CN103631991A - 原动机调速系统参数辨识系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原动机调速系统参数辨识系统及方法，包括数据处理模块和参数辨识模块；所述数据处理模块，用于读取原动机调速系统扰动试验中所需要辨识的输入输出数据，将数据进行处理，得到扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据；所述参数辨识模块，用于根据数据处理模块所自动截取的参数辨识所需的数据，辨识出惯性环节时间常数T。本发明实现了原动机调速系统参数辨识的整个过程，通过实验的方法，辨识出系统的参数，了解机组的运行状况，分析系统性能。
Description
技术领域
本发明属于电力系统原动机调速系统的网级和厂级技术领域，涉及一种原动机调速系统参数辨识系统及方法。
背景技术
电能质量与人民的生活，工农业生产息息相关，紧密相连。在我国经济持续稳健发展的今天，电网负荷不断增大，特别是冲击性、非线性负荷的不断增长，使电网频率波动，电压波形畸变，电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题日益突出。频率是评价电能质量的重要指标，频率超过允许范围会影响电力系统、发电机组安全运行，影响用户的安全及企业的经济效益，更严重的波动会造成对电网的严重冲击甚至使电网崩溃。随着电网中风电、光伏等新能源大规模接入，直流外送功率不断增大，大容量机组并网发电，电网频率安全问题愈加凸显。为进一步提升电网抵御频率扰动能力，保障电网安全，进行机组一次调频及参数辩识研究工作，对于提高电网负荷变化时的频率响应能力，保证电网频率在允许范围之内运行，确保高质量的电力供应具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原动机调速系统参数辨识系统及方法；该系统包括数据处理模块和参数辨识模块两大部分。第一部分是数据处理，计算机读取出所需要辨识的输入输出数据，将数据根据需要进行处理分析，最终得到符合参数辨识模块要求的数据形式。第二部分是参数辨识，该部分通过参数辨识算法，辨识出系统参数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
原动机调速系统参数辨识系统，包括数据处理模块和参数辨识模块；
所述数据处理模块，用于读取原动机调速系统扰动试验中所需要辨识的输入输出数据，将数据进行处理，得到扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据；
所述参数辨识模块，用于根据数据处理模块所自动截取的参数辨识所需的数据，辨识出惯性环节时间常数T。
本发明进一步的改进在于：数据处理模块对读取原动机调速系统扰动试验中所需要辨识的输入输出数据进行处理包括以下步骤：
1.1）、对原动机调速系统待辨识数据进行扰动前、扰动中及扰动后三段滤波，确定待辨识数据扰动开始的基准点x0和完成点x'；
1.2）、通过求驻点的方法求得待辨识数据扰动开始的基准点x'0和完成点x"；
1.3）、按照下式确定最终扰动的基准点X0和完成点X`：
通过扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据。
本发明进一步的改进在于：步骤1.1）的具体步骤为：设原动机调速系统待辨识数据的波动范围为Δy；对待辨识数据扰动前的稳定部分进行算术平均滤波，若平均值在波动范围Δy之内，则用滤波后的平均值代替原有值；若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，可以确定此点就是待辨识数据变动点，即系统的基准点x0；以基准点为新的起点，继续用平均值且均值在Δy之内的方法，求取待辨识数据扰动过程中的滤波数据，若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，记此点为x'，该点即为扰动完成点；又以待辨识数据扰动完成点x'为新的起点，对该段待辨识数据再次用算术平均滤波算法进行处理，此部分则为扰动完成后的稳态部分。
本发明进一步的改进在于：参数辨识模块根据数据处理模块所自动截取的参数辨识所需的数据，辨识出惯性环节时间常数T的步骤具体如下：
2.1）、读取基准点X0至完成点X`之间的待辨识数据；
2.2）、将步骤2.1）读取的待辨识数据归一化；
2.3）、设置搜索空间：在设置待辨识数据寻优空间的时候，截取的用于参数辨识的待辨识数据范围的2～3倍；
2.4）、设置待辨识数据寻优步长：待辨识数据寻优步长依据扰动试验时数据的采样点数确定，取扰动试验一个采样周期的采样点数的0.25～1.0倍；
2.5）、在待辨识数据的寻优范围内将每一个待辨识数据代入寻优计算（一阶惯性环节系统计算），计算出与此待辨识数据值对应的寻优系统输出（一阶惯性环节系统输出）；
2.6）、计算每一个寻优系统输出与实际系统输出的差的平方；
2.7）、对一个循环内第2.6）步求和；
2.8）、计算待辨识数据范围内的每个待辨识数据值对应的第2.7）步的和；
2.9）、计算第2.8）步的最小值，并计算此值对应的系统待辨识数据T的值。
本发明进一步的改进在于：步骤2.2）中归一化的方法具体为：将有量纲的表达式经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量；
具体方法采用下式进行最值归一化：
其中，为归一化后的输入数据，xi为归一化前的输入数据，xmax为归一化前的最大值，xmin为归一化前的最小值；将归一化后的数据保存，以待后续使用。
原动机调速系统参数辨识方法，包括以下步骤：
1.1）、对原动机调速系统待辨识数据进行扰动前、扰动中及扰动后三段滤波，确定待辨识数据扰动开始的基准点x0和完成点x'；
1.2）、通过求驻点的方法求得待辨识数据扰动开始的基准点x'0和完成点x"；
1.3）、按照下式确定最终扰动的基准点X0和完成点X`：
通过扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据；
2.1）、读取基准点X0至完成点X`之间的待辨识数据；
2.2）、将步骤2.1）读取的待辨识数据归一化；
2.3）、设置搜索空间：在设置待辨识数据寻优空间的时候，截取的用于参数辨识的待辨识数据范围的2～3倍；
2.4）、设置待辨识数据寻优步长：待辨识数据寻优步长依据扰动试验时数据的采样点数确定，取扰动试验一个采样周期的采样点数的0.25～1.0倍；
2.5）、在待辨识数据的寻优范围内将每一个待辨识数据代入寻优计算（一阶惯性环节系统计算），计算出与此待辨识数据值对应的寻优系统输出（一阶惯性环节系统输出）；
2.6）、计算每一个寻优系统输出与实际系统输出的差的平方；
2.7）、对一个循环内第2.6）步求和；
2.8）、计算待辨识数据范围内的每个待辨识数据值对应的第2.7）步的和；
2.9）、计算第2.8）步的最小值，并计算此值对应的系统待辨识数据T的值。
本发明进一步的改进在于：步骤2.2）中归一化的方法具体为：将有量纲的表达式经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量；
具体方法采用下式进行最值归一化：
其中，为归一化后的输入数据，xi为归一化前的输入数据，xmax为归一化前的最大值，xmin为归一化前的最小值；将归一化后的数据保存，以待后续使用。
本发明进一步的改进在于：步骤1.1）的具体步骤为：设原动机调速系统待辨识数据的波动范围为Δy；对待辨识数据扰动前的稳定部分进行算术平均滤波，若平均值在波动范围Δy之内，则用滤波后的平均值代替原有值；若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，可以确定此点就是待辨识数据变动点，即系统的基准点x0；以基准点为新的起点，继续用平均值且均值在Δy之内的方法，求取待辨识数据扰动过程中的滤波数据，若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，记此点为x'，该点即为扰动完成点；又以待辨识数据扰动完成点x'为新的起点，对该段待辨识数据再次用算术平均滤波算法进行处理，此部分则为扰动完成后的稳态部分。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
原动机调速系统参数辨识系统的数据处理部分，数据截取采用手动截取和自动截取两种截取方法，都能截取响应数据，都能起到压缩数据量、减少冗余数据的作用。自动截取不需要人为确定数据响应段，操作简单，适用于有明显变化的数据段的数据截取。原动机调速系统参数辨识系统通过对输入输出数据进行参数辨识，辨识出系统参数。按照系统的输入信号和辨识出的参数以及系统模型仿真计算出系统的输出，系统输出能较好的跟随原系统输出，辨识效果较好，达到了最终的系统设计目的。本发明系统结构简单，运行稳定，并且制造成本低。
本发明实现了原动机调速系统参数辨识的整个过程，通过实验的方法，辨识出系统的参数，了解机组的运行状况，分析系统性能。通过辨识出的参数，可以对系统进行更进一步的仿真分析，建立更准确的数学模型；可以进行系统预测，掌握系统规律和趋势，预先做出决策，采取措施；可以进行系统设计和控制，使得系统各部分特性符合系统要求；可以进行系统分析、故障诊断，根据参数范围，判断系统故障，调整控制系统中有关变量。对于保证电网频率的稳定，提高电网运行的安全性和稳定性，促进电网的快速发展具有重要的意义。
附图说明
图1是原动机调速系统参数辨识系统中数据自动截取流程图。
图2是最小二乘参数辨识流程图。
图3是空间搜索寻优的参数辨识流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1至图3所示，本发明原动机调速系统参数辨识系统，包括数据处理模块和参数辨识模块两大部分；第一部分是数据处理模块，用于通过计算机读取出所需要辨识的输入输出数据，将数据根据需要进行处理分析，最终得到符合参数辨识模块要求的数据形式；第二部分是参数辨识模块，该部分通过参数辨识算法，辨识出系统参数T。
参见图1，数据处理模块对采集的原动机调速系统的需要辨识的输入输出数据进行处理，包括以下步骤：
（1）对原动机调速系统待辨识数据进行扰动前、扰动中及扰动后三段滤波，确定待辨识数据扰动开始的基准点和完成点。设原动机调速系统待辨识数据的波动范围为Δy；对待辨识数据扰动前的稳定部分进行算术平均滤波，若平均值在波动范围Δy之内，则用滤波后的平均值代替原有值；若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，可以确定此点就是待辨识数据变动点，即系统的基准点x0；以基准点为新的起点，继续用平均值且均值在Δy之内的方法，求取待辨识数据扰动过程中的滤波数据，若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，说明待辨识数据扰动完成且系统再次进入稳定状态，即完成了扰动及响应过程，记此点为x'，改点即为扰动完成点；又以待辨识数据扰动完成点x'为新的起点，对该段待辨识数据再次用算术平均滤波算法进行处理，此部分则为扰动完成后的稳态部分。
（2）步骤（1）是通过控制波动范围来选择扰动基准点和完成点的，同时也可以通过总体算术平均滤波，扰动前后都是平滑的曲线，只有在扰动过程中会出现跳变，因此可以通过求驻点(即一阶导数f'(x)=0的点)求得x0和x'。采用这种方法计算较为快速，适合于在稳定阶段变化相对平稳的数据，如果整个数据的波动范围大，由于是整体计算均值，可能求得的扰动基准点x'0、完成点x"与真值偏差较大。为了准确无误的得到系统所需要的结果，可以将两种算法同时使用，取二者与给定值差的绝对值最小的点作为扰动基准点和完成点。
（3）设扰动基准点和完成点给定值分别为Δ0和Δ'，则按照下式确定最终扰动的基准点和完成点：
通过扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据。
参见图2，由于本发明参数辨识的目标为已知模型
即其微分方程为
模型及公式中T为惯性环节时间常数，y(t)为输出信号函数，x(t)为输入信号函数。微分方程与差分方程是相当的，由于计算机是按区间Δt划分的变量离散值来进行运算，所以需将变量的微分做某种近似，即有
Δt即数据采样周期T0，于是微分方程转换为差分方程：
此时便可采用最小二乘法进行参数辨识。
参见图3，参数辨识模块基于空间搜索寻优的参数辨识步骤：
（1）读取基准点X0至完成点X`之间的待辨识数据，并将数据读入计算机内存。
（2）将步骤（1）读取的待辨识数据归一化，即将有量纲的表达式经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量；具体方法采用最值归一化方法：其中，
为归一化后的输入数据，xi为归一化前的输入数据，xmax为归一化前的最大值，xmin为归一化前的最小值。将归一化后的数据存入计算机内存，以待后续辨识搜索使用。
（3）设置搜索空间：在设置待辨识数据寻优空间的时候，适当扩大寻优范围，一般为截取的用于参数辨识的待辨识数据范围的2～3倍，确保寻优不丢失。
（4）设置待辨识数据寻优步长，即设定寻优的计算精度，以设置的步长逐步计算。待辨识数据寻优步长依据扰动试验时数据的采样点数确定，一般取一个采样周期的采样点数的0.25～1.0倍。
（5）在待辨识数据的寻优范围内将每一个待辨识数据代入寻优计算，计算出与此待辨识数据值对应的寻优系统输出。
（6）计算每一个寻优系统输出与实际系统输出的差的平方。
（7）对一个循环内第（6）步求和。
（8）计算待辨识数据范围内的每个待辨识数据值对应的第（7）步的和。
（9）计算第（8）步的最小值，并计算此值对应的系统待辨识数据T的值。
Claims (8)
1.原动机调速系统参数辨识系统，其特征在于，包括数据处理模块和参数辨识模块；
所述数据处理模块，用于读取原动机调速系统扰动试验中所需要辨识的输入输出数据，将数据进行处理，得到扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据；
所述参数辨识模块，用于根据数据处理模块所自动截取的参数辨识所需的数据，辨识出惯性环节时间常数T。
2.根据权利要求1所述的原动机调速系统参数辨识系统，其特征在于，数据处理模块对读取原动机调速系统扰动试验中所需要辨识的输入输出数据进行处理包括以下步骤：
1.1）、对原动机调速系统待辨识数据进行扰动前、扰动中及扰动后三段滤波，确定待辨识数据扰动开始的基准点x0和完成点x'；
1.2）、通过求驻点的方法求得待辨识数据扰动开始的基准点x'0和完成点x"；
1.3）、按照下式确定最终扰动的基准点X0和完成点X`：
通过扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据。
3.根据权利要求2所述的原动机调速系统参数辨识系统，其特征在于，步骤1.1）的具体步骤为：设原动机调速系统待辨识数据的波动范围为Δy；对待辨识数据扰动前的稳定部分进行算术平均滤波，若平均值在波动范围Δy之内，则用滤波后的平均值代替原有值；若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，可以确定此点就是待辨识数据变动点，即系统的基准点x0；以基准点为新的起点，继续用平均值且均值在Δy之内的方法，求取待辨识数据扰动过程中的滤波数据，若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，记此点为x'，该点即为扰动完成点；又以待辨识数据扰动完成点x'为新的起点，对该段待辨识数据再次用算术平均滤波算法进行处理，此部分则为扰动完成后的稳态部分。
4.根据权利要求1所述的原动机调速系统参数辨识系统，其特征在于，参数辨识模块根据数据处理模块所自动截取的参数辨识所需的数据，辨识出惯性环节时间常数T的步骤具体如下：
2.1）、读取基准点X0至完成点X`之间的待辨识数据；
2.2）、将步骤2.1）读取的待辨识数据归一化；
2.3）、设置搜索空间：在设置待辨识数据寻优空间的时候，截取的用于参数辨识的待辨识数据范围的2～3倍；
2.4）、设置待辨识数据寻优步长：待辨识数据寻优步长依据扰动试验时数据的采样点数确定，取扰动试验一个采样周期的采样点数的0.25～1.0倍；
2.5）、在待辨识数据的寻优范围内将每一个待辨识数据代入寻优计算，计算出与此待辨识数据值对应的寻优系统输出；
2.6）、计算每一个寻优系统输出与实际系统输出的差的平方；
2.7）、对一个循环内第2.6）步求和；
2.8）、计算待辨识数据范围内的每个待辨识数据值对应的第2.7）步的和；
2.9）、计算第2.8）步的最小值，并计算此值对应的系统待辨识数据T的值。
5.根据权利要求4所述的原动机调速系统参数辨识系统，其特征在于，步骤2.2）中归一化的方法具体为：将有量纲的表达式经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量；
具体方法采用下式进行最值归一化：
其中，
为归一化后的输入数据，xi为归一化前的输入数据，xmax为归一化前的最大值，xmin为归一化前的最小值；将归一化后的数据保存，以待后续使用。
6.原动机调速系统参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1）、对原动机调速系统待辨识数据进行扰动前、扰动中及扰动后三段滤波，确定待辨识数据扰动开始的基准点x0和完成点x'；
1.2）、通过求驻点的方法求得待辨识数据扰动开始的基准点x'0和完成点x"；
1.3）、按照下式确定最终扰动的基准点X0和完成点X`：
通过扰动最终的基准点X0和完成点X`，自动截取出扰动基准点X0至完成点X`之间数据作为参数辨识所需的数据；
2.1）、读取基准点X0至完成点X`之间的待辨识数据；
2.2）、将步骤2.1）读取的待辨识数据归一化；
2.3）、设置搜索空间：在设置待辨识数据寻优空间的时候，截取的用于参数辨识的待辨识数据范围的2～3倍；
2.4）、设置待辨识数据寻优步长：待辨识数据寻优步长依据扰动试验时数据的采样点数确定，取扰动试验一个采样周期的采样点数的0.25～1.0倍；
2.5）、在待辨识数据的寻优范围内将每一个待辨识数据代入寻优计算，计算出与此待辨识数据值对应的寻优系统输出；
2.6）、计算每一个寻优系统输出与实际系统输出的差的平方；
2.7）、对一个循环内第2.6）步求和；
2.8）、计算待辨识数据范围内的每个待辨识数据值对应的第2.7）步的和；
2.9）、计算第2.8）步的最小值，并计算此值对应的系统待辨识数据T的值。
7.根据权利要求6所述的原动机调速系统参数辨识方法，其特征在于，步骤2.2）中归一化的方法具体为：将有量纲的表达式经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量；
具体方法采用下式进行最值归一化：
其中，
为归一化后的输入数据，xi为归一化前的输入数据，xmax为归一化前的最大值，xmin为归一化前的最小值；将归一化后的数据保存，以待后续使用。
8.根据权利要求6所述的原动机调速系统参数辨识方法，其特征在于，步骤1.1）的具体步骤为：设原动机调速系统待辨识数据的波动范围为Δy；对待辨识数据扰动前的稳定部分进行算术平均滤波，若平均值在波动范围Δy之内，则用滤波后的平均值代替原有值；若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，可以确定此点就是待辨识数据变动点，即系统的基准点x0；以基准点为新的起点，继续用平均值且均值在Δy之内的方法，求取待辨识数据扰动过程中的滤波数据，若滤波值突然跳变到波动范围Δy之外，记此点为x'，该点即为扰动完成点；又以待辨识数据扰动完成点x'为新的起点，对该段待辨识数据再次用算术平均滤波算法进行处理，此部分则为扰动完成后的稳态部分。
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