CN102521677A - 基于单pmu量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，属于基于WAMS的电网稳定监控与预警技术领域。该方法结合现有SCADA/EMS电网实际拓扑结构及状态估计数据，利用短路电流计算程序获得电网各节点等效电阻和等效电抗，以此作为优化辨识算法的初值。对PMU测量数据进行滤波处理，并结合轨迹灵敏度技术，快速有效地辨识出节点等效模型参数。本发明提供的基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，有效避免了PMU实测量测数据噪声对辨识结果的影响，为实现大电网稳定态势的在线评估及预防控制提供了可靠的数据基础，进而提高大电网的智能化实时监控水平。

Description

基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法

技术领域

本发明属于电力系统广域测量及电网稳定实时监控领域，具体涉及一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法。

背景技术

电网安全可靠运行对社会和经济发展具有重大意义。随着电网规模的不断扩大、电力工业体制改革的不断深入，以及特高压输电、可再生资源电源的不断接入，电网运行环境日益复杂，使电网稳定分析与控制，尤其是电网实时环境下的稳定性能及趋势快速评估面临挑战。基于同步相量测量技术的广域测量系统(Wide Area MeasurementSystem，WAMS)在电网监控领域得以广泛应用，实现了广域大电网动态行为的同步监测，为电网稳定在线监控及预警带来新的机遇。而近年来，国内、外政府部门及电力科研机构提出了不同的智能电网发展战略，而智能电网重要的功能之一，就是提高电网的可视化和预警能力。

显然，以往依赖于电网建模及仿真分析的电网稳定分析及控制方法，在规模、速度及对策上都很难适应电网稳定在线监控这一要求，必须寻求新的有效的电网简化模型及稳定评估方法。

目前，基于局部量测信息的节点简化输电模型等效法可有效简化网络，广泛应用于电网稳定态势快速评估，该等效方法具有简单直观的特点，并且将两节点模型分析方法方便地扩展到大电网中，是当前电网稳定在线快速评估领域研究的热点。显然，精确辨识简化输模型等效参数是以上技术实现其功效的基础。然而，该等效参数随电网拓扑、运行方式、不可预见的扰动等变化而变化。可见，实时跟踪辨识戴维南等效参数是该类方法有效反映电网运行状态的关键。虽然，目前等效参数辨识方面取得了较大进展，但由于有些辨识方法基于一定的假设条件，具有局限性。一些辨识方法因为没有考虑辨识参数自身合理的物理约束，由于量测数据噪声、参数方程及数值求解等原因，在某些情况下会辨识出不合理的结果，无法真正应用于实际工程环境中。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，这将充分利用现有调度自动化系统基础数据和技术条件，实现节点简化输电模型等效参数有效辨识，具有工程应用价值。

为实现上述目的，本发明提供一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

(1).按一定的周期从SCADA/EMS系统获取电网拓补结构、参数以及状态估计数据；

(2).利用EMS系统中的短路电流计算软件，计算电网所有母线的三相短路等效电阻Rc和电抗Xc；在5分钟或15分钟时段内，作为基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识值法方法初值。以此保证等效参数辨识结果更加贴近真实电网运行工况。

(3).周期性每隔1秒钟或5秒钟从WAMS系统中获取PMU实时测量电压和电流相量数据，并直接分别对各PMU测量部件的(三相)电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角进行限幅和递推平均滤波方法滤波处理。均值计算公式为 $U_k=\underset{i=k-N-1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i/N;$

(4).根据三相PMU实测电压相量和电流相量数据、以及监控点电网部件拓扑关系和功率流向获得各监控点的等效负荷有功P_L，无功Q_L，按下式求得节点等效负荷电阻R_L和电抗X_L：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_L=U_L^2*\cos \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\\ X_L=U_L^2*\sin \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\end{array}\right.$

其中U_L为监控母线的真实测量电压；

(5).计算等效模型对应的负荷节点电压U_C，计算公式为：

$U_C=E\frac{\sqrt{R_L^2+X_L^2}}{\sqrt{{(R_S+R_L)}^2+{(X_S+X_L)}^2}}$

其中，E为等效电源电势，R_S、X_S分别为等效输电线路电阻、电抗；

(6).E的初值按监控点实测电压的1.02倍或1.05倍给出，R_S、X_S的初值分别按步骤2求得的Rc、Xc给出；根据步骤5的节点电压表达式，计算dU＝|U_c-U_L|，如果dU大于某一给定的槛值U_W，求得节点电压对E、R_S、X_S的灵敏度U_dE、U_dRs、U_dXs，计算公式为：

${\∂}_{\mathrm{dE}}=\∂U_C/\∂E,$ $U_{\mathrm{dRs}}={\∂U}_C/\∂R_s,$ $U_{\mathrm{dXs}}=\∂U_C/\∂X_s$

根据节点电压对等效参数的灵敏度，对初值进行调整，可进一步提高辨识算法的速度和辨识结果的精度。

(7).根据步骤5中的节点计算电压，构建的优化辨识数学模型如下：

$f=\min |U_C^2-U_L^2|$

s.t.E_L≤E≤E_H

R_SL≤R_S≤R_SH

X_SL≤X_S≤X_SH

其中U_L为节点PMU实测电压，不等式约束为等效参数上下限。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，按一定的周期从SCADA/EMS系统获取电网拓补结构、参数以及状态估计数据，保证后续的分析更加贴近真实电网运行状态，所述周期是指5分钟或15分钟。

本发明提供的第二优选技术方案中，在所述步骤2中，每隔一定的周期对电网所有母线进行三相短路电流计算，以便为步骤7等效参数优化辨识算法提供初值，该周期为5分钟或15分钟。

本发明提供的第三优选技术方案中，在所述步骤3中，对PMU实测相量数据采用限幅和递推平均滤波方法进行滤波处理；U_k为k时刻滤波值，U_i为i时刻PMU测量值；N取10或20。

本发明提供的第四优选技术方案中，在所述步骤4中，等效负荷电阻R_L和电抗X_L是根据节点电压幅值及等效功率在线求得。

本发明提供的第五优选技术方案中，在所述步骤5和6中，对等效参数初值进行预调节。

本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤7中，从优化的角度基于单PMU量测段面对等效参数进行辨识，不等式约束的等效参数上下限是根据参考短路电流计算出的节点等效电阻和电抗、以及电网模型参数而得出。

与现有技术比，本发明提供的一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，以为结合现有SCADA/EMS实时电网运行模型、参数及状态估计数据，并周期性利用短路电流计算软件获取各节点等效电阻、电抗，以此作为基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法初值，该方法在初值选择上更加贴近真实电网工况；而且，从基于单PMU量测段面对等效参数进行辨识，克服了传统基于多潮流段面等效参数辨识方法假设条件限制及对测量噪声敏感的弊端，保证了等效参数的可辨识性、合理性；再者，辨识方法不受PMU数量规模的影响，具有较强的辨识速度、鲁棒性及自适应性，可为基于WAMS的大电网稳定在线监控提供可信的基础数据支持。

附图说明

图1为基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法流程图。

图2为电网局部节点等效简化输电模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明技术方案做进一步详细描述：

图1中模块一实现节点等效短路电阻、电抗的周期性计算，主要步骤如下：

(1)为保证基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法的真实性和有效性，每隔5分钟或15分钟从现场SCADA/EMS系统中取得电网运行数据，包括电网拓扑结构、参数以及状态估计数据；

(2)采用短路电流计算软件，对电网所有节点进行三相短路电流计算，求得各节点的短路等效电阻Rc和电抗Xc，以此作为模块二基于单PMU量测段面的电网节点等效模型及其参数优化辨识算法启动的初值。

图1中模块二实现基于单PMU量测段面的电网节点等效模型及其参数优化辨识，主要步骤如下：

(1)可根据监控目的需要，按1秒钟或5秒钟周期性从WAMS系统获取各监控点的PMU同步相量采集数据；

(2)为保证PMU数据的可用性，对各监控点所有PMU同步采集电压相量和电流相量分别独立进行均值滤波处理，均值计算公式为：

其中N在实际工程应用中可取10或20；

(3)根据PMU安装站内的各原件的PMU三相电压、电流相量数据，计算出各自对应的有功和无功功率，然后根据站内电网部件连接关系及功率方向，自动生成如图2所示的节点等效负荷有功P_L，无功Q_L，，进而可按下式求得节点等效负荷电阻R_L和电抗X_L：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_L=U_L^2*\cos \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\\ X_L=U_L^2*\sin \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\end{array}\right.$

其中U_L为监控母线的真实测量电压；

(4)按各节点实际测量电压幅值的1.02倍或1.05倍给出监控母线的等效电势E初值，并取得模块一求得的节点等效电阻Rc和电抗Xc，结合步骤(3)求得的节点等效负荷电阻R_L和电抗X_L，计算节点等效模型对应的计算电压U_C；

(5)比较U_C和U_L的大小，令dU＝|Uc-U_L|，如果dU大于设定的误差槛值U_W，那么计算节点电压对等效参数的灵敏度，对等效参数进行微调。如果dU小于U_W，那么启动基于单PMU量测段面的等效参数优化辨识算法程序，最后输出节点等效参数，供电网稳定在线评估与控制提供数据基础。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单PMU量测段面的节点等效输电参数优化辨识方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1).按一定的周期从SCADA/EMS系统获取电网拓补结构、参数以及状态估计数据；

(2).利用EMS系统中的短路电流计算软件，计算电网所有母线的三相短路等效电阻Rc和电抗Xc；

(3).对PMU实时采集的电压相量数据U按时间序列进行均值滤波处理，均值计算公式为 $U_k=\underset{i=k-N-1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i/N;$

(4).根据三相PMU实测电压相量和电流相量数据、以及监控点电网部件拓扑关系和功率流向获得各监控点的等效负荷有功P_L，无功Q_L，按下式求得节点等效负荷电阻R_L和电抗X_L：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_L=U_L^2*\cos \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\\ X_L=U_L^2*\sin \left(a\tan (Q_L/P_L)\right)/\sqrt{P_L^2+Q_L^2}\end{array}\right.$

其中U_L为监控母线的真实测量电压；

(5).计算等效模型对应的负荷节点电压U_C，计算公式为：

$U_C=E\frac{\sqrt{R_L^2+X_L^2}}{\sqrt{{(R_S+R_L)}^2+{(X_S+X_L)}^2}}$

其中，E为等效电源电势，R_S、X_S分别为等效输电线路电阻、电抗；

(6).根据步骤5的节点电压表达式，训算dU＝|U_c-U_L|，如果dU大于某一给定的槛值U_W，求得节点电压对E、R_S、X_S的灵敏度UdE、UdR_S、UdX_S，计算公式为：

$U_{\mathrm{dE}}=\∂U_C/\∂E,$ $U_{\mathrm{dRs}}=\∂U_C/\∂R_s,$ $U_{\mathrm{dXs}}=\∂U_C/\∂X_s$

(7).根据步骤5中的节点计算电压，构建的优化辨识数学模型如下：

$f=\min |U_C^2-U_L^2|$

s.t.E_L≤E≤E_H

R_SL≤R_S≤R_SH

X_SL≤X_S≤X_SH

其中U_L为节点PMU实测电压，不等式约束为等效参数上下限。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，按一定的周期从SCADA/EMS系统获取电网拓补结构、参数以及状态估计数据，保证后续的分析更加贴近真实电网运行状态，所述周期是指5分钟或15分钟。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，每隔一定的周期对电网所有母线进行三相短路电流计算，获得各监控点的三相短路等效电阻Rc和电抗Xc，以此作为步骤7算法的初值，该周期为5分钟或15分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，对PMU实测相量数据采用限幅和递推平均滤波方法进行滤波处理；U_k为k时刻滤波值，U_i为i时刻PMU测量值；N取10或20。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，等效负荷电阻R_L和电抗X_L是根据节点电压幅值及等效功率在线求得，真实反映电网实际运行工况。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤5中，E的初值按监控点实测电压的1.02倍或1.05倍给出；在所述步骤5和6中，对待辨识等效参数初值进行预调节，可有效提高辨识算法的速度和精度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤7中，等效参数的不等式约束上下限是参考短路电流计算出的等效短路电阻和电抗、以及电网模型参数而得出，以此保证辨识结果的稳定性和可靠性。

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