一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，该方法包括如下步骤：(1)对同步发电机励磁系统进行空载阶跃响应试验，获取试验输出信号；(2)搭建励磁系统仿真模型，确立标幺化导则约束；(3)修改仿真模型的系统模型参数；(4)对仿真模型施加与试验相同的激励信号，获取仿真输出信号；(5)计算试验输出信号和仿真输出信号的各性能指标的标幺化误差，分别判断每个性能指标的标幺化误差是否均满足标幺化导则约束，若是则执行步骤(6)，否则返回步骤(3)；(6)根据各性能指标的标幺化误差对系统模型参数进行优化，获取优化的最优模型参数并输出。与现有技术相比，本发明利于获取励磁系统模型参数的最优解。
【专利说明】
一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种模型参数辨识方法，尤其是涉及一种同步发电机励磁系统模型参 数辨识优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着电网规模的日益扩大及大量波动性可再生能源的并网，对电力系统仿真计算 的准确性提出了更高的要求。当前电力系统仿真计算中一般采用标准化的励磁系统模型， 通过提高励磁系统模型参数精确度以保证电力系统仿真计算的准确性已成为共识。
[0003] 调研结果表明，目前励磁系统模型参数辨识方法以仿真波形与实际波形的相似度 作为判断标准，通过不断调整励磁系统模型参数对实际波形进行拟合，最终通过人工判断 选择拟合效果较好且各项误差指标符合标准要求的系统参数作为辨识结果。但研究者认 为，传统的励磁系统模型参数辨识方法存在过于粗放、不便于获取最优解的局限性，影响了 励磁系统仿真计算的准确性，其辨识结果的精确度有待进一步提升。
[0004] 当前励磁系统模型参数辨识的过程如下：第一步，对停机发电机施加给定空载电 压阶跃试验(阶跃量不应使调节器进入限幅区域），获取机端阶跃响应电压数据;第二步，搭 建励磁系统仿真模型给定系统参数，并分别计算实测曲线与仿真曲线的阶跃响应指标;第 三步，判断仿真与实测的偏差允许值是否在《DL/T 1167-2012同步发电机励磁系统建模导 则》（以下简称《导则》)规定的允许范围内，若在，则输出系统参数，辨识过程结束;否则返回 修改系统参数，重复第二步的操作。
[0005] 实际操作中，当选定的参数调整到符合标准规定的误差时，即认为该组参数已能 代表机组的实际参数，但该组参数可能只是解集簇中的一个解，不一定是最优解，可能存在 另一组参数可以使仿真误差更小。
[0006] 根据自动控制原理的有关知识，阶跃响应指标主要包括上升时间、超调量、调节时 间、稳定时间、振荡次数等。《导则》规定必须校验的阶跃响应指标包含上升时间、峰值时间、 超调量等。其中，上升时间T up是指从起始时间到被控量的变化值初次达到90 %阶跃量的时 间，峰值时间TP是指从起始时间到被控量的变化值达到最大值的时间，超调量^是指被控量 的最大值与最终稳态值之差相对于阶跃量的百分数。
[0007] 以角标R代表实测值，角标I代表仿真值，计算仿真与实测的偏差值^，其中i = 1， 2，3分别代表上升时间、峰值时间、超调量：
[0009] 其偏差允许值如表1所示。
[0010] 表1励磁系统仿真与实测的偏差允许值
[0012] 可见，理论上峰值时间、上升时间、超调量三项误差指标越接近零，模型参数越优。 但实际辨识过程表明，上述三项指标互相制约、互相耦合，例如超调量在一定程度上受上升 时间的影响，上升时间越小，越容易出现超调。在寻优操作中，需要对三项误差指标进行综 合比较和平衡。一般采用的方法是将三项误差指标的和作为判定准则，然而由表1可知，三 项误差指标的量纲和数量级都有着一定的差距，且在数值上有着正负值的区别，无法直接 进行求和操作，不利于获取励磁系统模型参数的最优解。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步发电机励 磁系统模型参数辨识优化方法。
[0014] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0015] -种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，该方法包括如下步骤：
[0016] (1)对同步发电机励磁系统进行空载阶跃响应试验，获取试验输出信号Yr;
[0017 ] (2)搭建励磁系统仿真模型，确立标幺化导则约束J;
[0018] (3)修改仿真模型的系统模型参数ΘΙ;
[0019] (4)对仿真模型施加与试验相同的激励信号，获取仿真输出信号ΥΙ;
[0020] (5)计算试验输出信号YR和仿真输出信号心的各性能指标的标幺化误差，分别判断 第i个性能指标的标幺化误差ε，是否满足标幺化导则约束J，若是则执行步骤(6)，否则返回 步骤(3);
[0021] (6)根据各性能指标的标么化误差对系统模型参数0:进行优化，获取优化的最优 模型参数并输出。
[0022] 所述的性能指标的标幺化误差包括上升时间的标幺化误差、峰值时间的标幺化误 差和超调量的标么化误差。
[0023] 步骤(5)中标幺化误差εΛ十算方式如下：
[0024] (501)求取各性能指标的误差值h，i = 1，2，3，其中ει为上升时间误差值，ε2为峰值 时间误差值，ε3为超调量误差值：
[0026]其中，TupR为试验输出信号的峰值时间，TpR为试验输出信号的峰值时间，MpR为试验 输出信号的超调量，TupI为仿真输出信号的峰值时间，TPI为仿真输出信号的峰值时间，M PI为 仿真输出信号的超调量；
[0027] (502)对各性能指标的误差值￡ i进行标幺化处理：
[0031 ]其中，ε，为对应的各性能指标的标幺化误差，elb为各性能指标的标幺基值，i = 1， 2,3〇
[0032] 所述的步骤(6)采用根据各性能指标的标么化误差对系统模型参数01进行优化具 体为：
[0033] (601)确定各性能指标的标么化误差的优先级权重，记第i个性能指标的标么化误 差优先级权重为Wi;
[0034] (602)根据各性能指标的标么化误差的优先级权重计算各性能指标的标么化误差 的标么化加权均值εΛ
[0035] (603)判断标幺化加权均值ε/是否达到设定的最小值若是则相应的系统模 型参数9:为最优模型参数并输出，否则返回步骤(3)。
[0036] 各性能指标的标么化误差的优先级权重按照对应的性能指标的优先排序进行确 定，且满足：
[0038]其中，η为性能指标的总个数。
[0039]步骤(602)标幺化加权均值ε/计算公式为：
[0041 ]其中，η为性能指标的总个数。
[0042] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0043] (1)本发明提出了励磁系统性能误差指标的标么化误差计算方法，通过标么化将 励磁系统性能误差指标的尺度范围缩放在同一数量级下，消除了不同量纲及正负值的影 响，有利于获取励磁系统模型参数辨识的最优解；
[0044] (2)本发明进行参数优化时结合输出信号各性能指标优先级权重I，从而对于不 同的同步发电机励磁系统可以根据需要进行设定，从而可以准确获取励磁系统模型参数的 最优解，为提升励磁系统建模仿真的准确性奠定基础。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法的流程图；
[0046] 图2为实施例中励磁系统模型框图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0048] 实施例
[0049] 如图1所示，一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，该方法包括以下步 骤：
[0050] 步骤1:进行现场同步发电机励磁系统的空载阶跃响应试验，获取试验输出信号 Yr，执行步骤2。
[0051] 步骤2:搭建励磁系统仿真模型尬，根据电力系统调度的要求确定输出信号各性能 指标优先级权重，从而得到各性能指标的标么化误差的优先级权重，记第i个性能指标的标 幺化误差优先级权重为1，通过《导则》标准确立标幺化导则约束J，标幺化导则约束J为具 体的数值范围，输出信号的性能指标包括输出信号的上升时间、峰值时间和超调量，各性能 指标的标么化误差的优先级权重按照对应的性能指标的优先排序进行确定，且满足：
[0053]其中，η为性能指标的总个数;继续执行步骤3。
[0054]步骤3:修改仿真模型的系统模型参数01，执行步骤4。
[0055] 步骤4:对仿真模型施加与试验相同的激励信号，获取仿真输出信号Υ:，执行步骤 5〇
[0056] 步骤5:计算试验输出信号YR和仿真输出信号￥:的各性能指标的标么化误差，判断 第i个性能指标的标么化误差ε，是否满足标么化导则约束J，若是则执行步骤6,否则返回步 骤3。
[0057] 步骤6:根据各性能指标优先级权重计算各性能指标的标么化误差的标么化加权 均值ε/，执行步骤7。
[0058] 步骤7:判断标幺化加权均值ε/是否达到设定的最小值ewmin'若是则执行步骤8， 否则返回步骤3。
[0059] 步骤8:相应的系统模型参数0:为最优模型参数，将该系统模型参数Θ:输出。
[0060] 标么值是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，具有简化计算、没有 量纲、易于比较等优点。本发明应用《导则》中规定的误差指标，建立了励磁系统性能误差指 标的标么化规则，具体计算方法如下：
[0061 ]设各性能指标的误差值为εi，i = 1，2，3，其中ε i为上升时间误差值，ε2为峰值时间 误差值，ε3为超调量误差值。选取《导则》规定的误差范围临界值作为各性能指标的标幺基 值￡^，对误差指标进行标么化去量纲处理，并取其绝对值得到励磁系统性能误差指标的标 幺值 εΛ具体地：
[0062] (a)求取各性能指标的误差值h，i = 1，2，3，其中ει为上升时间误差值，￡2为峰值时 间误差值，ε3为超调量误差值：
[0064]其中，TupR为试验输出信号的峰值时间，TpR为试验输出信号的峰值时间，MpR为试验 输出信号的超调量，TupI为仿真输出信号的峰值时间，TPI为仿真输出信号的峰值时间，M PI为 仿真输出信号的超调量；
[0065] (b)对各性能指标的误差值￡ i进行标么化处理：
[0069]其中，ε，为对应的各性能指标的标幺化误差，elb为各性能指标的标幺基值，i = l， 2,3〇
[0070]进行标么化处理后，励磁系统仿真与实测的偏差允许标么值如表2所示。
[0071]表2励磁系统仿真与实测的偏差允许标幺值
[0073] 励磁系统阶跃响应指标的误差反映了励磁系统模型参数的误差。励磁系统模型参 数辨识优化算法以上升时间、峰值时间、超调量三项误差指标的标么值作为计算对象，通过 数学分析得到最优解约束条件，进而在符合导则约束的解集簇中选择出最优解。
[0074] 本发明选择优先级排序模型来确定最优解约束条件。基于多属性决策的需求优先 级排序是一项重要的思想，能够在有限资源的情况下确保重要的紧迫的需求得以优先实 现，在项目开发、目标优化、风险评估等方面有着广泛的应用。其原理是:判断各属性对最终 决策结果产生的影响，并根据影响的重要程度对属性进行排序;在制定决策时，优先满足优 先级较高的属性。统计学认为，在计算若干个数量的平均数等指标时，为了考虑到每个数量 在总量中所具有的重要性不同可以给予不同的权重，故本发明采用加权的思想反映在数学 模型上，优先级越高，权值越大。励磁系统模型参数辨识的优先级排序模型的元素如表3所 不。
[0075] 表3励磁系统模型参数辨识的优先级排序模型
[0077]根据优先级排序的模型，提出励磁系统模型参数辨识优化方法，思路是:针对电力 系统各类运行工况差异化的调节要求，若某一性能误差指标在当前运行工况下更为重要， 则指定该指标作为优先评估指标，并赋予该指标较大的权重。对三项性能误差指标进行加 权求和计算，加权均值处于最小值时对应的系统参数即为当前运行工况下的最优解。其数 学模型如下。
[0078]设励磁系统模型真实参数为0R，当励磁系统模型仿真参数为，各项评估指标的 仿真值与真实值之间的误差为^，其中i = l，2,3分别代表上升时间、峰值时间、超调量。每 一组0:均可计算得到相对应的￡1，8卩￡1是01的函数：
[0079] ei = F(0i)
[0080] ει$首先应该满足《导则》标准规定的允许范围。根据基于标幺化规则的励磁系统性 能误差指标的数学模型，误差指标应满足：
[0081] ei*e[0,l]
[0082] 然后在符合导则约束的解集中进行寻优操作。设定各项指标的优先权重为1，其 中i = 1，2，3分别代表上升时间、峰值时间、超调量。Wi值位于0和1之间，且Wi值越大，代表该 项指标具有越高的优先级。根据加权的相关理论，三项^值的和为1。计算各性能指标误差 值的标么化加权均值 <，计算公式为：
[0084]其中，η为性能指标的总个数。
[0085]以上述方程作为最优解判定函数，寻找判定函数达到最小值时的系统模型参 数
[0087]此时得到的仿真参数0_最接近实际参数0R，即为相应优先级权重下的最优解。 [0088]本发明以某发电机组励磁系统空载阶跃响应试验为例，考虑三项指标等价最优运 行工况，应用提出的参数辨识优化方法进行励磁系统模型的参数辨识。首先在MATLAB/ Simulink中搭建励磁系统仿真模型，进行励磁系统空载电压阶跃仿真;再依据传统BPA校核 的流程，搭建单机无穷大系统，完成潮流计算和负荷切除扰动试验的校核。该发电机组选取 交流无刷励磁机作为励磁功率源，采用Alstom励磁控制器进行励磁调节，其励磁系统模型 框图如图2所示，图中al为阶跃输入信号，a2为控制环节，采用PID控制器，a3为放大单元，a4 为励磁单元，a5为发电机模型单元，a6为输出单元，a7为励磁稳定反馈单元，a8为测量单元。 系统模型待辨识参数为控制环节PID参数，实际上该模型中的控制环节采用的是PI控制器 上述四种运行工况最优解约束的优先级权重取值如表4所示。
[0089]表4最优解约束的优先级权重
[0091]励磁系统模型参数辨识结果如表5所示，误差指标及其标么值如表6所示。可知，仿 真实测对比曲线均具有一定的形状相似性，对应运行工况的调节要求，其调节效果具有不 同的倾向性；由表1、表2和表6可知四组辨识结果均符合《导则》标准规定的误差范围，在不 涉及到综合评估时，是否进行指标标么化的计算并不影响判断结果;但需要进行综合评估 时，标么化后的误差指标处在同一数量级下，消除了不同量纲的影响，实现了对三项误差指 标的综合考虑。
[0092]表5励磁系统模型参数辨识结果
[0094]表6励磁系统模型参数误差指标及其标幺值
[0096] 按四种运行工况导则约束进行加权均值计算的结果如表7为所示。表7为不同判定 准则下误差指标加权均值。
[0097] 表7不同判定准则下误差指标加权均值
[0099]由表7可知，在同一导则约束下，当特定的运行工况和对应的导则约束相互匹配 时，通过该组辨识参数计算出的指标误差加权均值最小，即应用优化辨识算法得到的系统 参数在指定约束条件下的精确性最高。
【主权项】
1. 一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在于，该方法包括如下步 骤： (1) 对同步发电机励磁系统进行空载阶跃响应试验，获取试验输出信号化； (2) 搭建励磁系统仿真模型，确立标么化导则约束J; (3) 修改仿真模型的系统模型参数θι; (4) 对仿真模型施加与试验相同的激励信号，获取仿真输出信号Υι; (5) 计算试验输出信号化和仿真输出信号Υι的各性能指标的标么化误差，分别判断第i 个性能指标的标么化误差61^是否满足标么化导则约束1，若是则执行步骤(6)，否则返回步 骤(3); (6) 根据各性能指标的标么化误差对系统模型参数θι进行优化，获取优化的最优模型参 数并输出。2. 根据权利要求1所述的一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在 于，所述的性能指标的标么化误差包括上升时间的标么化误差、峰值时间的标么化误差和 超调量的标么化误差。3. 根据权利要求1所述的一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在 于，步骤(5)中标么化误差ει气十算方式如下： (501) 求取各性能指标的误差值61，1 = 1，2,3，其中61为上升时间误差值，62为峰值时间 误差值，63为超调量误差值：其中，TupR为试验输出信号的峰值时间，TpR为试验输出信号的峰值时间，MpR为试验输出 信号的超调量，Tupl为仿真输出信号的峰值时间，Τρ?为仿真输出信号的峰值时间，Mpl为仿真 输出信号的超调量； (502) 对各性能指标的误差值ει进行标么化处理：其中，ει%对应的各性能指标的标么化误差，Eib为各性能指标的标么基值，i = l，2,3。4. 根据权利要求1所述的一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在 于，所述的步骤(6)采用根据各性能指标的标么化误差对系统模型参数θι进行优化具体为： (601) 确定各性能指标的标么化误差的优先级权重，记第i个性能指标的标么化误差优 先级权重为Wi; (602) 根据各性能指标的标么化误差的优先级权重计算各性能指标的标么化误差的标 么化加权均值εΛ (603) 判断标么化加权均值ε/是否达到设定的最小值ε^ιΛ若是则相应的系统模型参 数9i为最优模型参数并输出，否则返回步骤(3)。5. 根据权利要求4所述的一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在 于，各性能指标的标么化误差的优先级权重按照对应的性能指标的优先排序进行确定，且 满足： 其中，η为性能指标的总个数。6. 根据权利要求4所述的一种同步发电机励磁系统模型参数辨识优化方法，其特征在 于，步骤(602)标么化加权均值ε/计算公式为： 其中，η为性能指标的总个数。
【文档编号】G06Q50/06GK106097157SQ201610583686
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月22日 公开号201610583686.0, CN 106097157 A, CN 106097157A, CN 201610583686, CN-A-106097157, CN106097157 A, CN106097157A, CN201610583686, CN201610583686.0
【发明人】沈小军, 李梧桐, 乔冠伦
【申请人】同济大学