韋昌福，李 濱

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

電網(wǎng)頻率是整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)也是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電網(wǎng)頻率反映電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電出力與負(fù)荷的平衡關(guān)系，當(dāng)二者不平衡時(shí)，反應(yīng)在電網(wǎng)頻率上將使其偏離額定值發(fā)生波動(dòng)。

現(xiàn)代電網(wǎng)及其控制手段的快速發(fā)展，使得電網(wǎng)頻率較過去有很大的改善，基本上能夠穩(wěn)定在較小的范圍之內(nèi)，例如廣西電網(wǎng)的頻率波動(dòng)基本上在±0.1Hz之內(nèi)。但由于現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模迅速增大，各種分布式電源的加入，以及智能電網(wǎng)的建設(shè)等，這些因素將對現(xiàn)行電網(wǎng)控制提出更高的要求，必須沿著精細(xì)化控制、智能化控制的方向發(fā)展，其中就必須要對未來電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)有準(zhǔn)確的預(yù)測，包括了對電網(wǎng)頻率的預(yù)測。

目前國內(nèi)各大電網(wǎng)已逐步執(zhí)行CPS考核標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制策略研究也取得了較大進(jìn)步［1，2］。但目前控制策略中缺少未來電網(wǎng)頻率的波動(dòng)信息，加入電網(wǎng)頻率預(yù)測將使其具有更強(qiáng)的前瞻性，達(dá)到更好的控制效果。

因此，無論是當(dāng)前CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC電網(wǎng)控制的研究需求，還是著眼于未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，都對電網(wǎng)頻率預(yù)測有著迫切的需求。

目前國內(nèi)外電網(wǎng)頻率預(yù)測的相關(guān)文獻(xiàn)很少，可查的預(yù)測方法有三個(gè):①在工程中預(yù)測頻率采取簡單的處理方法［3］，直接對歷史頻率求平均值來預(yù)測下一時(shí)刻電網(wǎng)頻率，這種方法簡單，但預(yù)測精度難以保證。②提出一種頻率預(yù)測器模型［4］，模型的階數(shù)用最小二乘法確定。頻率預(yù)測器的效果主要取決于預(yù)測間隔的長度。該模型在一個(gè)仿真電力系統(tǒng)中做的實(shí)驗(yàn)，在預(yù)測間隔較短時(shí)，模型預(yù)測結(jié)果誤差較小，預(yù)測間隔增大時(shí)，誤差也隨之變大。③人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測短期電網(wǎng)頻率［5］，預(yù)測對象為印度電網(wǎng)的頻率，由于電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大，預(yù)測結(jié)果偏差較大。

總的來說，已有方法的電網(wǎng)頻率預(yù)測結(jié)果精度不高，本文提出基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測，利用BP網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的高度非線性映射能力對電網(wǎng)頻率進(jìn)行預(yù)測。大量仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠達(dá)到較高的預(yù)測精度，可以為電網(wǎng)控制提供實(shí)用的參考依據(jù)。

2 電網(wǎng)頻率分析

電網(wǎng)頻率的波動(dòng)主要取決于系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)出力和負(fù)荷兩個(gè)變量的相互作用，由于負(fù)荷的變化含有隨機(jī)分量，而AGC控制的調(diào)頻發(fā)電機(jī)出力不能及時(shí)跟上負(fù)荷的變化，這就導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)的隨機(jī)性更加明顯。此外，氣象條件也會影響電網(wǎng)頻率，如溫度、降雨量等。與負(fù)荷預(yù)測能夠充分利用往日歷史數(shù)據(jù)不同，前一天的電網(wǎng)頻率與當(dāng)天同一時(shí)刻的電網(wǎng)頻率關(guān)系非常微弱，因此對電網(wǎng)進(jìn)行頻率預(yù)測是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。

雖然電網(wǎng)頻率存在較大的隨機(jī)分量，但頻率有其自身的特性和規(guī)律［6－9］，通過對現(xiàn)有的大量的數(shù)據(jù)分析，可以總結(jié)出電網(wǎng)頻率具有以下特點(diǎn):

（1）電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍較小，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電網(wǎng)頻率分布近似為正態(tài)分布，絕大部分頻率偏差在±0.1Hz之內(nèi)；

（2）電網(wǎng)頻率正負(fù)偏差交替波動(dòng)，其正負(fù)偏差翻轉(zhuǎn)時(shí)間平均約為1min左右；

（3）由于頻率和負(fù)荷數(shù)據(jù)直接從電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化SCADA中取出，存在少量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、錯(cuò)誤等現(xiàn)象，為了增加頻率預(yù)測準(zhǔn)確性，必須將這些數(shù)據(jù)處理掉。

3 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP網(wǎng)絡(luò)是一種基于誤差反向傳播的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9］，網(wǎng)絡(luò)通過對簡單的非線性函數(shù)進(jìn)行數(shù)次復(fù)合，可以近似任何復(fù)雜的函數(shù)。由于其輸入輸出的高度非線性映射能力，BP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在電力系統(tǒng)預(yù)測方面也有大量應(yīng)用［10，11］。

BP算法的基本思想是，學(xué)習(xí)過程由正向傳播與誤差的反向傳播兩個(gè)過程組成。正向傳播時(shí)，輸入樣本經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后輸出，若與期望輸出不符，則轉(zhuǎn)入誤差的反向傳播階段。誤差反向傳播是將輸出誤差以某種形式分?jǐn)偨o各層單元，獲得各層單元的誤差信號。正向傳播與誤差反向傳播的各層權(quán)值調(diào)整過程周而復(fù)始地進(jìn)行。此過程一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出誤差減少到設(shè)定的誤差范圍之內(nèi)，或到達(dá)設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）隱含層節(jié)點(diǎn)輸出:

（2）輸出層節(jié)點(diǎn)輸出:

（3）輸出層節(jié)點(diǎn)誤差:

（4）按梯度下降法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值調(diào)整

4 BP網(wǎng)絡(luò)頻率預(yù)測實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)處理

本文所用數(shù)據(jù)直接來自電網(wǎng)調(diào)度部門SCADA系統(tǒng)。由于電力系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變或者數(shù)據(jù)通信受干擾等原因，數(shù)據(jù)信息包含隨機(jī)波動(dòng)部分，表現(xiàn)為曲線上存在很多毛刺，這將影響電網(wǎng)頻率預(yù)測的準(zhǔn)確性，因此在使用這些數(shù)據(jù)之前有必要將其做一定處理。

本文采用指數(shù)平滑法進(jìn)行處理，實(shí)用的處理公式如下:

其中，fnew（i）是平滑處理后的數(shù)據(jù)；f（i）是處理前數(shù)據(jù)；e是平滑系數(shù)，在0～1之間，通過分析比較，算例中選取平滑系數(shù)e=0.6。

本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)變換函數(shù)是S型函數(shù)，過大大或過小的輸入量會使神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，因此在進(jìn)行計(jì)算之前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，本文中將數(shù)據(jù)歸一化至0，1之間。所用公式如圖2所示。

對電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化:

對電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化:

由于對電網(wǎng)頻率預(yù)測的時(shí)間較短，氣象數(shù)據(jù)如溫度，濕度降雨量等幾乎沒有變化，預(yù)測中可以將其忽略。

4.2 BP網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)頻率預(yù)測

BP網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容如下:

（1）首先對電網(wǎng)頻率、負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、歸一化處理，初始化輸入層到隱層和隱層到輸出層權(quán)值wij、Tij；

（2）依次輸入P個(gè)樣本，計(jì)算誤差并將誤差分配到各層神經(jīng)元，根據(jù)各層誤差利用帶動(dòng)量和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的梯度下降算法traingdx調(diào)整權(quán)值；

（3）當(dāng)計(jì)算精度達(dá)到設(shè)定值或到達(dá)最大迭代次數(shù)之后，算法結(jié)束，輸出電網(wǎng)頻率預(yù)測值。

基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測流程如圖2所示。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)頻率預(yù)測流程圖

5 模型仿真

本文數(shù)據(jù)樣本采用廣西電網(wǎng)2007年3月9日的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)為廣西電網(wǎng)總負(fù)荷和電網(wǎng)頻率，處理之后的數(shù)據(jù)為10s一個(gè)點(diǎn)。BP網(wǎng)絡(luò)采用的訓(xùn)練算法為帶動(dòng)量和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的梯度下降算法traingdx。

由于電網(wǎng)頻率預(yù)測主要著眼于CPS標(biāo)準(zhǔn)的AGC控制中對下一時(shí)段頻率的需求，因CPS標(biāo)準(zhǔn)考核時(shí)間為10min，故本文將預(yù)測時(shí)間定為10min。而10min預(yù)測時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大，一次性預(yù)測誤差較大，為了提高最近時(shí)段的預(yù)測精度，本文在預(yù)測中采用分段預(yù)測的方法，將10min內(nèi)的60個(gè)點(diǎn)分為3段進(jìn)行預(yù)測，前一段的預(yù)測值當(dāng)作后一段的歷史值。

選取某一時(shí)段，預(yù)測結(jié)果見圖3，誤差統(tǒng)計(jì)見圖4。

圖3 5:10～5:20頻率預(yù)測結(jié)果

圖4 5:10～5:20預(yù)測時(shí)段頻率偏差

由圖4和圖5可以看到基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確，預(yù)測頻率變化趨勢與實(shí)際基本上相符。由于采用分段預(yù)測的方法，保證時(shí)間靠前的部分預(yù)測精度較高，預(yù)測值與實(shí)際值偏差較小，而靠后的部分偏差稍大，在實(shí)際應(yīng)用中可以利用新數(shù)據(jù)不斷更新、修正預(yù)測，提高時(shí)間靠后部分的預(yù)測精度。

以下是1小時(shí)內(nèi)6個(gè)預(yù)測時(shí)段的電網(wǎng)頻率預(yù)測誤差統(tǒng)計(jì):

從表1可以看到，基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測在各時(shí)段內(nèi)預(yù)測結(jié)果的最大、最小誤差，平均絕對、相對誤差指標(biāo)都較小，能夠達(dá)到較高的預(yù)測精度。

6 結(jié)論

隨著CPS標(biāo)準(zhǔn)下AGC控制策略研究的發(fā)展，以及現(xiàn)代電網(wǎng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，對未來一段時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)頻率預(yù)知產(chǎn)生了迫切的需求。本文通過分析電網(wǎng)頻率的特性及其影響因素，利用BP網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的高度非線性映射能力，提出基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測。預(yù)測前先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，去掉原始曲線上的毛刺，BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用帶動(dòng)量和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的梯度下降算法。大量的數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提出的基于BP網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)頻率預(yù)測能夠達(dá)到較高的預(yù)測精度，可以為CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制策略提供未來電網(wǎng)頻率的波動(dòng)信息，從而提高AGC控制的性能；同時(shí)也為現(xiàn)代電網(wǎng)控制、智能電網(wǎng)提供實(shí)用的電網(wǎng)頻率預(yù)測信息。

表1 1小時(shí)內(nèi)電網(wǎng)頻率預(yù)測結(jié)果

［1］李濱，韋化.基于現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)理論的互聯(lián)電網(wǎng)控制性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的 AGC 控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（25）:56－61.

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