CN113722881A - 基于参数辨识的发电机进相极限计算方法、设备及介质 - Google Patents

基于参数辨识的发电机进相极限计算方法、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于参数辨识的发电机进相极限计算方法、设备及介质，包括S1：构建用于发电机进相分析的机端带负荷的单机无穷大系统模型，并进行多次戴维南等值获取等值电路模型；S2：基于构建的系统模型进行参数在线辨识并计算发电机进相极限；S3：参数受限判断，判定获得的所述机端电流、机端电压和厂用电压是否受限，并将满足受限条件的结果输出。本发明建模简单、计算精度高，基于戴维南等值构建系统模型，并通过WAMS中实时运行的数据进行等值参数辨识，进而实现发电机进相极限的快速求解。

Description

基于参数辨识的发电机进相极限计算方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及发电机控制技术领域，特别涉及一种基于参数辨识的发电机进相极限计算 方法、设备及介质。
背景技术
随着装机规模不断扩大，超/特高压、远距离输电线路大规模投产建设、风电、光伏等 间歇性新能源电源逐渐并入电网，电网安全稳定运行特性日益复杂，电力系统负荷低谷时 段无功过剩导致的中枢点电压偏高的问题日益凸显，亟需电力系统具有较高的无功储备容 量。
目前发电机进相运行，采用欠励运行方式，在发出有功功率的同时可调节无功功率输 出，已成为电网重要的电压调节手段之一，可有效解决电网无功过剩引起的电压问题，因 其具有调压调压性能佳、运行操作简单和投资经济性好等优势，已得到广泛应用。
为了确定发电机的安全进相能力，即不同工况下的最大进相深度，目前工程中普遍采 用现场试验的方法，通过不同有功出力下的进相试验确定。然而为保证进相试验过程能够 安全进行，在试验前，需预先确定发电机在各试验典型有功出力工况下的进相极限值，确 保试验有足够的掌控和把握。传统方法是在仿真计算软件中模拟多种进相工况，计算得出 各工况下的发电机机端电压、厂用电压、功角、系统暂态稳定性等，通过枚举法得到发电 机进相极限值。该种方式由于采用离线仿真，且需要对多种工况进行多次计算，计算精度 受制于模型和参数，存在工序繁杂、费时、计算精度具有不确定性且无法用于在线计算等 问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于参数辨识的发电机进相极限计算方法、设备 及介质，针对传统仿真计算法存在的工序繁杂、费时、精度具有不确定性、且无法用于在 线计算等问题，采用WAMS实测数据作为样本，通过戴维南原理进行多次等值变换获得的电路模型，构造代价函数并进行参数辨识，进而通过辨识得到的结果和基于不同发电机类型的功率表达关系，计算得到静态稳定极限约束的发电机最大无功进相深度以及当前无功下发电机机端电压、机端电流和厂用电压数据，实现不同有功功率出力工况下的进相极限自动快速求解。
本发明提供了一种基于参数辨识的发电机进相极限计算方法，具体方案如下：
S1：构建系统模型，构建用于发电机进相分析的机端带负荷的单机无穷大系统；
S2：基于构建的系统模型进行参数在线辨识并计算发电机进相极限，包括如下步骤：
S201：基于广域监测中实时运行的数据作为样本进行等值参数在线辨识，并获取进相 运行时发电机的机端电压、电流、系统电压和厂用电压的受限值；
S202：选择发电机类型，根据类型计算获取静态稳定极限功角下的最大进相无功功率 解析表达关系；
S203：获取极限功角并计算给定有功出力和系统电压下限值下的发电机最大无功进相 深度，并计算获取当前无功下的机端电流、机端电压和厂用电压；
S3：受限条件判断，判定获得的所述机端电流、机端电压和厂用电压是否受限，若均 未受限，则将当前无功作为发电机的进相极限值，否则对功角进行修正，再次计算获取经 过功角修正后的机端电流、机端电压和厂用电压，并判断是否受限，直至任一达到受限条 件。
进一步的，所述S1中，将发电机连接的外部电网通过戴维南等值方式，等值为无穷大 系统。
进一步的，所述无穷大系统的等值构建，经过三次戴维南等值处理得到。
进一步的，所述S1中，所述无穷大系统经过三次戴维南等值处理后，满足如下关系：
Figure BDA0003176777910000021
其中，r1、x1、UE、xBE分别为最终等值系统模型中，发电机与无穷大母线之间的等值联系电阻、电抗、无穷大母线电压以及输电线路末端对地支路的等值容抗，rT2为厂用变压器支路等值电阻；
xE2、UE2、xBE2分别为二次等值处理后模型中发电机与无穷大母线之间的等值联系电抗、 无穷大母线电压、以及输电线路末端对地支路的等值容抗；xT2为厂用变压器支路等值电抗。
进一步的，所述S201中，基于等值系统模型构造损失函数，通过广域监测系统中获得 的发动机扰动情况下的实时运行数据，采用蚁群算法进行求解获得参数辨识结果。
进一步的，所述S202中，所述电机类型包括隐极发电机和凸极发电机。
进一步的，所述S202中，所述隐极发电机静态稳定极限下的无功功率表达关系为：
Figure BDA0003176777910000031
其中，r1、x1、UE分别为第三次戴维南等值电路中发电机与无穷大母线之间的等值联系 电阻、电抗、无穷大母线电压；xd、PG、δ分别为发电机d轴同步电抗、有功功率、功角；xds为xd和x1之和；E(PG，UE)为发电机励磁感应电动势与PG，UE之间的关系式；
所述凸极发电机静态稳定极限下的无功功率表达关系为：
Figure BDA0003176777910000032
其中，xq、EQ分别为发电机q轴同步电抗和虚拟电动势；xqs为xq和x1之和；δ(PG，UE)为发电机静态稳定极限下的功角与PG，UE之间的关系式。
进一步的，所述S3中，对功角的修正每次按照设定的步长进行减小，如下所示：
δ＝δm-Δδ
其中，δ为该次修正功角，δm为本次功角，Δδ为功角修正步长。
本发明还提供了一种计算机设备，所述设备包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序以执行上述基于参数辨识的发电机进 相极限计算的方法。
本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令， 所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述基于参数辨识的发电机进相极限计算的方 法。
本发明的有益效果如下：
1、通过采用戴维南等值原理将发电机接入的外部电网等值为一个无穷大系统，基于 WAMS(Wide Area Measurement System，广域监测系统)中实时运行数据作为样本进行等值 参数辨识，通过多次戴维南等值变换构建用于发电机进相分析的机端带负荷的单机无穷大 系统，进而基于无穷大等值系统，根据不同类型的发电机和辨识得到的参数进行计算得到 当前无功下的机端电流、机端电压、厂用电压，建模简单、精度高、应用便捷，实现了不 同有功功率出力工况下的进相极限自动快速求解，可用于指导发电机进相试验，同时也适 用于发电机进相能力在线评估和监测。
2、计算输出机端电流、机端电压和厂用电压后进行受限条件判断，当三者均未受限时， 对功角按一定步长减小进行修正，再次进行计算，直至三者之一达到受限条件，提高了进 相极限计算结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的方法整体步骤示意图；
图2是本发明机端带负荷的单机无穷大等值系统结构示意图；
图3是本发明机端带负荷的单机无穷大等值系统等值电路示意图；
图4是本发明机端带负荷的单机无穷大等值系统的一次戴维南等值示意图；
图5是本发明机端带负荷的单机无穷大等值系统的二次戴维南等值示意图；
图6是本发明机端带负荷的单机无穷大等值系统的三次戴维南等值示意图；
图7是本发明发电机进相极限值自动计算流程示意图。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的 实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保 护的范围。
实施例1
本发明的实施例1提供了一种基于参数辨识的发电机进相极限计算方法，如图1所示， 具体步骤如下：
S1：构建系统模型，在实际电力系统中，发电机通常通过远距离输电系统给负荷送电， 因而本实施例中，将发电机接入的外部电网等值为一个无穷大的系统，如图2所示；
根据等值系统结构图，获得如图3所示的等值电路图，并通过戴维南原理对图3电路进 行一次等值处理，如图4所示，获得一次戴维南等值电路，根据等值前后电路关系，构建 阻抗参数和等值母线电压之间的关系：
Figure BDA0003176777910000041
其中，xE1、UE1、xBE1分别为一次等值后电路中发电机与无穷大母线之间的等值联系电 抗、无穷大母线电压以及输电线路末端对地支路的等值容抗，xT1为发电机升压变电抗，xL、 xB分别为输电线路电抗以及对地支路的容抗。
所述升压变电器高压侧电压UT通过如下计算获得：
Figure RE-GDA0003318476240000051
其中，
Figure BDA0003176777910000052
如图5所示，在图4电路的基础上进行戴维南二次等值消除并联支路得到串联型单机无 穷大等值电路模型，根据等值前后电路关系，构建阻抗参数和等值母线电压之间的关系：
Figure BDA0003176777910000053
其中，xE2、UE2、xBE2分别为二次等值后电路中发电机与无穷大母线之间的等值联系电 抗、无穷大母线电压以及输电线路末端对地支路的等值容抗，xT2为厂用变压器支路等值电 抗。
如图6所示，在图5电路的基础上进行戴维南三次等值，根据等值前后电路关系，得到 如下关系：
Figure BDA0003176777910000054
其中，分别为三次等值后电路中发电机与无穷大母线之间的等孩子联系电阻、电抗、无 穷大母线电压以及输电线路末端对地支路的等值容抗，为厂用变压器支路等值电阻。
S2：根据上述经过三次等值变换构建的系统模型，进行参数辨识，来获取进相运行时发 电机的机端电压、电流、系统电压和厂用电压的约束值，结合图7所示，具体步骤如下：
本实施例中，通过WAMS(广域监测系统)中实时运行的数据作为样本进行等值参数辨识，根据三次等值变换得到的电路模型；
首先，建立如下同步发电机的方程：
Figure BDA0003176777910000061
其中，UGd、UGq、IGd、IGq分别为发电机机端电压和机端电流相量的d、q轴分量，UEd、UEq分别为戴维南等孩子后无穷大母线电压相量的d、q轴分量。
基于上述公式(5)消除UEd、UEq后得到下式：
Figure BDA0003176777910000062
其中，PG和QG表示如下：
Figure BDA0003176777910000063
将上式(6)和(7)联立，可得到：
Figure BDA0003176777910000064
进而基于上式(8)采用WAMS系统中发动机扰动情况下的实时运行数据作为数据样本， 构造代价函数LS1：
Figure BDA0003176777910000065
最后通过蚁群算法求解该函数极小值，得到r1、x1以及UE的辨识结果。
同理，根据图3一次戴维南等值电路，构造得到代价函数LS2：
Figure RE-GDA0003318476240000066
进而求解该函数极小值，得到辨识结果xE1、UE1，并根据上式(3)计算得到xT2。
根据图2所示的等值电路，构造得到代价函数LS3：
Figure RE-GDA0003318476240000067
进而求解该函数极小值，得到辨识结果xT1、UT。
本实施例中，再基于上式(2)构造得到代价函数LS4：
Figure RE-GDA0003318476240000071
进而求解该函数极小值，得到辨识结果xL、xc，进而由式
Figure BDA0003176777910000072
计算得到xB。
假设
Figure RE-GDA0003318476240000073
从发电机内电势
Figure RE-GDA0003318476240000074
侧看，送出的功率为：
假设
Figure BDA0003176777910000073
从发电机内电势
Figure BDA0003176777910000074
侧看，送出的功率为：
Figure RE-GDA0003318476240000075
其中，A＝r1(Eqcosδ-UE)+xdsEqsinδ，B＝r1Eqsinδ-xds(Eqcosδ-UE)，xds＝x1+xd。
从系统电势
Figure BDA0003176777910000076
侧看，送出的功率为：
Figure RE-GDA0003318476240000077
发电机送出无功功率可表示为：
Figure BDA0003176777910000078
由式(13)得到Qq、式(14)得到Qs代入式(15)，得到：
Figure BDA0003176777910000079
由式(14)得到：
Figure BDA00031767779100000710
当达到静态稳定极限时，
Figure BDA00031767779100000711
设极限功角为δm，可得到
Figure BDA00031767779100000712
可通过式(17)计算得到Eq，令Eq＝E(PG、UE)，则可得隐极发电机静态稳定极限下的无功功率表达式：
Figure BDA00031767779100000713
同理，所述凸极发电机静态稳定极限下的无功功率表达式获得具体计算过程如下：
Figure BDA0003176777910000081
Figure BDA0003176777910000082
其中上式(20)中EQ可由式(21)-(a)求解方程获得，当达到静态稳定极限时，
Figure BDA0003176777910000083
设极限功角为δm，可得到：
Figure BDA0003176777910000084
UE 2(xds-xqs)sin2δmtanδm+EqUEr1cos-1δm-r1 2UE 2-PG(r1 2+xdsxqs)＝0(22)
联立式(21)和(22)可得到δm＝δ(PG,UE)代入式(20)即得到所述凸极发电机静态稳定极限下的无功功率表达关系：
Figure BDA0003176777910000085
根据选择的发电机，基于上式得到的对应的发电机无功功率表达关系，计算得到在已知 有功工况PG和系统电压下限UEmin情况下，静态稳定极限约束的发电机最大无功进相深度 QG1max，计算当前无功下发电机机端电压UG、机端电流It和厂用电压UL，计算公式如下：
Figure BDA0003176777910000086
Figure BDA0003176777910000087
Figure BDA0003176777910000088
其中，PL、QL分别厂用电负荷有功和无功功率，kT2和xT2分别为厂用变压器变比及电抗。
S3：参数受限判断，判定获得的所述机端电流、机端电压和厂用电压是否受限，若均未 受限，则将当前无功功率QG1max作为发电机该工况下的进相极限值Qlim，否则对功角进行 修正，本实施例中，功角的修正如下所示：
δ＝δm-Δδ
即对功角的修正每次按照设定的步长进行减小，其中，δ为该次修正功角，δm为本次 功角，Δδ为功角步长。
修正功角后再次计算获取经过功角修正后的机端电流、机端电压和厂用电压，并判断 是否受限，直至任一参数达到受限条件。
实施例2
本发明的实施例2提供了一种计算机设备，所述设备包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序以执行上述实施例1所述的发电机进相 极限计算的方法。
实施例3
本发明的实施例3提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程 序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例1所述的发电机进相极限计 算的方法。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征 或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.基于参数辨识的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：构建系统模型，构建用于发电机进相分析的机端带负荷的单机无穷大系统；
S2：基于构建的系统模型进行参数在线辨识并计算发电机进相极限，包括如下步骤：
S201：基于广域监测中实时运行的数据作为样本进行等值参数在线辨识，并获取进相运行时发电机的机端电压、电流、系统电压和厂用电压的受限值；
S202：选择发电机类型，根据类型计算获取静态稳定极限功角下的最大进相无功功率解析表达关系；
S203：获取极限功角并计算给定有功出力和系统电压下限值下的发电机最大无功进相深度，并计算获取当前无功下的机端电流、机端电压和厂用电压；
S3：受限条件判断，判定获得的所述机端电流、机端电压和厂用电压是否受限，若均未受限，则将当前无功作为发电机的进相极限值，否则对功角进行修正，再次计算获取经过功角修正后的机端电流、机端电压和厂用电压，并判断是否受限，直至任一达到受限条件。
2.根据权利要求1所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S1中，将发电机连接的外部电网通过戴维南等值方式，等值为无穷大系统。
3.根据权利要求2所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述无穷大系统的等值构建，经过三次戴维南等值处理得到。
4.根据权利要求3所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S1中，所述无穷大系统经过三次戴维南等值处理后，满足如下关系：
Figure FDA0003176777900000011
其中，r1、x1、UE、xBE分别为最终等值系统模型中，发电机与无穷大母线之间的等值联系电阻、电抗、无穷大母线电压以及输电线路末端对地支路的等值容抗，rT2为厂用变压器支路等值电阻；
xE2、UE2、xBE2分别为二次等值处理后模型中发电机与无穷大母线之间的等值联系电抗、无穷大母线电压、以及输电线路末端对地支路的等值容抗；xT2为厂用变压器支路等值电抗。
5.根据权利要求1所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S201中，基于等值系统模型构造损失函数，通过广域监测系统中获得的发动机扰动情况下的实时运行数据，采用蚁群算法进行求解获得参数辨识结果。
6.根据权利要求1所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S203中，所述电机类型包括隐极发电机和凸极发电机。
7.根据权利要求6所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S202中，所述隐极发电机静态稳定极限下的无功功率表达关系为：
Figure FDA0003176777900000021
其中，r1、x1、UE分别为第三次戴维南等值电路中发电机与无穷大母线之间的等值联系电阻、电抗、无穷大母线电压；xd、PG、δ分别为发电机d轴同步电抗、有功功率、功角；xds为xd和x1之和；E(PG，UE)为发电机励磁感应电动势与PG，UE之间的关系式；
所述凸极发电机静态稳定极限下的无功功率表达关系为：
Figure FDA0003176777900000022
其中，xq、EQ分别为发电机q轴同步电抗和虚拟电动势；xqs为xq和x1之和；δ(PG，UE)为发电机静态稳定极限下的功角与PG，UE之间的关系式。
8.根据权利要求1所述的发电机进相极限计算方法，其特征在于，所述S3中，对功角的修正每次按照设定的步长进行减小，如下所示：
δ＝δm-Δδ
其中，δ为该次修正功角，δm为本次功角，Δδ为功角修正步长。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序以执行权利要求1-8任一项所述的方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述的方法。
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