CN105610360B - 一种同步发电机励磁系统参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步发电机励磁系统参数辨识方法，用于输出同步发电机励磁系统的参数θ的最优解，包括步骤：构建励磁系统仿真模型M_I；确定等价标准J；对励磁系统以信号X进行扰动试验，获取各真实响应指标Y_Ri；还包括步骤：确定Y_Ri对应的权重W_i，其中∑W_i＝1；对参数θ的值进行选取，将该参数θ的值代入M_I，并对其以信号X进行扰动试验，获取各仿真响应指标Y_Ii；计算Y_Ii与Y_Ri之间的误差e_i，若其满足等价标准J，计算误差e_i的加权值e_W；若该e_W为最小值e_Wmin，将参数θ的值作为最优解输出；其中，Y_Ri与Y_Ii的数量均为N，i＝1,2……N。本发明能够在同步发电机励磁系统的参数解集簇中找到最优解，并且在可接受的精度范围内尽量提高辨识速度。

Description

一种同步发电机励磁系统参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种系统参数辨识方法，尤其涉及一种发电机励磁系统参数辨识方法。

背景技术

同步发电机励磁系统是指向同步发电机提供励磁的所有部件的总和。励磁系统对于电力系统的电压控制与稳定运行起着十分重要的作用，因此，建立励磁系统的模型并进行精确的参数辨识是很有必要的。一方面，通过现场试验得到励磁系统对外部扰动的动态响应结果，利用自动控制原理的相关知识计算出上升时间、超调量、调节时间等阶跃响应指标，可以对励磁系统的工作性能进行考核与评估，进而为优化励磁系统的参数提供基础；另一方面，上级调度机构利用辨识得到的励磁系统数据，代入电网进行电力系统问题的仿真计算，可以监测电力系统运行状态并预测电力系统运行性能，从而为电网规划和调度提供依据。因此，对现场运行的励磁系统进行辨识试验，根据现场采集的数据进行励磁系统参数辨识是一项非常重要的工作。

目前对励磁系统的结构研究已较为完善，在电力系统分析中可以列出模型结构，只是不清楚模型中的具体参数，即励磁系统参数辨识属于典型的“灰箱”问题。一般来讲，励磁系统参数辨识的步骤如下：首先，在停机的状态下，给待辨识的真实励磁系统施加人为的阶跃信号进行现场试验，获取真实励磁系统的相应数据；然后，根据待辨识的真实励磁系统结构来进行仿真模型的搭建；最后，利用所述真实励磁系统的相应数据，应用系统辨识的基本原理，获取模型参数来估计真实系统的等效模型。在参数辨识工作结束后，还应对仿真模型进行参数校核与误差分析，仿真计算结果与实际试验结果的误差需在DL/T1167-2012《同步发电机励磁系统建模导则》(以下简称《导则》)规定的允许范围内。

有关参数辨识理论的研究已较为深入，但这些理论较为复杂，目前还没有大范围应用在生产实际中。在实际励磁系统参数辨识工作中，传统人工辨识方法的做法是：选定一组系统参数，其仿真数据输出结果与实际试验结果的误差在标准允许的范围之内，即认为该组参数可以代表机组励磁系统实际参数。这种参数辨识方法比较简单且易操作，在很长一段时间内得到了广泛的应用。

但是传统人工辨识方法存在着一定的缺陷。一方面，从给定待辨识参数初值到根据仿真结果进行参数调整的过程主要根据工作人员的技术经验，对资深专家的依赖性较强，缺乏经验的新员工很难根据仿真输出结果判断应该增加或减小哪个参数；另一方面，当一组参数调整到输出符合标准规定的误差时，即认为该组参数已能代表机组励磁系统的实际参数，但该组参数只是参数解集簇中的一个解，该解不一定是最优解，可能存在另一组参数可以使仿真误差更小。如何在参数解集簇中找到最优解，是一个需要解决的问题。

系统辨识的实质为数据拟合的优化，其原理如图1所示。其中，M_R为待辨识系统真实模型，M_I为待辨识系统仿真模型。M_R和M_I在相同的激励信号X的作用下，分别产生真实输出信号Y_R和仿真输出信号Y_I，这两者之间误差为e。规定等价标准J，参数辨识就是通过特定的辨识算法的计算，修正模型参数θ，使误差e小于等价标准J，θ即可认为是模型的真实参数。在满足等价标准J的所有θ簇中，使误差e最小的模型参数θ_e是参数辨识的最优解。如何快速准确地找到最优解是参数辨识理论的主要内容。

根据辨识理论，辨识算法可分为经典传统辨识算法和现代智能辨识算法两类。经典辨识算法又分为时域辨识算法与频域辨识算法两大类。时域辨识算法包括最小二乘法、状态滤波法、矩形脉冲函数法、分段线性多项式函数法等；频域辨识算法包括快速傅里叶变换法、频率响应法等；智能辨识算法包括粒子群算法、遗传算法、神经网络算法、禁忌算法等。总体来说，智能辨识算法在速度和精度两方面对经典辨识算法进行了不同程度的改进，但是速度和精度两方面本身是矛盾的，若要追求高精度必然要牺牲速度为代价，因此需要对算法进行优化，在可接受的精度范围内尽量提高辨识速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步发电机励磁系统参数辨识方法，其能够在同步发电机励磁系统的参数解集簇中找到最优解，并且在可接受的精度范围内尽量提高辨识速度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种同步发电机励磁系统参数辨识方法，该方法用于输出同步发电机励磁系统的参数θ的最优解，包括步骤：构建所述同步发电机励磁系统的励磁系统仿真模型M_I；确定等价标准J；对所述同步发电机励磁系统以信号X作为扰动信号进行扰动试验，获取各真实响应指标Y_Ri；还包括步骤：确定各真实响应指标Y_Ri对应的权重W_i，其中∑W_i＝1；以及

S1、对所述参数θ的值进行选取，将该参数θ的值代入所述励磁系统仿真模型M_I，并对该励磁系统仿真模型M_I以所述信号X作为扰动信号进行扰动试验，获取各仿真响应指标Y_Ii；

S2、计算各仿真响应指标Y_Ii与各真实响应指标Y_Ri之间的误差e_i，若该误差e_i满足等价标准J，则进入步骤S3，否则返回步骤S1；

S3、基于所述权重W_i计算所述误差e_i的加权值e_W，其中e_W＝∑e_i·W_i；若该e_W为最小值e_{W min}，则进入步骤S4，否则返回步骤S1；

S4、将所述参数θ的值作为最优解输出；

其中，各真实响应指标Y_Ri与各仿真响应指标Y_Ii的数量均为N，i＝1,2……N。

本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法的构思是，利用导则约束和最优解约束两步判定来寻找参数θ的最优解；其中，导则约束用于使误差e_i保持在可接受的精度范围内；最优解约束用于提高辨识速度。

具体来说，所述导则约束反映在步骤S2中，即用《导则》中的等价标准J来约束误差e_i，使之保持在可接受的精度范围内，从而平衡了精度和速度，优化了算法；所述最优解约束反映在步骤S3中，即用加权法将N个误差e_i统一用单个加权值e_W进行衡量，从而简化了算法，提高了辨识速度，同时也方便了根据对各误差e_i重要度的要求的不同而对其赋予相应的不同的权重W_i，从而很好地满足了用户的实际需求。

在描述进一步的技术方案前，下面对本发明涉及的概念和原理再作一些补充以帮助理解本发明。

关于最优解概念：

目前通常通过对比仿真模型与实际模型的阶跃响应指标来进行励磁系统的参数辨识工作。根据自动控制原理的有关知识，阶跃响应指标主要包括上升时间、超调量、调节时间、稳定时间、振荡次数等。根据《导则》，其中上升时间、超调量、调节时间这三项是必须校核的项目，稳定时间和振荡次数是可选校核项目。在所述三个必须校核指标中，上升时间反映系统响应初始阶段的快慢，超调量反映系统响应过程的平稳性，稳定时间反映过渡过程持续时间，从总体上反映了系统的快速性。由此可见，这三个指标分别从不同角度对阶跃响应进行了评价。励磁系统阶跃响应的这三项指标在电力系统调节中也有着不同的意义，在电力系统发生扰动时，上升时间小的励磁系统能较早感知并采取调整措施，超调量小的励磁系统能进行平稳调节以免对电网造成二次扰动，调节时间小的励磁系统则能尽快完成励磁调节过程。在进行电力系统调度时，某个指标的仿真值越准确，电网整体调节效果越会偏向相应指标。因此，当追求不同调节效果时，系统参数的最优解也必然不同。统计学认为，在计算若干个数量的平均数等指标时，为了考虑到每个数量在总量中所具有的重要性不同可以给予不同的权重，这样的做法就叫加权法。如果指定调度更加关心的一个指标为优先指标，并在拟合的过程中优先满足该指标，选择出使该指标的仿真误差最小，同时其余指标满足标准的一组参数为最优解。考虑到实际情况需要兼顾三个指标而不能过于偏向其中一个，因此采用加权法来计算约束条件。

关于本发明的数学模型：

本发明的思想就是通过导则约束和最优解约束这两步判定来选择最优参数。导则约束是指仿真模型与实际模型的输出的误差e_i需满足《导则》标准规定的误差允许范围内；最优解约束是指根据实际需求(例如调度的需求)确定各项指标的优先级(通过权重W_i体现)，使加权误差e_W达到最小值。

设系统模型参数为θ时，各项指标的仿真值与试验值的误差为e_i，即e_i是θ的函数：

e_i＝F(θ)；

根据需求，各项指标的权重分别为W_i，则指标误差加权值为：

e_W＝∑e_i·W_i；

其中权重满足∑W_i＝1。本发明以上述方程为判定函数，旨在寻找判定函数达到最小值时相对应的系统模型参数θ_opt：

e_{W min}＝min(e_W)

θ_opt＝H(e_{W min})；

因此，最优解判定原则的数学模型为：

其须满足两个约束条件：一为导则约束，二为最优解约束，

导则约束通常为等价标准J：

其中，t_UP为上升时间等价标准，M_P为超调量等价标准，t_s为调节时间等价标准；

最优解约束为：

下面描述本发明进一步的技术方案。

进一步地，在本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法中，所述信号X为阶跃信号。

目前通常通过对比仿真模型与实际模型的阶跃响应指标来进行励磁系统的参数辨识。

更进一步地，在上述同步发电机励磁系统参数辨识方法的一个实施例中，所述数量N为3，所述各真实响应指标Y_Ri包括真实上升时间Y_R1、真实超调量Y_R2以及真实调节时间Y_R3，各仿真响应指标Y_Ii包括仿真上升时间Y_I1、仿真超调量Y_I2以及仿真调节时间Y_I3；所述误差e_i包括真实上升时间Y_R1与仿真上升时间Y_Ii之间的上升时间误差e₁、真实超调量Y_R2与仿真超调量Y_I2之间的超调量误差e₂以及真实调节时间Y_R3与仿真调节时间Y_I3之间的调节时间误差e₃；所述权重W_i包括上升时间权重W₁、超调量权重W₂以及调节时间权重W₃。

阶跃响应指标主要包括上升时间、超调量、调节时间、稳定时间、振荡次数等，根据《导则》，其中上升时间、超调量、调节时间这三项是必须校核的项目。

根据《导则》，优选地，在上述同步发电机励磁系统参数辨识方法中，所述等价标准J为：

其中，t_UP为上升时间等价标准，M_P为超调量等价标准，t_s为调节时间等价标准；所述误差e_i满足等价标准J是指上升时间误差e₁、超调量误差e₂以及调节时间误差e₃同时分别对应满足上升时间等价标准t_UP、超调量等价标准M_P以及调节时间等价标准t_s。

可选地，在上述同步发电机励磁系统参数辨识方法的另一实施例中，所述数量N为5，所述各真实响应指标Y_Ri还包括真实稳定时间Y_R4和真实振荡次数Y_R5，各仿真响应指标Y_Ii还包括仿真稳定时间Y_I4和仿真振荡次数Y_I5；所述误差e_i还包括真实稳定时间Y_R4与仿真稳定时间Y_I4之间的稳定时间误差e₄和真实振荡次数Y_R5与仿真振荡次数Y_I5之间的振荡次数误差e₅；所述权重W_i还包括稳定时间权重W₄和振荡次数权重W₅。

根据《导则》，稳定时间和振荡次数是可选校核项目。

进一步地，在本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法中，所述参数θ包括比例参数K_p和积分参数K_i。

所述参数θ通常为控制环节PI参数，因此包括比例参数K_p和积分参数K_i。

本发明的同步发电机励磁系统参数辨识方法具有以下优点：

(1)由于引入了最优解约束，使得本发明方法的各项指标误差e_i都比传统人工辨识方法更小，因而辨识结果更优；

(2)传统人工辨识方法在选值时定性达到仿真曲线形状与试验曲线一致，定量达到《导则》规定的误差范围，就认为该组参数可以代表机组励磁系统的实际参数，但这种方法只是为了满足工程需要，对资深专家的依赖性较深，并且由于人眼存在视觉误差，靠人工判断仿真曲线形状拟合程度是不完善的；本发明方法以最小值e_{W min}确定最优解，具有更好的准确性和鲁棒性，在工程中有着一定的优越性和实际应用价值；

(3)本发明综合使用导则约束和最优解约束，导则约束使误差e_i保持在可接受的精度范围内，从而平衡了精度和速度，优化了算法；最优解约束利用加权法简化了算法，提高了辨识速度，同时也方便了根据对各误差e_i重要度的要求的不同而对其赋予相应的不同的权重W_i，从而很好地满足了用户的实际需求。

附图说明

图1为系统辨识原理图。

图2为本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法在一种实施方式下的流程图。

图3为本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法在一种实施方式下构建的励磁系统仿真模型框图。

图4为传统人工辨识方法在一种实施方式下励磁系统与辨识后的励磁系统仿真模型的扰动试验响应曲线的对比图。

图5为本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法在一种实施方式下励磁系统与辨识后的励磁系统仿真模型的扰动试验响应曲线的对比图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法作出进一步的解释和说明。

本实施例中，待辨识的同步发电机励磁系统采用交流无刷励磁方式，采用Alstom励磁控制器，待辨识参数θ为控制环节PI参数，包括比例参数K_p和积分参数K_i，扰动试验的扰动信号X为阶跃信号，响应指标考察上升时间、超调量以及调节时间三个，即响应指标数量N取3，因此，本实施例中i＝1,2,3。

图2示意了本发明所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法在一种实施方式下的流程。

如图2所示，本实施例的方法对上述待辨识的同步发电机励磁系统的参数θ进行辨识，输出其最优解，包括步骤：

A1、对待辨识的同步发电机励磁系统以阶跃信号X作为扰动信号进行空载扰动试验，获取各真实响应指标Y_Ri，包括真实上升时间Y_R1、真实超调量Y_R2以及真实调节时间Y_R3，其数值见表1。

A2、规则制定，包括：

如图3，构建待辨识的同步发电机励磁系统的励磁系统仿真模型M_I；

确定等价标准J为

其中，t_UP为上升时间等价标准，M_P为超调量等价标准，t_s为调节时间等价标准；

确定各真实响应指标Y_Ri对应的权重W_i，包括上升时间权重W₁、超调量权重W₂以及调节时间权重W₃，本实施例中，上升时间权重W₁设为0.5，超调量权重W₂设为0.4，调节时间权重W₃设为0.1，符合∑W_i＝1。

A3、参数调整，包括：

对参数θ的值进行选取，将该参数θ的值代入所述励磁系统仿真模型M_I。

A4、标准判定，包括：

对励磁系统仿真模型M_I以阶跃信号X作为扰动信号进行扰动试验，获取各仿真响应指标Y_Ii，包括仿真上升时间Y_I1、仿真超调量Y_I2以及仿真调节时间Y_I3，其数值见表1；

计算各仿真响应指标Y_Ii与各真实响应指标Y_Ri之间的误差e_i，包括真实上升时间Y_R1与仿真上升时间Y_Ii之间的上升时间误差e₁、真实超调量Y_R2与仿真超调量Y_I2之间的超调量误差e₂以及真实调节时间Y_R3与仿真调节时间Y_I3之间的调节时间误差e₃，其数值见表2；若该误差e_i满足等价标准J，即上升时间误差e₁、超调量误差e₂以及调节时间误差e₃同时分别对应满足上升时间等价标准t_UP、超调量等价标准M_P以及调节时间等价标准t_s，则进入步骤A5，否则返回步骤A3。

A5、最优解判定，包括：

基于权重W_i计算误差e_i的加权值e_W，其中e_W＝∑e_i·W_i，其数值见表2；

若该e_W为最小值e_{W min}，其数值见表2，则进入步骤A6，否则返回步骤A3；

A6、输出参数θ,包括优化比例参数K_p和优化积分参数K_i，其数值见表1。

同时，本实施例还给出用传统人工辨识方法对待辨识的同步发电机励磁系统的参数θ进行辨识的相关数据，并将其与本发明方法得到的相关数据进行比较，同时，在优化辨识结果附近选取两组对照参数作为对照验证，见表1和表2。

表1励磁系统参数辨识结果

表2励磁系统参数辨识误差分析

图4对比显示了本实施例给出的传统人工辨识方法中励磁系统与辨识后的励磁系统仿真模型的扰动试验响应曲线；图5对比显示了本实施例的同步发电机励磁系统参数辨识方法中励磁系统与辨识后的励磁系统仿真模型的扰动试验响应曲线。

通过对比传统人工辨识方法和本实施例方法的误差指标可知，两种方法辨识得到的结果都符合《导则》标准的规定，在电力系统仿真计算中都可以代替励磁系统的实际参数。但是本实施例方法的各项指标误差都比传统人工辨识方法更小，因而辨识结果更优。同时可以注意到，从辨识图像上直观来看，传统人工辨识方法得到的仿真数据拟合似乎更加精确，但实际各项指标误差却更大，这是由人眼的视觉误差所导致。由此可见，从指标数据来看，仅仅做形状拟合是不完善的，这也从侧面反映了本实施例方法的准确性。

传统人工辨识方法在选值时定性达到仿真曲线形状与试验曲线一致，定量达到《导则》规定的误差范围，就认为该组参数可以代表机组的实际参数。但这种方法只是为了满足工程需要，对资深专家的依赖性较深。经过本实施例验证，本发明提出的同步发电机励磁系统参数辨识方法具有更好的准确性和鲁棒性，在工程中有着一定的优越性和实际应用价值。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种同步发电机励磁系统参数辨识方法，该方法用于输出同步发电机励磁系统的参数θ的最优解，参数θ是控制环节PI参数，所述方法包括步骤：构建所述同步发电机励磁系统的励磁系统仿真模型M_I；确定等价标准J；对所述同步发电机励磁系统以信号X作为扰动信号进行扰动试验，获取各真实响应指标Y_Ri；其特征在于，还包括步骤：确定各真实响应指标Y_Ri对应的权重W_i，其中∑W_i＝1；以及

S1、对所述参数θ的值进行选取，将该参数θ的值代入所述励磁系统仿真模型M_I，并对该励磁系统仿真模型M_I以所述信号X作为扰动信号进行扰动试验，获取各仿真响应指标Y_Ii；

S2、计算各仿真响应指标Y_Ii与各真实响应指标Y_Ri之间的误差e_i，若该误差e_i满足等价标准J，则进入步骤S3，否则返回步骤S1；

S3、基于所述权重W_i计算所述误差e_i的加权值e_W，其中e_W＝∑e_i·W_i；若该e_W为最小值e_Wmin，则进入步骤S4，否则返回步骤S1；

S4、将所述参数θ的值作为最优解输出；

其中，各真实响应指标Y_Ri与各仿真响应指标Y_Ii的数量均为N，i＝1,2……N；

其中，所述数量N为3时；所述各真实响应指标Y_Ri包括真实上升时间Y_R1、真实超调量Y_R2以及真实调节时间Y_R3；各仿真响应指标Y_Ii包括仿真上升时间Y_I1、仿真超调量Y_I2以及仿真调节时间Y_I3；

所述误差e_i包括真实上升时间Y_R1与仿真上升时间Y_Ii之间的上升时间误差e₁、真实超调量Y_R2与仿真超调量Y_I2之间的超调量误差e₂，以及真实调节时间Y_R3与仿真调节时间Y_I3之间的调节时间误差e₃；所述权重W_i包括上升时间权重W₁、超调量权重W₂以及调节时间权重W₃。

2.如权利要求1所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法，其特征在于，所述信号X为阶跃信号。

3.如权利要求2所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法，其特征在于，所述等价标准J为：

其中，t_UP为上升时间等价标准，M_P为超调量等价标准，t_s为调节时间等价标准；所述误差e_i满足等价标准J是指上升时间误差e₁、超调量误差e₂以及调节时间误差e₃同时分别对应满足上升时间等价标准t_UP、超调量等价标准M_P以及调节时间等价标准t_s。

4.如权利要求2所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法，其特征在于，所述数量N替换为5时，所述各真实响应指标Y_Ri还包括真实稳定时间Y_R4和真实振荡次数Y_R5，各仿真响应指标Y_Ii还包括仿真稳定时间Y_I4和仿真振荡次数Y_I5；所述误差e_i还包括真实稳定时间Y_R4与仿真稳定时间Y_I4之间的稳定时间误差e₄和真实振荡次数Y_R5与仿真振荡次数Y_I5之间的振荡次数误差e₅；所述权重W_i还包括稳定时间权重W₄和振荡次数权重W₅。

5.如权利要求1所述的同步发电机励磁系统参数辨识方法，其特征在于，所述参数θ包括比例参数K_p和积分参数K_i。