CN108089079A - 基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法 - Google Patents

基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法 Download PDF

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侯广松
曾文婷
聂萌
王洋
邓影
李福建
牛文惠
杨哲
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Abstract

本发明公开了基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，包括：测量工频基波电压和电流的幅值与相角；建立线路数学模型，基于该数学模型，利用上述测量数据实现对线路的参数辨识；根据参数辨识结果，通过曲线拟合，得出线路参数随线路运行状态波动的数学表达式，提取参数辨识结果波动特征，得出线路参数与电压电流的相关性。本发明极大提高离线计算参数的精度，提升电网管控水平。

Description

基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，特别是涉及基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法。
背景技术
目前，线路的设备参数一般由生产商提供，或在设备投产时按照一定的规则进行测量。这些参数都是在典型工况下获得的(称为典型参数)，电网运行控制部门使用这些参数进行电网分析以及相关控制操作。典型参数保存在电网数据库中，一般保持不变。但是，随着运行工况、自然环境、以及设备状态变化等的影响，元件参数会发生改变，而且这种变化难以事先准确计算。譬如，对于线路，随着外界气温改变以及线路负载变化，线路温度、弧垂都会发生改变。温度的变化使得线路的电阻率发生改变，弧垂变化使得线路等效长度发生改变，导致线路的实际运行参数不同于投产时测量的典型参数。
设备元件参数的改变会影响电网分析的精度，进而影响电网调度和控制的准确性。尤其对于电网规划和方式调整等离线计算场景，如何从参数波动规律中合理选取元件参数对于计算结果影响较大。因此，分析线路元件运行参数的波动规律，对提高电网分析和运行水平具有重要意义。
综上所述，现有技术中对于线路典型参数无法进行准确的进行电网分析及运行的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，该方法能够极大提高离线计算参数的精度，提升电网管控水平。
基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，包括：
测量工频基波电压和电流的幅值与相角；
建立线路数学模型，基于该数学模型，利用上述测量数据实现对线路的参数辨识；
根据参数辨识结果，通过曲线拟合，得出线路参数随线路运行状态波动的数学表达式，提取参数辨识结果波动特征，得出线路参数与电压电流的相关性。
进一步的，上述测量工频基波电压和电流的幅值与相角时，利用PMU装置进行直接测量。
进一步的，建立线路数学模型时，采用线路的π型等值电路，对长度小于300km的架空线路以及长度不超过100km的电缆线路，不考虑其分布参数特性，并忽略对地电导。
进一步的，根据线路数学模型，基于各量测量与线路参数应满足基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，采用单点辨识方法辨识出线路相电阻、线路相电抗及线路总对地电纳。
进一步的，在提取参数辨识结果波动特征时，采用线性拟合的方式分析线路参数与电压、电流的关联关系。
进一步的，线性拟合的函数公式为：
y＝a+kx
其中，参数y为线路参数，x为线路的量测量，a和k是待确定的未知常量。
进一步的，在确定未知常量时，设逼近曲线为一条直线，对近似直线和实际点之间误差的平方和分别对待确定的未知常量求偏导，使近似直线和实际点之间误差的平方和最小，即可获得最优拟合直线的逼近函数。
进一步的，上述根据辨识结果得到的拟合曲线用来校正对应不同运行方式下的线路参数值。
进一步的，测量工频基波电压和电流的幅值与相角时，采集电力系统正常运行状态下的PMU量测，每隔设定时间采集一次数据。
进一步的，根据提取的参数辨识结果波动特征来修正线路的计算参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用实测PMU量测数据，从理论分析入手，推导了基于PMU数据辨识线路参数的模型及求解算法。并研究了实际电力系统中，线路参数与电压电流的相关性，分析了相关性的数学表达式，提取了线路参数波动特征。在工程应用中，可根据参数波动特征修正规划或方式应用的计算参数，极大提高离线计算参数的精度，提升电网管控水平。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的所依据的线路模型；
图2(a)-图2(d)为本发明的实施例子中电力系统正常运行状态下的PMU量测的相电压、相电流、有功功率及无功功率数据曲线；
图3串联电阻辨识结果；
图4串联电抗辨识结果；
图5对地电纳辨识结果；
图6(a)-图6(d)光寿I线路两侧电压和电流数据图；
图7(a)-图7(d)光寿I线的线路参数辨识结果；
图8(a)-图8(d)光寿I线的辨识结果与电流I关系；
图9(a)-图9(d)光寿I线的辨识结果与电压U关系。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在现有的线路参数对电网运行分析结果影响不精确的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，本申请利用PMU装置，直接测量工频基波电压和电流的幅值与相角，通过建立线路数学模型进行参数辨识。积累一定的运行时间和参数辨识结果，通过曲线拟合，给出了参数随运行状态波动的数学表达式。并以方式计算为例，说明基于所提波动特征数学表达在方式调整与电网规划等离线计算过程中合理选择参数的方法。
为了更好的说明本申请的具体实施例子，首先介绍本申请基于PMU量测辨识的理论基础的线路模型。
对于本领域的技术人员而言，在电力系统稳态分析中，电力线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳、电导表示的它们的等值电路。本申请采用线路的π型等值电路为基础，对长度小于300km的架空线路以及长度不超过100km的电缆线路，可以不考虑其分布参数特性，而采用参数简单的π型线路来表示，忽略对地电导，进行线路参数的各项分析，其模型如图1所示。
关于图中的参数解释如下：
分别表示I、II侧电流向量，并规定其正方向为母线流向线路(与实际测量所用方向一致)，I1，I2分别表示I、II侧电流有效值；
表示线路模型中从I侧经串联阻抗流向II侧的电流向量；
分别表示I、II侧相电压向量，U1，U2别表示I、II侧电压有效值；
P1，P2：分别表示I、II侧相有功功率，并规定其正方向为母线流向线路(与实际测量所用方向一致)；
Q1，Q2：分别表示I、II侧相无功功率，并规定其正方向为母线流向线路(与实际测量所用方向一致)；
Y1＝Y2＝jB/2：分别表示线路I、II侧相对地导纳，B表示线路总对地电纳；
Z＝R+jX：Z表示线路相阻抗，R表示线路相电阻，X表示线路相电抗。
R＝rl； (1)
X＝xl； (2)
B＝bl； (3)
其中，R、X、B表示为线路每相的总电阻、总电抗、总电纳。l为线路的长度。根据上述公式可求线路的单位长度集中参数r、x、b，获得该参数的目的便于后续进行参数的查询及应用。
理论上，各量测量与线路参数应满足基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)：
其中，分别表示I、II侧电流向量的共轭。
以上面所述的模型为基础，采用单点辨识方法，根据KCL方程
根据上式解得，
其中分别表示I、II侧电流向量，并规定其正方向为母线流向线路(与实际测量所用方向一致)，分别表示I、II侧相电压向量，Z＝R+jX，Z表示线路相阻抗，R表示线路相电阻，X表示线路相电抗。Y＝jB/2，Y为对地导纳，B表示线路总对地电纳。
本申请根据上述理论公式及参数辨识方式实现基于量测数据的线路参数波动特性分析，在实际的线路运行中，线路参数在各种因素的作用下呈现出时刻波动的性质，在短时间内波动性不大，可忽略，但是在长期的运行过程中，其变化规律有助于找到影响参数变化的各因素以及用于参数的合理选用，不仅可以有助于方式计算、电网规划等离线计算过程中合理选取参数，使其计算结果与实际情况更加吻合，而且对于改善系统的安全稳定评估和控制决策等计算也具有重要意义。
另外，本申请在提取参数辨识结果波动特征时，采用线性拟合的方式分析线路参数与电压、电流的关联关系。
线性拟合的函数公式为：
y＝a+kx (7)
参数y为电抗等线路参数，x为线路的电压、电流等量测。
为了更好的说明上述线性拟合函数公式，下面给出更为详细的案例，下面以R与U的拟合关系为例说明拟合算法，具体的拟合公式计算如下：
对于给定数据(U1，R1),(U2，R2)，···，(Un，Rn)采用最小二乘法找到拟合效果最优的直线。
其中U1、U2、Un分别表示第一次、第二次及第n次辨识时的线路电压值；R1、R2、Rn分别表示第一次、第二次及第n次辨识出的线路电阻值。
设逼近曲线R为一条直线，其表达式为
R＝a+kU (8)
其中a和k是待确定的未知常量。用D表示近似直线和实际点之间误差的平方和，则
通过令和使D最小，即可获得最优拟合直线的逼近函数。式(10)对a求偏导数得
或
式(10)对k求偏导数得
或
式(12)和(13)表示的是有两个未知数和两个代数方程的方程组，可以用行列式法(克莱姆法则)求解：
其中Ui、Ri分别表示第i次辨识时的线路电压值、电阻值。同理可以扩展至线路参数与其他电气量之间的关联关系。
本申请的具体实施例子中，基于上述理论模型介绍参数辨识算例并进行分析：
以上述推导的公式为基础，对山东电网的密光线进行线路参数辨识，采集电力系统正常运行状态下的PMU量测，每隔40ms采集一次数据，共采集1000组量测数据。量测数据如图2(a)-图2(d)所示。电阻、电抗和电纳参数辨识结果分别如图3-图5所示。
另外，基于PMU量测数据的线路参数波动特性分析实例：
基于PMU量测的辨识方法，对光寿I线进行线路参数辨识，并分析了参数变化的统计特性，分析了元件参数波动性与电压、电流的关系。下面对光寿I线辨识结果进行实际分析，以N个点的平均值作为最终的辨识结果。
光寿I线路两侧电压和电流数据如图6(a)-图6(d)所示。线路参数辨识结果如图7(a)-图7(d)所示。辨识线路参数与I侧电流的相关性如图8(a)-图8(d)所示。辨识线路参数与I侧电压的相关性如图9(a)-图9(d)所示。
图6(a)-图6(d)所示为光寿I线的量测数据，量测数据中电压的变化范围为525kV～535kV，电流变化范围为300A～600A，参数辨识均值为R＝1.8175Ω，X＝27.6496Ω，G/2＝1.5308uS,B/2＝228.00Us。由图7(a)-图7(d)～图9(a)-图9(d)可得辨识结果与U、I拟合曲线以及相关系数。
表1辨识结果与UI的拟合曲线
R X G B
U 0.0213*U-9.4075 0.1672*U-60.53 -0.3995*U+212.19 -0.1654*U+315.21
I -0.0009*I+2.2675 -0.0059*I+30.59 0.0098*I-3.4102 0.0054*I+225.2959
表2辨识结果与UI的相关系数
R X G B
U 0.4268 0.7829 -0.6602 -0.2934
I -0.6279 -0.9591 0.5682 0.3339
由表1、2可知，辨识结果中电抗参数与线路的运行方式相关性大，对地电纳参数与线路的运行方式相关性较小。电阻参数与对地电导参数与线路的运行方式也有关，但关系不大。总体来看，辨识结果与电流的相关性更大。因此，可用辨识结果的拟合曲线来校正对应不同运行方式下的线路参数值。另外，由图9(a)-图9(d)，电阻辨识结果随着电流的增大而逐渐增大，在实际电力系统中，这也说明线路参数除了受到线路的温度、运行方式的变化的影响之外，还受到其他因素的影响。
为了进一步证明本申请上述方法的有效性，本申请在实施例子中还公开了上述方法的验证：线路辨识参数波动性在方式计算中的应用：
选取山东电网500kV济淄线、500kV德闻线，采用电流有效值为夏季高峰负荷经验值，500kV济淄线取23kA，500kV德闻线取24.4kA，根据波动特性获得线路参数如表3所示，表格中原始参数为投运前实测参数。
表3线路辨识结果对比
线路名称 1侧母线 2侧母线 原始X 原始B 辨识X 辨识B
500kV济淄线 鲁济南站501 鲁淄博站502 0.005656 0.769221 0.007403 0.721796
500kV德闻线 鲁德州站501 鲁闻韶站500 0.003004 0.41224 0.004212 0.450894
将辨识出的参数自动填入EMS系统数据库，并按夏季高峰负荷进行方式计算，所得系统各母线上的电压幅值和相位与实际运行量测数据如表4所示。
表4辨识参数修改前后数据对比
通过计算结果分析比较可以看出，基于参数波动特性制定计算运行方式与只按固定原始参数相比计算结果更接近PMU量测的实时数据，说明了参数选取的合理性。类似方法可以应用与电网规划等离线计算场景。
总之，本申请利用实测PMU量测数据，从理论分析入手，推导了基于PMU数据辨识线路参数的模型及求解算法。并研究了实际电力系统中，线路参数与电压电流的相关性，分析了相关性的数学表达式，提取了线路参数波动特征。在工程应用中，可根据参数波动特征修正规划或方式应用的计算参数，极大提高离线计算参数的精度，提升电网管控水平。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，包括：
测量工频基波电压和电流的幅值与相角；
建立线路数学模型，基于该数学模型，利用上述测量数据实现对线路的参数辨识；
根据参数辨识结果，通过曲线拟合，得出线路参数随线路运行状态波动的数学表达式，提取参数辨识结果波动特征，得出线路参数与电压电流的相关性。
2.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，上述测量工频基波电压和电流的幅值与相角时，利用PMU装置进行直接测量。
3.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，建立线路数学模型时，采用线路的π型等值电路，对长度小于300km的架空线路以及长度不超过100km的电缆线路，不考虑其分布参数特性，并忽略对地电导。
4.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，根据线路数学模型，基于各量测量与线路参数应满足基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，采用单点辨识方法辨识出线路相电阻、线路相电抗及线路总对地电纳。
5.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，在提取参数辨识结果波动特征时，采用线性拟合的方式分析线路参数与电压、电流的关联关系。
6.如权利要求5所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，线性拟合的函数公式为：
y＝a+kx
其中，参数y为线路参数，x为线路的量测量，a和k是待确定的未知常量。
7.如权利要求6所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，在确定未知常量时，设逼近曲线为一条直线，对近似直线和实际点之间误差的平方和分别对待确定的未知常量求偏导，使近似直线和实际点之间误差的平方和最小，即可获得最优拟合直线的逼近函数。
8.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，上述根据辨识结果得到的拟合曲线用来校正对应不同运行方式下的线路参数值。
9.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，测量工频基波电压和电流的幅值与相角时，采集电力系统正常运行状态下的PMU量测，每隔设定时间采集一次数据。
10.如权利要求1所述的基于量测数据的线路参数辨识与波动特征提取方法，其特征是，根据提取的参数辨识结果波动特征来修正线路的计算参数。
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