（电力系统及其自动化专业论文）电力系统综合负荷建模方法的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e t h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e mc o m p o s i t el o a d m o d e u n gm e t h o d m a j o r p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n n a m e m e n g l is i g n a t u r e 皇咀 s u p e r v i s o r p r o f j i a n m i n gy u s i g n a t u r e a b s t r a c t t os t u d y i n go nm o d e me l e c t r i cp o w e rs y s t e m s t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nh a sb e c a m et h em a i n t o o lo ft h ep l a n n i n g o p e r a t i n g c o n t r o la n da n a l y s i so fp o w e rs y s t e m l o a dm o d e lh a sp l a y e d t h em o s ti m p o r t a n tr o l eo nt h ep r e c i s i o na n dc r e d i b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t t h es p e c i a l i s ta l l o v e rt h ew o r l da r ed e v o t i n gt h e i rm i n dt oi t sm o d e l i n gw o r k o w i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f r a n d o mt i m ev a r i a n c e c o m p l e xc o m p o s i t i o n d i s c o n t i n u o u s n e s sa n dn o n l i n e a r i t y t h ea c c u r a t e m a t h e m a t i c sm o d e lo fc o m p o s i t el o a dh a v es t i l ln o tb u i l du p t h em e a s u r e m e m b a s e dl o a d m o d e l i n gm e t h o di su s e di nt h i sp a p e r a tf i r s t t h ep a p e rd i s c u s sb r i e f l yc h o i c eo fl o a dm o d e la n dr e s e a r c ho fp a r a m e t e r s i d e n t i f i c a t i o nm e t h o db ys t u d y i n gb a s i ct h e o r yo ft h em e a s u r e m e n t b a s e dl o a dm o d e l i n g m e t h o d d e s c r i b em e c h a n i s mo ft h e1 0 a dm o d e ls t r u c t u r e so ft h i r d o r d e ri n d u c t i o nm o t o ra n d p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m i nd e t a i l s e c o n d l y i nt h ea r e ao fi d e n t i f i c a t i o nt h e o r yo fa r t i f i c i a ln e r v en e t w o r k a i m i n ga tt h e m u l t i d i m e n s i o n a ln o n l i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t el o a dm o d e l i n g t h ep a p e r p r o p o s eal o a dm o d e l i n gm e t h o db a s e do ng r n n n e u r a ln e t w o r k sw h i c hc o m p a r e sw i t ho t h e r t w ok i n d so ft h ei m p r o v e db p a l g o r i t h m t h ee x e m p l i f i c a t i o no fe m u l a t i o np r o v e st h a tt h en e w a l g o r i t h mh a sq u i c kc o n v e r g e n c er a t e f e wc o m p u t i n gt i m e h i g h e rp r e c i s i o na n ds t r o n g e r n o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i cd e s c r i p t i o na b i l i t y t h em o s td i f f i c u l t yo fl o a dm o d e l sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni st h et i m e v a r i a t i o nc h a r a c t e ro f t h el o a d r e s e a r c h e sd u r i n gt h er e c e n ty e a r ss h o wt h a tt h ec l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i sf o rl o a d c h a r a c t e r i s t i c si st h ee f f e c t u a lw a yo fs o l v i n gt h et i m e v a r i a t i o np r o b l e m b a s e do ns y s t e m a t i c a l s t u d i e so nt h ec l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i so fl o a dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dw i t hr e s u l t so f p r e d e c e s s o r sr e s e a r c ht h i sp a p e rp r o p o s et h ec o m p r e h e n s i v em e t h o d so fi n d u c t i o nm o m r s p a r a m e t e rc l u s t e r i n gc e n t e r t h er e s u l t sp r o v e dt h a ts o m ek i n do fl o a dc o m p o s i t em o d e l p a r a m e t e r so b t a i n e db yt h en e wm e t h o dw a sa b l et ow e l ld e s c r i p ta l ls a m p l e si nt h i sk i n do f l i 摘要 l o a d a st h es a m et i m et h i sm e t h o da l s oh a st h ee x c e l l e n c e so fc l e a rp h y s i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lc o n v e n i e n c e k e yw o r d s p o w e rs y s t e m l o a dm o d e l i n g c o m p o s i t el o a d n e r v en e t w o r k i n d u c t i o nm o t o r 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 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成果 尽我所知 除特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人的研究成果 与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任 论文作者签名 矗牡 即宫年 1月 日 学位论文使用授权声明 本人 匪亟 在导师的指导下创作完成毕业论文 本人已通过论文的答辩 并已经在西安理工大学申请博士 硕士学位 本人作为学位论文著作权拥有者 同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文 学校可以采用影印 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 2 为 教学和科研目的 学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读 浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理 保密的学位论文在解密后 适用本授权说明 一 论文作者签名 年 导师签名 舞t 酗 妒q 年 月31 日 1 前言 1 前言 1 1 选题背景 随着电力系统规模和容量的不断扩张 电力系统安全经济运行的重要性和复杂性愈发 显著地表现出来 安全性和经济性是相互关联又互相矛盾的两个方面 只有充分了认识到 了电力系统的运行规律 才能找到即安全又经济的运行方式 在研究运行中的电力系统动态行为时 由于安全运行的限制和运行状态控制困难等原 因 不可能频繁地通过实验方法来研究其中的规律 对于规划设计中的电力系统 因为实 际系统还没有建立起来 更不可能通过系统实验来得出相应的结论 所以电力系统数字仿 真分析的应用为研究电力系统运行规律提供了一个即经济又方便的手段 目前 数字仿真 已经成为电力系统规划设计 调度运行和分析研究的主要工具 仿真分析的结果与实际电 网的行为越接近 靠仿真得出的规划方案 系统运行方式 紧急控制措施等才能更合理有 效 否则仿真结果过于保守 会造成系统发输电能力不能充分发挥而导致系统资源经济上 的浪费 同时也将造成人们对安全问题的不必要担忧 或者仿真结果过于乐观 会造成规 划建设的不合理以及系统安全运行的稳定性降低 甚至因控制不当而酿成系统崩溃瓦解的 严重后果 可以说仿真结果的准确性对电力系统的安全 可靠 经济运行具有重要的影响 数字仿真所采用的各元件模型以及由其构成的全系统数学模型是仿真准确性的重要 决定因素 负荷模型就是其中之一 在电力系统中负荷一词的含义有多种 而在仿真计算 中使用的负荷模型通常指的是综合负荷模型 它是变电站某一母线下所有电气元件的总 称 其中不仅包括众多的用电设备 还包括配电网络 无功补偿设备和负荷区域的发电厂 等 简称为负荷 长期以来 人们对于系统中的发电机 调速系统 励磁系统 变压器 输电线路等元 件在行为机理和现场实测方面进行了深入研究 提出了适应不同仿真精度要求的数学模 型 而对于作为电力系统中重要元件之 的负荷模型 在缺乏实际负荷模型时 往往使用 比较粗糙的负荷模型 这种粗糙的负荷模型与精确的发电机 调速系统 励磁系统等其它 元件模型显得很不协调 不仅使得精确的其它元件模型难以发挥应有的作用 而且已成为 影响电力系统仿真精度提高的瓶颈 因负荷模型的不准确而得出的过于乐观或悲观的系统 分析结果 可能给电力系统的规划 运行带来不可估量的损失 所以负荷模型是电力系统 的重要组成部分 对电力系统的数字仿真有着重要的影响 1 2 电力系统负荷建模的意义 大量研究结果表明负荷特性对电力系统仿真计算结果具有重要影响 其表现在不同的 负荷特性对电力系统的潮流计算 暂态稳定 小信号动态稳定和电压稳定具有不同程度的 影响 在临界情况下 计算结果可能发生质的变化 1 负荷模型对潮流计算的影响 i e e e 负荷建模工作组1 9 8 8 年在北美电力系统的8 5 个企业调查结果显示 在事故前 西安理工大学硕士学位论文 后的静态潮流计算中 绝大多数采用恒功率负荷模型 仅少数采用功率依电压变化的负荷 模型 仿真计算实践表明 当电网运行条件良好时 节点电压运行于额定值附近 采用 恒功率负荷模型的潮流计算一般不存在收敛性问题 当对于运行条件恶化的电网 列入故 障后断开线路或切除发电机组等 系统电压偏离额定值较大时 采用恒功率负荷模型的潮 流计算则存在收敛性问题 而采用考虑实际负荷功率随电压变化特性的负荷模型时 潮流 计算的收敛性就可以得到改善 1 也就是说 采用恰当的负荷模型能改善潮流的收敛性及 计算精度 2 负荷模型对暂态稳定计算的影响 负荷模型对暂态稳定计算的影响是通过负荷功率随电压 频率的变化影响作用于加速 或减速发电机转子上的过剩转矩来表现的 也就是说 负荷消耗的功率随电压的变化将影 响发电机的输入输出功率的不平衡 进而影响功角的偏移和系统第一摆的稳定性 在对实 际负荷特性缺乏了解的情况下 人们一直认为采用保守的负荷模型可以确保系统的安全运 行 实际上由于电力系统的复杂性 同一负荷特性处于系统的不同地点和在不同的故障条 件下对系统稳定的影响不同 很难找到一个负荷模型使得系统的分析结果总是偏于乐观或 是总是偏于悲观 3 1 例如实际负荷特性为恒电流 其功率随电压幅值变化 而采用恒阻 抗来表示时 则负荷功率随电压的平方变化 当负荷点位于加速的发电机附近 得到的分 析结构偏于悲观 因为恒阻抗模型加剧了发电和功率消耗的不平衡 若负荷位于减速的发 电机附近 则得到的分析结果偏于乐观 相反 用恒功率模型表示恒电流特性时 若负荷 位于加速的发电机附近 得到的分析结果偏于乐观 若负荷位于减速的发电机附近 得到 的分析结构则偏于悲观伯1 另外研究结果表明 采用静态负荷模型不足以准确描述系统在 电压和频率变化较大情况下的负荷特性 例如文献 6 1 在研究加拿大安达略西北部一个 局部系统从互联大系统解列后的动态行为时 发现采用静态负荷模型和采用动态模型的计 算结果想去甚远 所以该文献特别强调在较大电压 频率波动情况下的暂态稳定计算中采 用动态负荷模型的必要性 文献 7 用不同的负荷模型对湖南电网进行了暂态稳定计算 该文指出采用传统的电动机并联恒阻抗模型和实测的静态指数负荷模型算得的暂态稳定 结构具有相当的差异 故而何种负荷模型更适合实际情况 值得进一步研究 文献 8 利用实测负荷动特性参数进行了河南全网的稳定计算 分析了感应电动机比例对极限切除 时间的影响 指出随着感应电动机在负荷中所占比例的增大 故障极限切除时间随之减小 对同一故障 纯阻抗负荷下的极限切除时间比感应电动机负荷模型下的极限切除时间大很 3 5 倍 需要指出的是在评价负荷模型对暂态稳定的影响时 主要考察的是模型对最大 传输功率 极限切除时间等稳定极限的影响 而不应仅注意对发电机功角摇摆幅度的影响 3 负荷模型对小信号动态稳定计算的影响 区域振荡可能涉及分布于系统中的许多发电机组 造成系统电压 频率的显著变化 在这种情况下 负荷的电压 频率特性对振荡的镇定具有很重要影响 9 j 们 抑制振荡的镇 定源除励磁控制系统 还有负荷特性 原动机转矩 速度特性和发电机阻尼绕组 阻尼 2 1 前言 绕组对抑制近区发电机组间的局部振荡具有较好的结果 但随着发电机问阻抗的增大 其 抑制振荡的作用逐渐变差 因此 在分析区域振荡时 除考虑发电机励磁控制系统的作用 外 原动机转矩 速度特性和负荷特性则是应该考虑的重要因素 普遍认为负荷的频率 特性对系统的阻尼具有重要影响 4 负荷模型对电压稳定计算的影响 电压稳定的计算与电力系统其他的定量计算相比较 对负荷模型的依赖程度更强 在 电压稳定问题分析的文献中 凡是对电压稳定影响因素及仿真元件模型时 必首推负荷特 性和负荷模型 这是因为负荷特性是电压失稳过程中最活跃 最关键的因素 文献 1l 指出 在再现1 9 8 3 年瑞典电压崩溃事故的仿真计算中 开始采用的简单的静态模型无法 解释电压崩溃全过程 而后采用计及感应电动机 照明 冰箱 空调等用电设备特性的比 较详细的负荷模型时才给整个过程以合理模拟 文献 1 2 通过研究电压稳定域与幂函数 静态负荷模型中幂指数的关系 说明了负荷特性对电压稳定的影响 文献 1 3 1 4 则以 感应电动机为负荷模型利用时域动态仿真研究电压稳定的机理和电动机参数的变化对电 压稳定计算结果的影响 文献 1 5 对电压稳定与负荷动态模型的关系进行了分析 强调 了负荷动态模型在电压稳定问题中的重要作用 指出建立恰当的负荷模型是电压稳定分析 走向成熟的关键 综上所述 负荷模型对电力系统的各种仿真计算结果有着不同程度的影响 负荷模型 的准确与否 直接影响着仿真计算的结果 以及由仿真计算决定着的规划方案 系统运行 方式 紧急控制措施 而现有的负荷模型还十分粗糙 因此 迫切地需要建立符合实际的 负荷模型 i e e e 对负荷模型的定义是 电力负荷吸收的有功功率及无功功率是随着负荷母线的 电压和频率的变化而变化的 这就是负荷的电压和频率特性 用于描述负荷特性的数学方 程称为负荷模型 建立负荷模型就是要确定描述负荷特性的数学方程的形式及其中的参 数 简称负荷建模 1 3 国内外负荷建模的发展和研究现状 1 3 1 国内外负荷建模的发展 人们在2 0 世纪3 0 4 0 年代就已经认识到负荷模型对电力系统分析的重要性 并开始 研究负荷随电压和频率变化的静态和动态负荷特性 但只有到了计算机数字模拟迅速发展 的6 0 年代 负荷建模工作才有了相当的进展 除提出了最常用的恒阻抗 恒电流和恒功 率负荷模型以外 还在计算中采用了感应电动机 多项式和幂函数等负荷模型 虽然这些 模型的参数在当时是定性估计的 由此得到的负荷模型尽管不准确 但相对于当时粗略的 发电机等其它模型以及人们对电网计算的定性要求来说还是相适应的 6 0 年代末7 0 年代初 由于对电力系统仿真计算精度要求的提高 发电机 原动机和 调速系统等元件的模型愈来愈精确 而负荷模型由于其特殊的困难性基本上停留在原来的 水平 为了开创负荷建模的新局而 1 9 7 6 年美国电力科学研究院 e p r i 主持了一项庞大 西安理工大学硕士学位论文 的研究计划 其主要目的是致力于统计综合法 c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h 负荷建模的研究 研究工作在加拿大和美国同时展开 美国的t e x a s 大学负责建模方法的 研究 g e 公司负责通过现场试验对建模方法进行评价 e p r i 经过多年的努力发表了许多 研究报告 1 6 1 7 并且研制了到目前为止统计综合法负荷建模中最具影响的软件包e p r i l o a d s y n 8 0 年代前后 随着系统辨识理论的日趋丰富与完善 加之计算机数据采集与处理技 术的发展 一种新的负荷建模方法即总体测辨法 m e a s u r e m e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h 以其简单 实用 数据直接来源于实际系统等多种优点受到广大电力负荷建模者的关注 1 9 8 2 年l o 月 国际大电网会议成立了有关负荷的工作小组 研究负荷建模及其动态特性 1 9 8 4 年的第八届电力系统计算会议 p s c c 将负荷建模列为重要课题 1 9 9 3 年i e e e 的报 告统一了负荷建模中的许多述语和定义 总结了不同类型负荷 不同分析目的的负荷模型 的构造技巧和需要考虑的重要方面n 1 1 9 9 5 年2 月的报告列出了国际上学者们在负荷建 模研究中提出的许多有价值的负荷模型以及他们的文献和著作 以期望推动负荷建模的进 一步研究和实际应用 同时也作为负荷建模标准化的补充1 1 8 1 9 9 5 年8 月的报告推荐了 用于电力系统潮流计算和动态仿真的标准化负荷模型 为各种仿真程序的使用者指明了方 向m 3 在我国 也有一批电力工作者在负荷建模领域展开研究 早期的有华北电力大学的贺 仁睦教授和河海大学的鞠平教授 进入九十年代后又有华中理工大学的段献忠教授 湖南 大学的李欣然教授等等 国内负荷建模工作主要是基于量测的总体测辨法建模方法 从探 讨的方向上 主要包括对建模使用的模型结构的探讨 对辨识算法的改进 工程应用方面 的进展 负荷模型与稳定计算的研究 以及其他建模相关理论的研究等 其中模型结构一 直是负荷建模中最为活跃的一个方向 从历年的文献来看 目前学术界和工程上都比较倾 向于采用包含感应电动机的机理式负荷模型结构 包括国外i e e e 的报告推荐的模型标准 也支持这种模型结构 随着研究深入我国学者自行研制的负荷特性记录装置已在河南 河 北 广东等省份的某些地区投入运行 记录了大量的现场数据 为我国负荷建模工作的展 开积累了宝贵的一手资料 在他们的努力下 我国的电力负荷建模工作取得了很大的进展 2 3 7 1 5 2 0 z 8 1 3 2 负荷建模的研究现状 目前国际上公认的建模方法可分为两大类 一类是基于元件建模的统计综合法 一类 是基于量测建模的总体测辨法 统计综合法基于统计学原理 其基本思想是把负荷看成个别用户的集合 每类用户则 是各种用电设备的集合 将其电器分类并确定各种电器的平均特性 然后根据各类电器的 比重 确定负荷模型结构 统计综合法建模 般来说需要用到三种数据 即单个用电设备的平均特性 各类负荷 中用电设备的组成比例 负荷分类和组成比例 前两种数据相对比较稳定 属于共性数据 4 1 前言 可以通过典型统计获得 而最后一种数据是负荷群特殊性的具体体现 该方法的优点在于 它建模时不需要进行现场实测 但三种数据的获得费时 费力且难以准确 另外统计数据 不可能经常进行 所以该方法也不适合研究负荷的时变性 总体测辨法则是通过现场实验和在线捕捉电力系统的自然扰动获得所在母线的实测 数据 根据系统辨识理论确定综合模型的结构和参数 该法无需了解负荷内部的复杂构成 是解决负荷群系统建模问题的可行方法 随着计算机 通讯技术和系统辨识理论的发展 总体测辨法变的更加简单 易行 总体测辨法负荷建模中 除数据采集 滤波 必要的电气量计算这些软件外 其核心 为负荷模型的辨识软件 按系统辨识理论的思想 总体测辨法负荷建模就是 根据实测数 据来确定负荷模型结构和模型参数 使得模型响应能最好地拟合实测响应数据 并且要求 通过模型验证 确保所建模型在仿真计算要求范围内具备良好的外推 内插能力 可见 模型结构和模型参数的辨识是总体测辨法负荷建模的两个重要问题 按照是否反映负荷的动态特性 负荷模型一般分为静态模型和动态模型两种 前者 通常用代数方程描述 后者通常用微分方程和差分方程描述 每一类都有多种模型结构 静态负荷模型反映了负荷有功 无功功率随频率和电压缓慢变化而变化的规律 其模 型结构主要为幂函数模型和多项式模型 静态负荷模型主要适用于潮流计算和以潮流计算 为基础的稳态分析 在电力系统动态仿真中 静态负荷模型一般适用于计算结果对负荷模 型不太敏感的负荷点 每 动态负荷模型一般可分为 机理模型和非机理模型 其中 机理模型通常就是感应电 动机模型 一般将感应电动机模型并联有关静态负荷模型来描述综合负荷的动态行为 非 机理模型则是在系统辨识理论发展过程中 从大量具体动态系统中概括抽象出来的 对一 大类动态系统具有很强描述能力的模型 非机理模型并不苛求模型的机理解释 主要强调 模型对系统行为的描述能力 常见的非机理动态负荷模型的形式有 常微分方程模型 传 递函数模型 状态空间模型和差分方程模型 另外 还有描述负荷非线性特性的人工神经 网络模型 确定负荷模型的结构和考虑辨识准则以后 参数辨识问题就转化为一种数值优化问 题 最主要的就是选择一个稳定健壮高效的参数辨识算法 根据系统辨识理论 辨识的方 法分为经典辨识方法和现代辨识方法两类 经典辨识算法与经典控制理论相对应 主要缺 点是要求无噪声或噪声很小 由于负荷建模必须要考虑噪声 所以一般不能用经典辨识算 法 现代辨识算法与现代控制理论相对应 预先假定模型的结构和定义误差函数 根据测 量数据通过极小化模型与误差准则函数来确定模型参数 因此获得是参数模型如差分方程 等 近年来 随着优化理论和智能控制理论的发展 许多新的直接优化方法在系统辨识领 域得到广泛应用 例如单纯形法 模拟进化算法 遗传算法 神经网络等 虽然基于现场实测的总体测辨法相比统计综合法具有直接 真实和简便等优点 也引 起人们广泛的关注 但是理论上还有不少问题尚未解决 离负荷模型的实际应用也尚有一 5 西安理工大学硕士学位论文 定的距离 1 模型参数存在较大分散性 总体测辨法通过现场实测电力负荷特性数据 利用系 统辨识技术辨识具体负荷群的等值模型是值得推广的方法 尤其是在电力系统实际生产部 门 但大量现场实测负荷数据和动模数据的辨识结果表明 同一负荷成分不同扰动情况下 的辨识结果不稳定 某些参数有时甚至相差十几倍到百倍 2 电力系统非线性变结构负荷建模问题 电力负荷的本质非线性以及电力负荷面临 较大跨度的电压 频率扰动时 其非线性特征表现相当明显 并且常常伴随负荷结构的改 变 现有的单一结构负荷模型已无法准确描述电力负荷的非线性 变结构特性 3 模型对电力负荷时变性的适应问题 由于负荷组成受时间 气候 季节等因素的 影响 负荷特性随时间不同而改变 呈现较大的时变性和随机性 基于实测数据所建模型 可以较好地描述当时的负荷行为 但难以描述随时间 气候等变化后的负荷行为 1 4 本文的研究内容 综上所述 建立符合实际的负荷动特性模型对分析电力系统动态行为的重要性越来越 为人们所认识 从总体测辨法负荷建模的基础理论入手研究 针对目前总体测辨法建模中 存在负荷时变性适应性 非线性建模等问题 利用现场装设的记录装置获得的扰动数据 进行了如下几方面的研究 1 基于总体测辨法负荷建模基础理论研究 从系统辨识理论的模型结构选择和参数 辨识算法的研究两个方面展开 结合本文的实际工作需要 阐述了机理式三阶感应电动机 综合负荷模型和改进遗传算法的参数辨识方法 2 面向单样本考虑负荷非线性的动态建模方法研究 在对人工神经网络的系统辨识 原理分析的基础上 提出了基于g r n n 网络的负荷动态建模方法 实例证明了该法是一种 收敛速度快 计算时间少 非线性特征描述精确的优秀的负荷动态建模方法 3 面向多样本考虑负荷时变性的动态建模方法研究 从负荷时变性的两个成因入手 定性分析建模方法引起时变性的实用解决办法 主要研究负荷构成时变性的解决方法 阐 述了负荷动特性的分类原理 方法 并在单样本辨识的基础上 提出了基于感应电动机参 数聚类中心的负荷动特性综合方法 实例证明该法能较好的提取同类负荷样本的本质特 征 同时还具有物理意义清晰 实用方便等优点 6 2 总体测辨法负荷建模的基础理论研究 2 总体测辨法负荷建模的基础理论研究 总体测辨法负荷建模方法的理论基础是系统辨识理论 主要包括模型结构的选择和参 数辨识两个方面 2 1 系统辨识理论 系统辨识是研究如何用实验研究分析的办法来建立待求系统数学模型的一门学科 z a d e h 1 9 6 2 年 指出 系统辨识是在输入和输出数据的基础上 从一类模型中确定一个 与所观测系统等价的模型一 l j u n g 1 9 7 8 年 也给出如下定义 系统辨识有三个要素 数据 模型类和准则 即根据某一准则 利用实测数据 在模型类中选取一个拟合得最好 的模型 实际上 系统的数学模型就是对该系统动态本质的 种数学描述 它向人们提 示该实际系统运行中的有关动态信息 但系统的数学模型总比真实系统要简单些 因此 它仅是真实系统降低了复杂程度但仍保留其主要特征的 种近似数学描述 2 1 1 系统建模的方法 系统建模通常有两种方法 按物理机理建模和按辨识建模 物理机理建模是指利用系统内在物理机理给出的一些定理和定律来建立系统的数学 模型 其优点是模型参数的物理概念清晰 便于计算和分析 缺点是模型是在一定的假设 和简化条件下得出的 具有局限性 对一些较复杂的动态过程 准确地描述就有困难 并 且无法计及动态过程中的一些实际因素 辨识建模是指利用待测系统的输入 输出数据 经计算处理后建立系统的数学模型 其优点是 一 无需确切知道系统的物理机理 二 用现场辨识动态建模 可计及运行中 的一些实际因素 三 适用于一些物理机理尚不清楚或难以用简单规律描述的动态过程 2 1 2 系统辨识建模的原理和步骤 系统辨识理论的原理图如下 调 目标函数 图2 1 系统辨识理论的原理图 f i 9 2 1p r i n c i p l ef i go fs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n 规定一等价准则 p 它是误差p 的函数 实际动态系统与数学模型在同一输入激励 信号z 的作用 产生的系统输出分别为z 和z 其误差为e 经过优化系统辨识后 去 7 西安理工大学硕士学位论文 修正数学模型中的待辨识参数 反复进行 直到误差p 满足等价准则4 0 最4 为止 可表 达为 令 j e p e 2 1 找出数学模型m 痧 矽给定的模型类 使得 j o 寸r a i n 即e j 0 2 2 则m 兰m 2 3 动态系统即被辨识 由上述分析可见 输入输出数据对 等价准则和模型结构 构成系统辨识的三要素 而模型的精度由等价准则决定 也即由误差e 决定 系统辨识的具体步骤如下 l 试验设计 以获得输入输出数据 包括确定系统的输入输出量 确定扰动形式和 现场数据获取等方面 2 确定模型结构 3 确定模型参数辨识算法 4 进行模型参数辨识 5 模型检验 若所得模型不符合要求 则必须调整改进上述步骤中的内容 若所得 模型符合要求 则辨识完毕 2 2 总体测辨法负荷建模 总体测辨法认为负荷特性是个随机动态系统 输入是母线电压变化和系统频率变化 输出是由于输入引起的负荷吸收的有功功率和无功功率的变化 总体测辨法基于系统辨识理论 其基本思想是将综合负荷作为一个整体 先从现场采 集测量数据 然后根据这些数据辨识出负荷模型结构和参数 最后再用大量的实测数据验 证模型的外推内查能力 该方法的核心是把负荷特性看作一个灰箱子 依靠测量它的输入 电压 频率和输出 有功无功功率 设定合适的负荷模型的结构 通过调整负荷模型的参 数 最终辨识出一套与该负荷点负荷特性等价的负荷模型 那么如上节所述 应用总体测 辨法方法建立负荷模型 首先必须要确定系统辨识的三要素 即输入输出数据对 等价准 则和模型结构相应的内容 根据i e e e 报告对负荷建模的定义 输入数据为被关注区域的母线电压 输出数据为 负荷的有功功率和无功功率 通过在线装设的负荷特性计录装置 就可以记录下这些输入 输出量的值 本文从实际出发 采用微机故障录波装置记录下的系统遭受不同扰动时的动 特性数据进行建模实践 2 因现场记录下的数据只是被测量点电压 电流的瞬时值 采 集后还必须要对数据进行滤波和必要的电气量计算得到母线电压 有功功率和无功功率的 有效值 对于动态系统的辨识方法很多 但其中应用最广泛 辨识效果良好的就是最小二乘辨 8 2 总体测辨法负荷建模的基础理论研究 识方法 最小二乘方法也成为系统辨识的经典方法 因此系统辨识的等价准则最主要就是 最小二乘准则 其表达式如下 n 了 乞 七 一只 忌 2 绒 七 一q 七 2 2 4 k l 式中巴 尼 g 七 为模型在样本输入电压作用下的有功功率和无功功率 e 露 q 为样本实测的有功功率和无功功率 为样本数据点数 模型结构可分为静态模型和动态模型两种 静态模型主要有幂函数模型和多项式模 型 动态负荷模型有可分为机理式和非机理式模型 机理式模型就是通常所说的感应电动 机并联静特性模型 又有非机理式的差分方程模型 微分方程模型 状态方程模型 神经 网络模型等 2 3 模型结构的选择 相对于建立负荷的静态模型而言 建立负荷的动态模型比较复杂困难 因而负荷动态 建模也成为国内外学者的主要研究范畴 动态负荷模型一般可分为 机理模型和非机理模型两种 2 3 1 机理式动态负荷模型 感应电动机是电力系统综合负荷的主要成份 也是其中主要的动态负荷 因此电力系 统负荷建模研究中通常采用感应电动机作为综合负荷的动态模型 也称为机理模型 当前 的电力系统稳定计算中 动态负荷模型使用得最多的是机理式的感应电动机并联恒阻抗模 型 构建该模型基本思路是 综合负荷包括静态和动态两部分 静态部分用一个恒定导纳 等值 动态部分用一台感应电动机 i n d u c t i o nm o t o r 简称i m 等值 这是由于感应电 动机是最主要的动态负荷 模型结构图如下所示 耐取勺b 图2 2 机理式负荷模型等值电路图 f i 9 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i tf i go fl o a dm o d e lb ym e c h a n i s m 图中 u 负荷电压 即变电站母线电压 f f f 综合负荷系统从电网吸收的总电流 0 0 感应电动机电流 s p 旭 综合负荷系统从电网吸收的总功率 y g j b 综合负荷中静态部分的等值导纳 在上述个物理量中 负荷电压为输入变量 是系统激励 综合负荷电流或功率为输出 9 西安理工大学硕士学位论文 变量 是系统响应 在结构原理的数学描述中 我们采用x y 一0 同步坐标系统 对应的系 统各有关物理量则用下表x y 分别表示其相应坐标分量 感应电动机采用忽略电磁次暂 态 只计及电磁暂态和机械暂态的三阶动态模型 坐标系统采用x y o 同步坐标有两个优 点 综合负荷系统的数学模型和电力网络模型可以直接接口 在和电力网络模型接口时 不需要象d q 一0 模型那样进行d q 一0 坐标系统至x y 一0 同步坐标系统的转换 从而将模型 应用于电力系统仿真计算时使用更方便 可以减少系统实测数据的预处理工作量 感应电动机若采用不同的模型 就形成了不同的负荷模型结构 较详细的是计及定 转子电磁暂态特性以及转子的机械动态特性五阶模型i 当感应电动机只计及转子的电磁暂 态和机械暂态 就形成三阶机电暂态模型 感应电动机只计及转子的机械暂态 就形成一 阶机械暂态模型 感应电动机只计及转子的电磁暂态 就形成一阶电压暂态模型 一般来说 定子绕组的暂态过程比转子绕组的要快得多 更比系统暂态过程快的多 因此是否计及定子绕组的暂态过程对系统影响不大 采用三阶模型就能很好地反映其动态 特性 研究也表明无论是一阶机械还是一阶电压暂态模型 都不能同时较好地拟和系统有 功 无功特性 综上分析三阶感应电机综合负荷模型是一个很好的机理式负荷模型 也已 获得业界学者的普遍认可 2 5 2 7 8 三阶感应电动机综合负荷模型 三阶感应电机综合负荷模型的状态方程如下式所示 删 岛d t 矿一上t ok 赫c u y d e t y 刮砟一刚 知叫 训 斟乙一赫叫心唰小训 删 汜5 一ds 鲁一型i l 二 兰 l i 尘 鼍1 二j ii 幽u a c t 乙 乃 彳 o j x 2 上式中各参数值 e i p 弘 为感应电动机的暂态电势 u u x 豇 为负荷的电压激励 0 9 为电力系统 的运行角频率 缈 则为同步角速度 s 为感应电动机的转差率 p 为暂态电势的衰减时 间常数 为定子电阻 x 为定子和转子同步电抗 x 为定子和转子暂态电抗 丁 为转 子惯性时间常数 尸埘为感应电动机的机械负载功率 由其相应的机械负载特性决定 感 应电动机机械负载功率己通常用下式描述 j 匕 巧 口 h 1 一s 或 2 6 l 己 k 1 一s 其中 k 为负载率 a 为机械负载中与转速无关部分所占的百分率 1 3 负载系数 文中 计算选择前者 状态方程中虽将系统频率特征引入方程 但在实际系统运行中 系统频率 的变化非常缓慢 这里取缈 l o j l o o n l o 2 总体测辨法负荷建模的基础理论研究 根据感应电动机的电压方程并基于图2 2 运用k c l 定律 推得以综合负荷电流作为中 间输出变量的输出方程如下所示 3 斋 z 一坟地 j 翻 x y 一髓阳 y 虬g y 曰 2 7 卜石衙阢 y 咄 p 卅 叫 j 卜 户刊p 尸 u x i y i y q u y i 一u x i y 2 8 上式中 p q 是与综合负荷总电流对应的综合负荷从电网吸收的功率 模型的稳态方程由状态方程和输出方程联立求得 如式 2 9 2 1 1 所示 其中有 关中间变量由式 2 1 2 2 1 3 确定 阱枷j 刊国ot f i x 0 1 忧l r s 蜘g c o o f x 嚣篡毖 汜9 r s o 1 r p 如 钿 i o li 7 删 7 删 如 1 删i l x s x sj 顽i i 丽k 如l e y 卫 加拟 j 1 0 lj瓦 y of 枷一f 加f 哪 l l 如 o j l 加拟 j 1 u k 乏三 揣 已 k l 口 1 一口 1 一s 2 1 1 i x o u x o 只 u y o q o u 0 2 f o u y o 最一u x o q o 0 2 2 1 2 o o t o u o g o 材如岛 内 i y o 一 y o g o u x o b o 2 1 3 上述各式中 下标中含 0 的表示系统的初始稳态值 下标中含 脚 的代表感应 电动机的相应量 式 2 1 0 中l t 1 国口 根据系统辨识理论 机理式模型有输出方程2 个 则可确定2 个非独立待辨识参数 这样可以减少模型参数辨识过程中独立待辨识参数的个数 降低参数辨识复杂程度 非独 立待辨识参数可将独立待辨识参数代入模型的稳态方程求得 该模型方程中共有未知参数 1 0 个 可确定非独立待辨识参数为x 和k 则模型独立待辨识参数向量 0 e g b x o 玎 乃 口 7 b 模型的仿真步骤 电力系统综合负荷是高维的非线性系统 模型中的微分方程比较复杂 通常不采用直 接线性系统的离散化 而是采用线性化后用数值积分的方法求解 目前认为适合于电力系 统数值积分求解的方法有 欧拉法 改进欧拉法 龙格一库塔法及隐式梯形法 首先把高 阶微分方程转化成一阶微分方程组 也就是上述模型中的状态方程 然后在用各种数值积 分的方法求解 负荷模型的仿真步骤实际就是模型的计算过程 龙格库塔法是求常微分方程的一种数值解法 其实质是间接地使用泰勒级数法的一种 西安理工大学硕士学位论文 技术 为保证应有的精确度 在求解模型状态方程组时采用四阶龙格库塔法 相对于模型 状态方程的求解过程 输出方程和稳态方程都是代数方程求解相对简单一些 模型的计算流程见下图 已知独立待辨识参数护 实测的输入数据 u 初始稳态值r q 0 上 g a k 述数据计算各电流分餐初始值 0 用稳态方程解得状态变量初值 巳 0 巳 0 及非独立参数x 和k l 上 i 四阶龙格一序塔法求解得状态变苗序列s 盯 巳 刀 p 刀 上 电流方程解得模型电流响应序列i a n i y n 上 模帮输出方程求得输出功率序列e 胛 e 订 上 计算结束 图2 3 机理式负荷模型计算流程图 f i 9 2 3c o m p u t a t i o nf l o wf i go fl o a dm o d e lb ym e c h a n i s m 2 3 2 非机理式动态负荷模型 非机理模型也称为输入 输出模型 i n p u t o u t p u tm o d e l 或简称i 0 模型 将需要 研究的负荷群系统 综合负荷 看作为一个整体的 系统l 其输入变量依然为负荷母 线电压u 及频率 输出变量是负荷群吸收的总的有功功率p 及无功功率q 负荷群系 统示意图见图2 4 r 配电网 负i 荷i 补偿设备 群l 众多用电设备 图2 4 负荷群系统示意图 f i 醇 4s y s t e md i a g r a mo fl o a d s 在电力系统研究中 所需要的正是负荷的总体外部特性 输入输出特性 而并不一 定要知道到负荷群内部的物理构成 这也是建立非机理模型的初衷所在 目前常用的非机 1 2 2 总体测辨法负荷建模的基础理论研究 理动态负荷模型的形式主要有 常微分方程模型 传递函数模型 状态空间模型 差分方 程模型 此外还有考虑负荷非线性特性而提出的人工神经网络模型 常微分方程模型的一般形式为 厂 易 只 川 只 y v m i oo 矿 n 矿 0 2 1 4 传递函数模型的一般形式为 竺盟 垒 垒 垒 2 1 5 一 i 一 a v s 6 o b p l s b p 2 s 2 状态空间模型的一般形式为 r jx a x b u 2 1 6 y c x d u 差分方程模型的一般形式为 rn f 一r i 最 口 丑一 b p 圪一 勺 五一 9 9 08 0 2 1 7 ig 口用q 一 b p 圪一 以一 l t li 0i 0 另外 将神经网络应用于负荷建模的研究引起了人们的重视 人工神经网络 a n n 是 对人脑结构的抽象和模拟 它是由大量的非线性处理单元广泛连接而成 具有大规模并行 处理和极强的鲁棒性 容错性及自学习功能 所以它能有效满足负荷建模的非线性特性描 述要求 在己提出的人工神经网络的负荷模型中 应用最为广泛的网络结构主要是多层前 馈神经网络模型 有将小波与神经网络相结合形成的小波神经网络模型 它结合了小波变 换良好的时频局域化性质及神经网络的自学习功能 因而具有较强的逼近能力和容错能力 对自适应的三层前馈网络 a b p 进行修改简化 得到简化线性的前馈网络 l b p 模型 并对负荷的动态模型的差分方程的参数以及幂函数和多项式的参数进行了辨识 还 对负荷动静模型同时进行辨识 3 z l 把混沌算法引入到人工神经网络 形成混沌神经网络 模型妇钉 它弥补了人工神经网络在处理不确定