CN101483343B - 以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于现代电力系统中负荷建模技术领域的一种以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法。具体以负荷特性录波仪记录的负荷马达群所在母线的三相不对称电压瞬时值信息作为输入，以用户负荷马达群在三相不对称电压下所消耗的三相不对称电流作为输出，并将三相电压三相电流瞬时值进行坐标变换，建立综合负荷等值马达的模型，在旋转坐标系下电流分量的目标优化函数，应用微分进化和单纯形相结合的混合优化算法辨识综合负荷等值马达参数。改变以往采用电压正序相量作为输入，正序功率作为输出；以及默认电网频率为50Hz来辨识综合负荷等值马达的局限性，提高建模的准确性和可信度、综合负荷等值马达辨识精度和适用范围。

Description

以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法

技术领域

本发明属于现代电力系统中负荷建模技术领域，提出了以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法。

背景技术

随着电网规模的逐步扩大，电力系统的复杂性日趋明显。而且，电力已经成为关系国计民生的重要产业，其安全性可靠性对各产业都有巨大的影响，不可能通过在实际电网进行大量扰动试验来对真实电网进行研究；另一方面，电网运行方式多变，故障情况各异，也不可能通过试验的方式对电网可能遇到的故障遍态历经；因此，在电力系统规划、分析和运行中，动态仿真成为必不可少的工具，而仿真的准确度主要取决于所采用的模型结构和参数，负荷模型作为仿真的重要模型之一，它的准确度直接影响了动态仿真的可信度。在现代电力系统中，仿真需要以电力系统中电气设备的数学模型为基础，主要包括发电机、原动机、励磁器、调速器、变压器、线路和负荷。由于负荷存在时变性、复杂性和多样性等特点，负荷建模仍然存在一些未解决的难题，这同时影响了仿真的准确度和可信度，甚至可能在临界情况下得到完全不同的结论。在规划阶段，如果采用偏保守的负荷模型，则会在建设时投入更多的资金用来加强网架结构等措施造成浪费；如果采用偏乐观的负荷模型，则会造成设计不合理，系统存在安全隐患的问题。在运行阶段，如果采用偏保守的负荷模型，则会得到较实际小的传输功率极限等，造成输电设备等不能充分利用的情况；如果采用偏乐观的负荷模型，则会造成系统运行于危险状态或者未能在事故发生前提示调度员采取预防措施。大量仿真结果表明，负荷特性特别是负荷马达群的等值模型对电力系统的暂态稳定、电压稳定、小扰动稳定和潮流分析等具有不同程度的影响。1996年美国西部大停电后，美国邦纳维尔电管局(BPA)就是通过修改负荷等值马达的模型才再现了系统振荡失稳的过程。

目前，在工程实践中应用较为广泛的负荷建模方法是基于量测的建模方法，模型结构多为TVA(时变负荷模型)，其中动态负荷均由等值马达来表征。但是，等值马达的模型参数是在50Hz正序电压和功率的基础上建立的，这没有考虑到电网不对称运行时对等值负荷马达建模的影响，事实上负荷等值马达定子端电压加正序电源和负序电源时马达的响应是截然不同的。综合负荷等值马达所接母线的三相瞬时值电压在0-0.2s为对称的三相电压，在0.2-1.2s为不对称三相电压，在1.2s-5s为对称电压，其中正序相量如图1所示。分别采用正序相量法和瞬时值法，利用不对称电压信息进行辨识后得到的瞬时功率结果如图2所示，由图可知，建立考虑电网不对称运行时的等值负荷马达模型具有重要的现实意义。另一方面，电网运行的频率并不一定在50Hz，当电网频率发生变化时，负荷马达的功率同样要发生变化；综合负荷等值马达所接母线的三相瞬时值电压为：时间0-1s、频率50Hz的三相电压；时间1-2s、频率49Hz的三相电压；时间2-5s、频率50Hz的三相电压；其中正序相量如图1所示，分别采用正序相量法和瞬时值法利用不对称电压信息进行辨识，图3为分别采用正序相量法和瞬时值法电网三相电压频率变化时负荷马达的瞬时功率仿真图，图3表明了电网电压频率变化时综合负荷等值马达吸收的功率不同，因此忽略频率偏移的负荷等值马达的建模方法降低了所建立的模型的精度。我们发明的基于电网的不对称运行信息辨识综合负荷等值马达方法和基于电网频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法就是在这种背景下产生的。基于电网的不对称运行信息辨识综合负荷等值马达方法和基于电网频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法，通过对负荷变电站数据的采集和处理得到电力系统综合负荷等值马达模型，改变了一直以来采用电压正序相量作为输入，正序功率作为输出；以及默认电网频率为50Hz来辨识综合负荷等值马达的局限性，提高了综合负荷等值马达辨识精度和适用范围，更精确地描述了综合负荷等值马达在电网不对称运行和频率变化时的特性，从而提高了电力系统建模的准确性，增强了电力系统暂态稳定分析的可信度，提高了互联大电网的暂态稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法，其特征在于，通过对负荷录波仪记录的负荷变电站三相电压和电流瞬时值数据的采集和处理，建立基于瞬时值数据的综合负荷等值马达模型；所述辨识综合负荷等值马达方法的步骤包括：

1)数据预处理：数据预处理的作用是从负荷特性录波仪记录的负荷马达群的母线三相电压和三相电流瞬时值数据经除去噪声后得到的三相电压和电流瞬时值；

2)综合负荷等值马达仿真：对综合负荷等值马达进行初始化，将三相瞬时值电压和电流变换到旋转坐标系下，如式1所示，并用改进欧拉法求解状态变量和输出变量一电流；

3)综合负荷等值马达模型参数辨识：辨识算法采用了微分进化和单纯形相结合的混合优化算法。

具体技术方案是：

基于电网的不对称运行信息辨识综合负荷等值马达部分利用电网发生非对称运行时负荷特性录波仪记录的负荷马达群所在母线的三相不对称电压瞬时值或电网电压频率发生变化时的三相电压瞬时值作为输入，以用户负荷马达群在三相不对称电压下所消耗的三相不对称电流作为输出，并将三相电压、三相电流瞬时值进行坐标变换，建立综合负荷等值马达的模型，提出了基于旋转坐标系下电流分量的目标优化函数，进而应用微分进化和单纯形相结合的混合优化算法辨识综合负荷等值马达参数；

所述三相电压为在某一频率下的三相电压瞬时值，包含基波和谐波分量，或还包含非周期分量。

本发明的效果是：基于电网的不对称运行信息和电网频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法，用瞬时值数据代替原来的正序相量方法进行综合负荷等值马达的仿真和辨识，从而解决了用正序相量方法难以考虑电网不对称运行和频率变化对综合负荷等值马达影响的问题。本发明加强了电力系统不对称运行和频率偏移对综合负荷等值马达影响的认识，提高了综合负荷等值马达辨识精度和适用范围，更精确地描述了综合负荷等值马达在电网不对称运行和频率变化时的特性，从而提高了电力系统建模的准确性，增强了电力系统暂态稳定分析的可信度，提高了互联大电网的暂态稳定性。

附图说明

图1为录波仪记录的负荷马达群所接母线三相电压瞬时值的频率为50Hz的基波分量；

图2实线为采用正序相量法的瞬时功率曲线，虚线为采用瞬时值法的瞬时值功率曲线，显示电网不对称时，单独采用正序相量无法正确反映马达的动态特性，因而无法应用于负荷等值马达的建模；

图3实线为采用正序相量法的瞬时功率曲线，虚线为采用瞬时值法的瞬时值功率曲线，显示电网电压频率发生变化时，马达的动态特性发生了变化，但是目前采用正序电压分量的方法在频率变化前后电压数值没有变化，无法应用于负荷等值马达的建模。

具体实施方式

本发明为基于电网的不对称运行和电网频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法。

电力系统中的故障多为不对称故障，不对称的电压加于电动机的定子端时，流过电动机的电流中有明显的倍频分量，仅考虑正序电压相量不能完整地描述电动机特性。以往综合负荷等值马达的参数是在正序电压分量和功率的基础上建立的，这忽略了不对称电压分量对电动机的影响。以电网不对称运行及电网频率变化时三相电压和电流瞬时值分别作为待辨识综合负荷等值马达的输入和输出变量，改变默认电网频率为50Hz仅用正序电压相量法辨识综合负荷等值马达的局限性，提高了综合负荷等值马达辨识的精度和适用范围，更精确地描述了综合负荷等值马达在电网频率变化时的特性。因此，本发明提出了基于电网的不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达的方法，主要步骤如下：

数据预处理：数据预处理的作用是从负荷特性录波仪记录的负荷马达群的母线三相电压和三相电流瞬时值数据经除去噪声后得到的三相电压和电流瞬时值；

综合负荷等值马达仿真：对综合负荷等值马达进行初始化，将三相瞬时值电压和电流变换到旋转坐标系下，如式1所示，并用改进欧拉法求解状态变量和输出变量-电流。

(式1)

其中，u_x、u_y为经坐标变换后所得的d轴电压和q轴电压；θ为所选取的旋转坐标轴0时刻所在位置与A相轴线的夹角；u_a、u_b、u_c为录波仪记录的负荷马达群所在母线的三相瞬时值电压。

综合负荷等值马达模型参数辨识：辨识算法采用了微分进化和单纯形相结合的混合优化算法。目标函数如式2所示。

$J={\left\{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_p\left(k\right){[{\hat{i}}_d\left(k\right)-i_d\left(k\right)]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}+{\left\{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_q\left(k\right){[{\hat{i}}_q\left(k\right)-i_q\left(k\right)]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}$ (式2)

其中， $W_p\left(k\right)=0.1\frac{|U\left(k\right)-\stackrel{\‾}{U}|}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|U\left(k\right)-\stackrel{\‾}{U}|}+\frac{0.9}{n},$ $W_q\left(k\right)=0.3\frac{|U\left(k\right)-\stackrel{\‾}{U}|}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|U\left(k\right)-\stackrel{\‾}{U}|}+\frac{0.7}{n},$ W_p、W_q分别为d和q轴的权重，U为实际采样电压幅值，U为稳态电压幅值；n为录波仪采样数据总的采样点数；k为第k个采样点；J为目标函数；

为综合负荷等值马达的d轴电流；i_d为综合等值马达的实测瞬时值数据经变换后所得的d轴电流；

为综合负荷等值马达的q轴电流；i_q为综合等值马达的实测瞬时值数据经变换后所得的q轴电流。

Claims (2)

1.一种以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法，其特征在于，通过对负荷录波仪记录的负荷变电站三相电压和电流瞬时值数据的采集和处理，建立基于瞬时值数据的综合负荷等值马达模型；所述辨识综合负荷等值马达方法的步骤包括：

1)数据预处理：数据预处理的作用是从负荷特性录波仪记录的负荷马达群的母线三相电压和三相电流瞬时值数据经除去噪声后得到的三相电压和电流瞬时值；

2)综合负荷等值马达仿真：对综合负荷等值马达进行初始化，将三相瞬时值电压和电流变换到旋转坐标系下，如式1所示，并用改进欧拉法求解状态变量和输出变量-电流：

(式1)

其中，u_x、u_y为经坐标变换后所得的d轴电压和q轴电压；θ为所选取的旋转坐标轴0时刻所在位置与A相轴线的夹角；u_a、u_b、u_c为录波仪记录的负荷马达群所在母线的三相瞬时值电压；

3)综合负荷等值马达模型参数辨识：辨识算法采用了微分进化和单纯形相结合的混合优化算法，目标函数如式2所示，

$J={\left\{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_p\left(k\right){[{\hat{i}}_d\left(k\right)-i_d\left(k\right)]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}+{\left\{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_q\left(k\right){[{\hat{i}}_q\left(k\right)-i_q\left(k\right)]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}$ (式2)

其中，

W_p、W_q分别为d和q轴的权重，U为实际采样电压幅值，

为稳态电压幅值；n为录波仪采样数据总的采样点数；k为第k个采样点；J为目标函数；

为综合负荷等值马达的d轴电流；i_d为综合等值马达的实测瞬时值数据经变换后所得的d轴电流；

为综合负荷等值马达的q轴电流；i_q为综合等值马达的实测瞬时值数据经变换后所得的q轴电流。

2.根据权利要求1所述以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法，其特征在于，所述三相电压为在某一频率下的三相电压瞬时值，包含基波和谐波分量，或还包含非周期分量。

Images