基于感應電動機的負荷模型參數(shù)辨識研究及引力波的實驗探測給我們的啟示

xx學院畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：基于感應電動機的負荷模型參數(shù)辨識研究課題類別：設計學生姓名：學號：班級：專業(yè)（全稱）：指導教師：2021年4月一、本課題設計（研究）的目的：了解電力系統(tǒng)負荷建模重要性的基礎上，掌握電力負荷模型的基本概念及分類，重點掌握靜態(tài)負荷模型、動態(tài)負荷模型并建立綜合負荷的概念。了解電力系統(tǒng)負荷建模的方法及研究現(xiàn)狀的基礎上，重點研究動態(tài)負荷模型中的感應電動機模型。掌握感應電動機模型的結構特點及待辨識參數(shù)的物理意義。理解感應電動機負荷模型參數(shù)辨識實現(xiàn)過程，通過感應電動機的三種綜合負荷模型對樣本進行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負荷的描述效果。二、設計（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻綜述）：隨著我國主要電網互聯(lián)進程的推進，電網的復雜程度愈來愈高，其動態(tài)穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性問題愈來愈突出，負荷模型對系統(tǒng)計算結果的影響已變得不容忽視。在東北—華北交流聯(lián)網系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和東北—華北聯(lián)網工程調試等工程項目的研究中，采用的負荷模型和參數(shù)嚴重地影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性計算結果的可信度，給決策方案的取舍帶來了一定困難。為了解決這一問題，必須探索適用于我國現(xiàn)階段大規(guī)模互聯(lián)電網的負荷模型和建模方法。由于電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已被廣泛應用于電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、運行和研究等領域，數(shù)字仿真結果常常被作為相關決策的依據，因此仿真的準確度愈來愈受到重視。隨著研究的深入，最后將負荷模型從恒電流模型改成電動機加上某種靜態(tài)負荷的模型后，仿真結果才與現(xiàn)場記錄相一致，這充分說明目前用于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型或參數(shù)改進而建立和使用基于實測數(shù)據的負荷模型具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，負荷建模方法可歸納為兩類，即統(tǒng)計綜合法和總體測辨法。在過去的20年中，對于采用上述兩種方法進行負荷建模的研究已取得了許多成果。由于電網運行水平越來越接近于極限以及大量電力電子設備的涌現(xiàn)，導致了20世紀70—80年代建立的負荷模型已不適用于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真。因此，電力系統(tǒng)負荷建模被列為重大研究課題之一，旨在建立更為精確的負荷模型以滿足電力系統(tǒng)動態(tài)在線安全穩(wěn)定評估的需要。綜觀國內外近30多年來的研究成果，負荷建模工作主要集中在如下幾個方面：一是負荷模型結構的研究——主要提出的模型分為靜態(tài)和動態(tài)負荷模型兩類，靜態(tài)負荷模型結構主要為冪函數(shù)和多項式負荷模型，具體有恒功率、恒阻抗、恒電流負荷模型及其綜合的ZIP模型以及發(fā)展的任意多項式模型、冪函數(shù)模型；動態(tài)模型分為機理和非機理模型，機理模型又名感應電動機模型，由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷中占有比例較大，對系統(tǒng)運行與控制有很大影響，更是主要的動態(tài)負荷，也是本文研究的重點。同時由于感應電動機模型應用廣泛，人們根據其不同的應用領域和分析計算目的提出了多種感應電動機模型，感應電動機模型根據所考慮的暫態(tài)過程不同可分為五階感應電動機模型、三階感應電動機模型和一階感應電動機模型。近來,又有人提出了一階的電壓暫態(tài)模型。較詳細的模型是五階電磁暫態(tài)模型，它考慮了定子繞組、轉子繞組的電磁暫態(tài)特性以及轉子的機械暫態(tài)特性。當忽略定子繞組的電磁暫態(tài)特性時可得到三階機電暫態(tài)模型。如果進一步忽略轉子繞組的電磁暫態(tài)即可獲得一階機械暫態(tài)模型。二是模型參數(shù)的辨識算法的研究，負荷模型確定后的參數(shù)辨識相對來說比較容易，其實質是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問題。對于靜態(tài)負荷模型可采用求解非線性最小二乘問題的牛頓法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法。對于動態(tài)負荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準則，常用的準則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準則確定后，參數(shù)辨識問題就變?yōu)榍竽硿蕜t函數(shù)達極值的優(yōu)化計算問題。尤其是遺傳算法[13](GA)作為一種有效的全局直接搜索方法，具有求解過程與梯度信息無關的優(yōu)點和將復雜的非線性問題經過有效搜索和動態(tài)演化而達到優(yōu)化狀態(tài)的特性，使得其在應用于復雜問題的優(yōu)化上具有很大的優(yōu)勢。因此，遺傳算法的提出為負荷建模的參數(shù)辨識開辟了新途徑。三是負荷模型對仿真計算（尤其是暫態(tài)穩(wěn)定計算）結果以及運行狀態(tài)的影響研究。四是不同激勵下負荷模型的適應能力、負荷模型的在線辨識與等值、負荷模型參數(shù)的分散性、靈敏性和可辨識性及其等負荷模型實踐中發(fā)展的理論與方法問題；五是負荷建模工程應用平臺的研制。由于電力負荷具有復雜性、分散性和隨機性等特點，建立完全精確的負荷模型絕非易事，只有通過事故分析或實驗結果進行校核、分析和修正才能逐步建立切合實際的、合理的負荷模型。且由于統(tǒng)計綜合法和總體測辨法各有特點，應充分發(fā)揮這兩種方法的優(yōu)勢，尤其要加快統(tǒng)計綜合法的研究步伐，在兩種方法之間取長補短，盡快建立適用于我國電力系統(tǒng)分析計算的負荷模型。根據各電網的實際情況和實測系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據研究適用于各電網的典型負荷模型，并通過專門的現(xiàn)場擾動試驗進行修正、確認是非常必要的。積極總結東北電網兩次大擾動試驗的仿真分析結果，開展考慮配電網絡的SLM在各區(qū)域電網的適用性研究，建立適用于全國聯(lián)網穩(wěn)定計算的負荷模型。三、設計（研究）的重點與難點，擬采用的途徑（研究手段）：本課題要求在深入了解電力系統(tǒng)負荷建模的方法及研究現(xiàn)狀的基礎上，重點研究三階感應電動機負荷模型。難點在于分別采用三階機電暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型、一階機械暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型、一階電壓暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型三種綜合負荷模型對樣本進行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負荷的描述效果。研究手段通過負荷特性數(shù)據對所建立的模型進行仿真分析，并利用Matlab軟件編程進行仿真。四、設計（研究）進度計劃：第4-5周收集國內外關于靜態(tài)負荷動態(tài)負荷模型的相關資料；第6-7周建立感應電動機負荷模型的基本概念和參數(shù)的辨識方法；第8-9周分析綜合負荷模型在描述電力負荷時所具有的的優(yōu)點；第10-11周掌握綜合負荷模型的結構特點及待辨識參數(shù)的物理意義；第12-13周確定在利用感應電動機負荷模型進行參數(shù)辨識時所要用到的辨識方法；第14-15周建立模型并對模型進行仿真分析；第16周總結課題及設計成果。五、參考文獻：[1]鞠平，電力系統(tǒng)負荷建模理論與實踐[J]，電力系統(tǒng)自動化，2021，23(19)：1-7。[2]沈峰，電力負荷建模及其應用的研究[D]，鄭州,鄭州大學，2021[3]賀仁睦，電力系統(tǒng)精確仿真與負荷模型實用化[J]，電力系統(tǒng)自動化，2021,28(16)：4-7[4]周文,賀仁睦,章健，電力負荷建模問題研究綜述[J]，現(xiàn)代電力,2021,16(2)：83-89[5]衛(wèi)志農，鞠平.電力負荷在線建模方法[J].中國電機工程學報,1995,15(6)：361-368[6]鞠平，馬大強，電力系統(tǒng)負荷建模[M]，北京：水利電力出版社，1995，54-56。[7]陳寶林，最優(yōu)化理論與算法[M]，北京：清華大學出版社，1993[8]金艷，綜合動態(tài)負荷特性的分類與綜合研究[D]，南京，河海大學，2021[9]郭建，基于負荷導納模型的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[D]，太原，太原理工大學.2021[10]鄭慧嬈，陳紹林，莫忠良，數(shù)值計算方法[M],武漢：武漢大學出版社,2021[11]祝晶，基于統(tǒng)計綜合法的負荷建模理論和方法研究[D]，湖南：湖南大學，2021[12]JamesB.PattonJovanIliC.AggregateLoadParameterIdentificationUsingGeneralRegressionNeuralNetworks.IEEETransonPowerSystems.2021,13(2)：663-668[13]張紅斌，電力系統(tǒng)負荷模型結構與參數(shù)辨識的研究[D]，華北電力，2021。[14]張紅斌，湯涌，張東霞，侯俊賢，負荷建模技術的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向[J]，北京：中國電力科學研究院，2021[15]鞠平，潘學萍，韓敬東，三種感應電動機綜合負荷模型的比較[J]，南京：河海大學，2021[16]GeneralElectricCompany.Loadmodelingforpowerflowandtransientstabilitycomputerstudies.EPRIReportEL-5003,January1987.(Thefourlames;LOADSYNcomputerprogram).指導教師意見簽名：月日教研室（學術小組）意見教研室主任（學術小組長）（簽章）：月日目錄摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2第一章緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2電力系統(tǒng)負荷建模的重要意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3負荷模型對潮流計算的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3負荷模型對小擾動穩(wěn)定的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41．3電力系統(tǒng)負荷建模的發(fā)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41．4電力負荷建模的研究現(xiàn)狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．4．1負荷模型的基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．4．2負荷建模的方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71．4．3負荷模型的分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81．4．3．1靜態(tài)負荷模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81．4．3．2動態(tài)負荷模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81．4．4負荷建模辨識算法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91．5本文研究內容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9摘要：電力負荷作為電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，在電力系統(tǒng)的規(guī)劃設計、運行和控制中有著重要的影響，受到國內外電力學者的高度重視。本文概述了電力系統(tǒng)負荷建模[6]的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了負荷建模的重要性、基本概念、方法、常見模型及其參數(shù)可辨識性問題和辨識方法。在分析比較現(xiàn)有負荷模型結構的基礎上，由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷中占有較大的比重，對系統(tǒng)的運行與控制有很大影響，因此本文對動態(tài)負荷模型中的感應電動機模型[6]進行參數(shù)辨識研究。關鍵詞：電力系統(tǒng)、負荷模型、感應電動機模型、辨識算法第一章緒論1．1研究背景：電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、電力網和電力負荷組成的電能生產、傳輸和轉化的系統(tǒng)，而電力負荷則是該系統(tǒng)中所有電力用戶的用電設備所消耗的電功率的總稱，有時也包括將這些用電設備連接起來的配電網。目前，我國正處于經濟快速發(fā)展的時期，電力系統(tǒng)也步入了大電網、超高壓、大機組、遠距離的時代，但由于目前的經濟發(fā)展速度遠遠超出了國家?guī)啄昵暗念A期，導致近些年來出現(xiàn)全國范圍內電力建設落后于國民經濟發(fā)展水平的局面，電力系統(tǒng)運行在接近電網極限輸送能力狀態(tài)的幾率大大增加，從而較大程度上存在著發(fā)生電壓崩潰事故的威脅。此外，隨著國民經濟的高速增長，電力建設落后于經濟發(fā)展速度的狀況不會在短時期內解決，遠距離重負荷輸電的局面將會日益突出。這就迫使電力系統(tǒng)運行于接近網絡極艱輸送能力的狀態(tài)。隨著我國電網規(guī)模不斷擴大，復雜程度越來越高，電網的動態(tài)穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性問題更加突出，負荷模型對電力系統(tǒng)數(shù)字仿真結果的影響不容忽視，近年來隨著研究的深入，負荷建模問題進一步引起了研究者的重視。在影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性諸多因素中，負荷特性是最活躍、最關鍵、最直接的因素，它從很大程度上決定了電壓失穩(wěn)和電壓崩潰的進程。負荷模型對潮流計算、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定性的計算結果影響較大，若不恰當?shù)呢摵赡Ｐ蜁沟糜嬎憬Y果與實際情況不一致，從而造成系統(tǒng)的潛在危險或造成不必要的浪費。因此，為了使系統(tǒng)分析結果更加可信，使分析真正起到定量作用，負荷模型為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和控制提供準確依據。有必要建立切合實際的負荷模型。1．2電力系統(tǒng)負荷建模的重要意義大量的仿真計算表明：負荷特性對電力系統(tǒng)仿真計算結果具有重要影響，表現(xiàn)在負荷模型的變化對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定以及潮流計算的結果具有不同程度的影響；在臨界情況下，將發(fā)生質的變化[6]。1．2．1負荷模型對潮流計算的影響：當電網運行條件好的時候，節(jié)點電壓幅值在額定值附近，采用恒功率模型的潮流計算并不存在收斂問題。但對于運行惡化的系統(tǒng)，如故障后斷開線路或切除發(fā)電機，系統(tǒng)中相應節(jié)點電壓偏離額定值較遠，采用恒功率的負荷模型時計算潮流就存在潮流收斂問題，此時若采用考慮實際負荷功率隨典雅變化的負荷模型時，潮流計算的收斂性就會得到一定的改善。實際的潮流收斂在降低的負荷有功、無功上，采用恰當?shù)呢摵赡Ｐ湍芨纳瞥绷鞯氖諗啃约坝嬎憔萚6]。1．2．2負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響：負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響是通過負荷功率隨電壓、頻率的變化影響作用在各發(fā)電機上的電磁功率，進而影響對各發(fā)電機起加速或者減速的剩余轉矩。也就是說，負荷消耗的功率隨電壓的變化將影響發(fā)電機的輸入輸出功率的不平衡，進而影響功角的偏移和系統(tǒng)第一擺的穩(wěn)定性。與其他的系統(tǒng)元件不同，由于電力系統(tǒng)的復雜性，同一種負荷特性處于系統(tǒng)的不同地點和在不同的故障條件下對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響不同，一個負荷模型我們不能一概而論采用它會得到保守的或樂觀的結果，必須根據相應的場景來確定，選擇合理的模型是得到正確結果的重要因素。仿真實例表明，對于電壓、頻率變化幅度很大的暫態(tài)過程，采用一般的適用于電壓變化幅度不大的靜態(tài)負荷模型是不合適的。當結果對負荷模型的靈敏度較高時，應當采用動態(tài)負荷模型。需強調的是負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響不僅與模型的結構與參數(shù)有關，還與具體的網絡結構，負荷在系統(tǒng)中的位置，故障點的位置等有關，負荷中電動機的機械轉動慣量也有較大的影響。在評價負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響時應著重注意模型對諸如最大傳輸功率、極限切除時間等穩(wěn)定極限的影響，而不應僅僅注意對個別發(fā)動機功角搖擺幅度的影響[6]。1．2．3負荷模型對小擾動穩(wěn)定的影響：區(qū)間震蕩可能涉及分布于系統(tǒng)中的許多發(fā)電機組，通常會造成系統(tǒng)電壓、區(qū)域頻率的顯著變化。在此情況下，負荷的電壓特性和頻率特性對震蕩的鎮(zhèn)定具有重要的影響。在小信號動態(tài)穩(wěn)定分析中，采用恒阻抗的負荷模型所得到的結果比精確結果要偏于樂觀[6]。1．2．4負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響：電壓穩(wěn)定的計算與電力系統(tǒng)其他的定量計算相比較，對負荷的依賴程度更強。在電壓穩(wěn)定問題分析的文獻中，凡提及對電壓穩(wěn)定影響因素及仿真元件模型時，必首推負荷特性和負荷模型，這是因為負荷特性是電壓失穩(wěn)過程中最活躍、最關鍵的因素。從許多學者對電壓穩(wěn)定問題的研究可以看出，盡管在負荷模型的具體選擇形式上還沒有達成統(tǒng)一，但是負荷模型的選擇對電壓穩(wěn)定計算結果具有重要影響。初步研究表明，對于恒定阻抗負荷的系統(tǒng)不會出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題，電壓穩(wěn)定問題常出現(xiàn)于長線路、重負荷且負荷具有在低電壓下功率自恢復特性系統(tǒng)[6]。1．3電力系統(tǒng)負荷建模的發(fā)展人們早在20世紀30、40年代就已經認識到負荷模型對電力系統(tǒng)分析的重要性，并開始研究負荷隨電壓和頻率變化的靜態(tài)和動態(tài)負荷特性，這一階段可以說是負荷建模的萌芽期。到了60－70年代，由于數(shù)字電子計算機及控制理論的發(fā)展，電力系統(tǒng)這門工程學科煥發(fā)了新的活力。人們大量采用計算機進行復雜電力系統(tǒng)的仿真，負荷建模工作有了相當?shù)倪M展，除提出了最常用的恒阻抗、恒電流和恒功率負荷模型以外，還在計算中采用了感應電動機、多項式和冪函數(shù)等負荷模型。這些負荷模型參數(shù)的確定當時主要靠定性估計，并輔以靜態(tài)函數(shù)擬合，系統(tǒng)辨識理論尚處在發(fā)展階段，還沒有廣泛引入到電力負荷建模中來。60年代末70年代初，由于對電力系統(tǒng)仿真計算精度要求的提高，發(fā)電機、原動機和調速系統(tǒng)等元件的模型愈來愈精確，而負荷模型由于其特殊的困難性基本上停留在原來的水平。為了開創(chuàng)負荷建模的新局面，美國電力科學研究院（EPRI）主持了一項龐大的研究計劃，其主要目的是致力于統(tǒng)計綜合法（Component-BasedModelingApproach）負荷建模的研究。研究工作在加拿大和美國同時展開，美國的Texas大學負責建模方法的研究，GE公司負責通過現(xiàn)場試驗對建模方法進行評價。該方法是在實驗室里確定每種典型負荷（例如熒光燈、電冰箱、工業(yè)電動機、空調等）的平均特性方程；然后在一個負荷點上統(tǒng)計一些特殊時刻負荷（如夏季峰值負荷、冬季峰值負荷）的組成，即每種典型負荷所占的百分比，以及配電線路和變壓器的數(shù)據，最后綜合這些數(shù)據得出該負荷點的負荷模型。EPRI經過多年的努力發(fā)表了許多研究報告，并且研制了到目前為止統(tǒng)計綜合法負荷建模中最具影響的軟件包[13]EPRILOADSYN。該軟件使用時需提供三種數(shù)據：負荷組成，即各類負荷（民用、商業(yè)、工業(yè)等）在總負荷中所占的百分比；各類負荷中各用電設備（熒光燈、電動機、空調等）所占比例；各用電設備的平均特性。但由使用者必須提供的只有第一種數(shù)據，后兩種數(shù)據可以采用軟件包提供的典型值。這給軟件包的使用者提供了一定的方便。80年代前后，隨著系統(tǒng)辨識理論的日趨豐富與完善，加之計算機數(shù)據采集與處理技術的發(fā)展，一種新的負荷建模方法——總體測辨法（Measurement-BasedModelingApproach）以其簡單、實用、數(shù)據直接來源于實際系統(tǒng)等多種優(yōu)點受到廣大電力負荷建模者的關注。該方法的基本思想是將負荷群作為一整體，先在現(xiàn)場進行人為擾動試驗或在線捕捉自然擾動，采集測量數(shù)據，然后由現(xiàn)場采集的數(shù)據辨識負荷模型的結構和參數(shù)，最后，再用大量的實測數(shù)據驗證模型的外推內差效果。中國、美國、加拿大等國相繼研制了大批電力負荷特性記錄儀用來記錄負荷擾動數(shù)據，并以這些測量數(shù)據作為依據和最終檢驗標準開展負荷特性研究工作，不斷吸收系統(tǒng)辨識理論的最新成果，推動負荷建模工作不斷向前發(fā)展。綜觀國內外近30多年來的研究成果，負荷建模工作主要集中在如下幾個方面：一是負荷模型結構的研究——主要提出的模型分為靜態(tài)和動態(tài)負荷模型兩類，靜態(tài)負荷模型結構主要為冪函數(shù)和多項式負荷模型，具體有恒功率、恒阻抗、恒電流負荷模型及其綜合的ZIP模型以及發(fā)展的任意多項式模型、冪函數(shù)模型；動態(tài)模型分為機理和非機理模型，機理模型又名感應電動機模型，由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷中占有比例較大，對系統(tǒng)運行與控制有很大影響，更是主要的動態(tài)負荷，同時也是本文研究的重點。同時由于感應電動機模型應用廣泛，人們根據其不同的應用領域和分析計算目的提出了多種感應電動機模型，感應電動機模型根據所考慮的暫態(tài)過程不同可分為五階感應電動機模型、三階感應電動機模型和一階感應電動機模型。較詳細的模型是五階電磁暫態(tài)模型，它考慮了定子繞組、轉子繞組的電磁暫態(tài)特性以及轉子的機械暫態(tài)特性。當忽略定子繞組的電磁暫態(tài)特性時可得到三階機電暫態(tài)模型。如果進一步忽略轉子繞組的電磁暫態(tài)即可獲得一階機械暫態(tài)模型。感應電動機模型在電力負荷中占有較大比重，對電力系統(tǒng)運行分析與控制具有很大的影響，很多電力負荷建模軟件包均包含感應電動機模型。常用的感應電動機模型為一階機械暫態(tài)模型和三階機電暫態(tài)模型，一般僅在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析中考慮感應電動機的五階電磁暫態(tài)模型。二是模型參數(shù)的辨識算法的研究——負荷模型確定后的參數(shù)辨識相對來說比較容易，其實質是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問題。對于靜態(tài)負荷模型可采用求解非線性最小二乘問題的牛頓法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法。對于動態(tài)負荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準則，常用的準則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準則確定后，參數(shù)辨識問題就變?yōu)榍竽硿蕜t函數(shù)達極值的優(yōu)化計算問題。三是負荷模型對仿真計算（尤其是暫態(tài)穩(wěn)定計算）結果以及運行狀態(tài)的影響研究。四是不同激勵下負荷模型的適應能力、負荷模型的在線辨識與等值、負荷模型參數(shù)的分散性、靈敏性和可辨識性及其等負荷模型實踐中發(fā)展的理論與方法問題；五是負荷建模工程應用平臺的研制[11]。由于電力負荷具有復雜性、分散性和隨機性等特點，建立完全精確的負荷模型絕非易事，只有通過事故分析或實驗結果進行校核、分析和修正才能逐步建立切合實際的、合理的負荷模型。且由于統(tǒng)計綜合法和總體測辨法各有特點，因此應充分發(fā)揮這兩種方法的優(yōu)勢，尤其要加快統(tǒng)計綜合法的研究步伐，在兩種方法之間取長補短，盡快建立適用于我國電力系統(tǒng)分析計算的負荷模型。根據各電網的實際情況和實測的系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據研究適用于各電網的典型負荷模型，并通過專門的現(xiàn)場擾動試驗進行修正、確認是非常必要的。積極總結東北電網兩次大擾動試驗的仿真分析結果，開展考慮配電網絡的SLM在各區(qū)域電網的適用性研究，建立適用于全國聯(lián)網穩(wěn)定計算的負荷模型[14]。1．4電力負荷建模的研究現(xiàn)狀1．4．1負荷模型的基本概念：電力系統(tǒng)負荷模型是指描述負荷端口得功率或電流隨其端口電壓和頻率特性的數(shù)學方程和相應的參數(shù)。負荷特性包括兩方面：電壓特性和頻率特性。負荷模型分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩大類。靜態(tài)模型適用于相對緩慢的過程，精確而言指對于給定的負荷水平，在符合端口保持不同電壓和頻率的各種穩(wěn)態(tài)情況下，負荷功率或電流與電壓、頻率的關系。動態(tài)模型則要反映電壓頻率變化弓l起的負荷功率(或電流)變化的全過程。本文負荷模型的研究主要基于電壓穩(wěn)定得分析。負荷吸收的有功功率(P)及其無功功率(Q)是隨著負荷母線的電壓(U)和頻率(f)的變化而變化的，這即使負荷的電壓、頻率特性，用于描述負荷特性的數(shù)學方程稱為負荷模型。4．2負荷建模的方法：一般認為負荷建模方法有兩類：統(tǒng)計綜合法[6]和總體測辨法[6]。統(tǒng)計綜合法的基本思想是將負荷看成個別用戶的集合，先將這些用戶的電器分類，并確定各種電器的平均特性，然后統(tǒng)計出各類負荷中電器的種類和比例，以及母線負荷中各類負荷的比例，最后通過綜合算法得出母線負荷模型。統(tǒng)計綜合法負荷建模一般來說需要用到三種數(shù)據：一是單個用電設備的平均特性；二是各類負荷中用電設備的組成和比例；三是總負荷中負荷的分類和組成比例。前兩種數(shù)據相對比較穩(wěn)定，屬于共性數(shù)據，可以通過典型統(tǒng)計獲得。而最后一種數(shù)據是負荷群特殊性的具體體現(xiàn)。該方法的優(yōu)點在于它建模時不需要進行現(xiàn)場實測，但三種統(tǒng)計數(shù)據的獲得費時、費力，且難以準確。另外，統(tǒng)計數(shù)據不可能經常進行，所以該方法也不適合研究負荷的時變性。由于統(tǒng)計綜合法存在上述困難，近年來，較少見到有關的文獻和實際應用。目前，利用統(tǒng)計綜合法現(xiàn)有的算法得出的模型，還存在對無功電壓特性、頻率特性和動態(tài)特性難以較好描述的問題，因此基于統(tǒng)計數(shù)據的綜合或集結算法也有待改進?？傮w測辨法與統(tǒng)計綜合法不同，總體測辯法則是通過現(xiàn)場實驗和在線捕捉電力系統(tǒng)的自然擾動獲得負荷所在母線的電壓、頻率、電流、有功和無功數(shù)據，然后根據系統(tǒng)辨識理論確定綜合負荷模型結構和參數(shù)。該方法無需了解負荷內部的復雜構成，是解決成千上萬用電設備構成的負荷群建模的一種可行方法。隨著計算機、通訊技術和系統(tǒng)辨識理論的發(fā)展，該建模方法變得更加簡單、易行?？傮w測辨法負荷建模中，除數(shù)據采集、濾波、剔除野值、必要的電氣量計算這些軟件外，其核心為負荷模型辨識軟件，它是負荷建模理論與方法的具體體現(xiàn)。按系統(tǒng)辨識理論的思想，總體測辨法負荷建模就是：根據負荷的實測數(shù)據來確定模型結構和模型參數(shù)，使得模型響應能最好地擬合負荷實測響應數(shù)據，并且要求通過模型驗證，確保所建模型在仿真計算要求范圍內具備良好的外推、內插能力，使模型既能突出本質又簡化地描述負荷的行為[11]。1．4．3負荷模型的分類：按照是否反映負荷的動態(tài)特性，負荷模型一般分為靜態(tài)負荷模型和動態(tài)負荷模型兩類。前者描述同一時刻有功功率及無功功率與母線電壓幅值和頻率之間的關系。通常用代數(shù)方程來描述，且是無記憶的，某時刻響應只與同一時刻的激勵有關，而與歷史激勵和響應無關，也就是即時的。后者描述當前有功功率及無功功率與當前和歷史電壓幅值和頻率之間的關系。通常用微分方程或差分方程描述，且是有記憶的，某時刻響應除了與同一時刻的激勵有關，而與歷史激勵和響應也有關系。每類都有多種模型結構[6]。1．4．3．1靜態(tài)負荷模型：靜態(tài)負荷模型反映了負荷有功、無功功率隨頻率和電壓緩慢變化而變化的規(guī)律。其模型結構主要為冪函數(shù)模型和多項式模型。通常用一個冪函數(shù)模型在電壓變化范圍比較大的情況下仍能較好地描述很多負荷的靜態(tài)特性。但對于象空調等負荷，其特性比較特殊，低電壓下隨電壓降低吸收功率反而增加[16]，這樣的負荷特性用一個冪函數(shù)模型難以作整體描述，而采用多個冪函數(shù)模型相加的形式，則可能會得到滿意的結果。多項式負荷模型由恒阻抗、恒電流和恒功率模型組合而成，它可以看作是三個冪函數(shù)模型相加的特例，三個冪函數(shù)的冪指數(shù)分別為0、1和2，并且三個冪函數(shù)的系數(shù)之和為1。因此，靜態(tài)負荷模型采用冪函數(shù)形式具有很大靈活性。靜態(tài)負荷模型主要適用于潮流計算和以潮流計算為基礎的穩(wěn)態(tài)分析。在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中，靜態(tài)負荷模型一般適用于計算結果對負荷模型不太敏感的負荷點。1．4．3．2動態(tài)負荷模型：動態(tài)負荷模型又可進一步分為機理模型和非機理模型。機理動態(tài)模型通常是指感應電動機模型，由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷中占有較大的比重，對系統(tǒng)的運行與控制有很大影響，更是最主要的動態(tài)負荷，同時也是本文研究的重點。因此在實際應用中常采用感應電動機并聯(lián)靜態(tài)負荷的形式來描述綜合負荷。感應電動機模型根據所考慮的暫態(tài)過程不同可分為五階感應電動機模型、三階感應電動機模型和一階感應電動機模型。由于感應電動機定子繞組的暫態(tài)過程要比轉子繞組的電磁暫態(tài)過程要快得多，其更比電力系統(tǒng)暫態(tài)過程快得多，因此是否考慮定子的暫態(tài)過程影響不大，三階模型就能很好的反映感應電動機的性能。一般五階模型僅在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析中考慮，常用的為考慮感應電動機機電暫態(tài)過程的三階模型和只考慮機械暫態(tài)過程的一階模型。非機理模型也稱為輸入輸出式模型，它是在系統(tǒng)辨識理論發(fā)展過程中，從大量具體動態(tài)系統(tǒng)中概括抽象出來的，對一大類動態(tài)系統(tǒng)具有很強描述能力的模型。非機理模型并不苛求模型的機理解釋，主要強調模型對系統(tǒng)行為的描述能力。常見的非機理動態(tài)負荷模型的形式有:常微分方程模型、傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型和時域離散模型。另外，還有描述負荷非線性特性的人工神經網絡模型。動態(tài)模型的應用場合非常廣，從負荷建模方面來說，它主要應用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)分析和電壓穩(wěn)定分析。1．4．4負荷建模辨識算法：負荷模型確定后的參數(shù)辨識相對來說比較容易，其實質是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問題。對于靜態(tài)負荷模型可采用求解非線性最小二乘問題的牛頓法、Marquart法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法。對于動態(tài)負荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準則兩部分，常用的準則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準則確定后，參數(shù)辨識問題就變?yōu)榍竽硿蕜t函數(shù)達極值的優(yōu)化計算問題，可以采用各種優(yōu)化方法進行求解，例如：最速下降法、共軛梯度法、變尺度法和直接法等[14]。5本文研究內容電力系統(tǒng)負荷模型在電力系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行和控制中具有重要的作用，本文首先從模型的辨識原理、模型結構的選擇和模型參數(shù)的辨識三方面出發(fā)，介紹了電力系統(tǒng)負荷建模的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了負荷建模的重要性、基本概念、方法、常見模型及其參數(shù)可辨識性問題和辨識方法，由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷中占有較大的比重，對系統(tǒng)的運行與控制有很大影響，更是最主要的動態(tài)負荷，本文著重于對感應電動機負荷模型的參數(shù)辨識進行研究。在深入了解電力系統(tǒng)負荷建模的方法及研究現(xiàn)狀的基礎上，掌握電力負荷模型的基本概念及分類，重點掌握靜態(tài)負荷模型、動態(tài)負荷模型并建立綜合負荷的概念。同時了解電力系統(tǒng)負荷建模的方法及研究現(xiàn)狀的基礎上，重點研究動態(tài)負荷模型中的感應電動機模型。掌握感應電動機模型的結構特點及待辨識參數(shù)的物理意義。了解感應電動機負荷模型參數(shù)辨識實現(xiàn)過程，通過感應電動機的三種綜合負荷模型對樣本進行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負荷的描述效果。重點研究三階感應電動機負荷模型。分別采用三階機電暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型、一階機械暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型、一階電壓暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型三種綜合負荷模型對樣本進行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負荷的描述效果。并用負荷特性數(shù)據對所建立的模型進行仿真分析，并利用Matlab軟件編程進行仿真。2.1感應電動機負荷模型基本理論感應電動機在負荷中占有比較大的比重，是負荷重最重要的動態(tài)成分。因此，一般認為動態(tài)穩(wěn)定計算中采用的綜合負荷動態(tài)特性應該主要考慮感應電動機的暫態(tài)過程。一般來說,感應電動機定子繞組的暫態(tài)過程比轉子繞組要快得多,更比電力系統(tǒng)暫態(tài)過程快得多。因此,就感應電動機對電力系統(tǒng)的影響而言,是否計及定子的暫態(tài)過程影響不大,采用三階模型就能很好地反映感應電動機的動態(tài)性能。為了進一步減少計算量,在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程分析計算中還經常采用一階的機械暫態(tài)模型。2.1.1一階機械暫態(tài)模型考慮感應電動機機械暫態(tài)過程的綜合負荷動態(tài)特性對感應電動機暫態(tài)過程的影響時，忽略其定子和轉子繞組電磁暫態(tài)過程，只考慮機械暫態(tài)過程中滑差變化對穩(wěn)態(tài)等值電路阻抗值的影響。這種模型只有轉子運動方程一個微分方程，只有滑差一個狀態(tài)變量，稱為一階模型。一階感應電動機模型的等值電路圖2-1所示。圖圖2.1感應電動機穩(wěn)態(tài)等值電路圖感應電動機滑差的變化除與其軸上的不平衡轉矩（機械轉矩與電磁轉矩之差）所決定外，還與其本身的轉動慣性時間常數(shù)的大小有關。描述感應電動機滑差變化的微分方程是(2.1)感應電動機的電磁轉矩同端電壓及滑差的大小有關，其計算公式是(2.2)式中——感應電動機最大電磁轉矩（標么值）；——感應電動機的臨界滑差；——機端額定電壓（計算中常用正常方式下的初始電壓代替）。感應電動機機械負載轉矩同轉速（1-s）之間的關系一般可表示為(2.3)式中——感應電動機負載轉矩特性中與轉速無關部分所占的比例，或稱為靜止阻力矩；——與機械負載特性有關的指數(shù)；K——感應電動機負荷率，當、給定時，應選擇k值使穩(wěn)定情況下滿足。按照圖2.1所示的穩(wěn)態(tài)等值電路計算，如果已知某一時刻的滑差s，則感應電動機負荷的等值阻抗是(2.4)感應電動機吸收的功率為(2.5)2.1.2三階機電暫態(tài)模型三階機電暫態(tài)模型在考慮轉子電磁暫態(tài)過程的同時，又計及感應電動機轉子運行的機械暫態(tài)過程。感應電動機暫態(tài)電動勢的變化除直接決定于端電壓的變化并受轉子回路時間常數(shù)的約束外，還受轉子滑差變化的影響。因此，計算感應電動機暫態(tài)電動勢及相應的電磁功率的變化，必須考慮感應電動機的機電暫態(tài)過程。用暫態(tài)電動勢和暫態(tài)電抗表示電壓方程（2.6）式中——暫態(tài)電動勢；——暫態(tài)電抗。設則代入式（2.6），實、虛部分分開得（2.7）（2.8）寫成矩陣的形式為(2.9)解得電流為(2.10)描述暫態(tài)電動勢變化的微分方程可從感應電動機轉子回路的電磁暫態(tài)過程方程式推導出.用復數(shù)形式表示時，方程式可寫為（2.11）實、虛部分開后得到兩個實數(shù)方程（2.12）（2.13）轉子運動方程為（2.14）其中，機械轉矩為同方程式（2.3）。電磁轉矩為（2.15）感應電動機吸收的功率為(2.16)2.2感應電動機綜合負荷模型由于感應電動機在電力系統(tǒng)負荷(尤其是工業(yè)負荷)中占有較大比重,對電力系統(tǒng)運行分析與控制具有相當大的影響。在不少電力系統(tǒng)計算軟件包中均包含感應電動機綜合負荷模型,即由一個感應電動機與一個靜態(tài)負荷并聯(lián)而成。隨著電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題研究的深入,近期提出了一階的電壓暫態(tài)模型[15]。本文對電力系統(tǒng)中采用的三種感應電動機綜合負荷模型進行比較,以便更好地應用和選擇這些模型。當前的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中，動態(tài)負荷模型使用得最多的是機理式的感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型。構建該模型基本思路是：綜合負荷包括靜態(tài)和動態(tài)兩部分，靜態(tài)部分用一個恒定導納等值，動態(tài)部分用一臺感應電動機(IM)等值，這是由于感應電動機是最主要的動態(tài)負荷。x-y-0同步坐標系中該模型結構如下圖。IM圖IM圖2.2IM并聯(lián)恒阻抗模型其中，：負荷電壓，即變電站母線電壓，，分別為其x軸、y軸分量；：綜合負荷系統(tǒng)從電網吸收的總電流，，分別為其x軸、y軸分量；：為感應電動機電流，，分別為其x軸、y軸分量；：綜合負荷系統(tǒng)從電網吸收的總功率；：綜合負荷中靜態(tài)部分的等值導納(電納B>0時負荷為感性)。其中，感應電動機采用不同的模型，就形成了不同的綜合負荷模型。當IM計及轉子的電磁暫態(tài)和機械暫態(tài)，就形成三階機電暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型；IM只計及轉子的機械暫態(tài)，就形成一階機械暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型；IM只計及轉子的電磁暫態(tài)，就形成一階電壓暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型。下面就詳細介紹這三種模型。2.2.1三階感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型(1)模型數(shù)學方程模型的詳細推導見文獻[39]和[41]，模型的狀態(tài)方程如下(2.17)—(2.19)式所示。（2.17）（2.18）（2.19）上式中，為感應電動機的暫態(tài)電勢；為負荷的電壓激勵；為電力系統(tǒng)的運行角頻率，則為同步角速度；為感應電動機的轉差率；為暫態(tài)電勢的衰減時間常數(shù)；為定子電阻，為定子和轉子同步電抗，為定子和轉子暫態(tài)電抗；為轉子慣性時間常數(shù)；為感應電動機的機械負載功率，由其相應的機械負載特性決定，感應電動機的機械負載功率通常用如下（2.20）式描述（2.20）其中，為負載率，為機械負載中與轉速無關部分所占的百分率，負載系數(shù)。根據感應電動機的電壓方程并基于圖2.2運用KCL定律，推得以綜合負荷電流作為中間輸出變量的模型的輸出方程如下(2.21)—(2.23)式所示。（2.21）（2.22）（2.23）上式中,P、Q是綜合負荷總電流對應的綜合負荷從電網吸收的功率。模型的穩(wěn)態(tài)方程由狀態(tài)方程和輸出方程聯(lián)立求得，如式(2.24)—(2.26)所示，其中有關中間變量由式(2.27)、(2.28)確定。（2.24）（2.25）（2.26）（2.27）(2.28)上述各式中，下標中含“0”的表示系統(tǒng)的初始穩(wěn)態(tài)值；下標中含“m”的代表感應電動機的相應量；式(2.25)中，。根據系統(tǒng)辨識理論，模型有2個輸出方程，則可確定2個非獨立待辨識參數(shù)，這樣可減少模型參數(shù)辨識過程中獨立待辨識參數(shù)的個數(shù)，非獨立待辨識參數(shù)可由獨立待辨識參數(shù)根據模型的穩(wěn)態(tài)方程求得。該模型中，以為非獨立待辨識參數(shù)，則模型獨立待辨識參數(shù)向量是。(2)模型仿真步驟己知模型獨立待辨識參數(shù)，通過仿真算出模型輸出響應過程如下：假定，由根據上式（2.27）可算出，再結合獨立待辨識參數(shù)G和B的值根據上式（2.28）可計算出。模型的穩(wěn)態(tài)方程(2.24)—(2.26)求得狀態(tài)變量初始值和以及非對立待辨識參數(shù)。采用四階龍格—庫塔法求解模型的狀態(tài)方程(2.17)—(2.19)，得狀態(tài)變量序列：。由式(2.21)和(2.22)求得模型響應電流序列:。由模型的輸出方程(2.23)求得模型輸出功率序列:。2.2.2一階機械暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型(1)模型數(shù)學方程和三階感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型比較，一階機械暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型忽略轉子繞組的電磁暫態(tài)，即對應于（2.17）中和式（2.18）中。由此可解得：（2.29）（2.30）其中，。模型的狀態(tài)方程是一階的，也就是只有轉子的運動方程。（2.31）其中，由上式（2.29）—（2.30）求得，由式（2.20）求得。該模型的輸出方程和三階感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型一樣，如式（2.21）—（2.23）所示。模型的穩(wěn)態(tài)方程式（2.24）—（2.26）所示，其中有關中間變量由式（2.27）、（2.28）確定。和三階感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型一樣，該模型中，以為非獨立待辨識參數(shù)，則模型的獨立待辨識參數(shù)向量是。(2)模型仿真步驟已知模型獨立待辨識參數(shù)，通過仿真算出模型輸出響應過程如下：假定，由根據式（2.27）算出，再結合獨立待辨識參數(shù)G和B的值由式（2.28）算出。由模型穩(wěn)態(tài)方程（2.24）—（2.26）求得狀態(tài)變量初始值和以及非對立待辨識參數(shù)；令。采用四階龍格一庫塔法求解模型的狀態(tài)方程(2.30)得狀態(tài)變量下一時刻的值。由式（2.29）—（2.30）求得和，再由模型的輸出方程（2.21）—（2.23）求得模型響應電流和以及模型輸出功率和。令，轉第（3）步，直到為止。2.2.3一(1)模型數(shù)學方程參照文獻[[42]和[43]，即可推得一階電壓暫態(tài)感應電動機并聯(lián)恒阻抗模型。模型的狀態(tài)方程如下:（2.32）其中，=恒定值。模型的輸出方程如下：=恒定值（2.33）（2.34）（2.35）（2.36）由狀態(tài)方程和輸出方程，可推得模型的穩(wěn)態(tài)方程如下：（2.37）（2.38）該模型中，以C為非獨立待辨識參數(shù)，則模型的獨立待辨識參數(shù)向量是。(2)模型仿真步驟已知模型獨立待辨識參數(shù)，通過仿真算出模型輸出響應過程如下：假定，由和獨立待辨識參數(shù)G和B根據式（2.35）和（2.36）算出（即）和。由模型的穩(wěn)態(tài)方程（2.37）和（2.38）求得狀態(tài)變量初始值以及非對立待辨識參數(shù)C；令。采用四階龍格一庫塔法求解模型的狀態(tài)方程（2.32）得狀態(tài)變量下一時刻的值。由（2.33）—（2.36）求得和以及模型輸出功率和。令，轉第（3）步，直到為止。

引力波的實驗探測給我們的啟示摘要：引力理論的發(fā)展經歷了數(shù)百年，從牛頓到愛因斯坦，從萬有引力定律到廣義相對論。在這過程中，科學家們引力波的預言質疑不休、爭論不止。而引力波的實驗探測無疑證明了一切。引力波的發(fā)現(xiàn)，彌補了愛因斯坦的廣義相對論的漏洞，也確定了他的理論的正確。這是人類史上出現(xiàn)的又一契機，它將為人類社會帶來重大變革?！捌莆濉笔侵袊鴤鹘y(tǒng)迎財神的日子。2016年的這一天，卻一個讓全世界物理學界沸騰的日子，甚至許多的物理學家為之痛哭流涕——被預言已經百年的引力波，終于被探測到了。引力是什么？在今天人們所知道的物質的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強度比例順序是：強相互作用(1),電磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的運動時，引力一般略去不計。但在天文學領域內，由于涉及的對象的質量極其巨大，引力就成為不僅支配著天體的運動，而且往往是天體的結構和演化的決定因素。引力并不是一種所謂的“力”，而是一種屬性。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中首次提出萬有引力定律，基于此，他結識了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象，并根據萬有引力定律成功地預言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運動建立在力學理論的基礎上，從而創(chuàng)立了天體力學。簡單的說，質量越大的東西產生的引力越大，地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，突破了絕對時間和絕對空間的概念，否定了瞬時超距作用，從根本上動搖了建立在這些舊觀念基礎上的牛頓引力理論。經過十年的探索后，愛因斯坦于1915年提出了迄今為止最成功的近代引力理論——廣義相對論。廣義相對論中，引力被歸咎于時空的彎曲。這種彎曲是由物質造成的，物質的質量越大，所形成的扭曲也就越嚴重。但是這種彎曲，對于人類來說根本感知不到，一是因為人類伴隨這種彎曲一起彎曲了，而是由于這種彎曲太微小。大質量物體發(fā)生的扭曲引起了震動，而這種震動，就是引力波?？茖W家們通過探測這種時空震蕩，來證實引力波的存在。早在1916年，愛因斯坦在廣義相對論中就預言了引力波的存在。而科學家們普遍認為，這次LIGO這一發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”，證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性，彌補了愛因斯坦的廣義相對論的漏洞，驗證了已故科學家愛因斯坦的預言。探測的儀器叫做邁克爾遜干涉儀，或是LIGO。LIGO的“兩條腿”都有4千米長，最近的一次升級就花去了幾十億美元。LIGO的原理是什么？簡單來說是利用光速不變，在同樣的直線路程里測試耗時，而通過時間的偏差（盡最大可能排除誤差，也是耗資巨大的原因）來判定空間確實存在震動。這樣的實驗設置基于愛因斯坦的假設：光速不變，是因為以光的視角看，它沿途經過的空間發(fā)生了折疊伸縮?？赡艿囊Σㄌ綔y源包括致密雙星系統(tǒng)（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。在過去的數(shù)十年里，許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在進行了大量研究。其中，泰勒和赫爾斯由于第一次得到引力波存在的間接證據榮獲1993年諾貝爾物理學獎。到目前為止，類似的雙中子星系統(tǒng)已經發(fā)現(xiàn)了近十個，但是雙黑洞系統(tǒng)卻是首次。在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯。雖然他的共振棒探測器最后沒能找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實驗科學的先河，為如今的碩果打下了基礎。因為在地面上很容易受到干擾，所以物理學家們也在向太空進軍。歐洲的空間引力波項目eLISA（演化激光干涉空間天線）。eLISA將由三個相同的探測器構成為一個邊長為五百萬公里的等邊三角形，同樣使用激光干涉法來探測引力波。此項目已經歐洲空間局通過批準，正式立項，目前處于設計階段，計劃于2034年發(fā)射運行。作為先導項目，兩顆測試衛(wèi)星已經于2015年12月3日發(fā)射成功，目前正在調試之中。中國的科研人員，在積極參與目前的國際合作之外之外，也在籌建自己的引力波探測項目。引力波的實驗探測引起了世界范圍的轟動，這些探測極其不易，宇宙中發(fā)生爆炸性的大事件時產生的引力波，才相對容易探測到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，愛因斯坦在預言引力波存在時就曾說：“這些數(shù)值是如此微小，她們不會對任何的東西產生顯著的作用，沒人能夠去測量它們?！辈桃环蚪o出解釋：“時間發(fā)生得越早，距離越遠，越會在宇宙中傳播期間被紅移。紅移指的是由于宇宙本身的膨脹將所有的波動的波長拉直拉平，這樣其波動性就難以被探測到。例如，這次LIGO探測到的引力波，是13億年以前兩個大約30個太陽質量的黑洞并合所產生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探測到真的是非常不容易，LIGO實驗組的科學家們也是在幾十年里經歷多次挫折，不斷調整方案，改進儀器，才最終探測到的?！彼运某晒μ綔y也標志著在這個領域人類的技術進步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意義不止在科學情感上，更在于能夠打開人類的一個新的世界——每個人都對它滿懷期待。如果電磁波探測是人類的眼睛，那么人類又多了一雙聆聽外界的耳朵。馬克斯·普朗克引力物理研究所說：“在《星際穿越》和《三體》中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發(fā)達的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，就帶來了一個重大的信息：極重的恒星級雙黑洞系統(tǒng)存在并可以在足夠短的時間（10億年）內并合。這是讓我們始料未及的。誰能知道在將來的更多的探測中，LIGO和一眾引力波探測器能帶給我們什么樣的驚喜呢？”引力波有兩個非常重要而且比較獨特的性質。第一：不需要任何的物質存在于引力波源周圍。這時就不會有電磁輻射產生。第二：引力波能夠幾乎不受阻擋的穿過行進途中的天體。比如，來自于遙遠恒星的光會被星際介質所遮擋，引力波能夠不受阻礙的穿過。對于天文學家來說，這兩個特征允許引力波攜帶有更多的之前從未被觀測過的天文現(xiàn)象信息，而每一個電磁波譜的打開，都會為我們帶來前所未有的發(fā)現(xiàn)。天文學家們同樣期望引力波也是如此。而引力波本身的性質也可能對基礎物理學產生巨大的影響。另外，引力波蘊含的，很可能是宇宙誕生的畫面。我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時空的開始，宇宙又一次最為劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在？有多大規(guī)模？不僅如此，引力波還能傳遞信息——我們看不到的宇宙空間在發(fā)生什么？據科學家解釋，這次的引力波就是在遙遠的距離上巨大的黑洞變化引起的。而這一結果也證明了黑洞真實存在——至少是廣義相對論預測的由純凈、真空、扭曲時空組成的完美圓形物體。并且，引力波傳遞的信息可以讓科學家更精確地估計宇宙膨脹的速度?？偠灾?，一個新的重大科學發(fā)現(xiàn)，總會給人類社會帶來無法預估的發(fā)展。18世紀面熟電磁波的麥克斯韋理論確認的時候，也沒人知道會給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機還是移動電話，都與電磁現(xiàn)象有關。引力波的發(fā)現(xiàn)類似當年的發(fā)現(xiàn)X光一樣，是一種工具。有了這個工具，我們可以利用引力波的觀察，去觀察遙遠的宇宙的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)暗物質、時空穿梭等等才是有可能實現(xiàn)的事情。如果沒有引力波，以我們現(xiàn)有的技術是做不到這些科幻世界才有的事情的?！凹热灰Σㄊ谴嬖诘?，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一條未知的路，走到半路，有人懷疑不對，結果證實是對的，那么就可以加快步伐了。”蘇萌說。世界各國都加大了探測研究引力波的力度，我國也緊跟探索引力波的步伐?！疤烨儆媱潯眳⑴c者、中山大學天文與空間科學研究院院長李淼教授介紹，“天琴計劃”是我國自主開展空間引力波探測的可行方案，發(fā)射三顆衛(wèi)星探測引力波，該計劃預期執(zhí)行期為2016~2035年，分四階段實施。項目還將挖山洞，建觀測站以及建設綜合研究大樓。預計擬投三億啟動。天琴計劃預期執(zhí)行期為2016-2035年，分四階段實施：（1）2016-2020年：完成月球/深空衛(wèi)星激光測距、空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛(wèi)星實驗所需關鍵技術研發(fā)。主要研發(fā)成果包括：新一代月球激光測距反射器、月球激光測距臺站、高精度加速度計、無拖曳控制（包含微推進器）、高精度星載激光干涉儀、星間激光測距技術等；（2）2021-2025年：完成空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛(wèi)星實驗工程樣機，并成功發(fā)射下一代重力衛(wèi)星和空間等效原理實驗衛(wèi)星。主要研發(fā)成果包含：超靜衛(wèi)星平臺、高精度大型激光陀螺儀以及進一步提高加速度計、無拖曳控制、高精度星載激光干涉儀、星間激光測距等技術；（3）2026-2030年：完成空間引力波探測關鍵技術，完成衛(wèi)星載荷工程樣機；（4）2031-2035年：進行衛(wèi)星系統(tǒng)整機聯(lián)調測試、系統(tǒng)組裝，發(fā)射空間引力波探測衛(wèi)星。李淼介紹，“天琴計劃”的出發(fā)點是切實根據我國的技術能力實際和未來幾十年的發(fā)展前景，提出我國自主開展空間引力波探測的可行方案。在目前討論的初步概念中，天琴將采用三顆全同的衛(wèi)星構成一個等邊三角形陣列，每顆衛(wèi)星內部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質量。衛(wèi)星上將安裝推力可以精細調節(jié)的微牛級推進器，實時調節(jié)衛(wèi)星的運動姿態(tài)，使得檢驗質量始終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態(tài)。這樣檢驗質量將只在引力的作用下運動，而來自太陽風或太陽光壓等細微的非引力擾動將被衛(wèi)星外殼屏蔽掉。高精度的激光干涉測距技術將被用來記錄由引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢驗質量之間的細微距離變化，從而獲得有關引力波的信息?！疤烨佟钡男l(wèi)星將在以地球為中心、高度約10萬公里的軌道上運行，針對確定的引力波源進行探測。這樣的選擇能夠避免測到引力波信號卻無法確定引力波源的問題。中國科學院也于2016年2月16日公布了空間引力波探測與研究的“空間太極計劃”。按照這一計劃，我國將在2030年前后發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。主要科學目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。中科院力學研究所胡文瑞院士表示，“我國目前的技術能力與國際先進水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補?！焙娜鹫f，“空間太極計劃”是一個中歐合作的國際合作計劃，目前有兩個方案：方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃；方案二是發(fā)射一組中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時遨游太空，進行低頻引力波探測。據介紹，空間引力波探測被列入中科院制訂的空間2050年規(guī)劃。2008年由中科院發(fā)