CN101354423A - 基于实测的冲击负荷建模系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于实测的冲击负荷建模系统及方法。属于现代电力系统的冲击特性负荷建模的测量和辨识技术领域。所述系统包括：微机型冲击负荷动态特性记录仪、冲击负荷建模平台、远方管理系统、冲击负荷调研信息平台、后台分析软件系统和电力系统仿真软件的接口六部分。其技术方案是：基于计算机技术为核心的数字化数据采集、处理、管理及交换系统，与生产实际相结合，通过冲击负荷建模平台建立能够描述冲击负荷特性的负荷模型，把建立的冲击负荷模型通过电力系统仿真软件的接口应用于电力系统的数字仿真分析中。

Description

基于实测的冲击负荷建模系统及方法

技术领域

本发明涉及现代电力系统的冲击特性负荷建模的测量和辨识技术领域，特别是一种基于实测的冲击负荷建模系统及方法。

背景技术

电力系统数字仿真技术的发展为研究电力系统在各种扰动下的稳定性、考察各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能提供了一个经济、方便的手段。目前，数字仿真已成为电力系统规划、设计、运行的主要工具，数字仿真结果的准确度直接影响运行和规划中决策的正确性。电力系统数字仿真与实际情况的吻合程度取决于所采用的模型的准确性，其准确与否直接影响着仿真结果和以仿真结果为基础而产生的决策方案。长期以来，对于发电机、调速系统、励磁系统、变压器和输电线路等元件在行为机理和现场实测方面的深入研究，提出了适应不同仿真精度要求的数学模型。而负荷具有随机性、分散性的特点，这使得对负荷模型的研究相对较慢。大量研究结果表明负荷特性对电力系统仿真结果有重要影响，这表现在不同的负荷特性对电力系统的暂态稳定、电压稳定、低频振荡等都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。高压母线上的综合负荷是由众多动态用电设备和静态用电设备以及输配电网络和并联补偿电容等构成，这些不包含电源和不具有冲击性质(如钢厂及电解铝生产)的负荷称之为常规负荷。这类负荷国内外开展了大量研究，提出了一系列基于实测的负荷模型，并已经应用于电力系统的实际生产。而对于具有冲击特性的负荷，国内外还没有相关的研究。总结起来，主要是因为这类负荷具有“主动性”造成的。常规的负荷吸收的功率随所在母线电压的变化而变化，而冲击负荷则是由于自身的生产需要决定其从所在母线吸收的功率。依据负荷模型的定义，能够描述负荷吸收的功率随母线电压变化而变化的关系式，而冲击负荷根本不符合上述定义。如何定义冲击负荷，研究冲击负荷数据记录装置启动判据就成为难点。但是这类冲击负荷一般集中在高耗能行业，其生产规模大，对电能的需求也大，从而对电力系统的影响也大。因此，建立切合实际的冲击负荷模型具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于实测的冲击负荷建模系统及方法，通过对负荷变电站的冲击负荷供电线路数据采集和分析，可以得到电力系统的冲击负荷动态特性模型。

本发明的技术方案是：一种基于实测的冲击负荷建模系统，该冲击负荷建模系统由微机型冲击负荷动态特性记录仪、冲击负荷建模平台、远方管理系统、冲击负荷调研信息平台、后台分析软件系统、电力系统仿真软件的接口六部分组成；其特征在于：

所述微机型冲击负荷动态特性记录仪是在现有计算机硬件和操作系统基础上进行二次开发，主要功能由软件完成，支持软件运行并响应软件命令的硬件系统由CPU、输入输出设备、数据压缩保存设备、人机对话和通讯设备组成，形成具有包括触摸显示屏，工控主机和数据采集通道机箱的结构；

所述冲击负荷建模平台是依据计算机技术、通讯信息技术，由冲击负荷数据记录装置、前置机、冲击负荷调研信息平台、冲击负荷建模工作站和运行方式工作站构建；

所述远方管理系统通过冲击负荷建模工作站或运行方式工作站，对微机型冲击负荷动态特性记录仪进行远方操作和管理，实现数据文件管理、定值文件的远方设定和下传、系统文件的管理和实时数据的显示；

所述冲击负荷调研信息平台以对冲击负荷的现场调研信息为基础，包括冲击负荷性质的确定、冲击负荷生产工艺的状况，该冲击负荷调研信息平台的功能是给冲击负荷建模平台提供支持决策信息；

所述后台分析软件系统以冲击负荷模型参数辨识为核心，具有如下功能：记录数据的解压缩、数据预处理、模型参数辨识以及结果的详细信息分类和查看；

所述电力系统仿真软件的接口是把冲击负荷模型加入到电力系统仿真软件中参与计算；

所述数据采集通道机箱内部包含了采集板、数据收集板、通讯管理板、系统管理板、GPS时间板、高速A/D卡和多功能卡；通过触摸显示屏能够方便的设定启动定值、数据记录长度，并显示实时测量数据。

本发明还提供了一个基于实测的冲击负荷建模的方法：其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：将微机型冲击负荷动态特性记录仪安装在变电站现场，采用功率、电压为起动判据，包括功率突变量检测和功率越限检测；相电压和零序电压突变量检测和电压越限检测；

步骤2：当冲击负荷对电力系统造成冲击时，通过安装在变电站现场的微机型负荷动态特性记录仪迅速自动启动录波，直接记录下反映到负荷动态特性记录仪安装处的系统故障电气量，并生成现场数据；

步骤3：通过网络或通讯把现场数据传送到数据中心，然后对数据进行分析处理，结合冲击负荷调研信息，经过数据预处理和参数辨识，生成能反映电力系统实际情况的冲击负荷模型参数；

步骤4：通过电力系统仿真软件的接口，把生成的冲击负荷模型参数加入到电力系统仿真软件中参与计算。

所述步骤2冲击负荷对电力系统造成冲击时所吸收的功率由其所在母线电压、频率的状况决定；

所述步骤2负荷动态特性记录仪所记录的电气量为与系统一次值有一定比例关系的电流互感器和电压互感器的二次值，然后通过如下计算得出功率：

式中U_A，U_B，U_C分别为A，B，C三相电压瞬时值，I_A，I_B，I_C分别为A，B，C三相电流瞬时值，

分别为A，B，C三相相电压与相电流之间的相位差。

本发明的效果是：基于实测的冲击负荷建模系统，基于以计算机技术为核心的数字化数据采集、处理、管理及交换系统，与生产实际相结合，通过冲击负荷建模平台建立能够描述冲击负荷特性的负荷模型，把建立的冲击负荷模型通过电力系统仿真软件的接口，应用于电力系统的数字仿真分析中，从而解决难以用普通实验方法得到冲击负荷模型参数的问题。基于实测的冲击负荷建模系统加强了对电力系统冲击负荷的认识，为研究电力系统冲击负荷的影响积累了第一手资料。

附图说明

图1为本发明的基于实测的冲击负荷建模系统构成原理示意图。

图2为本发明的基于实测的冲击负荷建模系统硬件原理示意图。

图3为本发明的微机型冲击负荷动态特性记录仪面板示意图。

图4为本发明的基于实测的冲击负荷建模平台的框架结构。

具体实施方式

图1为本发明的基于实测的冲击负荷建模系统构成原理示意图。图1中，前置PC机的数据采集卡将冲击负荷信息采集到前置PC机中，站内主机通过串口实时监视前置PC机采集到的冲击负荷数据；远程主机通过专用网络与前置PC机进行通讯，实现远方数据文件管理、定值文件的远方设定和下传、系统文件的管理和实时数据的显示；后台分析软件对远端主机的数据进行处理，并结合负荷调研信息，利用冲击负荷建模平台进行建模分析，最后把负荷模型参数加入到电力系统仿真软件中参与计算。

图2为本发明的基于实测的冲击负荷建模系统硬件原理示意图。图2中，201表示主工作站，202表示主工作站调制解调器，203表示远端调制解调器。

图4为本发明的基于实测的冲击负荷建模平台的流程图，图4中，数据输入后，结合负荷调研信息确定冲击负荷模型结构，确定模型结构后进行模型参数辨识，辨识结束后显示参数辨识结果以及拟合曲线，同时进行辨识结果的保存。

1.现场实测数据

(1)根据系统的实际情况，与系统调度工作人员决定需要装设微机型负荷动态特性记录仪的变电站，依据四方面的资料：①尽量具有典型性；选点时要选取特殊工业负荷。如硅铁、电解铝以及钢厂等对电网冲击较大的点安装测量设备；②尽可能的把特殊负荷与常规的负荷特性分解开，也即测量线路所供负荷要全部为用于特殊生产的负荷；③所选的负荷点电压、功率波动尽可能多；④负荷点所在的变电站有较好的通信条件，可以提供良好的通讯线路供测量数据的提取。

(2)安装微机型负荷动态特性记录仪：在选择好变电站后，可与继电保护班的工作人员一起安装微机型负荷动态特性记录仪，需要足够的PT、CT数和一条网络或电话通讯线路。图3为本发明的微机型冲击负荷动态特性记录仪面板示意图，包括触摸屏，工控主机，微机键盘，多功能通道机箱等。用户可以通过触摸屏和微机键盘操作微机型冲击负荷动态特性记录仪。

(3)端子对应关系设定：记录仪后端子可以在后台设置软件中定义，由于每个变换器插件由四个电流变换器和两个电压变换器组成，因此记录仪后端子定义不能违反总的数量和接线位置，一般出厂前已经定义好，运行中没有必要修改，除非增加端子数量。

(4)比例系数调整：测试仪A相经电流表接入电流端子(IA1和IA1*)，记录仪设为调试方式，测试仪输出为5A，记录记录仪显示的电流大小和电流表显示的电流大小。进入后台设置软件，计算电流比例系数，存盘。同理调整电压的比例系数(以第一路电压为准)。

(5)各相不平衡检测：

①接线：对应背端子图，使电流输入线圈串联，并在回路中串入电流表，接到测试仪一相电流输出。使电压输入线圈并联，并入电压表，接到测试仪一相电压输出。

②步骤：记录仪设为调试方式；打开测试仪，调节输出电流，使电流表读数为5A，调节输出电压，使电压表读数为57.7V，读出记录仪显示的数据，并记录。

③计算：各路电流的平衡系数＝5/各路的读数，各路电压的平衡系数＝57.7/各路的读数。

④调整：进入后台设置软件，将平衡系数存盘。

(6)相序检查：

①接线：对应背端子图，电流端子分别接入测试仪三相电流输出，电压端子分别并入测试仪三相电压输出，记录仪设为调试方式。

②步骤：打开测试仪，调节输出三相正序电流、电压，观察记录仪显示三相电流和三相电压的相位，应该是UA超前UB120°，UB超前UC120°，UC超前UA120°，检查是否有反向。电流同理。

(7)启动定值设定，在后台设置软件中，可以设置各路启动定值。三相功率高限定值、三相功率低限定值、相电压高限定值、相电压低限定值、电压突变量定值、负序电压高限、零序电压高限值、零序电压突变量定值、低频定值、高频定值。

(8)手动启动实验，在记录仪运行界面中，启动录波，连续做五次，应能可靠启动。

2.数据远传到数据中心

微机型负荷动态特性记录装置远方管理系统，完成微机型负荷动态特性记录装置的远方数据连接，并管理微机型负荷动态特性记录装置的定值资料。其功能分析如下：

(1)查看远方录波文件：把微机型负荷动态特性记录装置的磁盘上当前所有的记录文件名目录传输过来，供浏览、选择传送或删除。

(2)删除远方录波文件：文件目录收到后，可以选择要删除的某个或某些文件。

(3)上载远方录波文件：收到文件目录后，选择希望获取的数据上传，也可以选择全部文件上传。

(4)被中断文件续传：传输意外或人工中断后，用该功能可以从中断点续传最后一个被中断的文件。

(5)远方对时：主站给记录仪授时，用来统一各记录仪时钟。

(6)远方手动录波：用来检验记录仪的记录能力是否正常，查看记录数据的正确性。

(7)远方系统复位：记录仪收到此命令后，自动复位重新引导。

(8)实时数据监视：在短时间隔内，记录仪定时发送各通道信息、告警信息等数据，使管理人员能在远方监视记录仪的运行状态和通道情况。

(9)上载系统文件：把记录仪的配置文件、定值文件上传给主站。

(10)下传系统文件：把更新过的定值参数传给记录仪。此后再远方复位，即可使新定值生效。这一功能具备访问控制，须输入操作口令。

(11)远方通讯复位：使当前连接恢复一个干净的状态。

(12)串口通讯仿真：开发人员可对串口通讯进行仿真。

3.负荷模型参数辩识

微机型负荷动态特性记录装置后台分析软件，实现录波数据进行深入分析。其功能如下：

(1)数据预处理：数据预处理的作用是将负荷记录仪记录的负荷波动数据首先解压缩，然后经过滤波和计算得到基波正序的电压和功率并自动生成可读的文本文件格式，并将多个负荷测点的数据归类分开。一台负荷记录仪的模拟量通道数最大为64。除去监测通道，最多可以用来记录20条三相线路上的电压和功率。目前的设置多采用两路电压和多路功率的方式。这样多个不同负荷的数据存放在同一个数据文件里，使用不方便，所以数据预处理就是要将这些数据按不同的测点线路分开放置。数据预处理输入的数据是负荷特性记录仪输出的*.DAT.gz压缩文件和同名的*.CFG配置文件。该程序的输出是分测点输出的电压-功率有名值*.TUS文件。

(2)冲击负荷调研信息平台以对冲击负荷的现场调研信息为基础，包括对冲击负荷性质的确定和对冲击负荷生产工艺状况的分析；其功能是给冲击负荷建模平台提供支持决策信息，以供选择模型结构和参数。

(3)模型参数辨识：辨识程序是一个优化程序。一般需要给定初始值和参数上下限，这在程序中有缺省的设定值。可以直接使用设定值也可以按自己的要求定制，方法很简单，就是在程序界面上直接修改即可。模型参数辨识程序采用的数据是数据预处理输出的*.TUS文件。模型参数辨识程序的输出分为三部分：一、针对每条数据都辨识出来一组参数和相应的特征数据，该参数和特征数据分行以文本方式存入文件；二、最终的综合优化结果输出(二次优化)，在界面的【辨识结果】输出参数辨识结果和拟合误差值；三、模型验证曲线输出，就是将综合优化结果得到的惟一一组参数载入实测数据进行拟合，以观察该参数对实测数据的拟合能力。

(4)参数变量的详细信息分类查看程序：对每个测点的每条数据都辨识出一组参数，按行存放到按测点命名的文件中，得到的是一个参数库，可方便查看参数变量的详细信息。

4.加入到电力系统仿真程序进行计算

以负荷模型加入PSASP的方法为例。在PSASP(Power System Analysis Software Package，电力系统分析综合程序)中加入冲击负荷模型的过程：计算→暂态稳定(S)→编辑→节点扰动→输入要添加冲击负荷节点的负荷模型。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于实测的冲击负荷建模系统，该冲击负荷建模系统由微机型冲击负荷动态特性记录仪、冲击负荷建模平台、远方管理系统、冲击负荷调研信息平台、后台分析软件系统、电力系统仿真软件的接口六部分组成；其特征在于：

所述微机型冲击负荷动态特性记录仪是在现有计算机硬件和操作系统基础上进行二次开发，主要功能由软件完成，支持软件运行并响应软件命令的硬件系统由CPU、输入输出设备、数据压缩保存设备、人机对话和通讯设备组成，形成具有包括触摸显示屏，工控主机和数据采集通道机箱的结构；

所述冲击负荷建模平台是依据计算机技术、通讯信息技术，由冲击负荷数据记录装置、前置机、冲击负荷调研信息平台、冲击负荷建模工作站和运行方式工作站构建；

所述远方管理系统通过冲击负荷建模工作站或运行方式工作站，对微机型冲击负荷动态特性记录仪进行远方操作和管理，实现数据文件管理、定值文件的远方设定和下传、系统文件的管理和实时数据的显示；

所述冲击负荷调研信息平台以对冲击负荷的现场调研信息为基础，包括冲击负荷性质的确定、冲击负荷生产工艺的状况，该冲击负荷调研信息平台的功能是给冲击负荷建模平台提供支持决策信息；

所述后台分析软件系统以冲击负荷模型参数辨识为核心，具有如下功能：记录数据的解压缩、数据预处理、模型参数辨识以及结果的详细信息分类和查看；

所述电力系统仿真软件的接口是把冲击负荷模型加入到电力系统仿真软件中参与计算。

2.根据权利要求1所述基于实测的冲击负荷建模系统，其特征在于：所述数据采集通道机箱内部包含了采集板、数据收集板、通讯管理板、系统管理板、GPS时间板、高速A/D卡和多功能卡；通过触摸显示屏能够方便的设定启动定值、数据记录长度，并显示实时测量数据。

3.一个基于实测的冲击负荷建模的方法：其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：将微机型冲击负荷动态特性记录仪安装在变电站现场，采用功率、电压为起动判据，包括功率突变量检测和功率越限检测；相电压和零序电压突变量检测和电压越限检测；

步骤2：当冲击负荷对电力系统造成冲击时，通过安装在变电站现场的微机型负荷动态特性记录仪迅速自动启动录波，直接记录下反映到负荷动态特性记录仪安装处的系统故障电气量，并生成现场数据；

步骤3：通过网络或通讯把现场数据传送到数据中心，然后对数据进行分析处理，结合冲击负荷调研信息，经过数据预处理和参数辨识，生成能反映电力系统实际情况的冲击负荷模型参数；

步骤4：通过电力系统仿真软件的接口，把生成的冲击负荷模型参数加入到电力系统仿真软件中参与计算。

4.根据权利要求3所述的基于实测的冲击负荷建模的方法，其特征是所述步骤2冲击负荷对电力系统造成冲击时所吸收的功率由其所在母线电压、频率的状况决定。

5.根据权利要求3所述的基于实测的冲击负荷建模的方法，其特征是所述步骤2负荷动态特性记录仪所记录的电气量为与系统一次值有一定比例关系的电流互感器和电压互感器的二次值，然后通过如下计算得出功率：

式中U_A，U_B，U_C分别为A，B，C三相电压瞬时值，I_A，I_B，I_C分别为A，B，C三相电流瞬时值，

分别为A，B，C三相相电压与相电流之间的相位差。

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