關于電網自動化控制系統辨識與仿真研究

吳愛華

[摘? ? 要]? 大型電力系統的出現也只約一百多年的時間。電網系統之所以如此復雜和巨大是由它本身的特點造成的。電能從它的產生、變換、傳輸、配電、及到用戶最終使用都體現它有別于其他系統的整體性。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到消費的過程基本上是在同一瞬間同時進行的。電網自動化控制系統是保證此過程有效運作的關鍵因素，系統辨識是保證建模貼近真實性重要一環，也是系統仿真成功的重要基礎。

[關鍵詞]電網;自動控制;系統;辨識;仿真

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]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 電力系統辨識的概念

1.1 電力系統建模的意義

電力系統仿真計算是近年來出現的一門專門技術。隨著現代電網規模的不斷擴大，電力系統仿真就成了電網穩定運行的基本工具。為此，給電力系統建立模型，是保證電網可以進行仿真計算的先決條件。如果建立模型欠準，在某些不確定的情況下有可能導致結論的改變，甚至會造成一些重要現象被掩蓋和忽略。例如，2003年“8·14”美加出現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仿真使用的模型欠準，不能復原當時發生事故的實情。

建立的模型欠準會引發計算結果和實際情況偏差，會對現代大規模電網造成損害。而所建立的模型對大型的電網的影響是不易事先確定的，或表現“保守”，或表現“冒進”。因此，好的電網模型建立，不僅可以提高電能的傳輸能力及消除安全隱患，而且可以改善經濟效益和社會效益。

由于缺乏現場測量得到具有統一時標的動態響應數據，而使電力系統動態建模與仿真的準確度無法校核，加之模型和參數的管理又不夠嚴謹，影響了建模和仿真度的可信度。隨著計算機技術和通信技術特別是廣域測量技術的發展和應用，電力系統有了全網統一的時鐘，為電力系統提供了新的技術支撐。

1.2 電力系統建模的途徑

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

1.2.1 通過元件自身構造原理的方法

電網建模的途徑之一就是按照元件的自身構造原理來建立模型，通過計算方法來獲得參數數值，這樣的模型就叫機理模型。以同步電機建立模型為例，通過元件自身構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據來辨識模型，簡稱測辯法。例如，以電力負荷來看，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勢互補。電網所處的通常是“灰箱”，其內部機理一般都不是秘密的，能夠根據自身構造或者工作原理列出數學模型方程，可是模型參數往往是未知數。使用混合方法就是先根據其自身構造原理或者工作原理列出方程，再按照測量辨識得到相應的參數，如圖3所示。

1.3 電力系統建立模型的內容

電力系統建立模型按照復雜程度分元件建立模型和等值建立模型。如前者指同步發電機建立模型，后者指電力負荷建立模型。

確定“四大參數”是電力系統建立模型最為關鍵的問題，也就是確定電力負荷參數、確定同步發電機參數、確定原動機和調節器參數、確定勵磁系統和調節器參數。另外，還有動力系統建立模型、動態等值建立模型及輸電線路建立模型等。圍繞風力發電系統建立模型等可再生能源發電的興起，伴隨微電網和分布式發電和微電網的研究，也開始考慮它們的建立模型的有關事宜。

1.4 電網辨識的原理

1.4.1 什么是辨識

測量辨識建立模型方法的基礎是系統辨識，Zadeh認為：辨識就是在輸入輸出的數據基礎上，從給定的一組模型中確定一個與所測系統等價的模型。而Ljung的定義：辨識是按規定的準則在一類模型中選擇一個與數據擬合最好的模型。

從簡看待辨識，認為是從眾多模型中選擇一個模型（包括方程和參數），據一定標準，跟實際過程的動態特性能最好地擬合。辨識的基本過程如圖4（a）所示，即按照系統動態過程的實測數據，反復調整模型參數（甚至模型結構），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）系統辨識預分析。筆者認為，準備辨識時先要做預分析以便明確，正式進行系統辨識時能夠做到心中有數、效果明顯。①要認清系統辨識的具體對象，比如是風電機組還是勵磁系統等;②要懂得模型的應用目的。

（2）設計試驗詳情并獲取數據。辨識的成敗關鍵在于是否能獲得有效的試驗數據。①參數的可觀性是設計試驗優先考慮的;②辨識的精度也受數據采集精度的影響。

（3）模型參數辨識。①要選擇恰當的辨識方式，包括開環或者閉環辨識，離線或者在線辨識方式等;②選擇恰當的辨識方法。

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

1.5 電網的辨識方法

辨識系統可分為線性系統辨識和非線性系統辨識;根據辨識方法分兩類：①經典辨識方法，其與經典控制理論對應，其建立的數學模型有時域相頻、時域脈沖響應、幅頻特性等;②現代辨識方法，其建立的數學模型有差分方程、狀態空間方程等時域模型;按辨識方式可分離線辨識方式，先在現場記錄數據，離線處理數據來獲得模型參數和在線辨識方式，即在線采集并處理數據，獲得模型參數。

1.5.1 經典辨識方法

（1）相關辨識法。相關辨識法是在試驗信號與輸出噪聲之間獨立的假設之下，得到脈沖響應函數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據信息變換到頻率上的一種方法。

1.5.2 電網現代辨識方法

（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。通過最小二乘技術能獲得一個最小方差意義上與實際數據擬合最好的模型方法。

（3）優化類方法。優化類方法就是將參數辨識轉化為優化問題加以求解。

2 電網系統仿真介紹

現代電網的能夠安全、穩定、可靠、經濟運行，離不開對電力系統進行仿真計算，這樣就要求電網操作人員必須具備深厚的理論功底、知識豐富、經驗老到和能力超群，保障電網正常運行及迅速解決電力系統出現的非正常情況。因此，對電網進行仿真研究和對電網運行人員進行仿真培訓十分必要。操作員培訓仿真系統應運而生。

2.1 電網操作人員培訓仿真系統的功能

（1）正常情況下的培訓。操作員培訓仿真系統培訓。包括變壓器分接頭的調節、開關操作、倒閘操作、負荷的投切及增減、發電機的投切及功率調節、系統的并列與解列等;及對系統的狀態監視、經濟調度、負荷頻率控制、警報顯示的處理、調度員潮流等能量管理系統工具的使用等。

（2）緊急狀態下的事故處理培訓。在聯絡線投切，線路單重或者多重故障，發電機緊急處理，保護誤動或者拒動，事故甩負荷，振蕩狀態及系統解列等緊急狀態下培訓系統操作員事故處理能力。

（3）預防性操作及操作后的分析。對電網系統或者操作人員中潛在的動靜態不安全性因素進行評價和分析，圖示預防控制的方法和結果。此外還能快照記錄學員的處理過程及系統狀態，以再現其過程，對操作進行思考和評價，制定出最佳的操作規程。

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

（5）事故后的電力系統的恢復操作培訓。重新調整無功功率、有功功率、負荷等，使系統能在最短的時間里恢復正常。

2.2 操作員培訓仿真器的功能要求

為了使培訓取得逼真效果，操作員培訓仿真系統必須滿足下列3個基本要求。

（1）一致性。學員臺環境和實際調度控制中心環境盡量一致。

（2）真實感。操作員仿真系統能再現學員所在的計算機控制中心環境，使學員受訓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過程，模擬電力系統的各種操作和故障。

2.3 操作員培訓仿真器的基本構成

操作員通過模擬電網和控制中心給操作員提供一個逼真的環境，其基本組成包括控制中心模型、電網模型和教練員系統三部分。

（1）控制中心模型。控制中心模型CCM（SCADA/EMS仿真系統）應該是能量管理系統的完整復制，必須和實際的控制中心的環境一致，而且要有EMS的各種功能。

（2）教練員系統。教練員控制著操作員培訓仿真系統的培訓和使用過程。

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

3 操作員培訓仿真器的配置方式

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。也就是培訓機單獨作為一個實體，與實際的控制中心互不影響。

（2）一體化型。將仿真培訓機和實際控制中心聯系起來，互為一體，使用相同的軟硬件、數據庫，人機界面完全相同。

4 結語

現代電力系統是個非常復雜的巨型網絡，它的安全運轉和穩定可靠運行控制離不開現代電力自動化控制。為達到精準控制電網及降低電網運行成本又必須建模和參數辨識及建立高仿真系統。

參考文獻

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