r o v e dt h ei n t e r o p e r a b i l i t y 弧ed y n a m i ce q u i v a l e n c eb a s e do nc i mi sa na p p l i c a t i o ni nt h e e m sc o m p l i a n t 、v i t l li e c 6 1 9 7 0 i e m ，w h i c hm e a n si n f o r m a t i o ne x c h a n g em o d e l i st h e d e s c r i p t i o no fs t a n d a r d i z e di n f o r m a t i o ne x c h a n g e ( s e s s i o n ) i n c l u d i n gw h a tm e s s a g e sa r e t r a n s m i t t e da n dw h a tk i n ds e r v i c e sa r ee m p l o y e df o rt h et r a n s m i s s i o n n 他r e s e a r c ho f fr e mi n t h i st h e s i si sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i ce q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o n ，a n dat r i a li e m s o l u t i o nf o rd y n a m i ce q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o nw i l lb ep r o p o s e d t h er e s e a r c ho nd y n a m i ce q u i v a l e n c eb a s e do nc i mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h em e t h o d s t l s e di nd y n a m i ce q u i v a l e n c ea n dt h es o l u t i o no fi n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nd y n a m i c e q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o na n dt h ee m sc o m p l i a n tw i t hi e c6 1 9 7 0 i nt h ef i r s tp a r t , t h e r ei sa l l i n t r o d u c t i o nt ot h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u so ft h ed y n a m i ca l g o r i t h m s t h e nad e t a i l e d d e s c r i p t i o no f t h ec o h e r e n c e b a s e dd y n a m i ce q u i v a l e n c e i sp r o p o s e d ，i n c l u d i n gi t st h e o r ya n d i m p l e m e n t i n gs t e p s f o rt h es t e po fg r o u p i n gc o h e r e n tg e n e r a t o r s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sa n e w m e t h o db a s e do nr u l e s ，w h i c hc a ni n c r e a s et h ed e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o nb yc o n s i d e r i n g c a l c u l a t i o ne x p e r i e n c e i nt h es e c o n dp a r t ，t h ec o n t e n t so fi e c6 1 9 7 0s t a n d a r d sw i i ib e s u m m a r i l yp r e s e n t e d ，a m o n gw h i c hc o m p o n e n ti n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n i s e s p e c i a l l y i m p o a a n t t h e nad e s c f i p f i o no ft h ed a t ae x c h a n g e db yd y n a m i ce q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o nw i l l b eg i v e n w h i c hi si nn o r m a l i z e dc i m ，n l ei m p l e m e n t a t i o no fd a t ae x c h a n g e si sa l , s o m e n t i o n e d n l ed e f i n i t i o n sa n dd e s c r i p t i o n so fi e mi nt h ei e c 6 1 9 7 08 r eg i v e na tt h eb e g i n n i n go f t h ei e mp a r ti nt h i st h e s i s t h e na na f c h i t e c t u r eo fe m sw i t hi e mm e c h a n i s mi si n 廿o d u c e d a st h eb a s eo fs t u d yo ni r e m t h r o u g ha n a l y s i so ff u n c t i o n sa n du s ec a s eo fd y n a m i c e q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o n ，c o m m o nd i a l o g su s e di nt h ep r o c e s so f d a t ae x c h a n g ea r ed e f i n e d ，a s w e l la st h em e s s a g e st y p e si ne a c hd i a l o g f o re a c ho ft h e s em e s s a g et y p e st h e r ew i l lb e d e t a i l e dm e s s a g ef o r m a ta n di m p l e m e n t i n gm e t h o d ，a n da l lo ft h e s ec a nb et h ep r o t ot y p eo f i e ms p e c i f i c a t i o n t l er e s e a r c ho ni e mi nt h i st h e s i si sp a t h b r e a k i n ga n dt h es o l u t i o nc a nb e ar e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p i n go fi e ms p e c i f i c a t i o n sd r a f t a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，a ni n t r o d u c t i o nt od e q u lw i l lb eg i v e n ，w h i c hi saw o r k a b l e d y n a m i ce q u i v a l e n c ea p p l i c a t i o nd e v e l o p e dd u r i n gt h er e s e a r c ho f t h i st h e s i s k e y w o r d ： i i p o w e rs y s t e m ，d y n a m i ce q u i v a l e n c e ，r e a s o n i n go f r u l e s ，i e c6 1 9 7 0 ，c i m ，i e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名 日期： 关于学位论文使甩授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日 期： 山东大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 随着现代电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大，主要表现为多机、大电 网、交直流联合输电和大区域联网运行。当进行电力系统实时仿真或者进行在线安全性 分析时，由于仿真规模和计算能力的限制，必须对原有的系统做合理的简化后才能进行 。实际上，对一个大电力系统的动态性能研究一般只对其中的某一个区域感兴趣，该 区域被称为研究系统，也称内部系统；与研究系统相距较远的区域，研究中只要计及其 对研究区域的影响，内部不必详细描述，因而往往可以做降阶( 降维) 简化以提高效率， 这些可以化简的区域被称为外部系统。这种保留研究区域不变、对外部区域在保证其对 研究系统的动态影响不畸变的条件下进行简化的过程称为动态等值。 历史上，最初的动态等值主要依赖于经验和主观判断，方法较粗糙，精度问题较大， 甚至可能使研究系统的动态特征畸变，而且所用的方法不通用、不系统化，理论上不严 格1 2 j 。因此，迫切要求有一个系统化的工程上简单有效的方法进行动态等值，这种动态 等值方法应对经验的依赖性小，等值过程所需要的人力以及计算机时间和内存很少，等 值后的系统能反映原系统的主要特征，有良好的动态等值精度，结构简单，易于分析。 现代动态等值方法与对系统进行何类物理问题的研究有关系，一般有如下三种情况 2 】： 1 大规模电力系统离线暂态( 大扰动) 稳定分析 其特点是系统结构及参数已知，要分析大扰动下的系统暂态过程，系统呈强非线性。 其对动态等值的要求是研究系统在同一扰动下，等值前后应有接近的转子摇摆曲线。适 应该情况的等值法有同调( c o h e r e n c y b a s e d ) 等值法。 2 大规模电力系统的离线动态( 小扰动) 稳定分析 其特点是系统结构参数已知，在小扰动下，系统可用线性化微分方程描述。对动态 等值的要求是研究系统在等值前后应有接近的模式( m o d e s ) 及模态( m o d es h a p e s ) 分 布。适应该情况的等值法为基于线性化系统状态方程的模式等值法。 3 大规模电力系统在线动态安全分析 其特点是系统状态多变、结构多变，但有大量实测量。对动态等值的要求是：快速 对外部系统进行辨识等值，以便对研究系统作动态安全分析，并应保证研究系统在等值 前后有接近的动态安全分析结果。适应该情况的等值法为估计等值法。 山东大学硕士学位论文 本文主要关心的是适应电力系统暂态稳定分析的等值方法，即基于同调的动态等值 方法。同调等值法的优点是：物理透明度大、等值系统元件模型均为实际电力系统元件 模型，可直接用于暂态稳定分析、适应系统的非线性和大扰动、可适用于大规模系统等 值、动态等值精度控制方便等：它的缺点是：同调机群的划分和扰动发生的地点、类型 等因素有关、网络化简、移相变压器的消去对动态等值过程会带来定误差、同调发电 机聚合较复杂且有一定的拟合误差i l 】。 为了开发基于c i m 的动态等值应用，将在第2 章介绍同调等值法的基本原理和计 算步骤，在第3 章介绍对这种等值方法中的同调机群划分步骤提出的改进方法，在第4 章将介绍动态等值程序与c i m 的集成，即动态等值程序如何从基于c i m 的能量管理系 统中输入计算数据并输出计算结果。 c i m 是i e c6 1 9 7 0e m s a p i 标准的核心内容，它提供了e m s 信息的一个综合的逻 辑视图。c i m 是一个抽象模型，它描述了各种应用涉及到的电力系统中的主要对象。这 一模型包括描述这些对象的公用类和属性以及它们之间的关系。动态等值作为个e m s 高层应用，其所需要的数据，如电网模型、发电机模型参数等信息都可以用c i m 描述。 把用c 1 m 表示的信息转换成动态等值计算所需要的数据表示方式，进行等值化简，并 把化简后的网络再用c i m 的方式加以描述作为输出，这就是基于c i m 的动态等值的含 义。这是遵从i e c 6 1 9 7 0 标准的能量管理系统中的一个应用。 信息交换模型( i e m ) 是在i e c6 1 9 7 0 标准框架中应用，组件的标准化信息交换( 会 话) 的描述，即传递什么消息以及用什么服务来传递这些消息。目前i e c6 1 9 7 0 标准草 稿对i e m 的讨论还是很初步的。本文对信息交换模型的研究主要依据对动态等值应用 的分析，试探性地提出动态等值应用的信息交换模型方案，即动态等值应用如何通过 i e m 的方式来发布计算结果。这是本文的第二个研究内容。 l 2 动态等值研究历史与现状i i j i 引 国际上，关于动态等值的分析研究，最早开始于上世纪六十年代后半期。当时的方 法认为系统中一些节点的振荡特性不受系统中某些区域的扰动的影响，因而可被消去。 由于确定这些不受干扰的节点很困难，再加上使用等值方程的状态矩阵必须修改原来的 稳定仿真程序，因此这种方法并没有得到应用。 上世纪七十年代，美国电力研究院( e p r i ) 基于同调概念开发出一种新方法，相应 程序称作d y n e q e 。在该程序中，同调的判别是根据暂态稳定时域仿真所得的转子摇 摆曲线进行的，这一方法得到一定应用。但是在应用过程中发现，同调机群的判别受扰 2 山东大学硕士学位论文 动地点距边界节点距离远近的影响非常大。 八十年代早期，基于奇异摄动理论( s i n g u l a rp e r t u r b a t i o nt h e o r y ) 的慢同调技术被开 发出来，并应用于同调机群的判别和动态等值的建立。这项技术综合了模态分析和同调 分析来确定同调发电机组，并保留了必要的低频互连节点。近几年，这些技术有了进一 步的发展。 1 9 9 3 年，o n t a r i o 美国水电局开发了一个新的动态等值程序，称为d y n r e d ，它综 合了d y n e q 和慢同调技术的优点。1 9 9 3 年后半年，g e p s e d 又联合r p i 、n y p p 和 p o w e r t e c hl a b s 开始了对d y n r e d 的进一步完善工作。 近几年电力系统动态等值又有了一些新的进展。例如建立了一种传统发电机模型聚 合的改进方法，还引入一种综合了慢同调和摸态等值的s m e 方法。但是，对于简化技 术的特性还没有一个全面的评估，模型简化过程还有待迸一步探索和建立。 在同调等值研究历史中，美国的s c i 曾在e p r l 支持下，与2 0 世纪7 0 年代中期完 成了两项研究工作，其中之一代号为r p 9 0 - 4 ，是1 9 7 5 年完成的“用于暂态稳定研究的 基于同调判别的动态等值”，它根据暂态稳定时域仿真所得的转子摇摆曲线判别同调， 但在发电机母线聚合、网络化简及同调机动态聚合方面取得了成果。另一个项目代号为 r p 7 6 3 ，是1 9 7 7 年完成的“用于暂态稳定研究的动态等值”，其特点是通过对简化的线 性化系统模型加大扰动，计算转予摇摆曲线，并据此判别同调机群，从而不再需要先对 原系统做暂态稳定时域仿真，可以大大节省时间，使动态等值可在小型计算机上实现， 并仍具有良好的同调机组判别精度。在上述两项研究基础上开发的通用软件在美国东部 系统及美国西部系统上实验结果良好。该软件除了独立使用外，还进入了e p r i 的中期 稳定程序，作系统等值简化用。 国内来说，八十年代初，中国电科院等一姥科研单位和大学，就己对等值方法进行 了研究和开发。中国电科院在综合稳定分析程序中，开发和实现了e 和e 恒定模型的 动态等值程序。从1 9 9 0 年开始，在有关部门和单位的支持下，中国电科院和清华大学 合作，又对电力系统等值领域进行了进一步研究，形成了与中国舨b p a 程序接口的电 力系统动态等值程序( p s d e p1 0 版) 。该动态等值程序的输入和输出数据格式能够和目 前电力系统生产、运行、设计和科研部门普遍采用的中国版b p a 电力系统分析程序( 电 力系统潮流和暂态稳定分析程序) 相兼容，等值后的网络数据即可直接用于潮流和稳定 的计算分析，为用户提供了极大的方便性。该程序与中国版b p a 程序中已具有的静态 等值程序有所不同，除具有中国版b p a 静态等值程序的方便性和灵活性外，还能够对 山东大学硕士学位论文 发电机参数及其调节系统的参数进行动态等值。经过几年时间推广和应用，该程序在一 些重要工程项目中发挥了很大的作用，已有十余个用户移植和应用了动态等值程序。1 0 版电力系统动态等值程序建立等值发电机模型时，认为等值机组一般距所研究的系统电 气距离较远，所以等值机组采用四阶实用模型。但在实际应用过程中，由于受物理模型 规模的限制，等值机组也有可能距所研究的系统电气距离较近，如果不考虑等值机组的 次暂态参数，等值机组附近母线的短路电流、暂态及动态过程难以与原始网保持致， 等值的精度不尽如意。1 9 9 7 年3 月，在原电力工业部科技司支持下，电科院系统所承担 了电力行业青年科技促进项目之一等值机组具有次暂态模型的电力系统动态等值程 序，形成了与中国版b p a 程序接口的2 0 版电力系统动态等值程序。 1 3i e c 619 7 0 标准与c i m 3 4 i e c ( 国际电工委员会) 是一个全球性的标准化组织，由各国电工委员会组成( i e c 国家委员会) 。i e c 的目标是就电工与电子领域内有关的各种标准化问题促成国际间的 合作。i e c 第5 7 技术委员会第1 3 工作组( i e ct c 5 7w g l 3 ) 制订的i e c6 1 9 7 0 系列标 准定义了能量管理系统的应用程序接口( e m s a p i ) ，该标准的工作基础是美国电力研 究院( e p r i ) 控制中心应用程序接口( c c a p i ) 研究项目( r p 3 6 5 4 1 ) 的工作。e p r i c c a p i 项目的主要目标是： 减少向能量管理系统或其它系统添加个应用程序所需要的费用和时间； 保护对能量管理系统系统中正在有效工作的现有应用程序的投资； 提高控制中心内外不同系统之间进行信息交换的能力。 为实现这一目标所采用的技术方法就是提供一个集成框架来把现有的应用系统互 联，这个系统要求： 建立在公用的架构和信息模型基础之上； 独立于底层的实现技术。 i e c6 1 9 7 0e m $ 一a p i 系列标准分为五个部分，分别为： p a r tl ：导则和一般需求 p a r t2 ：词汇表 p a r t3 x x ：公共信息模型( c i m ) p a r t4 x x ：组件接口规范( c i s ) p a r t5 x x ：c i s 技术映射 山东大学硕士学位论文 i e ce m s - a p i 标准促进了不同厂商独立开发的各种e m s 应用程序的集成、各自开 发的完整的e m s 系统之间的集成或者e m s 系统和发电、输电和配电等系统之间的集成。 有了标准的应用程序接口，就可以实现原本不兼容的各种应用程序之间的信息共享，这 些接口使得应用程序或系统能够访问公用数据和交换信息，而与信息在内部如何表示无 关。c i m 和c i s 分别为这一标准定义了语义和语法，即c i m 定义了公共的信息模型， 使参与信息交换的各方对信息的内涵有一致的理解，而c i s 则为交换信息过程定义了统 一的应用程序接口规范。 c i m 是i e ce m s a p i 标准的核心，它定义了电力系统模型基本数据结构，描绘了 典型情况下e m s 模型中所包含的电力系统中所有的主要对象。这一模型包含这些对象 的公用类、属性以及它们之间的关系。c i m 使用面向对象建模技术来定义，而且使用了 统一建模语言( u m l ) 表示法，特别是整个c 1 m 可使用r a t i o n a l 软件公司的r a t i o n a lr o s e 来构造，作为一个模型文件存在，可以在r a t i o n a lr o s e 环境中通过图形化的浏览界面 非常方便地查看所有的c i m 数据。为了便于设计和浏览，c i m 分为多个包，这些包没 有语义意义，只是将相关模型元件分组的方法。实体的关联可以跨越多个包，每个应用 程序也可能会使用多个包中所表示的信息。 c i s 规定组件( 或者应用) 为了能够以一种标准方式和其它组件交换信息和访问公 共数据而应该实现的各种接口，这些组件接口描述了可以被应用程序用于此目的的特定 的事件、方法和性质。i e c 6 1 9 7 0 中的4 0 1 4 4 9 部分定义并描述了公共的服务接口，这 些接口的定义主要引用了工业界其它的一些数据访问接口标准，这部分内容本文将在第 4 章简要介绍。标准的4 5 0 4 9 9 部分是关于i e m 的内容，给出了适合特定的应用应用 类别用于交换信息的信息模型，本文的第5 章将详细介绍m m 的内容。 1 4 本文的选题背景和意义 电力系统动态等值的基本概念和理论形成已久，并且已有长足的发展，但目前在国 内的电力系统自动化系统中应并不普及。在电力行业的信息化进程中，构建符合国际标 准的新型能量管理系统已经成为发展趋势。新一代系统研究过程中，如何保护在这个领 域的已有投资、充分发挥已有的应用程序的潜力是必须面临的问题。正是在这种背景下， 本文选择了基于c i m 的动态等值程序和信息交换模型作为研究课题。 本文希望通过研究和实践工作，总结和比较已有理论，并力争有所突破，同时把理 论研究的成果实际应用于实践，开发出符合国际标准的切实可用的外网等值应用程序， 因而在应用上具有重要的意义。而有关电力系统应用信息交换模型的国际标准，目前还 山东大学硕士学位论文 处于探索性阶段，因而对该问题的研究具有较大的前瞻性，可以让我们更加积极的参与 到国际标准的发展中去，具有一定的意义。 1 5论文的主要工作 本文作者在论文期间所做的主要工作有总结现有的动态等值算法，选择基于同调识 别的动态等值算法加以实现，提出了一种基于规则推理的方法来实现同调机组的划分， 使同调机群的划分更灵活；研究i e c6 1 9 7 0e m s a p i 有关标准，设计动态等值应用与 c i ms e r v e r 的数据交互，并设计这一应用的信息交换模型。具体说论文期间所做的工作 主要有： 查阅近年来国内外相关文献，理解动态等值原理，熟悉现有各种程序的等值 方法； 采用实验的方法确定扰动大小对动态等值结果的影响； 确定采用基于同调的动态等值方法，编写程序实现动态等值中的同调识别和 网络化筒部分，发电机参数聚合采用简单的方法； 提出基于规则的同调机群划分方法并实际应用于程序，把专家计算经验和程 序自动判别相结合； 准备i e e e 3 9 实验计算模型，验证动态等值程序的计算效果； 查阅c i m 相关资料，设计动态等值程序与基于c 1 m 的数据库之间的数据交 互： 研究i e m 相关资料，分析动态等值应用计算结果发布过程的特点，设计适 用的信息交换模型。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章同调法动态等值的基本原理 2 1 引言 电力系统可以根据研究的范围划分为研究系统和外部系统。当在研究系统旋加扰动 时，外部系统中会有一些发电机的转子角曲线( 也成摇摆曲线) 相似或相同，这种现象 叫同调，这些发电机称作同调机群。依据同调机群的动态特性的相似，可以把它们进行 合并，用一台等值的发电机来代替，从而降低了外部区域的方程维数，达到了网络化简 的目的。这种进行电网动态化简的方法称为基于同调的动态等值，简称同调等值。 同调等值法分为以下步骤： 1 划分研究区域( 或系统) 和外部区域( 系统) ，判别外部区域的同调发电机群； 2 同调发电机母线化简，网络化简； 3 同调发电机动态聚合，得到等值机参数。 上述的各个步骤，都有不同的方法可以选用，下面依次介绍同调等值的各个步骤中 可用的方法。 2 1 1 同调机群的判别方法 w e a kl i n k s ( 若耦合) ：通过分析方程量= a x 的状态阵a 中发电机间的耦合情 况判同调，若耦合系数很高则为同调； l i n e r t i m es i m u l a t i o n ( 线性仿真法) ：这是一种传统方法，在仿真时间f ot 】内， 若两台机的相对转角偏差在任何时刻都不大于一个给定的标准占陋 o ) ，剐判这 两台机在时间段f 内为同调； t w o t i m e - s c a l ef o rg e n e r a t o ro n l y ( t s ) ：该法基于这样的概念，即：低频震荡的原 因是两组具有很强同调性的发电机之具有很弱的联系。若计算，则可用于震荡 节点相关的特征向量判别两振荡的发电机群。据此，通过分析振荡最慢的节点 可将系统分成与这些振荡最慢的节点数目相同的同调机群； t o l e r a n c e - b a s es l o wc o h e r e n c y ：与t s 法很近，但是该法新增了一些限制条件以 确保相隔很远的发电机不被判做同调； u s e r - s u p p l i e dg r o u p i n g ：即手工判别同调组。 在理论上，同调机群的划分有以上多种方法，但在实际应用中，同调识别方法的选 择对降阶模型的动态行为影响不明显。 7 山东大学硕士学位论文 2 1 2 同调机群的聚合算法 w e i g h t e d a v e r a g em e t h o d 传统的加权平均法； t e r m i n a l b u sm e t h o d ：由p o d m o r e 提出的终端母线聚合算法，即d y n e q 中使用 的算法 i n t e m a l - n o d em e t h o d ：内部节点法； i m p e d a n c e c o m p e n s a t e dm e t h o d ：补偿阻抗法。 2 1 3 聚合过程发电机模型的选择 经典模型：同调机群发电机用一台等值经典发电机模型替代； 详细模型：如果在一个同调机群中，一些或者所有发电机具有相似的控制系统， 就可以聚合为一个详细的发电机模型，并具有等值励磁机、稳定器、调速器。 等值模型参数通过两种方法获得：基于频率响应的优化法确定线性特性；时域 限制的估计确定非线性特性。 2 1 4 网络化简 对不同的系统状况可采用不同的网络化简方案。化简过程大致可分为两步：第一步： 等值发电机接入系统，移走相应的同调机群，修正网络，以保持稳态潮流的平衡；第二 步：用降阶技术化简网络，自动确定需要消去的母线。 2 1 5 本文研究过程中使用的方法 本文各步骤均采用简单的算法：同调机群的识别采用状态空间同调识别方法，后文 将有详细叙述；同调机群的划分采用本文提出的基于规则的推理划分方法；等值发电机 模型采用经典模型，聚合方法采用加权平均法；网络化筒采用简单的w a r d 负荷化简方 法。 2 2 状态空问法同调机群识别的原理 2 2 1 同调发电机的定义 当电力系统受到扰动后，一些发电机的转子角拥有几乎相同的波形，因此我们定义 同调如下：如果发电机f 和- ，的转子角在时间，0 内满足谚一占，等于常量，或者等同的 4 一4 = 0 ，则它们是同调的。如果转子角的波形在时间段【o ，f 】内相近但不相同， 我们称之为“几乎”同调。为了更精确地描述，引入如下的定义【1 ： 定义：如果发电机i ，满足 山东大学硕士学位论文 m a x l , 5 j ，( f ) 一万，o ) j s ，s 0 r 【o ，r 】( 2 2 - 1 ) 则发电机i 和，是s 一同调的：类似地，如果一群发电机彼此之间是同调的，则这 群发电机是同调发电机群。式中8 1 ( t ) 为t 时刻发电机i 的转子角。如果式中s = o ，发电 机是完全同调的；如果r 0 ，则发电机是s 一同调的，通常取c 为6 。2 0 。 2 2 2 同调分析的数学模型 为了快速正确的判别同调机组，通常作如下基本假设并对系统元件作必要的简化， 这些假设为f 2 】： 同调机群的划分应与扰动大小无关，从而可以把系统线性化，化为增量形式 的方程组表示，用它的动态行为判断同调； 同调机群的划分与发电单元的细节描述无关，故同调判别时发电机可用经典 二阶模型来描述，忽略励磁系统和原动机一调速器的动态特性： 同调机群的划分与负荷模型关系较小，故同诵判别时负荷化为等值阻抗描 述，并入导纳矩阵； 设系统有高x r 比值，从而有功与无功潮流可近似解耦计算。 在这些假设的基础上，系统可以大大地简化，有利于快速作同调机组判别，并仍能 满足正确性的要求。假设( 4 ) 满足电力系统计算经验，假设( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 是以暂 态稳定计算经验为基础的，本论文在研究过程通过实验方式专门研究这些假设对发电机 组同调特性的影响，证明这些假设是合理的。 依据上述假设，对发电机、电网和扰动分别建模如下： 1 发电机建模 发电机采用经典同步发电机模型，即发电机用暂态电抗后的恒定电势来表示，这时 电机的模型可只用其转子运动方程来表示： m j 警吨一p c , 一d i ( q _ 1 ) ( 2 2 2 ) 警= 2 n f o ( o j , _ 1 ) ( 2 2 3 ) 将以上两方程线性化，假定原动机功率保持不变，即峨，= 0 ，这时经线性化 可以得出 d o j 脚= a p g i d i a c o i ( 2 2 4 ) 讲 9 为 等= 2 矾蛔 ( 2 2 5 ) 式中： i 一一第i 台发电机的下标 4 一一偏离初始值的增量 m 一喷性时间常数( 秒) u 一一转子角速度( 弧度秒) 万 一一转子角度( 弧度) d 一一阻尼系数( 1 ( 弧度秒) ) 而 一一同步频率( 赫兹) 一电气输出功率( 标么值) f一一时间( 秒) 2 网络方程 当复电压变化时，在网络中发电机母线和负荷母线的注入功率可用雅可比矩阵表示 a p o a 丘 o g q 。 a p 。 a 万 8 pl a 万 8 q 。 a 6 o o 。 8 6 8 pg a 曰 a p l a 目 a q 。 a 8 o o 。 a 曰 a p 。 a e 8 pl a e a q 。 a e a q 。 8 e a pg a y a p 。 a 矿 a q 。 a 矿 a q 。 a 矿 j 占 e y 网络中的负荷的功率可以表示为母线电压的函数 昂= a o + a 1 y + a 2 v 2 ( 2 2 7 a ) o ，= 丑o + 蜀y + b 2 矿2( 2 2 7 b ) 式中p p ，q r 是依从于电压的有功功率和无功功率。 考虑到对于x r 比值高的输电系统，有功功率和无功功率之间所具有的关系可以去 耦。有功功率的变化主要依从于电压角，母线上电压模值变化的可以用取方程( 2 2 6 ) 中的和电压模值变化有关的项为零的方式予以忽略。此外，由于发电机暂态电抗的电压 是恒定的，因此，方程可以简化为 l a 外p 除钏l a 胡 z s ， 。jlh t 。 wj 口j 7 1 0 坐查盔兰翌圭堂垡丝壅 式中元素可用事故前稳态运行点的电压幅值和相角正确计算，其元素可表达为： h ，：一业! 竺旦 型 ( 22 胁) = 一一 t z ，口， u 瓦= 善监警：州 式中： m ，口f 一母线i 在稳态运行时的复电压的幅值和相角； 西一母线f 和，间的电抗。 在进一步简化时，我们可以假设平直的电压分布，即电压模值为1 、相角为零，这 对应于在无载运行点附近线性化系统。在这种情况下，其元素为 h 。= 一二 x h 一2 毛击 在正常情况下，注入功率变化量4 r 为零，只在模拟扰动时，才被指定为一定的值。 3 扰动建模 当系统发生故障后，由于保护的动作，通常使得系统甩负荷，发电机跳闸或线路断 开。由前述假设，发电机相关群与扰动大小无关，因此我们认为三相短路后切断线路的 故障切除时间很短，可以忽略不计，所以只考虑三类扰动。 甩负荷 当系统中第，个母线甩负荷时，可在该母线上引入一个注入量来模拟 蝇= 【o 0 l 0 1 r 只( 2 2 1 1 ) 式中1 在第i 个位置上，p f 是甩负荷量。 发电机跳闸 假设系统中第i 台发电机跳闸，它与第k 个负荷母线相连，第i 台发电机跳闸的结 果，我们可以在第k 个负荷母线上引入一个4 尸g j 的量来补偿第i 台发电机跳闸失去的发 电量，4 p g ，即为第f 台发电机的发电功率。这样，发电机跳闸的模拟和甩负荷的模拟是 一样的。 断线 断线同样可以用甩负荷的变化量来模拟，而不改变系统的结构。如图2 1 所示。 d ) o 占 l 0 2 j 2 卫 ( 2 9 、p ；6 3 丁一 e ? 十e i = 8 l 亡 8 ：+ 9 i = e i 净， 。汗二晋1 。 ( a ) 稳态原网( b ) 切线后( c ) w 值模拟 设节点i 、_ ，之间传送功率为彤，线路切除后母线相位分别由卵和够变为b ( f ) 和 p 印) 。可以将断线按图2 1 ( c ) 所示来模拟，认为线路f _ ，未切除，则线路上因此有功 率己( r ) 。在在母线i 和j 处分别注入和引出功率乞0 ) 予以补偿，则对系统其它部分潮 流分布而言，就好像线路i - - j 已经断开。在实际中，由于乃( f ) 难以计算，故近似取弓( r ) 为霹，并认为这一近似不会影响同调机组划分的正确性，从而对于断线可表述为： 嶂= 【o 0 10 0 10 r 掣 ( 2 2 1 2 ) 其中1 和- 1 分别出现在第i 和j 位置，即断线对应的母线。 综上所述，k 个扰动可模拟为 a p 。= e u ( f ) ( 22 1 3 ) 式中，e = k ，e 2 】，当第，个扰动是甩负荷或发电机跳闸时， e j = 【o 0 1 0 o r ，u ( f ) = e ，当第，个扰动是断线时， 巳= 【o 1 一1 o f ，( f ) = 埘。 4 网络状态方程 在方程( 2 2 8 ) 中，将最项移至等号右边得 山东大学硕士学位论文 ：p 6 1 = f ：；_ 1 f 三三1 一f ； 尸。 c ：2 - 一， z = 【占1 52 a j 。a 国l a 国2 a ( 2 9 。】 ( 2 21 6 ) f 三1 1 = 一m 0 一，h ，一2 m ”- 厂1 。d 。 a 厶m 占 + 一h 二。口e “。，c z ：， 中矩阵a 的秩r ( a ) = 2 n 一1 。在文献【1 1 】中所采用的就是这种模型。在相关分析中。如果采 ，= ( 占1 一a 万。) ( 万2 一a j 。) ( a j 。一1 一万。) 0 9 i a 2 a 国。 1 由于式( 2 2 1 5 ) 中，h 7 = 陇 的每一行元素之和为零，所以有： 山东大学硕士学位论文 式中h ”是由日中去掉第玎列得到的，a 6 = 【磊，。最，。瓯 。】。 f二1=二i茹，j7一|l2芝：,：-爹2rtf74d；1+二面云1“c，c：z， 腓( 哪d t k 2 ( 2 2 2 1 ) 1 4 山东大学硕士学位论文 就是对于每一个分段连续的输入信号“( f ) ，系统最小维数的状态响应因子空间。根据线