電力系統(tǒng)建模

1、電力系統(tǒng)建模研究綜述胡京摘要：分析了負荷模型對電力系統(tǒng)計算結果的影響，對國內外負荷模型的研究動態(tài)進行了綜述。詳細介紹了目前用于電力系統(tǒng)負荷建模的2個主要方法統(tǒng)計綜合法和總體測辨法，分析了其特點并總結了其應用情況。最后結合最新研究進展指出了下一步需要研究解決的問題。關鍵詞：電力系統(tǒng)：負荷建模：統(tǒng)計綜合法；總體測辨法；綜合負荷模型 引言目前的負荷建模方法可歸納為2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2中方法進行負荷建模的研究已取得了許多成果。IEEECIGI也設有研究負荷建模的專門小組，發(fā)達國家的電力公司幾乎都在負荷建模研究方面做了大量工作，例如北美主要使用的負荷建模軟件包

2、是在美國EP委托Texas和GE公司對負荷組成進行了大量統(tǒng)計的基礎上，采用統(tǒng)計綜合法形成的軟件包(如LOADSYN軟件)。該軟件包的計算結果并不精確，但經過電力公司在實際運行中的不斷修正，現(xiàn)在每個電網基本形成了自己的負荷靜特性模型并仍在實際運行中不斷修正，力求更加符合實際情況。澳大利亞采用總體測辨法(主要依靠在現(xiàn)場做試驗)來建立負荷模型。臺灣電力公司建立了負荷特性測量網絡，但對建模方法未作深入研究，主要是用實測數(shù)據(jù)來估計靜態(tài)模型中的成分以及動態(tài)模型中電動機的比例。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70一80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

3、此，美國最近又將電力系統(tǒng)負荷建模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。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。在東北一華北交流聯(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，必須掭索適用于我國現(xiàn)階段大規(guī)?；ヂ?lián)電網的負荷模型和建模方法。1 統(tǒng)計綜合法 統(tǒng)計綜合法首先需要通過試驗和數(shù)學推導得到各種典型負荷元件(如熒光燈、家用電子

4、設備、工業(yè)電動機和空調負荷等)的數(shù)學模型，然后在一些負荷點上統(tǒng)計某些特殊時刻(如冬季峰值負荷、夏季峰值負荷)的各種負荷組成，即每種典型負荷所占百分比以及配電線路和變壓器的數(shù)據(jù)，最后綜合這些數(shù)據(jù)從而得出該負荷點的負荷模型。LOADSYN軟件包是到目前為止采用統(tǒng)計綜合法進行負荷建模的最具影響的軟件包。根據(jù)EE負荷研究工作組的調查結果可知，在北美有許多電力公司采用該軟件建立負荷模型。使用LOADSYN時需要3種數(shù)據(jù)：負荷組成，即各類負荷(民用、商業(yè)、工業(yè)等)所占比例；各類負荷中各種用電設備(熒光燈、電動機、空調等)所占比例；各用電設備的平均特性。用戶對該軟件包的看法主要包括：有功功率的電壓特性與實際

5、情況比較接近，而無功功率的電壓特性與實驗結果的誤差較大；綜合得到的頻率特性與實驗結果相差較大；不能很好地模擬負荷動態(tài)特性。統(tǒng)計綜合法的優(yōu)點是不依賴現(xiàn)場試驗且花費較小，較適用于電網規(guī)劃。該方法存在以下缺點：需事先統(tǒng)計成千上萬個用戶的負荷組成及參數(shù)，工作量大且難以獲得準確可信的統(tǒng)計結果；各電器元件的平均特性難以確定；對無功電壓特性、頻率特性及動態(tài)特性難以準確模擬。2 總體側辨法2 0世紀80年代以來，隨著系統(tǒng)辨識理論的日趨豐富與完善以及計算機采集與處理數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，作為一種新的負荷建模方法的總體測辨法以其簡單、實用、數(shù)據(jù)直接來源于實際系統(tǒng)等多種優(yōu)點而受到了廣泛關注。該方法的基本思想是將綜合負荷作

6、為一個整體，首先從現(xiàn)場采集測量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)辨識負荷模型結構和參數(shù)，最后用大量的實測數(shù)據(jù)驗證模型的外推及內插效果。采用總體測辨法建立負荷模型離不開現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。美國、加拿大等國相繼研制了負荷數(shù)據(jù)記錄裝置用來記錄一定電壓和頻率擾動下的負荷數(shù)據(jù)，并以這些測量數(shù)據(jù)為依據(jù)和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，推動負荷建模工作的發(fā)展。在采用總體測辨法建立的負荷模型中，除數(shù)據(jù)采集、濾波、剔除野值以及必要的電氣量計算軟件外，其核心為負荷模型辨識模塊，它是負荷建模理論與方法的具體體現(xiàn)。3 負荷模型結構31 概述在電力系統(tǒng)的潮流及靜態(tài)穩(wěn)定分析中一般采用靜態(tài)負荷模型，常用的有冪函

7、數(shù)模型和多項式模型，它們都屬于輸入輸出式模型。(1) 冪函數(shù)模型。冪函數(shù)模型為(2)多項式模型。多項式負荷模型為33動態(tài)負荷模型在進行電力系統(tǒng)動態(tài)計算及穩(wěn)定分析時一般采用動態(tài)模型，常用的動態(tài)模型包括機理模型和非機理模型2種。機理模型通常就是感應電動機模型，一般將感應電動機模型與有關靜態(tài)負荷模型相結合來描述綜合負荷的動態(tài)行為。對于由成千上萬臺特性差別極大的感應電動機和其他各種用電設備組成的綜合負荷，如果采用1臺等值電動機來描述，不僅等值機參數(shù)和狀態(tài)變量失去了物理意義，而且等值效果也較差。因此，文獻給出了電動機群等值或合并的條件。若采用多臺等值感應電動機描述綜合負荷的動態(tài)行為，則參數(shù)難以確定且增加

8、了動態(tài)仿真計算量。另外，是否能真正描述綜合負荷的行為機理也沒有足夠的把握。(1) 感應電動機負荷模型。感應電動機模型應用廣泛，人們根據(jù)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，較詳細的模型是5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3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1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1階機械暫態(tài)模型和3階機電暫態(tài)模型，一般僅在電力系統(tǒng)電磁

9、暫態(tài)分析中考慮感應電動機的5階電磁暫態(tài)模型。(2) 非機理動態(tài)模型。上述機理模型物理意義明確，易于理解和應用，當負荷群的成分比較單一時機理模型是合適的。當負荷群中的動態(tài)元件類型不止r種或類型單一但特性相差較大時，用簡單的等值機理模型去描述則較為困難。因此，人們開始研究負荷的非機理動態(tài)模型。非機理模型屬于輸入輸出式模型，建立非機理模型主要是為了較好地描述負荷群輸入，輸出特性，而并不苛求對模型機理的解釋。常見的非機理模型包括常微分方程模型、傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型和時域離散模型。34負荷模型辨識負荷模型結構確定后的參數(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

10、解非線性最小二乘問題的牛頓法、Marquan法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法(如最速下降法和共軛梯度法等)。對于動態(tài)負荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準則2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，可采用上述各種非線性優(yōu)化方法來求解。4 國內負荷模型研究情況多年來，我國各大電網在進行電力系統(tǒng)分析計算時，通常按照一定的經驗選定某種常見的負荷模型(如電動機+恒阻抗)并定性地確定模型參數(shù)，然后通過對本網內發(fā)生的典型事故的模擬計算不斷地修正負荷模型。隨著我國主要電網互聯(lián)進程的推進，電網越來越復雜，電壓等級越來越高，各元件之間的

11、電氣距離越來越小，負荷模型對仿真計算的結果會產生質的影響。因此，按照經驗確定負荷模型的方法已變得不合時宜。另外，由于負荷特性與地區(qū)的氣候、資源、經濟發(fā)展情況和生活水平等因素有關，這就造成了不同地區(qū)之間負荷模型及參數(shù)的差異性?，F(xiàn)有負荷模型已很難準確地描述負荷特性，并已成為提高電力系統(tǒng)仿真精度的瓶頸。20世紀80年代以來，我國各科研機構及院校(如中國電力科學研究院、華北電力大學、清華大學、河海大學和西安交通大學等)對負荷模型進行了不斷研究和探索，在理論研究方面取得了許多可喜成果，在電力系統(tǒng)事故分析等工作中發(fā)揮了一定作用。為建立適合于全國聯(lián)網穩(wěn)定計算的負荷模型，國家電網公司重點科研項目“大區(qū)電網負荷

12、測試技術及模型完善研究”和“電力系統(tǒng)計算分析中的負荷模型研究”于2003年正式立項。中國電力科學研究院在國家電網公司和各區(qū)域電網公司的支持下，較好地完成了上述項目的所有研究工作，取得了負荷建模研究領域的重要成果，提出了可以擬合東北電網4次大擾動試驗的考慮配電網絡的綜合負荷模型(synthesisloadInodel，SLM)。2005年10月至2006年6月底，東北電網有限公司進行了SLM在東北電網獨立運行方式下的應用研究。采用考慮配電網絡的SLM后，吉黑省間、遼吉省間和遼寧中部等各主要輸電斷面穩(wěn)定極限平均提高450MW左右，這對于確保東北電網向華北電網送電發(fā)揮了極其重要的作用。從2005年開

13、始，中國電力科學研究院與河南省電力公司合作，開展了河南電網負荷模型研究工作，以期形成負荷模型計算數(shù)據(jù)庫，建立適合河南電網的負荷模型。華北電力大學電力系統(tǒng)控制研究所在賀仁睦教授帶領下，長期進行負荷模型的實測辨識和模型的有效性研究，并為此先后與廣東省電力調度中心、華北電力調度局和東北電力調度通信中心進行合作。1999年6月，華北電力大學與廣東省電力調度中心合作，在廣州地區(qū)安裝了負荷特性測辨系統(tǒng)，經過現(xiàn)場運行得到了大量數(shù)據(jù)。經過對負荷特性的分類與綜合得到了具有統(tǒng)計規(guī)律的負荷動特性模型。將此模型用于粵西送出斷面穩(wěn)定極限計算和1998年7月7日220kV水貝變電站母線事故仿真，將仿真結果與現(xiàn)場記錄進行比

14、較可知，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的動態(tài)模型在短路電流計算中得到的結果比BPA靜特性模型更接近實際，在功角搖擺仿真中采用2種模型得到的結果相當接近，實測動態(tài)模型比BPA靜態(tài)模型計算出的斷面功率極限提高了5。2002年1月華北電力大學與華北電力調度局合作，分別在張家口地區(qū)的侯家廟、東山坡等變電站安裝負荷特性記錄儀進行負荷模型實測辨識，負荷模型采用SLM。將實測動特性負荷模型和BPA靜特性負荷模型對沙昌線(沙嶺一昌平500kV線路)穩(wěn)定計算的影響進行比較，結果表明采用前者的極限切除時間比后者長川。20世紀80年代以來，河海大學電氣工程學院在鞠平教授指導下開展了負荷建模研究工作，并于20012002年與河南省

15、電力調度局合作進行了負荷特性參數(shù)實測辨識研究，建立了河南電網負荷特性數(shù)據(jù)庫。針對河南電網實測數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)、不同時段的負荷動態(tài)參數(shù)對電網穩(wěn)定極限的影響不同。除上述單位以外，清華大學、西安交通大學等單位也開展了負荷特性實測辨識工作，他們所走的技術路線與華北電力大學類似，此處不再贅述?？偨Y(1)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。(2)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2種方法的優(yōu)勢，尤其要加快統(tǒng)計綜合法的研究步伐，在2種方法之間取長補短

16、，盡快建立適用于我國電力系統(tǒng)分析計算的負荷模型。(3)根據(jù)各電網的實際情況和實測的系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)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。(4)積極總結東北電網2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。參考文獻：1 鞠平，馬大強電力系統(tǒng)負荷建模M】北京：水利電力出版社，19952鞠平, 金艷, 吳峰, 等. 綜合負荷特性的分類綜合方法及其應用 J . 電力系統(tǒng)自動化, 2004, 28( 1) : 64- 68.3唐光澤, 王進, 李彩玲, 孔帥.基于Ward 法的負荷特性分類研究J.電力學報，2008，23（6）：470-4724 賀仁睦負荷建模在電力系統(tǒng)計算中的作用及其發(fā)展華北