（电力系统及其自动化专业论文）电力系统动态仿真可信度研究.pdf

华北电力大学博十学位论文 ab s t r a c t p o w e r s y s t e m d y n a m i c s i m u l a t i o n i s a b a s i c t o o l t o u n d e r s t a n d p o w e r s y s t e m. i t a l s o i s e s s e n t i a l g u i d a n c e t o l a y o u t , d e s i g n a n d r u n n i n g o f p o w e r s y s t e m . s o i t p o s s e s s e s v e r y h i g h a u t h o r i t y . t h e v e r a c i t y o f p o w e r s y s t e m d y n a m i c s i m u l a t i o n h a s d ir e c t in f l u e n c e o n t h e s t r a t e g y o f p o w e r s y s t e m s e c u r i t y . t h e p o s t s i m u l a t i o n o f w e s t u n i t e d s t a t e s b l a c k o u t i n 1 9 9 6 f o u n d t h a t r e a l p o w e r s y s t e m c o l l a p s e c a n t b e r e c u r r e d u s i n g e x i s t i n g s i m u l a t i o n l i b r a r y . t h e r e s e a r c h i n d i c a t e s t h e v e r a c i t y o f s i m u l a t i o n i s n o t g o o d . ma n y u n r e a d a b l e p h e n o m e n a a r e f o u n d i n c o u n t r y w i d e p o w e r g r i d c o n n e c t i n g . t h o s e p r o b l e m s m a k e p e o p l e w o r r y a b o u t t h e c r e d i t a b i l i t y o f p o w e r s y s t e m d y n a m i c s i m u l a t i o n . h o w t o r i g h t l y u n d e r s t a n d t h e v a l i d i t y o f s i m u l a t i o n , h o w t o i m p r o v e t h e v a l i d i t y o f s i m u l a t i o n a n d h o w t o i n s u r e t h e s i m u l a t i o n r i g h t l y d e s c r i b e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c o f p o w e r s y s t e m a r e p r o b l e ms c r y i n g f o r s o l v e th i s d y n a mi c d y n a mi c p 叩e r a n a l y s i s t h e s i mu l a t i o n . co n t e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m o d e l v a l i d a t i o n a n d p o w e r a n d k e y f a c t o r s s i mu l a t i o n o f e n t i r e a r e i n t r o d u c e d . mo d e l o f mo d e l v a l i d a t i o n v a l i d a t i o n o f p o w e r o f c o m p o n e n t a n d s y s t e m s y s t e m mo d e l v a l i d a t i o np o w e r g r i d s h o u l d m o d e l v a l i d a t i o n f r a m e i s p u r p o s e d t h a t h i e r a r c h y p r o c e s s b e e n t i r e . b a s e d o n a n d t h e y s u p p l e m e n t e a c h o t h e r . a p o w e r s y s t e m d y n a m i c f u z z y a n a l y t i c t h i s p a p e r r e s e a r c h e s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d y n a m i c e r r o r b e t w e e n r e a l s y s t e m m e a s u r e d d a t a a n d s i m u l a t i o n o u t p u t . a t o o l t o d i s t i l l d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c b a s e d o n p r o n y a l g o r i t h m i s p u r p o s e d . p o w e r s y s t e m s i g n a l i s d i v i d e d a c c o r d i n g t o t i m e . p h y s i c a l c h a r a c t e r o f p o w e r s y s t e m d y n a m i c v a r i a b l e i s t h e b a s i s o f i t . f i r s t s w i n g e r r o r , f r e q u e n c y c o m p a r a b i l i t y , d a m p c o m p a r a b i l i t y a n d e n e r g y e r r o r a r e p u r p o s e d a s e r r o r i n d e x . t h o s e i n d e x e s m e a s u r e t h e e r r o r o f p o w e r s y s t e m d y n a mi c s i m u l a t i o n . a n d it p r o v i d e s i m p o r t a n t r e f e r e n c e t o s i m u l a t i o n e r r o r t r a c e . a l l c o m p o n e n t o f p o w e r s y s t e m i s t i g h t c o u p l i n g . a n d t h e d i m e n s i o n o f p o w e r s y s t e m m o d e l i s v e r y h i g h . a n e t w o r k p a r t i t i o n m e t h o d i s p u r p o s e d b a s e d o n s p u r t r a c k d e n s it y . me a s u r e d d a t a a r e i m p o r t e d i n t o s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n . s u b a r e a s i m u l a t i o n a r e u s e d t o f i n d m o d e l a n d p a r a m e t e r e r r o r s t h a t m a k e s i m u l a t i o n e r r o r . p a r a me t e r i d e n t i f i c a t i o n m e t h o d b a s e d o n s e n s i t i v i t y a n a l y s i s i s u s e d t o u lt e r i o r l y fi n d e r r o r s o f s i m u l a t i o n m o d e l a n d p a r a m e t e r . a l l k i n d s o f s e n s i t i v i t y a n a l y s i s m e t h o d s a r e c o m p a r e d . a n d a l o a d m o d e l p a r a m e t e r s e n s i t i v i t y a n a l y s i s m e t h o d c o n s i d e r i n g s i m u l a t i o n e r r o r i n d e x i s p u r p o s e d . t h e a i m o f i t i s r e d u c i n g t h e p a r a m e t e r s t h a t n e e d t o 华北电力大学博士学位论文 b e i d e n t i f i e d . s o p a r a m e t e r i d e n t i fi c a t i o n i s p r e d i g e s t e d f i n a l l y , t h i s p a p e r i n t r o d u c e a c o s m i c a l l y s y s t e m d i s t u r b a n c e t e s t i n g . i n t h i s t e s t , m e a s u r e d d a t a a n d s i m u l a t i o n d a t a a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d . a n d m o d e l a n d p a r a me t e r a me n d i n g m e t h o d i s p u r p o s e d . s e v e r a l s i m u l a t i o n v a l i d a t i o n p r i n c i p l e o f t i m e - d i v i d i n g , a r e a - d i v i d i n g , l a y e r - d i v i d i n g a r e p u r p o s e d . a n a l y s i s i n t e s t i n g a n d r e a l p o w e r g r i d i n d i c a t e s t h e p r o d u c t i o n o f t h i s p a p e r i s p r a c t i c a b l y i n e n g i n e e r i n g . e x p l o r i n g i s m a d e o n p o w e r s y s t e m s i m u l a t i o n v a l i d a t i o n k e y w o r d : p o w e r s y s t e m d y n a m i c s i m u l a t i o n m o d e l v a l i d a t i o n c o s m i c a l l y s y s t e m d i s t u r b a n c e t e s t i n g i i i 二 上 二口口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的博士学位论文 电力系统动态仿真可信度研究 ， 是本人在华北电力大学攻读博士学位期间， 在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包 含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 签名 : 冰走日m 2 0 0 5 . 0 5 . 2 0 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校 可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的 学位论文在解密后 遵守 此规定) 作者签名: 日期: 从廷 2 0 0 5 . 0 5 . 2 0 导师签名: 日期: 希r , 笔 2 0 0 5 . 0 5 .2 0 华北电力大学博士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 电力系统动态仿真可信度研究概述 1 . 1 . 1引言 大力开发西部水、火电能源基地，实施西电东送、南北互济、全国联网，在全 国范围内进行能源优化配置是我国能源战略重要组成部分。随着经济的快速增长， 我国电网建设正以前所未有的速度向前发展。2 0 0 3 年，东北电网、华北电网、华中 电网和川渝电网己经实现互联，三峡电厂的投产进一步促进了全国联网的进程。目 前，中国电网己经成为世界上规模最大的同步交流互联系统之一。 大规模互联电网能够实现资源的优化配置，增强事故支援能力，极大的提高了 输电的经济性和一可靠性。但是，大规模互联电网也存在不少问题。其中，大停电事 故的阴影一直是悬在互联电网头上的达摩克利斯之剑。大停电事故波及范围广 一 ，造 成的 经济损失极 大， 对人民 生活和国民 经济发展影响极大 :1 _ .5 1 。 近年来， 美国 连续 发生大规模停电事故，损失难以估计。这使人们更加关注互联电网的安全运行，甚 至将电网安全提高到国家安全的角度16 - 1 0 1 。 同时电网的商业化运行也加剧了 经济性 和安全稳定性之间的矛盾。更加深入地理解稳定机理，建立准确的稳定分析方法， 进而提出有效的控制措施已经成为电力系统面临的最迫切的任务。电力系统动态仿 真正是检验控制措施的有效手段。 2 0世纪 2 0年代和 3 0年代早期的理论工作使人们初步认识了电力系统稳定现 象。此时的研究工作注重于网络， 缺乏对同步电机详细描述。 2 0 世纪5 0 年代早期， 电子式模拟计算机的出现使详细地模拟同步电机、励磁系统和调速器成为可能。数 字计算机的发明更是极大地推动了电力系统稳定的研究。大约在 1 9 5 6年第一代电 力系统稳定分析数字计算机程序即电力系统动态仿真程序开发成功，它可以提供一 种理想的手段来研究互联电力系统的稳定问题。 6 0 年代以来， 随着数值方法和数字 计算机技术的发展，电力科学家开发出非常强有力的暂态稳定程序，能用于很大的 系统并具有详细的设备模型。该成果有利地支持了当时刚刚出现的大规模电网的稳 定运行。 7 0 年代，中国电力科学院也开发出大型电力系统暂态仿真程序p s a s p ， 并 沿用至今。 近年来，我国互联电网规模持续快速增长，出于经济上的考虑，电力系统运行 方式日趋复杂，越来越贴近其运行极限;越来越多的新设备应用到电力系统，控制 方式越来越复杂;引起不稳定的因素越来越多;这对电力系统动态仿真提出更高的 要求。1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真无法重现电网动态过程，引起人们对电力系统 华北电力大学博士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 电力系统动态仿真可信度研究概述 1 . 1 . 1引言 大力开发西部水、火电能源基地，实施西电东送、南北互济、全国联网，在全 国范围内进行能源优化配置是我国能源战略重要组成部分。随着经济的快速增长， 我国电网建设正以前所未有的速度向前发展。2 0 0 3 年，东北电网、华北电网、华中 电网和川渝电网己经实现互联，三峡电厂的投产进一步促进了全国联网的进程。目 前，中国电网己经成为世界上规模最大的同步交流互联系统之一。 大规模互联电网能够实现资源的优化配置，增强事故支援能力，极大的提高了 输电的经济性和一可靠性。但是，大规模互联电网也存在不少问题。其中，大停电事 故的阴影一直是悬在互联电网头上的达摩克利斯之剑。大停电事故波及范围广 一 ，造 成的 经济损失极 大， 对人民 生活和国民 经济发展影响极大 :1 _ .5 1 。 近年来， 美国 连续 发生大规模停电事故，损失难以估计。这使人们更加关注互联电网的安全运行，甚 至将电网安全提高到国家安全的角度16 - 1 0 1 。 同时电网的商业化运行也加剧了 经济性 和安全稳定性之间的矛盾。更加深入地理解稳定机理，建立准确的稳定分析方法， 进而提出有效的控制措施已经成为电力系统面临的最迫切的任务。电力系统动态仿 真正是检验控制措施的有效手段。 2 0世纪 2 0年代和 3 0年代早期的理论工作使人们初步认识了电力系统稳定现 象。此时的研究工作注重于网络， 缺乏对同步电机详细描述。 2 0 世纪5 0 年代早期， 电子式模拟计算机的出现使详细地模拟同步电机、励磁系统和调速器成为可能。数 字计算机的发明更是极大地推动了电力系统稳定的研究。大约在 1 9 5 6年第一代电 力系统稳定分析数字计算机程序即电力系统动态仿真程序开发成功，它可以提供一 种理想的手段来研究互联电力系统的稳定问题。 6 0 年代以来， 随着数值方法和数字 计算机技术的发展，电力科学家开发出非常强有力的暂态稳定程序，能用于很大的 系统并具有详细的设备模型。该成果有利地支持了当时刚刚出现的大规模电网的稳 定运行。 7 0 年代，中国电力科学院也开发出大型电力系统暂态仿真程序p s a s p ， 并 沿用至今。 近年来，我国互联电网规模持续快速增长，出于经济上的考虑，电力系统运行 方式日趋复杂，越来越贴近其运行极限;越来越多的新设备应用到电力系统，控制 方式越来越复杂;引起不稳定的因素越来越多;这对电力系统动态仿真提出更高的 要求。1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真无法重现电网动态过程，引起人们对电力系统 第一章 绪论 动态仿真的疑虑 i 1 1 2 1 。 电力系统动态仿真是人们认识大规模电力系统动态行为的根 本工具，它涉及到电力系统规划、运行、控制设计等诸多方面。如果它不能准确描 述电力系统的动态行为，电力系统安全稳定运行将失去保证。目 前，动态仿真可信 度的问题主要体现在两个方面，一是实际系统没有稳定问题，动态仿真结果却发现 有稳定问题，运行部门不得不降低运行极限，造成经济上的巨大损失;二是实际系 统有稳定问题，动态仿真没有将其正确的描述出来，无法制定相应的控制措施，给 电力系统安全运行带来隐患，1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真就是一例。因此，如何 确保电力系统动态仿真的可信度成为一个需要迫切解决的问题! 1 . 1 . 2 系统仿真可信度 电力系统动态仿真是系统仿真的一个实例，所谓系统仿真就是 “ 对被研究对象 ( 系统)建立模型，并在模型上进行试验” 。因此，系统仿真有时又称作 “ 建模与 仿真 ( m二是实际系 统有稳定问题，动态仿真没有将其正确的描述出来，无法制定相应的控制措施，给 电力系统安全运行带来隐患，1 9 9 6 年美国大停电事故后仿真就是一例。因此，如何 确保电力系统动态仿真的可信度成为一个需要迫切解决的问题! 1 . 1 . 2 系统仿真可信度 电力系统动态仿真是系统仿真的一个实例，所谓系统仿真就是 “ 对被研究对象 ( 系统)建立模型，并在模型上进行试验” 。因此，系统仿真有时又称作 “ 建模与 仿真 ( m数据有效性确认用于保证模型 的建立、评估、检验和实验所用的数据是充分的和正确的;运行有效性确认是对模 型开发的目的或用途而言，模型在其预期应用范围内的输出是否有足够的精度。 理论模型模型有效性确认包括两项内容:第一，检验模型的理论依据及假设条 件的正确性。它具有两个含义，一是检验理论依据的应用条件是否满足，如线性、 正态性、独立性、静态性等;该检验过程可以利用统计方法进行。二是各种理论的 应用是否正确。 第二，子模型的划分及其与总模型的关系是否合理，即分析模型的结构是否正 确，子模型间的数学或逻辑关系是否与问题实体相符。理论模型经确认有效后，才 第一章 绪论 能对其进行试运行。最后根据输出结果评估模型的精度。若理论模型无效，应重复 分析、建模及确认的过程。 在模型开发过程中，数据用于模型的建立、校验和运行。充分、正确、精确的 数据是建立模型的基础。数据有效性确认包括对模型中关键变量、关键参数及随机 变量的确认，以及对运行有效性确认所使用参数和初始值等数据的确认。 运行有效性确认的目的是对模型输出结果的精度进行计算和评估。其前提是实 际系统及其可比系统的数据均可获取。通过比较模型和实际系统在相同初始条件下 的输出数据，可对模型有效性进行定量分析。与实际系统类似的系统，确认为有效 的解析模型、 二 程计算模型、以及经过确认的仿真模型都可以作为仿真模型的可比 系统。理论模型确认、数据有效性确认以及模型验证是运行有效性确认的前提。经 运行有效性确认被认为有效的模型即可作为正式模型投入运行，利用它进行实际问 题的研究。 若模型在运行有效性确认时被认为无效， 其原因可能是理论模型不正确， 或者计算机模型不正确，也可能是数据无效。具体原因的查明须从分析和建模阶段 开始，重复模型的构造过程。若实际系统及其可比系统不存在或完全不可观测，则 模型与系统的输出数据无法进行比较。在这种情况下，一般只能通过模型验证和理 论模型确认，定性地分析模型的有效性。 系统仿真可信度相关理论大多应用在国防领域，如武器、航天、船舶等武器的 仿真系统的开发，并受到极大重视。美国国防部 1 9 9 4年 1月公布了建模与仿真条 令( d ir e c t iv e ) 5 0 0 0 .5 9 ( 1 9 9 8 年 发 布 修 订 版1 ) 131 ， 并 于1 9 9 5 年1 。 月 发 布了 建 模与仿真主计划 ( m a s t e r p l a n )作为条令 5 0 0 0 , 5 9的实施计划 1 4 1 。在建模与仿真 v v 一是试验 数据稀少，武器系统的试验一般耗费巨大，不o f 能得到足够的实际系统样本。 电力系统与一般武器系统有较大差异。电力系统规模庞大，电网的结构总是在 不断变动中，电力系统的运行方式也灵活多样。电力系统动态仿真的作用在于分析 某种没有出现过的电网结构、运行方式、故障属性下系统是否能够稳定运行，因此 它属于先验仿真。由于不可能获得先验仿真对应的实际系统的测量数据，它无法验 证，只能评估它的可信度。 先验仿真是否能够准确描述实际系统只能依靠后验仿真保证。所谓后验仿真就 是重现已经具有系统实测数据的仿真，这种情况下，验证即比较现有实际系统的实 测动态曲线与仿真系统的仿真动态响应曲线，确定仿真系统是否准确描述了实际系 统就是仿真的验i i e ( v e r i f i c a t i o n ) 。 先验仿真与后验仿真对应的实际系统不完全相同， 如何用后验仿真的验证来保证先验仿真的可信度?电力系统由众多元件组成，对应 的先验仿真与后验仿真也由众多元件模型组成。如果所有的元件模型足够有效，电 力系统动态仿真可信度必然足够高。因此，能够在后验仿真的准确度和先验仿真的 可信度之间架起桥梁的只有用于仿真的所有模型和参数的有效性。三者之间的关系 如图 1 - 2所示:因此，评估先验仿真的可信度的依据就是后验仿真的准确度。即用 后验仿真的误差不断正确地找到误差源，修正仿真数据库中的模型和参数，使模型 和参数最终收敛于所描述实际元件的特性。 图 1 - 2后验仿真、先验仿真之间关系 电力系统动态仿真可信度研究与其他领域的仿真可信度研究的思想一致:先计 算后验仿真输出与实际系统响应的误差;再反向修改模型和参数，最终使误差趋于 零。但电力系统还有自身的特点。 首先，电力系统动态仿真输出与实际系统的响应都是持续在一个时间段上，属 于时变量。与静态变量不同，时变量很难直接将二者的差当作误差。复杂信号的误 差指标一方面要包含足够的信息量，准确描述二者的差异，另一方面要具有物理意 义，为寻找误差源提供参考，避免纯粹数学意义上误差计算。因此，必须深入分析 电力系统响应的特征， 研究适合电力系统动态仿真特点的误差计算指标。这是电 6 华北电力大学博士学位论文 力系统动态仿真可信度研究的特点之一。 电力系统的响应数量众多，相应的仿真输出也很多。一般各个仿真输出的量化 误差都不相同，所表征的系统特性也不同。哪些变量的误差更重要?如何综合考虑 多个仿真输出的误差给出后验仿真准确度的单一量化指标?这是电力系统动态仿 真可信度研究的特点之二。 电力系统的规模十分庞大，各个元件之间藕合十分紧密，每个元件对系统的输 出都有一定影响，只是程度不同。电力系统各类元件的数学模型是决定仿真准确与 否的关键。提高仿真可信度需要根据动态仿真输出的误差修改元件的模型、参数。 但是电力系统元件众多，每个仿真输出都是多个元件模型、参数综合作用的结果， 多种元件模型、参数组合都可能实现同一仿真输出。只有确实找到产生仿真误差的 根源，并正确地修正了它们，才能保证模型、参数修正的一致收敛性。这样的模型 才能保证先验仿真的可信度，也就是模型具有良好的泛化能力。否则，在某次仿真 验证中修改的模型、参数很可能难以描述另一次扰动的实际系统响应。只有保持一 致收敛性的仿真模型、参数修改才是正确的修改。然而，直接从仿真系统输出与实 际系统响应之间的误差映射到电力系统元件模型、参数的误差极为困难。欲分离各 个元件模型、参数误差对全网仿真输出误差贡献必须实现元件模型的仿真解耕e仿 真解祸如何实现?根据什么原则实现?如何通过仿真解藕将全网仿真输出误差映 射到元件模型、参数的误差?如何保证模型、参数修改的一致收敛性?这是电力系 统动态仿真可信度研究的特点之三。 电力系统中各个元件都有其特点，但是负荷与其他元件有本质的区别。发电机 及其控制器、线路、变压器等元件属于工程系统，具有良好的定义和结构，具有充 分可用的理论知识，可以采用演译推理的方法建模。而负荷面向非工程系统，属于 复杂系统。所谓复杂系统指生态、社会、经济等难以用数学模型精确量化的系统。 复杂系统的建模一直是系统仿真中的一个难题。由于它只能建立介于定性与定量之 间的模型，它的可信度研究更为困难。复杂系统的建模与仿真具有以下特点2 5 1 ( i ) 复杂系统研究的理论基础尚未达到如物理系统领域的抽象程度， 通过系统 分析而产生的数学模型常常可信度比较低; t 2 ) 复杂系统往往具有病态定义的特征， 即很难以一种严格的数学形式来对它 进行定义及定量分析: t 3 ) 复杂系统具有病态结构， 系统结构很难从空间和时间上加以分割， 很难确 定系统的边界和水平; t 4 ) 对复杂系统的观测和试验都比较困难， 从而使获得的数据对于系统行为反 第一章 绪沦 映的可信度降低。 因此，建立完全精确的负荷模型是不现实的，也是不可能的。负荷模型的精度 由它的应用目的一电力系统动态仿真确定。它的有效性由负荷模型和全网动态仿真 共同确定，因此它是仿真可信度研究中最困难的部分。这是电力系统动态仿真可信 度研究的特点之四。 电力系统动态仿真可信度研究的依据包括两类，一是电力系统故障或人工扰动 中记录下来的动态数据;一是元件模型、参数测量时录下的元件响应数据。能够引 起电力系统动态过程的故障很少，而且电力系统的特点决定不能随便在系统上做实 验，所以电力系统的实测扰动数据很少。但电力系统本身却异常复杂。在样本很少 的情况下评估电力系统动态仿真可信度非常困难。出于元件安全的考虑，参数实测 一般都是离线测量，元件不带负载运行，而且扰动很小。元件运行状态与故障时 一 差 异较大。因此，元件模型、参数实测的数据必须考察其有效性。如何充分利用有限 的实测数据完成电力系统动态仿真可信度评估?这是电力系统动态仿真可信度研 究的特点之五。 从上面的分析可以看出，电力系统动态仿真可信度研究与其他仿真系统可信度 研究差别很大。武器仿真系统可信度研究的成果很难直接用于电力系统动态仿真可 信度研究。电力系统动态仿真可信度研究的特点同时也是难点，电力系统动态仿真 可信度研究必须根据自 身的特点，开发适合于自 身的可信度研究方法。 1 . 2 国内外研究现状 1 . 2 . 1 电力工程界的进展 电力系统规模庞大、结构复杂，在准确的同步数据装置出现之前，电力系统动 态行为无法观测，电力系统动态仿真可信度验证也就无从谈起。大多数相关研究集 中在单个孤立设备的模型有效性研究 巨 。 近年来， 随着 g p s 技术和现代通信技术的 发展，出现了广域测量系统 wa ms ) ， 用于观测、控制电力系统的动态行为。上个 世纪 9 0年代，为了应对电力市场给电力系统运行方式带来的冲击，在美国能源部 ( d o e )的支持下，美国西部电力系统 ( ws c c )安装了广域测量系统2 6 1 1 9 9 9 年美国b p a公司发布了使用未经评估、 校验的ws c c仿真数据库对 1 9 9 6 年 8 月 1 0日大停电事故重现的结果，表明现有的仿真数据库不能重现w a ms记录 的系统失稳现象【 川 。 这是一篇跨时代的文献， 以 模型有效性研究为题揭开了电力系 统动态仿真可信度研究序幕。电力科研工作者对该文献中提到的问题极为关注。美 国电力研究院的a d a p a 博士在关于加强电 力系统可靠性措施的建议中 第七条提到: “ 研究确定仿真模型中设备参数的标准方法和手段” 。北美电力可靠性委员会 第一章 绪沦 映的可信度降低。 因此，建立完全精确的负荷模型是不现实的，也是不可能的。负荷模型的精度 由它的应用目的一电力系统动态仿真确定。它的有效性由负荷模型和全网动态仿真 共同确定，因此它是仿真可信度研究中最困难的部分。这是电力系统动态仿真可信 度研究的特点之四。 电力系统动态仿真可信度研究的依据包括两类，一是电力系统故障或人工扰动 中记录下来的动态数据;一是元件模型、参数测量时录下的元件响应数据。能够引 起电力系统动态过程的故障很少，而且电力系统的特点决定不能随便在系统上做实 验，所以电力系统的实测扰动数据很少。但电力系统本身却异常复杂。在样本很少 的情况下评估电力系统动态仿真可信度非常困难。出于元件安全的考虑，参数实测 一般都是离线测量，元件不带负载运行，而且扰动很小。元件运行状态与故障时 一 差 异较大。因此，元件模型、参数实测的数据必须考察其有效性。如何充分利用有限 的实测数据完成电力系统动态仿真可信度评估?这是电力系统动态仿真可信度研 究的特点之五。 从上面的分析可以看出，电力系统动态仿真可信度研究与其他仿真系统可信度 研究差别很大。武器仿真系统可信度研究的成果很难直接用于电力系统动态仿真可 信度研究。电力系统动态仿真可信度研究的特点同时也是难点，电力系统动态仿真 可信度研究必须根据自 身的特点，开发适合于自 身的可信度研究方法。 1 . 2 国内外研究现状 1 . 2 . 1 电力工程界的进展 电力系统规模庞大、结构复杂，在准确的同步数据装置出现之前，电力系统动 态行为无法观测，电力系统动态仿真可信度验证也就无从谈起。大多数相关研究集 中在单个孤立设备的模型有效性研究 巨 。 近年来， 随着 g p s 技术和现代通信技术的 发展，出现了广域测量系统 wa ms ) ， 用于观测、控制电力系统的动态行为。上个 世纪 9 0年代，为了应对电力市场给电力系统运行方式带来的冲击，在美国能源部 ( d o e )的支持下，美国西部电力系统 ( ws c c )安装了广域测量系统2 6 1 1 9 9 9 年美国b p a公司发布了使用未经评估、 校验的ws c c仿真数据库对 1 9 9 6 年 8 月 1 0日大停电事故重现的结果，表明现有的仿真数据库不能重现w a ms记录 的系统失稳现象【 川 。 这是一篇跨时代的文献， 以 模型有效性研究为题揭开了电力系 统动态仿真可信度研究序幕。电力科研工作者对该文献中提到的问题极为关注。美 国电力研究院的a d a p a 博士在关于加强电 力系统可靠性措施的建议中 第七条提到: “ 研究确定仿真模型中设备参数的标准方法和手段” 。北美电力可靠性委员会 第一章 绪沦 映的可信度降低。 因此，建立完全精确的负荷模型是不现实的，也是不可能的。负荷模型的精度 由它的应用目的一电力系统动态仿真确定。它的有效性由负荷模型和全网动态仿真 共同确定，因此它是仿真可信度研究中最困难的部分。这是电力系统动态仿真可信 度研究的特点之四。 电力系统动态仿真可信度研究的依据包括两类，一是电力系统故障或人工扰动 中记录下来的动态数据;一是元件模型、参数测量时录下的元件响应数据。能够引 起电力系统动态过程的故障很少，而且电力系统的特点决定不能随便在系统上做实 验，所以电力系统的实测扰动数据很少。但电力系统本身却异常复杂。在样本很少 的情况下评估电力系统动态仿真可信度非常困难。出于元件安全的考虑，参数实测 一般都是离线测量，元件不带负载运行，而且扰动很小。元件运行状态与故障时 一 差 异较大。因此，元件模型、参数实测的数据必须考察其有效性。如何充分利用有限 的实测数据完成电力系统动态仿真可信度评估?这是电力系统动态仿真可信度研 究的特点之五。 从上面的分析可以看出，电力系统动态仿真可信度研究与其他仿真系统可信度 研究差别很大。武器仿真系统可信度研究的成果很难直接用于电力系统动态仿真可 信度研究。电力系统动态仿真可信度研究的特点同时也是难点，电力系统动态仿真 可信度研究必须根据自 身的特点，开发适合于自 身的可信度研究方法。 1 . 2 国内外研究现状 1 . 2 . 1 电力工程界的进展 电力系统规模庞大、结构复杂，在准确的同步数据装置出现之前，电力系统动 态行为无法观测，电力系统动态仿真可信度验证也就无从谈起。大多数相关研究集 中在单个孤立设备的模型有效性研究 巨 。 近年来， 随着 g p s 技术和现代通信技术的 发展，出现了广域测量系统 wa ms ) ， 用于观测、控制电力系统的动态行为。上个 世纪 9 0年代，为了应对电力市场给电力系统运行方式带来的冲击，在美国能源部 ( d o e )的支持下，美国西部电力系统 ( ws c c )安装了广域测量系统2 6 1 1 9 9 9 年美国b p a公司发布了使用未经评估、 校验的ws c c仿真数据库对 1 9 9 6 年 8 月 1 0日大停电事故重现的结果，表明现有的仿真数据库不能重现w a ms记录 的系统失稳现象【 川 。 这是一篇跨时代的文献， 以 模型有效性研究为题揭开了电力系 统动态仿真可信度研究序幕。电力科研工作者对该文献中提到的问题极为关注。美 国电力研究院的a d a p a 博士在关于加强电 力系统可靠性措施的建议中 第七条提到: “ 研究确定仿真模型中设备参数的标准方法和手段” 。北美电力可靠性委员会 华北电力大学博十学位论文 ( n e r c ) 在2 0 0 3 年大停电 事故后强调要进一步安装同步数据测量设 备， 通过仿真 结果与实际系统响应的比较，进一步提高电力系统模型、参数的准确性，确保仿真 能够正确反映电力系统的动态特性。 美国能源部 ( d o e ) 、北美电力可靠性委员会 ( n e r c ) , we c c等机构对电网 动态模型的有效性十分关注，分别成立了专门的机构来负责校正电网动态模型。北 美电力可靠性委员会在 1 9 9 7 年指定的扰动数据监测标准中明确提出: “ 电网动态监 测系 统应该为电网 仿真模型 校正提 供足够的 数据n 2 7 2 8 。 b 队 ( 美国 邦维尔电力 工 业局)与p n n l( 西北太平洋国家实验室) 合作开发了d s i t o o l b o x( 动态系统辨识 工具箱) 。它是一个动态系统辨识工具与动态数据记录分析工具。核心功能包括: 1 .从系统动态响应数据中估计模型特征 ( 如频率、阻尼、模式等) ; 2 . 辨识系统线性降阶模型; 3 辨识系统中部分或元件的指定参数: we c c的 d i s t u r b a n c e m o n i t o r i n g w o r k g r o u p( 扰动观a 4 =作组) ，mo d e l i n g 利用扰动与仿真数据直接比较来校正模型; 3 .基于单个或多个扰动数据的灵活的辨识算法; 4 基于p s s j e ，利用测量数据，提供自 动的模型校正; 第一章 绪论 5 .扩展记录时间，为辨识所有参数提供足够的数据 6 . 对需要大扰动才能辨识的参数的辨识。 近年来，在国家电网公司的指导下，各大电网公司都在进行四大参数的实测工 作，目的是提高电力系统动态仿真的可信度。2 0 0 4 年 3月，2 0 0 5 年 3月，在国家 电网公司的组织下， 某大区电网做了两次 5 0 0 k v线路三相金属接地的试验。 这种大 扰动试验在世界上尚属首次。该次试验取得大量第一手数据，为电力系统动态仿真 模型验证、提高仿真精度提供了重要的资料 【川。 1 . 2 . 2由为系统动态仿真可信度国内外研究现状 电力系统动态仿真可信度研究是个崭新的课题。以前电力系统动态仿真校验大 多指某一元件的模型校验，很少学者研究整个电力系统仿真可信度。因此国内外相 关文献很少，而且大多是针对某个扰动或者实验进行的研究工作。有些专家对电力 系统动态仿真可信度的问题十分重视，指出这方面研究的框架和构想 12 1 文献【 3 8 讨论利用轨迹灵敏度理论研究模型参数的灵敏度，并选择灵敏度较大 的参数进行参数估计。 该方法的前提是电力系统动态仿真模型、 参数的偏差比较小， 采用线性化轨迹灵敏度理论挑选灵敏度高的参数，然后利用实测扰动数据进行参数 估计。该方法应用的前提比 较苛刻，难以 实用化。文献 1 1 对通过分析 1 9 9 6年事 故后仿真结果，修改之后，仿真结果与实测数据基本相符。但是，这些修改缺乏坚 实的 理论 基础 众多专家对该修改 提出了 质 疑， 而且通过修改 其他仿真 模型同 样可 以使仿真结果与实测数据基本相符。这种情况大大降低了修改的可信度和通用性。 文献 3 4 通过系统扰动试验，对调速器模型做了校验，指出原有的调速器模型不能 正确描述实际系统的特性，提出了新的更加符合实际的调速器模型。文献 3 6 应 用扩展等面积准则( e e a c )， 定量地研究了发电机定子电压方程和转矩方程中转速的 简化处理对暂态稳定性的影响。结果表明， 上述简化在采用次暂态发电机模型时可 能导致较大偏差， 提出了在暂态计算中处理转速因素的建议文献 3 7 从经典换流 理论出发， 分析了准稳态模型与经典换流器模型( 经典模型) 之间的矛盾， 并针对不 同强度的交流系统， 利用仿真的方法， 对准稳态模型的有效性进行了 验证。仿真结 果表明: 如果换流站交流母线装设有完善的滤波装置， 则多桥换流器中各个换流桥 之间可以认为是解祸的， 因此， 利用准稳态模型计算能够达到工程要求。 针对整个电力系统动态仿真可信度的系统化理论 研究十分缺乏。贺仁睦教授曾 就工作中的 体会提出了一些初步看法 1 2 ，并在这个基础上进行了 探索性的 研究。 从 上 述文献综述可以看出，电力系统动态仿真可信度研究大多处于起步阶段， 相关文献很少，大多数研究局限于某个细节，或者是缺乏坚实理论基础。这些方法 第一章 绪论 5 .扩展记录时间，为辨识所有参数提供足够的数据 6 . 对需要大扰动才能辨识的参数的辨识。 近年来，在国家电网公司的指导下，各大电网公司都在进行四大参数的实测工 作，目的是提高电力系统动态仿真的可信度。2 0 0 4 年 3月，2 0 0 5 年 3月，在国家 电网公司的组织下， 某大区电网做了两次 5 0 0 k v线路三相金属接地的试验。 这种大 扰动试验在世界上尚属首次。该次试验取得大量第一手数据，为电力系统动态仿真 模型验证、提高仿真精度提供了重要的资料 【川。 1 . 2 . 2由为系统动态仿真可信度国内外研究现状 电力系统动态仿真可信度研究是个崭新的课题。以前电力系统动态仿真校验大 多指某一元件的模型校验，很少学者研究整个电力系统仿真可信度。因此国内外相 关文献很少，而且大多是针对某个扰动或者实验进行的研究工作。有些专家对电力 系统动态仿真可信度的问题十分重视，指出这方面研究的框架和构想 12 1 文献【 3 8 讨论利用轨迹灵敏度理论研究模型参数的灵敏度，并选择灵敏度较大 的参数进行参数估计。 该方法的前提是电力系统动态仿真模型、 参数的偏差比较小， 采用线性化轨迹灵敏度理论挑选灵敏度高的参数，然后利用实测扰动数据进行参数 估计。该方法应用的前提比 较苛刻，难以 实用化。文献 1 1 对通过分析 1 9 9 6年事 故后仿真结果，修改之后，仿真结果与实测数据基本相符。但是，这些修改缺乏坚 实的 理论 基础 众多专家对该修改 提出了 质 疑， 而且通过修改 其他仿真 模型同 样可 以使仿真结果与实测数据基本相符。这种情况大大降