CN116205026A - 一种直流输电系统模型校验方法 - Google Patents

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许偲轩
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张文嘉
祁万春
蔡晖
韩杏宁
王荃荃
万鹭
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Abstract

本发明公开了一种直流输电系统模型校验方法，包括如下步骤：步骤1）根据给定交直流混联电力系统模型，建立用于直流输电系统模型校验的等值电网模型；步骤2）根据电网潮流态信息，初始化暂态稳定仿真得出状态变量初始值；步骤3）采用数值积分方法对所述等值电网模型进行混合仿真，步骤4）使用插值算法将在线相量测量单元采样周期与仿真步长保持同步，周期性注入测量数据以替代仿真过程中网络方程求解得出的相应值；步骤5）将交流侧功率曲线与实测功率曲线进行对比，以评估直流输电系统模型的准确性。该方法支持不同电网运行工况下多种扰动后的暂态响应，全面分析交直流互联系统的动态特性。

Description

一种直流输电系统模型校验方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，尤其涉及一种基于混合仿真和PMU信号注入的直流输电系统模型校验方法。
背景技术
新型电力系统背景下高比例可再生能源和电力电子设备化呈现高时变、高非线性和高不确定性等运行特征，在交流侧故障和直流系统闭锁等不同类型大扰动下，系统故障后暂态和恢复特性复杂，易导致安全稳定问题，且失稳特征存在差异性，对交直流混联新型电力系统安全稳定运行带来极大挑战，在极端情况下局部故障将逐步转变为系统性连锁故障，系统性安全(大停电)风险持续增大。新型电力系统中不断增长的随机、动态行为对电网的安全经济运行提出了越来越大的挑战。过于保守的模型将导致过度投资和社会资源极大浪费；而过于乐观的模型将引发电网安全稳定性问题，造成人民生命财产损失。针对“双高”新型电力系统高不确定、强随机的复杂特征，用于电力系统规划和调度的模型质量对电网安全、稳定、经济运行至关重要,电力行业目前尚缺乏有效的电网模型质量评估体系和方法。
国内外研究机构针对电力系统建模质量进行了前期研究，但仍存在严峻挑战，体现在：(1)用于电网仿真与在线安全评估的模型质量评估尚无相关标准，难以形成统一评估体系；(2)在线仿真分析系统多使用静态模型参数(例如负荷模型参数)，难以精准评估电网动态特性和真实运行风险；(3)现有确定性的仿真分析手段与调控逻辑难以应对复杂多变的电网工况；(4)现有在线仿真程序缺乏综合预警能力。针对“双高”新型电力系统高不确定、强随机的复杂特征，亟需整体提升电网模型质量以确保仿真精度，形成精准在线安全风险评估与预警能力，实现适用于新型电力系统仿真模型质量综合评估体系
在过去几十年中，包括NERC和WECC在内的北美机构设立了行业标准(MOD33、MOD26和MOD27)，从稳态和动态两个方面整体提高电网模型质量，为电网规划和运行仿真分析提供有效支撑。为了实现这一目标，一种传统的方法是对发电机进行拖网测试，以便为规划和运行仿真计算获取机电暂态稳定性模型参数；但是，这种方法成本相当高，因为发电机需要脱离电网、重启和进行测试，并影响发电机所有者的营收。近年来，利用在线相量测量单元(PMU)或数字故障录波器(DFR)进行“事件回放”测量来验证模型精度和校准参数成为一种低成本和有前途的方法。一旦电网大扰动事件被捕获，测量的电压和母线频率(或相角)曲线被导入发电机的模型，从有功功率和无功功率两方面检查模型响应。模型响应和实际测量之间如果曲线匹配良好，则表明模型具有良好的精度。如果出现明显的模型问题，则可使用基于非线性最小二乘算法的曲线拟合方法，基于Kalman Filter的算法，遗传算法和微粒子群优化算法的方法来进行参数调节。
现有方法多侧重于大型发电机组模型校验，而针对直流输电系统的模型质量评估方法较少。本发明专利将借鉴国际先进电网建模与评估方法，创新性提出适用于交直流混联电网中直流输电系统模型质量综合评估方法。采用直流系统交流侧PMU量测，针对直流系统模型进行综合校验，从而整体提升模型质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于混合仿真和PMU信号注入的直流输电系统模型校验方法，以解决上述技术问题，具体由以下技术方案实现：
所述直流输电系统模型校验方法，包括如下步骤：
步骤1)根据给定交直流混联电力系统模型，建立用于直流输电系统模型校验的等值电网模型，所述等值电网模型包括直流母线、整流侧换流站、逆变侧换流站、两台发电机组以及两在线相量测量单元，处于最外侧的两直流母线分别对应地通过整流侧换流站、逆变侧换流站与交流输电系统的两交流母线连接，所述两台发电机组分别对应地连接所述两交流母线，所述两在线相量测量单元分别安装于两台发电机组所在交流母线处，采集包含母线电压幅值、电压相角、线路电流、线路功率、频率信号的测量数据；
步骤2)根据电网潮流态信息，初始化暂态稳定仿真得出状态变量初始值；
步骤3)使用机电-电磁暂态混合仿真平台采用数值积分方法对所述等值电网模型进行混合仿真，其中交流系统部分仿真采用机电暂态模型，直流输电系统部分采用电磁暂态模型；
步骤4)针对所述测量数据，使用插值算法将在线相量测量单元采样周期与仿真步长保持同步；在混合仿真过程中，周期性注入在线相量测量单元所测得的电压幅值与频率信号以替代仿真过程中网络方程求解得出的相应值，保存仿真过程中得出的交流侧功率曲线；
步骤5)将所述交流侧功率曲线与在线相量测量单元实测功率曲线进行对比，计算两者之间的均方根误差，以评估直流输电系统模型的准确性。
所述直流输电系统模型校验方法的进一步设计在于，所述步骤5)中当均方根误差小于设定阈值时判定直流输电系统模型质量达标；当均方根误差大于设定阈值时，判定直流输电系统模型质量不达标。
所述直流输电系统模型校验方法的进一步设计在于，所述设定阈值的范围设定为(4％，6％)。
所述直流输电系统模型校验方法的进一步设计在于，所述步骤4)中周期性注入的时间间隔设定为4至6毫秒。
本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器、处理器以及计算机程序，其中所述计算机程序存储于所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现所述直流输电系统模型校验方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现所述直流输电系统模型校验方法。
本发明的有益效果：
本发明的直流输电系统模型校验方法采用了高精度机电-电磁混合建模仿真平台，可针对交流电网使用机电暂态仿真、同时针对直流输电系统使用电磁暂态仿真，兼顾交流大电网的规模与直流系统的精细化建模。该方法支持不同电网运行工况下多种扰动后的暂态响应，全面分析交直流互联系统的动态特性。
本发明的直流输电系统模型校验方法建立直流输电系统近区交流系统等值模型，采集系统大扰动后PMU测量信息。将该PMU采集到的电压幅值、频率信息按机电暂态仿真步长周期性注入至仿真流程中，得出基于机电-电磁暂态混合仿真曲线，并与实测PMU信号进行对比，从而有效评估直流输电系统模型响应。该发明可有效甄别直流输电系统模型偏差，提升仿真精度，支撑电力系统规划与调度决策。
附图说明
图1为直流输电系统模型校验方法的流程图。
图2为交直流混联电力系统单线图。
图3为用于直流输电系统系统模型校验的等值模型示意图。
图4为机电-电磁暂态混合仿真平台的直流输电系统模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1，本发明的直流输电系统模型校验方法，包括如下步骤：
步骤1)根据给定交直流混联电力系统模型参见图2，建立用于直流输电系统模型校验的等值电网模型参见图3。图2中，直流输电系统由直流母线01HVDC11,01HVDC12,01HVDC13,01HVDC14，整流侧换流站(连接交流母线BUS11与直流母线01HVDC11)和逆变侧换流站(连接交流母线BUS8与直流母线01HVDC14)构成。直流系统以外的电气部分均为交流输电系统。等值电网模型包括直流母线、整流侧换流站、逆变侧换流站、两台发电机组以及两在线相量测量单元，处于最外侧的两直流母线分别对应地通过整流侧换流站、逆变侧换流站与交流输电系统的两交流母线连接，所述两台发电机组分别对应地连接所述两交流母线，所述两在线相量测量单元分别安装于两台发电机组所在交流母线处，采集包含母线电压幅值、电压相角、线路电流、线路功率的测量数据。
步骤2)根据电网潮流态信息，初始化暂态稳定仿真得出状态变量初始值。
步骤3)使用机电-电磁暂态混合仿真平台采用数值积分方法对所述等值电网模型进行混合仿真，其中交流系统部分仿真采用机电暂态模型，直流输电系统部分采用电磁暂态模型。
步骤4)针对所述测量数据，使用插值算法将在线相量测量单元采样周期与仿真步长保持同步；在混合仿真过程中，周期性注入在线相量测量单元所测得的电压幅值与频率信号以替代仿真过程中网络方程求解得出的相应值，保存仿真过程中得出的交流侧功率曲线，该交流侧功率曲线包括有功曲线和无功曲线。该步骤中周期性注入的时间间隔设定为4至6毫秒，本实施优选地将时间间隔设定为5毫秒。步骤5)将所述交流侧功率曲线与在线相量测量单元实测功率曲线进行对比，计算两者之间的均方根误差，以评估直流输电系统模型的准确性。该步骤中当均方根误差小于设定阈值时判定直流输电系统模型质量达标；当均方根误差大于设定阈值时，判定直流输电系统模型质量不达标，设定阈值的范围设定为(4％，6％)，本实施例优选地将阈值设定为5％。
本实施例中发电机模型采用GENTPF模型的微分方程，参见式(1)。
Figure SMS_1
式(1)中定义了六个状态变量，包括E′q，E′d，E″q，E″d，δ，ω，Idg是MVA基座上的d轴电流；Iqg是以MVA为基准的q轴电流；Efd是励磁机模型的输入电压；Pm是机械功率(调速器模型的输入)；Te是电动力矩；其余未知数是恒定的机械参数。
本实施例的调速器为IEEE汽轮机/调速器模型(G1型)，调速器通过给发电机模型提供一个机械动力的信号Pm来调节机器的旋转频率。对于IEEE汽轮机/调速器模型(G1型)的状态变量的导数如式(2)，
Figure SMS_2
当K2,K4,K6,和K8都为零时，输出到机器模型的机械功率为:Pm＝K1s2g1+K3s3g1+K5s4g1+K7s5g1。
本实施例中电磁暂态模型中的励磁器用于在发生电压干扰后提供暂态电压支持，通过向发电机提供场电压信号Efd来恢复母线电压。多种励磁系统模型代表具有不同复杂程度的物理控制系统。因此，状态变量和实际控制逻辑的数量可以根据它们的参数设置而变化，本实施例采用IEEE Type ac2励磁系统参见式(3)，
Figure SMS_3
where
Vfe＝IfdKd+(Ke+SE)s3e
Figure SMS_4
Figure SMS_5
Figure SMS_6
Efd＝ωs3eFex
本实施例的直流输电系统模型参见图4以及式(4)-式(10)
P＝-VdId (4)
Figure SMS_7
Figure SMS_8
Figure SMS_9
μ＝π-α-γ (8)
Figure SMS_10
Figure SMS_11
其中，Vd是换流器的直流电压，Id是换流器的直流电流，α是换流器的点火角，γ是换流器的消弧角，Xc是换流电抗器的电桥，Vd0是开路直流电压，VLL是换流器侧的交流线电压，Nb是直流侧串联的电桥数，nt是整流器直流侧的变压器标称电压比，at是变压器名义分接比，kc＝1是换流器的标称分接比，
Figure SMS_12
是线电流滞后于中性线电压的角度，μ是换流电压。为了获得时域轨迹，可以交替或同时求解微分方程和网络耦合方程。对于替代方案，显示积分方法是当今商业工具中常用的方法。例子包括修正欧拉，Runge-Kutta(二阶或四阶)，和Adams-Bashforth，所有这些都需要较小时间步长(1/4或1/2周波)，以获得精确的动态行为后的扰动和避免数值不稳定性。
本实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及计算机程序，其中计算机程序存储于存储器中，并被配置为由处理器执行以实现直流输电系统模型校验方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现直流输电系统模型校验方法。
本实施例的直流输电系统模型校验方法采用了高精度机电-电磁混合建模仿真平台，可针对交流电网使用机电暂态仿真、同时针对直流输电系统使用电磁暂态仿真，兼顾交流大电网的规模与直流系统的精细化建模。该方法支持不同电网运行工况下多种扰动后的暂态响应，全面分析交直流互联系统的动态特性。该直流输电系统模型校验方法建立直流输电系统近区交流系统等值模型，采集系统大扰动后PMU测量信息。将该PMU采集到的电压幅值、频率信息按机电暂态仿真步长周期性注入至仿真流程中，得出基于机电-电磁暂态混合仿真曲线，并与实测PMU信号进行对比，从而有效评估直流输电系统模型响应。该发明可有效甄别直流输电系统模型偏差，提升仿真精度，支撑电力系统规划与调度决策。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直流输电系统模型校验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1）根据给定交直流混联电力系统模型，建立用于直流输电系统模型校验的等值电网模型，所述等值电网模型包括直流母线、整流侧换流站、逆变侧换流站、两台发电机组以及两在线相量测量单元，处于最外侧的两直流母线分别对应地通过整流侧换流站、逆变侧换流站与交流输电系统的两交流母线连接，所述两台发电机组分别对应地连接所述两交流母线，所述两在线相量测量单元分别安装于两台发电机组所在交流母线处，采集包含母线电压幅值、电压相角、线路电流、线路功率、频率信号的测量数据；
步骤2）根据电网潮流态信息，初始化暂态稳定仿真得出状态变量初始值；
步骤3）使用机电-电磁暂态混合仿真平台采用数值积分方法对所述等值电网模型进行混合仿真，其中交流系统部分仿真采用机电暂态模型，直流输电系统部分采用电磁暂态模型；
步骤4）针对所述测量数据，使用插值算法将在线相量测量单元采样周期与仿真步长保持同步；在混合仿真过程中，周期性注入在线相量测量单元所测得的电压幅值与频率信号以替代仿真过程中网络方程求解得出的相应值，保存仿真过程中得出的交流侧功率曲线；
步骤5）将所述交流侧功率曲线与在线相量测量单元实测功率曲线进行对比，计算两者之间的均方根误差，以评估直流输电系统模型的准确性。
2.根据权利要求1所述的直流输电系统模型校验方法，其特征在于所述步骤5）中当均方根误差小于设定阈值时判定直流输电系统模型质量达标；当均方根误差大于设定阈值时，判定直流输电系统模型质量不达标。
3.根据权利要求2所述的直流输电系统模型校验方法，其特征在于所述设定阈值的范围设定为（4%，6%）。
4.根据权利要求1所述的直流输电系统模型校验方法，其特征在于所述步骤4）中周期性注入的时间间隔设定为4至6毫秒。
5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及计算机程序，其中所述计算机程序存储于所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1-4任一项所述的直流输电系统模型校验方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求1-4任一项所述的直流输电系统模型校验方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118013239A (zh) * 2024-04-10 2024-05-10 安徽大学 基于数字孪生的单相pwm整流器在线参数辨识方法

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