一种基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法，步骤包括：负荷参数误差指标的建立、系统主导校准区域识别、系统主导校准区域内待校准负荷的两阶段分类、主导校准区域内各类负荷的统一校准以及基于多扰动场景的负荷模型校准。该广域电力系统负荷模型校准方法最终得到的负荷模型参数可以准确、可靠的模拟广域系统区域负荷，校准结果可以根据不同需求应用于电力系统的设计、规划、运行等领域，将显著提高相关的计算精度和预测准确度，提高系统安全性和经济性。
【专利说明】
一种基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种广域电力系统负荷模型校准方法，尤其是一种基于校准导航的广 域电力系统负荷模型校准方法。
【背景技术】
[0002] 由于不能随意改变实际系统的工况并施加扰动，故电力系统规划和运行研究都离 不开数字仿真。然而，实际工程中多次发现仿真结果无法重现真实的动态过程，仿真的不准 确将导致据此制定的决策不安全或不经济。模型是造成仿真误差的主要因素，其有效性评 估及校准是电力系统重要的基础性工作。为了使仿真模型及时跟踪系统的增建和调整，需 要定期进行系统模型的校准。系统运行中的随机扰动为模型校准提供了很好的契机。系统 模型能够成为实际广域系统镜像的充要条件是二者在所有激励下均能获得完全相同的动 态响应，其研究必须基于系统的整体动态信息。广域测量系统(WAMS)为广域电力系统模型 的评估和校准提供了参照信息基础。将WAMS采集的实际系统响应曲线作为比较的标准，建 立仿真与实测轨迹间的差异度评估指标，用作模型校准的目标函数。广域电力系统负荷数 目繁多，因此，在大规模系统仿真过程中负荷节点一般是负荷、变压器、电源、补偿装置等的 聚合，另外，考虑到负荷自身的分散和时变性，仿真系统中负荷模型较系统其它元件更加不 可信。若能根据随机扰动评估负荷模型的有效性，并及时校准无效负荷模型，则可对电力系 统的规划、设计和运行提供更为准确的参考，提高系统设计和运行安排的安全性和经济性， 具有重大的工程使用价值。
[0003] 广域电力系统节点众多，在以往的广域系统负荷模型有效性评估中，利用单一的 局部响应信号反映系统模型特性，且直接基于响应轨迹本身或其几何外形特征建立有效性 评估指标，模型校准过程中，一般将系统负荷按自身特征分类，各类负荷采用相同模型参 数，进行全系统负荷的统一参数校准。此方法无法全面反应广域系统负荷模型的总体特征， 且其指标在系统负荷参数位于稳定域边界处不满足连续性，将引起后续负荷模型校准的误 判。并且此方法在负荷模型较准过程中没有考察空间不同负荷节点对响应的影响程度，将 模型误差影响结果均摊到空间所有负荷节点，既不利于模型的准确校准，也使待校准参数 有较高的维数，降低了校准的计算效率。利用负荷自身特征分类可以在一定程度上减少部 分待校准参数，但没有考虑到负荷因其空间分布的不同所引起的各自响应结果的对消，无 法避免相应的模型校准误差。因此以往的广域系统负荷模型有效性评估及校准方法并不具 有足够高的工程实用价值。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是现有方法无法全面反应广域系统负荷模型的总体特 征，或者没有考虑到各负荷节点因空间分布的不同对响应影响程度的差异及各自响应结果 的对消，无法避免相应的模型校准误差。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于校准导航的广域电力系统负荷模 型校准方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，负荷参数误差指标的建立，由WAMS广域量测和数值积分分别得到当前同一 扰动Disr(r = l，2, ···，!〇下系统的实测轨迹和仿真响应，采用扩展等面积准则确定系统实 测轨迹的系统主导模式，并计算该系统主导模式下实际系统和仿真系统各摆的功角稳定裕 度，再按照式(1)计算参数误差D为：
[0008]式（1)中，ηΜι和nsi分别为系统主导模式下实测轨迹和仿真轨迹第1摆的功角稳定 裕度，N=min{NM，Ns}，NM和Ns分别为功角在观察窗口内实测轨迹和仿真轨迹的总摆次，如果 D>误差阈值ε，则进入步骤2启动负荷模型校准，否则等待下一次扰动数据重复步骤1;
[0009]步骤2,系统主导校准区域识别，计算仿真系统在系统主导模式下的功角稳定裕度 为私=}，再按照式⑵计算系统主导模式下功角稳定裕度关于节点负荷 参数or/的参数灵敏度为：
[0011]式⑵中表示系统第j( j = l，2，···，n)个负荷节点的第i(i = l，2，···，m)个模型 参数，Δα/为节点负荷参数的摄动量，η为系统所有待校准的负荷节点个数，m为每个负荷 节点上所含模型参数个数，其中第i个负荷模型参数为cu，再计算系统主导模式下功角稳定 裕度关于各负荷模型参数cu的灵敏度绝对值的空间分布，并将该空间分布作为负荷模型参 数cu在系统主导模式下的校准导航C/V?，为：
[0013]再计算系统主导模式下功角稳定裕度关于各节点的负荷模型参数〇1的灵敏度符 号的空间分布，并将该空间分布作为系统主导模式下负荷模型参数cu在各节点上的稳定特 征(^为：
[0015] 设定关于负荷模型参数〇1的主导校准节点比例Θ,，对中各元素按从大到小依 次排列，取前抓个节点为关于负荷模型参数 αι的主导校准节点集合，由所有m个负荷模型参 数〇1(1 = 1，2，···，!!!)对应的主导校准节点集合构成系统主导校准区域；
[0016] 步骤3,系统主导校准区域内待校准负荷的两阶段分类，遍历所有m个负荷模型参 数^，得到满足式(6)使校准导航.取最大值 CNmax的参数，并定义该参数为系统指示参数 cis，CNmax的计算公式为：
[0018]再利用系统指示参数<^的稳定特征，按稳定特征中各负荷节点的正负将 系统主导校准区域的负荷节点分为两类，再根据负荷节点的用电性质构成比例心，并利用模 糊c均值聚类算法分别对两类负荷节点再次分类，得到系统主导校准区域内总的负荷分类数 目为c，第ck(ck=i，2, · · ·，c)类负荷为Load-areaCk = ， 其中0?为属于第Ck类的负荷个数，为第Ck类负荷中的第^个负荷；
[0019]步骤4,主导校准区域内各类负荷的统一校准，系统非主导校准区域的各负荷模型 无需校核，系统主导校准区域内同一类负荷的所有负荷节点设为相同的模型参数，再统一 校准c类负荷节点上的模型参数，设第Ck类负荷节点上需要校准的个模型参数以向量
，则系统所需校准的总参数
，再用 式（1)作为参数校准的目标函数，再以预设的参数值作为校准的初始值，利用梯度下降法计 算得到min(D)对应的参数向量集合PpCig, '~，α.%，为参数校准结果；
[0020] 步骤5,基于多扰动场景的负荷模型校准，持续记录系统扰动轨迹，利用每个扰动 下的测量数据，重复步骤1-4,分别获得各扰动下对应系统主导校准区域的负荷模型校准结 果，更新至仿真系统数据库，随着扰动记录的不断累积，校准并更新整个系统负荷模型。
[0021] 采用系统全局功角轨迹计算的主导模式下功角稳定裕度反映广域系统负荷模型 响应特征，可以反映全部广域系统负荷的影响，使WAMS的全局测量得到充分利用;稳定裕度 在参数稳定域边界处的连续性质，使据此建立的目标函数能够正确指导负荷参数校准；以 主导模式下功角稳定裕度关于各节点负荷参数的灵敏度作为广域电力系统负荷模型的校 准导航，用其区分系统负荷模型的主导校准区域和负荷节点的稳定特征，模型校准过程仅 针对主导校准区域的负荷展开，大大降低了广域系统负荷模型校准对象的维数，屏蔽了非 主导校准区域的参数影响，提高模型校准精度;在主导校准区域中根据各负荷节点的稳定 特征和用电性质构成比例进行两阶段分类，同一类负荷节点用相同的模型参数进行统一校 准，如此进一步减少负荷模型待校准参数，提高广域电力系统负荷模型校准的效率和精度。
[0022] 作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，将〇\^中主导校准节点的对应位置处 元素置1，其余元素为非主导节点，的对应位置处元素置0,得到关于负荷模型参数〇1的 主导节点标志序列，系统的主导节点标志序列DBS由各负荷模型参数cu的主导节点 标志序列0??的或运算得到。经过的计算，每个负荷模型参数αι都其有对应的主导 校准节点集合，各参数的主导校准节点集合一般不会完全相同，由各参数对应的主导节点 标志序列的或运算得到的系统的主导节点标志序列DBS可以充分计及每个节点上所有负荷 参数对系统响应的影响。
[0023] 作为本发明的进一步限定方案，步骤3中，用电性质构成比例Xj = (Xji，Xj2，Xj3, Xj4)，其中Xjl、Xj2、Xj3和Xj4分别表示第j个负荷节点上工业、商业、农业以及其它负荷所占的 用电比重。
[0024] 作为本发明的进一步限定方案，步骤3中，按稳定特征中各负荷节点的正负将 系统主导校准区域的负荷分为两类分别为:在一类负荷节点上，系统主导模式下稳定裕度 ns关于此类节点指示参数as的偏导数均为非负值;在另一类负荷节点上，系统主导模式下稳 定裕度ns关于该类节点指示参数~的偏导数均为负值。
[0025] 本发明的有益效果在于：（1)采用系统全局功角轨迹计算的主导模式下功角稳定 裕度反映广域系统负荷模型响应特征，可以反映全部广域系统负荷的影响，使WAM S的全局 测量得到充分利用；（2)稳定裕度在参数稳定域边界处的连续性质，使据此建立的目标函数 能够正确指导负荷参数校准；（3)以主导模式下功角稳定裕度关于各节点负荷参数的灵敏 度作为广域电力系统负荷模型的校准导航，用其区分系统负荷模型的主导校准区域和负荷 节点的稳定特征，模型校准过程仅针对主导校准区域的负荷展开，大大降低了广域系统负 荷模型校准对象的维数，屏蔽了非主导校准区域的参数影响，提高模型校准精度；（4)在主 导校准区域中根据各负荷节点的稳定特征和用电性质构成比例进行两阶段分类，同一类负 荷节点用相同的模型参数进行统一校准，如此进一步减少负荷模型待校准参数，提高广域 电力系统负荷模型校准的效率和精度。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明提出的基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法结合 附图详细说明【具体实施方式】。
[0028] 如图1所示，本发明的基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法具体包括 以下步骤：
[0029] 步骤1，负荷参数误差指标的建立，由WAMS广域量测和数值积分分别得到同一扰动 Disr(r = l，2, ···，!〇下系统的实测轨迹和仿真响应，采用扩展等面积准则确定系统实测轨 迹的主导模式，并计算该主导模式下实际系统和仿真系统各摆的功角稳定裕度，按照式（1) 计算模型参数误差D，设置误差阈值ε，如果D>e，则启动负荷模型校准进入步骤2;否则，等待 下一次扰动数据重复步骤1;
[0031] 式（1)中，ito和nsi分别为实测轨迹主导模式下实测轨迹和仿真轨迹第1摆的功角 稳定裕度;N=min{Nm，NS}，Nm和Ns分别为功角在观察窗口内实测和仿真轨迹的总摆次；
[0032] 步骤2,系统主导校准区域识别，计算电力系统仿真系统在实测轨迹主导模式下的 功角稳定裕度％=111111{^1,%2，...,％?^}，摄动第」（」=1，2，一，11)个节点负荷参数<2/，按照 式(2)计算系统主导模式下功角稳定裕度关于该参数的灵敏度，用主导模式下功角稳定裕 度关于各节点的负荷模型参数^的灵敏度绝对值的空间分布作为参数在该模式下的校准 导航_€^7%(Calibration Navigator)，如式(3)所示；用主导模式下功角稳定裕度关于各节 点的负荷模型参数CU的灵敏度符号的空间分布作为该模式下参数在各节点上的稳定特征 (Characteristic of Stability)，如式（4)所不；
[0036] 其中，tf/表示系统第j (j = 1，2，…，η)个负荷节点的第i (i = 1，2，…，m)个模型参 数，为节点负荷参数α/的摄动量，η为系统所有待校准的负荷节点个数，m为每个负荷节 点上所含模型参数的个数，其中第i个负荷模型参数为α 1;
[0037] 根据OV^jpCS^.可以分别判断出主导模式下系统各节点的负荷模型参数αι对系 统动态影响大小和方向的空间分布，适当选取关于负荷模型参数~的主导校准节点比例Θ,， 取中各元素最大的前ηθ,个节点为关于负荷模型参数 〇1的主导校准节点，将CN的对应 位置处元素置1，其余元素为非主导节点，CN的对应位置处元素置0,得到关于负荷模型参数 cii的主导节点标志(Dominant Buses Symbol)序列；
[0038] 系统的主导节点标志序列DBS由各参数主导节点标志序列的或运算得到，如果系 统共有m个待校准参数(Ql，...，c〇,则系统的主导节点标志序列如式(5)所示；
[0040] 为了提高计算效率，通过控制Θ,的取值，将系统的主导校准区域规模限制在一定 范围内，DBS中将存在较多零值；
[0041] 步骤3,主导校准区内待校准负荷的两阶段分类，遍历所有m个待校准参数，得到满 足式(6)使校准导航取最大值CNmax的参数，定义其为系统指示参数a s;
[0043] 利用系统指示参数的稳定特征，按中各负荷节点的正负将系统主导校准 区域的负荷分为两类，利用模糊C均值聚类算法分别在各类负荷区中进一步根据负荷节点 的用电性质构成比例乂』=^142 43士4)进行分类，其中1』1士2 43七4分别表示第」个负 荷点上工业、商业、农业及其它负荷所占的用电比重，得到系统主导校准区内总的负荷分类 数目为c，第ck(ck=i，2, · · ·，c)类负荷为Load-…，}， 其中为属于第Ck类的负荷个数，为第Ck类负荷中的第^1^个负荷；
[0044] 步骤4,主导校准区域内各类负荷的统一校准，系统非主导校准区域的各负荷模型 无需校核，仍保持为步骤1中仿真系统的参数值，系统主导校准区域内同一类负荷的所有负 荷节点设为相同的模型参数，统一校准C类负荷节点的模型参数，设第ck类负荷节点需要校 准1^个参数以向量表示为a ek = ；)，则系统所需校准的总参
，再用式（1)作为参数校准的目标函数，再以预设的参数典型值作为校准的初 始值，利用梯度下降法计算得到min(D)对应的参数向量集合！α 2, · ·α fck，· 为参数校准结果；
[0045] 步骤5，基于多扰动场景的负荷模型校准，如KR，导入下一组扰动测量数据，重复 上述步骤1-4,在各扰动下校准对应主导校准区域的负荷模型参数，随着扰动记录的不断累 积，校准并更新整个系统负荷模型;如r 2 R，则负荷模型校准结束。
[0046] 本发明的技术特点及有益效果：用系统全局功角轨迹计算的主导模式下功角稳定 裕度反映广域系统负荷模型响应特征，可以反映全部广域系统负荷的影响，使WAM S的全局 测量得到充分利用；稳定裕度在参数稳定域边界处的连续性质，使据此建立的目标函数能 够正确指导负荷参数校准；以主导模式下功角稳定裕度关于各节点负荷参数的灵敏度作为 广域电力系统负荷模型的校准导航，用其区分系统负荷模型的主导校准区域和负荷节点的 稳定特征，模型校准过程仅针对主导校准区域的负荷展开，大大降低了广域系统负荷模型 校准对象的维数，屏蔽了非主导校准区域的参数影响，提高模型校准精度;在主导校准区域 中根据各负荷节点的稳定特征和用电性质构成比例进行两阶段分类，同一类负荷节点用相 同的模型参数进行统一校准，如此进一步减少负荷模型待校准参数，提高广域电力系统负 荷模型校准的效率和精度。基于多扰动场景逐步对广域系统的负荷模型校准，最终得到的 负荷模型参数可以准确、可靠的模拟广域系统区域负荷，校准结果可以根据不同需求应用 于电力系统的设计、规划、运行等领域，将显著提高相关的计算精度和预测准确度，提高系 统安全性和经济性。
【主权项】
1. 一种基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，负荷参数误差指标的建立，由WAMS广域量测和数值积分分别得到当前同一扰动 Disr(r = l，2, ···，!〇下系统的实测轨迹和仿真响应，采用扩展等面积准则确定系统实测轨 迹的系统主导模式，并计算该系统主导模式下实际系统和仿真系统各摆的功角稳定裕度， 再按照式（1)计算参数误差D为：(1) 式（1)中，ηΜι和nsi分别为系统主导模式下实测轨迹和仿真轨迹第1摆的功角稳定裕度，N =min{NM，Ns}，Nm和Ns分别为功角在观察窗口内实测轨迹和仿真轨迹的总摆次，如果D>误差 阈值ε，则进入步骤2启动负荷模型校准，否则等待下一次扰动数据重复步骤1; 步骤2,系统主导校准区域识别，计算仿真系统在系统主导模式下的功角稳定裕度为 //v = }，再按照式⑵计算系统主导t旲式下功角稳定裕度关于节点负荷参 数ft/的参数灵敏度为：(2) 式(2)中，表示系统第j( j = l，2，···，η)个负荷节点的第i(i = l，2，···，m)个模型参数， Δα/为节点负荷参数α/的摄动量，η为系统所有待校准的负荷节点个数，m为每个负荷节点 上所含模型参数个数，其中第i个负荷模型参数为，再计算系统主导模式下功角稳定裕度 关于各负荷模型参数cu的灵敏度绝对值的空间分布，并将该空间分布作为负荷模型参数^ 在系统主导模式下的校准导航(3) 再计算系统主导模式下功角稳定裕度关于各节点的负荷模型参数~的灵敏度符号的空 间分布，并将该空间分布作为系统主导模式下负荷模型参数^在各节点上的稳定特征 为：设定关于负荷模型参数^的主导校准节点比例Θ,，对中各元素按从大到小依次排 列，取前ηθ,个节点为关于负荷模型参数αι的主导校准节点集合，由所有m个负荷模型参数 〇1 (? = 1，2，···，π〇对应的主导校准节点集合构成系统主导校准区域； 步骤3,系统主导校准区域内待校准负荷的两阶段分类，遍历所有m个负荷模型参数αι， 得到满足式(6)使校准导航取最大值CNmax的参数，并定义该参数为系统指示参数as， CNmax的计算公式为： (6) 再利用系统指示参数as的稳定特征，按稳定特征中各负荷节点的正负将系统 主导校准区域的负荷节点分为两类，再根据负荷节点的用电性质构成比例h，并利用模糊C 均值聚类算法分别对两类负荷节点再次分类，得到系统丰导柃准冈域内总的负荷分类数目 为C，第Ck(Ck=l，2，. . .，C)类负荷）其中为属于第Ck类的负荷个数Λ为第Ck类负荷中的第0?个负荷； 步骤4,主导校准区域内各类负荷的统一校准，系统非主导校准区域的各负荷模型无需 校核，系统主导校准区域内同一类负荷的所有负荷节点设为相同的模型参数，再统一校准C 类负荷节点上的模型参数，设第ck类负荷节点上需要校准的个模型参数以向量表示为，则系统所需校准的总参数为Σ?2%，再用式（ 1) 作为参数校准的目标函数，再以预设的参数值作为校准的初始值，利用梯度下降法计算得 到min(D)对应的参数向量集合为参数校准结果； 步骤5,基于多扰动场景的负荷模型校准，持续记录系统扰动轨迹，利用每个扰动下的 测量数据，重复步骤1-4,分别获得各扰动下对应系统主导校准区域的负荷模型校准结果， 更新至仿真系统数据库，随着扰动记录的不断累积，校准并更新整个系统负荷模型。2. 根据权利要求1所述的基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法，其特征在 于，步骤2中，将CA^中主导校准节点的对应位置处元素置1，其余元素为非主导节点，CA^ 的对应位置处元素置0,得到关于负荷模型参数^的主导节点标志序列系统的主 导节点标志序列DBS由各负荷模型参数cu的主导节点标志序列^&^^的或运算得到。3. 根据权利要求1或2所述的基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法，其特征 在于，步骤3中，用电性质构成比例乂」=^142士3 44)，其中1』1七2七3和1』4分别表示第」 个负荷节点上工业、商业、农业以及其它负荷所占的用电比重。4. 根据权利要求1或2所述的基于校准导航的广域电力系统负荷模型校准方法，其特征 在于，步骤3中，按稳定特征<^^中各负荷节点的正负将系统主导校准区域的负荷分为两类 分别为:在一类负荷节点上，系统主导模式下稳定裕度ns关于此类节点指示参数as的偏导数 均为非负值;在另一类负荷节点上，系统主导模式下稳定裕度ns关于该类节点指示参数as的 偏导数均为负值。
【文档编号】G06F17/50GK105868514SQ201610353531
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】郝丽丽, 邵如平, 谈怡君
【申请人】南京工业大学