关于电网自动化控制系统辨识与仿真研究

2021-01-12吴爱华

今日自动化 2021年11期

吴爱华

[摘要] 大型电力系统的出现也只约一百多年的时间。电网系统之所以如此复杂和巨大是由它本身的特点造成的。电能从它的产生、变换、传输、配电、及到用户最终使用都体现它有别于其他系统的整体性。大容量的电能的存贮手段至今为止人类还没有找到，因此就造成了电能从生产到消费的过程基本上是在同一瞬间同时进行的。电网自动化控制系统是保证此过程有效运作的关键因素，系统辨识是保证建模贴近真实性重要一环，也是系统仿真成功的重要基础。

[关键词]电网;自动控制;系统;辨识;仿真

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–03

Research on Identification and Simulation of Power Grid Automation Control System

Wu Ai-hua

[Abstract]The emergence of large-scale power systems is only about a hundred years old. The reason why the grid system is so complicated and huge is caused by its own characteristics. Electric energy from its generation， transformation， transmission， distribution， and final use to users reflects its integrity different from other systems. The storage method of large-capacity electric energy has not been found by human beings so far， so the process of electric energy from production to consumption is basically carried out at the same instant. The power grid automation control system is a key factor to ensure the effective operation of this process. System identification is an important part of ensuring that the modeling is close to the authenticity， and it is also an important foundation for the success of system simulation.

[Keywords]power grid; automatic control; system; identification; simulation

1 電力系统辨识的概念

1.1 电力系统建模的意义

电力系统仿真计算是近年来出现的一门专门技术。随着现代电网规模的不断扩大，电力系统仿真就成了电网稳定运行的基本工具。为此，给电力系统建立模型，是保证电网可以进行仿真计算的先决条件。如果建立模型欠准，在某些不确定的情况下有可能导致结论的改变，甚至会造成一些重要现象被掩盖和忽略。例如，2003年“8·14”美加出现的一些大的停电事故及2006年“11·4”欧盟的大停电事故等，通过对事后事故报告分析表明电力系统仿真使用的模型欠准，不能复原当时发生事故的实情。

建立的模型欠准会引发计算结果和实际情况偏差，会对现代大规模电网造成损害。而所建立的模型对大型的电网的影响是不易事先确定的，或表现“保守”，或表现“冒进”。因此，好的电网模型建立，不仅可以提高电能的传输能力及消除安全隐患，而且可以改善经济效益和社会效益。

由于缺乏现场测量得到具有统一时标的动态响应数据，而使电力系统动态建模与仿真的准确度无法校核，加之模型和参数的管理又不够严谨，影响了建模和仿真度的可信度。随着计算机技术和通信技术特别是广域测量技术的发展和应用，电力系统有了全网统一的时钟，为电力系统提供了新的技术支撑。

1.2 电力系统建模的途径

电力系统建模的任务：①构建描述系统的模型方程;②确定模型方程中的参数。这样形成了三类电力系统建模的基本途径：①通过元件自身构造原理的方法;②采用测量辨识的方法;③使用混合方法。

1.2.1 通过元件自身构造原理的方法

电网建模的途径之一就是按照元件的自身构造原理来建立模型，通过计算方法来获得参数数值，这样的模型就叫机理模型。以同步电机建立模型为例，通过元件自身构造原理建立模型方法如图1所示。

1.2.2 采用测量辨识的方法

途径二就是通过测量方法建立模型对象的运行或者实验数据来辨识模型，简称测辩法。例如，以电力负荷来看，通过测量辨识的方法建立模型，如图2所示。

1.2.3 使用混合方法

以上所介绍的两种方法各异但优势互补。电网所处的通常是“灰箱”，其内部机理一般都不是秘密的，能够根据自身构造或者工作原理列出数学模型方程，可是模型参数往往是未知数。使用混合方法就是先根据其自身构造原理或者工作原理列出方程，再按照测量辨识得到相应的参数，如图3所示。

1.3 电力系统建立模型的内容

电力系统建立模型按照复杂程度分元件建立模型和等值建立模型。如前者指同步发电机建立模型，后者指电力负荷建立模型。

确定“四大参数”是电力系统建立模型最为关键的问题，也就是确定电力负荷参数、确定同步发电机参数、确定原动机和调节器参数、确定励磁系统和调节器参数。另外，还有动力系统建立模型、动态等值建立模型及输电线路建立模型等。围绕风力发电系统建立模型等可再生能源发电的兴起，伴随微电网和分布式发电和微电网的研究，也开始考虑它们的建立模型的有关事宜。

1.4 电网辨识的原理

1.4.1 什么是辨识

测量辨识建立模型方法的基础是系统辨识，Zadeh认为：辨识就是在输入输出的数据基础上，从给定的一组模型中确定一个与所测系统等价的模型。而Ljung的定义：辨识是按规定的准则在一类模型中选择一个与数据拟合最好的模型。

从简看待辨识，认为是从众多模型中选择一个模型（包括方程和参数），据一定标准，跟实际过程的动态特性能最好地拟合。辨识的基本过程如图4（a）所示，即按照系统动态过程的实测数据，反复调整模型参数（甚至模型结构），使模型计算曲线尽量逼近实测曲线，如图4（b）所示。

1.4.2 辨识的基本步骤

（1）系统辨识预分析。笔者认为，准备辨识时先要做预分析以便明确，正式进行系统辨识时能够做到心中有数、效果明显。①要认清系统辨识的具体对象，比如是风电机组还是励磁系统等;②要懂得模型的应用目的。

（2）设计试验详情并获取数据。辨识的成败关键在于是否能获得有效的试验数据。①参数的可观性是设计试验优先考虑的;②辨识的精度也受数据采集精度的影响。

（3）模型参数辨识。①要选择恰当的辨识方式，包括开环或者闭环辨识，离线或者在线辨识方式等;②选择恰当的辨识方法。

（4）模型参数校核。如何进行模型参数的校核一直没有解决，因为不易知道电力系统参数的准确值，停电进行专门的参数试验又不可取，所以通过间接的方式进行校核是唯一选择。一般采用的方法是把模型计算结果跟实测结果比照，看模型计算结果能不能把实测的系统特性（比方振荡的频率和阻尼比）描述出来。

1.5 电网的辨识方法

辨识系统可分为线性系统辨识和非线性系统辨识;根据辨识方法分两类：①经典辨识方法，其与经典控制理论对应，其建立的数学模型有时域相频、时域脉冲响应、幅频特性等;②现代辨识方法，其建立的数学模型有差分方程、状态空间方程等时域模型;按辨识方式可分离线辨识方式，先在现场记录数据，离线处理数据来获得模型参数和在线辨识方式，即在线采集并处理数据，获得模型参数。

1.5.1 经典辨识方法

（1）相关辨识法。相关辨识法是在试验信号与输出噪声之间独立的假设之下，得到脉冲响应函数g（t）。

（2）卷积辨识法。卷积辨识法是一种利用卷积计算的近似算法。

（3）频率辨识法。建立一种基于Wiener-Hopf方程的频率辨识法就是用快速傅里叶变换将时域上的数据信息变换到频率上的一种方法。

1.5.2 电网现代辨识方法

（1）卡尔曼滤波法。卡尔曼滤波又称最小方差递推滤波。

（2）最小二乘法。通过最小二乘技术能获得一个最小方差意义上与实际数据拟合最好的模型方法。

（3）优化类方法。优化类方法就是将参数辨识转化为优化问题加以求解。

2 电网系统仿真介绍

现代电网的能够安全、稳定、可靠、经济运行，离不开对电力系统进行仿真计算，这样就要求电网操作人员必须具備深厚的理论功底、知识丰富、经验老到和能力超群，保障电网正常运行及迅速解决电力系统出现的非正常情况。因此，对电网进行仿真研究和对电网运行人员进行仿真培训十分必要。操作员培训仿真系统应运而生。

2.1 电网操作人员培训仿真系统的功能

（1）正常情况下的培训。操作员培训仿真系统培训。包括变压器分接头的调节、开关操作、倒闸操作、负荷的投切及增减、发电机的投切及功率调节、系统的并列与解列等;及对系统的状态监视、经济调度、负荷频率控制、警报显示的处理、调度员潮流等能量管理系统工具的使用等。