專利名稱：基于電能質量監測系統的在線負荷建模并行計算方法
技術領域：
本發明涉及一種計算方法，具體是涉及一種基于電能質量監測系統的電力系統在線負荷建模并行計算方法。
背景技術：
數字仿真的基礎是建立起電力系統各組成元件的數學模型-簡稱建模，其準確度直接影響仿真結果的誤差。目前發電機組和輸電網絡的模型已較為成熟，相比之下，負荷建模發展則相對較慢，負荷模型已成了制約計算精度的關鍵因素之一。負荷建模是一個非常復雜的問題，這是因為電力系統負荷是由許許多多各不相同的用電設備集合而成，種類繁多；且負荷組成及負荷量是隨時間隨機變化的；還有缺乏負荷組成的精確數據；以及負荷的不確定性及非線性，它們隨時間及頻率的變化而變化。雖然這些因素的影響使負荷建模十分困難，但負荷建模仍是電力系統幾個最重要的研究領域之一。負荷建模就是研究負荷母線上的總體負荷吸收的功率隨負荷母線的電壓和頻率的變動而變化的關系。負荷建模的總體測辨法因其能夠辨識出負荷動態特性而成為目前國內廣泛使用的一種方法。基于量測技術的總體測辨法最大的困難在于實測數據的獲取，其數據的獲取須有良好的硬件環境，需要在各負荷節點處都安裝負荷特性數據記錄裝置進行同步高精度實測數據采集，并依托各種通信技術將數據傳回。負荷以其大量性、多樣性和隨機性成為建模的難點，而這恰恰需要依靠基于計算機技術裝置的長期測量和外部特性等值的辨識技術，才能得到負荷的統計規律。負荷建模的另一個困難之處在于以前的關注的重點在于系統負荷建模的準確性， 很少關心到負荷建模的時效性，只采用傳統串行的計算方法來處理有關辨識數據，而對大批量系統采集數據無法進行高效處理，開發的有關負荷建模平臺軟件實在難以承受大規模的負荷建模辨識計算任務。負荷模型和參數辨識算法問題是負荷建模的另一個難點。目前，各地區電力調度部門逐漸采用一定比例的感應電動機并聯ZIP(高儲存密度的磁盤驅動器與磁盤)的負荷模型，實踐表明該模型能準確描述負荷特性并具有一定的泛化能力，已經應用于新版的BPA 仿真程序中。但應用該模型需要辨識的參數較多，存在多峰值，極值點差異細微，解空間復雜等特點。求解參數辨識最常用的方法有最小二乘法等傳統的優化算法以及以遺傳算法為代表的人工智能算法，傳統優化算法受初值影響較大，收斂困難。遺傳算法存在全局收斂性差，容易產生個體退化等問題，且計算時間較長。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就在于提供一種基于電能質量監測系統的在線負荷建模并行計算方法，可有效地減少辨識計算時間，且能使整個負荷辨識軟件應用平臺具有較好的時效性能、良好的并行伸縮性和加速比，合適于在實際工程中應用。解決上述技術問題，本發明采取如下的技術方案
一種基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法，其特征在于通過電能質量監測系統獲取電網擾動數據，經過數據預處理，采用基于非對稱擾動數據的動態負荷模型和改進克隆選擇并行計算算法進行參數辨識，輸出辨識模型參數和擬合曲線；具體步驟包括(I)采集數據通過電能質量監測系統數據訪問接口，獲取負荷變電站發生故障或者電壓擾動時的三相電壓和電流瞬時值；(2)數據預處理對三相電壓和電流瞬時值進行三點五次平滑濾波，校正采樣通道的零漂和不一致數據；采用正序基波空間旋轉矢量坐標變換方法，將預處理后的靜止坐標系下的三相電壓和電流瞬時值，變換到同步旋轉坐標系下的空間矢量值，并計算負荷建模所需的電壓、頻率、有功功率和無功功率；在此數據預處理中考慮到并行計算的處理，可以節約一些時間，提高了數據預處理過程中的平臺的時效性能；(3)非對稱擾動數據負荷建模負荷模型建立在變壓器高壓側母線上，將下級網架下的負荷等值為電力系統分析軟件PSD-BPA中的三階感應電動機模型并聯ZIP靜態負荷模型，數據預處理得到的電壓和頻率作為負荷模型的輸入數據，有功功率和無功功率作為負荷模型的實際輸出數據，建立待辨識的負荷模型；(4)動態負荷模型參數并行辨識使用改進克隆選擇并行計算算法對動態負荷模型進行辨識從而得到負荷模型參數；極大地提高了動態負荷模型辨識平臺軟件的計算效倉泛;(5)參數校核辨識得到的動態負荷模型，在不同的故障情況下，比較其模型輸出功率與實際測量的負荷功率擬合情況，校驗模型的魯棒性；(6)結果輸出根據BPA電動機模型輸出MI卡和擬合曲線。所述的電能質量監測系統獲得的數據以標準IEEEl 159. 3的PQDIF格式存儲在后臺數據庫中，通過數據接口在線檢索到電網擾動事件發生時三相電壓電流瞬時值數據，篩選適合進行負荷建模的數據，通過數值計算轉換到負荷建模需要的電壓、頻率、有功功率及無功功率電氣量。在此過程中也充分考慮了并行計算的特點提高了負荷建模數據的篩選的時效性要求，減小了數據篩選時間，提高了這一過程的速度。所述的(4)使用改進克隆選擇并行計算算法對動態負荷模型進行辨識從而得到負荷模型參數的具體步驟是(I)預處理后負荷數據V、f、P、Q(2)設定待辨識參數的取值區間，Iteraiong = 0,即將待辨識的參數作為抗體,在
區間內實數編碼；(3)隨機生成初始抗體將滿足電動機穩態運行條件的抗體加入抗體群并計算親和度，直到抗體種群達到一定規模；(4)計算出實滑差、功率因數是否滿足要求，Y則進入步驟(5)，N則返回步驟(3)(5)計算親和度，加入抗體種群隨機選擇3個抗體，兩兩抗體的各分量之間在參數辨識范圍內進行內插和外推，計算親和度，選擇親和度最高的抗體替換父代抗體；(6)抗體總群是否達到一定規模，Y則進入下一步，N則返回步驟(3)；(7)克隆、搞死編譯、定向進化；
(8)種群最高親和度Jmax < e，或者滿足最大迭代次數，Y輸出計算結果，退出；N Iteration+1(9) Iteration% 5 = 0(進化是否超過5代)，Y進入步驟(10), N返回步驟(J)；(10)抗體抑制去除抗體距離太近的低親和力抗體；(11)返回步驟(6)。使用改進克隆選擇并行計算算法對負荷模型參數進行辨識，與傳統的免疫算法相結合，將目標函數作為抗原，將待辨識的參數作為抗體，引入定向進化和抗體濃度抑制機制。這一階段將改進克隆選擇算法進行并行計算的改造，極大的縮短了單個負荷模型建模的辨識時間，從而整體上較大程度地縮短了總體負荷建模的辨識時間，極大程度地提高了負荷建模應用平臺的時效性。所述的動態負荷模型，采用了電力系統仿真軟件BPA中的三階感應電動機模型并聯ZIP靜態負荷模型，以機電暫態穩定數據文件MI卡格式輸出并配以擬合曲線。本發明的重點，就在于已取得相關負荷建模的準確性基礎上，采用并行計算算法改造原有傳統負荷建模的算法，從而極大的改進與開拓了負荷建模的視野，使負荷建模從學術實驗研究狀態進入到真正工業級應用的狀態，為負荷建模的真正運用具有了良好的時效性能。本發明的優點和積極效果是基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法， 在充分利用電能質量監測系統，具有異地多通道、高精度測量，大容量存儲，高速通信和數據共享等技術特點，從電能質量監測系統中獲取電網擾動數據，實現大跨度電網各個負荷節點的動態負荷建模，從而有效地解決了負荷建模的數據來源問題；本發明采用非對稱擾動數據負荷建模的方法，既適用于三相對稱故障，也適用于電網的非對稱自然擾動，是對傳統負荷建模總體測辨法的擴充；本發明采用改進克隆選擇并行計算算法辨識負荷模型參數，辨識精度高，魯棒性強，具有全局收斂的特點；本發明對負荷模型進行辨識后輸出BPA 電動機模型MI卡，可直接用在電力系統計算分析軟件BPA的仿真計算中。極大地改進了原有的負荷建模算法因長期使用串行計算導致計算效能較低，無法利用動態負荷建模的計算機資源的特點，使大規模處理電能質量監測系統中的數據的負荷建模軟件平臺計算耗時較多，無法滿足實際負荷建模的需要。而采用負荷建模的并行計算方法則有效地提高了解決負荷建模這一個關鍵性應用問題，具有較好的時效性及加速比。它使得負荷建模從學術實驗室狀態到工業級應用成為可能。
圖1為基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法原理流程圖；圖2為數據預處理步驟的流程圖；圖3為采用改進克隆選擇并行計算算法進行參數辨識的流程圖；圖4為電能質量監測系統監測到的某變電站發生的一次電壓擾動事件的三相電
壓波形；圖5為使用本發明辨識得到的動態響應與實際測量的動態響應對比圖；圖6為不同故障情況下的動態響應與實際測量的動態響應對比圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述。基于電能質量監測系統的負荷建模方法是一種利用電能質量監測系統在線獲取數據，采用非對稱擾動數據負荷建模的方法，該方法實施流程圖如圖I所示，具體步驟如下I.通過電能質量監測系統數據訪問接口，實時監控數據庫記錄的電網擾動事件， 對于新增記錄的電網擾動事件，讀取負荷變電站發生故障或者電壓擾動時的三相電壓和電流瞬時值。2.對三相電壓和電流瞬時值進行三點五次平滑濾波，校正采樣通道的零漂和不一致數據。采用正序基波空間旋轉矢量坐標變換方法，將預處理后的靜止坐標系下的三相電壓和電流瞬時值，變換到同步旋轉坐標系下的空間矢量值。當d軸與A相電壓向量方向重合時，q軸電壓向量等于0，計算負荷建模所需的電壓、頻率、有功功率和無功功率，該步驟的流程圖如圖2所示，具體如下I)讀取三相電壓和電流瞬時值；2)取均值、進行三點五次平滑濾波；3)坐標變換，abc坐標變換為a @ 0坐標；4)反三角變換,求旋轉矢量相角；5)由旋轉矢量相角求頻率；6)求 P、Q、U;7)求 V、F、P、Q。在此一步驟中同時考慮了并行數據處理，加速有關數據處理速度。3.采用三階感應電動機模型并聯ZIP的動態負荷模型，將所研究的負荷模型建立在變壓器高壓側母線上。步驟2得到的電壓和頻率作為負荷模型的輸入數據，有功功率和無功功率作為負荷模型的實際輸出數據。待辨識的三階感應電動機并聯ZIP的動態負荷模型狀態向量方程為 rdE'
dt
-.[E^(X-Xl)IJ-COb(COr-CO)E'
dE' I⑴
=-萬[五;-(I-X')Id] + COb (COr - CoWd{1)
警=JiiKId + K1q)-tL + Bmr + C)]
J
輸出方程為
\n =UdId+ P0 [kpZ (U /U0)2+ kpl (UIU0) + kpP ](2)
I1 = -UdIq + Q0 [kqZ (U/U0)2+ kqI (f//t/0)+V ]
約束方程為
權利要求
1.一種基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法，其特征在于，通過電能質量監測系統獲取電網擾動數據，經過數據預處理，采用基于非對稱擾動數據的動態負荷模型和改進克隆選擇并行計算算法進行參數辨識，輸出辨識模型參數和擬合曲線；具體步驟包括(1)采集數據通過電能質量監測系統數據訪問接口，獲取負荷變電站發生故障或者電壓擾動時的三相電壓和電流瞬時值；(2)數據預處理對三相電壓和電流瞬時值進行三點五次平滑濾波，校正采樣通道的零漂和不一致數據；采用正序基波空間旋轉矢量坐標變換方法，將預處理后的靜止坐標系下的三相電壓和電流瞬時值，變換到同步旋轉坐標系下的空間矢量值，并計算負荷建模所需的電壓、頻率、有功功率和無功功率；(3)非對稱擾動數據負荷建模負荷模型建立在變壓器高壓側母線上，將下級網架下的負荷等值為.電力系統分析軟件BPA中的三階感應電動機模型并聯ZIP靜態負荷模型， 數據預處理得到的電壓和頻率作為負荷模型的輸入數據，有功功率和無功功率作為負荷模型的實際輸出數據，建立待辨識的負荷模型；(4)動態負荷模型參數并行辨識使用改進克隆選擇并行計算算法對動態負荷模型進行辨識從而得到負荷模型參數；(5)參數校核辨識得到的動態負荷模型，在不同的故障情況下，比較其模型輸出功率與實際測量的負荷功率擬合情況，校驗模型的魯棒性；(6)結果輸出根據BPA電動機模型輸出MI卡和擬合曲線。
2.根據權利要求I所述的基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法，其特征在于所述的電能質量監測系統獲得的數據以標準IEEE1159. 3的PQDIF格式存儲在后臺數據庫中，通過數據接口在線檢索到電網擾動事件發生時三相電壓電流瞬時值數據，篩選適合進行負荷建模的數據，通過數值計算轉換到負荷建模需要的電壓、頻率、有功功率及無功功率電氣量。
3.根據權利要求I所述的基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法，其特征在于所述的不走(4)使用改進克隆選擇并行計算算法對負荷模型參數進行辨識，與傳統的免疫算法相結合，將目標函數作為抗原，將待辨識的參數作為抗體，引入定向進化和抗體濃度抑制機制；具體步驟包括(I)預處理后負荷數據V、f、P、Q;(2)設定待辨識參數的取值區間，Iteraiong=O,即將待辨識的參數作為抗體，在
區間內實數編碼；(3)隨機生成初始抗體將滿足電動機穩態運行條件的抗體加入抗體群并計算親和度，直到抗體種群達到一定規模；(4)計算出實滑差、功率因數是否滿足要求，Y則進入步驟(5)，N則返回步驟(3)；(5)計算親和度，加入抗體種群隨機選擇3個抗體，兩兩抗體的各分量之間在參數辨識范圍內進行內插和外推，計算親和度，選擇親和度最高的抗體替換父代抗體；(6)抗體總群是否達到一定規模，Y則進入下一步，N則返回步驟(3)；(7)克隆、搞死編譯、定向進化；(8)種群最高親和度Jmax< E，或者滿足最大迭代次數，Y輸出計算結果，退出；N(9)Iteration%5=0 (進化是否超過5代)，Y進入步驟(10)，N返回步驟(7)；(10)抗體抑制去除抗體距離太近的低親和力抗體；(11)返回步驟(6)。
4.根據權利要求I所述的基于電能質量監測系統的負荷建模并行計算方法，其特征在于所述的動態負荷模型，采用電力系統仿真軟件BPA中的三階感應電動機模型并聯ZIP靜態負荷模型，以機電暫態穩定數據文件MI卡格式輸出并配以擬合曲線。
全文摘要
本發明涉及一種基于電能監測系統的電力系統負荷建模并行計算方法利用電能質量監測系統獲取電網擾動數據，采用改進克隆選擇算法對該模型進行并行計算辨識處理；在不同的故障情況下校驗模型輸出功率與實際測量的負荷功率擬合情況，按照BPA電動機模型輸出MI卡和擬合曲線。本發明利用電能質量監測系統獲取數據，采用改進克隆選擇并行算法辨識負荷模型參數，辨識精度高，具有全局收斂的特點，運行速度快，且具有擬實時性的特點，且根據實際需要具有良好的伸縮性和加速比，適于實際工程應用，提高了負荷建模過程的時效性和易用性，使復雜情況下負荷建模工作的軟件平臺運行效率得到了較大程度的提高和改善。
文檔編號H02J3/00GK102545218SQ20121003606
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者尹建華, 曹亞龍 申請人:廣東電網公司電力科學研究院