基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法及系统 【技术领域】
本发明涉及电力系统调度自动化技术领域，特别涉及一种基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法及系统。
背景技术
基于时域的动态仿真是人们认识电力系统动态行为的一种重要工具，关系到电力系统的规划、运行及控制等多个方面。电力系统元件模型和参数的准确性对动态仿真的准确性有基础性的影响，因此需要对电力系统元件模型和参数进行仔细的校核。
将广域相量测量系统(WAMS，Wide Area Measurement System)快速采集的量测数据与传统仿真程序相结合，对电力系统的一个子系统或者一个单独的设备进行校核的混合动态仿真方法是电力系统模型校核的一个趋势。为了将量测数据注入仿真程序，目前主要有三种方法：理想变压器法、快速反应发电机法和变阻抗法。但是，这三种方法都存在如下问题：
(1)需要引入新元件，这样增加了复杂性。
理想变压器法需要引入一台大发电机和一个理想变压器；快速反应发电机法需要引入一台大发电机、一个快速反应的励磁模型和一个快速反应的调速器模型；变阻抗法需要引入一个变化的阻抗。
(2)每迭代一步要修改节点导纳矩阵或者修改模型的参考值。
根据量测数据的变化，理想变压器法要修改变压器的变比和相角，变阻抗法要修改阻抗，因此都要修改节点导纳矩阵；快速反应发电机法要修改励磁模型的电压参考值、调速器模型中发电机转子角速度或者发电机稳态有功参考值。
(3)量测数据需要通过新增元件注入到相量测量单元(PMU，PhasorMeasurement Unit)安装节点上，注入到PMU安装节点上的数据与量测数据存在一定偏差。
理想变压器法将一个大的发电机假设成理想电源；快速反应发电机法假设励磁模型和调速器模型都反应足够快：快速反应的励磁使得PMU安装节点电压紧跟WAMS量测的电压值，快速反应的调速器使得PMU安装节点的频率紧跟WAMS量测的频率值；变阻抗法中，如果待校核的元件参数不准，不能准确将WAMS量测的电压幅值与相角注入到PMU安装节点上。
综上所述，目前这三种方法均存在缺陷，这样将造成对电力系统模型校核不准确，无法准确判断电力系统模型的结构和参数是否合理。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法及系统，能够准确地对电力系统模型进行校核。
本发明实施例提供一种基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法，包括：
采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列；
采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列；
将所述量测值的时间序列与所述计算值的时间序列进行比较，判断所述待校核的子系统的结构和参数是否合理。
优选地，所述采集与所述待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率之前，还包括：根据PMU的量测配置，提取待校核的子系统。
优选地，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入之前，还包括对所述电压幅值和电压相角进行预处理，具体为：
提取大扰动及大扰动过渡过程的数据作为所述电压幅值和电压相角的测量时间序列；
对所述电压幅值和电压相角的测量时间序列进行多项式插值；
将所述测量时间序列和插值后的伪测量时间序列保存在测量数据文件中作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入。
优选地，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列，具体为：
由PMU安装节点的电压幅值和电压相角获得所述PMU安装节点注入电流；
由所述电压幅值和注入电流获得所述注入有功功率和无功功率的计算值。
优选地，所述采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连地线路的有功功率和无功功率，和，采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角的采样频率为20Hz-30Hz。
优选地，所述混合动态仿真的步长为0.01s。
本发明实施例还提供一种基于混合动态仿真的电力系统模型校核系统，包括：注入有功功率和无功功率的量测值获得单元、注入有功功率和无功功率的计算值获得单元和校核单元；
所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元，用于采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列；
所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元，用于采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列；
所述校核单元，用于将所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元获得的量测值的时间序列与所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元获得的计算值的时间序列进行比较，判断所述待校核的子系统的结构和参数是否合理。
优选地，所述系统还包括与所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元及注入有功功率和无功功率的计算值获得单元相连的子系统提取单元；
所述子系统提取单元，用于根据PMU的量测配置，提取待校核的子系统。
优选地，所述系统还包括与所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元相连的预处理单元，用于提取大扰动及大扰动过渡过程的数据作为所述电压幅值和电压相角的测量时间序列；对所述电压幅值和电压相角的测量时间序列进行多项式插值；将所述测量时间序列和插值后的伪测量时间序列作为注入有功功率和无功功率的计算值获得单元的输入。
优选地，所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元，用于采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列，具体为：
由PMU安装节点的电压幅值和电压相角获得所述PMU安装节点注入电流；
由所述电压幅值和注入电流获得所述注入有功功率和无功功率的计算值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法及系统，将PMU安装节点作为松弛节点，采集PMU安装节点的电压幅值和电压相角，作为混合动态仿真的输入，得到注入有功功率和无功功率的计算值；采集与PMU安装节点相连的所有线路的有功功率和无功功率，得到注入有功功率和无功功率的量测值；将计算值与量测值比较，校核电力系统模型是否合理。本发明可以实现对全局电网、局部电网和单个运行设备的电力系统模型的结构和参数进行校核，不需要引入任何新元件，避免了中间误差的存在，因此可以准确判断电力系统模型的结构和参数是否合理。
【附图说明】
图1是本发明方法第一实施例流程图；
图2是本发明方法第二实施例流程图；
图3是本发明电力系统示意图；
图4是本发明待校核的子系统示意图；
图5是本发明隔离出待校核的子系统后的电力系统示意图；
图6是本发明系统第一实施例结构图；
图7是本发明系统第二实施例结构图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，该图为本发明方法第一实施例流程图。
本实施例提供的基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法包括：
S101：采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列。
把与同一PMU安装节点相连的所有线路的有功功率和无功功率PMU量测值的时间序列分别累加后取反，分别得到该PMU安装节点的注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列。遍历所有PMU安装节点，即可获得所有PMU安装节点的注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列。
S102：采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列。
将PMU安装节点作为松弛节点，由PMU安装节点的电压幅值和电压相角计算PMU安装节点的有功功率和无功功率。
需要说明的是，S101和S102没有先后顺序。
S103：将所述量测值的时间序列与所述计算值的时间序列进行比较，判断所述待校核的子系统的结构和参数是否合理。
如果全部PMU安装节点中出现一个或者多个节点的注入有功功率计算值的时间序列或者注入无功功率计算值的时间序列与PMU量测值不一致，则说明待校核的子系统中存在模型结构或者参数不合理的情况。
需要说明的是，待校核的子系统规模可大可小，甚至可以是单独的电气设备。当待校核的子系统是一个单独的电气设备(例如发电机)时，这时就简化为对电力设备进行单独的校核。如果PMU安装节点的注入有功功率的计算值和量测值曲线不一致，或者注入无功功率的计算值和量测值曲线不一致，则说明该电气设备的模型结构和参数不合理。
本发明提供的基于混合动态仿真的电力系统模型校核方法，将PMU安装节点作为松弛节点，采集PMU安装节点的电压幅值和电压相角，作为混合动态仿真的输入，得到注入有功功率和无功功率的计算值；采集与PMU安装节点相连的所有线路的有功功率和无功功率，得到注入有功功率和无功功率的量测值；将计算值与量测值比较，校核电力系统模型是否合理。本发明可以实现对全局电网、局部电网和单个运行设备的电力系统模型的结构和参数进行校核，不需要引入任何新元件，避免了中间误差的存在，因此可以准确判断电力系统模型的结构和参数是否合理。
参见图2，该图为本发明方法第二实施例流程图。
S201：根据PMU的量测配置，提取待校核的子系统。
如图3所示，如果子系统A通过n条支路与系统的其他部分相连，那么这n条支路就形成了一个割集。如果割集中的每一条支路都至少有一端节点(首端节点或者末端节点)装有PMU，则可以将子系统A从整个系统中提取出来。
提取的具体过程为：对割集中每条支路，选择一个与这条支路相连的装有PMU的节点，将这个PMU安装节点拆分成两个节点，分别作为子系统A和系统的其他部分(B部分和C部分)的边界节点。如图4和图5所示，PMU安装节点成了待校核子系统A的边界节点。其中，子系统A作为待校核的子系统。
S202：采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列。
S203：采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，对所述电压幅值和电压相角进行预处理。
对所述电压幅值和电压相角进行预处理具体为：
S203a：提取大扰动及大扰动过渡过程的数据作为所述电压幅值和电压相角的测量时间序列。
大扰动时刻往往伴随着电气量的大幅度变化(包括母线电压、线路电流和发电机电磁功率等)、频率漂移和系统振荡等现象，能更好的激发电气元件的动态性能。
例如：电气量大幅度变化使得励磁调节器、调速器等控制器的限制环节搭界，激发电气元件的非线性特征(包括发电机、变压器的磁饱和特性等)。系统振荡激发电力系统稳定器(PSS，Power System Stabilization)的性能，激发电气元件的阻尼效果等。因此提取大扰动及其过渡过程的PMU测量时间序列数据作为待校核子系统模型结构和参数的数据源。
S203b：对所述电压幅值和电压相角的测量时间序列进行多项式插值。
对测量时间序列进行多项式插值主要是用来匹配混合动态仿真步长。
PMU的采样频率一般为20Hz-30Hz，而混合动态仿真步长一般取0.01s。PMU采样时间间隔大于动态仿真步长，因此本发明实施例采用多项式插值的方法补充未采集的数据，使经插值后的量测数据的时间间隔与混合动态仿真步长相等。
插值的具体做法如下：
从PMU量测数据中提取出n+1个连续的采样点{(t0，z0)，(t1，z1)，…，(tn，zn)}，建立如式(1)的n阶多项式P(t)，
P(t)＝a0+a1t+…+antn (1)
满足：
P(ti)＝zi i＝0，1，…，n (2)
其中，ti是采样时刻，zi是采样值，n为自然数。
由数值理论可知这样的插值多项式P(t)是存在且唯一的。
如果在[tk，tk+1]之间的t′处插入一个伪量测点(t′，z′)，则首先利用[tk，tk+1]之间的采用序列，计算出式(1)的系数a0，a1，…，an，然后只需要将t′代入式(1)即可求出插值z′。
z′＝a0+a1t′+…+ant′n (3)
需要说明的是，n的值一般取2就可以满足要求，n取值过大容易造成“病态”的数值问题。采用如上方法就可以对PMU量测时间序列进行插值，使相邻数据的时间间隔与动态仿真步长相同。
S203c：将所述测量时间序列和插值后的伪测量时间序列保存在测量数据文件中。
S204：将测量数据文件中的数据作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列。
S205：将所述量测值的时间序列与所述计算值的时间序列进行比较，判断所述待校核的子系统的结构和参数是否合理。
下面具体介绍如何进行混合动态仿真获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列。
动态仿真包括动态元件模型部分微分方程组的求解和网络元件模型部分代数方程组的求解，可用式(4)表示。
其中x＝{x1，x2…xn}表示动态元件模型中的n个状态变量(包括发电机功角δ、角速度ω等)，相应的有n个微分方程x·i=fi(x,y),]]>i＝1，2，…，n。y＝{y1，y2…ym}表示网络元件模型中m个代数变量(包括节点电压)，相应的有m个代数方程0＝gi(x，y)，i＝1，2，…，m。
x·=f(x,y)0=g(x,y)---(4)]]>
进一步地，式(4)可以写成式(5)的形式，其中是节点电压，是节点注入电流，Y是节点导纳矩阵。
微分方程组和代数方程组交替迭代，消除交接误差。
求解微分方程组时，节点电压已知，对动态元件模型进行迭代，可求出状态变量x新的值，并计算出节点注入电流
求解代数方程组时，节点注入电流已知，求解节点电压
x·=f(x,U·)YU·=I·---(5)]]>
设子系统A中PMU安装节点组成集合S，相应的节点电压、节点注入电流分别用和表示。子系统A中其余节点组成集合O，相应的节点电压、节点注入电流分别用和表示。将节点按集合S和集合O进行分组，将式(5)重新写成式(6)的形式。
x·=f(x,U·o,U·s)(6.a)YooYosYsoYssU·oU·s=I·oI·s(6.b)---(6)]]>
PMU直接测量出集合S的节点电压幅值和电压相角，在代数方程组的求解过程中将集合S的节点作为松弛节点，其电压幅值和电压相角直接取自PMU的量测值，是已知量。集合O的节点注入电流利用式(6.a)的微分方程，可以求得积分时刻的数值。因此，在求解式(6.b)时，集合O的节点注入电流和集合S的节点电压已知，利用(6.b)可以求出集合O的节点电压和集合S的节点注入电流按照计算流程，将式(6.b)改写成式(7)的形式。
YooU·o=I·o-YosU·sI·s=YsoU·o+YssU·s---(7)]]>
求解式(7)的第一个方程组时，集合S的节点电压取自PMU的量测值，是已知量，集合O的节点注入电流也是已知量，通过一次前代、回代可求出集合O的节点电压根据求出的和PMU测量的可由式(7)的第二个方程组直接求出集合S的节点注入电流集合S的节点注入有功功率和无功功率的计算值可以表示为式(8)：
Psi=Re(U·siI~si)Qsi=Im(U·siI~si)---(8)]]>
其中，是第i个松弛节点的电压相量，是第i个松弛节点注入电流相量的共轭，符号Re和Im分别对复数取实部和虚部，Psi和Qsi分别是第i个松弛节点注入的有功功率计算值和无功功率计算值。
下面详细说明注入有功功率和无功功率计算值的计算步骤。
S601：对待校核的子系统A进行初始化，利用状态估计建立待校核的子系统A的初始潮流分布。
S602：设置t＝tj，tj时刻的动态元件模型中的状态变量x(j)，集合O的节点电压和集合S的节点电压已知，根据式(6)的x·=f(x,U·o,U·s),]]>利用隐式梯形法求解状态变量tj+1时刻的x(j+1):x(j+1)=x(j)+x·(j)*Δt.]]>
根据状态变量x(j+1)，计算出tj+1时刻的集合O的节点注入电流
S603：从测量数据文件中查找集合S的节点tj+1时刻的电压测量根据式(7)的第1式YooU·o(j+1)=I·o(j+1)-YosU·s(j+1),]]>通过一次前代回代求出集合O的节点tj+1时刻的电压并根据式(7)的第2式I·s(j+1)=YsoU·o(j+1)+YssU·s(j+1),]]>求出集合S在tj+1时刻的节点注入电流
S604：根据式(8)计算集合S在tj+1时刻的节点注入有功功率和无功功率，并将注入有功功率和无功功率的值保存在计算数据文件中。
Psi(j+1)=Re(U·si(j+1)*I~si(j+1))Qsi(j+1)=Im(U·si(j+1)*I~si(j+1))]]>
S605：判断仿真时间tj+1是否到了最大仿真时刻，如果是，则结束；反之j＝j+1返回S602。
当仿真结束时，计算数据文件中已经保存了集合S所有PMU安装节点的注入有功功率和无功功率计算值的时间序列。
本发明实施例通过提取大扰动时刻的数据作为混合动态仿真的数据源，可以更好地体现电气元件的性能，这样混合动态仿真的结果更准确，从而可以更准确地判断电力系统模型是否合理。
基于上述基于混合动态仿真的电力系统模型校核的方法，本发明还提供了基于混合动态仿真的电力系统模型校核的系统，下面结合具体实施例来详细说明其组成部分。
参见图6，该图为本发明系统第一实施例结构图。
本发明实施例提供的基于混合动态仿真的电力系统模型校核系统包括：注入有功功率和无功功率的量测值获得单元701、注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702和校核单元703。
所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元701，用于采集与待校核的子系统中全部PMU安装节点相连的线路的有功功率和无功功率，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的量测值的时间序列。
所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702，用于采集所述待校核的子系统中全部PMU安装节点的电压幅值和电压相角，将所述电压幅值和电压相角作为含多松弛节点的混合动态仿真的输入，获得PMU安装节点注入有功功率和无功功率的计算值的时间序列。
所述校核单元703，用于将所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元701获得的量测值的时间序列与所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702获得的计算值的时间序列进行比较，判断所述待校核的子系统的结构和参数是否合理。
本发明提供的基于混合动态仿真的电力系统模型校核系统，将PMU安装节点作为松弛节点，采集PMU安装节点的电压幅值和电压相角，作为混合动态仿真的输入，得到注入有功功率和无功功率的计算值；采集与PMU安装节点相连的所有线路的有功功率和无功功率，得到注入有功功率和无功功率的量测值；将计算值与量测值比较，校核电力系统模型是否合理。本发明可以实现对全局电网、局部电网和单个运行设备的电力系统模型的结构和参数进行校核，不需要引入任何新元件，避免了中间误差的存在，因此可以准确判断电力系统模型的结构和参数是否合理。
参见图7，该图为本发明系统第二实施例结构图。
本发明系统第二实施例与系统第一实施例的区别是增加了：子系统提取单元801和预处理单元802。
所述子系统提取单元801与所述注入有功功率和无功功率的量测值获得单元701及注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702相连，用于根据PMU的量测配置，提取待校核的子系统。
所述子系统可大可小，也可以为一个单独的电气设备。
所述预处理单元802与所述注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702相连，用于提取大扰动及大扰动过渡过程的数据作为所述电压幅值和电压相角的测量时间序列；对所述电压幅值和电压相角的测量时间序列进行多项式插值；将所述测量时间序列和插值后的伪测量时间序列作为注入有功功率和无功功率的计算值获得单元702的输入。
本发明实施例通过提取大扰动时刻的数据作为混合动态仿真的数据源，可以更好地体现电气元件的性能，这样混合动态仿真的结果更准确，从而可以更准确地判断电力系统模型是否合理。
由于注入有功功率和无功功率的量测值和计算值均是一个时间序列，因此最终比较的是由这两个时间序列分别组成的两条曲线。如果PMU安装节点的注入有功功率的计算值和量测值曲线不一致，或者注入无功功率的计算值和量测值曲线不一致，则说明该子系统的模型结构和参数不合理。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。