1、一种基于实测轨迹调整感应电动机负荷模型参数的方法摘要：在电力系统暂态稳定计算中，感应电动机负荷模型参数很难精确获得。本文提出了一种基于实测轨迹调整感应电动机负荷模型参数的方法。首先介绍了衡量实测和仿真相角轨迹的误差指标体系；然后根据对感应电动机参数的灵敏度分析和摄动分析，得到其各参数对误差指标的影响量；最后根据获得的影响量确定感应电动机模型参数的调整方案，并通过电力系统动态模拟实验，验证了该方法的有效性。 关键词：电力系统；数值仿真；参数调整；动态负荷中图分类号：TM32 文献标识码:A 1 引言 电力系统暂态稳定的研究是电力系统安全分析、规划设计和运行等工作的重要内容。目前在电力系统稳定性和
2、安全性分析中时域数值仿真法由于直观性，是目前应用最为广泛的方法1。但是国内外几次事故和试验均表明实测数据和仿真数据有较大偏差2。因此电力系统模型和参数的校正研究就显得越来越重要。 为验证仿真模型的准确性，中国东北电网公司分别进行了两次 500kV的大扰动试验3，利用实验数据开展了不同模型对电网输电能力的影响4和不同模型参数对时域仿真造成的影响5等等大量的研究工作。与负荷模型相比，发电机、励磁系统、PSS、发电机调速器、直流控制系统已经建立了详细的数学模型，其参数的不确定性相对较小，因此在仿真计算时首先应对这些元件参数进行灵敏度分析及参数调整，在此基础上进行负荷模型的校正。负荷模型通常是根据经验
3、确定，并定性的选定模型中的参数，然后通过对本网发生典型事故的仿真计算对负荷模型进行校正。 现代电力系统广域测量系统（wide area measurement systems，WAMS）的建立，能够直接量测到发电机相角轨迹。WAMS 系统为分析电力系统的内部特性，提供了海量的数据。就如何充分利用 WAMS 系统及其量测数据的研究，已经有了一定的成果。如运用实测功角轨迹来判定和衡量系统的稳定程度6，7；将 WAMS 系统运用在实时监测中8；将其用于参数量测中9；基于量测轨迹求取轨迹灵敏度的方法10等等。本文提出了一种基于量测发电机相角轨迹调整感应电动机负荷模型参数的方法。由于 PSASP（Pow
4、er System Analysis Software Package）是中国电力科学研究院开发的一款优秀的电力系统综合分析软件，是目前国内电力设计和运行部门应用最广泛的程序，因此本文选用它作为仿真工具进行分析和应用。本文首先介绍了量测和仿真相角轨迹的误差指标；然后介绍了调整感应电动机参数的方法；最后通过电力系统动态模拟实验验证了该方法的有效性。 2 相角轨迹误差指标体系 量化电力系统数值仿真与实测轨迹的误差是电力系统仿真模型参数调整的基础。本节根据仿真和实测相角轨迹的振荡特点，结合物理本质，从整体和局部两部分对误差进行介绍。 2.1 整体指标 对相角全部变化过程进行比较和分析，定义为误差能量
5、指标（Error Energy）11 （1） 式（1）中是仿真变量序列，是实测变量序列，是变量的稳态值，N是实测变量与仿真变量个数。 2.2 局部指标 2.2.1 第一摆幅值误差（First Swing Magnitude Error）及第二摆幅值误差（Second Swing Magnitude Error）12 （2） （3） 式(2)（3)中 FMagsimu 是仿真值第一摆的摆动幅值,FMagmeasur 是实测值第一摆的摆动幅值, SMagsimu 是仿真第二摆的摆动幅值, SMagmeasur 是实测第二摆的摆动幅值。 2.2.2 第一摆摆动的周期误差（First Swing Pe
6、riod Error）及第二摆的周期误差（Second Swing Period Error）12 （4） （5） 式(4)（5）中 FPersimu 是仿真的第一摆的摆动周期,FPermeasur 是实测第一摆的摆动周期, SPersimu 是仿真的第一摆的摆动周期 , SPermeasur 是实测第一摆的摆动周期。 3 感应电动机负荷模型参数调整方法 与负荷模型参数相比，发电机及其控制系统模型参数容易测量和辨识。当除负荷模型以外的其它元件的模型和参数经过量测和辨识后，仿真与实测结果仍不符合，则考虑对负荷模型和参数进行调整。若动态部分采用感应电动机模型，则应对电动机模型参数进行调整。 3.1
7、 灵敏度分析 在调整感应电动机模型参数时，分析发电机相角轨迹对感应电动机参数的灵敏度，并按其数值大小对参数排序。该排序反应了参数对仿真轨迹影响大小。在调整幅度相同的情况下，优先调整灵敏度大的参数会对相角轨迹产生较大影响。 3.2 摄动分析 为分析感应电动机模型参数对仿真相角轨迹的影响，选感应电动机负荷模型任意一个参数在已知数值的基础上下浮动 30，在其它参数不变的前提下，做 PSASP 仿真并记录所得的发电机相角轨迹。以所得的轨迹族，作为分析此参数在这组参数数值下的影响数据。然后将被变化参数恢复原始值，选下一个参数上下浮动 30做同样的分析，直到将所有参数分析到。 为将参数摄动对误差指标的影响
8、程度进行量化，将影响程度量化为：（6） y 为参数影响程度，Ymax 为参数摄动到上限时的相应的物理量，Ymin 为参数摄动到下限时相应的物理量，Yinit 为参数为初始值时相应的物理量。 3.3 确定参数调整方案 在确定感应电动机负荷模型参数的调整顺序后，对其参数做摄动分析，分析参数变化对相角轨迹的各个误差指标的影响方式。通过寻找使误差指标最小的变化方向和变化量，来确定参数的调节方式和调节量。 在上述分析中，选择参数的摄动域越宽摄动步长越小，得到的信息量越多，对该参数的调整越精确；但是计算量也会越大，计算时间也会越长。相反，分析中选择参数的摄动域越窄摄动步长越大，得到的信息量越少，对该参数的
9、调整精度越差；然而计算量也会越小，计算时间也会越短。因此在参数摄动域和摄动步长的选择上，要考虑实际的调节需要和调节精度以便选择合适数值。 3.4 适应性分析 若基于一次故障轨迹对感应电动机负荷模型参数的调整也能减小其他故障时的仿真误差，则证明对其参数所做调整具有适应性。通过电力系统动态模拟实验发现，当故障发生在距动态负荷近的位置时，基于本文方法对电动机参数所做调整同样适应于当故障发生在距动态负荷远位置的情况。当故障位置在动态负荷附近时，动态负荷仿真模型所受激励剧烈，发电机相角轨迹对电动机参数的灵敏度比较大，易对电动机参数做出调整。由此认为在这种情况下对感应电动机负荷模型参数的调整应用于全网具有
10、一定的适应性。 4 感应电动机负荷模型参数调整方法验证 4.1 应用 PSASP 对图 1 系统进行仿真 图 1 实验电气主接线图 按照图 1 系统在电力系统动态模拟实验室进行实验，4#为隐极发电机、3#为凸极发电机，静负荷为一组总额定功率 4.5kw 的电炉，动态负荷为两台大小不同总额定功率 3.7kw 的异步电动机，电动机的负荷为直流发电机带电炉。在整个实验过程中利用 WAMS 系统对系统各信息量进行采集和记录。 以母线 6 处发生 200ms 三相短路故障为例，分析发电机出口母线电压相角仿真与实测轨迹偏差。4#发电机模型采用 PSASP 自带的六阶模型，3#发电机模型采用 PSASP 自
11、带的 5 阶模型，电动机采用 PSASP 自带的三阶感应电动机模型。该实验仿真所用发电机及其励磁系统的模型参数是实验室以往通过专门实验量测和辨识所得，具有较高准确性；三阶感应电动机模型则直接采用 PSASP 自带的经验参数。本文中所提到的发电机出口电压相角均以无穷大母线 1 的电压相角为基准值。 图 2 4#发电机相角图 3 3#发电机相角 仿真和实测相角轨迹对比如图 2、3 所示。通过比较仿真和实测相角轨迹，实测轨迹和仿真轨迹存在偏差，说明感应电动机模型参数存在一定的误差。 4.2 基于一次故障的感应电动机负荷模型参数调整方案 现将感应电动机负荷模型所有参数进行灵敏度分析和摄动分析，确定的参
12、数调节方案如表 1 所示。图 4、5 为参数调整前后相角仿真轨迹的对比。表 2 为参数调整前后的误差指标。通过比较认为调整后的仿真相角轨迹和实测相角轨迹的误差明显变小，说明调整后的参数比原参数对数值仿真更加有效。 感应电动机负荷模型参数调整方案 表 1 原始参数与调节后参数对比 图 4 4#发电机相角图 5 3#发电机相角 表 2 参数调整前后各种误差指标的对比 4.3 调整方案在其他故障时的适应性验证 按照如图 1 所示系统，在 5 母线发生 250ms 三相短路并记录动态轨迹。分别用表 1 中原始参数和调整后的参数仿真发电机相角轨迹，其结果如图 6、7 和表 3 所示 图 6 4#发电机相
13、角图 7 3#发电机相角 表 3 参数调整前后各种误差指标的对比 通过对 5 母线三相短路的数值仿真，发现感应电动机负荷模型参数调整前后发电机功角轨迹的变化小于 6 母线故障时发电机功角轨迹的变化。但是，基于 6 母线短路故障时对感应电动机负荷模型参数的调整方案对于 5 母线故障仿真也适用，增强了 5 母线故障时仿真的有效性。当故障位置越靠近需调整的动态负荷模型时，感应电动机负荷模型发生的动态响应越大，其模型参数对功角轨迹的影响量越大，越有利于调整其模型参数。 5 结论 在发电机及其控制系统模型参数准确的情况下，本文提出了一种基于实测相角轨迹，运用误差指标调整感应电动机负荷模型参数的方法。本方
14、法仅需要根据电力系统某一次故障时的实测相角数据，然后据此调节感应电动机仿真模型参数，只要保证在这组参数下仿真轨迹和实测轨迹误差指标充分小；那么就可以保证在调整后的参数基础上，所做仿真能充分反映实际系统的行为特性。最后通过电力系统动态模拟实验的实例分析验证了该方法的有效性。 参考文献 1 倪以信等.动态电力系统的理论和分析M.北京：清华大学出版社.2002 年. 2 Dmitry N. Kosterev, Carson W.Taylor.Model validation for august 10, 1996 WSCC System Outage.IEEE Trans on Power Syst
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