CN107402334B - 电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法与系统 - Google Patents

电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法与系统，该系统包括：扰动信号发生模块，用于生成扰动信号，并将所述扰动信号注入到电力设备端口处；数据采集模块，用于采集所述电力设备端口处实时的电压数据和电流数据；阻抗模型辨识模块，用于根据所采集电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统的次/超同步耦合模型。本发明具有如下优点：能够完整地测量得到电力设备的次/超同步耦合模型；能够连续地测量多个次/超同步频率对应的模型，一定程度上简化了操作，减少了工作量，避免了大量重复的工作；能够根据多组离散频率点的耦合模型辨识得到耦合模型的传递函数表达式，便于分析整个电网系统存在的振荡风险。

Description

电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法与系统
技术领域
本发明涉及电力系统分析与控制技术领域，尤其涉及一种电力系统的次/超同步耦合阻抗模型频域辨识方法与系统。
背景技术
随着对电力系统可靠性要求的提高，大量电力设备并入电网，电力系统的复杂程度大大增加，给电力系统稳定性分析带来了挑战。大量电力电子化的设备的应用使电网变得更加智能、灵活，但是同时也改变了电力系统的动态特征，尤其是在不了解电力设备的具体参数时，直接对电力系统动态过程分析显得比较困难。
目前对电力系统稳定性分析有电磁暂态仿真、特征值分析、阻抗模型分析等方法。电磁暂态仿真一般是利用相关软件(PSCAD/EMTDC)建立相关模型，通过数值求解的方法进行仿真计算，往往精度与效率难以兼顾；特征值分析方法则是在小扰动的情况下，获得分析点的线性化模型，并根据矩阵特征根分析讨论电力系统的特点，但对于复杂系统，特征值分析方法会出现维数灾问题。而且，要应用电磁暂态仿真、特征值分析这两种方法，必须清楚知道各电力设备的具体参数、控制策略，才能建立相应的模型，因此这些方法无法准确分析含有未知参数设备的系统。
而阻抗模型能够将复杂系统转化为电力设备阻抗串并联的关系，大大降低了系统振荡分析的复杂度，对电力系统的稳定性分析有重大意义。然而，对于未知参数的电力设备，次/超同步耦合阻抗模型无法从机理分析中直接得到。对于这类情况，现有的方法大多是多次反复测量不同次/超同步频率下的次/超同步耦合阻抗模型，但是工作量巨大，步骤繁琐，给次/超同步耦合阻抗模型的测量带来了困难。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种电力系统的次/超同步耦合阻抗模型频域辨识系统，能够完整地测量得到电力设备的次/超同步耦合模型。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种电力系统的次/超同步耦合阻抗辨识系统，包括：扰动信号发生模块，用于生成扰动信号，并将所述扰动信号注入到电力系统端口处；数据采集模块，用于采集所述电力系统端口处对应所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据；阻抗模型辨识模块，用于根据所给定的扰动信号作用下的电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统在相应频率下的次/超同步耦合模型。
进一步地，所述扰动信号为三相扰动信号，所述三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。
进一步地，所述扰动信号包括多个频率分量，所述多个频率分量的频率、幅值和相位是由所述扰动信号发生模块的输入决定的；所述数据采集模块还用于采集所述多个频率分量作用下的端口的电压数据和电流数据；所述阻抗模型辨识模块还用于根据所述多个频率分量作用下的电压数据和电流数据得到电力系统相应的多个频率下的次/超同步耦合模型。
进一步地，所述扰动信号的幅值为电力设备端口工频电压幅值的1％～10％。
进一步地，所述扰动信号发生模块还用于按照时间的不同改变原扰动信号的频率、幅值和初相位，所述数据采集模块还用于采集扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据，所述阻抗模型辨识模块还用于根据扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据得到多个不同频率对应的次/超同步耦合模型，并根据所述多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
本发明实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗辨识系统，能够完整地测量得到电力设备的次/超同步耦合阻抗(导纳)模型；能够方便快捷、连续地测量多个次/超同步频率对应的阻抗(导纳)模型，在一定程度上简化了操作，减少了工作量，避免了大量重复的工作；能够根据多组离散频率点的耦合模型辨识得到耦合模型的传递函数表达式，便于分析整个电网系统存在的振荡风险。
为此，本发明的第二个目的在于提出一种电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，能够完整地测量得到电力设备的次/超同步耦合模型。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种电力设备的次/超同步耦合阻抗辨识方法，包括以下步骤：S1：提供扰动信号，并将所述扰动信号注入到电力系统端口处，所述扰动信号为单一频率或含有多个频率分量；S2：采集所述电力系统端口处所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据；S3：根据所述对应所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统在对应所述扰动信号的次/超同步耦合模型。
进一步地，所述扰动信号为三相扰动信号，所述三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。
进一步地，所述扰动信号包括多个频率分量，所述扰动信号多个频率分量的频率、幅值和相位是可控的；还包括：采集所述多个频率分量作用下的端口的电压数据和电流数据；根据所述多个频率分量作用下的电压数据和电流数据得到电力系统对应的多个频率下的次/超同步耦合模型。
进一步地，所述扰动信号的幅值为电力设备端口工频电压幅值的1％～10％。
进一步地，还包括：按照时间的不同改变原扰动信号的频率、幅值和初相位；采集扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据；使用扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据得到多个不同频率对应的次/超同步耦合模型；根据所述多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
本发明实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗模型频域辨识方法和本发明实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统与现有技术相比优势相同，不作赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的次/超同步耦合阻抗(导纳)模型的频域辨识系统的示意图；
图2是本发明一个实施例的频域辨识系统中扰动信号发生模块示意图；
图3是本发明一个实施例的扰动信号发生模块的一种频率控制曲线图；
图4是本发明一个实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗辨识方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明一个实施例的电力系统的次/超同步耦合阻抗频域辨识系统的结构框图。如图1所示，一种电力系统的次/超同步耦合阻抗频域辨识系统，包括扰动信号发生模块、数据采集模块和阻抗模型辨识模块。
其中，扰动信号发生模块用于生成扰动信号，并将扰动信号注入到电力设备端口处，扰动信号可包含多个频率分量。
在本发明的一个实施例中，扰动信号为三相扰动信号，三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。如图2所示，作用是根据输入的频率、幅值和相位等信息输出相应的ABC三相扰动信号。图2中，Δuc、Δua、Δub和为其输出的三相扰动信号，扰动信号由多个频率的分量构成，且三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。即若A相扰动信号中含有频率为f，幅值为V，初相位为的分量，则B相扰动信号中则含有频率为f，幅值为V，初相位为的分量，C相扰动信号中则含有频率为f，幅值为V，初相位为的分量。以三相中A相的扰动信号为例，A相扰动信号的具体组成如表1。
表1A相扰动信号组成
数据采集模块用于采集电力系统端口处扰动信号作用下的电压数据和电流数据。在本发明的一个示例中，同时输入两个频率分量的参数值fsub和fsup，Vsub和Vsup以及和得到其对应的阻抗(导纳)模型。与此同时，根据时间t改变输入的频率值，可以同时测得多组不同次/超同步耦合阻抗(导纳)模型。
在本发明的一个实施例中，在测量次/超同步耦合阻抗(导纳)模型时，控制输入频率得到多个不同频率扰动信号分量，可以得到不同频率扰动信号作用下的电压电流数据，从而得到不同频率时系统相应的阻抗(导纳)模型，减少了重复的测量工作。
在测量某一频率点的次/超同步耦合阻抗(导纳)模型时，可以保持频率不变，改变幅值和相位进行多次试验。在本发明的一个实施例中，对于扰动信号的幅值，为了尽量减小测量误差，且不影响系统的稳态工作点，选取线路工频电压幅值的1％～10％比较合适，通常可取典型值——工频电压幅值的5％左右。
在本发明的一个示例中，对扰动信号发生模块的输入进行控制，令f1＝fsub，f2＝fsup，其中，频率fsub按照图3曲线变化，频率fsup按照(2fs－fsub)变化，fs为工频信号；并且令V1＝3％Vs，V2＝7％Vs，扰动信号发生模块的输出即为：包含两个频率分量为fsub和fsup、幅值为3％Vs和7％Vs的扰动信号。其中，fs和Vs分别表示工频和线路工频电压。
一次试验后，频率控制等其他条件不变，仅改变扰动信号发生模块对幅值和初相位的控制，例如：V1＝7％Vs，V2＝3％Vs，
两次试验后，从数据采集模块获得两次试验的端口电压电流数据，并将两次试验的电压电流数据都按照图3曲线中时间长度Δt(对应频率梯度Δf)进行分段，即数据每Δt秒分成一段，每段数据对应的时间区间分别为0～Δt，Δt～2Δt，2Δt～3Δt，…，(k－1)Δt～kΔt，…，(N－1)Δt～NΔt，对应的次同步分量的频率分别为Δf，2Δf，3Δf，…，kΔf，…，NΔf。
然后对每段电压电流数据分别进行傅里叶变换得到电压的次同步、超同步和工频分量，电流的次同步和超同步分量，并对其进行修正。例如，第k段电压电流数据对应的次同步频率为kΔf、超同步频率为(2fs－kΔf)，则对第一次试验的录波数据的第k段进行傅里叶变换将得到表2的结果。
表2第k段进行傅里叶变换得到的电压电流结果
对另一试验的录波数据做相同的处理，同样可以得到每段的对应的次/超同步分量和工频分量。
最后，利用两次试验的修正值构造矩阵方程，并求解。仍以第k段为例，可以得到下列方程：
式中，上标(1)和(2)分别表示第一组和第二组测量结果的修正值。
求解式(1)则可以求得次同步频率为kΔf、超同步频率为(2fs－kΔf)对应的电力设备次/超同步耦合阻抗的值。
同理，对每段进行相同处理，即可得到多个离散频率点(Δf，2Δf，3Δf，…，kΔf，…，NΔf)对应的电力设备次/超同步耦合阻抗模型Zij(j2πΔf)～Zij(j2πNΔf)。
在本发明的一个实施例中，阻抗模型辨识模块还用于根据多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
具体地，需要得到多个离散频率点对应的次/超同步耦合阻抗(导纳)；然后构造拟合矩阵，使用多元线性拟合的方法得到传递函数的未知参数；最后代入参数即得到传递函数。
以阻抗模型传递函数的辨识为例，详细说明从离散频率点阻抗模型得到阻抗模型传递函数的方法。
假设在通过离散频率点阻抗模型的辨识已获得N个离散频率(f1～fN或ω1～ωN)点的阻抗模型Zij(1)～Zij(N)(其中，ωk＝2πfk，k＝1,…,N；下标i,j＝1,2，代表阻抗矩阵的四个元素之一，下同)。
然后，根据离散频率点的阻抗模型，构造拟合矩阵方程：
Zij＝Φij·θij (2)
式中，
Zij＝[Zij(1) … Zij(k) … Zij(N)]T (3)
θij＝[a1 … an b0 … bm]T (4)
使用多元线性工具(如MATLAB)进行多元线性拟合，输入向量Zij和矩阵Φij的值，求出θij。
最后，将θij＝[a1 … an b0 … bm]T代入下式求得传递函数：
根据上述传递函数可以得到阻抗模型与频率之间的对应关系，随后只需输入频率点即可得到对应频率点的阻抗模型。
根据本发明实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗辨识系统，能够完整地测量得到电力设备的次/超同步耦合阻抗(导纳)模型；能够方便快捷、连续地测量多个次/超同步频率对应的阻抗(导纳)模型，在一定程度上简化了操作，减少了工作量，避免了大量重复的工作；本发明提出的次/超同步耦合阻抗(导纳)传递函数的辨识方法除了可以直接辨识得到多组离散频率点的阻抗(导纳)模型，还能够通过得到的多组离散频率点的阻抗(导纳)模型拟合得到阻抗模型Zij(s)(或导纳模型Yij(s))的传递函数表达式，完成离散到连续的转化，从而对任意次/超同步频率，可以代入表达式求解对应的阻抗(导纳)值，便于分析整个电网系统存在的振荡风险。
图4是本发明一个实施例的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法的流程图。如图4所示，一种电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，包括以下步骤：
S1：提供扰动信号，并将扰动信号注入到电力系统端口处，扰动信号为单一频率或含有多个频率分量；
S2：采集电力系统端口处对应扰动信号作用下的电压数据和电流数据；
S3：据对应扰动信号作用下的电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统在对应扰动信号作用下的次/超同步耦合模型。
根据本发明实施例的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，能够完整地测量得到电力系统的次/超同步耦合阻抗(导纳)模型；能够方便快捷、连续地测量多个次/超同步频率对应的阻抗(导纳)模型，在一定程度上简化了操作，减少了工作量，避免了大量重复的工作。
在本发明的一个实施例中，扰动信号为三相扰动信号，三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。
在本发明的一个实施例中，扰动信号包括多个频率分量，扰动信号多个频率分量的频率、幅值和相位是可控的；还包括：还用于采集扰动信号作用下的端口的电压数据和电流数据；还用于根据扰动信号作用下的电压数据和电流数据得到电力系统相应的多个频率下的次/超同步耦合模型。
在本发明的一个实施例中，扰动信号的幅值为电力设备端口工频电压幅值的1％～10％。
在本发明的一个实施例中，还包括：按照时间的不同改变原扰动信号的频率、幅值和初相位；采集扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据；使用扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据得到多个不同频率对应的次/超同步耦合模型；根据多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
需要说明的是，本发明实施例的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法的具体实施方式与本发明实施例的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统的具体实施方式类似，具体参见系统部分的描述，为了减少冗余，不作赘述。
另外，本发明实施例的电力设备的次/超同步耦合阻抗辨识方法与系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统，其特征在于，包括：
扰动信号发生模块，用于生成扰动信号，并将所述扰动信号注入到电力系统端口处；
数据采集模块，用于采集所述电力系统端口处对应所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据；
阻抗模型辨识模块，用于根据所给定的扰动信号作用下的电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统在相应频率下的次/超同步耦合模型，
其中，所述扰动信号发生模块还用于按照时间的不同改变原扰动信号的频率、幅值和初相位，所述数据采集模块还用于采集扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据，所述阻抗模型辨识模块还用于根据扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据得到多个不同频率对应的次/超同步耦合模型，并根据所述多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
2.根据权利要求1所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统，其特征在于，所述扰动信号为三相扰动信号，所述三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。
3.根据权利要求1所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统，其特征在于，所述扰动信号包括多个频率分量，所述多个频率分量的频率、幅值和相位是由所述扰动信号发生模块的输入决定的；
所述数据采集模块还用于采集所述多个频率分量作用下的端口的电压数据和电流数据；
所述阻抗模型辨识模块还用于根据所述多个频率分量作用下的电压数据和电流数据得到电力系统相应的多个频率下的次/超同步耦合模型。
4.根据权利要求1所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识系统，其特征在于，所述扰动信号的幅值为电力设备端口工频电压幅值的1％～10％。
5.一种电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供扰动信号，并将所述扰动信号注入到电力系统端口处，所述扰动信号为单一频率或含有多个频率分量；
S2：采集所述电力系统端口处所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据；
S3：根据所述对应所述扰动信号作用下的电压数据和电流数据进行辨识得到电力系统在对应所述扰动信号作用下的次/超同步耦合模型，
还包括：
按照时间的不同改变原扰动信号的频率、幅值和初相位；
采集扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据；
使用扰动信号频率、幅值和初相位变化时的电压数据和电流数据得到多个不同频率对应的次/超同步耦合模型；
根据所述多个不同频率对应的次/超同步耦合模型进行拟合得到频率与次/超同步耦合模型之间的传递函数。
6.根据权利要求5所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，其特征在于，所述扰动信号为三相扰动信号，所述三相扰动信号中相同频率的分量满足三相对称原则。
7.根据权利要求5所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，其特征在于，所述扰动信号包括多个频率分量，所述扰动信号多个频率分量的频率、幅值和相位是可控的；还包括：
采集所述多个频率分量作用下的端口的电压数据和电流数据；
根据所述多个频率分量作用下的电压数据和电流数据得到电力系统对应的多个频率下的次/超同步耦合模型。
8.根据权利要求5所述的电力系统次/超同步耦合阻抗模型的频域辨识方法，其特征在于，所述扰动信号的幅值为电力设备端口工频电压幅值的1％～10％。
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