[工学]基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究

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1、 CHANGSHACHANGSHA UNIVERSITYUNIVERSITY OFOF SCIENCESCIENCE load characteristics; parameter identification; dynamic modification method 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 目 录 1 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 负荷模型对电力系统仿真计算结果的影响.1 1.2.1 负荷模型对潮流计算的影响.1 1.2.2 负荷模型对小信号动态稳定计算的影响.2 1.2.3 负荷模型对电压稳定的影响.2 1.2.4 负荷模型对暂态稳定的影响.2 1.3 负荷建

2、模的发展及现状.3 1.3.1 负荷建模的发展过程.3 1.3.2 电力负荷建模的研究现状.6 1.4 负荷模型的参数辨识方法.8 1.5 本文的研究内容.9 2 遗传算法在幂函数负荷模型参数辨识中的应用.10 2.1 遗传算法的生物学基础.10 2.2.1 遗传算法概要.10 2.2.2 遗传算法的运算过程.13 2.3 遗传算法辨识幂函数负荷模型参数.14 2.3.1 确定决策变量和约束条件.14 2.3.2 建立优化模型.14 2.3.3 确定编码方法.14 2.3.4 确定解码方法.14 2.3.5 确定个体评价方法.16 2.3.6 设计遗传算子和确定遗传算法的运行参数.17 2.4

3、 具体的遗传算法流程图.20 2.4 遗传算法代码.22 3 幂函数负荷模型恒定参数的动态修正和仿真分析.23 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 3.1 幂函数负荷模型.23 3.2 动态修正法负荷模型的参数调节.24 3.3 静态负荷模型参数的动态修正算法程序流程图.26 3.4 仿真分析.26 4 结论.29 参考文献.30 致谢.32 附录.33 附录 A 原始数据33 附录 B 遗传算法程序代码35 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 第 1 页 共 39 页 1 绪论 1.1 引言 研究运行的电力系统行为时，由于安全运行的限制以及运行状态控制困难的原因， 采

4、用直接在实际系统运行试验的方法显然是不可行的。对于规划设计中的电力系统， 因为系统并没有真正建立起来,更不可能通过实测系统来寻求改进系统设计方案。在这 样的工程背景下，数字仿真以其经济、方便、准确的优势，为电力系统的研究、决策、 设计提供了一种先进快捷的科学工具1。 目前，电力系统的数字仿真已成为电力系统设计、规划、运行的主要工具，相应 的决策无不是以数字仿真的结果为依据。但数字仿真毕竟是仿真，其与实际系统有着 或大、或小的误差，误差的大小及性质对该决策的正确性具有决定作用。如果决策基 于悲观的仿真分析结果，则在规划设计方面将会因不必要的加强系统结构和反事故措 施而投入过多的资金，造成浪费;

5、在运行方面采取过分保守的策略而限制了功率传输 的极限，使设备得不到充分的利用。如果决策基于乐观的仿真分析结果，则在规划设 计方面将会导致系统结构、反事故措施方面投入资金不足，从而产生不合理的系统规 划方案，给以后的系统运行造成不便，带来许多运行限制；在运行方面将导致系统运 行于危险的临界状态或疏于防范而造成事故。仿真结果的误差是由仿真所用模型的准 确性决定，目前发电机组和输电网络的模型已相当成熟，比较而言，电力负荷建模仍 相当简单，往往从基本物理概念出发，采用理想化的模型，如: 恒功率、恒阻抗、恒 电流或三者的组合。负荷模型的过分粗糙已成为制约电力系统仿真计算精度的关键因 素。当今，在电力市场

6、化的趋势冲击下，人们对系统分析软件的精度要求将越来越高， 负荷模型的研究的重要性也将更加凸现。 1.2 负荷模型对电力系统仿真计算结果的影响 负荷模型对电力系统仿真计算结果的影响主要表现在以下几个方面： 1.2.1 负荷模型对潮流计算的影响 IEEE负荷建模工作组1988年在北美电力系统的85个企业调查结果显示，在事故前 后的静态潮流计算中，绝大数采用恒功率负荷模型，仅少数采用功率依电压变化的负 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 第 2 页 共 39 页 荷模型。仿真计算实践表明2，当电网运行条件良好时3，节点电压运行于额定值附近， 采用恒功率负荷模型的潮流计算一般不存在收敛性问

7、题。但对于运行条件恶化的电网， 例如故障后断开线路或切除发电机组等，系统电压偏离额定值较大时，采用恒功率负 荷模型的潮流计算则存在收敛性问题，而采用考虑实际负荷功率随电压变化特性的负 荷模型(例如，幂函数等模型)时，潮流计算的收敛性就可以得到改善。也就是说，采用 恰当的负荷模型能改善潮流的收敛性及计算精度。 1.2.2 负荷模型对小信号动态稳定计算的影响 电力系统区间低频振荡时会涉及到系统内大量的发电机，从而造成系统电压和区 域频率的明显变化，在此情况下，负荷的电压特性和频率特性对振荡的镇定具有重要 的影响。IEEE对美国西北部电网的研究4中指出,在该系统的小扰动动态稳定分析时， 采用恒阻抗的

8、负荷模型比实际的负荷模型得出的结果乐观，其偏差在25%左右。文献5 也强调了精确的负荷模型对系统具有镇定的作用。在分析区域振荡时，除考虑发电机 励磁控制系统的作用外，原动机的转矩-速度特性和负荷特性也是应该考虑的重要因素。 因此分析区域振荡时，必须正确考虑负荷的电压频率特性对系统阻尼的影响。 1.2.3 负荷模型对电压稳定的影响 电压稳定今年来受到了广泛的关注，随着研究的深入，人们认识到以往把电压归 入静态范畴是不正确的，考虑负荷动态特性是正确研究稳定的基本方向，在电压稳定 分析中更需要精确的动态负荷模型，而不是简单的静态负荷模型。1987年7月23日的日 本东京电网大规模停电事故6损失负荷8

9、186MW，停电时间长达3小时，就是因为运行 安排和调度对于以空调负荷为主的夏季负荷在大扰动以后功率恢复的快速动态特性考 虑不足。 1.2.4 负荷模型对暂态稳定的影响 电力系统发生故障时，会造成发电机功率不平衡，从而引起功角及其他变量的变 化，机组间发生相对摆动，进而影响发电机的剩余转矩，而负荷对暂态稳定计算和功 率极限的影响极大。负荷模型对暂态稳定的影响是通过负荷功率随电压、频率的变化 影响作用在发电机上的电磁功率，进而影响对各发电机启动加速或减速的剩余转矩。 在故障初期电压下降较大而频率较小，故只考虑负荷的电压特性对功率的影响。在故 障后期频率变化较大，所以须考虑频率特性对功率的影响，即

10、负荷模型对暂态稳定的 影响主要表现在系统第一摆稳定性上。负荷模型对暂态稳定的影响不能单纯的认为是 使计算结果趋于保守或是乐观，必须根据实际的工况而定。挪威和瑞典的研究表明,当 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 第 3 页 共 39 页 降低地区负荷的电压敏感性时，如果该地区是输送端，则联络线的传输功率极限会提 高；反之，若该地区是收受端，则联络线的传输功率极限会下降。仿真实践表明，对 于电压、频率变化幅度很大的暂态过程，采用静态负荷模型是不合适的。文献7在研究 加拿大安大略西北部一个从联网的大系统解列的局部系统的动态行为时，发现采用静 态模型和动态模型时计算结果相去甚远，故该文献

11、特别强调在较大的电压、频率波动 的暂态稳定计算时采用动态模型的必要性。 总之，负荷特性对于电力系统的各种计算均有较大影响，负荷模型的过分粗略已 成了制约计算精度的关键因素之一。针对所研究问题的特点，选择正确的负荷模型是 得到满意结果的前提条件。当缺少精确负荷模型时，常常试图采用某种“乐观”负荷 模型，这种做法对现代大型电力系统往往是危险的。因为负荷模型对现代大型电力系 统的总体影响事先难以确定，而且在某种情况下“乐观”的负荷模型在另一种情况下 却可能是悲观的，而且不同问题对负荷的要求也不一样。没有哪种模型在任何情况下 都是保守的，负荷模型的影响与系统结构、负荷的位置等有着密切的关系，必须根据

12、应用目的及其相应要求，选定电力系统中的重要负荷，确定其负荷特性和模型。所以 建立负荷实际的动态负荷模型具有十分重要现实意义。 1.3 负荷建模的发展及现状 1.3.1 负荷建模的发展过程 随着我国主要电网的全国性互联进程的推进，电网规模不断扩大，复杂程度越来 越高，电网的动态稳定性及电压稳定性问题更加突出，负荷模型对电力系统数字仿真 结果的影响已不容忽视。因此，为了使系统分析结果更加可信，使分析真正起定量的 作用，为电力系统规划、运行和控制提供准确的依据，有必要建立切合实际的负荷模 型。 认识到负荷模型对电力系统分析的重要性，并研究负荷随电压和频率变化的静态 和动态特性，较早要以追溯到20世纪

13、三四十年代美国和前苏联学者所进行的工作，这 一阶段可以说是负荷建模的萌芽期，这一时期的著作成为进一步研究的基础。 到了20世纪五六十年代，美国、德国、前苏联等国家已经在现场进行了大量实验， 并获得了一些有价值的功率-频率、功率-电压调节特性数据，以及动态负荷特性数据， 对负荷的特性积累了一定的感性认识，60年代，计算机数字模拟的迅速发展为复杂电 力系统的分析提供了有力的工具，使得在计算中采用较之工计算复杂的模型成为可能。 因此，这一时期与其它系统元件模型一样，负荷建模工作有了相当的进展，除提出了 基于遗传算法的幂函数负荷模型参数的动态修正研究 第 4 页 共 39 页 最常用的恒定阻抗、恒定电

14、流和恒定功率负荷模型外，还在计算中采用了感应电动机 负荷模型和多项式、幂函数静态负荷模型。这些负荷模型参数的确定在当时主要是靠 定性估计，并辅以简单的静态函数拟合，系统辨识理论尚处在发展阶段，还没有广泛 引入到电力负荷建模中来。 20世纪60年代未70年代初，由于对电力系统仿真计算精度要求的提高和系统分析 不断向广度和深度发展，以发电机为中心，原动机、调节系统等元件的建模又都向前 迈进了一步，而负荷建模确因其困难性基本停留在原来的水平。 为了打破负荷建模研究上的困难局面，从1976年开始美国电力研究院(EPRI)主持 了一项庞大的研究计划，根据这个计划，研究工作在美国和加拿大同时开展。整个工

15、作经过了严密的计划和组织，从理论上、现场实验上和数据收集系统的软、硬件开发 和数据处理程序等几个方面全面铺开。美国的Texas大学与GE及其它一些电力公司合作 致力于统计综合法(Component-Based Modeling Approach)负荷建模的研究8。该方法是 在实验室内确定每种典型负荷(如荧光灯、电冰箱、工业电动机、空调等)的平均特性方 程，然后在一个负荷点上统计一些特殊时刻负荷(如冬季峰值负荷、夏季峰值负荷)的组 成，即每种典型负荷所占的百分比，以及配电线路和变压器的数据，综合这些数据得 出该负荷点的负荷模型。EPRI经过多年的努力发表了许多研究报告，并且研制了到目 前为止统计

16、综合法负荷建模中最具影响的软件包EPRI LOADSYN。该软件使用时虽然 需要三种数据：负荷组成，即各类负荷(民用、商业、工业等)所占的比例；各类负荷中 各用电设备(荧光灯、电动机、空调等)所占的比例；各用电设备的平均特性。但由使用 者必须提供的只有第一种数据，后两种数据要以利用该软件包所给的典型值，这就给 该软件的使用提供了一定的方便。例如，在利用EPRI LOADSYN软件包建模时，不同 季节负荷的组成由用户电费账单获得，后两种数据则采用软件包中的缺省值，所建负 荷模型在再现一次电网事故的仿真计算中证明效果较好。在EPRI这项工作的推动下， 进入20世纪80年代以后，负荷模型的研究又取得了新的进展。1982年在西欧国际大电 网会议(CIGRE)上成立了有关负荷建模的工作组(CSC38.WG02)，旨在研究和建立适合 于电力系统计算的动、静态负荷模型。1984年9月在芬兰赫尔辛基召开的第八届电力系 统计算会议(PSCC)也将负荷模型列为重要的研究课题之一。 从20世纪60年代开始迅速而蓬勃发展起来的系统辨识理论，到了20世纪末已取得