CN103472736B - 一种基于实时扰动数据的负荷建模装置 - Google Patents

Abstract

一种基于实时扰动数据的负荷建模装置，包括模拟量信号输入板、开关信号输入板、采集板、分别与模拟量信号输入板、开关信号输入板、采集板连接的背板数据总线、分别与采集板连接的GPS对时板和监控板，以及通过以太网与监控板连接的管理机单元。采用现场测量的实时扰动数据进行负荷建模，并能够对静态负荷模型、动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型进行参数辨识，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，装置记录的都是能够直接进行负荷建模的数据，可以为电网提供合理且符合实际的负荷模型，能够对电力负荷模型参数进行实时在线辨识，而且，负荷模型参数能够实现与电力系统常用电力系统稳定计算分析仿真软件BPA的数据接口。

Description

一种基于实时扰动数据的负荷建模装置

技术领域

本发明涉及电力负荷建模，特别是涉及一种基于实时扰动数据的电力负荷建模装置。

背景技术

电力系统负荷模型是反映实际电力系统负荷端口的功率及电流随其端口电压和频率变化特性的数学方程和相应的参数。负荷建模不仅对各种具体用电设备元件建立模型，更重要的是研究负荷母线上的总体负荷吸收的功率随负荷母线电压和频率变动而变化的关系，并描述确定这种关系的数学方程的形式及其中的参数。现代电力系统设计、规划、决策和运行的数字仿真，都需要精确度更高的负荷模型。因为负荷模型的变化对系统暂态、电压稳定以及潮流计算的结果具有不同程度的影响，在临界情况下甚至发生质的变化。而且，负荷建模不仅要用一组数据拟合得到模型的结构和参数，还必须用其他数据进行回响测试，以验证其综合性和对噪声的鲁棒性。由某一电压变化下的测量数据辨识的负荷模型在大些或小些的电压变化下仍然是正确的，即负荷模型的外推和内插，具有较好的外推能力、内插能力以及综合描述不同负荷组成的能力的负荷模型，才有实用价值。

现有的负荷模型大多是从基本概念出发，采用理想化的模型即恒功率、恒阻抗、恒电流或三者的组合作为综合负荷模型。这种粗糙的负荷模型与精确的发电和配电模型的严重不协调，明显降低了仿真的精确度和可信度，在临界情况下甚至会得出截然相反的结论。至今尚未见有基于实时扰动数据且属于总体测辨法的负荷建模装置，这种装置负荷建模所建立的负荷模型，包括静态负荷模型、动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型，并能够得到所选负荷模型范围内的最优负荷模型，可以准确反映多种负荷特性，其准确的负荷模型参数可以为电力系统运行方式选择、仿真计算和系统规划提供基础，具有实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种基于实时扰动数据的负荷建模装置。

这种基于实时扰动数据的负荷建模装置的特点是：

包括模拟量输入板、开关量输入板、采集板、分别与所述模拟量输入板、开关量输入板、采集板连接的背板数据总线、分别与所述采集板连接的全球定位系统(Global Positioning System，缩略词为GPS)对时板和监控板，以及通过以太网与所述监控板连接的管理机单元。

所述管理机单元是嵌入式计算机，包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统，以及固化在存储器芯片或微处理器本身的负荷建模应用程序，又称后台管理程序，后台管理程序的功能包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、实时监测、查看历史记录、负荷模型数据保存、负荷建模数据显示和打印。

所述负荷模型定值配置通过后台管理程序的定值配置菜单项进行，所述负荷模型的定值包括变电站信息、线路信息、通道信息、开关信息、负荷模型辨识参数初始值，以及采样率。

所述负荷模型数据保存在所述管理机单元的计算机硬盘上，所述负荷模型的数据包括负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

所述负荷建模数据显示通过后台管理程序界面显示在管理机单元的计算机显示屏上，所述负荷建模数据显示包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

所述负荷建模数据打印由管理机单元的打印机进行，所述负荷建模数据打印包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

所述模拟量输入板，包括多路模拟量检测模块、与所述多路模拟量检测模块连接的模拟/数字(Analog/Digital，缩略词为A/D)采样模块、分别与所述多路模拟量检测模块和A/D采样模块连接的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，缩略词为FPGA)-1、分别设置在所述A/D采样模块和所述FPGA-1之间的缓存/隔离模块和电源检测模块，所述模拟量输入板用于接收负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出三相电流和负荷建模母线出线的负荷电流。

所述多路模拟量检测模块，包括级联的模拟信号输入电路、模拟信号采样保持模块和模拟信号多路选择模块，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入所述多路模拟量检测模块，进行隔离转换、滤波，通过采样保持模块的采样开关采取当前模拟信号，由模拟信号采样保持模块对当前模拟信号进行保持。

所述A/D采样模块，将每一路实时扰动模拟信号转换为数字信号，汇总后通过背板数据总线上传给FGPA-1进行处理。

所述FPGA-1控制所述A/D采样模块将每一路模拟信号转换为16位的数字信号，并将采集数据汇总后直接上传给所述FPGA-1进行处理。

所述电源检测模块，包括级联的输入电路、滤波模块和电源多路选择模块，用于提供电源。

所述开关量输入板，包括多路光电隔离器、与所述多路光电隔离器连接的抗电压干扰电路、第一级缓冲器、复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device，缩略词为CPLD)，以及第二级缓冲器，所述第一级缓冲器设置在所述抗电压干扰电路与所述CPLD之间，所述第二级缓冲器设置在所述CPLD与所述背板数据总线之间，所述开关量输入板用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，所述负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，所述母联开关信号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，所述负荷建模母线上的开关信号来自外部接入的辅助负荷建模母线开关触点信号。

所述多路光电隔离器，将外部输入电压信号量隔离转换为5V的TTL电平进入系统，以隔离外部输入信号干扰。

所述抗电压干扰电路，是包括瞬变电压抑制二极管(Transient VoltageSuppressor，缩略词为TVS)的抗电压干扰电路，对进入系统的开关量通过TVS完成抗电压干扰功能。

所述第一级缓冲器是四片通用缓冲器74LS245，将32个信号分为4组八路信号，总线选择信号经所述CPLD译码选中其中的2组数据缓冲，以满足16位的数据总线形式，32路信号开关量数据都能被系统采集，并由16位数据总线经背板总线将此信号送至采集板。

所述第二级缓冲器是二片通用缓冲器74LS245，对未经CPLD译码选中的另外2组数据缓冲。

所述采集板，包括带有同步随机存取存储器(Synchronous RandomAccess Memory，缩略词为SRAM)、只读内存器(Read-Only Memory，缩略词为ROM)的数字信号处理(Digital Signal Processing，缩略词为DSP)模块、分别与所述DSP模块连接的采样FPGA和通讯FPGA，以及与所述通讯FPGA连接的CPU，所述CPU带有同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，缩略词为SDRAM)和网口。

所述DSP模块，从背板数据总线读取离散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标，在采样数据每满一个周波时，将采集的离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中。

所述DSP模块根据计算结果与由后台软件定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件。

所述采样FPGA，从模拟量输入板分别采集负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出的三相电流，以及负荷建模母线出线的负荷电流，还从开关量输入板分别采集辅助负荷出线开关触点信号、辅助母联开关触点信号、辅助负荷建模母线开关触点信号，并上传给所述DSP模块。

所述通讯FPGA是数据通信模块，用于所述DSP模块与所述CPU之间的通信，所述DSP模块上传给所述CPU相关参数计算结果，所述CPU下传定值给所述DSP模块。

所述CPU在满足扰动触发条件时，生成负荷建模数据文件、填写标识事件结构，并将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过网口发送给监控板，每周波发送一次。

所述负荷建模数据文件是满足扰动触发条件的负荷建模文件，又称负荷建模标记事件文件。

所述满足扰动触发条件如下：

1)相电压突变：

如果负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N的默认设定值4％，动作值误差不超过整定值的±30％，所述额定相电压值U_N默认设定值通过后台管理程序界面进行设置，可手动修改；

2)相电压越限：

整定值在90％U_N～110％U_N范围时，动作值误差应不超过整定值的±5％；

3)相电流突变：

相电流突变量整定值设为10％I_N，动作值误差应不超过整定值的±20％，其中I_N为相电流额定值；

4)相电流越限：

整定值为110％I_N时，动作值误差应不超过整定值的±5％，当满足上述4个扰动触发条件时，负荷建模装置会启动录波，并生成负荷建模数据文件。

所述有效负荷建模数据文件是满足负荷建模数据有效性判断原则的负荷建模文件。

所述负荷建模数据有效性判断原则如下：

负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N默认设定值4％，而负荷建模母线及其前端主变压器的开关未跳闸且负荷出线开关也未跳闸，则只有满足所述负荷建模数据有效性判断原则的数据才可用于负荷建模。

所述标识事件结构，是当满足扰动触发条件时形成的事件信息，并对事件结构体的对象进行赋值。

所述背板数据总线是模拟量输入板、开关量输入板、采集板、GPS对时板、监控板通过走背板的方式而形成的数据总线，所述背板提供各电路板的供电电源、各电路板相应的控制信号、通信接口，使各电路板完成特定的功能。

所述GPS对时板，包括FPGA-4、对时CPU和恒温晶体振荡器(OvenControlled Crystal Oscillator，缩略词为OCXO)，是系统统一的同步时钟电路，用于接收1PPS、靶场仪器组(Inter-Range Instrumentation Group，缩略词为IRIG)-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，再通过FPGA-4的逻辑运算，生成高精度的1PPS、IRIG-B、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号，卫星信号消失后，能够精确守时，卫星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式。

所述监控板，包括带有闪存(Compact Flash，缩略词为CF)卡和/或硬盘的存储器和双网口的CPU处理模块，所述CPU处理模块还包括CPLD译码器和八路继电器，使用外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，缩略词为PCI)接口到异步接口(Host Port Interface，缩略词为HPI)的专用桥接芯片完成HPI访问，通过工业标准结构总线(IndustrialStandard Architecture，缩略词为ISA)传送，再通过CPLD译码器，扩展所述八路继电器输出，所述监控板接收所述采集板的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据。

所述负荷建模数据格式转换包括参照GB/T22386-2008电力系统暂态数据交换通用格式标准将录波数据文件的数据转换为IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式COMTRADE，相应数据记录方式如下：

A1时段：系统大扰动开始前的数据，输出原始记录波形，记录时间为10周波；

B时段：系统扰动开始至结束整个动态过程的数据，输出原始记录波形，记录时间为500周波，采样率是1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中的一种。

所述数据格式转换后的负荷建模数据预处理，包括负荷母线电压、派克变换后的dq轴电压、电流，以及瞬时有功功率、无功功率计算。

所述负荷建模数据保存是在所述监控板的CF卡和/或硬盘上保存负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

所述负荷模型参数辨识分析，是由监控板通过阻尼最小二乘算法对静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数进行辨识分析，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，辨识的负荷模型参数越多，一方面会增加计算量，另一方面也会影响辨识精度，因为辨识参数的空间维数越多，搜索到精确解得概率就越小，只对重要参数进行辨识，而将次要参数直接用其典型值固定，以确保模型的可辨识性，提高辨识速度。

所述负荷模型参数保存是由所述监控板将静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数保存在监控板的CF卡和/或硬盘上。

这种负荷建模装置采用总体测辨法，将电力负荷群作为一个整体，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集测量实时扰动数据，通过对所述实时扰动数据的采集和分析，确定符合现场实际的负荷模型结构，并根据现场采集的数据辨识出符合现场实际的负荷模型参数，依次有以下步骤：

1)模拟输入信号与外部输入的开关量信号的接收与处理：

由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入模拟量输入板的多路模拟量检测模块，对实时扰动模拟输入信号进行隔离转换、滤波、A/D转换，生成实时扰动数据，传送至背板数据总线；

开关量输入板接收外部输入的开关量信号，外部输入的信号干扰首先通过光电隔离器隔离和抗电压干扰电路处理，处理后经过第一级缓冲器、CPLD以及第二级缓冲器进入数据总线，最后将外部输入的开关量信号传送至背板数据总线；

2)打时标：

采集板的DSP模块从背板数据总线读取离散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标；

3)数据计算：

在采样数据每满一个周波时，由所述DSP模块将离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中；

4)负荷建模事件标识生成：

采集板的DSP模块根据计算结果与由后台管理程序定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件，如满足，则采集板的CPU生成负荷建模数据文件，并在CPU上填写标识事件结构；

5)数据发送：

采集板的CPU将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过CPU的网口发送给监控板，每周波发送一次；

6)监控板处理接收的数据：

监控板接收所述采集板发送的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据；

所述负荷建模数据格式转换包括参照GB/T22386-2008电力系统暂态数据交换通用格式标准将录波数据文件的数据转换为IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式COMTRA/DE，相应数据记录方式如下：

A1时段：系统大扰动开始前的数据，输出原始记录波形，记录时间为10周波；

B时段：系统扰动开始至结束整个动态过程的数据，输出原始记录波形，记录时间为500周波，采样率是1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中的一种。

所述数据格式转换后的负荷建模数据预处理，包括负荷母线电压、派克变换后的dq轴电压、电流，以及瞬时有功功率、无功功率计算。

所述负荷建模数据保存是在所述监控板的CF卡和/或硬盘上保存负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

所述负荷模型参数辨识分析，是由监控板通过阻尼最小二乘算法对静态负荷模型、动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数进行辨识分析，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，辨识的负荷模型参数越多，一方面会增加计算量，另一方面也会影响辨识精度，因为辨识参数的空间维数越多，搜索到精确解得概率就越小；只对重要参数进行辨识，而将次要参数直接用其典型值固定，以确保模型的可辨识性，提高辨识速度。

所述负荷模型参数保存是由所述监控板将静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数保存在监控板的CF卡和/或硬盘上。

7)管理机单元工作

由管理机单元完成对每台在线负荷建模装置的负荷建模数据文件的管理及离线分析，包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、负荷模型数据保存、实时监测、查看历史记录、负荷建模数据显示和打印。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明装置采用现场测量的实时扰动数据进行负荷建模，并能够对静态负荷模型、动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型进行参数辨识，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，装置记录的都是能够直接进行负荷建模的数据，可以为电网提供合理且符合实际的负荷模型，能够对电力负荷模型参数进行实时在线辨识，而且，本发明装置得到的主要用于电力系统稳定计算的负荷模型参数能够实现与电力系统常用电力系统稳定计算分析仿真软件BPA的数据接口，方便电力系统仿真计算分析。本发明装置可以广泛用于变电站、大型工业企业配电站，其准确的负荷模型参数可以为电力系统运行方式选择、仿真计算和系统规划提供基础，具有实用价值。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的组成方框图；

图2是图1中的模拟量输入板的组成方框图；

图3是图1中的开关量输入板的组成方框图；

图4是图1中的采集板的组成方框图；

图5是图1中的监控板的组成方框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。

一种如图1～5所示的基于实时扰动数据的负荷建模装置，包括模拟量输入板、开关量输入板、采集板、分别与模拟量输入板、开关量输入板、采集板连接的背板数据总线、分别与所述采集板连接的GPS对时板和监控板，以及通过以太网与监控板连接的管理机单元。

管理机单元是嵌入式计算机，包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统，以及固化在存储器芯片或微处理器本身的负荷建模应用程序，又称后台管理程序，后台管理程序的功能包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、实时监测、查看历史记录、负荷模型数据保存、负荷建模数据显示和打印。

负荷模型定值配置通过后台管理程序的定值配置菜单项进行，负荷模型的定值包括变电站信息、线路信息、通道信息、开关信息、负荷模型辨识参数初始值，以及采样率。

负荷模型数据保存在管理机单元的计算机硬盘上，负荷模型的数据包括负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

负荷建模数据显示通过后台管理程序界面显示在管理机单元的计算机显示屏上，负荷建模数据显示包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

负荷建模数据打印由管理机单元的打印机进行，负荷建模数据打印包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

模拟量输入板，包括多路模拟量检测模块、与多路模拟量检测模块连接的A/D采样模块、分别与多路模拟量检测模块和A/D采样模块连接的FPGA-1、分别设置在A/D采样模块和FPGA-1之间的缓存/隔离模块和电源检测模块，模拟量输入板用于接收负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出三相电流和负荷建模母线出线的负荷电流。

多路模拟量检测模块，包括级联的模拟信号输入电路、模拟信号采样保持模块和模拟信号多路选择模块，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入所述多路模拟量检测模块，进行隔离转换、滤波，通过采样保持模块的采样开关采取当前模拟信号，由模拟信号采样保持模块对当前模拟信号进行保持。

A/D采样模块的芯片型号为AD7607，将每一路实时扰动模拟信号转换为数字信号，汇总后通过背板数据总线上传给FGPA-1进行处理。

FPGA-1是型号为EP3C5E144的FPGA，其控制A/D采样模块将每一路模拟信号转换为16位的数字信号，并将采集数据汇总后直接上传给所述FPGA-1进行处理。

电源检测模块，包括级联的输入电路、滤波模块和电源多路选择模块，用于提供电源。

开关量输入板，包括多路光电隔离器、与多路光电隔离器连接的抗电压干扰电路、第一级缓冲器、CPLD，以及第二级缓冲器，第一级缓冲器设置在抗电压干扰电路与CPLD之间，第二级缓冲器设置在CPLD与背板数据总线之间，开关量输入板用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，母联开关信号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，负荷建模母线上的开关信号来自外部接入的辅助负荷建模母线开关触点信号。

多路光电隔离器是TLP121器件，将外部输入电压信号量隔离转换为5V的TTL电平进入系统，以隔离外部输入信号干扰。

抗电压干扰电路，是包括型号为P6SMB43CA的TVS的抗电压干扰电路，对进入系统的开关量通过TVS完成抗电压干扰功能。

第一级缓冲器是四片通用缓冲器74LS245，将32个信号分为4组八路信号，总线选择信号经芯片型号为EPM3032ATC44的CPLD译码选中其中的2组数据缓冲，以满足16位的数据总线形式，32路信号开关量数据都能被系统采集，并由16位数据总线经背板总线将此信号送至采集板。

第二级缓冲器是二片通用缓冲器74LS245，对未经CPLD译码选中的另外2组数据缓冲。

采集板，包括带有SRAM、ROM的DSP模块、分别与所述DSP模块连接的采样FPGA和通讯FPGA，以及与通讯FPGA连接的CPU，CPU带有SDRAM和网口。

DSP模块的芯片型号为TMS320C6713BZDP-300，其从背板数据总线读取离散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标，在采样数据每满一个周波时，将采集的离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中。DSP模块根据计算结果与由后台软件定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件。

采样FPGA是型号为EP3C10F256I7N的FPGA，其从模拟量输入板分别采集负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出的三相电流，以及负荷建模母线出线的负荷电流，还从开关量输入板分别采集辅助负荷出线开关触点信号、辅助母联开关触点信号、辅助负荷建模母线开关触点信号，并上传给DSP模块。

通讯FPGA是型号为EP2C8的数据通信模块，用于DSP模块与CPU之间的通信，DSP模块上传给CPU相关参数计算结果，CPU下传定值给DSP模块。

CPU的芯片型号为X86，其在满足扰动触发条件时，生成负荷建模数据文件、填写标识事件结构，并将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过网口发送给监控板，每周波发送一次。

负荷建模数据文件是满足扰动触发条件的负荷建模文件，又称负荷建模标记事件文件，满足扰动触发条件如下：

1)相电压突变：

如果负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N的默认设定值4％，动作值误差不超过整定值的±30％，额定相电压值U_N默认设定值通过后台管理程序界面进行设置，可手动修改；

2)相电压越限：

整定值在90％U_N～110％U_N范围时，动作值误差应不超过整定值的±5％；

3)相电流突变：

相电流突变量整定值设为10％I_N，动作值误差应不超过整定值的±20％，其中I_N为相电流额定值；

4)相电流越限：

整定值为110％I_N时，动作值误差应不超过整定值的±5％，当满足上述4个扰动判别方式时，负荷建模装置会启动录波，并生成负荷建模数据文件。

有效负荷建模数据文件是满足负荷建模数据有效性判断原则的负荷建模文件，负荷建模数据有效性判断原则如下：

负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N默认设定值4％，而负荷建模母线及其前端主变压器的开关未跳闸且负荷出线开关也未跳闸，则只有满足负荷建模数据有效性判断原则的数据才可用于负荷建模。

标识事件结构是当满足扰动触发条件时形成的事件信息，并对事件结构体的对象进行赋值。

背板数据总线是模拟量输入板、开关量输入板、采集板、GPS对时板、监控板通过走背板的方式而形成的数据总线，背板提供各电路板的供电电源、各电路板相应的控制信号、通信接口，使各电路板完成特定的功能。

GPS对时板，包括芯片型号为EP2C8的FPGA-4、芯片型号为W77E58A40PL的对时CPU和OCXO，是系统统一的同步时钟电路，用于接收1PPS、IRIG-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，再通过FPGA-4的逻辑运算，生成高精度的1PPS、IRIG-B、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号，卫星信号消失后，能够精确守时，卫星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式。

监控板，包括带有CF卡和/或硬盘的存储器和双网口的芯片型号为EmETX-i2900的CPU处理模块，CPU处理模块还包括CPLD译码器和八路继电器，使用PCI接口到HPI的专用桥接芯片PCI9054完成HPI访问，通过ISA传送，再通过CPLD译码器，扩展八路继电器输出，监控板接收采集板的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据。

本具体实施方式采用总体测辨法，将电力负荷群作为一个整体，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集测量实时扰动数据，通过对所述实时扰动数据的采集和分析，确定符合现场实际的负荷模型结构，并根据现场采集的数据辨识出符合现场实际的负荷模型参数，依次有以下步骤：

1)模拟输入信号与外部输入的开关量信号的接收与处理：

由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入模拟量输入板的多路模拟量检测模块，对实时扰动模拟输入信号进行隔离转换、滤波、A/D转换，生成实时扰动数据，传送至背板数据总线；

开关量输入板接收外部输入的开关量信号，外部输入的信号干扰首先通过光电隔离器隔离和抗电压干扰电路处理，处理后经过第一级缓冲器、CPLD以及第二级缓冲器进入数据总线，最后将外部输入的开关量信号传送至背板数据总线；

2)打时标：

采集板的DSP模块从背板数据总线读取离散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标；

3)数据计算：

在采样数据每满一个周波时，由DSP模块将离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中；

4)负荷建模事件标识生成：

采集板的DSP模块根据计算结果与由后台管理程序定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件，如满足，则采集板的CPU生成负荷建模数据文件，并在CPU上填写标识事件结构；

5)数据发送：

采集板的CPU将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过CPU的网口发送给监控板，每周波发送一次；

6)监控板处理接收的数据：

监控板接收采集板发送的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据；

负荷建模数据格式转换包括参照GB/T22386-2008电力系统暂态数据交换通用格式标准将录波数据文件的数据转换为IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式COMTRADE，相应数据记录方式如下：

A1时段：系统大扰动开始前的数据，输出原始记录波形，记录时间为10周波；

B时段：系统扰动开始至结束整个动态过程的数据，输出原始记录波形，记录时间为500周波，采样率是1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中的一种。

数据格式转换后的负荷建模数据预处理，包括负荷母线电压、派克变换后的dq轴电压、电流，以及瞬时有功功率、无功功率计算。

负荷建模数据保存是在监控板的CF卡和/或硬盘上保存负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

负荷模型参数辨识分析，是由监控板通过阻尼最小二乘算法对静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数进行辨识分析，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，辨识的负荷模型参数越多，一方面会增加计算量，另一方面也会影响辨识精度，因为辨识参数的空间维数越多，搜索到精确解得概率就越小，只对重要参数进行辨识，而将次要参数直接用其典型值固定，以确保模型的可辨识性，提高辨识速度。

静态负荷模型的重要参数如下：

a_p：恒阻抗占有功功率的百分比；

b_p：恒电流占有功功率的百分比；

a_q：恒阻抗占无功功率的百分比；

b_q：恒电流占无功功率的百分比。

静态负荷模型的次要参数如下：

c_p：恒功率占有功功率的百分比；

c_q：恒功率占无功功率的百分比。

等值动态负荷模型的重要参数如下：

X_s：定子电抗；

S₀：初始滑差；

H：惯性时间常数。

等值动态负荷模型的次要参数如下：

R_s：定值电阻；

X_r：转子电抗；

R_r：转子电阻；

X_m：激磁电抗；

A：转矩方程常数；

B：转矩方程常数。

综合负荷模型的重要参数如下：

K_pm：动静比例系数；

X_s：定子电抗；

S₀：初始滑差；

H：惯性时间常数。

综合负荷模型的次要参数如下：

R_s：定值电阻；

X_r：转子电抗；

R_r：转子电阻；

X_m：激磁电抗；

A：转矩方程常数；

B：转矩方程常数；

a_p：恒阻抗占有功功率的百分比；

b_p：恒电流占有功功率的百分比；

a_q：恒阻抗占无功功率的百分比；

b_q：恒电流占无功功率的百分比；

c_p：恒功率占有功功率的百分比；

c_q：恒功率占无功功率的百分比。

考虑配网的综合负荷模型的重要参数如下：

K_pm：动静比例系数；

X_s：定子电抗；

S₀：初始滑差；

H：惯性时间常数；

X_D：配电网支路电抗。

考虑配网的综合负荷模型的次要参数如下：

R_D：配电网支路电阻；

R_s：定值电阻；

X_r：转子电抗；

R_r：转子电阻；

X_m：激磁电抗；

A：转矩方程常数；

B：转矩方程常数；

a_p：恒阻抗占有功功率的百分比；

b_p：恒电流占有功功率的百分比；

a_q：恒阻抗占无功功率的百分比；

b_q：恒电流占无功功率的百分比；

c_p：恒功率占有功功率的百分比；

c_q：恒功率占无功功率的百分比。

负荷模型参数保存是由监控板将静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数保存在监控板的CF卡和/或硬盘上。

7)管理机单元工作

由管理机单元完成对每台在线负荷建模装置的负荷建模数据文件的管理及离线分析，包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、负荷模型数据保存、实时监测、查看历史记录、负荷建模数据显示和打印。

负荷模型定值配置通过后台管理程序的定值配置菜单项进行，负荷模型的定值包括变电站信息、线路信息、通道信息、开关信息、负荷模型辨识参数初始值，以及采样率。

负荷模型数据保存在管理机单元的计算机硬盘上，负荷模型的数据包括负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据。

负荷建模数据显示通过后台管理程序界面显示在管理机单元的计算机显示屏上，负荷建模数据显示包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

负荷建模数据打印由管理机单元的打印机进行，负荷建模数据打印包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

包括模拟量输入板、开关量输入板、采集板、分别与所述模拟量输入板、开关量输入板、采集板连接的背板数据总线、分别与所述采集板连接的全球定位系统GPS对时板和监控板，以及通过以太网与所述监控板连接的管理机单元，所述管理机单元是嵌入式计算机，包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统，以及固化在存储器芯片或微处理器本身的负荷建模应用程序，又称后台管理程序，后台管理程序的功能包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、实时监测、查看历史记录、负荷模型数据保存、负荷建模数据显示和打印；

所述模拟量输入板，包括多路模拟量检测模块、与所述多路模拟量检测模块连接的模拟/数字A/D采样模块、分别与所述多路模拟量检测模块和A/D采样模块连接的现场可编程门阵列FPGA-1、分别设置在所述A/D采样模块和所述FPGA-1之间的缓存/隔离模块和电源检测模块，所述模拟量输入板用于接收负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出三相电流和负荷建模母线出线的负荷电流；

所述开关量输入板，包括多路光电隔离器、与所述多路光电隔离器连接的抗电压干扰电路、第一级缓冲器、复杂可编程逻辑器件CPLD，以及第二级缓冲器，所述第一级缓冲器设置在所述抗电压干扰电路与所述CPLD之间，所述第二级缓冲器设置在所述CPLD与所述背板数据总线之间，所述开关量输入板用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，所述负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，所述母联开关信号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，所述负荷建模母线上的开关信号来自外部接入的辅助负荷建模母线开关触点信号；

所述采集板，包括带有同步随机存取存储器SRAM、只读内存器ROM的数字信号处理DSP模块、分别与所述DSP模块连接的采样FPGA和通讯FPGA，以及与所述通讯FPGA连接的CPU，所述CPU带有同步动态随机存取存储器SDRAM和网口，所述DSP模块，从背板数据总线读取离 散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标，在采样数据每满一个周波时，将采集的离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中；所述DSP模块根据计算结果与由后台软件定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件，所述采样FPGA，从模拟量输入板分别采集负荷建模母线上的突变量超过设定值的三相电压、负荷建模母线对应的前端主变压器输出的三相电流，以及负荷建模母线出线的负荷电流，还从开关量输入板分别采集辅助负荷出线开关触点信号、辅助母联开关触点信号、辅助负荷建模母线开关触点信号，并上传给所述DSP模块；所述通讯FPGA是数据通信模块，用于所述DSP模块与所述CPU之间的通信，所述DSP模块上传给所述CPU相关参数计算结果，所述CPU下传定值给所述DSP模块；所述CPU在满足扰动触发条件时，生成负荷建模数据文件、填写标识事件结构，并将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过网口发送给监控板，每周波发送一次，所述负荷建模数据文件是满足扰动触发条件的负荷建模文件，又称负荷建模标记事件文件；

所述满足扰动触发条件如下：

1)相电压突变：

如果负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N的默认设定值4％，动作值误差不超过整定值的±30％，所述额定相电压值U_N默认设定值通过后台管理程序界面进行设置，可手动修改；

2)相电压越限：

整定值在90％U_N～110％U_N范围时，动作值误差应不超过整定值的±5％；

3)相电流突变：

相电流突变量整定值设为10％I_N，动作值误差应不超过整定值的±20％，其中I_N为相电流额定值；

4)相电流越限：

整定值为110％I_N时，动作值误差应不超过整定值的±5％，当满足上述4个扰动触发条件时，负荷建模装置会启动录波，并生成负荷建模数据 文件；

有效负荷建模数据文件是满足负荷建模数据有效性判断原则的负荷建模文件；

所述负荷建模数据有效性判断原则如下：

负荷建模母线上的三相电压突变量超过额定相电压值U_N默认设定值4％，而负荷建模母线及其前端主变压器的开关未跳闸且负荷出线开关也未跳闸，则只有满足所述负荷建模数据有效性判断原则的数据才可用于负荷建模；

所述标识事件结构，是当满足扰动触发条件时形成的事件信息，并对事件结构体的对象进行赋值；

所述背板数据总线是模拟量输入板、开关量输入板、采集板、GPS对时板、监控板通过走背板的方式而形成的数据总线，所述背板提供各电路板的供电电源、各电路板相应的控制信号、通信接口，使各电路板完成特定的功能；

所述GPS对时板，包括FPGA-4、对时CPU和恒温晶体振荡器OCXO，是系统统一的同步时钟电路，用于接收1PPS、靶场仪器组IRIG-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，再通过FPGA-4的逻辑运算，生成高精度的1PPS、IRIG-B、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号，卫星信号消失后，能够精确守时，卫星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式；

所述监控板，包括带有闪存CF卡和/或硬盘的存储器和双网口的CPU处理模块，所述CPU处理模块还包括CPLD译码器和八路继电器，使用外设部件互连标准PCI接口到异步接口HPI的专用桥接芯片完成HPI访问，通过工业标准结构总线ISA传送，再通过CPLD译码器，扩展所述八路继电器输出，所述监控板接收所述采集板的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据。

2.如权利要求1所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

所述多路模拟量检测模块，包括级联的模拟信号输入电路、模拟信号采样保持模块和模拟信号多路选择模块，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入所述多路模拟量检测模块，进行隔离转换、滤波，通过采样保持模块的采样开关采取当前模拟信号，由模拟信号采样保持模块对当前模拟信号进行保持；

所述A/D采样模块，将每一路实时扰动模拟信号转换为数字信号，汇总后通过背板数据总线上传给FPGA-1进行处理；

所述FPGA-1控制所述A/D采样模块将每一路模拟信号转换为16位的数字信号，并将采集数据汇总后直接上传给所述FPGA-1进行处理；

所述电源检测模块，包括级联的输入电路、滤波模块和电源多路选择模块，用于提供电源。

3.如权利要求1或2所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

所述多路光电隔离器，将外部输入电压信号量隔离转换为5V的TTL电平进入系统，以隔离外部输入信号干扰；

所述抗电压干扰电路，是包括瞬变电压抑制二极管TVS的抗电压干扰电路，对进入系统的开关量通过TVS完成抗电压干扰功能；

所述第一级缓冲器是四片通用缓冲器74LS245，将32个信号分为4组八路信号，总线选择信号经所述CPLD译码选中其中的2组数据缓冲，以满足16位的数据总线形式，32路信号开关量数据都能被系统采集，并由16位数据总线经背板总线将此信号送至采集板；

所述第二级缓冲器是二片通用缓冲器74LS245，对未经CPLD译码选中的另外2组数据缓冲。

4.如权利要求3所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

所述负荷建模数据格式转换包括参照GB/T22386-2008电力系统暂态数据交换通用格式标准将录波数据文件的数据转换为IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式COMTRADE，相应数据记录方式如下：

A1时段：系统大扰动开始前的数据，输出原始记录波形，记录时间为10周波；

B时段：系统扰动开始至结束整个动态过程的数据，输出原始记录波形，记录时间为500周波，采样率是1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中的一种。

5.如权利要求1所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

所述数据格式转换后的负荷建模数据预处理，包括负荷母线电压、派克变换后的dq轴电压、电流，以及瞬时有功功率、无功功率计算；

所述负荷建模数据保存是在所述监控板的CF卡和/或硬盘上保存负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据；

所述负荷模型参数辨识分析，是由监控板通过阻尼最小二乘算法对静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数进行辨识分析，得到选择负荷模型范围内的最优负荷模型，只对重要参数进行辨识，而将次要参数直接用其典型值固定，以确保模型的可辨识性，提高辨识速度；

所述负荷模型参数保存是由所述监控板将静态负荷模型、等值动态负荷模型、综合负荷模型、考虑配网的综合负荷模型的参数保存在监控板的CF卡和/或硬盘上。

6.如权利要求1所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

所述负荷模型定值配置通过后台管理程序的定值配置菜单项进行，所述负荷模型的定值包括变电站信息、线路信息、通道信息、开关信息、负荷模型辨识参数初始值，以及采样率；

所述负荷模型数据保存在所述管理机单元的计算机硬盘上，所述负荷模型的数据包括负荷模型参数、建模母线、建模母线的运行方式、建模母线的电压等级、建模母线的电压扰动值，以及负荷建模有效数据；

所述负荷建模数据显示通过后台管理程序界面显示在管理机单元的计算机显示屏上，所述负荷建模数据显示包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值；

所述负荷建模数据打印由管理机单元的打印机进行，所述负荷建模数 据打印包括建模母线、建模方式、负荷模型参数值，以及电压扰动值。

7.如权利要求1所述的基于实时扰动数据的负荷建模装置，其特征在于：

采用总体测辨法，将电力负荷群作为一个整体，由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集测量实时扰动数据，通过对所述实时扰动数据的采集和分析，确定符合现场实际的负荷模型结构，并根据现场采集的数据辨识出符合现场实际的负荷模型参数，依次有以下步骤：

1)模拟输入信号与外部输入的开关量信号的接收与处理：

由外部的电压互感器和电流互感器上接入装置从现场采集实时扰动模拟输入信号进入模拟量输入板的多路模拟量检测模块，对实时扰动模拟输入信号进行隔离转换、滤波、A/D转换，生成实时扰动数据，传送至背板数据总线；

开关量输入板接收外部输入的开关量信号，外部输入的信号干扰首先通过光电隔离器隔离和抗电压干扰电路处理，处理后经过第一级缓冲器、CPLD以及第二级缓冲器进入数据总线，最后将外部输入的开关量信号传送至背板数据总线；

2)打时标：

采集板的DSP模块从背板数据总线读取离散电压、电流数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标；

3)数据计算：

在采样数据每满一个周波时，由所述DSP模块将离散电压、电流数据通过数学计算，得到电压、电流的有效值，并将计算结果保存在预定义的数据结构类型中；

4)负荷建模事件标识生成：

采集板的DSP模块根据计算结果与由后台管理程序定值设置并下发到监控板的定值进行比较，判断是否满足扰动触发条件，如满足，则采集板的CPU生成负荷建模数据文件，并在CPU上填写标识事件结构；

5)数据发送：

采集板的CPU将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构、负荷建模数据文件通过CPU的网口发送给监控板，每周波发送一次；

6)监控板处理接收的数据：

监控板接收所述采集板发送的负荷建模数据，并将负荷建模数据通过网口传送到数据缓冲区，然后判断是否满足负荷建模数据有效性判断原则，如满足，则进行负荷建模数据格式转换、数据格式转换后的负荷建模数据预处理、负荷模型参数辨识分析、负荷建模数据保存和负荷模型参数保存，并通过CPU处理模块的双网口对外提供有效负荷建模数据；

7)管理机单元工作

由管理机单元完成对每台在线负荷建模装置的负荷建模数据文件的管理及离线分析，包括负荷建模文件管理、负荷模型参数辨识、模型验证、模型统计、负荷模型定值配置、负荷模型数据保存、实时监测、查看历史记录、负荷建模数据显示和打印。