一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法
【專利摘要】本發明涉及一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，該方法包括如下步驟：(1)對同步發電機勵磁系統進行空載階躍響應試驗，獲取試驗輸出信號；(2)搭建勵磁系統仿真模型，確立標幺化導則約束；(3)修改仿真模型的系統模型參數；(4)對仿真模型施加與試驗相同的激勵信號，獲取仿真輸出信號；(5)計算試驗輸出信號和仿真輸出信號的各性能指標的標幺化誤差，分別判斷每個性能指標的標幺化誤差是否均滿足標幺化導則約束，若是則執行步驟(6)，否則返回步驟(3)；(6)根據各性能指標的標幺化誤差對系統模型參數進行優化，獲取優化的最優模型參數并輸出。與現有技術相比，本發明利于獲取勵磁系統模型參數的最優解。
【專利說明】
一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種模型參數辨識方法，尤其是涉及一種同步發電機勵磁系統模型參 數辨識優化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電網規模的日益擴大及大量波動性可再生能源的并網，對電力系統仿真計算 的準確性提出了更高的要求。當前電力系統仿真計算中一般采用標準化的勵磁系統模型， 通過提高勵磁系統模型參數精確度以保證電力系統仿真計算的準確性已成為共識。
[0003] 調研結果表明，目前勵磁系統模型參數辨識方法以仿真波形與實際波形的相似度 作為判斷標準，通過不斷調整勵磁系統模型參數對實際波形進行擬合，最終通過人工判斷 選擇擬合效果較好且各項誤差指標符合標準要求的系統參數作為辨識結果。但研究者認 為，傳統的勵磁系統模型參數辨識方法存在過于粗放、不便于獲取最優解的局限性，影響了 勵磁系統仿真計算的準確性，其辨識結果的精確度有待進一步提升。
[0004] 當前勵磁系統模型參數辨識的過程如下：第一步，對停機發電機施加給定空載電 壓階躍試驗(階躍量不應使調節器進入限幅區域），獲取機端階躍響應電壓數據;第二步，搭 建勵磁系統仿真模型給定系統參數，并分別計算實測曲線與仿真曲線的階躍響應指標;第 三步，判斷仿真與實測的偏差允許值是否在《DL/T 1167-2012同步發電機勵磁系統建模導 則》（以下簡稱《導則》)規定的允許范圍內，若在，則輸出系統參數，辨識過程結束;否則返回 修改系統參數，重復第二步的操作。
[0005] 實際操作中，當選定的參數調整到符合標準規定的誤差時，即認為該組參數已能 代表機組的實際參數，但該組參數可能只是解集簇中的一個解，不一定是最優解，可能存在 另一組參數可以使仿真誤差更小。
[0006] 根據自動控制原理的有關知識，階躍響應指標主要包括上升時間、超調量、調節時 間、穩定時間、振蕩次數等。《導則》規定必須校驗的階躍響應指標包含上升時間、峰值時間、 超調量等。其中，上升時間T up是指從起始時間到被控量的變化值初次達到90 %階躍量的時 間，峰值時間TP是指從起始時間到被控量的變化值達到最大值的時間，超調量^是指被控量 的最大值與最終穩態值之差相對于階躍量的百分數。
[0007] 以角標R代表實測值，角標I代表仿真值，計算仿真與實測的偏差值^，其中i = 1， 2，3分別代表上升時間、峰值時間、超調量：
[0009] 其偏差允許值如表1所示。
[0010] 表1勵磁系統仿真與實測的偏差允許值
[0012] 可見，理論上峰值時間、上升時間、超調量三項誤差指標越接近零，模型參數越優。 但實際辨識過程表明，上述三項指標互相制約、互相耦合，例如超調量在一定程度上受上升 時間的影響，上升時間越小，越容易出現超調。在尋優操作中，需要對三項誤差指標進行綜 合比較和平衡。一般采用的方法是將三項誤差指標的和作為判定準則，然而由表1可知，三 項誤差指標的量綱和數量級都有著一定的差距，且在數值上有著正負值的區別，無法直接 進行求和操作，不利于獲取勵磁系統模型參數的最優解。

【發明內容】

[0013] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種同步發電機勵 磁系統模型參數辨識優化方法。
[0014] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0015] -種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，該方法包括如下步驟：
[0016] (1)對同步發電機勵磁系統進行空載階躍響應試驗，獲取試驗輸出信號Yr;
[0017 ] (2)搭建勵磁系統仿真模型，確立標幺化導則約束J;
[0018] (3)修改仿真模型的系統模型參數ΘΙ;
[0019] (4)對仿真模型施加與試驗相同的激勵信號，獲取仿真輸出信號ΥΙ;
[0020] (5)計算試驗輸出信號YR和仿真輸出信號心的各性能指標的標幺化誤差，分別判斷 第i個性能指標的標幺化誤差ε，是否滿足標幺化導則約束J，若是則執行步驟(6)，否則返回 步驟(3);
[0021] (6)根據各性能指標的標么化誤差對系統模型參數0:進行優化，獲取優化的最優 模型參數并輸出。
[0022] 所述的性能指標的標幺化誤差包括上升時間的標幺化誤差、峰值時間的標幺化誤 差和超調量的標么化誤差。
[0023] 步驟(5)中標幺化誤差εΛ十算方式如下：
[0024] (501)求取各性能指標的誤差值h，i = 1，2，3，其中ει為上升時間誤差值，ε2為峰值 時間誤差值，ε3為超調量誤差值：
[0026]其中，TupR為試驗輸出信號的峰值時間，TpR為試驗輸出信號的峰值時間，MpR為試驗 輸出信號的超調量，TupI為仿真輸出信號的峰值時間，TPI為仿真輸出信號的峰值時間，M PI為 仿真輸出信號的超調量；
[0027] (502)對各性能指標的誤差值￡ i進行標幺化處理：
[0031 ]其中，ε，為對應的各性能指標的標幺化誤差，elb為各性能指標的標幺基值，i = 1， 2,3〇
[0032] 所述的步驟(6)采用根據各性能指標的標么化誤差對系統模型參數01進行優化具 體為：
[0033] (601)確定各性能指標的標么化誤差的優先級權重，記第i個性能指標的標么化誤 差優先級權重為Wi;
[0034] (602)根據各性能指標的標么化誤差的優先級權重計算各性能指標的標么化誤差 的標么化加權均值εΛ
[0035] (603)判斷標幺化加權均值ε/是否達到設定的最小值若是則相應的系統模 型參數9:為最優模型參數并輸出，否則返回步驟(3)。
[0036] 各性能指標的標么化誤差的優先級權重按照對應的性能指標的優先排序進行確 定，且滿足：
[0038]其中，η為性能指標的總個數。
[0039]步驟(602)標幺化加權均值ε/計算公式為：
[0041 ]其中，η為性能指標的總個數。
[0042] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0043] (1)本發明提出了勵磁系統性能誤差指標的標么化誤差計算方法，通過標么化將 勵磁系統性能誤差指標的尺度范圍縮放在同一數量級下，消除了不同量綱及正負值的影 響，有利于獲取勵磁系統模型參數辨識的最優解；
[0044] (2)本發明進行參數優化時結合輸出信號各性能指標優先級權重I，從而對于不 同的同步發電機勵磁系統可以根據需要進行設定，從而可以準確獲取勵磁系統模型參數的 最優解，為提升勵磁系統建模仿真的準確性奠定基礎。
【附圖說明】
[0045] 圖1為本發明同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法的流程圖；
[0046] 圖2為實施例中勵磁系統模型框圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0048] 實施例
[0049] 如圖1所示，一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，該方法包括以下步 驟：
[0050] 步驟1:進行現場同步發電機勵磁系統的空載階躍響應試驗，獲取試驗輸出信號 Yr，執行步驟2。
[0051] 步驟2:搭建勵磁系統仿真模型尬，根據電力系統調度的要求確定輸出信號各性能 指標優先級權重，從而得到各性能指標的標么化誤差的優先級權重，記第i個性能指標的標 幺化誤差優先級權重為1，通過《導則》標準確立標幺化導則約束J，標幺化導則約束J為具 體的數值范圍，輸出信號的性能指標包括輸出信號的上升時間、峰值時間和超調量，各性能 指標的標么化誤差的優先級權重按照對應的性能指標的優先排序進行確定，且滿足：
[0053]其中，η為性能指標的總個數;繼續執行步驟3。
[0054]步驟3:修改仿真模型的系統模型參數01，執行步驟4。
[0055] 步驟4:對仿真模型施加與試驗相同的激勵信號，獲取仿真輸出信號Υ:，執行步驟 5〇
[0056] 步驟5:計算試驗輸出信號YR和仿真輸出信號￥:的各性能指標的標么化誤差，判斷 第i個性能指標的標么化誤差ε，是否滿足標么化導則約束J，若是則執行步驟6,否則返回步 驟3。
[0057] 步驟6:根據各性能指標優先級權重計算各性能指標的標么化誤差的標么化加權 均值ε/，執行步驟7。
[0058] 步驟7:判斷標幺化加權均值ε/是否達到設定的最小值ewmin'若是則執行步驟8， 否則返回步驟3。
[0059] 步驟8:相應的系統模型參數0:為最優模型參數，將該系統模型參數Θ:輸出。
[0060] 標么值是電力系統分析和工程計算中常用的數值標記方法，具有簡化計算、沒有 量綱、易于比較等優點。本發明應用《導則》中規定的誤差指標，建立了勵磁系統性能誤差指 標的標么化規則，具體計算方法如下：
[0061 ]設各性能指標的誤差值為εi，i = 1，2，3，其中ε i為上升時間誤差值，ε2為峰值時間 誤差值，ε3為超調量誤差值。選取《導則》規定的誤差范圍臨界值作為各性能指標的標幺基 值￡^，對誤差指標進行標么化去量綱處理，并取其絕對值得到勵磁系統性能誤差指標的標 幺值 εΛ具體地：
[0062] (a)求取各性能指標的誤差值h，i = 1，2，3，其中ει為上升時間誤差值，￡2為峰值時 間誤差值，ε3為超調量誤差值：
[0064]其中，TupR為試驗輸出信號的峰值時間，TpR為試驗輸出信號的峰值時間，MpR為試驗 輸出信號的超調量，TupI為仿真輸出信號的峰值時間，TPI為仿真輸出信號的峰值時間，M PI為 仿真輸出信號的超調量；
[0065] (b)對各性能指標的誤差值￡ i進行標么化處理：
[0069]其中，ε，為對應的各性能指標的標幺化誤差，elb為各性能指標的標幺基值，i = l， 2,3〇
[0070]進行標么化處理后，勵磁系統仿真與實測的偏差允許標么值如表2所示。
[0071]表2勵磁系統仿真與實測的偏差允許標幺值
[0073] 勵磁系統階躍響應指標的誤差反映了勵磁系統模型參數的誤差。勵磁系統模型參 數辨識優化算法以上升時間、峰值時間、超調量三項誤差指標的標么值作為計算對象，通過 數學分析得到最優解約束條件，進而在符合導則約束的解集簇中選擇出最優解。
[0074] 本發明選擇優先級排序模型來確定最優解約束條件。基于多屬性決策的需求優先 級排序是一項重要的思想，能夠在有限資源的情況下確保重要的緊迫的需求得以優先實 現，在項目開發、目標優化、風險評估等方面有著廣泛的應用。其原理是:判斷各屬性對最終 決策結果產生的影響，并根據影響的重要程度對屬性進行排序;在制定決策時，優先滿足優 先級較高的屬性。統計學認為，在計算若干個數量的平均數等指標時，為了考慮到每個數量 在總量中所具有的重要性不同可以給予不同的權重，故本發明采用加權的思想反映在數學 模型上，優先級越高，權值越大。勵磁系統模型參數辨識的優先級排序模型的元素如表3所 不。
[0075] 表3勵磁系統模型參數辨識的優先級排序模型
[0077]根據優先級排序的模型，提出勵磁系統模型參數辨識優化方法，思路是:針對電力 系統各類運行工況差異化的調節要求，若某一性能誤差指標在當前運行工況下更為重要， 則指定該指標作為優先評估指標，并賦予該指標較大的權重。對三項性能誤差指標進行加 權求和計算，加權均值處于最小值時對應的系統參數即為當前運行工況下的最優解。其數 學模型如下。
[0078]設勵磁系統模型真實參數為0R，當勵磁系統模型仿真參數為，各項評估指標的 仿真值與真實值之間的誤差為^，其中i = l，2,3分別代表上升時間、峰值時間、超調量。每 一組0:均可計算得到相對應的￡1，8卩￡1是01的函數：
[0079] ei = F(0i)
[0080] ει$首先應該滿足《導則》標準規定的允許范圍。根據基于標幺化規則的勵磁系統性 能誤差指標的數學模型，誤差指標應滿足：
[0081] ei*e[0,l]
[0082] 然后在符合導則約束的解集中進行尋優操作。設定各項指標的優先權重為1，其 中i = 1，2，3分別代表上升時間、峰值時間、超調量。Wi值位于0和1之間，且Wi值越大，代表該 項指標具有越高的優先級。根據加權的相關理論，三項^值的和為1。計算各性能指標誤差 值的標么化加權均值 <，計算公式為：
[0084]其中，η為性能指標的總個數。
[0085]以上述方程作為最優解判定函數，尋找判定函數達到最小值時的系統模型參 數
[0087]此時得到的仿真參數0_最接近實際參數0R，即為相應優先級權重下的最優解。 [0088]本發明以某發電機組勵磁系統空載階躍響應試驗為例，考慮三項指標等價最優運 行工況，應用提出的參數辨識優化方法進行勵磁系統模型的參數辨識。首先在MATLAB/ Simulink中搭建勵磁系統仿真模型，進行勵磁系統空載電壓階躍仿真;再依據傳統BPA校核 的流程，搭建單機無窮大系統，完成潮流計算和負荷切除擾動試驗的校核。該發電機組選取 交流無刷勵磁機作為勵磁功率源，采用Alstom勵磁控制器進行勵磁調節，其勵磁系統模型 框圖如圖2所示，圖中al為階躍輸入信號，a2為控制環節，采用PID控制器，a3為放大單元，a4 為勵磁單元，a5為發電機模型單元，a6為輸出單元，a7為勵磁穩定反饋單元，a8為測量單元。 系統模型待辨識參數為控制環節PID參數，實際上該模型中的控制環節采用的是PI控制器 上述四種運行工況最優解約束的優先級權重取值如表4所示。
[0089]表4最優解約束的優先級權重
[0091]勵磁系統模型參數辨識結果如表5所示，誤差指標及其標么值如表6所示。可知，仿 真實測對比曲線均具有一定的形狀相似性，對應運行工況的調節要求，其調節效果具有不 同的傾向性；由表1、表2和表6可知四組辨識結果均符合《導則》標準規定的誤差范圍，在不 涉及到綜合評估時，是否進行指標標么化的計算并不影響判斷結果;但需要進行綜合評估 時，標么化后的誤差指標處在同一數量級下，消除了不同量綱的影響，實現了對三項誤差指 標的綜合考慮。
[0092]表5勵磁系統模型參數辨識結果
[0094]表6勵磁系統模型參數誤差指標及其標幺值
[0096] 按四種運行工況導則約束進行加權均值計算的結果如表7為所示。表7為不同判定 準則下誤差指標加權均值。
[0097] 表7不同判定準則下誤差指標加權均值
[0099]由表7可知，在同一導則約束下，當特定的運行工況和對應的導則約束相互匹配 時，通過該組辨識參數計算出的指標誤差加權均值最小，即應用優化辨識算法得到的系統 參數在指定約束條件下的精確性最高。
【主權項】
1. 一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在于，該方法包括如下步 驟： (1) 對同步發電機勵磁系統進行空載階躍響應試驗，獲取試驗輸出信號化； (2) 搭建勵磁系統仿真模型，確立標么化導則約束J; (3) 修改仿真模型的系統模型參數θι; (4) 對仿真模型施加與試驗相同的激勵信號，獲取仿真輸出信號Υι; (5) 計算試驗輸出信號化和仿真輸出信號Υι的各性能指標的標么化誤差，分別判斷第i 個性能指標的標么化誤差61^是否滿足標么化導則約束1，若是則執行步驟(6)，否則返回步 驟(3); (6) 根據各性能指標的標么化誤差對系統模型參數θι進行優化，獲取優化的最優模型參 數并輸出。2. 根據權利要求1所述的一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在 于，所述的性能指標的標么化誤差包括上升時間的標么化誤差、峰值時間的標么化誤差和 超調量的標么化誤差。3. 根據權利要求1所述的一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在 于，步驟(5)中標么化誤差ει氣十算方式如下： (501) 求取各性能指標的誤差值61，1 = 1，2,3，其中61為上升時間誤差值，62為峰值時間 誤差值，63為超調量誤差值：其中，TupR為試驗輸出信號的峰值時間，TpR為試驗輸出信號的峰值時間，MpR為試驗輸出 信號的超調量，Tupl為仿真輸出信號的峰值時間，Τρ?為仿真輸出信號的峰值時間，Mpl為仿真 輸出信號的超調量； (502) 對各性能指標的誤差值ει進行標么化處理：其中，ει%對應的各性能指標的標么化誤差，Eib為各性能指標的標么基值，i = l，2,3。4. 根據權利要求1所述的一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在 于，所述的步驟(6)采用根據各性能指標的標么化誤差對系統模型參數θι進行優化具體為： (601) 確定各性能指標的標么化誤差的優先級權重，記第i個性能指標的標么化誤差優 先級權重為Wi; (602) 根據各性能指標的標么化誤差的優先級權重計算各性能指標的標么化誤差的標 么化加權均值εΛ (603) 判斷標么化加權均值ε/是否達到設定的最小值ε^ιΛ若是則相應的系統模型參 數9i為最優模型參數并輸出，否則返回步驟(3)。5. 根據權利要求4所述的一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在 于，各性能指標的標么化誤差的優先級權重按照對應的性能指標的優先排序進行確定，且 滿足： 其中，η為性能指標的總個數。6. 根據權利要求4所述的一種同步發電機勵磁系統模型參數辨識優化方法，其特征在 于，步驟(602)標么化加權均值ε/計算公式為： 其中，η為性能指標的總個數。
【文檔編號】G06Q50/06GK106097157SQ201610583686
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610583686.0, CN 106097157 A, CN 106097157A, CN 201610583686, CN-A-106097157, CN106097157 A, CN106097157A, CN201610583686, CN201610583686.0
【發明人】沈小軍, 李梧桐, 喬冠倫
【申請人】同濟大學