基于广域量测和回归分析的电力系统动态等值研究

摘要

动态仿真是研究电力系统动态响应特性的重要手段。随着现代电力系统的不断发展和扩大，全系统仿真模型的规模越来越大，动态仿真计算量巨大，耗时严重。因此，对外部系统进行合理动态等值，降低外部系统的仿真计算量，是提高区域电网动态仿真速度的重要途径。随着电网复杂度的提升和各类新技术的广泛应用，电力系统设备精确建模的难度增大。此外，出于保护商业机密的考虑，地区电力公司难以获取其他电网的实时数据。这些因素使得依赖于全系统仿真模型的传统动态等值方法受到限制。随着同步相量测量装置(Phasor Measurement Units，PMUs)和广域测量系统（Wide-Area Measurement System，WAMS）的快速发展，对电力系统动态响应的实时量测已经实现。估计等值法利用系统实时扰动的量测数据对区域电网进行系统辨识，能够快速准确地描述外部系统的动态特性，适用于电力系统在线动态安全分析和评估，成为动态等值研究领域的热点。
　　在此背景下，本文研究了基于广域量测和回归分析的非电路模型动态等值方法，并通过时域仿真对等值模型的有效性和实用性进行了分析。具体研究内容及结果如下:
　　(1)提出了一种基于带时延的相关性指标的输入信号选择方法，建立了基于ARX模型的电力系统动态等值方法。
　　为了构建合适的基于非电路模型的动态等值模型，研究了将电力系统动态等值问题转化为离散系统数学建模问题从物理到数学的过程，并根据仿真中电力系统的特性选择了带外部输入项的自回归模型(ARX)。在建立等值模型的过程中，针对现有文献中仅利用边界节点电气量模拟外部系统动态的研究现状，提出了带时延的相关性指标来研究联络线功率与研究系统内部电气量的耦合性，并据此建立了等值模型输入信号选择方法，该方法不仅能够降低等值模型的复杂度还可以提高等值模型的精确程度。根据系统辨识的一般步骤，形成了ARX模型辨识的具体算法步骤，为等值模型的时域仿真验证做好理论基础。最后，以IEEE39节点系统为例，建立外部系统动态等值模型，验证了该模型的稳定性和理想准确度。
　　(2)建立了动态等值模型的仿真实现方法，在此基础上分析了模型阶数、模型输入项个数和量测数据步长对等值模型有效性的影响。
　　基于非电路模型的估计等值法在实际应用时，需要编写自定义程序设计等值模型与常规电力系统仿真软件的接口。本文利用Python语言编写了ARX等值模型接入PSS/E仿真软件的程序接口，以IEEE39节点模型为测试系统，通过时域仿真验证了等值模型的有效性。在此基础上分析了模型阶数和模型输入项个数对等值模型时域估计效果的影响，从而指导模型参数优化设置。针对实际PMU量测步长不能达到与仿真步长尽量小的情况，先后分析比较了不同PMU量测数据步长对等值模型输入项选择的影响和仿真估计效果的影响，给出了等值模型对量测数据步长的具体限制，进一步明确等值模型的实际适用范围。
　　(3)分析了基于相关性指标的信号选择方法的鲁棒性，通过时域仿真验证了等值模型对不同预想故障和不同系统运行方式下的适应性。
　　针对估计等值法中等值模型的建立是基于扰动信息的，对四种典型扰动下基于相关性指标的输入信号选择方法进行了鲁棒性分析，找出了适合用于模型训练的动态数据。为了明确等值模型的故障适用范围，根据扰动点位置是否靠近边界联络线对四种不同预想故障进行再分类，对等值模型的适应性进行了详细分析，验证了等值模型在不同预想故障下的适应性。通过提取系统的整体负荷水平作为描述系统运行方式变化的变量，验证了等值模型对系统不同负荷水平下运行方式变化的适应性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 动态等值方法

1．2．2 基于量测数据的估计等值法

1．3 本文的主要工作

第2章 基于ARX模型的电力系统动态等值建模

2．1 动态等值建模基础

2．2 带外部输入项的自回归模型

2．3 ARX模型输入信号选择

2．3．1 基于相关性指标(CCI)的信号选择

2．3．2 基于带时延的相关性指标(DCCI)的信号选择

2．4 ARX模型辨识流程

2．4．1 ARX模型辨识流程图

2．4．2 数据预处理

2．4．3 参数估计

2．4．4 模型验证

2．5 算例分析

2．6 小结

第3章 动态等值模型的仿真实现及参数优化

3．1 动态等值模型的仿真实现方法

3．1．1 PSS／E仿真软件简介

3．1．2 动态等值模型的仿真接口

3．1．3 动态等值模型的仿真验证

3．2 动态等值模型的参数优化

3．2．1 模型阶数与模型输入项个数关系分析

3．2．2 模型阶数与模型输入项个数对等值模型估计效果的影响分析

3．2．3 量测数据步长对等值模型的影响分析

3．3 小结

第4章 动态等值模型的适应性分析

4．1 相关性指标鲁棒性分析

4．2 动态等值模型对不同预想故障的适应性分析

4．2．1 切机扰动

4．2．2 甩负荷扰动

4．2．3 断线故障

4．2．4 短路故障

4．3 动态等值模型对系统运行方式变化的适应性分析

4．3．1 系统运行方式关键变量提取

4．3．2 仿真验证

4．4 小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果