CN101038327A

CN101038327A - 电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法

Info

Publication number: CN101038327A
Application number: CN 200710057060
Authority: CN
Inventors: 余贻鑫; 黎鹏; 郭金川
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: CN100464194C

Abstract

一种电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，由如下步骤完成：在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，如果有感应电动机投入运行，进入下一步，否则继续监测；记录任意负载下感应电动机完整启动过程的机端电压、电流数据；将测量到的电压、电流数据进行滤波，并平滑数据；依据平滑后的数据，得到电机圆图；根据电机圆图的基本属性结合现代数学方法进行感应电动机参数辨识，得到参数合理最优解并依据参数求出电动机稳态运行点的转速；计算参数偏差指标；判断偏差指标是否满足设定的标准，直到偏差指标满足标准为止。本发明采用非侵入式参数辨识，仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息就可以得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数。

Description

电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统感应电动机参数辨识方法。特别是涉及一种供电方不必侵入电力用户内部，而仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息就可以得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法。

背景技术

电力系统动态仿真是研究整个电力系统动态特性不可替代的工具，是电力系统设计、规划、运行的基础。研究表明负荷动态参数对电力系统的动态特性有重要的影响，负荷模型的过分粗糙是制约仿真准确度提高的主要因数之一。因负荷模型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。采用现有的负荷模型不足以仿真实际系统的动态过程，所以建立符合实际的精确的动态负荷模型具有十分重要的现实意义。

感应电动机在电力系统负荷尤其是工业负荷中占有很大的比重，是重要的动态负荷，准确的感应电动机动态参数辨识对电力系统的电压稳定、暂态稳定和小扰动稳定等都有十分重要的意义。传统的感应电动机参数辨识通过电动机的空载实验和短路堵转实验来完成。近期提出一些应用最小二乘法、扩展卡尔曼滤波法、遗传算法、动态解码搜寻法等最优方法来进行感应电动机参数辨识。

虽然上述方法或技术都有一定的应用成效，但也都存在着明显的不足：

1)传统方法费时费力，不利于现场测量；

2)需要使用现场不能方便提供的特殊测试信号；

3)要求电动机运行在特殊条件下；

4)需要测试一些不便测量的信号，比如转子的转速等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种供电方不必侵入电力用户内部，而仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息就可以得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法。

本发明所采用的技术方案是：一种电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，是由如下步骤完成：

第一步：在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，如果有感应电动机投入运行，则进入第二步，否则继续监测；

第二步：记录任意负载下感应电动机完整启动过程的机端电压、电流数据；

第三步：将测量到的电压、电流数据进行滤波，去除噪声干扰，并平滑数据；

第四步：依据平滑后的数据，进行圆的曲线拟合，得到电机圆图；

第五步：根据电机圆图的基本属性结合现代数学方法进行感应电动机参数辨识，得到参数合理最优解并依据参数求出电动机稳态运行点的转速；

第六步：将辨识得到的感应电动机动态参数和转速回代到测量数据中，计算参数偏差指标；

第七步：判断偏差指标是否满足设定的标准，若不满足则返回第四步，从第四步到第七步形成一个内循环，直到偏差指标满足标准为止；如果偏差指标满足标准则说明辨识参数满足数据精度的要求，辨识成功，过程结束；如果循环过程迭代次数超出设定值则返回第一步，重新监测负荷信息。

所述的在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，是采用非侵入式的方法，仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数。

第五步中所述的根据电机圆图的基本属性结合现代数学方法进行感应电动机参数辨识，其电机圆图基本的数学方程为：

圆心的坐标(a，b)：

a = \frac{({2 X}_{s} + X_{m}) (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}}{2 (R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}))}

b = \frac{R_{s} (X_{r} + X_{m})}{R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m})}

s＝0处的机端电流：

I_{x, s = 0} = \frac{R_{s}}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

s＝1处的机端电流：

I_{y, s = 0} = \frac{- j (X_{s} + X_{m})}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

I_{x, s = 1} = \frac{R_{r} [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})] - (X_{m} + X_{r}) (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{s} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

I_{y, s = 1} = \frac{R_{r} (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r}) + (X_{m} + X_{r}) [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{s} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

圆的直径：

D \approx \frac{1}{X_{s} (1 + \frac{X_{s}}{X_{m}}) + X_{r} {(1 + \frac{X_{s}}{X_{m}})}^{2}}

本发明的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，其最独到之处是非侵入式参数辨识，即在供电公司不必侵入电力用户内部，而仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息就可以得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数。本发明还具有较高的数学精度，适合普通现场环境、不需外加任何测试信号、无需测量特殊量等优点。

附图说明

图1是感应电动机等值电路图；

图2是本发明所提出的非侵入式感应电动机动态参数辨识方法的流程图；

图3是感应电动机电机圆图；

图4是平滑后数据在电机圆图上的投影；

图5是拟合后的圆图与真实参数圆图的比较图；

图6a和图6b是应用电机圆图辨识方法可行性说明图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法作详细说明。

本发明提出的非侵入式的感应电动机动态参数辨识方法，用于电力系统精确负荷建模、参数辨识的研究中，如图1和图2所示，以Y100L2-4型感应电动机为实施例，详细说明如下：

第一步：在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，如果有感应电动机投入运行，则进入第二步，否则继续监测；所述的在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，是采用非侵入式的方法，仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数。

对于本实施例，我们用测量装置在用户入口处测量记录Y100L2-4型感应电动机起动过程中的机端电压、电流数据。

如图4所示

如图5所示

第五步：根据电机圆图的基本属性结合现代数学方法进行感应电动机参数辨识，得到参数合理最优解并依据参数求出电动机运行点的转速；

第七步：判断偏差指标是否满足标准，若不满足则返回第四步，从第四步到第七步形成一个内循环，直到偏差指标满足标准为止；如果偏差指标满足标准则说明辨识参数满足数据精度的要求，辨识成功，过程结束。如果循环过程迭代次数超出规定值则返回第一步，重新监测负荷信息。

对于参数辨识结果的正确性，发明中用参数偏差指标作为检查依据。

如上所述，利用本发明对感应电动机进行参数辨识时，需要用到感应电机圆图的相关知识，下面对电机圆图及应用可行性作简单介绍。

三相平衡的单励磁感应电动机转子旋转时单相基本方程为

\{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1} = - {\overset{\cdot}{E}}_{1} + {\overset{\cdot}{I}}_{1} (r_{1} + j x_{1}) \\ {\overset{\cdot}{E}}_{1} = - {\overset{\cdot}{I}}_{m} ({jx}_{m}) \\ {\overset{\cdot}{E}}_{1} = \overset{\cdot}{E_{2}^{'}} \\ \overset{\cdot}{E_{2}^{'}} = \overset{\cdot}{I_{2}^{'}} (\frac{r_{2}^{'}}{s} + {jx}_{2}^{'}) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{m} = {\overset{\cdot}{I}}_{1} + \overset{\cdot}{I_{2}^{'}} \end{matrix} - - - (1)

上式中

是机端电压，

是定子电势，是机端电流，r₁是定子电阻，x₁是定子电抗，

是励磁电流，x_m是励磁电抗(方程中忽略励磁电阻)，

是转子电势，

是转子电流，r₂′是转子电阻，s是转差率，x₂′转子电抗。

根据基本方程式，可以画出感应电动机在转子旋转时的等值电路，如图1所示。

依据等值电路有：

{\overset{\cdot}{I}}_{1} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{1}}{(r_{1} + {jx}_{1}) + [({jx}_{m}) / / (\frac{r_{2}^{'}}{s} + {jx}_{2}^{'})]} - - - (2)

将(2)式进一步展开得

{\overset{\cdot}{I}}_{1} = \frac{\overset{\cdot}{A} + \overset{\cdot}{B} s}{\overset{\cdot}{C} + \overset{\cdot}{D} s} - - - (3)

其中：

\overset{\cdot}{A} = R_{r} + j 0

\overset{\cdot}{B} = 0 + j (X_{m} + X_{r})

\overset{\cdot}{C} = R_{r} R_{s} + j (X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})

\overset{\cdot}{D} = - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r}) + j (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r})

式(3)描述的是一个不通过坐标原点的圆的方程，即感应电动机机端口处稳态电流对应不同运行状况时的轨迹是一个圆，如图3所示。机端电流以机端电压作为参考向量，图中横轴表示负虚轴，纵轴表示正实轴。粗线圆弧部分表示感应电动机正常运行时可能的运行轨迹，圆弧的两端分别对应s＝1时和s＝0时的机端电流。圆心的坐标为(a，b)，圆的半径为R。

圆心的坐标(a，b)：

a = \frac{({2 X}_{s} + X_{m}) (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}}{2 (R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}))}

b = \frac{R_{s} (X_{r} + X_{m})}{R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m})}

s＝0处的机端电流：

I_{x, s = 0} = \frac{R_{s}}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

s＝1处的机端电流：

I_{y, s = 0} = \frac{- j (X_{s} + X_{m})}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

I_{x, s = 1} = \frac{R_{r} [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})] - (X_{m} + X_{r}) (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{s} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

I_{y, s = 1} = \frac{R_{r} (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r}) + (X_{m} + X_{r}) [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{s} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

圆的直径：

D \approx \frac{1}{X_{s} (1 + \frac{X_{s}}{X_{m}}) + X_{r} {(1 + \frac{X_{s}}{X_{m}})}^{2}}

感应电动机的起动过程式较为明显的暂态过程，这一过程由最初的静止状态(s＝1)到某一个正常运行点(一般为s比较小的点)，是一个复杂的电磁暂态和机电暂态的过程。这一过程机端侧电流波形如图3所示。

这一启动过程从定子侧电流来看可以分为四个阶段，如图6a、图6b所示：

1、电动机刚开始启动引起电压骤降、电流陡增的快动态阶段；

2、s＝1附近电流平稳过渡阶段，此时电动机转子增速并不明显，是一个慢动态阶段；

3、电动机转子增速阶段，电流逐渐下降到正常运行值，是一个快动态阶段；

4、电动机转速接近正常工作值，电流稳定在正常运行值，是一个慢动态阶段。

从图6可以看出上述两个慢动态阶段具有机端电流稳态时的圆弧特征，可以利用这一特性进行感应电动机参数辨识。

Claims

1.一种电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，其特征在于，是由如下步骤完成：

2.根据权利要求1所述的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，其特征在于，所述的在不影响电力用户正常使用的情况下，监测电力负荷电气信息，是采用非侵入式的方法，仅凭负荷电气入口处的电流、电压信息得到电力用户感应电动机的使用情况及相应的动态参数。

3.根据权利要求1所述的电力系统非侵入式感应电动机动态参数辨识方法，其特征在于，第五步中所述的根据电机圆图的基本属性结合现代数学方法进行感应电动机参数辨识，其电机圆图基本的数学方程为：

圆心的坐标(a，b)：

a = \frac{({2 X}_{s} + X_{m}) (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}}{2 (R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m}))}

b = \frac{R_{s} (X_{r} + X_{m})}{R_{s}^{2} (X_{r} + X_{m}) + (X_{s} + X_{m}) (X_{s} (X_{r} + X_{m}) + X_{r} X_{m})}

s＝0处的机端电流：

I_{x, s = 0} = \frac{R_{s}}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

s＝1处的机端电流：

I_{y, s = 0} = \frac{- j (X_{s} + X_{m})}{{R_{s}}^{2} + {(X_{s} + X_{m})}^{2}}

I_{x, s = 1} = \frac{R_{r} [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})] - (X_{m} + X_{r}) (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

I_{y, s = 1} = \frac{R_{r} (R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r}) + (X_{m} + X_{r}) [R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m} X_{r})]}{{[R_{r} R_{s} - (X_{s} X_{m} + X_{s} X_{r} + X_{m}^{1} X_{r})]}^{2} + {(R_{s} X_{m} + R_{s} X_{r} + X_{s} R_{r} + X_{m} R_{r})}^{2}}

圆的直径：

D \approx \frac{1}{X_{s} (1 + \frac{X_{s}}{X_{m}}) + X_{r} {(1 + \frac{X_{s}}{X_{m}})}^{2}}