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(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)國(guó)內(nèi)外負(fù)荷模型的研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述。詳細(xì)介紹了目前用于電力系統(tǒng)負(fù)荷建模的2個(gè)主要方法統(tǒng)計(jì)綜合法和總體測(cè)辨法，分析了其特點(diǎn)并總結(jié)了其應(yīng)用情況。最后結(jié)合最新研究進(jìn)展指出了下一步需要研究解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)：負(fù)荷建模：統(tǒng)計(jì)綜合法；總體測(cè)辨法；綜合負(fù)荷模型 引言目前的負(fù)荷建模方法可歸納為2類(lèi)，即統(tǒng)計(jì)綜合法和總體測(cè)辨法。在過(guò)去的20年中，對(duì)于采用上述2中方法進(jìn)行負(fù)荷建模的研究已取得了許多成果。IEEECIGI也設(shè)有研究負(fù)荷建模的專門(mén)小組，發(fā)達(dá)國(guó)家的電力公司幾乎都在負(fù)荷建模研究方面做了大量工作，例如北美主要使用的負(fù)荷建模軟件包

2、是在美國(guó)EP委托Texas和GE公司對(duì)負(fù)荷組成進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)綜合法形成的軟件包(如LOADSYN軟件)。該軟件包的計(jì)算結(jié)果并不精確，但經(jīng)過(guò)電力公司在實(shí)際運(yùn)行中的不斷修正，現(xiàn)在每個(gè)電網(wǎng)基本形成了自己的負(fù)荷靜特性模型并仍在實(shí)際運(yùn)行中不斷修正，力求更加符合實(shí)際情況。澳大利亞采用總體測(cè)辨法(主要依靠在現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn))來(lái)建立負(fù)荷模型。臺(tái)灣電力公司建立了負(fù)荷特性測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)建模方法未作深入研究，主要是用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)靜態(tài)模型中的成分以及動(dòng)態(tài)模型中電動(dòng)機(jī)的比例。由于電網(wǎng)運(yùn)行水平越來(lái)越接近于極限以及大量電力電子設(shè)備的涌現(xiàn)，導(dǎo)致了20世紀(jì)70一80年代建立的負(fù)荷模型已不適用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。因

3、此，美國(guó)最近又將電力系統(tǒng)負(fù)荷建模列為重大研究課題之一，旨在建立更為精確的負(fù)荷模型以滿足電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)在線安全穩(wěn)定評(píng)估的需要。隨著我國(guó)主要電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)程的推進(jìn)，電網(wǎng)的復(fù)雜程度愈來(lái)愈高，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性問(wèn)題愈來(lái)愈突出，負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的影響已變得不容忽視。在東北一華北交流聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和東北華北聯(lián)網(wǎng)工程調(diào)試等工程項(xiàng)目的研究中，采用的負(fù)荷模型和參數(shù)嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的可信度，給決策方案的取舍帶來(lái)了一定困難。為了解決這一問(wèn)題，必須掭索適用于我國(guó)現(xiàn)階段大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型和建模方法。1 統(tǒng)計(jì)綜合法 統(tǒng)計(jì)綜合法首先需要通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到各種典型負(fù)荷元件(如熒光燈、家用電子

4、設(shè)備、工業(yè)電動(dòng)機(jī)和空調(diào)負(fù)荷等)的數(shù)學(xué)模型，然后在一些負(fù)荷點(diǎn)上統(tǒng)計(jì)某些特殊時(shí)刻(如冬季峰值負(fù)荷、夏季峰值負(fù)荷)的各種負(fù)荷組成，即每種典型負(fù)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(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷模型。LOADSYN軟件包是到目前為止采用統(tǒng)計(jì)綜合法進(jìn)行負(fù)荷建模的最具影響的軟件包。根據(jù)EE負(fù)荷研究工作組的調(diào)查結(jié)果可知，在北美有許多電力公司采用該軟件建立負(fù)荷模型。使用LOADSYN時(shí)需要3種數(shù)據(jù)：負(fù)荷組成，即各類(lèi)負(fù)荷(民用、商業(yè)、工業(yè)等)所占比例；各類(lèi)負(fù)荷中各種用電設(shè)備(熒光燈、電動(dòng)機(jī)、空調(diào)等)所占比例；各用電設(shè)備的平均特性。用戶對(duì)該軟件包的看法主要包括：有功功率的電壓特性與實(shí)際

5、情況比較接近，而無(wú)功功率的電壓特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差較大；綜合得到的頻率特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大；不能很好地模擬負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性。統(tǒng)計(jì)綜合法的優(yōu)點(diǎn)是不依賴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)且花費(fèi)較小，較適用于電網(wǎng)規(guī)劃。該方法存在以下缺點(diǎn)：需事先統(tǒng)計(jì)成千上萬(wàn)個(gè)用戶的負(fù)荷組成及參數(shù)，工作量大且難以獲得準(zhǔn)確可信的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；各電器元件的平均特性難以確定；對(duì)無(wú)功電壓特性、頻率特性及動(dòng)態(tài)特性難以準(zhǔn)確模擬。2 總體側(cè)辨法2 0世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著系統(tǒng)辨識(shí)理論的日趨豐富與完善以及計(jì)算機(jī)采集與處理數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，作為一種新的負(fù)荷建模方法的總體測(cè)辨法以其簡(jiǎn)單、實(shí)用、數(shù)據(jù)直接來(lái)源于實(shí)際系統(tǒng)等多種優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注。該方法的基本思想是將綜合負(fù)荷作

6、為一個(gè)整體，首先從現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)辨識(shí)負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最后用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的外推及內(nèi)插效果。采用總體測(cè)辨法建立負(fù)荷模型離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。美國(guó)、加拿大等國(guó)相繼研制了負(fù)荷數(shù)據(jù)記錄裝置用來(lái)記錄一定電壓和頻率擾動(dòng)下的負(fù)荷數(shù)據(jù)，并以這些測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展負(fù)荷特性研究工作，不斷吸收系統(tǒng)辨識(shí)理論的最新成果，推動(dòng)負(fù)荷建模工作的發(fā)展。在采用總體測(cè)辨法建立的負(fù)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(jì)算軟件外，其核心為負(fù)荷模型辨識(shí)模塊，它是負(fù)荷建模理論與方法的具體體現(xiàn)。3 負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)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(fù)荷模型，常用的有冪函

7、數(shù)模型和多項(xiàng)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(xiàng)式模型。多項(xiàng)式負(fù)荷模型為33動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型在進(jìn)行電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算及穩(wěn)定分析時(shí)一般采用動(dòng)態(tài)模型，常用的動(dòng)態(tài)模型包括機(jī)理模型和非機(jī)理模型2種。機(jī)理模型通常就是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，一般將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型與有關(guān)靜態(tài)負(fù)荷模型相結(jié)合來(lái)描述綜合負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為。對(duì)于由成千上萬(wàn)臺(tái)特性差別極大的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和其他各種用電設(shè)備組成的綜合負(fù)荷，如果采用1臺(tái)等值電動(dòng)機(jī)來(lái)描述，不僅等值機(jī)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(xiàn)給出了電動(dòng)機(jī)群等值或合并的條件。若采用多臺(tái)等值感應(yīng)電動(dòng)機(jī)描述綜合負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為，則參數(shù)難以確定且增加

8、了動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算量。另外，是否能真正描述綜合負(fù)荷的行為機(jī)理也沒(méi)有足夠的把握。(1) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型應(yīng)用廣泛，人們根據(jù)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域和分析計(jì)算目的提出了多種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，較詳細(xì)的模型是5階電磁暫態(tài)模型，它考慮了定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)特性以及轉(zhuǎn)子的機(jī)械暫態(tài)特性。當(dāng)忽略定子繞組的電磁暫態(tài)特性時(shí)可得到3階機(jī)電暫態(tài)模型。如果進(jìn)一步忽略轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)即可獲得1階機(jī)械暫態(tài)模型。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型在電力負(fù)荷中占有較大比重，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與控制具有很大的影響，很多電力負(fù)荷建模軟件包均包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。常用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型為1階機(jī)械暫態(tài)模型和3階機(jī)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(yīng)電動(dòng)機(jī)的5階電磁暫態(tài)模型。(2) 非機(jī)理動(dòng)態(tài)模型。上述機(jī)理模型物理意義明確，易于理解和應(yīng)用，當(dāng)負(fù)荷群的成分比較單一時(shí)機(jī)理模型是合適的。當(dāng)負(fù)荷群中的動(dòng)態(tài)元件類(lèi)型不止r種或類(lèi)型單一但特性相差較大時(shí)，用簡(jiǎn)單的等值機(jī)理模型去描述則較為困難。因此，人們開(kāi)始研究負(fù)荷的非機(jī)理動(dòng)態(tài)模型。非機(jī)理模型屬于輸入輸出式模型，建立非機(jī)理模型主要是為了較好地描述負(fù)荷群輸入，輸出特性，而并不苛求對(duì)模型機(jī)理的解釋。常見(jiàn)的非機(jī)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(shí)域離散模型。34負(fù)荷模型辨識(shí)負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)確定后的參數(shù)辨識(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，其實(shí)質(zhì)是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于靜態(tài)負(fù)荷模型可采用求

10、解非線性最小二乘問(wèn)題的牛頓法、Marquan法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問(wèn)題的方法(如最速下降法和共軛梯度法等)。對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，其參數(shù)辨識(shí)包括算法和準(zhǔn)則2部分，常用的準(zhǔn)則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準(zhǔn)則確定后，參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題就變?yōu)榍竽硿?zhǔn)則函數(shù)達(dá)極值的優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題，可采用上述各種非線性優(yōu)化方法來(lái)求解。4 國(guó)內(nèi)負(fù)荷模型研究情況多年來(lái)，我國(guó)各大電網(wǎng)在進(jìn)行電力系統(tǒng)分析計(jì)算時(shí)，通常按照一定的經(jīng)驗(yàn)選定某種常見(jiàn)的負(fù)荷模型(如電動(dòng)機(jī)+恒阻抗)并定性地確定模型參數(shù)，然后通過(guò)對(duì)本網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的典型事故的模擬計(jì)算不斷地修正負(fù)荷模型。隨著我國(guó)主要電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)程的推進(jìn)，電網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜，電壓等級(jí)越來(lái)越高，各元件之間的

11、電氣距離越來(lái)越小，負(fù)荷模型對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的影響。因此，按照經(jīng)驗(yàn)確定負(fù)荷模型的方法已變得不合時(shí)宜。另外，由于負(fù)荷特性與地區(qū)的氣候、資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和生活水平等因素有關(guān)，這就造成了不同地區(qū)之間負(fù)荷模型及參數(shù)的差異性?，F(xiàn)有負(fù)荷模型已很難準(zhǔn)確地描述負(fù)荷特性，并已成為提高電力系統(tǒng)仿真精度的瓶頸。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)各科研機(jī)構(gòu)及院校(如中國(guó)電力科學(xué)研究院、華北電力大學(xué)、清華大學(xué)、河海大學(xué)和西安交通大學(xué)等)對(duì)負(fù)荷模型進(jìn)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(guó)聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算的負(fù)荷模型，國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科研項(xiàng)目“大區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷

12、測(cè)試技術(shù)及模型完善研究”和“電力系統(tǒng)計(jì)算分析中的負(fù)荷模型研究”于2003年正式立項(xiàng)。中國(guó)電力科學(xué)研究院在國(guó)家電網(wǎng)公司和各區(qū)域電網(wǎng)公司的支持下，較好地完成了上述項(xiàng)目的所有研究工作，取得了負(fù)荷建模研究領(lǐng)域的重要成果，提出了可以擬合東北電網(wǎng)4次大擾動(dòng)試驗(yàn)的考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型(synthesisloadInodel，SLM)。2005年10月至2006年6月底，東北電網(wǎng)有限公司進(jìn)行了SLM在東北電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行方式下的應(yīng)用研究。采用考慮配電網(wǎng)絡(luò)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(duì)于確保東北電網(wǎng)向華北電網(wǎng)送電發(fā)揮了極其重要的作用。從2005年開(kāi)

13、始，中國(guó)電力科學(xué)研究院與河南省電力公司合作，開(kāi)展了河南電網(wǎng)負(fù)荷模型研究工作，以期形成負(fù)荷模型計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)，建立適合河南電網(wǎng)的負(fù)荷模型。華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)控制研究所在賀仁睦教授帶領(lǐng)下，長(zhǎng)期進(jìn)行負(fù)荷模型的實(shí)測(cè)辨識(shí)和模型的有效性研究，并為此先后與廣東省電力調(diào)度中心、華北電力調(diào)度局和東北電力調(diào)度通信中心進(jìn)行合作。1999年6月，華北電力大學(xué)與廣東省電力調(diào)度中心合作，在廣州地區(qū)安裝了負(fù)荷特性測(cè)辨系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行得到了大量數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)負(fù)荷特性的分類(lèi)與綜合得到了具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的負(fù)荷動(dòng)特性模型。將此模型用于粵西送出斷面穩(wěn)定極限計(jì)算和1998年7月7日220kV水貝變電站母線事故仿真，將仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)記錄進(jìn)行比

14、較可知，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的動(dòng)態(tài)模型在短路電流計(jì)算中得到的結(jié)果比BPA靜特性模型更接近實(shí)際，在功角搖擺仿真中采用2種模型得到的結(jié)果相當(dāng)接近，實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)模型比BPA靜態(tài)模型計(jì)算出的斷面功率極限提高了5。2002年1月華北電力大學(xué)與華北電力調(diào)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(fù)荷特性記錄儀進(jìn)行負(fù)荷模型實(shí)測(cè)辨識(shí)，負(fù)荷模型采用SLM。將實(shí)測(cè)動(dòng)特性負(fù)荷模型和BPA靜特性負(fù)荷模型對(duì)沙昌線(沙嶺一昌平500kV線路)穩(wěn)定計(jì)算的影響進(jìn)行比較，結(jié)果表明采用前者的極限切除時(shí)間比后者長(zhǎng)川。20世紀(jì)80年代以來(lái)，河海大學(xué)電氣工程學(xué)院在鞠平教授指導(dǎo)下開(kāi)展了負(fù)荷建模研究工作，并于20012002年與河南省

15、電力調(diào)度局合作進(jìn)行了負(fù)荷特性參數(shù)實(shí)測(cè)辨識(shí)研究，建立了河南電網(wǎng)負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)河南電網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)、不同時(shí)段的負(fù)荷動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定極限的影響不同。除上述單位以外，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位也開(kāi)展了負(fù)荷特性實(shí)測(cè)辨識(shí)工作，他們所走的技術(shù)路線與華北電力大學(xué)類(lèi)似，此處不再贅述?？偨Y(jié)(1)由于電力負(fù)荷具有復(fù)雜性、分散性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，建立完全精確的負(fù)荷模型絕非易事，只有通過(guò)事故分析或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行校核、分析和修正才能逐步建立切合實(shí)際的、合理的負(fù)荷模型。(2)由于統(tǒng)計(jì)綜合法和總體測(cè)辨法各有特點(diǎn)，因此應(yīng)充分發(fā)揮這2種方法的優(yōu)勢(shì)，尤其要加快統(tǒng)計(jì)綜合法的研究步伐，在2種方法之間取長(zhǎng)補(bǔ)短

16、，盡快建立適用于我國(guó)電力系統(tǒng)分析計(jì)算的負(fù)荷模型。(3)根據(jù)各電網(wǎng)的實(shí)際情況和實(shí)測(cè)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)研究適用于各電網(wǎng)的典型負(fù)荷模型，并通過(guò)專門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行修正、確認(rèn)是非常必要的。(4)積極總結(jié)東北電網(wǎng)2次大擾動(dòng)試驗(yàn)的仿真分析結(jié)果，開(kāi)展考慮配電網(wǎng)絡(luò)的SLM在各區(qū)域電網(wǎng)的適用性研究，建立適用于全國(guó)聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算的負(fù)荷模型。參考文獻(xiàn)：1 鞠平，馬大強(qiáng)電力系統(tǒng)負(fù)荷建模M】北京：水利電力出版社，19952鞠平, 金艷, 吳峰, 等. 綜合負(fù)荷特性的分類(lèi)綜合方法及其應(yīng)用 J . 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2004, 28( 1) : 64- 68.3唐光澤, 王進(jìn), 李彩玲, 孔帥.基于Ward 法的負(fù)荷特性分類(lèi)研究J.電力學(xué)報(bào)，2008，23（6）：470-4724 賀仁睦負(fù)荷建模在電力系統(tǒng)計(jì)算中的作用及其發(fā)展華北