电网在线仿真数据质量评估及自动校准方法

高 峰，康建东，薛晓辉，鲁广明

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；

2.中国电力科学研究院，北京 100192；

3.国网北京市电力公司，北京 100031）

电网技术

电网在线仿真数据质量评估及自动校准方法

高 峰1，康建东2，薛晓辉3，鲁广明2

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；

2.中国电力科学研究院，北京 100192；

3.国网北京市电力公司，北京 100031）

针对用于电网在线仿真数据模型来源多、整合难、质量差，不能够高质量地反映实际电网状态的问题，从模型匹配、在线数据参数、在线数据内在特征等方面考虑，提出了一种适用于电网在线仿真数据质量评估及自动校准的方法。应用结果表明：该方法能够从多个角度、多个层面对电网在线数据质量进行评估及自动校准，从而大幅度提升电网在线安全稳定校核的精度。

在线；仿真数据；质量评估；自动校准

电力技术理论的日益丰富和计算机技术、多媒体技术的迅速发展，为电力系统的快速发展提供了多元化的手段；随着智能电网的大力推进，对电网的安全稳定运行也提出了更高的要求。在这种背景下，利用各种资源进行电网的在线安全稳定评估和决策具有重要的意义［1-5］。

传统的电网计算模型主要是由系统运行和自动化专业人员进行维护。其中系统运行专业人员维护离线模型；自动化专业人员维护在线模型。此外，计划专业维护的数据中有日前、实时的计划数据，继电保护专业维护的数据中还有部分一次、二次设备的参数。在线运行数据包含了电网的运行信息，能够相对准确地描述某时刻电网的运行状态；离线方式数据包含了相对完整的典型电网结构，以及电网设备的模型和参数，适合详细、深入地分析电网的物理特性。虽然调控中心中各类计算数据从不同的视角去描述同一个电网，但由于建模的载体、目的不同，建模过程相对独立等原因，很难将不同类型的数据直接进行简单的合并。当前电网调度中心现有的数据并不能为在线安全稳定评估和决策系统提供一个信息完整又能反映实时运行信息的电网模型，因此，对于多源数据的整合显得尤为重要。高质量的数据源能更真实更详尽地反映现实电网，有利于调度员对当前系统可能遇到的风险做出准确判断，有利于电网的长期健康稳定运行。本文所提出的电网仿真数据质量评估及自动校准方法能够对在线数据质量给出考核，从多个角度、多个层面分析整合结果，能够大大减轻调度人员的工作强度和工作量。

1 数据质量评估方法

在线数据模型反映电网在线实时模型，但由于目前维护的滞后导致模型更新不及时，在线模型与实际情况不符；而离线模型一般反映电网超前情况，能够基本涵盖当前电网的模型。通过在线/离线数据模型匹配，对在线模型进行实时检查，分析模型不匹配的情况，核查由于建模范围和详细程度不同导致的电网拓扑结构偏差和负荷等值偏差，查看厂站、发电机、交流线、直流线、负荷、两绕组变压器、三绕组变压器、并联电容电抗各自的在线、离线映射情况。

1.1 模型评估指标

评估模型的仿真准确与否决定了模型的仿真程度能否与实际输出值吻合。以往判断模型准确与否通过经验分析，缺乏定量分析。为了计算评估模型的准确度，考虑多源数据的相似性，提出在线模型的评估指标：

式中：V—在线数据与离线数据的相似程度；

M(X,Y)—两数据的相似度；

α—各设备的权重系数，α∈[ ] 0,1，其大小由各个设备对于仿真计算重要性确定，一般厂站为0.2，发电机为0.3，其余设备一般取0.05～0.1左右。

式中：xi—在线设备的总数；

yi—映射上的在线设备数。

1.2 在线参数评估

参数估计比较的好坏对电力系统稳定水平的分析结果相差很大，因此，围绕离线数据、数据采集与监视控制（Supervisory Control and Data Acqwisctio,SCADA）系统数据以及状态估计数据进行残差交叉比对。在线参数估计方法通过残差分析法和多源参数比对方法实现。

将仿真信号序列减去实测信号，得到残差序列，对残差序列建立数学模型，给出数值指标。具体表达式为

xi—数据点i点可信度；

γi—第i点的权重；

φ为可信度指标。

在多源参数比对方法中，通过多源数据映射，将在线中的与离线数据存在误差的数据放入参数问题集，与之前的残差分析方法中的参数问题集进行比较，最终将结果反馈给状态估计，进行参数调整。具体指标表达式为

式中：pi—设备的有功功率；

P—系统的总负荷；

yi—在线参数；

ŷi—离线参数。

图1所示为在线参数评估方法。

图1 在线参数评估方法

1.3 在线调度计划评估

在线调度计划由电网各级调度中心申报计划整合后得到，包括发电计划、设备停复役计划（检修计划）、母线负荷预测、系统负荷预测、断面交易计划、联络线计划、直流输电等7大类计划。各级调度中心在制定调度计划时，由于人工因素较多，难免存在遗漏和偏差以及与电网模型存在不匹配的情况。因此，必须根据计划数据校验规则，对申报的7类计划数据的完整性和逻辑性进行评估检查，为提高计划数据质量和计算分析的可靠性提供科学依据。

（1）计划完备性检查。主要检查7类数据是否均已具备。

（2）每类数据的内容是否齐全。

①数据中的设备名称是否和D5000基础模型设备名称一致。

②数据是否覆盖管辖范围内的全部设备（和D5000设备模型名称不一致的计划数据视为数据缺失）。

（3）曲线型的数据是否存在缺点情况。

7类数据中系统负荷预测、母线负荷预测、区域及分省总交换计划、机组调度计划等4类属于曲线型数据，要求必须为96点的数据，不能发生缺数。

（4）计划逻辑性检查。

①用电负荷预测最大、最小和变动率不超过一定值。如：“三华”上报的用电负荷预测最大值不超过300 GW，最小值不低于20 GW，相邻两点之间（15 min）的变动率绝对值不超过30 GW。

②机组调度计划值必须不高于机组最大技术出力。如果发生越限，需要记录越限情况，给出报警信息。进入计算时，如果P≥Pmax，则P=Pmax。

③未并网机组不能有计划出力。

如果在设备停电计划中发现机组处于停电状态，则机组调度计划中该停电机组在停电时段的值必须为0，否则给出告警信息。进入计算时，将停电机组停电时段中非零的计划值置零。

④检修计划记录不能出现矛盾。

（5）功率平衡的校核。

系统中存在如下平衡公式：

考虑到未建模小机组的存在，实际操作中按照如下规则进行校验：

①5%系统负荷预测表示网损最大限值和预测偏差。

②系统负荷预测口径中如果含未建模小机组则应该报送未建模小机组计划。

③未建模小机组报送不会产生机组名称不匹配错误，但需标示该机组为小机组。

④厂用电取自模型中的厂用电率与机组计划的乘积。

（6）断面限额必须有相应的成员定义。

“输电断面限额表”中的断面名称都必须在“输电断面组成元件表”中找到相应的成员定义，否则给出报警信息。

2 数据质量自动校正

对在线数据评估需要从收敛并且能满足动态稳定计算要求出发，因此需要对状态估计数据进行调整。调整后的数据一方面能够实时反映当前系统的运行计算要求，另一方面能够满足安全稳定分析计算要求。

2.1 在线数据不平衡功率调整措施

在在线数据中给出各个支路的有功功率、无功功率和节点电压及相角，用以下的p型等效电路模型进行描述。

图2 p型等效电路模型

在图2中：Pi1和Qi1分别为支路i侧有功和无功注入；Pj1和Qj1分别为支路 j侧有功和无功注入；Ui和Uj分别为支路i侧和j侧电压幅值；θi和θj分别为支路i侧和j侧电压相角，阻抗Zij=Rij+jXij,Bii=Bjj。

对在线数据进行评估过程中，基尔霍夫定律和支路潮流方程被用于表征电力元件数据之间的关系。当实际运行的电网运行状态和数学建模状态完全一致时，电网中支路节点功率应满足式

（10）与式（11）的功率平衡关系：

式中：Pil和Qil—分别表示为与节点i连接某一支路l的有功和无功；

Ik—代表与节点i相连的所有节点集合。

若节点存在不平衡功率，则需将不平衡的功率分配到相邻厂站的负荷中：

搜索该厂站相邻的厂站的负荷，通过比较变压器容量与负荷功率计算相应的负荷裕度，最后将不平衡的负荷通过负荷分担系数分配给相邻的负荷。

2.2 在线发电机机端电压调整措施

由于发电机及母线基准电压维护不及时，母线标幺电压明显与运行电压不符，需调整发电机侧的基准电压与变压器的变比，其步骤如下：

（1）搜索机端电压不正常的发电机(V＞1.05,V＜0.97)。

（2）调整发电机的机端电压：

①根据多源数据映射找到离线数据中对应的发电机的额定电压；

②将发电机的额定电压设为该发电机母线的基准电压，计算发电机的机端电压是否在合理的范围内；

③若不在正常范围以内，则需要修改基准电压将发电机的机端电压保持在合理范围以内。

（3）将变压器的低压侧的基准电压修改为发电机母线的基准电压，修改变压器的变比及参数。

（4）重复进行（2）和（3），直到所有的发电机满足要求为止。

其流程如图3所示。

图3 在线发电机机端电压调整流程

2.3 元件动态模型调整

通过多源数据映射，在线元件动态参数一般都能与离线数据中元件进行匹配。对于没有映射上的元件需要做以下步骤：

（1）对于元件零序参数，采用典型参数。

（2）对于影响零序电路的变压器接线方式，通过厂站模型生成分区图，通过遍历与该厂站最紧密的厂站的变压器，将与变压器容量、电压等级等相同的变压器设为该变压器的接线方式。

（3）对于没有映射上的发电机，通过遍历与该厂站最紧密的厂站，搜索发电机额定容量、类型相近的发电机作为该发电机的动态模型。

3 应用效果

针对某次直流双极闭锁故障，基于在线数据，复现故障动态过程，对比在线数据和同步相量测量装置（Phasor measurement unit,PMU）实测结果，考察在线数据仿真质量。以故障前断面状态估计数据为基础潮流方式。

对比在线数据PSASP仿真与PMU实测曲线，其中线路功率曲线如图4所示，Prony分析如表1所示；母线电压仿真曲线如图5所示，Prony分析如表2所示。

图4 线路功率曲线对比

表1 线路功率曲线Prony分析

图5 母线电压曲线对比

表2 母线电压曲线Prony分析

（1）从曲线及Prony结果的对比可看出，在线数据的仿真曲线与实测曲线基本吻合，表明在线模型及参数合理。

（2）在线数据仿真曲线比离线数据仿真曲线更能准确地模拟实际系统电气量的变化，特别是有功功率、电压曲线，变化的幅值和波形都比较接近，有时也出现功率变化曲线与PMU量测曲线有点差距，主要是因为机组的调速器采用1型简化模型，其机械功率上、下限由动态参数给定，且没有锅炉模型，部分机组的给定机械功率上限甚至大于1，导致扰动过程发电机能输出较大的功率。

4 结论

（1）基于电网仿真数据，从模型匹配、在线数据参数、在线数据内在特征等角度出发，提出电网仿真数据质量评估及自动校准方法。

（2）该方法能够从多个角度、多个层面对在线数据质量进行评估计自动校准，能够大大减轻调度人员的工作强度和工作量，大幅度提升在线安全稳定校核的精度。

［1］ 田芳，黄彦浩，史东宇，等.电力系统仿真分析技术的发展趋势[J].中国电机工程学报，2014，34（13）：2151-2163.

［4］ 严剑峰，于之虹，田芳，等.电力系统在线动态安全评估和预警系统[J].中国电机工程学报，2008，28（34）：87-93.

［3］ 郑超，侯俊贤，严剑峰，等.在线动态安全评估与预警系统的功能设计与实现[J].电网技术，2010，34（3）：55-60.

［4］ 汤涌，王英涛，田芳，等.大电网安全分析、预警及控制系统的研发[J].电网技术，2012，36（7）：1-11.

［5］ 高峰，张军，丁茂生，等.宁夏电网动态安全评估系统一体化功能设计[J].宁夏电力，2014（5）：1-3.

Quality evaluation and automatic calibration method for power grid on-line simulation data

GAO Feng1,KANG Jiandong2,XUE Xiaohui3,LU Guangming2
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China;
2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;
3.State Grid Beijing Power Company,Beijing 100031,China)

Aiming at the problems of more sources,difficult integration,poor quality and unable to reflect the practical power grid status in the power grid on-line simulation data model,considering the model matching,on-line data parameters,the interior characteristic of on-line data,puts forward a quality evaluation and automatic calibration method to apply to power grid on-line simulation data.The application result shows that the method can make quality evaluation and automatic calibration on power grid on-line simulation data from multi-angle and multi-dimension,so as to promote drastically the precision of power grid on-line safety and steady verification.

on-line;simulation data;quality evaluation;automatic calibration

TM74

A

1672-3643（2017）01-0001-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.001

国家电网公司科技项目（国家电网发展［2015］90号）。

2016-10-05

高峰（1982），男，高级工程师，工学博士，从事电力系统仿真与分析研究工作。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.001