一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法
【专利摘要】本发明提供一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法，该方法根据研究区域的直流与交流线路耦合度，选择被控对象；确定被控对象的交直流混联系统中的接入端口的数据关系；在交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，得到系统模型辨识的基础数据；并根据基础数据，对交直流混联系统进行辨识。本发明提出的方法有效解决了交直流系统过度简化的弊端，并将交直流系统简化进行系统辨识，为考虑直流系统特性的系统模型辨识提供了有效的方法；病为交直流协调控制提供了可靠的模型辨识方法；本发明有效提升了交直流协调控制效率，提高了电网运行稳定水平。
【专利说明】
一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统稳定控制领域，具体涉及一种用于交直流协调控制的系统模 型辨识方法。
【背景技术】
[0002] 交直流混联已成为电力系统中最为重要的输电形式之一。在交直流电网协调控制 设计中，由于难以获得系统的状态方程，通常采用控制参数"穷举法"，并结合系统仿真或小 干扰稳定分析方法，确定能够阻尼系统某种振荡模式的控制器参数。控制器设计方法大多 依赖于精确的数学模型，当系统规模较大难以获得其数学模型时，通常采用系统辨识技术， 通过适当的实验手段测试出系统的某种响应信息，有了系统的某种响应特性数据，就可以 根据它来获得系统的数学模型。
[0003] 目前已有模型辨识方法是将直流附加控制器之外的交直流系统进行整体辨识，即 将附加控制器之外的交直流系统一并简化，进行单输入单输出系统辨识，忽略了直流系统 的动态特性，严重影响了交直流协调控制效果，而考虑直流系统影响后辨识技术复杂程度 大大增加。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供的一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法，该方法 有效解决了交直流系统过度简化的弊端，并将交直流系统简化进行系统辨识，为考虑直流 系统特性的系统模型辨识提供了有效的方法;病为交直流协调控制提供了可靠的模型辨识 方法;本发明有效提升了交直流协调控制效率，提高了电网运行稳定水平。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法，所述方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1.根据研究区域的直流与交流线路耦合度，选择被控对象；
[0008] 步骤2.确定所述被控对象的所述交直流混联系统中的接入端口的数据关系；
[0009] 步骤3.在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，得到所述系统模型辨 识的基础数据；
[0010] 步骤4.根据所述基础数据，对所述交直流混联系统进行辨识。
[0011] 优选的，所述步骤2包括：
[0012] 在所述交直流混联系统中，直流系统相对交流系统的接入端口包括整流端和逆变 端;则以直流功率为激励信号，确定所述整流端和逆变端的数据关系为：
[0013] PDC-R = PDC-I+PLine (1)
[0014] 式（1)中，PDC-R和Pdh分别为整流端换流母线和逆变端换流母线的直流输电功率； PLine为直流线路损耗，且在系统辨识时，将PLine用额定输电功率下的直流线路损耗代替。
[0015] 优选的，所述步骤3包括：
[0016] 3-1.在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息；
[0017] 3-2.根据测量得到的被控对象测量输出信号，对输入信号和输出信号进行采样， 得到输入数据及输出数据；
[0018] 3-3.将所述输入数据及输出数据作为所述系统模型辨识的基础数据。
[0019] 优选的，所述3-1包括：
[0020] 在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，即同时在直流两端换流站接 入点施加具有相同规律但幅值相差给定常数大小的一组激励输入信号Sign(t)，则有：
[0021]
(2)。
[0022]优选的，所述3-2包括：
[0023] a.测量得到的被控对象测量输出信号；
[0024] b.根据所述测量输出信号，对输入信号Sign(t)和输出信号Output(t)采样，得到 有对应关系的离散化输入数据及输出数据，BP:
[0025]
C3)
[0026] 式（3)中^
:为被控对象;N为采样个数;h为采 样步长;A为幅值矩阵；ω为角速度;f为相角。
[0027]优选的，所述步骤4包括：
[0028] 4-1.根据所述系统模型的所述基础数据，利用最小二乘法抽取所述输出信息的幅 值与相角；
[0029] 4-2.根据输入信号幅值与相角、所述输出信号幅值与相角信息，求取并辨识所述 系统模型。
[0030] 优选的，所述4-1包括：
[0031] c.获取所述系统模型的输入数据及输出数据，且所述输入与输出数据具有系统内 在特征关系；
[0032] d.采用最小二乘法对所述输出信息进行数据处理，抽取所需频段信号作为所述系
[0037] f.求得矩阵B: 统模型辨识的输出数据：将所沭输出数据OutDut (Nh)作为朴理对象F:
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0038]
[0039] 【为状态矩阵；Fi为系数矩
阵;F2为系数矩阵；
[0040] g.根据所述矩阵A和矩阵B，利用公另 ，分别得到系数&和&，获 得基频电压或电流信号的幅值和相角：
[0041 ]
(8)
[0042]式(8)中，Φ为角度；
[0043] h.根据&、0^1和匕得到所述输出数据的正弦特性函数7(〇:
[0044] y(t) =Asin ω tcos Φ+Asin Φ cos ω t = CiFi(t)+C2F2(t) (9)〇
[0045] 优选的，所述4-2包括：
[0046] 根据输入信号幅值与相角、所述输出信号幅值与相角信息，Matlab中deconv函数， 获得交直流系统的传递函数，得到所述系统模型。
[0047] 从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种用于交直流协调控制的系统模型 辨识方法，该方法根据研究区域的直流与交流线路耦合度，选择被控对象;确定被控对象 的交直流混联系统中的接入端口的数据关系;在交直流混联系统的两端施加多频段输入信 息，得到系统模型辨识的基础数据;并根据基础数据，对交直流混联系统进行辨识。本发明 提出的方法有效解决了交直流系统过度简化的弊端，并将交直流系统简化进行系统辨识， 为考虑直流系统特性的系统模型辨识提供了有效的方法;病为交直流协调控制提供了可靠 的模型辨识方法;本发明有效提升了交直流协调控制效率，提高了电网运行稳定水平。 [0048]与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
[0049] 1、本发明所提供的技术方案中，根据研究区域的直流与交流线路耦合度，选择被 控对象;确定被控对象的交直流混联系统中的接入端口的数据关系;在交直流混联系统的 两端施加多频段输入信息，得到系统模型辨识的基础数据;并根据基础数据，对交直流混联 系统进行辨识;有效解决了交直流系统过度简化的弊端，有效提升了交直流协调控制效率， 提高了电网运行稳定水平。
[0050] 2、本发明所提供的技术方案在目前原有系统辨识技术除单独考虑协调控制器设 计之外，将交直流系统简化进行系统辨识，忽略了直流系统的动态特性，此发明是先创，为 考虑直流系统特性的系统模型辨识提供了方法。
[0051] 3、本发明所提供的技术方案，根据直流系统整流侧与逆变侧的内在特性关系，对 输入信息进行处理，即可获得直流系统接入端口之外的交直流系统模型，为交直流协调控 制提供了可靠的模型辨识方法。
[0052] 4、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明的一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法的流程图；
[0054] 图2是本发明的辨识方法的步骤3的流程示意图；
[0055] 图3是本发明的辨识方法的步骤4的流程示意图；
[0056] 图4是本发明的一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法的具体应用例中的 的交直流混联系统简化示意图；
[0057] 图5是本发明的具体应用例中的输入输出比例与激励信号频率之间关系曲线图；
[0058] 图6是本发明的具体应用例中的交直流混联系统辨识系统与原系统响应对比曲线 图。
【具体实施方式】
[0059] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0060] 如图1所示，本发明提供一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法，包括如下 步骤：
[0061 ]步骤1.根据研究区域的直流与交流线路耦合度，选择被控对象；
[0062] 步骤2.确定被控对象的交直流混联系统中的接入端口的数据关系；
[0063] 步骤3.在交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，得到系统模型辨识的基础 数据；
[0064] 步骤4.根据基础数据，对交直流混联系统进行辨识。
[0065] 其中，步骤2包括：
[0066] 在交直流混联系统中，直流系统相对交流系统的接入端口包括整流端和逆变端； 则以直流功率为激励信号，确定整流端和逆变端的数据关系为：
[0067] Pdc-r = Pdc-i+PLine (I)
[0068] 式（1)中，Pdc-r和Pdh分别为整流端换流母线和逆变端换流母线的直流输电功率； PLine为直流线路损耗，且在系统辨识时，将Rine用额定输电功率下的直流线路损耗代替。
[0069] 如图2所示，步骤3包括：
[0070] 3-1.在交直流混联系统的两端施加多频段输入信息；
[0071] 3-2.根据测量得到的被控对象测量输出信号，对输入信号和输出信号进行采样， 得到输入数据及输出数据；
[0072] 3-3.将输入数据及输出数据作为系统模型辨识的基础数据。
[0073] 其中，3-1包括：
[0074] 在交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，即同时在直流两端换流站接入点 施加具有相同规律但幅值相差给定常数大小的一组激励输入信号Sign(t)，则有：
[0075](2>。
[0076] 其中，3-2包括：
[0077] a.测量得到的被控对象测量输出信号；
[0078] b.根据测量输出信号，对输入信号Sign(t)和输出信号Output(t)采样，得到有对 应关系的离散化输入数据及输出数据，BP:
[0079]
(3)
[0080]式（3川
t为被控对象;N为采样个数;h为采样步 长;A为幅值矩阵；ω为角速度;f为相角。
[0081] 如图3所示，步骤4包括：
[0082] 4-1.根据系统模型的基础数据，利用最小二乘法抽取输出信息的幅值与相角；
[0083] 4-2.根据输入信号幅值与相角、输出信号幅值与相角信息，求取并辨识系统模型。
[0084] 其中，4-1包括：
[0085] c.获取系统模型的输入数据及输出数据，且输入与输出数据具有系统内在特征关 系；
[0086] d.采用最小二乘法对输出信息进行数据处理，抽取所需频段信号作为系统模型辨 识的输出数据;将输出数据Output (Nh)作为处理对象F:
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] lC为状态矩阵；Fi为系数矩 阵;F2为系数矩阵；
[0094] g.根据矩阵A和矩阵B，利用公式C= (FTF F1FtX = A^1B，分别得到系数CjPC2，获得基 频电压或电流信号的幅值和相角：
[0095]
(8)
[0096] 式(8)中，Φ为角度；
[0097] h.根据&、(：2{1和?2，得到输出数据的正弦特性函数5^) :
[0098] y(t) =Asin ω t cos Φ+Asin Φ cos ω t = CiFi(t)+C2F2(t) (9)〇
[0099] 其中，4-2包括：
[0100] 根据输入信号幅值与相角、输出信号幅值与相角信息，Matlab中deconv函数，获得 交直流系统的传递函数，得到系统模型。
[0101] 如图4所示，本发明提供一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法的具体应 用例，具体包括如下步骤：
[0102] 以2015年全国电网中向家坝~上海特高压直流及川渝断面为对象说明本发明实 现方法。根据研究结果，向家坝~上海特高压直流与川渝断面洪沟~板桥交流线路耦合度 较大，选择该线路的有功功率作为被控对象，研究基于系统状态方程的交直流协调控制策 略，改善交直流混联大系统区域间振荡阻尼特性，提高系统安全稳定水平及输电能力。
[0103] 首先，将交直流并联系统协调控制定位于直流系统抑制区域间振荡带来的川渝断 面功率波动，小干扰及系统安全稳定研究表明，系统存在频率为〇 . 1~〇. 5Hz之间的区域振 荡模式。
[0104] 通过对系统施加振荡频率为0.1~0.5Hz的激励信号，并测量被控信号的输出响 应。洪沟~板桥500kV线路，因此选取该线路作为控制对象，并测量激励输入信号下的该线 路功率输出测量信号，进而获得一套输入一输出信息，对系统进行状态辨识。下表给出了输 入激励信号和输出测量滤波信号结果。
[0105] 衷1输入激府!信号和输出测量滤波信号列衷
[0108] 根据表1所示，在各个输入信号幅值基本相当的情况下，对应的洪沟~板桥线路在 不同振荡频率下的输电功率响应差异较大，其中〇. 3Hz附近频段对应的输出最大，较低或较 高频率的激励信号对应的输出响应明显变小。图5给出了不同频率激励信号对应的输出幅 值变化曲线。
[0109] 根据系统小干扰与基于时域的Prony分析可知，西南水电交直流并联送端川渝电 网与"三华"主网之间振荡模式对应的振荡频率为〇. 3Hz~0.35Hz，因而与上述计算结果吻 合;并且反证了通过调节直流输电功率可以抑制该振荡模式，提高系统阻尼。
[0110] 通过对系统施加上述频率的激励信号，通过前文辨识方法，可得出系统传递函数， 如下所示：
[0111]
[0112] 对辨识系统和实际系统分别施加0.2Hz的正弦扰动，比较系统仿真计算结果和辨 识系统输出结果，如图6所不。
[0113] 需要注意的是，图6中给出了 15秒之后的比较曲线，对于15秒之前的曲线，由于仿 真系统基于PSD-BPA，其具有初值，对于辨识系统，其无初始状态，在15秒之前处于仿真启动 状态，因而系统进入稳态振荡前，二者不具有比较性。比较结果表明：系统辨识得到的传递 函数可以在低频范围与实际系统频谱特性吻合。
[0114] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对 本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的【具体实施方式】 进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均 在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于交直流协调控制的系统模型辨识方法，其特征在于，所述方法包括如下步 骤： 步骤1.根据研究区域的直流与交流线路禪合度，选择被控对象； 步骤2.确定所述被控对象的所述交直流混联系统中的接入端口的数据关系； 步骤3.在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，得到所述系统模型辨识的 基础数据； 步骤4.根据所述基础数据，对所述交直流混联系统进行辨识。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括： 在所述交直流混联系统中，直流系统相对交流系统的接入端口包括整流端和逆变端； 则W直流功率为激励信号，确定所述整流端和逆变端的数据关系为： PdC-R = PoC-I+PLine ( 1 ) 式（1)中，PdC-R和PdC-I分别为整流端换流母线和逆变端换流母线的直流输电功率;PLine 为直流线路损耗，且在系统辨识时，将PLine用额定输电功率下的直流线路损耗代替。 3 .如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括： 3-1.在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息； 3-2.根据测量得到的被控对象测量输出信号，对输入信号和输出信号进行采样，得到 输入数据及输出数据； 3- 3.将所述输入数据及输出数据作为所述系统模型辨识的基础数据。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3-1包括： 在所述交直流混联系统的两端施加多频段输入信息，即同时在直流两端换流站接入点 施加具有相同规律但幅值相差给定常数大小的一组激励输入信号Sign(t)，则有：(2)。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述3-2包括： a. 测量得到的被控对象测量输出信号； b. 根据所述测量输出信号，对输入信号Sign(t)和输出信号Ou化ut(t)采样，得到有对 应关系的离散化输入数据及输出数据，即：(3) 式（3)中，t为被控对象;N为采样个数;h为采样步 长;A为幅值矩阵；ω为角速度;f为相角。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括： 4- 1.根据所述系统模型的所述基础数据，利用最小二乘法抽取所述输出信息的幅值与 相角； 4-2.根据输入信号幅值与相角、所述输出信号幅值与相角信息，求取并辨识所述系统 模型。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述4-1包括： C.获取所述系统模型的输入数据及输出数据，且所述输入与输出数据具有系统内在特 征关系； d.采用最小二乘法对所述输出信息进行数据处理，抽取所需频段信号作为所述系统模 型辨识的输出数据;将所述输出数据Ou化ut(化)作为处理对象F:式（7)中?为状态矩阵;Fi为系数矩阵;F2 为系数矩阵； g. 根据所述矩阵A和矩阵B，利用公式C=(FTFrVx二A^iB，分别得到系数。和〔2,获得基 频电压或电流信号的幅值和相角：(8) 式(8)中，Φ为角度； h. 根据Ci、C2、Fi和F2,得到所述输出数据的正弦特性函数y(t): y(t) = Asin ω tcos Φ +Asin Φ cos ω t = CiFi(t)+C2F2(t) (9)。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述4-2包括： 根据输入信号幅值与相角、所述输出信号幅值与相角信息，Matlab中deconv函数，获得 交直流系统的传递函数，得到所述系统模型。
【文档编号】G05B17/02GK105938325SQ201610206152
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】郭小江, 孙玉娇, 张玉红
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网浙江省电力公司