维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期 浙江电力 ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 发电机励磁系统建模、参数辨识及数据库的研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ａｎｄ Ｄａｔａｂａｓｅ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｏ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 王贯义 ，蒋 平 ，徐 珂 ，黄松涛。 （１．东南大学电气工程学院，江苏南京２１００９６；２．江苏省电力试验研究院，江苏南京２１００３６） 摘要：随着电网规模的不断扩大，发电机组出Ｈ容量和电压等级的提高，对机组运行稳定性的要求 也随之提高；而发电机励磁系统对电力系统的稳定控制具有重要作用。以江苏电网大型机组励磁系 统为研究对象，简述了励磁系统现场实测建模的方法，利用ＰＳＡＳＰ软件的自定义建模功能对励磁系 统进行自定义建模，并在此基础上通过模型参数辨识将自定义模型转化为ＰＳＡＳＰ及ＰＳＳ／Ｅ两个软件 下的标准模型，最后建立了励磁系统ＷＥＢ数据库。 关键词：发电机；励磁系统；建模；参数辨识；数据库；仿真 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｎ ａｇｅ ｏｆ ｂｉｇ ｓｃａｌｅ，ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｅｘｉｇｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ（ｉｎｃｌｕｄｅ ＡＶＲ ａｎｄ ＰＳＳ）ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｐｌａｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｉｎ Ｊｉａｎｇｓｕ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｃｒｅａｔｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｕｓｅｒ－ｄｅｆｉｎｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＳＡＳＰ，ｃｏｎｖｅｒｔｓ ｔｈｅ ＵＳ— ｅｒ－ｄｅｆｉｎｅｄ ｍｏｄｅｌｓ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ＰＳＡＳＰ ａｎｄ ＰＳＳ／Ｅ ａｎｄ ａｔ ｌａｓｔ，ｅｓｔｂａｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ＷＥＢ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄａｔａｂａｓｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＭ７４４：ＴＰ３９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—１８８１（２００７）０４—０００１—０４ 近年来，大型发电机普遍采用快速励磁 态稳定矛盾越来越突出。因此，作为开展电 调节器，降低了系统阻尼，对联系较弱的系 力系统稳定性分析的基础，对发电机励磁系 统影响尤其明显，系统出现弱阻尼甚至负阻 统进行计算和仿真软件下的精确建模及参数 尼，从而导致系统低频振荡的发生，因此能 辨识具有重要的意义。 增加系统阻尼的电力系统稳定器（ＰＳＳ）的投用 通过对江苏电网典型大机组励磁系统的 成为了必然。 现场测试及仿真分析，确定其参数。本文根 到目前为止，江苏电网拥有１００ ＭＷ及以 据励磁系统的原模型和现场测试所得模型， 上容量的机组近百台。随着大容量机组的不 采用自定义建模的方法在ＰＳＡＳＰ软件中建立 断增加、快速励磁系统的广泛采用，以及阳 ＡＶＲ和ＰＳＳ的计算模型；应用参数辨识的方 城电厂向江苏远距离送电、三峡向华东电网 法把自定义模型转换为ＰＳＡＳＰ和ＰＳＳ／Ｅ软件 送电、福建与华东电网联网、山东与华东电 可直接调用的标准模型；在此基础上建立江 网联网以及全国联网工程的逐步实施，系统 苏电网励磁系统数据库，为江苏电网的稳定 出现低频振荡的可能性越来越大，电网的静 性仿真分析和研究奠定了基础。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２ 浙江电力 ２００７年第４期 １励磁系统实测建模 的机组有近４０台。我们在２００ ＭＷ及以上的 机组中根据不同容量、不同制造厂、不同励 １．１ ＡＶＲ实测建模的３个步骤 磁调节器，进行了全面的现场测试，取得了 （１）现场实测：主要在发电机空载运行工 大量数据，为自定义建模和参数辨识打下基 况下进行，以获得计算模型参数时必需的实 础。 测数据和进行仿真计算时作为对照的实际频 率响应特性和阶跃响应特性。 ２励磁系统自定义建模 （２）模型参数的计算：根据得到的发电机 应用电力系统分析综合程序（ＰＳＡＳＰ）建立 励磁系统运行数据，结合厂家提供的一些参 自定义模型的方法如下ｎ］： 数，计算出模型中的实际参数。 （１）首先根据其物理特性及实测数据建立 （３）仿真计算：根据计算得到的励磁机和 该装置的数学模型。 发电机模型，分别对它们进行频率响应的仿 （２）根据数学模型对该系统作初值平衡， 真计算，并与实测得到的频率响应相比较， 然后利用ＰＳＡＳＰ提供的各种功能框以及标准输 最终确定励磁系统的模型参数。 入输出信息，建立该系统用户自定义模型［２】。 １．２ ＰＳＳ模型与参数整定 （３）根据模型的自定义框图，即可在 ＰＳＳ的现场试验要求在发电机带额定有 ＰＳＡＳＰ编辑环境中建立该模型。 功功率和功率因数接近１且不带厂用电时进 下面给出了江苏电网中常用的南自厂 行，试验期间尽可能保持机组有功出力恒 ＷＫＫＬ一１型ＡＶＲ交流励磁机的数学模型（图 定。ＰＳＳ参数的整定过程如下： １）以及初值平衡后的自定义模型（图２）。 （１）在ＰＳＳ未投入时对发电机进行电压给 定阶跃响应试验，以观察机组对低频振荡的 ３励磁系统模型参数辨识 阻尼情况，并获得本机振荡的频率。 ３．１参数辨识的主要内容 （２）测出励磁系统的滞后特性以决定需要 将采用ＰＳＡＳＰ软件自定义建模功能建立 补偿的量，然后计算ＰＳＳ中各时间常数的 的励磁系统（包括ＡＶＲ和ＰＳＳ）模型，通过参 值。 数辨识的方法转换为ＰＳＡＳＰ和ＰＳＳ／Ｅ两种软 （３）通过试验得出ＰＳＳ临界增益，以确定 件下的标准模型，并进行仿真分析，以检验 ＰＳＳ的放大倍数。 参数辨识结果的正确性。 （４）投入ＰＳＳ，再对发电机进行电压给定 ３．２参数辨识的方法简介 阶跃响应试验，并将其结果与未投人ＰＳＳ时 励磁系统参数辨识采用基于经典辨识理 所做的电压给定阶跃试验的结果进行比较检 论的非参数型间接辨识法，根据待辨识励磁 验，改进结果。 系统模型的特点，确定采用适用于连续系统 １．３现场实测的基本情况 辨识的时域ＰＬＰＦ法 ］。 江苏省已投运机组较多，２００ ＭＷ及以上 设待辨识系统为一单输人单输出模型： 图Ｉ ＷＫＫＬ—Ｉ型ＡＶＲ和交流励磁机的数学模型 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期 王贯义，等：发电机励磁系统建模、参数辨识及数据库的研究 ３ ＋０ 一ｌ 一 ＋…０ｌＹ ＋００Ｙ０＝ 其中：０ ＝［ 一 ，ａ ，ａ０，Ｐｏ， －．， ］ Ｐｏ“。＋ ｌ“ ＋…＋ “ （１） 这样就可用最小二乘法来求 一 一，ａ ， 假设为零初始条件，对（１）式求积分： ａｏ，Ｐｏ， 一， ，然后根据各阶系数的对应关 ，，ｃ ｔ ＋￣ｎ－Ｉ』 ，，ｃ ｓ ｄｓ＋…＋。。』 …』 ｃ ｄ ： 系，得到模型框图中各传递函数的参数。 ３．３励磁系统参数辨识的基本步骤及过程 』 …』 “ｃ ｓ ｄｓ ＋…＋ 』 …Ｊ “ｃ ｄ — 励磁系统参数辨识工作的任务是将自定 义模型转换为ＰＳＡＳＰ和ＰＳＳ／Ｅ软件下的标准 （２） 模型。辨识工作在双机系统中进行，具体步 因此，只要求出“和Ｙ的重积分，估计 骤如下： 模型就成为代数方程了。 （１）在ＰＳＡＳＰ与ＰＳＳ／Ｅ两种软件下建立完 用离散数据向量与一个函数的内积表示 全一致的参数辨识所用双机系统网络。 输入输出，即： （２）选择合适的网络故障信号为输入信 “（ｔ）＝ （ｔ） （３） 号，将励磁系统原模型最后的输出信号以及 Ｙ（ｔ）＝Ｙ （ｔ） （４） 模型中各个模块的输出信号以０．００１ ｓ为采样 定义运算矩阵日： 间隔输出到文件，保存起来供参数辨识程序 ｆｌ ｔ （ｓ）ｄｓ＝肿（ｔ） （５） 调用处理。 （３）在ＰＳＡＳＰ及ＰＳＳ／Ｅ两种软件自带的模 这样（２）式变为： Ｙ （ｔ）＋ Ｙ 肿 型库里选择结构阶数都与原模型接近的作为 （ｔ）＋…＋０ｌ Ｙ Ｈ 一 （ｔ） ＋００ Ｙ Ｈ （ｔ）＝ 目标模型，使用辨识程序调用原模型的输人 Ｈ （ｔ）＋…＋ Ｈ （ｔ）（６） 输出信号数据文件进行辨识，确定目标模型 从而将原来的微分方程变成了离散形式 的参数。 的代数方程，即： （４）把参数辨识得到的目标模型在两种软 ＾一ｌ ＾ ｌ 件下用双机系统分别进行相同条件的仿真试 一∑ ｙ 一 ＋∑Ｓｕ Ｈ…＝ｙ （７） ＝０ ＝０ 验，将仿真结果同原模型的仿真结果比较， 如果有ｍ个采样点，则上式包含有ｍ个 以检验辨识结果的准确性。 方程，ｋ＋ｎ＋１个位置参数，因此必须满足 ３．４参数辨识的结果 ｍ＞ｋ＋ｎ＋１。将上式写成矩阵形式： 以南自厂ＷＫＫＬ一１型ＡＶＲ交流励磁机的 １１７０：Ｙ （８） 励磁系统为例，给出辨识所得模型与原模型 图２ ＷＫＫＬ—ｌ型ＡＶＲ和交流励磁机的自定义模型框图 维普资讯 http://www.cqvip.com ４ 浙江电力 ２００７年第４期 １Ｊ自定义模型仿真结 『＼ ／＾＼ ｐ Ａ ｐ，Ｆ耋窿； 砧 ／ ’ ｌ ‘１ ４ ＼ ｌ ｊ 定义模 型仿真结剽 ｝ — ＳＳ／Ｅ辨识结 － ， ＼ ／、 ／＾＼ ｆ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ７ ’ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ［ ’ ＼一 Ｊ ｋ．Ｊ， 辨识结 Ｖ 一＼ ＰＳＡＳＰ￣谀结粜ｌ 时间ｔ， ｌ时间ｔ／ｓ （ａ）励隘电压仿真比较 （ｂ）功率仿真比较 图３辨识结果 在两种软件中同一种故障下暂态稳定仿真结果 比较（如图３），可见辨识结果是比较理想的。 磁系统模型进行电网的潮流或稳定计算。 ５ 结语 ２００２年以来，完成了江苏电网中８Ｏ多台 大机组励磁系统的现场测试、自定义建模与参 数辨识工作，建立了江苏电网励磁系统ＷＥＢ 数据库，为电力系统调度及研究人员对励磁系 ４励磁系统ＷＥＢ数据库 江苏电网励磁系统网络数据库是在对江 苏电网典型大机组励磁系统（包括ＡＶＲ和 ＰＳＳ）进行现场测试、自定义建模和参数辨识 所得各种模型的基础上，形成江苏电网大容 量发电机组励磁系统在ＰＳＡＳＰ下的励磁系统 自定义和标准模型库以及ＰＳＳ／Ｅ软件下的励 磁系统标准模型库，采用网络和数据库技术 统参数管理和应用提供了方便，也为发电机组 励磁系统实际运行参数整定提供了依据。 参考文献： ［１］ＰＳＡＳＰ电力系统分析综合程序・暂态稳定用户手册 ［ｚ］．中国电力科学研究院，１９９３． ［２］ 周泽昕．建立自定义模型时的初值平衡问题［Ｊ］．电 网技术，１９９６，２０（１）：１５—１９． ［３】 鞠平．电力系统非线性辨识［Ｍ】．南京：河海大学 出版社，１９９９． 建立相应模型参数的网络数据库。 在励磁系统网络数据库中，可以用１台 计算机作为数据库服务器，存放ＳＱＬ ＳＥＲＶＥＲ 的后台数据库。ＷＥＢ数据库的用户只需通过 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｐｌｏｒｅ或者其他浏览器，便可查看励 磁系统数据库，拥有操作权限的用户还可在 网上直接对数据库进行添加、修改及删除等 操作。该网络数据库还实现了数据库与电科 院仿真软件ＰＳＡＳＰ以及国外著名软件ＰＳＳ／Ｅ 的数据接Ｅｌ，用户可上网对数据库操作，通 过ＷＥＢ数据库中的数据库转换功能，可将励 收稿日期：２００７—０４—１８ 作者简介：王贯义（１９８３一），男，江苏常熟人，硕士研究 生，从事电力系统运行控制研究。 磁系统模型参数转换为ＰＳＡＳＰ或ＰＳＳ／Ｅ软件的 数据文件格式，在相应的软件环境调用这些励 蒋平（１９５４一），男，江苏溧阳人，教授，从事电力系 统运行控制和电力电子在电力系统应用的研究。
