專(zhuān)利名稱(chēng)：一種綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法，特別涉及一種包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和恒阻抗的綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)比例的快速辨識(shí)方法，屬于電力系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、運(yùn)行的主要工具，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的影響。電力系統(tǒng)各組件的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確與否直接影響著仿真結(jié)果和以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的決策方案。與發(fā)電機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、變壓器和輸電線路等單一設(shè)備不同，電力負(fù)荷是由數(shù)量眾多、形式各異、容量不等的用電設(shè)備以及輸配電網(wǎng)絡(luò)和無(wú)功補(bǔ)償裝置等構(gòu)成，具有隨機(jī)性、時(shí)變性、離散性等特 點(diǎn)，因此，電力負(fù)荷的建模和辨識(shí)問(wèn)題是長(zhǎng)期困擾電力系統(tǒng)分析的難題。負(fù)荷建模方法總體上可以分為兩類(lèi)統(tǒng)計(jì)綜合法和總體測(cè)辨法。其中前者是基于元件的建模方法，而后者是基于量測(cè)的負(fù)荷建模方法。對(duì)于統(tǒng)計(jì)綜合法，美國(guó)電科院在這方面的研究最為深入和最有影響，并研制完成了相關(guān)軟件包美國(guó)電科院負(fù)荷綜合程序。但是該軟件包在實(shí)際應(yīng)用中存在相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取的問(wèn)題，并難以精確考慮負(fù)荷的時(shí)變性，負(fù)荷模型的應(yīng)用困難和無(wú)功擬合效果是影響美國(guó)電科院負(fù)荷綜合程序?qū)嵱没闹饕獑?wèn)題。對(duì)于總體測(cè)辨法，其基本思想是將負(fù)荷群看成一個(gè)整體，通過(guò)在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)安裝測(cè)量記錄裝置，現(xiàn)場(chǎng)采集母線電壓、頻率、有功、無(wú)功數(shù)據(jù)，然后按照系統(tǒng)辨識(shí)理論確定負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)?？傮w測(cè)辨法中采用的負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)主要分為兩大類(lèi)。第一類(lèi)是以電動(dòng)機(jī)并聯(lián)靜負(fù)荷為代表的機(jī)理模型，之后還有學(xué)者提出了考慮配電網(wǎng)的機(jī)理模型以及考慮發(fā)電機(jī)組的機(jī)理模型。第二類(lèi)是以差分方程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的非機(jī)理模型。從模型結(jié)構(gòu)來(lái)看，以差分方程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的非機(jī)理模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單而且有著較為成熟的數(shù)學(xué)處理方法，缺點(diǎn)是物理意義不強(qiáng)，而且求解過(guò)程存在多解，初值依賴(lài)性強(qiáng)，外推特性較差的特點(diǎn)。目前來(lái)看，學(xué)術(shù)界和工程界都傾向于采用包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)理負(fù)荷模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括IEEE的工作組報(bào)告推薦的模型標(biāo)準(zhǔn)也支持這種模型結(jié)構(gòu)。機(jī)理模型具有模型和參數(shù)的物理意義清晰，能較好地描述實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于這種模型用非線性微分方程形式表示，準(zhǔn)確辨識(shí)其參數(shù)、最大程度地減小負(fù)荷外特性的擬合誤差成為需要解決的難題和研究的熱點(diǎn)。參數(shù)辨識(shí)算法是決定負(fù)荷模型建模是否準(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)工具。負(fù)荷模型的參數(shù)辨識(shí)方法總體上可分為兩類(lèi)離線辨識(shí)算法和在線辨識(shí)算法。離線辨識(shí)要求較高的辨識(shí)準(zhǔn)確性和收斂性，對(duì)計(jì)算速度不作要求；而在線辨識(shí)算法則將計(jì)算速度作為最重要的目標(biāo)。在數(shù)學(xué)方法上，離線辨識(shí)算法主要指經(jīng)典的非線性最小二乘法和遺傳進(jìn)化類(lèi)隨機(jī)搜索方法。其中非線性最小二乘法包括最速下降法、高斯-牛頓法、阻尼最小二乘法等，遺傳進(jìn)化類(lèi)隨機(jī)搜索方法包括遺傳基因法、進(jìn)化策略法、遺傳進(jìn)化法、模擬退火法、蟻群算法等。這類(lèi)算法具有易于理解，算法研究相對(duì)比較成熟，通過(guò)采用一些技巧，能夠有效的避免局部最小點(diǎn)的問(wèn)題。但是依然無(wú)法完全克服對(duì)于初值敏感，計(jì)算時(shí)間不穩(wěn)定的問(wèn)題。此外，為了避免局部最小點(diǎn)，需要增加跳出局部最小點(diǎn)和重新搜索的計(jì)算量，尤其是對(duì)于綜合負(fù)荷這種非線性動(dòng)態(tài)模型，參數(shù)無(wú)法直接辨識(shí)，啟發(fā)式算法往往需要進(jìn)行多次數(shù)值仿真才能最后收斂，計(jì)算量比較大，難以適應(yīng)在線辨識(shí)的快速性要求，目前主要應(yīng)用于離線的參數(shù)校核。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析的需要，負(fù)荷模型參數(shù)在線辨識(shí)算法受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，負(fù)荷參數(shù)在線辨識(shí)算法主要包括遞推非線性最小二乘法、擴(kuò)展卡爾曼濾波、強(qiáng)跟蹤濾波、基于沃爾泰拉模型的辨識(shí)方法等。在線辨識(shí)的最重要的目標(biāo)是加快計(jì)算速度，然而負(fù)荷模型參數(shù)眾多，最簡(jiǎn)單的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加恒阻抗負(fù)荷也有7個(gè)待辨識(shí)參數(shù)，要在毫秒級(jí)的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成這么多個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)是不可能的，為此，有學(xué)者提出主導(dǎo)參數(shù)辨識(shí)的概念，這是基于這樣一個(gè)規(guī)律負(fù)荷模型中不同參數(shù)對(duì)輸出特性具有不同的靈敏度，那些靈敏度很低的參數(shù)恰恰是難以準(zhǔn)確辨識(shí)的。把這部分靈敏度低的參數(shù)設(shè)定為典型值，盡可能準(zhǔn)確地辨識(shí)其余靈敏度高的參數(shù)，同樣可以較為準(zhǔn)確地?cái)M合電力負(fù)荷的輸出 特性。這些對(duì)負(fù)荷輸出特性具有較高靈敏度的參數(shù)被稱(chēng)為主導(dǎo)參數(shù)，分析表明，在如圖I所示的包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和恒阻抗的綜合負(fù)荷模型中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例Km，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初始滑差Sci,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻Rr,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電抗Xs是主導(dǎo)參數(shù),其中Km具有最高的靈敏度?，F(xiàn)有的在線辨識(shí)算法通常選取一至兩個(gè)主導(dǎo)參數(shù)作為待辨識(shí)對(duì)象，辨識(shí)過(guò)程需要利用負(fù)荷的前穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)間通常需要20-60個(gè)數(shù)據(jù)步長(zhǎng)，辨識(shí)誤差往往超過(guò)10%。對(duì)于電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析而言，現(xiàn)有的負(fù)荷模型在線辨識(shí)算法在計(jì)算速度、辨識(shí)精度等方面都有待提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法，以快速、準(zhǔn)確地辨識(shí)出綜合負(fù)荷模型中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的比例，為電網(wǎng)的在線安全穩(wěn)定分析和控制提供基礎(chǔ)。本發(fā)明提出的綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法，包括以下步驟(I)測(cè)量電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓U、有功功率P、無(wú)功功率Q以及母線電壓的初相位Θ，設(shè)電網(wǎng)中一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)的母線電壓的初相位為O度，則電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓的初相位等于該母線電壓與平衡節(jié)點(diǎn)之間的相位差；(2)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，將電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓的初相位的四個(gè)測(cè)量值分別記為U。、P0, Qtl和Θ ^ ;(3)設(shè)定一個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓的閾值，將實(shí)時(shí)測(cè)量的電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓與閾值相比較，若實(shí)時(shí)測(cè)量值小于閾值，則認(rèn)定電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)，并進(jìn)行步驟(4)，若實(shí)時(shí)測(cè)量值大于或等于閾值，則繼續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量；(4)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓的初相位的四個(gè)測(cè)量值分別記為UpPpQ1和Θ工；(5)根據(jù)步驟(2)和步驟(4)兩組測(cè)量值，得到求解綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例Km的聯(lián)立方程如下
權(quán)利要求
1. 一種 綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)測(cè)量電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓U、有功功率P、無(wú)功功率Q以及母線電壓的初相位Θ，設(shè)電網(wǎng)中一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)的母線電壓的初相位為O度，則電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓的初相位等于該母線電壓與平衡節(jié)點(diǎn)之間的相位差； (2)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，將電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓的初相位的四個(gè)測(cè)量值分別記為U0、P0, Qtl和Θ ^ ; (3)設(shè)定一個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓的閾值，將實(shí)時(shí)測(cè)量的電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓與閾值相比較，若實(shí)時(shí)測(cè)量值小于閾值，則認(rèn)定電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)，并進(jìn)行步驟(4)，若實(shí)時(shí)測(cè)量值大于或等于閾值，則繼續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量； (4)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓的初相位的四個(gè)測(cè)量值分別記為UpPpQ1和Θ工； (5)根據(jù)步驟(2)和步驟(4)兩組測(cè)量值，得到求解綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例Km的聯(lián)立方程如下r TjPT},ScosiOi - θ()) + Ctga sin(0, — 00)) + (I-Km )f] = /-；U0U0<Qoijj-Y + KmP0clga cos{Ox — θ0) + sin^ - θ0)) = Q1 上式中，Km為綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例，α為電動(dòng)機(jī)的內(nèi)電勢(shì)角，上述方程式是一個(gè)二元一次方程組，兩個(gè)未知量為Km和ctga，其余均為測(cè)量數(shù)據(jù)； (6)求解步驟(5)的聯(lián)立方程，得到綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例Km為 K ――_^_ I認(rèn)I: ct ga +1') 其中，ctga- = ,， A = O,-QnK-Y ， H =. ’(AE-BD)U0U0 UaC=。丨 sMg ~Θρ) β = ρ _ γ y,="丨 sin(沒(méi)丨 U 廠 ^ cos(沒(méi)丨-θη) "丨 2Tf，1O、" J , J",J JJf) ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種綜合負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)功率比例的計(jì)算方法，屬于電力系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域。首先測(cè)量電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓的初相位，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，再測(cè)量母線電壓、有功功率、無(wú)功功率以及母線電壓；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，重新測(cè)量上述參數(shù)，根據(jù)兩次測(cè)量值，列寫(xiě)負(fù)荷模型參數(shù)的二元一次代數(shù)方程組，求解該方程組，得到電動(dòng)機(jī)功率比例。本發(fā)明的算方法，物理意義明晰、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確，可應(yīng)用于電力系統(tǒng)負(fù)荷建模和參數(shù)辨識(shí)軟件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷主導(dǎo)參數(shù)的快速辨識(shí)，為后續(xù)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析和控制提供基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H02J3/00GK102842906SQ20121031022
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者袁志昌, 金小明, 李立理, 門(mén)錕, 陸超, 李勇, 于松泰, 黃東啟 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司