（电气工程专业论文）应用神经网络对电力系统切负荷稳定控制的研究.pdf

中文摘要 应用神经网络对电力系统切负荷 稳定控制的研究 中文摘要 随着系统规模的不断扩大电力系统的安全稳定控制问题的重要性和困难性也随 着增加，尤其是多机系统的控制问题。 随着计算机技术和通信技术的发展，特别是人工智能技术的出现，为电力系统安 全稳定控制开辟了新的研究途径。本文对人工神经网络电网紧急切负荷控制切负荷 量的实时计算问题进行了研究。 本文把人工神经网络应用于电力系统切负荷稳定控制，证明了前馈神经网络用于 切负荷控制的合理性，并提出用故障线路的功率突变量做为神经网络的特征输入量来 表征故障类型，以减少输入特征量的数量且易于实现。针对西北电网安南双回线同时 断开后关中电网紧急切负荷控制问题，用p s a s p 程序进行了切负荷仿真计算，用获得 的样本对前馈神经网络进行了训练从而获得了人工神经网络和控制策略表相结合的 切负荷量计算方法。仿真计算结果表明，文中提出的方法具有较高的计算精度和计算 效率，可以满足稳定控制的要求。 关键词：电力系统神经网络切负荷稳定控制 论文类型：应用研究 英文摘要 s t u d yo f lo a d s h e d din gb a s e do nn e u r aln e t w o r k f o rp o w e rs y s t e ms t a b iii t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l t i e so f c o n t r o li ns a f e t ya r ee n h a n c e di np o w e rs y s t e m ，e s p e c i a l l ya b o u t - u l t i m a c h i n e s y s t e mc o n t r 0 1p r o b l e 甲 i t ht h ed e v e l o p e n to fc o p u t e ra n dc o m m u n i c 8 t i o nt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l y o - i n gt ot h ea p p e a r a n c eo ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y ，t h e yp r o v i d e an e wm e t h o dt os t u d yt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e c o n t r 0 1i ns a f e t ya n d s t a b i l i t y t h i sp a p e rs t u d i e sn e u r a ln e t w o r ke m e r g e n tl o a d s h e d d i n g8 n dr e a l t i e c a l c u l a t i o n m e t h o df o rt h ee l e c t r i c a l s y 8 t e m8 t a b i l i t y c o n t r o l l e d l o a d s h e d d i n g t h ep a p e ra p p l i e dn e u r a ln e t w o r kt ot h ee l e c t r i c a l s y s t e l o a d s h e d d i n gs t a b i l i t yc o n t r 0 1a n db p p r o v e si t sr e a s o n a b l e n e s s t h ep a p e ra l s o s u g g e s t 8t h a t _ es h o u l ds u b s t i t u t ef a u l t yp o w e rf l u c t u a t e dd a t af o rn e u r a l n e t w o r kc h a r a c t e ri n p u tt oe x p r e s sf 8 u l tm o d e l s ， a n dw h i c hc a nr e d u c ei n p u t n u m b e r sa n d a k ei t e a s yt oi m p l e m e n t f o rg u a n z h o n gp o w e rs y s t e _ e m e r g e n t 1 0 a d s h e d d i n ge o n t r o lp r o b l e 日。i e ， t h es h e d d i n go u tt h eb o t ha n n a nd o u b l e 1 i n e si nn o r t h w e s t p o - e rs y s t e l o a d s h e d d i n gs i u l a t i o nc 8 l c u l a t i o ni s c o n d u c t e d b yp s a s pf i r s t ， a n do b t a i n e dd a t u _ - e r eu s e di nn e u r 8 ln e t _ o r k t r a i n i ng t h e nt h e1 0 8 d s h e d d i n gc a l c u l 8 t j o nm e t h o d h i c hc 叩b i n e - i t ht h e n e u r a ln e t w o r ka n dc o n t r 0 1 l e ds t r a t e g yt a b l e 。i sp r o d u c e d t h es i 岫u l a t i o n c 8 l c u l a t i o nr e s u l t s8 h o w t h a t p r o p o s e dm e t h o dh a v i n g ah i g hc a l c u l a t i o n p r e c i s i o na n dc o p u t a t i o n a le f f i c i o n c y ， a n d _ h i c hc a nm e e tt h ed e _ a n do f s t b b i l i t yc o n t r 0 1 k e y - o r d s ：p o w e rs y s t e m l o a d s h e d d i n g t h e s i st y p e ： p p l i o d n e u r 8 ln o t _ o r k s t a b i l i t yc o n t r o l r e s e a r c h 第1 章概述 第1 章概述 1 1 前言 电力系统是由生产、输送、分配、消耗电能的各种电气设备连接在一起组成的整体。 是一个非常庞大复杂的多变量非线性动态系统。正常运行时系统处于稳定平衡状态，频率、 电压在允许范围内变化。系统中所有发电机组同步运行。当设各发生故障或系统受到其它 扰动时稳定运行被破坏系统将经历一个暂态过程再恢复原运行状态或进入新的运行状 态，当扰动严重时机组可能失步甚至造成整个系统的瓦解，出现大面积停电，对国民经 济带来灾难性影响。因稳定破坏造成的电力系统崩溃事故，各国都不乏先例。 为避免稳定破坏事故的发生，除在系统规划时应按稳定安全准则使电网结构合理外， 还需配备较完善的安全稳定控制系统，“电力系统技术导则”对此已有明确规定。电力系 统安全稳定装置可以在系统丧失同步稳定运行之前，预测失步的出现，及早采取一定的控 制措施避免失步事故的发生也可以在事故状态下紧急投入控制措旅，防止事故扩大。 我国电力系统近十年处于超常规发展时期，在全国已形成多个跨省区域性电网，随着 电力系统的日益发展和扩大。安全稳定问题越来越突出，尤其是我国电网建设落后于电源 建设，电源又远离负荷中心。网架结构薄弱稳定储备低致使许多大型发电厂不能满出 力运行造成严重的“弃水”或“窝电”现象。而且。随着单机容量的增大电厂规模趋 向大型化。失去大电源后对系统产生的影响和冲击也更加严重，给电力系统的安全稳定运 行构成很大威胁。安全稳定控制装置的使用，可以增大现有线路的传输容量在一定程度 上弥补电网结构的不足防止各种恶性事故的发生提高现有系统的安全稳定性和经济性。 所以安全稳定控制装置的研制和应用在我国有着非常重要的意义己越来越受到人们的关 注 快速、准确地预测电力系统的稳定性并确定相应的控制量是安全稳定控制装置的主要 任务，电力系统的稳定性破坏与否及控制量的大小与整个系统的网络结构、运行状态、扰 西安理工大学工程硕士学位论文 动冲击；继电保护及自动装置的动作等许多因素有关因此电力系统的安全稳定控制问题 是一个比较困难的问题。随着系统规模的不断扩大，实时的动态安全分析的重要性和困难 性也随着增加：尤其是多机系统的控制问题。随着计算机技术和通信技术的发展，为电力 系统安全稳定控制装置提供了新的物质手段。特别是人工智能新技术的出现。为电力系统 安全稳定控制开辟了新的研究途径。为了确保电网稳定运行。安全稳定控制系统、调度自 动化和电力通信系统已成为现代电网不可缺少的三大支柱。因此利用人工智能新技术来 实现安全稳定控制在理论和实际应用上都有重大意义。 1 2安全稳定控制装置的研究现状与发展动向 电力系统的安全稳定控制装置应满足。；在系统遭受冲击可能造成失步事故时应快速 动作；在系统遭受可以耐受的冲击不致失步时不要动作。具体说应满足可靠性、选择性、 灵敏性和速动性四项基本要求“1 。电力系统的稳定控制措施主要有；切除部分发电机组、 快速压出力、投入电气制动、切负荷、网络解列、h v d c 线路功率快速调节等。在很多情况 下，是几个控制措施并举才能维持系统的安全稳定运行，例如在切机或快关的同时常伴 随着受端电网的切负荷、网络解裂时在功率过剩的网络中往往辅之以紧急减出力控制 在出力不足的网络中辅之切负荷。 目前应用的安全稳定控制装置从使用的信息来分有两类：一类是使用就地信息进行就 地控制或者将控制信号传到远方进行简单逻辑控制，称之为局部安全稳定控制系统；另一 类是使用被控系统中关键厂站的信息进行计算与控制，称之为区域性安全稳定控制系统。 现将各种不同工作原理的安全稳定控制装置归纳如下： 1 2 1反应有功功率及其变量的失步预测与控制装置 1 9 6 5 年加拿大r d b r o w n 等提出用功率及其变化量的积分来预测机组的不稳定。并 用霍耳测功元件和运算放大器加以实现，用于切机和连切负荷动作方程可表示为： 民+ 占+ 瓦万z d ( 1 1 ) 各项的近似表达式为： 2 第l 章概述 民= 毛p 。+ ( 1 2 ) 占= 也卸硪2 ( 1 - 3 ) a = 屯j ：卸硪 ( 1 4 ) 1 9 7 7 年西安交大研制了反应事故前有功功率及其变化置的失步预测装置，理论根据 是简单电力系统中的等面积准则。动作特性可表示为： 昂+ 髓妒 ( 1 5 ) 其中p o 为事故前线路的有功功率p 为功率突变量、p 。为故障清除后线路的极限传输功 率。 7 0 年代，为解决丹江水电站电能外送问题，湖北中试所研制出以故障前线路有功功率 和开关操作为动作依据的逻辑远切装置故障情况下远切丹江机组和鄂东地区负荷。踟 年代初葛洲坝电厂并网投产华中电网安装了j y t 一8 0 逻辑遥切装置当葛洲坝电厂外送 线路故障时，根据故障前线路的功率和故障信号远切葛洲坝电厂机组及切豫中北、豫中南 负荷。 1 9 9 1 年电科院研制出以事故前有功功率及其变化量做为动作依据的m s p l 型微机远 切负荷控制装置脚该装置安装在湖南云田5 0 0 k v 变电站内，主要解决岗市一云田5 0 0 k v 线路故障跳闸后。湖南电网的切负荷稳定控制。该装置可根据故障前线路输送功率的大小， 分级远切湖南电网部分负荷。1 9 9 z 年四川省电力局总调和西安交大共同研制了一套微机远 切负荷控制装置“以解决重庆珞璜电厂机组跳闸后四川电网的稳定问题。该装置的输入 信号全部是珞璜电厂当地信号以故障前机组的出力和跳闸信号为起动根据。经微机判断 后分三级远切负荷。 这类装置的优点是动作速度快，扰动发生后可迅速起动控制，但用局部信号做出的稳 定预测和控制不够准确，往往造成过多的局部利益损失 1 2 2 反映频率及其变化率的稳定性控制装置 1 9 6 9 年美国d e n u e s 开恳局发现用d f d t 加速度继电器来切除送端部分发电机和受端 西安理工大学工程硕士学位论文 部分负荷维持系统稳定性效果较好“1 ，而且利用本地的加速度信号“允许”远方切机或切 1 9 7 7 年西安交通大学用频率偏差和频率变化率来预测失步。3 ，研制了一个预测装置， 警+ 爿 ( 1 6 ) ， e 笪。量生 ( 1 。7 ) frj 1 2 3反应功角函数的失步预测继电器 = b z ：一乙 一三磊噌詈 ( 1 s ) 4 第l 章概述 其中： zj i - 安装在系统m 处的继电器感受阻抗 z r ：两系统间的联系阻抗 z ：继电器的背侧阻抗 6 ；系统功角 其变化率为： = 。，缸c s c 2 兰 两者组成带有一定预测作用的阻抗型失步预测继电器，其动作特性如下； z 扣+ r z e n ( 1 - 9 ) 其中，t 为时间常数，o 为动作域。 1 9 8 0 年西安交大发电教研室曾研制出一种反应振荡中心电压及其变化率的失步预测 装置用于西北电网刘家峡一关中联络线。1 9 8 0 年，日本三菱公司研制了反应系统中莱 一点的视在电阻及其变化率的失步预测装置3 ，它引入了事故前的功率来提高预测失步的 准确度。 单纯反应功角、视在阻抗或电阻、振荡中心电压的装置没有预测失步的能力加入变 化率后有预测作用，但因各项均非时间的线性函数，时问常数取小时预测作用不强，取大 时又有可能误动故多用于起动网络解列。 1 2 4用l y a p u n o v 直接法预测电力系统暂态稳定性 文献 1 2 刊登了美国丹佛大学用李雅普诺夫直接法实现发电机失步预测继电器的原 理方案该方案以两机系统模型为基础。使用经典发电机模型在扰动期间重复计算哲态 能量，当超过临界能量时，装置起动切机 使用l y a p n o v 直接法预测暂态稳定性原理上可以在故障的极限切除时刻发出暂态不 稳定信号但对于静稳破坏和在调节器作用下经多次摇摆而失步的事故仍无能为力 1 2 5 采用控制策略表法的区域性安全稳定控制系统 西安理工大学工程硕士学位论文 日本对区域性安全稳定控制系统的研制工作开展较早，据文献 u 报道。日本现已有 多个区域性安全稳定控制系统在线投入运行。 由于现有的各种电力系统稳定计算方法根本不能满足安全稳定控制对实时性的要求， 所以日前各国研制的区域性安全稳定控制系统，都是采用图象识别技术中的“控制策略表 法”如日本东北电力公司的b s p c 系统“，我国南京自动化研究所与东北电管局联合开发 的辽西电网稳定控制系统，南京自动化研究所与福建省中调联合研制的w l k 一1 型微机联 切控制系统。3 。所谓控制策略表，是事先对电网各种可能的运行方式和故障类型进行预想 并进行大量的离线仿真计算求出相应的控制措施，然后制成表格形式存放在微机内存中。 电网发生故障时，计算机利用采集到的正常运行方式和故障信息，采取“对号入座”的方 式直接查找控制策略表，求得相应的控制措施。 这种查表方式的区域性安全稳定控制系统具有很高的实时性和一定的智能化，它的控 制量相对较为精确。但是，控制策略表是通过离线仿真计算和分析及实际运行经验所确定 的，实时控制不可避免地存在着误差。而且随着电网的发展变化，需要对控制策略表进行 修正，工作量非常大。 当前世界上安全稳定控制装置的发展动向是：( 1 ) 由分散的、功能简单的装置发展为 控制区域较广或分层控制的多功能装置，如前所述的日本东芝公司研制的b s p c 系统我 国辽西电网稳定控制系统。( 2 ) 安全稳定控制装置微机化，微机型安全自动装置正逐步替 代模拟式逻辑装置。( 3 ) 开展严格的稳定控制判据的研究寻找能对电力系统稳定事故实 时控制的新理论新方法加强已有理论在电力系统的应用研究如人工神经网络、图象识 别技术的应用。特别是人工神经网络良好的分类能力及非线性映射能力对解决电力系统 安全稳定的实时控制有着很大的潜力已引起许多学者的兴趣和注意。 1 3人工神经网络在电力系统稳定控制与分析方面的研究进展 人工神经元网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 又称连接机制模型，是由大量 简单元件广泛连接而成的、用以模拟人脑行为的复杂网络。人工神经元网络可较好地模拟 6 第l 章概述 人的形象思维，为我们解决客观世界中存在的一些极其复杂的问题开辟了一条新路。 自1 9 4 3 年p i t t s 第一次提出神经元的数学模型以来，人工神经元的发展经历了5 0 多年的历史，到8 0 年代末随着计算机技术、电子技术和其他分支的人工智能技术的发 展，人工神经络的理论和应用才得到人们空前的重视。 从8 0 年代末期起。人工神经元网络开始引起电力系统领域中科技人员的兴趣。近几 年出现了许多在电力系统中应用的文献，包括安全稳定分析与控制、故障诊断、经济运行 等下面仅将神经元网络在电力系统稳定控制与分析方面的研究情况做一归纳。 文献 1 3 首次将人工神经网络引入电力系统动态安全分析，提出了用标准b p 模型估 计临界切除时间( c c t ) ，取各发电机在故障瞬间相对于惯性中心的转子角度初始加速度 和故障期间的累积动能作为输入此后许多研究者开始从事这一方面的研究，文献 1 4 提 出用多层感知器来估计系统运行空问的稳定边界。文献 1 5 在 1 3 的基础上作了进一步改 进，提出联合使用无导师学习和有导师学习的方法，用无导师学习算法将样本数据分群 减少了有导师学习的样本数目有导师学习采用y h p 提出的函数连结网( f l n ) 模型。 文献 1 6 研究了用b p 模型分析电力系统n l 故障的安全性并提出了一种加速b p 算法 取得了较好的效果。文献【1 7 提出了用b p 模型进行动态安全估计输出量采用了摇摆过 程中发电机转子间的晟大相对摇摆角输入量采用了系统的稳态运行参数这有利于提高 安全估计的速度，而信息的获得也容易实现文献 1 8 提出了用b p 模型估计动态安全域， b p 模型的输出量采用( c c t c t ) c t ，这个指标可以提供稳定裕度。文献 1 9 提出了一种 用神经网络决定切机规律的方法。输入需要取故障瞬间各发电机组的不平衡功率。故难以 实现。文献 2 0 提出一种应用单隐层前馈神经网络决定多机系统切机规律的新方法利用 故障前稳态量和部分暂态信息作为输入。以故障后发电机问最大相对角作为输出判断是否 需要切机较 1 9 更容易实现文献 2 1 提出了一种用神经网络决定多机系统暂态稳定快 速汽门控制规律的方法，文献 2 2 】在 2 1 基础上证明了所用神经网络结构的合理性，并对 神经网络的输入量作了改进。此外，文献 2 3 较为详细地讨论了人工神经网络用于电力系 统动态安全分析时的潜力及有待解决的问题，对今后的研究有相当的参考价值。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 由以上论述可知，人工神经元网络用于电力系统稳定控制与分析在理论研究上已取得 相当的进展。但目前尚无实际应用的报导，而且上述大多数文献中试例系统规模较小或没 有考虑负荷等因素的变化。实际电力系统运行状态变量的高维性及运行方式、网络拓扑结 构、负荷水平的多样性，对神经网络在大规模电力系统的进一步实际应用造成了一定的困 难。但是就具体电力系统某一稳定问题的特点，合理抽取与稳定问题有关的特征输入量， 利用人工神经网络来实现电力系统的安全稳定控制将是切实可行的。本文结合关中电网丧 失安康电厂的电源后引起陕对甘、青电网问的稳定控制问题试图用人工神经网络解决关 中电网紧急切负荷控制切负荷量的实时计算问题。 1 4 本文所做工作 1 以决定电力系统稳定性的三个基本要素为依据。说明了切荷控制与电力系统稳定 性的关系，把人工神经网络应用于电力系统切负荷稳定控制，由发电机转子运动方程和网 络方程出发，证明了前馈神经网络用于切负荷控制的合理性。 2 对神经网络的输入量作了简化分析研究，提出用故障线路的功率突变量做为神经 网络的特征输入量来表征故障类型，可减少输入特征量的数量且易于实现。 3 针对西北电网南双回线同时断开后关中电网紧急切负荷控制问题用p s a s p 程序 进行了切负荷仿真计算，用获得的样本对前镄神经网络进行了训练。建立了能适应日方式 变化、不同故障类型的切负荷控制神经网络。神经网络的控制计算结果与数值仿真计算结 果非常吻合。同时，给出了能随系统网络拓扑变化的神经网络的应用方案。 4 讨论了神经网络训练中训练样本集的选择、隐节点的不同对神经网络训练结果的 影响。 5 给出了人工神经网络和控制策略表相结合的切负荷量计算方法。 6 参加了安全稳定控制装置的调研并写出调研报告参加了关中电网切负荷控制系 统总体方案的制定及有关工作。 第2 章切负荷对电力系统稳定性的影响分析 第2 章切负荷对电力系统稳定性的影响 分析 2 1切负荷对电力系统稳定性的影响 电力系统遭受难以耐受的扰动时需要及时投入诸如切机、快关、切除部分负荷等措旅 以维持系统的安全稳定运行。本节从电力系统暂态过程数学模型解的必要条件出发，分析 影响电力系统稳定性的基本要素，并由此说明切负荷控制对电力系统稳定性的影响。 2 1 1电力系统的数学模型 全面描述电力系统暂态行为的数学模型是相当复杂的，不仅有机电暂态过程且伴随有 电磁暂态过程。为了便于分析。仅考虑机电暂态过程，并假定扰动前后 - 发电机电势e ，保持常数- b 发电机机械功率保持常数t c 负荷用恒定阻抗表示； d 忽略发电机阻尼。 在一个n 机系统中，任意一台发电机i 的转子运动方程为 m ，4 = 岛一巳( 2 - 1 ) ( i _ l ，2 ，n ) 其中，m l 、p t 。为发电机i 的机械惯性常数及机械功率。 除了发电机节点外消去所有的非发电机节点，则发电机电磁功率为 ：一： p f | = r e ( e ，j ) = r e ( e 目) j - 1 p ( 2 2 ) 9 ) 岛 c 一 g + 矗 ns 一口 日 ( ， e 。一州 e+ “ g 砰 西安理工大学工程硕士学位论文 其中，g 。b t j 为发电机i 与发电机j 间的互电导、互电纳，g 。为自电导。 发电机的转子运动方程可表示成如下形式： m ? 6 i = p t j e g ； 取全系统的角度中心为参考，角度中心定义为 其中 令 1 0 m t 占。 民= 击弘4 m ，= m 4 m ，民= m ，互 ( 2 - 3 ) hh m ，氏= ( 昂一碍嘞) 一2 e e ，b fc o s 岛 i = if = lj q + l n hh m ，坑= p 一2 d “c o s 岛= ( 2 4 ) p l = p t i 一硪g 。 d u = e 。e g h 87 = 6 7 6 0 8 l = 6 l 一6 0 = i 一0 = f = 矗 发电机相对系统角度中心的运动方程为 毛 s g卜 爵 ns ，lqe 。p厶州州 ) 毛 s f g + 毛 ns q 怛 。荔 。 一 g 酽 一 嘞 ，l 。h 第2 章切负荷对电力系统稳定性的影响分析 上式中 m i 8 i = m l 嫡广6 0 m i 9 t = 只一只l m i 6 n m l ；i = p i 也一瓷p c 。 m ，b = 只一只；一 最。 ( 2 5 ) c b ：e 。e i b 4 2 1 2摇摆方程有确定解的条件及意义 对电力系统的稳定性进行预测，就是考查扰动消除后系统的同步稳定性。式( 2 5 ) 中 的各项系数对应扰动消除后系统运行参数，系统是否稳定，即在范数意义下； 愀f ) 忙c 常数 满足上式系统是稳定的，反之是不稳定的。 文献 2 4 对摇摆方程解的条件及意义进行过详细论述式( 2 6 ) 要有定解，必须确定 初值条件，假定扰动消除时刻记为t = 0 。记 目( f ) = h ( f ) ，幺( f ) ，眈( f ) 】7 臼( o ) = 慨( o ) ，臼：( o ) ，以( o ) 】r 广 r 占( o ) 2l 鼠( o ) ，皱( 0 ) ，以( o ) l o ( o ) o ，扰动使o ( o ) o 方程( 2 5 ) 是一组非零初值、非线性常微分方程组，众所周知， 方程( 2 5 ) 的解析解是难于求得的。但如果只关心系统的摇摆结果，不关心摇摆过程，显 然当o ( o ) 和目( o ) 给定后，式( 2 5 ) 的解才可能确定，才有可能对扰动消除系统的稳 定性做出预测。容易看出方程( 2 5 ) 的解与下列因素有关： ) 岛 吣c + v 口 n s v c l 。一川 = 只 西安理工大学工程硕士学位论文 a 转动惯量m 、机械功率p t 、电势e l b 自电导、互电导、互电纳g t t 、g i j 、b c 初值条件目( o ) 日( 0 ) 当且仅当上述三个条件确定后，式( 2 5 ) 有定解。 条件( 1 ) 表示各发电机扰动前的运行状态和参数，根据扰动前的系统条件可以确定。 条件( 2 ) 反应扰动消除后全系统的网络拓扑的变化。 条件( 3 ) 表示扰动对全系统各机组的影响，其含义较广泛，包括扰动的地点、种类、 持续时间等向量护( 0 ) ，口( 0 ) 表示扰动消除时各机组相对系统角度中心的速度角度偏差， 振动消除时的o ( o ) 不仅与扰动作用有关，而且与扰动前系统各机组的运行状态有关。 文献 2 4 把上述三个条件总结为准确预测多电力系统稳定性的“三个基本要素”，安 全稳定控制装置只有反应出“三个基本要素”所包含的内容，才有可能对多机电力系统的 稳定做出准确预测。 2 1 3切负荷对电力系统稳定性的影响 电力系统遭受难以耐受的扰动时应快速准确地对失步做出预测并及时采取适当的稳 定控制措施。通常当受端电网突然失去大电源后需要在受端电网投入紧急切负荷控制 以维持电力系统的安全稳定运行。根据三要素原则投入切负荷控制后电力系统的稳定性 ( 摇摆方程的解) 将取决于下列因素： a 扰动前系统的拓扑、开机方式及运行状态 b 投入控制措施后网络拓扑、参数的变化 c 口( ) 、口( i ) t c _ 控制措施的投入时刻。 在以上因素中，若已知预测稳定性的三个基本要素，且稳定控制措旆的作用时间t 。 给定根据摇摆方程的定解条件t 口( f 。) 和p ( ) 便是确定的因此，当扰动前系统的网络拓 1 2 第2 章切负荷对电力系统稳定性的影响分析 扑开机方式及运行状态已知。并且振动对全系统各机组的影响口( o ) 曰( 0 ) 及投入控制的时 间已知后，电力系统是否稳定则仅与投入控制后的网络拓扑有关。切负荷等价为网络拓扑 参数的变化，所以快速的切负荷控制可以使一个不稳定的系统变得稳定。 2 2关中电网切负荷稳定控制系统简介 2 2 1系统基本情况及切负荷问题的提出 西北电力系统目前的电网结构如图2 1 所示，西部电网( 甘、青、宁电网) 与关中电 网之间有两条3 3 0 “联络线路。安康水电厂通过两回3 3 0 k v 线路( 6 0 同杆架设) 接入关中 电网西安南郊变电站安康水电厂的总装机容量为8 5 2 5 万千瓦，由于安康地区负荷很 小，安康水电厂的绝大部分电力通过安南线送入关中系统。西北电网电源分布的特点为 关中电网( 东部电网) 咀火电机组为主，西部电网以水电机组为主。关中电网负荷较重属 于弱受端系统。 当丰水期，西部电网黄河梯级电站与汉江安康水电站均为大发水电方式，关中电网则 需要尽量安排火电机组停运或检修。此种方式下。通过安南双回线的功率最大可达8 0 万 千瓦。由于安南双回线太部分地段为秦岭山区且同杆架设如发生倒塔或跨线故障，会造 成安南双回线全开断事故。此时关中电网将失去安康大电源出现8 0 万千瓦的功率缺额。 如果东部电网与西部电网问的联络线稳定储备不足，那么会使东西部电网失步，造成关中 电网瓦解大面积停电。为避免上述恶性事故的发生当安南双回线因故障双跳后，必须在 关中电网快速切除部分负荷。 图2 一l 西北电网结构示意圈 西安理工大学工程硕士学位论文 2 2 2切负荷控制点的选择 为了防止关中电网失去安康大电源后与西部电网失去稳定而解列，必须在关中电网实 施紧急切负荷控制，要求当安南双回线故障重合闸不成功断路器跳闸后0 2 秒以内快速切 除相应的负荷量。由于切负荷数量较大，故需要在关中电网多个变电站分散切负荷。根据 关中电网的实际情况，电网运行调度部门及设计部门提出在以下1 0 个变电站进行负荷控 制，这1 0 个切负荷变电站的节点编号及变电站的最大负荷如表2 一l 所示。 表2 一l 切负荷变电站的节点编号及最大负荷 变电站名节点编号最大负荷数 秦岭5 1l _ 0 秦岭 5 3 1 1 2 南郊 5 72 7 z 北郊 6 02 4 5 金锁关 7 2o 8 马营 9 91 6 5 庄头 1 0 32 5 1 汤浴1 0 71 2 0 沣河 1 1 3l _ 4 5 桃曲1 1 8o 5 7 表2 一l 中最大负荷数的单位为1 0 0 m w 。为了使紧急切负荷控制后系统潮流不会有太大 的波动，电网调度部门要求各切负荷点采用等比例切负荷。切负荷控制时直接切3 3 0 k v 变 电所的1 1 0 k v 线路。 2 2 3关中电网切负荷控制系统总体方案构成 根据关中电网安全稳定工作纽讨论的方案，关中电网切负荷控制系统由主站( 控制中 心) 及若干个不同类型的功能有差异的子站组成，通过通信通道，主要是微波通道使其信 1 4 第2 章切负荷对电力系统稳定性的影响分析 息指令上行下达。根据通信条件情况以及快速切负荷的性能要求，切负荷控制系统的主站 设置在西北电网电力调度中心，各子站设置在所选定的3 3 0 k v 切负荷变电站内，个别情况 因切负荷需要可能延伸到1 1 0 k v 电压等级的变电站。控制系统的信息流如图2 2 所示。 uf pk gf uf 图2 2关中电网切负荷控制系统信息流 p ：各3 3 0 k v 线路有功功率( 被切线路有功功率) k g ：主电器设备开关位置 u ：母线电压 p k g 嚣安理工大学工程琰士学位醺文 f ：黩攀及其交纯搴 f ：故障及保护跳闸 静态蓿惑流 暂态摄、控制爨信息流 切负葡控制系统的主站聚用徽机穗智能纯装置，崮高可靠性工监控制祝按双枫配 置。在南郊、马营、桃盐三个变电站安装w a k z bi 型微机稳定控制子站，该类予站具 有一定的智能，可阎主站双向交流信号。通过上述三个子站，可将故障前稳态运彳亍情 况下安南线送入关巾电网鲍功率，关中电网与蹶部电列闯联络线的运 亍状态及嚣糯电 网送入关中电网的功率实时传送到控制系统主站，其中南郊变电站的子妯还需要把安 露线懿舂美簸漳售惠迅速传送裂控翻系统圭懿，同时上述三个子蛞韪进行被甥线臻懿 功率测量接收识别主站送来的切负荷命令根据本站测功情况进行判别送出具体的 翻囊荷虢黼指令。 其余的切负荷燮电站安装w a k z b i i 重型微机稳定装置，该烈装置与bi 型装殿比 较，减少了3 3 0 k v 线路功率测量送出功能和敌障类型及严重翟度翔剩功能。这癸予站 只需要对被镯线路的功率进符测量，接收识别主站送米静留负赫命令，根据本站的测 功情况送出具体的切负荷跳闸指令。 控趔系统囊站攫挺三个关键予站传送趣稳态及数障癌惑娃及从调度是动纯系 统获得的系统运行情况，确定需要的切负荷量的大小并超动开放切负荷命令的输出。 1 6 第3 章电网切负荷控制前馈神经网络输入与输出特征量的选取 第3 章电网切负荷控制前馈神经 网络输入与输出特征量的选取 3 1 前馈神经网络的结构 人工神经网络是由具有非线性处理能力的人工神经元通过突触权连接而成的网 络。根据i e e e 的定义，前馈神经网络是一种各层有序且无反馈回路的网络，其最低层 是输入层，最高层是输出层。某给定层的输出仅传递到更高一层。它的输入来自比该层 低的前一层。 为分析方便起见，下面仅给出具有单输出的前馈神经网络，如图3 1 所示。设神 经元网络有n 个输入，隐层有m 个隐单元。则隐层神经元j 的激活输入n e t j 为 删| = 产 式中，t 是隐单元j 和第i 个输入间的突触权，x 。为第i 个输入值。 图3 一l单隐层线性输出前馈神经网络 ( 3 - 1 ) 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 隐单元j 的输出o 。为f j ( n e t j + o j ) ，其中o j 为阈值，函数f j 为激活函数，通常 选取s 型函数，即 网络的输出为 。，2 咿q y = v o + v j 。， 其中，v o 为阈值v j 为隐单元j 与输出间的突触权。 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 人工神经网络在实用之前必需利用大量的样本来进行训练，这一过程称之为神经 网络的学习神经网络的学习是在给定的训练样本集p 下，决定神经网络的权和闽值参 数( 用向量 表示) ，使下列误差平方和取极小值 m i n 础) = 三薹( 圹； 式中，n 为样本集中样本的个数，y ，为神经网络的实际输出，再为目标输出值。 ( 3 - 4 ) 对前馈神经网络通常采用b p 算法( 误差反向传播算法) 来进行训练，其基本思路是 利用目标输出值与实际输出值之间的误差来反向逐层地调整人工神经网络的连接强度 与阈值，逐步减小输出误差直到达到允许值为止。其权值调整则如下 对于输出节点 对于隐层节点 篆i 砸。越， 菘2 苟一 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 0 | i 一圹 | i = 生饥峨一眠 第3 章 电网切负荷控制前馈神经网络输入与输出特征量的选取 式中，乃= ，( q + 喜，t ) ，= ，( q + 喜n 。t ) ，对权重的偏导数统一用鲁表示 或 第k 次迭代中，取 各参量可按下式修正 雠卜叩彘 叫) 疆 叫k ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 丑( 七+ 1 ) = 五( + 烈t ) + 屈u ( 七一1 )( 3 - 1 1 ) 式中，n 为学习率一般取o 2 一o 3 ；b 为动量因子，一般取0 8 一o 9 。 ( k ) 按( 3 9 ) 取值，为标准b p 算法， ( k ) 按( 3 1 0 ) 取值则为累加b p 算法。权的补值 一般取某区间均匀分布的随机数。 3 。2切负荷控制神经网络辅出与输入映射关系分析 实现数学映射的逼近，是前馈神经网络的主要功能之一。文献 2 5 证明：单隐层 前馈神经网络可以以任意精度逼近任何连续映射，只耍隐层神经元有足够的数量且激活 函数足够光滑。因此，如果能适当选取输入量和输出量，使电网失去大电源后引起的切 负荷控制问题转化为输入对输出的映射，则用神经网络实现切负荷控制就有了理论根 据。 在进行分析之前，做如下假设： 1 为简化分析起见，用经典数学模型描述电力系统的机电暂态过程，负荷采用恒定 阻抗模型。 i 9 焉旦 叫，一 西安理工大学工程硕士学位论文 2 在考虑某一线路故障引起电网失去大电源时认为电网的主网结构给定，系统潮 流可变。 3 认为线路故障后的操作序列已定，在t = 0 时刻发生故障t - 时刻继电保护动作切 除故障相，t 。时刻重合闸动作重合故障相开关，重台不成功t a 时刻三相全跳，在t 。时 刻采取切负荷措施，整个过程分为五个时段； i ： 0 t t l i i ： t l t t 2 ：t 2 t t 3 ： t 3 t t 4 v ： t t 4 用l 表示故障点至线路某一端的距离对全长之比。以反映故障位置。用d ，、d 。、 d 3 ( 取值为o ，1 ) 三个参数的组合来反映不同的故障类型。 5 认为各切负荷点的切负荷比例已给定( 如等比例切负荷) 当总切负荷量确定时， 各点的切负荷量便己知。 电力系统遭受一系列扰动后，晟终是否稳定，取决于第五个时段( t t 。) 内各发电 机转速的变化和各发电机转子间的相对运动。 发电机转子运动方程可表示为： 等却。- 1 ) ( 3 1 2 ) 堕：上l r 出 ll “ ( 3 - 1 3 ) ( i _ 1 ，2 ，n ) 式( 3 1 3 ) 中发电机端电压v t 可通过求解网络方程求出。将每台发电机用等值电流源形 式表示，将各发电机节点上的导纳计入到发电机端电压节点的自导纳中。各发电机节点 笾砒 第3 章电网切负荷控制前馈神经网络辅入与输出特征量的选取 注入电流为e t j x ，m 其它节点注入电流为零。利用网络方程( 3 1 4 ) 可解出网络各节 点电压。 j = ( 3 - 1 4 ) 把各发电机转子运动方程和网络方程可写成如下形式1 z = ( z ，u ) ( 3 - 1 5 ) 0 = g ( x ，u )( 3 - 1 6 ) 式( 3 一1 5 ) 为各发电机转子运动方程，式( 3 一1 6 ) 为网络代数方程，x 为由全部发电机转 子角度和转速组成的向量( 状态参数) ，u 为运行参数。网络代数方程可表示为： u = ( x )( 3 一1 7 ) 将式( 3 1 7 ) 代入式( 3 一1 5 ) 后得 z = ，( x ， ( x ) )( 3 - 1 8 ) 电力系统的暂态过程分为五个时间段，不同时段方程( 3 一“) 中导纳矩阵的部分元 素不同，因此方程( 3 1 7 ) 和( 3 一1 8 ) 在不同的时间段内随导纳矩阵的不同而变化。 故障前稳态运行时网络的导纳矩阵一定时，时段i 的导纳矩阵y 。将取决于故障位 置l 和故障类型d 川，继电保护装置动作跳开故障相后时段i i 内网络导纳矩阵y 。由故障 类型决定，时段m 网络的导纳的矩阵y ，与y 。完全相同，重台不成功三相全跳后时段 内网络导纳矩阵y t 与y 、y z 、y a 各不相同当故障线路一定时，y 。便是确定的，在受端 电网切除部分负荷后时段v 内，网络的导纳矩阵y s 将取决于切负荷量的大小。 微分方程组( 3 一1 8 ) 在不同时段内有所不同，分别用下标l ，2 3 ，4 5 来表示 j 。= ( 墨，噍( 置) )( 3 - 1 9 ) z ：= ( j ：，( 五) )( 3 2 0 ) x ，= ，( 蜀，岛( ，) )( 3 - 2 1 ) 2 1 西安理工大学工程硕士学位论文 五= ，( 扎，也( 托) ) 五= ，( 以，魄( 也) ) 故障前微分方程组( 3 一1 8 ) 可表示为： ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) d = ，( 蜀，( 甄) )( 3 2 4 ) 根据决定电力系统稳定性的“三个基本要素”可知，经过一系列扰动后电力系统的 稳定性由微分方程( 3 2 3 ) 的解决定，方程( 3 2 3 ) 的解取决于下列三个因素： 1 各发电机的惯性时间常数l 、机械功率p t 、电势e ，； 2 时段v ( t t 。) 内网络的导纳矩阵y s ： 3 时段v 发电机状态参数的初值) ( 。；。 由前面分析可知，时段v 网络导纳矩阵v 。由时段网络导纳y 。和切负荷量k 决定， 因此当条件( 1 ) 和y 。已定时，方程( 3 2 3 ) 的解取决于时段v 状态参数的初值x o 。和切负 量k ( 扰动参数) ，根据常微分方程解对初值和参数的连续依赖性。”，时段v 内任一给 定时刻的状态参数x 5 ( t ) 将连续依赖于初值x o s 和切负荷量k 。 ) ( 0 s 是微分方程( 3 2 2 ) 的解】( 。s 依次依赖于) 【0 、y t ，x 。、y s 、如、y 2 、n 、y 。而 y 。y 。是由正常运行时y o 及故障地点和故障类型所决定的。 时段i 状态参数的初值x 0 就是故障发生后t = o + 时刻系统的状态参数，因此蛾等于 故障前t = 0 一时刻系统的状态参数x 。，即x 0 i - x 0 。 在式( 3 2 4 ) 中，f 和h 。都是连续函数，其中函数h 。由稳态运行情况下的网络方程 ( 3 2 5 ) o = g ( 扎，)( 3 - 2 5 ) 所决定，因此，故障前t = o 一时刻系统的状态参数x 。将连续依赖于稳态运行时( 故障前) 系统的运行参数u o 。 由以上分析可知时段v 内状态参数x ( t ) 的变化规律将连续依赖于故障前稳态运 行参数u 、故障位置l 、故障类型d 及切负荷量k 。即： x ( f ) = q ( u 。，l ，d ，世，f ) ( 3 - 2 6 ) 根据常微分方程解对初值和参数的连续可微性，口为连续可微函数。 由于发电机转子问的最大相对角取决于x ( t ) 中有关转子角度的分量，因此，对于 给定时刻近旁最大相对角6 。对u 、l 、d 、k 连续可微。 假设切负荷控制可维持系统稳定性( 在某些情况下无论切负荷量多大也不能维持 系统稳定性，本