CN102611102A - 一种基于pmu实测的电力系统分区建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，属于电力系统建模技术领域，其特征包括以下步骤：（1）根据电网电气结构和PMU配置状况划分建模区域；（2）由节点级测辨系统确定电力系统模型参数的初值；（3）基于时变电流注入的分区解耦仿真：将区域边界节点的PMU量测以时变电流注入形式参与时域仿真，实现建模区域与外网的电气解耦；（4）分区电力系统建模：根据广域测量系统的动态扰动信息，选择观测量，进行分区解耦仿真，不断采用智能优化方法修正模型参数，直到满足综合评价指标。本发明充分利用中小扰动数据，有效隔离区域之间模型误差的交差影响，缩小建模区域规模，提高了建模的广泛性、准确性和计算速度。

Description

一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，属于电力系统建模技术领域。

 

背景技术

通过电力系统建模获得准确的模型参数是电力系统仿真计算的基础。广域测量系统（WAMS）可以将电力系统受到扰动时的全网功角、相角、功率等动态响应曲线记录下来，为电力系统建模提供了新的技术手段。以往基于PMU(相量测量单元)实测的电力系统建模技术主要是元件或者节点级的，即对单个元件（例如发电机）或者节点（例如变电站负荷）分别建模，然后连接起来成为主网模型。然而电力系统中元件众多，这种方法由于PMU配置有限，难以获得全网的模型。再者，电力系统是一个整体，各个元件、各个节点相互联系、相互影响，仅仅靠局部节点的模型参数，难以进行全网的准确仿真模拟。目前全网性的电力系统建模刚刚起步，由于实际电力系统规模大，涉及元件多，动态过程复杂，并且具有整体性特点，对于建模电网以外的网络常常需要进行动态等值处理，而等值过程会人为引入新的误差。这种传统建模方法计算量大，耗时多，而且辨识得到的模型参数准确性难以保证。另外大电网整体建模通常需要影响全网范围的大扰动，这在实际系统中是可遇而不可求的。日常可能出现较多的扰动是单项接地故障等中扰动，更多的是操作引起的小扰动，在中小扰动情况下，系统扰动影响的范围有限，可观测到动态响应的往往只是局部区域的电力系统元件，难以应用于全网性的整体建模。这些因素造成现有基于PMU实测的建模方法难以满足大电网建模和仿真计算的需要。

 

发明内容

本发明的目的在于克服上述电力系统传统建模方法存在的缺陷，提供一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法。该方法基于建模区域边界节点的PMU动态量测，通过时变电流注入实现建模区域与外部网络的电气解耦时域仿真，合理选择观测变量，采用综合评价指标和智能优化方法进行参数辨识，从而实现分区电力系统建模。该方法即充分利用了PMU动态信息和中小扰动数据进行建模，提高了建模广泛性，又明显缩小了建模区域规模，提高了计算速度，并且还可以有效隔离区域之间模型误差的交差影响，提高建模精度。

本发明具体采用如下技术方案实现：一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）根据电网电气结构和PMU配置状况划分建模区域；（2）确定模型初值：由节点级测量辨识系统确定电力系统模型参数的初值；（3）基于时变电流注入的分区解耦仿真：将区域边界节点的PMU动态量测转化为时变电流注入参与时域仿真，即将外部网络等效为一个反映外网实际动态特性的时变电流源，从而实现建模区域与外网的电气解耦；（4）分区电力系统建模：根据广域测量系统捕获的动态扰动信息，选择观测变量，设置扰动模式，采用分区解耦仿真方法自动计算建模区域电网的动态轨迹，并将仿真曲线与实测动态曲线对比，不断采用智能优化方法修正调整模型参数，继续仿真直到满足综合评价指标，实现电力系统模型参数的辨识。

本发明的实现是依托电力系统广域测量系统，综合利用PMU动态量测，采用电力系统分区解耦时域仿真方法进行仿真计算，基于综合评价指标和智能优化方法进行参数优化和校验，实现分区域电力系统建模。

本发明的优点：与传统的电力系统建模方法相比，综合充分利用了中小扰动PMU实测动态数据，实现了分区电力系统建模，提高了建模的广泛性；考虑了系统动态的整体性，将大电网进行电气解耦仿真，消除了区域间模型参数误差的交差影响，提高了建模的准确性，同时也缩小了建模区域规模，提高建模速度。

 

附图说明

附图1是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法示意图。

附图2是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法的实际电网应用示意图。

附图3是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法的分区解耦时域仿真迭代示意图。

附图4是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法的设备配置图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

图1是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法示意图，用于电力系统分区建模方法包含如下步骤：

1、划分建模区域

进行电力系统分区建模前，首先要合理划分待建模的区域，其方法主要通过分析电网电气结构、PMU配置状况和电网动态特性划分建模区域，具体通过大量离线仿真分析，寻找电网的主要动态特性，保证各待建模区域边界节点上配置有足够的PMU装置，建模区域与外部网络之间的电气连接尽量少，区域内部动态特性可观测性较好，并且主要受本区域内部电力系统元件动态特性影响。

2、确定各类模型参数的初值

将电力系统模型参数根据可辨识性分析和人工综合统计的结果分为几类，确定每类待辨识参数的典型节点，借助节点级测量辨识系统，根据典型节点的PMU动态量测辨识本地模型参数，并以此参数作为分区建模各类元件模型参数的初值。

基于广域测量系统的PMU本地动态量测，通过节点级测量辨识系统获得分区建模各类待辨识模型参数初值，例如发电机的惯性时间常数、暂态电抗、次暂态电抗等，以及节点负荷的电动机比例、定子电抗和负载率系数等，并自动将参数初值提供给时域仿真中的元件模型。这些模型参数主要是指难以调查统计、受电网运行状态影响较大或对仿真结果影响较大的参数。对受电网运行状态影响较小，并且对仿真结果影响较小的参数，通常可采用典型值或推荐值。

3、实现分区解耦时域仿真

从广域测量系统获取系统存在扰动情况下建模区域边界节点的电压幅值、相角、有功功率和无功功率的PMU动态量测，将其转化为注入电流的形式，即将外部网络等效为若干个能反映外网实际动态特性的时变电流源，在时域仿真的数值积分中每个积分步长都代入这些已知的电流值参与迭代直到收敛，从而实现建模区域与外网的电气解耦时域仿真。通过这种方法实际时域仿真的电网为待建模区域电网，但是计及了外网的实际动态量测，由于取的是边界节点的实测PMU信息，外网模型参数的误差对仿真的准确性没有影响，即减小了仿真规模，又提高了仿真速度和精度。

4、分区电力系统建模

根据广域测量系统捕获的动态扰动信息，通过轨迹灵敏度方法，选择观测变量（主要联络线有功功率，无功功率和关键节点电压幅值、相角以及关键发电机组功角），设置扰动模式，采用步骤3中的分区解耦时域仿真方法自动仿真计算电网的动态轨迹，通过仿真曲线与实测动态曲线的对比，建立综合评价指标。如果步骤3中仿真得到的动态轨迹与电网实际测量的动态轨迹相吻合，满足综合评价指标，则自动输出辨识结果即适用的模型参数，否则采用智能优化方法（粒子群优化算法、遗传算法、蚁群优化算法等）自动修正和校验模型参数，并代回步骤3的分区解耦时域仿真继续进行仿真计算。如此循环，直到满足综合评价指标要求或指定的迭代次数限值，实现分区电力系统建模。由工程的可实施性与必要性出发，只对受电网运行状态影响较大或对仿真影响较大的参数进行调整。

图2是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法的实际电网应用示意图，在步骤1中通过电网电气结构、PMU配置状况和动态特性分析合理确定待建模的电网分区；在步骤2中通过节点级测量辨识系统获得各典型节点电力系统模型的参数作为分区建模各类模型参数的初始值；在步骤3中通过广域测量系统获得建模区域边界节点1和边界节点2的电压幅值、相角、有功功率和无功功率的PMU动态量测，将外部网络等效为两个能反映外网实际动态特性的时变电流源，实现建模区域与外网的电气解耦时域仿真；在步骤4中以建模区域联络线有功功率和发电机功角的PMU动态量测作为目标曲线，采用分区解耦时域仿真方法和智能优化方法，对建模区域各类模型参数进行优化参数辨识，实现电力系统分区建模。

本发明基于PMU实测的电力系统分区建模方法的一个重要方面是基于时变电流注入的分区解耦时域仿真。

图3是本发明基于PMU实测的电力系统分区建模方法的核心基于时变电流注入的分区解耦时域仿真迭代示意图。在第                                                

步迭代过程中，将由广域测量系统实测量计算得到的时变电流作为已知值代入，迭代求解电力系统网络代数方程组和元件微分方程组

，同时将广域测量系统获得的下一时刻边界节点电压幅值

、相角

、有功功率和无功功率

动态量测按

式转化为时变电流

的形式，并将时变电流作为迭代初值参与时域仿真数值积分的下一积分步长迭代过程，如此迭代求解直到完成整个分区解耦时域仿真。其中，

是常用有功功率

、无功功率

、电压幅值

、相角

与电流之间的转化公式，下标为边界节点时变电流源个数；

是表示电力系统潮流平衡的网络代数方程组，下标

为网络代数方程个数；

是表示电力系统发电机、负荷等一次设备和二次自动装置数学模型的元件微分方程组，下标

为元件微分方程个数；

为时变电流量，

为网络方程求解的变量，

为微分方程求解的变量。

图4是本发明一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法的设备配置图。

节点级测量辨识系统服务器基于电网典型节点PMU动态量测通过节点级辨识方法辨识各类电力系统元件模型参数，并存入模型参数服务器作为分区辨识的参数初值。

广域测量系统主站提供分区解耦时域仿真需要的扰动时区域边界节点PMU动态量测以及结合系统轨迹灵敏度分析选取的观测变量动态量测，包括系统主要联络线、枢纽母线和主要发电厂的状态量动态响应，作为参数辨识的目标曲线。

能量管理系统主站提供电网实时运行稳态信息，即实时潮流断面，为分区解耦时域仿真提供必要的稳态数据及信息。

电力系统分区建模服务器是本系统运行的核心，它通过仿真数据与实际测量数据的对比，由核心智能优化算法自动修正和校验时域仿真中的各类模型参数，依据综合评价指标，获得使电网仿真的动态轨迹与实际测量的动态轨迹拟合较好的各类模型参数。

在实际运行中，需要设立相应的管理工作站，进行系统的维护与管理。

当得到准确的电力系统各类模型参数后，由系统自动送往模型参数服务器存储，供运行人员查询和使用。

Claims (4)

1.一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）根据电网电气结构和PMU配置状况划分建模区域；（2）确定模型初值：由节点级测量辨识系统确定电力系统模型参数的初值；（3）基于时变电流注入的分区解耦仿真：将区域边界节点的PMU动态量测转化为时变电流注入参与时域仿真，即将外部网络等效为一个反映外网实际动态特性的时变电流源，从而实现建模区域与外网的电气解耦；（4）分区电力系统建模：根据广域测量系统捕获的动态扰动信息，选择观测变量，设置扰动模式，采用分区解耦仿真方法自动计算建模区域电网的动态轨迹，并将仿真曲线与实测动态曲线对比，不断采用智能优化方法修正调整模型参数，继续仿真直到满足综合评价指标，实现电力系统模型参数的辨识。

2.根据权利要求1所述的一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，其特征在于所述的步骤（1），建模区域的划分根据电网电气结构、PMU的配置状况以及电网的动态特性分析后综合给出。

3.根据权利要求1所述的一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，其特征在于所述的步骤（2），电力系统模型参数的初值由节点级测量辨识系统对广域测量系统提供的PMU实测动态数据进行参数辨识得到。

4.根据权利要求1所述的一种基于PMU实测的电力系统分区建模方法，其特征是所述的步骤（4），观测变量依据轨迹灵敏度大小选取，包括主要联络线有功功率、无功功率和关键节点电压幅值、相角以及关键发电机组功角。

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