一种电力系统厂站端的负荷参数辨识装置及其方法与流程

本发明属于电力系统动态监测技术领域，特别是涉及一种电力系统厂站端的负荷参数辨识装置及其方法。

背景技术：

电力系统模型对电力系统运行仿真分析计算至关重要，其负荷参数的建模在电力系统模型的应用中起着关键性作用。选择不同的负荷模型与参数，对电力系统仿真分析中的动态响应结果存在着差异，甚至影响电力系统稳定性的判别。分析不同的电力系统稳定问题，对负荷模型的要求也是不同的，必须根据负荷模型的应用目的以及相应问题对负荷模型的具体要求，来建立符合实际负荷位置、成分、结构等条件的不同负荷模型，以保证仿真分析的准确性。

近年来各国研究者在负荷建模方面开展了一系列卓有成效的工作，并且应用在了工程实际中。然而，现有的负荷模型辨识工作中仍然存在着如下一系列的问题有待解决。首先，是对负荷模型时变性的跟踪问题。与负荷预测相类似，负荷模型的时变性同样体现在短期的不同时段并随着时间推移而产生的变化等。在现有的负荷建模方法中，统计综合法是采用间隔周期的方法来跟踪负荷模型频率较低的时变性特性，其工作量较大；总体测辨法是基于故障后响应展开的，能否进行负荷模型总体测辨需要依赖于故障是否存在，而且总体测辨法对负荷模型时变性的跟踪也不够理想，能否开展负荷辨识不可以人为选择而是需要依赖于故障的存在。其次，是对负荷模型多样性的模型描述问题。负荷模型辨识中所采用的模型结构主要用感应电动机来描述动负荷的特性，而用多项式模型或者幂指数模型来描述静负荷的特性。然而，随着近年来智能电网技术的飞速发展，新能源、储能、电动汽车等新型用电设备大规模接入电网中，分布式发电与各种储能装置的大规模普及使得很难再像传统电力系统中能够明确区分出哪个节点是完全的负荷节点，负荷为主导的母线下面也会接入一定的分布式发电或储能装置。此外，随着电力电子设备的大规模普及，以变频空调为代表的电力电子类负荷在电力负荷中所占的比重也越来越大，动负荷的特性难以用感应电动机来完全描述，需要引入新的模型结构来进行处理。最后，即使仅仅考虑完全由感应电动机与静负荷所组成的负荷模型结构，现有的研究中也没有考虑在相同模型结构下不同参数所导致的多样性问题以及经过传输电抗之后的多样性负荷的聚合问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电力系统厂站端的负荷参数辨识装置及其方法，通过实测信号，可实现站端实测同步相量数据，并进行主导负荷参数的在线辨识。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电力系统厂站端的负荷参数辨识装置，其特征在于：其包括第一数据采集模块、第二数据采集模块、逻辑计算模块和功能管理模块；所述第一数据采集模块用于对实时采集的电力系统厂站端电网的电压和电流信号进行离散采样，得到电压、电流信号的原始采样值并发送到所述逻辑计算模块；所述第二数据采集模块用于对实时采集的电力系统厂站端电网的开入信号转换为数字信号并发送到所述逻辑计算模块；所述逻辑计算模块根据接收到的电压、电流原始采样值和开入信号进行相量计算和负荷参数辨识，并将相量计算结果和负荷参数辨识结果发送到所述功能管理模块；所述功能管理模块对接收到的相量计算结果和负荷参数辨识结果进行实时显示和存储，并上传到调度主站。

所述第一数据采集模块包括交流输入模块、电压/电流转换模块、第一adc模块和第二adc模块；所述交流输入模块用于实时采集电力系统厂站端的电流和电压信号，发送到所述电压/电流转换模块；所述电压/电流转换模块对接收到的电压和电流信号进行滤波转换，并将转换后的电压信号发送到所述第一adc模块，将转换后的电流信号发送到所述第二adc模块；所述第一adc模块和第二adc模块分别对接收到的电压信号和电流信号进行模数转换和采样，并将初始值采样结果发送到所述逻辑计算模块。

所述第二数据采集模块包括开入信号检测模块和微控制单元模块，所述开入信号检测模块实时测量电网的开入状态信息，并发送到所述微控制单元模块；所述微控制单元模块对接收到的开入状态信息进行防抖和判别后将其转换为数字信号，并发送到所述逻辑计算模块。

所述逻辑计算模块包括fpga模块、第一dsp模块和第二dsp模块；所述fpga根据输入的电压电流信号，进行组包及数据同步，并发送到所述第一dsp模块和第二dsp模块；所述第一dsp模块根据输入的同步的电压电流信号进行相量计算，计算得到的相量数据转发至所述第二dsp模块；所述第二dsp模块通过接收到的相量数据进行负荷参数辨识，并将负荷参数辨识结果发送到功能管理模块。

所述功能管理模块包括cpu、人机接口模块、通信模块和数据存储模块；所述cpu接收到所述第一dsp模块和第二dsp模块发送的数据后，分别将计算的相量计算结果和负荷参数辨识结果发送到所述人机接口模块、数据存储模块和通信模块；所述人机接口模块实时显示相量计算结果和负荷参数辨识结果；所述数据存储模块用于存储相量计算结果和负荷参数辨识结果；所述通信模块用于将cpu发送的相量计算结果和负荷参数辨识结果上传到调度主站。

一种电力系统厂站端的负荷参数辨识方法，其特征在于包括以下步骤：1)实时采集电网二次回路的电压和电流信号，并对得到的电压、电流信号进行转换滤波后进行离散采样，得到电压、电流信号的原始采样值；2)实时采集电网二次回路的开入状态信息，并对得到的开入状态信息进行防抖和判别后转换为数字信号，得到线路开关的分合状态信息用于人机界面的显示；3)根据电压、电流信号的原始采样值进行相量计算和负荷参数辨识，得到相量计算结果和负荷参数辨识结果；4)将步骤2)中的开关状态信息、步骤3)中得到的相量数据和负荷参数辨识结果，通过人机界面进行显示，并上传到调度主站。

所述步骤3)中，进行相量计算和负荷参数辨识的方法，包括以下步骤：3.1)根据电压、电流信号的原始采样值进行实时相量计算，得到电压、电流的相量数据，包括三相基波电压和电流的相量数据以及正序、负序、零序电压和电流的相量数据；3.2)根据步骤3.1)得到的电压、电流的相量数据进行系统扰动判别，得到符合扰动判别条件的电压、电流的相量数据；3.3)根据得到的符合扰动判别条件的电压、电流信号的相量数据进行负荷参数辨识计算，得到负荷参数辨识结果。

所述步骤3.2)中，扰动判别方法包括以下步骤：

3.2.1)根据预设的电流突变量定值判断当前输入的各相电流是否发生突变，判别公式为：

||iφ(t)|-|iφ(t-60ms)||＞id，

式中，id为电流突变量定值，|iφ(t)|为电流t时刻的有效值，|iφ(t-60ms)|为电流60ms前时刻的有效值；

3.2.2)根据预设的零序电流突变量定值判断当前的零序电流是否发生突变，判别公式为：

||i0(t)|-|i0(t-60ms)||＞i0d，

式中，i0d为零序电流突变量定值，|i0(t)|为零序电流t时刻的有效值，|i0(t-60ms)为零序电流60ms前时刻的有效值；

3.2.3)根据预设的电压突变量定值，判断当前的输入各相电压信号是否发生突变，判别公式为：

||uφ(t)|-|uφ(t-60ms)||＞ud，

式中，ud为电压突变量定值，|uφ(t)|为相电压t时刻的有效值，|uφ(t-60ms)|为相电压60ms前时刻的有效值；

3.2.4)根据预设的零序电压突变定值，判断当前的零序电压是否发生突变，判别公式为：

||u0(t)|-|u0(t-60ms)||＞u0d，

式中，u0d为零序电压突变量定值，|u0(t)|为零序电压t时刻的有效值，|u0(t-60ms)为零序电压60ms前时刻的有效值。

所述步骤3.3)中，负荷参数辨识的方法包括以下步骤：

3.3.1)提取相同时间段的符合扰动判别条件的电压、电流的相量数据，并根据电压和电流的幅值计算得到有功功率和无功功率；

3.3.2)根据步骤3.3.1)中的相量数据设定负荷参数取值范围，进而确定搜索空间，随机生成每个粒子的初始位置以及速度，创建目标函数，计算得到各粒子第0代位置的最优极值和全局最优值；

各粒子的初始位置和速度的计算公式分别为：

第0代各粒子的最优位置和全局最优粒子位置的计算公式分别为：

其中，i＝1,2,...,n为粒子数量，j＝1,2,...,d为参数的维度，为第i个粒子第j个参数的初始位置，为第i个粒子第j个参数的初始速度，rand(0,1)生成0-1之间的一个随机数，为第j个参数的最大值，为第j个参数的最小值，为第j个参数最大的移动速度，为第j个参数最小的移动速度，为第i个粒子在第0代的最优位置，bestx⁰为所有粒子在第0代的最优位置，para(.)为根据目标函数求取位置向量的函数，f(.)为目标函数即为有功功率与无功功率的预测值(p_p,q_p)与实际测量值(p,q)之间的偏差平方和，对于n个功率量测点，目标函数表示为：

3.3.3)基于前一代的各粒子的最优粒子位置和全局最优粒子的位置，得到当前代各粒子的速度：

式中，为第i个粒子第g+1代的速度，ω为惯性因子，c1和c2分别为加速常数，为第i个粒子在g次迭代中取得最优值时的位置，bestx^g为所有粒子在g次迭代中取得最优值时的位置；

3.3.4)根据当前代各粒子的速度更新当前代各粒子的位置，得到当前代各粒子的位置，即

式中，为第i个粒子在g+1代的位置；

3.3.5)根据当前代各粒子的位置和速度，更新得到当前代各粒子的最优粒子位置和全局最优粒子位置，即

式中，为第i个粒子在g+1次迭代中取得最优值时的位置，bestx^g+1为所有粒子在g+1次迭代中取得最优值时的位置；

3.3.6)重复3.3.3)到3.3.5)，直至满足所设定的迭代次数，根据各次迭代中所有粒子的最优位置，选择目标函数值最小的一组参数作为最终的负荷参数辨识结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用两数据采集模块对电网二次回路进行实时测量，并根据实时测量数据进行相量计算并完成负荷参数辨识，能够快速针对实时量测数据进行响应计算，解决了对负荷模型时变性的跟踪问题。2、本发明提出了通过计算相量方式进行负荷参数辨识，并通过硬件装置实现的应用方式，有效提高了计算效率。3、本发明提出了针对负荷参数辨识计算的扰动判别方法，能够根据负荷量测需求设定扰动参数，适用范围更广。

附图说明

图1是本发明负荷辨识装置硬件拓扑示意图；

图2是本发明负荷辨识装置的逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明提出的一种电力系统厂站端的负荷参数辨识装置，包括第一数据采集模块、第二数据采集模块、逻辑计算模块和功能管理模块。第一数据采集模块用于对实时采集的电力系统厂站端电网的电压和电流信号进行离散采样，得到电压、电流信号的原始采样值并发送到逻辑计算模块；第二数据采集模块用于对实时采集的电力系统厂站端电网的开入信号转换为数字信号并发送到逻辑计算模块；逻辑计算模块根据接收到的电压、电流原始采样值和开入信号进行相量计算和负荷参数辨识，并将相量计算结果和负荷参数辨识结果发送到功能管理模块；功能管理模块对接收到的相量计算结果和负荷参数辨识结果进行实时显示和存储，并上传到调度主站。

第一数据采集模块包括交流输入模块、电压/电流转换模块、第一adc模块和第二adc模块。交流输入模块用于实时采集电力系统厂站端电网的电流和电压信号，发送到电压/电流转换模块；电压/电流转换模块对接收到的电压和电流信号进行滤波转换，并将转换后的电压信号发送到第一adc模块，将转换后的电流信号发送到第二adc模块；第一adc模块和第二adc模块分别对接收到的电压信号和电流信号进行模数转换和采样，并将初始值采样结果发送到逻辑计算模块。

第二数据采集模块包括开入信号检测模块和mcu(微控制单元)模块，开入信号检测模块实时采集电力系统厂站端电网的开入状态信息，并发送到mcu模块；mcu模块对接收到的开入状态信息进行防抖和判别后将其转换为数字信号，并发送到功能模块。

逻辑计算模块包括fpga模块、第一dsp模块和第二dsp模块。fpga根据输入的电压电流信号，进行组包及数据同步，并发送到第一dsp模块和第二dsp模块。第一dsp模块根据输入的同步的电压电流信号进行相量计算；计算得到的相量数据转发至第二dsp模块，第二dsp模块通过接收到的相量数据进行负荷参数辨识。

功能管理模块包括cpu、人机接口模块、通信模块和数据存储模块。cpu接收到第一dsp模块和第二dsp模块发送的数据后，分别将计算的相量数据和负荷参数辨识结果发送到人机接口模块、数据存储模块和通信模块；人机接口模块实时显示相量数据和负荷参数辨识结果；数据存储模块用于存储相量数据和负荷参数辨识结果；通信模块用于将cpu发送的相量数据和负荷参数辨识结果上传到调度主站。

上述实施例中，交流输入模块为一或两个。每一交流输入模块都能够采集12路电压和12路电流信号，两个交流输入模块最多支持8个间隔的信号采集。

如图2所示，基于上述电力系统厂站端的负荷参数辨识装置，本发明还提供一种电力系统厂站端的负荷参数辨识方法，包括以下步骤：

1)实时采集电网二次回路的电压和电流信号，并对得到的电压、电流信号进行转换滤波后进行离散采样，得到电压、电流信号的原始采样值。

2)实时采集电网二次回路的开入状态信息，并对得到的开入状态信息进行防抖和判别后转换为数字信号，得到线路开关的分合状态信息。

3)根据电压、电流信号的原始采样值进行相量计算和负荷参数辨识，得到相量计算结果和负荷参数辨识结果。

进行相量计算和负荷模型参数辨识的计算方法，包括以下步骤：

3.1)根据电压、电流信号的原始采样值进行实时相量计算，得到电压、电流的相量数据。

根据电压、电流信号的原始采样值进行相量计算，得到其计算幅值和相角度，包括三相基波电压和基波电流的相量、以及正序、负序、零序的电压相量和电流相量数据。假设实测的模拟信号为：则其对应的相量形式为其中v为幅值，为相角。当实测模拟信号v(t)的最大值出现在秒脉冲时，相量的相角为0度；当实测模拟信号v(t)正向过零点与秒脉冲同步时，相量的相角为-90度。当相量的幅值v不变时，相量的相角与实测模拟信号的频率之间的关系为：dφ/dt＝2π(f-f0)f0＝50hz；当实测模拟信号的频率等于50hz时，计算的相角不变；当实测模拟信号的频率大于50hz时，相角会逐渐增大；当实测模拟信号的频率小于50hz时，相角会逐渐减小。引入外部秒脉冲时钟信号，用来统一数据时标的一致性，以对应实测数据的断面节点。

3.2)根据得到的电压、电流相量数据进行系统扰动判别，得到符合扰动判别条件的电压、电流相量数据。

根据得到的电压、电流的幅值和相角相量数据进行系统扰动状态判别时，判别条件包括相电流突变、零序电流突变、相电压突变和零序电压突变，具体的判别方法包括以下步骤：

3.2.1)根据预设的电流突变量定值判断当前输入的各相电流是否发生突变，判别公式为：

||iφ(t)|-|iφ(t-60ms)||＞id(1)

式中，id为电流突变量定值，|iφ(t)|为电流t时刻的有效值，|iφ(t-60ms)|为电流60ms前时刻的有效值。

3.2.2)根据预设的零序电流突变量定值判断当前的零序电流是否发生突变，判别公式为：

||i0(t)|-|i0(t-60ms)||＞i0d(2)

式中，i0d为零序电流突变量定值，|i0(t)|为零序电流t时刻的有效值，|i0(t-60ms)|为零序电流60ms前时刻的有效值。

3.2.3)根据预设的电压突变量定值，判断当前的输入各相电压信号是否发生突变，判别公式为：

||uφ(t)|-|uφ(t-60ms)||＞ud(3)

式中，ud为电压突变量定值，|uφ(t)|为相电压t时刻的有效值，|uφ(t-60ms)|为相电压60ms前时刻的有效值。

3.2.4)根据预设的零序电压突变定值，判断当前的零序电压是否发生突变，判别公式为：

||u0(t)|-|u0(t-60ms)||＞u0d(4)

式中，u0d为零序电压突变量定值，|u0(t)|为零序电压t时刻的有效值，|u0(t-60ms)|为零序电压60ms前时刻的有效值。

3.3)根据得到的符合扰动判别条件的电压、电流的相量数据进行负荷参数辨识计算，得到负荷参数辨识结果。

本发明通过差分进化优化算法，对有功功率、无功功率的预测值与量测值之间的偏差进行优化，目标函数计算从电压幅值、电压相角、有功功率、无功功率四个量测值中求解出感应电动机当前时刻的状态变量数值，并且利用待优化的负荷模型参数求解下一时刻的负荷模型状态变量预测值，进而计算下一时刻负荷模型有功功率、无功功率两个输出变量的预测值进而与实际量测值之间进行比较计算偏差。差分进化优化利用前面计算得到的目标函数，通过改变负荷模型参数的数值，对目标函数的数值进行优化，得到使得目标函数达到最小值的一组负荷模型参数作为负荷模型参数辨识的结果。具体的，包括以下步骤：

3.3.1)提取相同时间段的符合扰动判别条件的电压、电流的相量数据，并根据电压和电流的幅值计算得到有功功率p和无功功率q。

3.3.2)根据步骤3.3.1)中的相量数据设定负荷参数取值范围，进而确定搜索空间，随机生成每个粒子的初始位置以及速度，创建目标函数，计算得到各粒子第0代位置的最优极值和全局最优值。

各粒子的初始位置和速度的计算公式分别为：

第0代各粒子的最优位置和全局最优粒子位置的计算公式分别为：

其中，i＝1,2,...,n为粒子数量，j＝1,2,...,d为参数的维度，为第i个粒子第j个参数的初始位置，为第i个粒子第j个参数的初始速度，rand(0,1)生成0-1之间的一个随机数，为第j个参数的最大值，为第j个参数的最小值，为第j个参数最大的移动速度，为第j个参数最小的移动速度，为第i个粒子在第0代的最优位置，bestx⁰为所有粒子在第0代的最优位置，para(.)为根据目标函数求取位置向量的函数，f(.)为目标函数即为有功功率与无功功率的预测值(p_p,q_p)与实际测量值(p,q)之间的偏差平方和，对于n个功率量测点，目标函数表示为：

3.3.3)基于前一代的各粒子的最优粒子位置和全局最优粒子的位置，得到当前代各粒子的速度，即

式中，为第i个粒子第g+1代的速度，ω为惯性因子，c1和c2分别为加速常数，为第i个粒子在g次迭代中取得最优值时的位置，bestx^g为所有粒子在g次迭代中取得最优值时的位置。

3.3.4)根据当前代各粒子的速度更新当前代各粒子的位置，得到当前代各粒子的位置，即

式中，为第i个粒子在g+1代的位置。

3.3.5)根据当前代各粒子的位置和速度，更新得到当前代各粒子的最优粒子位置和全局最优粒子位置，即

式中，为第i个粒子在g+1次迭代中取得最优值时的位置，bestx^g+1为所有粒子在g+1次迭代中取得最优值时的位置。

3.3.6)重复3.3.3)到3.3.5)，直至满足所设定的迭代次数，根据各次迭代中所有粒子的最优位置，选择目标函数值最小的一组参数作为最终的负荷参数辨识结果。

4)将步骤2)中的开关状态信息、步骤3)中得到的相量数据和负荷参数辨识结果，通过人机界面进行显示，并上传到调度主站。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。