CN101599644A - 以电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型 - 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正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型，包含新的等值综合负荷模型结构及该模型向电力系统仿真软件BPA的负荷模型转化的接口。该等值综合负荷模型包含等值综合负荷马达和静态负荷两部分，包括13个待辨识的模型参数。该等值综合负荷模型向电力系统仿真软件BPA负荷模型转换的接口，可将新的等值负荷模型准确地转换为电力系统仿真软件BPA所采用的负荷模型，从而确保该模型可方便地应用于现有电力系统机电暂态仿真软件中；将新提出的综合负荷模型与BPA所采用的负荷模型在相同的电压扰动下进行仿真，两者仿真结果的一致性表明了该模型及模型转换接口的准确性。

Description

以电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型

技术领域

本发明属于现代电力系统中负荷建模技术领域，特别涉及一种基于电网正常(频率50Hz，电压电流三相基波正序对称)或非正常运行(频率偏离50Hz或/且电压电流三相非基波正序对称)时三相电压、三相电流瞬时值和频率偏移信息辨识等值综合负荷模型，提出了新的等值综合负荷模型结构及该模型向电力系统仿真软件BPA的负荷模型转换的接口。

背景技术

动态仿真是电力系统规划、分析和运行必不可少的工具，而仿真的可信度主要取决于所采用的模型结构和参数。负荷模型作为电力系统四大元件模型中的重要模型之一，它的准确度直接影响了动态仿真的可信度。由于负荷存在时变性、随机性和多样性等特点，负荷建模仍然存在一些未解决的难题，这必然会影响到仿真的可信度。大量仿真结果表明，负荷特性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。

目前，在工程实践中大多采用基于量测的负荷建模方法，模型结构多为TVA模型(时变负荷模型)，但该TVA负荷模型参数是在50Hz正序电压和功率的基础上建立的，故未考虑电网不对称运行时负序和谐波分量对负荷建模的影响，本发明在新提出的等值综合负荷模型结构的基础上，以三相电压瞬时值和三相电流瞬时值辨识负荷模型的参数，下文将该负荷建模方法称为瞬时值法。提取负荷所接母线三相电压瞬时值中的正序分量，将其进行dq0变换后得到的dq轴电压分量，分别采用正序相量法和瞬时值法在同样的电压扰动下进行仿真，建立考虑电网不对称运行信息的等值负荷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是50Hz，当电网频率发生变化时，负荷所消耗的功率同样会发生变化；但是，目前工程应用中，所采用的正序相量法仅考虑电压的基波正序分量，不包含频率变化信息，所建立的模型也就将无法正确计及负荷的频率特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型，包含了新的等值综合负荷模型结构及该模型向电力系统仿真软件BPA负荷模型转化的接口；其特征在于，所述的等值综合负荷模型是以安装于变电站的负荷特性录波仪记录的负荷所在母线的三相电压和综合负荷所消耗的三相电流瞬时值数据作为输入，并将数据进行dq0旋转坐标变换，采用全局优化算法建立基于瞬时值数据的等值综合负荷模型。

所述等值综合负荷模型包含了等值综合负荷马达和静态负荷两部分，包括13个待辨识的模型参数：R_S，X_S，X_m，R_r，X_r，H，A，B，k_idz，k_iqz，k_idi，k_iqi，k_im其中，R_S、X_S分别为定子绕组的电阻和漏抗；R_r、X_r分别为转子绕组的电阻和漏抗；X_m为激磁电抗；H为等值马达的惯性时间常数；A为与转速成平方关系的转矩占等值马达转矩的比例；B为与转速成线性关系的转矩占等值马达转矩的比例；k_idz、k_iqz分别为恒阻抗占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例；k_idi、k_iqi分别为恒电流占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例；k_im为稳态时等值马达占所有负荷所消耗的电流的比例。

所述瞬时值辨识所用的模型结构向电力系统仿真软件BPA负荷模型转化的接口，即将新的等值综合负荷模型准确地转换为电力系统仿真软件BPA的负荷模型，以方便地用于电力系统机电暂态仿真软件中；将新提出的综合负荷模型与BPA所采用的负荷模型在相同的电压扰动下进行仿真，两者仿真结果的一致性表明了该模型及模型转换接口的准确性。

本发明的效果是：基于电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型的建模方法，用瞬时值数据代替原来的正序相量数据进行等值综合负荷模型的仿真和辨识，从而计及了用正序相量法难以考虑的电网不对称运行和频率变化对等值综合负荷的影响。而且，通过新的等值综合负荷模型向BPA模型转换的接口可将新提出的模型方便地用于电力系统机电暂态仿真软件中。本发明加深了电力系统不对称运行和频率偏移对等值综合负荷影响的认识，拓宽了负荷模型的适用范围，更精确地描述了等值综合负荷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负荷建模的准确性，提高了电力系统稳定分析的可信度。

附图说明

图1为负荷所接母线三相电压瞬时值提取出的基波正序分量进行dq0变换后得到的dq轴电压分量；

图2为负荷所接母线三相电压瞬时值，包含正序和负序分量，其中正序分量与图1同，进行dq0变换后得到的dq轴电压分量；

图3a、图3b为瞬时有功功率和无功功率曲线；其中虚线为采用正序相量法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，实线为采用瞬时值法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，表明了电网不对称运行时单独采用正序相量无法正确反映负荷的动态特性；

图4a、图4b为瞬时有功功率和无功功率曲线；其中虚线为采用正序相量法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，实线为采用瞬时值法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，显示电网电压频率在时间0.3-0.6s由50Hz变为49.8Hz时，负荷的动态特性随之发生了变化。

图5a为采用瞬时值实测d轴电流曲线、图5b为采用瞬时值实测q轴电流曲线；其中虚线为仿真结果，实线为实测结果。

图6a、图6b为分别采用瞬时值法和正序相量法在输入数据相同、参数经接口转换的情况下仿真所得的有功功率和无功功率曲线。其中虚线为采用正序相量法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，实线为采用瞬时值法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线；

具体实施方式

本发明提供以电网正常或非正常运行时三相电压瞬时值、三相电流瞬时值和频率偏移信息辨识等值综合负荷模型，包含了新的等值综合负荷模型及该模型向电力系统仿真软件BPA负荷模型转化的接口。下面结合附图对本发明予以说明。

如图1所示为负荷所接母线三相电压瞬时值提取出的基波正序分量进行dq0变换后得到的dq轴电压分量；

如图2所示为分别采用正序相量法和瞬时值法在同样的电压扰动下进行仿真，瞬时功率结果。

如图3a、图3b所示，由图3a、图3b可知，建立考虑电网不对称运行信息的等值负荷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是50Hz，当电网频率发生变化时，负荷所消耗的功率同样会发生变化。

图4为电网三相电压频率变化时分别采用正序相量法和瞬时值法进行仿真获得的瞬时功率图(如图4a、图4b所示的瞬时有功功率和无功功率曲线)，表明了电网电压频率变化时等值综合负荷吸收的功率不同。因此，忽略频率偏移信息的负荷建模方法，未计及负荷的频率特性。我们发明的基于电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型的方法，改变了以往一直采用电压正序相量和正序功率、默认电网频率为50Hz辨识等值综合负荷模型的局限性，拓宽了负荷模型的适用范围，更精确地描述了等值综合负荷在电网不对称运行和频率变化时的特性，从而提高了负荷建模的准确性，提高了电力系统仿真的可信度。

电力系统中的故障多为不对称故障，以往等值综合负荷模型的参数是在正序电压和正序功率的基础上建立的，这忽略了负序及谐波分量对负荷的影响。为计及电网不对称运行及频率变化对负荷的影响，本发明提出基于电网正常或非正常运行信息辨识等值综合负荷模型的建模方法，将安装于变电站的负荷特性录波仪记录的三相电压和三相电流瞬时值数据作为辨识程序的输入，对输入数据进行dq0旋转坐标变化，如式1所示，然后采用全局优化算法形成13个参数的初值，如R_s ⁽⁰⁾，X_s ⁽⁰⁾，X_m ⁽⁰⁾，R_r ⁽⁰⁾，X_r ⁽⁰⁾，H⁽⁰⁾，A⁽⁰⁾，B⁽⁰⁾，k_idz ⁽⁰⁾，k_iqz ⁽⁰⁾，k_idi ⁽⁰⁾，k_iqi ⁽⁰⁾，k_im ⁽⁰⁾，根据稳态值和参数初始值对马达和静态负荷进行初始化，如式2、3、4所示，然后采用改进欧拉法求出下一步长的状态变量和输出变量(dq轴电流)，以测量和仿真所得的dq轴电流的误差作为目标函数，即完成了负荷建模的参数辨识工作。为了说明本文所提出的建模方法的准确性，采用瞬时值法对东北电网发生不对称故障时虎石台变电站的三相电压、电流瞬时值数据进行辨识得到的d轴和q轴电流，

其中，u_d、u_q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为安装于变电站的负荷特性录波仪记录的负荷所在母线的三相瞬时值电压，i_d、i_q为经坐标变换后所得的d轴电流和q轴电流；i_a、i_b、i_c为负荷特性录波仪记录的负荷所消耗的三相瞬时电流。

等值马达的初始化方法为：

马达等值阻抗 $\left|Z\right|=\frac{1}{\left|Y\right|}=|R_s+{\mathrm{jX}}_s+\frac{{\mathrm{jX}}_m(\frac{R_r}{s}+{\mathrm{jX}}_r)}{{\mathrm{jX}}_m+\frac{R_r}{s}+{\mathrm{jX}}_r}|---\left(2\right)$

令 $R=\frac{R_r}{s},$ X_mr＝X_m+X_r，X_sm＝X_m+X_s，X_p＝X_sX_m+X_sX_r+X_mX_r

则式(2)等价于

$\frac{1}{\left|Y\right|}=\left|Z\right|=\left|\frac{R_{s}R-X_s{X}_{\mathrm{mr}}-X_m{X}_r+{\mathrm{jX}}_{s}R+{\mathrm{jR}}_s{X}_{\mathrm{mr}}+{\mathrm{jX}}_{m}R}{R+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{mr}}}\right|$

可得 $\frac{1}{{\left|Y\right|}^2}=\frac{{(R_{s}R-X_s{X}_{\mathrm{mr}}-X_m{X}_r)}^2+{(X_{s}R+R_s{X}_{\mathrm{mr}}+X_{m}R)}^2}{R^2+{X^2}_{\mathrm{mr}}}---\left(3\right)$

将式3两边同时乘以R²+X² _mr，可得

$\frac{1}{{\left|Y\right|}^2}{R}^2+\frac{1}{{\left|Y\right|}^2}{X^2}_{\mathrm{mr}}={R^2}_s{R}^2-{2R}_s{X}_{p}R+{X^2}_p+{X^2}_{\mathrm{sm}}{R}^2+{2R}_s{X}_{\mathrm{ms}}{X}_{\mathrm{mr}}R+{R^2}_s{X^2}_{\mathrm{mr}}$

化简后可得

$({R^2}_s+{X^2}_{\mathrm{sm}}-\frac{1}{{\left|Y\right|}^2})R^2+{2R}_s{X^2}_{m}R+{X^2}_p+{R^2}_s{X^2}_{\mathrm{mr}}-\frac{{X^2}_{\mathrm{mr}}}{{\left|Y\right|}^2}=0$

令 $A^{\′}={R^2}_s+{X^2}_{\mathrm{sm}}-\frac{1}{{\left|Y\right|}^2},$ B′＝2R_sX² _m， $C^{\′}={X^2}_p+{R^2}_s{X^2}_{\mathrm{mr}}-\frac{{X^2}_{\mathrm{mr}}}{{\left|Y\right|}^2}$

可得A′R²+B″R+C′＝0，即可解出R的值，即可得等值马达的初始滑差，进而确定等值马达所消耗的dq轴电流及马达消耗的初始有功P′₀和无功功率。

恒阻抗负荷消耗的电流 $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dz}0}=(i_d\left(1\right)-i_{\mathrm{dm}0})*K_{\mathrm{idz}}\\ i_{\mathrm{qz}0}=(i_q\left(1\right)-i_{\mathrm{qm}0})*K_{\mathrm{iqz}}\end{array}\right.$

恒电流负荷消耗的电流 $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{di}0}=(i_d\left(1\right)-i_{\mathrm{dm}0})*K_{\mathrm{idi}}\\ i_{\mathrm{qi}0}=(i_q\left(1\right)-i_{\mathrm{qm}0})*K_{\mathrm{iqi}}\end{array}\right.$ (式4)

恒功率负荷消耗的电流 $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dp}0}=(i_d\left(1\right)-i_{\mathrm{dm}0})*K_{\mathrm{idp}}\\ i_{\mathrm{qp}0}=(i_q\left(1\right)-i_{\mathrm{qm}0})*K_{\mathrm{iqp}}\end{array}\right.$

式4中，k_idz、k_iqz分别为恒阻抗占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例，k_idi、k_iqi分别为等值恒电流占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例，k_idp、k_iqp分别为恒功率占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例，i_dz0、i_qz0分别为恒阻抗负荷所消耗的d轴和q轴电流，i_di0、i_qi0分别为恒电流负荷所消耗的d轴和q轴电流，i_dp0、i_qp0分别为恒功率负荷所消耗的d轴和q轴电流，i_dm0、i_qm0分别为马达所消耗的d轴和q轴电流，如图5所示仿真结果和实测结果；其中，图5a为采用瞬时值实测d轴电流曲线、图5b为采用瞬时值实测q轴电流曲线；其中虚线为仿真结果，实线为实测结果。

新的等值综合负荷模型结构向电力系统仿真软件BPA负荷模型转化的接口，即将该模型向电力系统仿真软件BPA的负荷模型转换的方法。选取d轴与电压初始相角重合，则新模型可准确地转换为电力系统仿真软件BPA中的LA、ML负荷模型，推导如式4所示，可方便地用于电力系统机电暂态仿真软件中。将新提出的综合负荷模型与BPA所采用的负荷模型在相同的电压扰动下进行仿真，如图6所示，其中图6a、图6b为分别采用瞬时值法和正序相量法在输入数据相同、参数经接口转换的情况下仿真所得的有功功率和无功功率曲线。其中虚线为采用正序相量法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线，实线为采用瞬时值法获得的瞬时有功功率和无功功率曲线；两者仿真结果的一致性表明了该模型及模型转换接口的准确性。

电力系统仿真软件BPA负荷模型结构的参数表达为：

$P_{\mathrm{per}}=\frac{P_0^{\′}}{P_0}$

$\mathrm{KL}=\frac{P_0^{\′}}{\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{base}}{I}_{\mathrm{base}}}$

R′_s＝R_s

X′_s＝X_s

X′_m＝X_m                        (4)

R′_r＝R_r

X′_r＝X_r

H′＝H

A′＝A

B′＝B

P_z＝k_idz

Q_z＝k_iqz

P_i＝k_idi

Q_i＝k_iqi

P_P＝1-k_idz-k_idi

Q_P＝1-k_iqz-k_iqi

上式中，P_per为BPA中ML模型马达功率占负荷功率的百分比，KL为BPA中ML模型马达负载率，P′₀为稳态时马达消耗的有功功率分量(有名值)，P₀为稳态时负荷消耗的有功功率分量(有名值)，U_base为负荷母线相电压峰值，I_base为负荷消耗的电流的峰值，R′_S，X′_S，X′_m，R′_r，X′_r，H′，A′，B′为BPA马达定子阻抗、激磁电抗、转子阻抗、惯性时间常数、与转速成平方关系的转矩占等值马达转矩的比例、与转速成线性关系的转矩占等值马达转矩的比例，P_z、Q_z为BPA中LA模型恒定阻抗有功负荷和无功负荷的比例，P_i、Q_i为BPA中LA模型恒定电流有功负荷和无功负荷的比例，P_p、Q_p为BPA中LA模型恒定功率有功负荷和无功负荷的比例，k_idz、k_iqz分别为恒阻抗占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例，k_idi、k_iqi分别为等值恒电流占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例。

Claims (4)

1.一种以电网正常或非正常运行辨识等值综合负荷模型，包含了等值综合负荷模型及该模型结构向电力系统仿真软件BPA负荷模型转化的接口；其特征在于，所述等值综合负荷模型是以安装于变电站的综合负荷特性录波仪记录的负荷所在母线的三相电压和综合负荷所消耗的三相电流瞬时值数据作为输入，并将数据进行dq0旋转坐标变换，采用全局优化算法建立基于瞬时值数据的等值综合负荷模型；

所述等值综合负荷模型包含了等值综合负荷马达和静态负荷两部分，包括13个待辨识的模型参数：R_S，X_S，X_m，R_r，X_r，H，A，B，k_idz，k_iqz，k_idt，k_iqi，k_im，其中，R_S、X_S分别为定子绕组的电阻和漏抗；R_r、X_r分别为转子绕组的电阻和漏抗；X_m为激磁电抗；H为等值马达的惯性时间常数；A为与转速成平方关系的转矩占等值马达转矩的比例；B为与转速成线性关系的转矩占等值马达转矩的比例；k_idz、k_iqz分别为恒阻抗占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例；k_idi、k_iqi分别为恒电流占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例；k_im为稳态时等值马达占所有负荷所消耗的电流的比例。

2.根据权利要求1所述的以电网正常或非正常运行辨识等值综合负荷模型，其特征在于，所述三相电压为考虑频率变化的三相电压瞬时值，包含基波和非周期分量。

3.一种以电网正常或非正常运行辨识等值综合负荷模型的建模方法，包含了等值综合负荷模型及该模型结构向电力系统仿真软件BPA负荷模型转换的接口的建模；其特征在于，将安装于变电站的负荷特性录波仪记录的三相电压和三相电流瞬时值数据作为辨识程序的输入，对输入数据进行dq0旋转坐标变化，然后对13个待辨识的模型参数采用全局优化算法形成参数初始值：R_s ⁽⁰⁾，X_s ⁽⁰⁾，X_m ⁽⁰⁾，R_r ⁽⁰⁾，X_r ⁽⁰⁾，H⁽⁰⁾，A⁽⁰⁾，B⁽⁰⁾，k_idz ⁽⁰⁾，k_iqz ⁽⁰⁾，k_idi ⁽⁰⁾，k_iqi ⁽⁰⁾，k_im ⁽⁰⁾，根据稳态值和参数初始值对马达和静态负荷进行初始化，以测量和仿真所得的dq轴电流的误差作为目标函数，采用全局优化算法辨识基于瞬时值数据的等值综合负荷模型的参数，即完成了负荷模型建模工作，并将包含13个待辨识参数的等值综合负荷模型准确地转化为向电力系统仿真软件BPA负荷模型的接口，以方便地应用于电力系统机电暂态仿真软件中；将提出的等值综合负荷模型与BPA转换所采用的负荷模型在相同的电压扰动下进行仿真，两者仿真结果的一致性表明了该模型及模型转换接口的准确性。

4.根据权利要求3所述的以电网正常或非正常运行辨识等值综合负荷模型的建模方法，其特征在于，新提出的等值综合负荷模型结构与电力系统仿真软件BPA负荷模型的转换接口为：

$P_{\mathrm{per}}=\frac{P_0^{\′}}{P_0}$

$\mathrm{KL}=\frac{P_0^{\′}}{\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{base}}{I}_{\mathrm{base}}}$

R′_s＝R_s

X′_s＝X_s

X′_m＝X_m

R′_r＝R_r

X′_r＝X_r

H′＝H

A′＝A

B′＝B

P_z＝k_idz

Q_z＝k_iqz

P_i＝k_idi

Q_i＝k_iqi

P_p＝1-k_idz-k_idi

Q_p＝1-k_iqz-k_iqi

上式中，P_per为BPA中ML模型马达功率占负荷功率的百分比，KL为BPA中ML模型马达负载率，P′₀为稳态时马达消耗的有功功率分量(有名值)，P₀为稳态时负荷消耗的有功功率分量(有名值)，u_base为负荷母线相电压峰值，I_base为负荷消耗的电流的峰值，R′_S，X′_S，X′_m，R′_r，X′_r，H′，A′，B′为BPA马达定子阻抗、激磁电抗、转子阻抗、惯性时间常数、与转速成平方关系的转矩占等值马达转矩的比例、与转速成线性关系的转矩占等值马达转矩的比例，P_z、Q_z为BPA中LA模型恒定阻抗有功负荷和无功负荷的比例，P_i、Q_i为BPA中LA模型恒定电流有功负荷和无功负荷的比例，P_p、Q_p为BPA中LA模型恒定功率有功负荷和无功负荷的比例，k_idz、k_iqz分别为恒阻抗占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例，k_idi、k_iqi分别为等值恒电流占静态负荷所消耗的电流对应的d轴和q轴比例。

Images