基于WAMS的電力系統(tǒng)動態(tài)模型驗證

1、基于WAMS的電力系統(tǒng)動態(tài)模型驗證Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望Model Validation o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系

2、統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望1問題提出的背景問題提出的背景o1996年美國的WSCC網(wǎng)發(fā)生了兩次系統(tǒng)事故，引起北美西部大面積停電。 1問題提出的背景問題提出的背景o 事故分析研究n 組織者美國電力科學研究院（EPRI） n 方案制定WSCC的發(fā)電機測試計劃（Generator Testing Program，GTP）n 目的獲得互聯(lián)電

3、力系統(tǒng)關(guān)鍵的模型和數(shù)據(jù)，以保證對其進行精確的仿真，對系統(tǒng)的運行工況進行精確的預報。n 仿真結(jié)果依據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)和模型的仿真結(jié)果與實際電力系統(tǒng)的物理過程相差甚遠，嚴重影響了電力系統(tǒng)安全性分析的準確性和可靠性1問題提出的背景問題提出的背景n采取的措施針對仿真結(jié)果和真實系統(tǒng)響應的差異，WSCC決定對仿真中使用的模型和數(shù)據(jù)進行驗證和校準。 o 靜態(tài)測試對操作發(fā)電機組和同步調(diào)相機的無功限制器進行驗證o 動態(tài)測試對發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和渦輪調(diào)速器進行模型驗證o 通過修改負荷模型和參數(shù)后，仍可仿真出電力系統(tǒng)失穩(wěn)的結(jié)果。n暴露出的問題動態(tài)模型的嚴重失真n意義WSCC對此進行的研究是電力系統(tǒng)動態(tài)仿真史

4、上的一個重要的里程碑里程碑，這是第一次第一次對電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的結(jié)果進行科學的校驗。 模型驗證的o 模型和參數(shù)是電力系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)o 電力系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真，電力系統(tǒng)動態(tài)分析與安全控制的基本工具 o 電力生產(chǎn)部門用于指導電網(wǎng)運行的基本依據(jù)o 安全自動裝置控制和恢復策略的基礎(chǔ)o 不恰當?shù)哪Ｐ秃蛥?shù)會使得計算結(jié)果與實際情況不相一致，或偏樂觀，或偏保守，從而構(gòu)成系統(tǒng)的潛在危險或造成不必要的浪費 o 長期以來由于缺乏現(xiàn)場測量得到具有統(tǒng)一時標的全網(wǎng)動態(tài)響應數(shù)據(jù)，而使電力系統(tǒng)的動態(tài)建模與仿真的準確度無法校核 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 3. 基于基于WAMS的系

5、統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望2研究的思路和方法研究的思路和方法o 研究思路 o 在下比較比較系統(tǒng)的真實響應和仿真的結(jié)果，評估模型和參數(shù)的有效性，以此來不斷改進系統(tǒng)和元件的模型參數(shù)。 n 等待擾動 雷擊、操作等引發(fā)的擾動 n 人為擾動網(wǎng)絡開斷、高電平?jīng)_擊輸入、特殊波形的中電平輸入、低電平噪聲輸入等2研究的思路和方法研究

6、的思路和方法o 主要的研究方法 n 1） 通過WAMS紀錄獲得試驗數(shù)據(jù) n 2） 標定模型參數(shù) o 將模型和系統(tǒng)相比較 o 使用動力系統(tǒng)時域和頻域的數(shù)學分析工具o 需要一些運行的經(jīng)驗 n 3） 對模型和參數(shù)進行有效性評估 標定模型參數(shù)標定模型參數(shù)測量數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)時域仿真特征值分析特征值調(diào)整時域/頻域分析（DSI 工具包）模型改進系統(tǒng)實驗及測量系統(tǒng)性能評估干擾應用模型分析測量分析模型和參數(shù)有效性評估模型和參數(shù)有效性評估 o 有效性的基礎(chǔ)：電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時記錄的數(shù)據(jù)必須是系統(tǒng)上的全網(wǎng)同步數(shù)據(jù)值o 有效性評估方法系統(tǒng)仿真干擾其值反映了模型和參數(shù)的有效性問題 Model Validation o 1

7、問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 大型電力系統(tǒng)的動態(tài)信息來源 n大擾動分析 n環(huán)境噪音測量 o 譜信號分析 o 相關(guān)性分析 o 開環(huán)/閉環(huán)譜比照 n直接測試 o 網(wǎng)絡開斷 o 高電平?jīng)_擊輸入 o 特殊波形的中電平輸入 o 低電平

8、噪聲輸入 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 信息源結(jié)構(gòu)圖 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 大信號干擾，噪聲的影響處于次要的地位o WSCC系統(tǒng)性能和模型驗證主要工作概

9、要n廣泛的性能驗證實驗 o2002年6月7日振蕩動態(tài)實驗 o2001年5月18日頻率響應實驗o2003年夏太平洋HVDC網(wǎng)中電平測試 n基準干擾及振蕩事件的嚴格檢驗 o1996年夏事故 o2000年夏Alberta解列實驗 oColstrip負荷損失（2085MW）oNW發(fā)電機解列（2900MW +1400MW）o2003年夏振蕩事件o其他擾動及反常行為n發(fā)電機及負荷的特殊監(jiān)測nGE穩(wěn)定程序中的模型標定的邏輯集成大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 1996年8月10日事故WSCC模型驗證過程 o (1)確定系統(tǒng)的仿真實驗驗證標準 n 1)主要振蕩模式的頻率和阻尼及其改變應與

10、干擾同步 n 2)PDCI（the Pacific HVDC Intertie）動態(tài)行為應從恒定功率模式改變?yōu)檎袷幑β誓Ｊ?n 3)系統(tǒng)電壓、線路潮流、以及系統(tǒng)頻率的平均斷面應與記錄一致 n 4)振蕩模式在系統(tǒng)中的分布（功率振蕩的相移）應與記錄一致 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o (2)對WSCC動態(tài)模型和數(shù)據(jù)進行時域仿真n 仿真結(jié)果無法正確顯示：n 互聯(lián)區(qū)域的振蕩COI（California-Oregon Intertie）n 系統(tǒng)電壓的衰減n PDCI模式的偏移及功率振蕩（PDCI mode shift and power oscillations）n 系統(tǒng)頻率偏移

11、（System frequency excursion） 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o (3)動態(tài)數(shù)據(jù)驗證及模型的增加 o更改更改的模型如下 ：o1）建立了PDCI的詳細模型，更改后的模型正確的捕捉到了干擾期間PDCI模式的偏移及其對系統(tǒng)阻尼的影響；o2）在動態(tài)干擾的仿真中一般不考慮AGC動作；o3）不考慮WSCC的大型汽輪發(fā)電機的渦輪調(diào)速控制器的動作，更改后使得自McNary機組解列后仿真系統(tǒng)的頻率偏移和記錄的結(jié)果更加符合。o4）改進了Lower Columbia

12、機組的電壓控制，使得記錄和仿真結(jié)果更加匹配。o5）負荷模型修正，將感應電機和不同的靜態(tài)負荷模型結(jié)合起來研究。大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o （4）改進后的動態(tài)數(shù)據(jù)驗證研究o 改進后的動態(tài)數(shù)據(jù)庫對8月10日的事件進行逐一的仿真，在數(shù)值上仿真結(jié)果和記錄結(jié)果已經(jīng)得到了很好的吻合，更改后的模型與驗證標準相一致。 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗

13、證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 思路n正常運行情況下，從WAMS獲得的數(shù)據(jù)中抽取出動態(tài)信息，識別出電網(wǎng)振蕩模式，從而對振蕩區(qū)域內(nèi)的模型進行驗證。o 方法n頻譜分析法o FFTo pronyo 小波分析法 o 活動窗口（sliding windows）離散傅立葉變換 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 小波分析法n 日本西部的60Hz系

14、統(tǒng)中，其縱向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了各種系統(tǒng)振蕩 n PMU布點n 測得相位差波形 -FFT-主要的功率振蕩頻率0.4Hzn 測得相位差波形 -小波變換 -從相位差中抽取出隨時間變化的功率振蕩n 更改模型及參數(shù) 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證相位差波形相位差的FFT正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證圖5-36展示了使用小波分析從圖5-34的0.4Hz頻率附近的相位差提取出的電力系統(tǒng)的振蕩波形。 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證o 活動窗口（sliding windows）離散傅立葉變換 n 美國的Entergy在其系統(tǒng)中跨過其高壓輸電網(wǎng)

15、安裝了10組PMUn 基頻信號阻尼比能夠從活動窗口的Laplace變換實時計算得到n 每次諧波也能計算得到響應的阻尼比 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證o 基于混合動態(tài)仿真（混合動態(tài)仿真（Hybri

16、d Dynamic Simulation）的概念）的概念 n 傳統(tǒng)的仿真+測量的結(jié)果 用測量精確代替外部系統(tǒng)負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證o 利用混合動態(tài)仿真的概念和方法，定位出需要改進的負荷模型，進一步對動態(tài)負荷模型進行詳細驗證 n 將該子系統(tǒng)測量的電壓注入作為邊界條件n 測量和仿真的功率傳輸就能被比較n 誤差將顯示子系統(tǒng)內(nèi)的建模問題n 這種類型的模型驗證將以二分法劃分子系統(tǒng)而繼續(xù)進行下去，直到模型的問題被很好地定位Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.

17、1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗證模型驗證o 4. 展望展望發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證o 通過發(fā)電機出口的WAMS記錄，驗證發(fā)電機的動態(tài)模型 n 實驗中監(jiān)測的變量 ：n 發(fā)電機相間電壓、發(fā)電機電樞電流n 發(fā)電機勵磁電壓、發(fā)電機勵磁電流n 原動機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機控制信號、其他與轉(zhuǎn)子相關(guān)的信號n 功率角 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證o 測試的內(nèi)容：n穩(wěn)定狀態(tài)測量：o 開路磁飽和曲線的離線測量；o 為獲得穩(wěn)態(tài)電抗和其他穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)

18、而進行的在線測量；o 可能包括測定容量曲線以及操作限制如過勵和欠勵限制。n動態(tài)測量：o 在簡單安全的故障集下，切除部分負荷（Load rejection）來提供參數(shù)估計所需的信息。o 負荷切除方式包括手動和自動，其目的是測量發(fā)電機d、q軸參數(shù)，勵磁系統(tǒng)及調(diào)速器參數(shù)等。發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證開路磁飽和曲線 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證手動電壓控制中切除負荷的典型電壓響應曲線 自動電壓控制中切除負荷的典型電壓響應曲線 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)

19、模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證o 4. 展望展望HVDC模型驗證模型驗證o EPRI的計劃RP1426中發(fā)展的動態(tài)系統(tǒng)監(jiān)視器 DSM是為Square Butte HVDC終端的高級穩(wěn)定控制器提供專用的監(jiān)視，該監(jiān)視器用來驗證控制器設(shè)計所需的模型，在控制器安裝后將用來驗證其運行情況。 DSM實現(xiàn)的功能類似于PMU，能夠通過采樣技術(shù)計算同步相量。 o 使用Prony分析和傅立葉技術(shù)來分析系統(tǒng)擾動，并驗

20、證HVDC模型的有效性n傅立葉分析辨識出模式的頻率 ，適于穩(wěn)態(tài)nProny分析 辨識出模式的頻率 、阻尼，適于暫態(tài)n數(shù)據(jù)分析-驗證數(shù)字模型并決定系統(tǒng)特性的變量，如模式的頻率和阻尼。 Model Validation o 1問題提出的背景問題提出的背景o 2研究的思路和方法研究的思路和方法o 3. 基于基于WAMS的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.1 大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證大擾動下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.2 正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證正常運行下的系統(tǒng)動態(tài)模型驗證n 3.3 負荷動態(tài)模型驗證負荷動態(tài)模型驗證n 3.4 發(fā)電機動態(tài)模型驗證發(fā)電機動態(tài)模型驗證n 3.5 HVDC模型驗

21、證模型驗證4. 展望展望o 國內(nèi)o 存在問題：電力系統(tǒng)動態(tài)研究中缺乏可信的數(shù)據(jù)從而使仿真無法驗證，模型、參數(shù)有效性不能估計，基于仿真制定的規(guī)劃、選擇的運行方式、設(shè)計的控制器難以被確認和評估o 賀仁睦教授在2002年3月發(fā)表的中提出了電網(wǎng)動態(tài)電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)的構(gòu)想。該系統(tǒng)以采用實際測量數(shù)據(jù)評價模型及參數(shù)的有效性為核心，以提高電力系統(tǒng)動態(tài)仿真可信度為目的，集廣域測量、數(shù)字仿真、參數(shù)辨識、仿真評估為一體電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)4. 展望展望o 國外最新進展o 基于在線監(jiān)測捕捉故障的動態(tài)模型辨識 n 發(fā)電機終端狀態(tài)監(jiān)測；n 其他用以改進能觀性的信

22、號監(jiān)測；n 高級非線性辨識技術(shù)；n 基于單一干擾或多干擾的靈活辨識算法；n 基于PSS/E的仿真，提供針對測量結(jié)果的自動模型驗證；n 大干擾（低頻事件）下特殊參數(shù)的辨識 需要研究的問題需要研究的問題o對其他的干擾，對其他的干擾， 模型是否還符合實際情況？模型是否還符合實際情況？o兩組動態(tài)數(shù)據(jù)如何比較兩組動態(tài)數(shù)據(jù)如何比較 ？o挖掘動態(tài)特征的數(shù)據(jù)信號處理方法？挖掘動態(tài)特征的數(shù)據(jù)信號處理方法？o 對系統(tǒng)動態(tài)的含義，如何根據(jù)值定量地定義參數(shù)有效性的級別對系統(tǒng)動態(tài)的含義，如何根據(jù)值定量地定義參數(shù)有效性的級別 ？o模型和參數(shù)有效性的評估方法和評估指標？模型和參數(shù)有效性的評估方法和評估指標？理論指導？理論指

23、導？ 系統(tǒng)仿真干擾參考文獻o1 Carson W.Taylor, Bonneville Power Administration, “Improving Grid Behavior”o2 Robert L.Dintelman, Assistant Executive Director, etc. “A Perspective of the Generator Testing and Model Validation Program in WSCC”o3 He Renmu, “A Power System Dynamics Monitoring and ManagementSystem Base

24、d on Wide Area Measurement”, Automation of Electric Power System, Mar 10, 2002o4 John F. Hauer, “DOE Transmission Reliability Program Peer Review”, January 27-29, 2004, Washington D.Co5 J.F.Hauer, J.G.DeSteese, “A Tutorial on Detection and Characterization of Special Behavior in Large Electric Power

25、 System”, July 2004o6 John F. Hauer, Mohammed J.Beshir, William A.Mittelstadt, “Dynamic Performance Validation in the Western Power System”, Oct 2000o7Dmitry N. Kosterev, Carson W. Taylor, William A. Mittelstadt, “Model Validation for the August 10, 1996 WSCC System Outage”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 14, NO.3, August 1999o8 Takuhei Hashiguchi, Masam