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        電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真結(jié)果準(zhǔn)確度因素分析

        2012-10-11 02:58:12李宇龍任繼紅宋杭選
        黑龍江電力 2012年1期
        關(guān)鍵詞:模型系統(tǒng)研究

        李宇龍,王 浩,任繼紅,陳 闊,宋杭選

        (1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林吉林132012;2.河北邢臺供電局,河北邢臺054000;3.黑龍江省電力科學(xué)研究院,黑龍江哈爾濱150030)

        0 引言

        頻率是電力系統(tǒng)重要的運(yùn)行參數(shù),也是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一[1]。頻率質(zhì)量直接影響國民經(jīng)濟(jì)生活穩(wěn)定有序的發(fā)展,其具體表現(xiàn)如下:對于發(fā)電設(shè)備,當(dāng)系統(tǒng)頻率過低時,汽輪機(jī)葉片會產(chǎn)生裂紋甚至斷裂;對于負(fù)荷,頻率不穩(wěn)會影響產(chǎn)品質(zhì)量,造成產(chǎn)品次品數(shù)量上升;對于整個電網(wǎng),當(dāng)系統(tǒng)長時間在低頻情況下運(yùn)行會造成系統(tǒng)解列,甚至系統(tǒng)崩潰[2]。電力系統(tǒng)動態(tài)頻率是指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時,系統(tǒng)中各元件的頻率響應(yīng)。所以為了確保實(shí)際系統(tǒng)中的頻率質(zhì)量,研究頻率在整個電網(wǎng)中的動態(tài)行為有著非常重要的意義。

        1 頻率動態(tài)仿真過程相關(guān)定義

        1.1 仿真定義

        文獻(xiàn)[3]提出在電力系統(tǒng)中仿真定義如圖1所示。

        圖1 仿真的定義

        理想狀態(tài)下,當(dāng)輸入相同時,系統(tǒng)結(jié)果與仿真結(jié)果應(yīng)當(dāng)相同,或者滿足|Δ|<ε的要求。ε表示仿真準(zhǔn)確度,若離開|Δ|<ε的限制,就無法度量仿真結(jié)果與系統(tǒng)結(jié)果的差異,仿真就失去了意義。

        1.2 辨識定義

        Zadeh L.A.對于辨識給出如下定義[4]:辨識就是在輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,從1組給定的模型類中,確定1個與所測系統(tǒng)等價的模型。Ljung L.對于辨識的定義如下[5]:辨識就是按照1個準(zhǔn)則在1組模型中選擇1個與數(shù)據(jù)擬合最好的模型。與此同時,二者也給出了辨識過程的3要素,即輸入輸出數(shù)據(jù)、模型參數(shù)集以及選擇標(biāo)準(zhǔn)。

        2 影響仿真準(zhǔn)確性因素分析

        電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真是一個復(fù)雜的過程,其主要包括:數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理;模型搭建;參數(shù)辨識;仿真結(jié)果驗(yàn)證4個環(huán)節(jié)。其中前3個環(huán)節(jié)是影響系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真的主要因素。

        2.1 數(shù)據(jù)采集及其預(yù)處理對頻率動態(tài)仿真影響

        早期研究大都采用能量管理系統(tǒng)(EMS)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的量測信息,由于其數(shù)據(jù)并不具有時標(biāo),所以該量測數(shù)據(jù)大多應(yīng)用于電力系統(tǒng)靜態(tài)特性研究。隨著人們對于電力系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行情況關(guān)注的提高,EMS/SCADA無時標(biāo)的缺點(diǎn)顯露無疑,人們迫切需要知道現(xiàn)場事故與事故時間的對應(yīng)關(guān)系。

        近年來,計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,豐富了電力系統(tǒng)的量測手段。廣域量測系統(tǒng)(WAMS)的大規(guī)模使用[6],WAMS數(shù)據(jù)的出現(xiàn),解決了以往量測數(shù)據(jù)無時標(biāo)的確點(diǎn),為分析電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性提供了有力的依據(jù)。WAMS具有監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)行為、檢測斷面時間一致性、提供全局量測分析等特點(diǎn),使得采用離線數(shù)值仿真—在線運(yùn)行計(jì)算的方案成為可能。

        WAMS量測系統(tǒng)的產(chǎn)生雖然豐富了量測手段,但WAMS所測量得到的實(shí)測曲線仍有一些無法避免的缺點(diǎn)。由于整個電力系統(tǒng)的電氣接線地理分布范圍廣,受外界影響情況多,WAMS系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)勢必存在大量噪聲,該噪聲一定會對WAMS實(shí)測曲線的研究造成誤差。若單純的從數(shù)據(jù)角度考慮,如果從個別的實(shí)測軌跡中提取所需要的知識,就要保證其能正確地反應(yīng)整個系統(tǒng)的動態(tài)特性;如果從全部軌跡中提取知識,由于電力系統(tǒng)的多維性,很難定義系統(tǒng)的動態(tài)特性;如果把全部軌跡通過等值簡化的方法降維,就必須保證在降維過程中軌跡的動態(tài)特性不會改變。由于以上原因,如果不加處理直接引入WAMS量測數(shù)據(jù),仿真出來的結(jié)果很難保證準(zhǔn)確性,如果投入實(shí)際系統(tǒng)使用,將會造成無法彌補(bǔ)的損失。所以,在使用實(shí)測數(shù)據(jù)前,必須對WAMS采集到的實(shí)測軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。文獻(xiàn)[6]提出了3種方法,包括:針對問題選擇合適的目標(biāo)軌跡及時段;濾去實(shí)測軌跡中的噪聲;識別和修正由于阻塞、湮沒、丟失和出錯而產(chǎn)生的壞數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]提出了1種通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程與外部網(wǎng)絡(luò)解耦,進(jìn)而對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評估的方法。

        2.2 系統(tǒng)模型參數(shù)對頻率動態(tài)仿真的影響

        電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真最主要的研究方向就是確定系統(tǒng)模型參數(shù)。影響動態(tài)仿真準(zhǔn)確性的主要因素有兩個,即:發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模型參數(shù)以及負(fù)荷模型參數(shù)[3]。

        早期研究電力系統(tǒng)動態(tài)模型參數(shù)時,由于電網(wǎng)規(guī)模小、系統(tǒng)中電氣設(shè)備少,通常采用單機(jī)帶集中負(fù)荷模型分析。這種模型在研究小系統(tǒng)時有著易懂、簡單的特點(diǎn),但由于其忽略了電網(wǎng)中各電氣量之間的關(guān)系,在大電網(wǎng)研究中其可信度大大降低。尤其在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的今天,簡單的單機(jī)帶集中負(fù)荷模型不能真實(shí)的反應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行的特點(diǎn)。

        現(xiàn)階段的模型研究主要分為發(fā)電機(jī)及調(diào)速器模型研究和負(fù)荷模型研究。

        發(fā)電機(jī)及其調(diào)速器模型的準(zhǔn)確性直接影響電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8]提出了二階、三階、五階實(shí)用發(fā)電機(jī)模型,由于這3種模型包含實(shí)際控制系統(tǒng)中難以測量的參數(shù),所以只適用于穩(wěn)定分析。而文獻(xiàn)[9]推導(dǎo)了同步發(fā)電機(jī)非線性勵磁和調(diào)速控制的實(shí)用3階模型,該文獻(xiàn)對系統(tǒng)非線性研究做了基礎(chǔ)性和開創(chuàng)性的研究。

        汽輪機(jī)調(diào)速器分為液壓調(diào)速器和功頻電液調(diào)速器兩種,液壓調(diào)速器又可細(xì)分為旋轉(zhuǎn)阻尼液壓調(diào)速器和高速彈簧片調(diào)速器兩種類型,其基本原理相同,研究過程中可采用一種模型結(jié)構(gòu)表示[8]。

        負(fù)荷模型對系統(tǒng)頻率動態(tài)過程的影響也很大。從早期的集中負(fù)荷模型理論到現(xiàn)在的綜合負(fù)荷模型理論,人們在負(fù)荷模型方面研究已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)步,但是由于系統(tǒng)負(fù)荷的時變性與地域性,研究人員仍然不能完全確定電力系統(tǒng)動態(tài)特性與負(fù)荷模型的關(guān)系。綜合負(fù)荷模型包括感應(yīng)電動機(jī)模型和ZIP模型,由于不同時間,不同場景電網(wǎng)中各點(diǎn)的負(fù)荷各不相同,所以我們在建立負(fù)荷模型時要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中各負(fù)荷情況特點(diǎn)分類討論。文獻(xiàn)[7]提出了限制負(fù)荷模型研究發(fā)展的兩個因素:由于實(shí)際負(fù)荷的復(fù)雜性與多樣性原因,把各種各樣的負(fù)荷元件完全等值到少數(shù)幾個負(fù)荷模型上是很不切合實(shí)際的;現(xiàn)階段的量測手段不能剔除噪聲干擾、環(huán)境溫度等因素對于實(shí)測數(shù)據(jù)的影響,所以獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的誤差,精確的負(fù)荷模型是建立在精確的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的,所以我們只能通過負(fù)荷模型盡量模擬現(xiàn)場。

        由于電網(wǎng)負(fù)荷具有地域性及時變性等特點(diǎn),對于負(fù)荷模型是否能分類以及如何分類的問題成為現(xiàn)階段電力系統(tǒng)動態(tài)仿真研究的熱點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[3]雖然提出了一種針對滄州農(nóng)業(yè)用電的負(fù)荷模型搭建方法,但是所需要的條件過多,只能說明在滿足條件的情況下負(fù)荷模型是可以分類討論的。

        電力系統(tǒng)仿真參數(shù)的研究起步很早,但直到20世紀(jì)1996年美加大停電事故以后才引起人們的重視。美國電力研究院(EPRI)的Adapa博士在關(guān)于加強(qiáng)電力系統(tǒng)可靠性措施的建議中2次提到:“研究確定仿真模型用設(shè)備參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法和手段”[3],可見參數(shù)研究的重要性。

        2.3 參數(shù)辨識

        參數(shù)辨識的研究手段主要分為解析分析法和數(shù)值分析法兩種。前者強(qiáng)調(diào)利用數(shù)學(xué)分析的方法,列出方程對實(shí)際系統(tǒng)模擬,最后求解,獲得參數(shù)與目標(biāo)量之間的對應(yīng)關(guān)系;后者主要通過利用系統(tǒng)中各參數(shù)對軌跡影響,比對實(shí)測軌跡,驗(yàn)證仿真來解決問題。在早期研究中,由于使用EMS/SCADA設(shè)備采集的無時標(biāo)數(shù)據(jù),人們大都采用解析法對電力系統(tǒng)特性進(jìn)行研究?,F(xiàn)階段電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性參數(shù)辨識研究的主要方法有兩種,即:利用軌跡靈敏度求取與軌跡變化的強(qiáng)相關(guān)參數(shù);通過一些數(shù)學(xué)方法對系統(tǒng)特征矩陣進(jìn)行降維。

        對于發(fā)電機(jī)及其調(diào)速器參數(shù),采用軌跡靈敏度法分析。文獻(xiàn)[10]通過軌跡靈敏度法獲得發(fā)電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)中與頻率仿真軌跡強(qiáng)相關(guān)的參數(shù);根據(jù)參數(shù)變化與頻率仿真軌跡變化關(guān)系,制定參數(shù)修改策略;最終通過實(shí)例驗(yàn)證該方法的有效性。文獻(xiàn)[10]中還指出了發(fā)電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)中各參數(shù)變化對于頻率動態(tài)仿真曲線的具體影響,其中發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)直接影響頻率曲線下降斜率;發(fā)電機(jī)出力調(diào)節(jié)能力直接影響頻率經(jīng)過最低點(diǎn)后回升的速度;調(diào)速器調(diào)差系數(shù)影響頻率下降的最低點(diǎn)和頻率回升斜率;調(diào)速器死去則是主要影響頻率的最低點(diǎn)。

        對于負(fù)荷模型參數(shù)的辨識除了采用軌跡靈敏度法以外,利用最小二乘法對系數(shù)矩陣進(jìn)行降維也是處理負(fù)荷模型參數(shù)的主要方法?;嗀?fù)荷模型參數(shù),找出負(fù)荷模型中對于曲線影響最大的因素?,F(xiàn)階段對于負(fù)荷模型研究仍具有局限性,由于負(fù)荷本身的時變性以及地域性等特點(diǎn),現(xiàn)階段所獲得的成果一部分是在條件充足的情況下才能成立的,并不具有普遍意義。

        3 系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真準(zhǔn)確性分析

        系統(tǒng)仿真可信度分析的核心問題是誤差指標(biāo)的確定,其目的是定量分析仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間的誤差。所以制定合理的仿真誤差評價指標(biāo)是系統(tǒng)仿真可信度評估的關(guān)鍵?,F(xiàn)階段我們所使用的仿真誤差分析方法主要有定性分析和定量分析。定性分析是現(xiàn)在大多數(shù)人采用的分析方法,即通常說的目測法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是很直觀,但是其帶有很大的主觀性,而且不適合移植到計(jì)算機(jī)平臺上。定量分析首先給出誤差量化指標(biāo),以仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果誤差量化指標(biāo)最小為最優(yōu),為模型優(yōu)化和算法校驗(yàn)提供了數(shù)值依據(jù)。定量分析有殘差分析和特征量分析兩類[11]。文獻(xiàn)[11]根據(jù)殘差可信度指標(biāo)表征動態(tài)仿真的整體誤差,使用頻率、阻尼和幅值可信度指標(biāo)來表征暫態(tài)信號的特征量誤差,形成一套比較完整的仿真可信度評估理論體系。

        必須指出的是,現(xiàn)階段所采用的仿真技術(shù)還不能做到驗(yàn)證仿真結(jié)果完全可信,只能保證其相對可信度,即:在幾組模型參數(shù)中,找出最接近實(shí)際系統(tǒng)情況的一組參數(shù)。

        4 結(jié)語

        電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真過程從數(shù)據(jù)量測-模型構(gòu)建-參數(shù)識別,每個環(huán)節(jié)的些許誤差都會造成最終仿真結(jié)果無法與實(shí)際事故軌跡吻合?,F(xiàn)階段對于電力系統(tǒng)頻率動態(tài)仿真過程的研究雖然獲得了一定的成果,但是僅僅做到這些是不足夠的,我們需要加強(qiáng)對于量測方法的研究,減少噪聲等外界因素對于量測數(shù)據(jù)的影響,提高量測數(shù)據(jù)的可靠性;進(jìn)一步對電力系統(tǒng)動態(tài)特性的機(jī)理進(jìn)行研究,找出其中規(guī)律性的結(jié)論,應(yīng)用到系統(tǒng)仿真的模型構(gòu)建及參數(shù)辨識;確定合理的分析方法,提高仿真結(jié)果的可信性。只有這樣,才能確保頻率動態(tài)仿真出的結(jié)果是相對真實(shí)的,才能確保由此產(chǎn)生的理論方案應(yīng)用在電力系統(tǒng)中是安全的。

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