一种基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法

1.一种基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法，其特征在于包括如下步骤：第一步：针对电网中同步发电系统的非线性特性和机电暂态过程特征，对其建立包含发电机本体四阶、励磁器四阶以及调速器一阶的同步发电系统模型；发电机本体四阶模型为：其中：励磁器四阶模型为：调速器一阶模型为：其中， 表示相应变量对时间t的导数，δ、ω、E' q 、E' d 分别代表发电机的功角、发电机转子角速度、q轴暂态电势和d轴暂态电势，ω s 代表电网同步转速，P m 和P e 分别代表发电机机械功率和发电机电磁功率，I d 和I q 分别代表发电机的d轴电流和q轴电流，V d 和V q 分别代表发电机的d轴电压和q轴电压，D代表发电机的阻尼，T j 、T' d0 、T' q0 分别代表发电机惯性时间常数，发电机d轴暂态时间常数和发电机q轴暂态时间常数，X d 、X q 、X' d 、X' q 分别代表发电机d轴电抗，发电机q轴电抗，发电机d轴暂态电抗和发电机q轴暂态电抗；K a 、T f 、K f 、T e 、T r 、T a 、A e 、B e 是在励磁器的控制运行中能够镇定的参数，v f 代表发电机的励磁电压，v r1 和v r2 代表控制系统的中间环节，V代表发电机的机端电压，v m 代表电压状态变量，v ref 代表机端电压参考值，R、T 1 、T 2 是在调速器的控制运行中能够镇定的参数，ω ref 代表发电机角速度的参考值，t g 代表调速器状态变量；第二步：建立待估计状态变量集合，待估计状态变量包含发电机功角δ、发电机转子角速度ω、发电机的q轴暂态电势E' q 、发电机的d轴暂态电势E' d 、励磁系统状态变量v m ，v r1 ，v r2 ，v f 和调速系统特征变量t g ；第三步：构造同步发电系统量测模型；Δω＝ω-ω ref其中，V x 和V y 分别代表发电机机端电压的有功分量和无功分量；Δω代表发电机转子角速度与转子参考角速度的差；第四步：采集电网k时刻同步向量测量装置提供的外部量测数据，包括发电机有功功率P、发电机无功功率Q、发电机转子角速度ω、发电机输出电流有功分量I r 和电流无功分量I i ；第五步：根据外部采集的实时量测数据和同步发电系统内部状态变量确定k时刻加权最小二乘形式的目标函数；第六步；对同步发电系统的动态过程进行离散化，建立等式约束条件；第七步：求得算法所需的雅克比矩阵J和海森矩阵H；其中，其中，n c 代表状态变量的总数，x i 代表第i个状态变量，y表示输出变量，具体为上述第三步中的5个输出量测量，H T xi 代表H xi 的转置；c代表等式约束条件，c i 代表第i个等式约束条件；第八步：使用内点优化算法对同步发电机组动态状态估计问题进行求解，具体方式如下：首先将动态状态估计问题形成如下非线性规划问题：s.t.c(z)＝0其中， 代表目标函数，c代表等式约束条件；z代表所有变量，包括所有状态变量x和所有输出变量y；随后引入松弛变量，构造拉格朗日函数：其中，向量λ表示等式约束的拉格朗日乘子；在优化问题的最优点拉格朗日函数L相对于待求变量和拉格朗日乘子都等于零，利用牛顿迭代法对问题进行求解：其中，矩阵J、H分别表示之前步骤求得的雅克比矩阵和海森矩阵；J T 表示J的转置； 表示微分算子；Δz代表变量z的修正量，Δλ代表拉格朗日乘子λ的修正量；求得k时刻同步发电系统内部不易直接测量的发电机功角δ、发电机转子角速度ω、发电机的q轴暂态电势E' q 、发电机的d轴暂态电势E' d 、励磁系统状态变量v m 、v r1 、v r2 、v f 和调速系统特征变量t g ，准确得到电网同步发电系统的内部状态；第九步：将k置为k+1；第十步：重复以上第四步到第九步，直到k达到k max ；其中k max 代表状态估计采样时刻的总数；第十一步：根据每一时刻求解的状态变量，跟踪电网同步发电系统的动态状态。 2.根据权利要求1所述的基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法，其特征在于：所述的第二步中，待估计状态变量集合包括：发电机内部状态变量集合：x g ＝[δ ω E' q E' d ]励磁器内部状态变量集合：x l ＝[v m v r1 v r2 v f ]调速器内部状态变量集合：x t ＝[t g ]。 3.根据权利要求1所述的基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法，其特征在于：所述的第五步中，构造的目标函数具有如下加权最小二乘形式： 表示输出变量的同步向量测量装置的第i个量测值，y i 表示第i个输出变量，W y -1 代表一个正定的权重矩阵，为输出量测误差的协方差矩阵的逆。 4.根据权利要求1所述的基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法，其特征在于：所述的第六步中，离散化策略具体为：其中，Δt表示时间步长，k表示第k个时间步，x i (k)表示k时刻第i个离散状态变量，y i (k)表示k时刻第i个输出变量，u i (k)表示k时刻第i个输入变量，f i (x i (k),u i (k))表示k时刻同步发电系统的状态方程，h i (x i (k),u i (k))表示k时刻的量测方程。 5.根据权利要求1所述的基于内点优化算法的同步发电系统动态状态估计方法，其特征在于：所述的第十一步中，将不同时刻求解的状态变量按时序做出变化曲线，通过曲线变化跟踪电网同步发电系统的动态状态。