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基于模型自组织原理之电力负荷自动建模研究

时间:2015-06-28 17:01来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,由于传统辨识方法存在模型结构不够丰富,人工组合模型结构主观性大,难以组合出优化的模型结构,最小二乘法这种内部准则不适于模型结构的辨识等问题,

1 绪论


1.1 电力系统负荷建模研究背景及意义
电力系统数字仿真由于其经济性、便捷性等优点,在电力系统实际运行规划、研究分析中扮演着十分重要的角色。电力系统主要由发电机、励磁调节和原动机调速系统、变压器、输电线路和电力负荷等元件构成,各元件的数学模型精确性的优劣将对电力系统数字仿真的结果产生重要影响。目前对于发电机、调速系统、励磁系统、变压器和输电线路等元件的数学模型在电力系统仿真研究中,根据不同仿真精度,进行了深入研究,在实际应用工程中比较完善。然而,负荷模型作为电力系统的重要元件之一,在实际应用中,工程人员往往采取按照先知的经验和理想化的模型进行分析研究。由于负荷模型的粗糙不准确,影响电力系统数字仿真的精确性,导致得出的结果过于乐观或悲观。电力负荷是能量的消耗者,在电力系统运行规划中扮演着重要的角色,负荷模型考虑不恰当,所得结果与实际情况不一致,偏乐观估计会使构成的系统存在潜在的危险,偏悲观的估计会导致资源不必要的浪费。负荷模型的准确性对提高电力系统仿真的精确性有着重要的影响。随着我国经济的高速发展,电力系统已进入特高压交直流输电、大型区域电网互联的时代,绿色能源和节能减排要求的提出,负荷种类多种多样、千差万别,对负荷特性进行研究分析显得越来越重要[1]。对于潮流分析、电压稳定、暂态稳定和小信号动态稳定的仿真分析结果更加真实可信,为电力系统运行规划提供可靠依据。
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1.2 负荷建模的发展与现状
20 世纪 50 年代末至 60 年代中期,电力系统模拟计算刚刚起步,与其他元件一样,负荷模型在这个时期有了较大发展。研究人员用恒阻抗、恒电流和恒功率来表示负荷,与此同时,还提出多项式或幂函数等静态特性方程来描述负荷。由于当时模型参数是定性估计的,由此得出的负荷模型相对粗糙,但对于当时其他模型以及电网计算的要求来说还是相适应的。20 世纪 60 年代末至 70 年代初,随着研究者对电力系统仿真计算精度要求的提高,推动了发电机、原动机调速系统、励磁调节系统、负荷等元件建模的研究,其中负荷建模因其复杂性,工作进展缓慢。美国电力科学研究院(EPRI)于 1975 年主持一项庞大的电力负荷建模研究计划,提出了基于统计综合法的负荷建模方案,发表了许多关于负荷建模的研究报告,开发了迄今为止应用性最强的软件包 EPRI LOADSYN。系统辨识理论于 20 世纪 60 年代开始发展,80 年代后已取得了许多令人瞩目的成就,与计算机数据采集处理技术的发展相结合,形成另一种新的负荷建模方法——总体测辨法。之后研究人员在此基础上进行大量实验,开展了总体测辨法负荷建模研究,取得了很多研究成果。为此 IEEE成立了负荷建模工作组指导负荷建模的研究和归纳总结其研究成果,1993 年发表了专题报告,统一负荷建模中的术语和定义,总结了负荷类型、构造技巧和其他重要方面。1995 年 2 月的报告列出国内外学者提出的一些有价值的负荷模型,及其有关参考文献。1995 年 8 月,报告提出了在电力系统潮流计算和动态仿真中的标准化负荷模型。2003 年美国电科院(EPRI)依据新墨西哥州的试验结果,启动项目《基于在线量测的负荷建模》。
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2 负荷模型结构与辨识理论基础


2.1 负荷模型结构的研究基础
负荷模型的分类多种多样,按其时间记忆效应分为静态负荷模型与动态负荷模型,按其结构形式分为机理和非机理负荷模型。静态负荷模型描述母线负荷功率依电压、频率的变化规律,动态负荷模型描述母线负荷功率依电压、频率和时间的变化规律。非机理模型又称为输入输出式模型,用数学表达式描述输入与输出之间的关系,机理模型通过负荷内部物理结构来模拟负荷特性。根据负荷功率依电压变化特性不同,通常将其分为恒定阻抗、恒定电流和恒定功率三类负荷。恒定阻抗负荷中功率与电压的平方成正比关系,一般由静止负荷中的照明、电热等用电设备等构成;在恒定电流负荷中,功率与电压的一次方成正比关系;恒定功率负荷主要由转动负荷组成,如各类电动机。动态负荷模型常常用于动态仿真[24]和稳定分析中,机理模型通常指的是感应电动机模型,实际应用中常与有关静态模型并联,分析综合负荷的动态行为。当负荷群中机构复杂、动态元件类型较多,难以用简单的等值机理模型描述时,常常采用动态负荷的非机理模型,主要分为常微分方程模型、传递函数模型、状态空间模型和时域离散模型等。本课题以感应电动机负荷模型为基础,非机理模型对于本课题的后续发展有着重要的作用。
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2.2 综合负荷模型结构研究
美国西部电力委员会(WECC)的建模和验证工作组(Modeling and Validation Work Group,M&VWG)经过多年研究提出新的综合负荷模型(Composite LoadModel, CLM),该模型结构如图2.1:WECC在2001年提出临时负荷模型,该模型中感应电动机负荷比重为20%,其余为静态负荷,主要包括有功负荷恒电流和无功负荷恒阻抗。在解决加利福尼亚州与俄勒冈州的联络线振荡问题,研究人员意识到临时模型的局限性。2005年WECC将等值配电网增加到潮流计算中,用感应电动机和静态负荷模型等值母线负荷,仿真计算数值稳定。2009年,SCE-BPA-EPRI联合开发的空调模型添加到综合负荷模型中。目前WECC综合负荷模型已经在通用电气、西门子、美国Power World等大型公司开发的程序中得到应用。通过电力系统仿真分析发现,典型综合负荷模型静态部分没有考虑配电网系统阻抗和无功补偿的影响,导致模型失真,再此基础上采用考虑配电网的综合负荷模型,更能完整的模拟实际负荷和配电系统(图2.2),其主要特点有:对配电系统采取等值阻抗的方法,各种负荷模型会考虑系统阻抗的影响,使现有模型结构更符合实际;配电网与电力用户配置大量无功补偿装置,无功补偿的模拟方法应详细研究;对于仿真分析中,尤其是扰动试验和事故仿真中,综合负荷模型有时去考虑小机组的模拟;负荷功率因数的引入,恒电流与恒功率的静态无功负荷不会出现负值,与实际更接近。
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3 基于模型自组织原理的负荷建模方法研究 ........20
3.1 模型自组织原理概述 ....20
3.2 自组织数据挖掘建模技术的基本思路 ....22
3.3 自组织负荷建模方法研究 ..........30
3.4 小结 ....32
4 复杂负荷模型建模方法的研究 .......33
4.1 引言 ....33
4.2 优化算法介绍 .........33
4.3 遗传算法的基本理论概述 ..........34
4.3.1 遗传算法的设计结构.... 35
4.3.2 遗传算法的求解步骤.... 36
4.4 遗传算法在复杂模型建模中的应用 ....38
4.5 小结 ......40
5 自组织原理负荷建模的实践 ....42
5.1 动模实验 ..........42
5.2 负荷模型的结构辨识结果 ..........46
5.3 仿真结果对比分析 ........49
5.4 小结 ....50


5 自组织原理负荷建模的实践


5.1 动模实验
本章中用于建模的数据来自国内重点实验室的动模实验,实验接线图 5.1 中可以看出,模拟电压扰动的方式通过改变与负荷串并联的阻抗来控制,电压的扰动起始时间和持续时间由故障发生器来控制。试验中采用的负荷模型结构为感应电动机+恒阻抗+恒功率负荷模型,选取三组不同的电压扰动(表 5.1),第一组用来进行负荷模型结构的辨识,后两组用于检验在第一组数据建立模型的泛化能力。根据第一组数据即电压突降 80%然后恢复的数据进行自组织负荷建模,模型库中有四种负荷模型,对此我们采用全枚举的方法,对于每一种模型组合进行内外准则的校验。在进行四种负荷模型组合的过程中,总共有 15 种组合方案,其中不包括所有模型均不选择的情况。在内外准则校验的过程中,我们发现当模型组合中没有感应电动机负荷模型时,内外准则的拟合误差大,这与实际情况一致。


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结论


电力负荷建模包括两方面的内容,一是模型结构的确定,二是模型参数的确定,前者是模型的形态,决定模型对负荷对象的描述能力,是建模中最重要的内容,同时也是最困难、研究最不成熟的内容,后者关于模型参数的确定相对来说研究比较成熟,要容易的多。目前在负荷建模过程中,模型的结构往往是建模者根据现场实测数据、负荷的组成成分、一些典型的用电设备负荷特性和数学模型,通过人工的方法确定的。这种方法对建模者的经验和理论水平要求很高,面对有成千上万种可能的模型结构组合方案,靠人工方法选择优化的模型结构也是十分困难的。因此,研究不需要人工参与,或较少依赖先验知识,利用计算机自动组织、寻找优化的模型结构并且辨识模型参数具有重要的意义和工程实用价值。本文在原有的负荷模型基础上,提出了基于自组织原理的负荷建模,用MATLAB 实现了整个算法的建模过程,筛选出最优的负荷模型并验证了其泛化能力。具体工作如下:
1、对负荷建模的整体进行概括分析,重点介绍静态负荷建模、动态负荷建模、复杂负荷特性的分类与综合、非线性系统辨识原则以及在辨识过程中的优化算法。比较现有负荷模型的优缺点,通过以上分析作为本课题的研究基础。
2、本文首次提出了基于自组织原理的负荷建模方法。首先介绍了自组织数据挖掘的基本原理和主体思路,其次详细介绍了自组织数据挖掘中最核心的GMDH 算法,最后将自组织数据挖掘技术应用于电力系统负荷建模中,简述数据集的划分、自变量集的选择和外准则的建立。
3、理论方法需要与工程实践相辅相成。针对实际电力系统中成百上千种负荷特性,提出运用遗传算法作为复杂负荷模型建模的外部优化框架、自组织原理作为负荷建模的内部标准的实现方法,对于负荷模型建模有实际价值。
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参考文献(略)

(责任编辑:gufeng)
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