關(guān)于電網(wǎng)自動化控制系統(tǒng)辨識與仿真研究

吳愛華

[摘? ? 要]? 大型電力系統(tǒng)的出現(xiàn)也只約一百多年的時間。電網(wǎng)系統(tǒng)之所以如此復(fù)雜和巨大是由它本身的特點造成的。電能從它的產(chǎn)生、變換、傳輸、配電、及到用戶最終使用都體現(xiàn)它有別于其他系統(tǒng)的整體性。大容量的電能的存貯手段至今為止人類還沒有找到，因此就造成了電能從生產(chǎn)到消費的過程基本上是在同一瞬間同時進(jìn)行的。電網(wǎng)自動化控制系統(tǒng)是保證此過程有效運作的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)辨識是保證建模貼近真實性重要一環(huán)，也是系統(tǒng)仿真成功的重要基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]電網(wǎng);自動控制;系統(tǒng);辨識;仿真

[中圖分類號]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]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 電力系統(tǒng)辨識的概念

1.1 電力系統(tǒng)建模的意義

電力系統(tǒng)仿真計算是近年來出現(xiàn)的一門專門技術(shù)。隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)仿真就成了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基本工具。為此，給電力系統(tǒng)建立模型，是保證電網(wǎng)可以進(jìn)行仿真計算的先決條件。如果建立模型欠準(zhǔn)，在某些不確定的情況下有可能導(dǎo)致結(jié)論的改變，甚至?xí)斐梢恍┲匾F(xiàn)象被掩蓋和忽略。例如，2003年“8·14”美加出現(xiàn)的一些大的停電事故及2006年“11·4”歐盟的大停電事故等，通過對事后事故報告分析表明電力系統(tǒng)仿真使用的模型欠準(zhǔn)，不能復(fù)原當(dāng)時發(fā)生事故的實情。

建立的模型欠準(zhǔn)會引發(fā)計算結(jié)果和實際情況偏差，會對現(xiàn)代大規(guī)模電網(wǎng)造成損害。而所建立的模型對大型的電網(wǎng)的影響是不易事先確定的，或表現(xiàn)“保守”，或表現(xiàn)“冒進(jìn)”。因此，好的電網(wǎng)模型建立，不僅可以提高電能的傳輸能力及消除安全隱患，而且可以改善經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

由于缺乏現(xiàn)場測量得到具有統(tǒng)一時標(biāo)的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，而使電力系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真的準(zhǔn)確度無法校核，加之模型和參數(shù)的管理又不夠嚴(yán)謹(jǐn)，影響了建模和仿真度的可信度。隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)特別是廣域測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電力系統(tǒng)有了全網(wǎng)統(tǒng)一的時鐘，為電力系統(tǒng)提供了新的技術(shù)支撐。

1.2 電力系統(tǒng)建模的途徑

電力系統(tǒng)建模的任務(wù)：①構(gòu)建描述系統(tǒng)的模型方程;②確定模型方程中的參數(shù)。這樣形成了三類電力系統(tǒng)建模的基本途徑：①通過元件自身構(gòu)造原理的方法;②采用測量辨識的方法;③使用混合方法。

1.2.1 通過元件自身構(gòu)造原理的方法

電網(wǎng)建模的途徑之一就是按照元件的自身構(gòu)造原理來建立模型，通過計算方法來獲得參數(shù)數(shù)值，這樣的模型就叫機(jī)理模型。以同步電機(jī)建立模型為例，通過元件自身構(gòu)造原理建立模型方法如圖1所示。

1.2.2 采用測量辨識的方法

途徑二就是通過測量方法建立模型對象的運行或者實驗數(shù)據(jù)來辨識模型，簡稱測辯法。例如，以電力負(fù)荷來看，通過測量辨識的方法建立模型，如圖2所示。

1.2.3 使用混合方法

以上所介紹的兩種方法各異但優(yōu)勢互補(bǔ)。電網(wǎng)所處的通常是“灰箱”，其內(nèi)部機(jī)理一般都不是秘密的，能夠根據(jù)自身構(gòu)造或者工作原理列出數(shù)學(xué)模型方程，可是模型參數(shù)往往是未知數(shù)。使用混合方法就是先根據(jù)其自身構(gòu)造原理或者工作原理列出方程，再按照測量辨識得到相應(yīng)的參數(shù)，如圖3所示。

1.3 電力系統(tǒng)建立模型的內(nèi)容

電力系統(tǒng)建立模型按照復(fù)雜程度分元件建立模型和等值建立模型。如前者指同步發(fā)電機(jī)建立模型，后者指電力負(fù)荷建立模型。

確定“四大參數(shù)”是電力系統(tǒng)建立模型最為關(guān)鍵的問題，也就是確定電力負(fù)荷參數(shù)、確定同步發(fā)電機(jī)參數(shù)、確定原動機(jī)和調(diào)節(jié)器參數(shù)、確定勵磁系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器參數(shù)。另外，還有動力系統(tǒng)建立模型、動態(tài)等值建立模型及輸電線路建立模型等。圍繞風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建立模型等可再生能源發(fā)電的興起，伴隨微電網(wǎng)和分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的研究，也開始考慮它們的建立模型的有關(guān)事宜。

1.4 電網(wǎng)辨識的原理

1.4.1 什么是辨識

測量辨識建立模型方法的基礎(chǔ)是系統(tǒng)辨識，Zadeh認(rèn)為：辨識就是在輸入輸出的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，從給定的一組模型中確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型。而Ljung的定義：辨識是按規(guī)定的準(zhǔn)則在一類模型中選擇一個與數(shù)據(jù)擬合最好的模型。

從簡看待辨識，認(rèn)為是從眾多模型中選擇一個模型（包括方程和參數(shù)），據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)，跟實際過程的動態(tài)特性能最好地擬合。辨識的基本過程如圖4（a）所示，即按照系統(tǒng)動態(tài)過程的實測數(shù)據(jù)，反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)（甚至模型結(jié)構(gòu)），使模型計算曲線盡量逼近實測曲線，如圖4（b）所示。

1.4.2 辨識的基本步驟

（1）系統(tǒng)辨識預(yù)分析。筆者認(rèn)為，準(zhǔn)備辨識時先要做預(yù)分析以便明確，正式進(jìn)行系統(tǒng)辨識時能夠做到心中有數(shù)、效果明顯。①要認(rèn)清系統(tǒng)辨識的具體對象，比如是風(fēng)電機(jī)組還是勵磁系統(tǒng)等;②要懂得模型的應(yīng)用目的。

（2）設(shè)計試驗詳情并獲取數(shù)據(jù)。辨識的成敗關(guān)鍵在于是否能獲得有效的試驗數(shù)據(jù)。①參數(shù)的可觀性是設(shè)計試驗優(yōu)先考慮的;②辨識的精度也受數(shù)據(jù)采集精度的影響。

（3）模型參數(shù)辨識。①要選擇恰當(dāng)?shù)谋孀R方式，包括開環(huán)或者閉環(huán)辨識，離線或者在線辨識方式等;②選擇恰當(dāng)?shù)谋孀R方法。

（4）模型參數(shù)校核。如何進(jìn)行模型參數(shù)的校核一直沒有解決，因為不易知道電力系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確值，停電進(jìn)行專門的參數(shù)試驗又不可取，所以通過間接的方式進(jìn)行校核是唯一選擇。一般采用的方法是把模型計算結(jié)果跟實測結(jié)果比照，看模型計算結(jié)果能不能把實測的系統(tǒng)特性（比方振蕩的頻率和阻尼比）描述出來。

1.5 電網(wǎng)的辨識方法

辨識系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)辨識和非線性系統(tǒng)辨識;根據(jù)辨識方法分兩類：①經(jīng)典辨識方法，其與經(jīng)典控制理論對應(yīng)，其建立的數(shù)學(xué)模型有時域相頻、時域脈沖響應(yīng)、幅頻特性等;②現(xiàn)代辨識方法，其建立的數(shù)學(xué)模型有差分方程、狀態(tài)空間方程等時域模型;按辨識方式可分離線辨識方式，先在現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，離線處理數(shù)據(jù)來獲得模型參數(shù)和在線辨識方式，即在線采集并處理數(shù)據(jù)，獲得模型參數(shù)。

1.5.1 經(jīng)典辨識方法

（1）相關(guān)辨識法。相關(guān)辨識法是在試驗信號與輸出噪聲之間獨立的假設(shè)之下，得到脈沖響應(yīng)函數(shù)g（t）。

（2）卷積辨識法。卷積辨識法是一種利用卷積計算的近似算法。

（3）頻率辨識法。建立一種基于Wiener-Hopf方程的頻率辨識法就是用快速傅里葉變換將時域上的數(shù)據(jù)信息變換到頻率上的一種方法。

1.5.2 電網(wǎng)現(xiàn)代辨識方法

（1）卡爾曼濾波法?？柭鼮V波又稱最小方差遞推濾波。

（2）最小二乘法。通過最小二乘技術(shù)能獲得一個最小方差意義上與實際數(shù)據(jù)擬合最好的模型方法。

（3）優(yōu)化類方法。優(yōu)化類方法就是將參數(shù)辨識轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題加以求解。

2 電網(wǎng)系統(tǒng)仿真介紹

現(xiàn)代電網(wǎng)的能夠安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運行，離不開對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，這樣就要求電網(wǎng)操作人員必須具備深厚的理論功底、知識豐富、經(jīng)驗老到和能力超群，保障電網(wǎng)正常運行及迅速解決電力系統(tǒng)出現(xiàn)的非正常情況。因此，對電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究和對電網(wǎng)運行人員進(jìn)行仿真培訓(xùn)十分必要。操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)應(yīng)運而生。

2.1 電網(wǎng)操作人員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的功能

（1）正常情況下的培訓(xùn)。操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)培訓(xùn)。包括變壓器分接頭的調(diào)節(jié)、開關(guān)操作、倒閘操作、負(fù)荷的投切及增減、發(fā)電機(jī)的投切及功率調(diào)節(jié)、系統(tǒng)的并列與解列等;及對系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、負(fù)荷頻率控制、警報顯示的處理、調(diào)度員潮流等能量管理系統(tǒng)工具的使用等。

（2）緊急狀態(tài)下的事故處理培訓(xùn)。在聯(lián)絡(luò)線投切，線路單重或者多重故障，發(fā)電機(jī)緊急處理，保護(hù)誤動或者拒動，事故甩負(fù)荷，振蕩狀態(tài)及系統(tǒng)解列等緊急狀態(tài)下培訓(xùn)系統(tǒng)操作員事故處理能力。

（3）預(yù)防性操作及操作后的分析。對電網(wǎng)系統(tǒng)或者操作人員中潛在的動靜態(tài)不安全性因素進(jìn)行評價和分析，圖示預(yù)防控制的方法和結(jié)果。此外還能快照記錄學(xué)員的處理過程及系統(tǒng)狀態(tài)，以再現(xiàn)其過程，對操作進(jìn)行思考和評價，制定出最佳的操作規(guī)程。

（4）進(jìn)行繼電保護(hù)和自動裝置研究。研究電網(wǎng)的運行方式及繼電保護(hù)和安全自動裝置的配置及整定。

（5）事故后的電力系統(tǒng)的恢復(fù)操作培訓(xùn)。重新調(diào)整無功功率、有功功率、負(fù)荷等，使系統(tǒng)能在最短的時間里恢復(fù)正常。

2.2 操作員培訓(xùn)仿真器的功能要求

為了使培訓(xùn)取得逼真效果，操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)必須滿足下列3個基本要求。

（1）一致性。學(xué)員臺環(huán)境和實際調(diào)度控制中心環(huán)境盡量一致。

（2）真實感。操作員仿真系統(tǒng)能再現(xiàn)學(xué)員所在的計算機(jī)控制中心環(huán)境，使學(xué)員受訓(xùn)時有一種身臨其境的感覺。

（3）靈活性。教員臺可以靈活的控制培訓(xùn)過程，模擬電力系統(tǒng)的各種操作和故障。

2.3 操作員培訓(xùn)仿真器的基本構(gòu)成

操作員通過模擬電網(wǎng)和控制中心給操作員提供一個逼真的環(huán)境，其基本組成包括控制中心模型、電網(wǎng)模型和教練員系統(tǒng)三部分。

（1）控制中心模型?？刂浦行哪Ｐ虲CM（SCADA/EMS仿真系統(tǒng)）應(yīng)該是能量管理系統(tǒng)的完整復(fù)制，必須和實際的控制中心的環(huán)境一致，而且要有EMS的各種功能。

（2）教練員系統(tǒng)。教練員控制著操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)和使用過程。

（3）電力系統(tǒng)模型。電力系統(tǒng)模型（電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)）用來模擬電力系統(tǒng)在各種工況（正常、事故、檢修等）下的機(jī)電特性。

3 操作員培訓(xùn)仿真器的配置方式

從仿真器與實際控制中心的比較中看出，它的硬件類型可分為獨立型及一體化兩種類型。

（1）獨立型。也就是培訓(xùn)機(jī)單獨作為一個實體，與實際的控制中心互不影響。

（2）一體化型。將仿真培訓(xùn)機(jī)和實際控制中心聯(lián)系起來，互為一體，使用相同的軟硬件、數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面完全相同。

4 結(jié)語

現(xiàn)代電力系統(tǒng)是個非常復(fù)雜的巨型網(wǎng)絡(luò)，它的安全運轉(zhuǎn)和穩(wěn)定可靠運行控制離不開現(xiàn)代電力自動化控制。為達(dá)到精準(zhǔn)控制電網(wǎng)及降低電網(wǎng)運行成本又必須建模和參數(shù)辨識及建立高仿真系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鞠平.現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制與辨識[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[2] 王士政.電力系統(tǒng)控制與調(diào)度自動化[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3] 謝宏杰.雙端口互聯(lián)電力系統(tǒng)動態(tài)等值問題的研究[D].江蘇：河海大學(xué)，2004.

[4] 陳金猛.基于PMU的同步發(fā)電機(jī)與線路參數(shù)在線辨識研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[5] 王興志.動態(tài)電力系統(tǒng)的建模與網(wǎng)格計算研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.