（电力系统及其自动化专业论文）基于元件的负荷建模理论与方法研究.pdf

量：銮些墼叁耋兰茎垩竺量童鎏要耋 a b s t r a c t p o w e rl o a di st h ei m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m l o a dm o d e l i n gh a sb e c o m ea c r u xf a c t o r , w h i c hi sr e s t r i c t e dn i c e t ya n dt r u s t i n e s so f p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s t h i st h e s i s e x p o u n d st h et h e o r ya n dm e a n sa b o u tp o w e rs y s t e ml o a dm o d e l i n g ， i n t r o d u c e st w om e t h o d so fl o a dm o d e l i n g ，t h a t i s ，c o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c ha n dm e a s l l r e m e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h c o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c hi sb a s e do ns t a t i s t i c st h e o r y 、s y s t e mi d e n t i l y i n g 、f u z z ym a t h e m a t i c s 、 i n f o r m a t i o n 、p r o c e s s i o na n ds oo n c o m b i n i n gw i t ht h ep r a c t i c eo fh u n a np r o v i n c e e l e c t r i cp o w e rg r i d ，as e to fl o a dm o d e l i n gm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r do nt h eb a s eo f l o a di n v e s t i g a t i o n t h et h e s i sa d o p t si n v e s t i g a t i o na n df u z z yc l u s t e r i n gt og a i na l lk i n d o fi n d u s t r yt r a d e sa n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sl o a ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ep a p e r a i m sa tw e a kr e s e a r c ho fl o a dm o d e l i n ga tp r e s e n ta n da n a l y z e st h em o d e ls t r u c t u r eo f r e s i d e n t e rl o a d b yi d e n t i l y i n ga b u n d a n te x p e r i m e n t a t i o nd a t a ，t h ea u t h o ra n a l y z e s e x p o n e n t i a la n dp o l y n o m i a ll o a dm o d e l s t h er e s u l t si n d i c a t et h a te x p o n e n t i a ll o a d m o d e l sc a dp r e f e r a b l yr e f l e c ts t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fl o a d ，p o l y n o m i a lm o d e l si s d i f f i c u l tt od e s c r i b el o a dc h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t h o ru s e s f u z z yc l u s t e r i n gi n c o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h ，s e t sf o r t ht w ok i n d so fc l a s s i f i c a t i o na n d a g g r e g a t eo fl o a dc h a r a c t e r i s t i c s t h em e t h o d sa l er e s p e c t i v e l yu s e di ns e l e c t i o no f r e p r e s e n t i v ec o n s u m e r , t h ec l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i so fl o a dc h a r a c t e r i s t i c w h i c h s e r i e st h ec o m p l e x i t ya n ds u b j e c t i v i t yo fc l a s s i l y i n ga n ds y n t h e s i z i n gs u b s t a t i o nl o a d c h a r a c t e r i s t i cs u c c e s s f u l l y t h ep r a c t i c a lm o d e l i n gp r o j e c t sp r o v et h a tt h em e t h o d a b o v ei sc l e a ri nc o n c e p t i o n , c o n v e n i e n ti na p p l i c a t i o na n dv a l i dt o a g g r e g a t el o a d m o d e l i n g k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；l o a dm o d e l i n g ；c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h ； m e a s u r e m e n t b a s e d m o d e l i n g a p p r o a c h ；l o a d c h a r a c t e r i s t i c s c l a s s i f i c a t i o n ；l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa g g r e g a t e ；f u z z yc l u s t e r i n g i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：台纬是 日期： 2 0 0 5 年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：盆佛各 导师签名：办协 日期：2 0 0 5 年7 月日 日期：2 0 0 5 年7 月日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电力负荷建模的基本概念 电力系统是由发电厂、电力网及电力负荷三大部分组成的能量生产、传输和 使用的有机整体。发电厂是电能的发出者，这些电能经高压输电网及低压配电网 被传送到各个用户，并由安装在用户处的用电设备所消耗。电力负荷就是这些用 电设备的总称，其中包括配电网络，通常称之为综合负荷。 电力系统中有各式各样的负荷，可以从不同的角度进行分类。从用电特性来 看，可以分为城市民用负荷、商业负荷、农业负荷、工业负荷及其它负荷。城市 民用负荷中居民家用电器负荷所占容量比例最大。商业和工业负荷是为商业与工 业服务的负荷。农业负荷是农村所有负荷的统称。其它负荷包括市政用电、公用 事业用电、政府办公用电、铁路与电车用电等等。 工业负荷中电力设备种类更多，最主要的是感应电动机，其它还有整流型负 荷、电弧炉、阻抗型负荷等等。配电网主要有配电线路、变压器和补偿电容等。 负荷吸收的有功功率( p ) 及无功功率( q ) 是随着负荷母线的电压p ) 和频率驴) 的变动而变化的，这就是负荷的电压、频率特性。用于描述负荷特性的数学方程 称为负荷模型。电力负荷建模即是研究负荷母线上的综合负荷吸收的功率随着负 荷母线的电压和系统频率的变动而变化的关系，并确定描述这种关系的数学方程 以及其参数的过程。 1 2 论文的选题背景和意义 在研究运行中的电力系统行为时，由于安全运行的限制以及运行状态控制的 困难等原因，通常不在实际系统上进行各种试验。对于规划中的系统，更不可能 依靠在系统上进行试验来预测和寻求改进系统的途径。因此，数字仿真以其经济、 便捷等优点显出其优越性。在电力系统仿真中，电力系统各元件的数学模型及其 构成的全系统数学模型是仿真的基础，其准确与否直接影响到仿真结果和以仿真 结果为依据的决策方案，进而关系到决策实施所产生的经济和社会效益。 长期以来，人们对电力系统的发电机、变压器、输电线路和负荷等四类元件 的模型进行了大量研究。对于前三种元件，提出了适应不同仿真精度要求的数学 模型。而对负荷模型研究历来是不够的。目前，在电力系统使用的负荷模型相对 于高精度的发电机、变压器、输电线路模型来说仍然十分粗糙，成为了影响电力 系统仿真计算结果准确与可信赖程度的瓶颈。因此，加强电力系统综合负荷建模 基于元件的负荷建模理论与方法研究 的理论与应用研究具有极为重要的意义。 l 。3 电力负荷建模的发展历史 二十世纪3 0 4 0 年代人们就认识到负荷模型对系统稳定研究的重要性【i 2 j ，并 对此进行了初步研究，这可算是负荷模型研究的萌芽阶段。 到了二十世纪6 0 7 0 年代，由于数字电子计算机及控制理论的引入，人们可 以采用数字电子计算机对复杂的电力系统进行精确的仿真研究，而精确仿真的基 础便是精确的模型，同其它系统元件一样，负荷建模工作有了相当的进展，除提 出了最常用的恒阻抗、恒电流、恒功率模型以外，还在计算中采用了感应电动机 负荷模型和多项式、幂函数等静态负荷模型【s 】。 二十世纪7 0 年代末8 0 年代初统计综合法的提出是负荷建模在这一时期的最 重大的成果。从1 9 7 6 年开始美国e p r i 主持了一项庞大的研究计划，根据该计划， 研究工作在美国和加拿大同时展开，整个工作经过了严密的计划和组织，从理论、 现场试验、数据收集以及系统的软、硬件开发和数据处理程序等几个方面全面铺 开。美国的t e x a s 大学与g e 公司及其它一些电力公司合作致力于统计综合法负荷 建模的研究。该方法是在实验室内确定每种典型负荷( 如工业电动机、电冰箱、 荧光灯等) 的平均特性方程，然后在一个负荷点上统计一些特殊时刻的负荷( 如 冬季峰值负荷、夏季峰值负荷) 的组成，即每种典型负荷所占的百分比，以及配 电线路和变压器的数据，最后综合这些数据得出该负荷的负荷模型 3 , 4 , 5 1 。经过多 年的努力【5 j ，到了1 9 8 7 年完成的e l 一5 0 0 3 计划，一个在统计综合法负荷建模中最 具有影响的软件包e p r i 的l o a d s y n 开发完成了 6 1 。该软件包使用时需要三种数 据：负荷组成，即各类负荷( 民用、商用、工业等) 所占比例；各类负荷中各用 电设备( 荧光灯、电动机、空调等) 所占的比例；各用电设备的平均特性。对于 使用者来说，必须提供的只有第一种数据，后两种数据可以利用该软件包所给的 典型值，这给该软件包的使用者提供了很大的方便。 2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的系统辨识理论到了8 0 年代前后己取得了 许多令人瞩目的成就，加之计算机数据采集与处理技术的发展，为另一种新的负 荷建模方法总体测辨法的产生奠定了基础。该方法的基本思想是将负荷群作 为一个整体，先在现场进行人为扰动实验或捕捉自然扰动，采集该扰动数据，然 后由现场采集的数据辨识负荷模型的结构和参数，最后再由大量的实测数据验证 所建模型的有效性。中国、美国、日本、加拿大和澳大利亚等国家在实际系统研 制中已投运了大批电力负荷特性数据在线记录装置，记录了大量数据，借此开展 了大量的基于总体测辨法的研究】。 c i g r e 和i e e e 都设有负荷建模工作组，其不定期的发表一些专题报告，以 指导负荷建模方面的研究和及时总结负荷建模方面的进展。1 9 9 0 年c i g r e 发表的 2 硕士学位论文 专题报告，结合荷兰f g o 电网对各种负荷模型的暂态稳定计算效果，论证了负荷 模型的重要性，并对建立实际负荷模型的方法及负荷测试的有关问题进行了论证。 i e e e 在1 9 9 3 年发表的报告统一了负荷建模中的许多术语和定义，总结了负荷模 型从建立、验证到应用的有关问题。i e e e 在1 9 9 5 年2 月的报告列出了国际上学 者在负荷建模研究中提出的许多有价值的负荷模型以及他们的文献和著作，以推 动负荷建模的进一步研究和实际应用。在1 9 9 5 年8 月的报告中推荐了用于电力系 统潮流计算和动态仿真的标准化负荷模型，为各种仿真程序的使用者指明了方向。 1 4 电力负荷建模的研究现状 负荷建模研究的发展得益于电力系统计算机数字仿真技术的推动仿真计 算对负荷模型的客观要求。从所掌握的文献来看，国外较大量的研究基本上始于 2 0 世纪7 0 年代前后；国内开展负荷建模的系统研究则始于贺仁睦教授的开创性工 作 3 1 。纵观国内外的研究成果，负荷建模的工作主要集中在如下几个方面。 1 4 1 负荷模型的结构及其选择 在负荷建模研究中，提出了大量的负荷模型，如恒功率、恒阻抗、恒电流模 型及其综合的z i p 模型以及发展的任意多项式模型，幂函数模型，感应电动机模 型，差分方程模型，双线性模型，a n n 类模型，综合导纳模型，以负荷功率或负 荷母线电压为状态变量的动态模型以及这些模型的某种组合等等，新近国内有学 者提出了基于z i p 与感应电动机模型的具有时变性的综合模型，在电力系统工程 仿真计算中比较普遍应用的主要还是多项式模型、幂函数模型、感应电动机模型 等以及它们的某种组合。 按照是否反映负荷的动态特性，负荷模型一般可分为静态模型和动态模型， 按照是否反映负荷的物理特征，动态负荷模型又可分为机理动态负荷模型和非机 理动态负荷模型。 1 4 1 1 静态负荷模型 基本的静态负荷模型有：幂函数模型、多项式模型，通常一个幂函数在电压 变化范围比较大的情况下仍能较好地描述许多负荷的静态特性；多项式模型由恒 功率、恒电流、恒阻抗三部分组成，它可以看作是三个幂函数相加的特例，这三 个幂函数的幂指数分别为0 ，1 ，2 。静态的负荷模型主要适用于潮流计算和以潮流 计算为基础的稳态分析中。在电力系统动态分析中，静态负荷模型一般适用于计 算结果对负荷模型不太敏感的负荷点。目前国内电力系统潮流计算所采用的负荷 模型多是恒功率模型；暂态计算所采用的负荷模型则是多项式静态负荷模型( 尤 其是恒定阻抗模型) 与感应电动机模型( 动态负荷) 的组合。 基于元件的负葡建模理论与方法研究 静态负荷模型是指在稳态条件下，负荷功率与端电压和频率之间的非线性函 数。+ 建立静态模型的方法有统计综合法、稳态实验法和在线辨识法。文献 8 】 9 】 1 0 列出了典型用电设备的静态参数、感应电动机和空调等用电设备的静态特性方程， 以及统计综合法建立负荷静态模型的原则方法。文献 1 1 】提出了以总体测辨法为 主，吸收统计综合法的优点而建立负荷模型的一种方法一一综合测辨法，并应用 该方法获得了东北地区部分行业的静态模型参数。 1 4 1 2 动态负荷模型 动态负荷模型又可进一步分为机理模型和非机理模型。 ( 1 ) 机理动态负荷模型 通常就是感应电动机模型 1 3 , 1 4 】。由于感应电动机在电力负荷中占较大的比重， 对于系统的运行分析与控制有很大的影响，因此在实际应用中常采用感应电动机 并联上静态负荷的形式来描述综合负荷。人们已经提出了多种感应电动机模型。 比较详细的模型是五阶电磁暂态模型，其中考虑了定予绕组、转子绕组的电磁暂 态特性，以及转子的机械动态特性。当忽略定子绕组的电磁暂态特性，则得到三 阶的机电暂态模型。另外，还有其他的机理动态模型，如同步电动机模型、有载 调压变压器模型、负荷减载及投切模型等等。 ( 2 ) 非机理动态负荷模型 非机理动态模型是在系统辨识理论发展过程中，从大量的具体动态系统建模 中概括出来的，对一大类动态系统具有很强的描述能力。当负荷群中动态成分复 杂，难以用物理模型描述，或者为了降低动态模型的阶次而突出主要矛盾时，将 整个负荷群当作一个“黑箱”或“灰箱”，用一个非机理模型来描述其输入输出特 性。每一种非机理模型都有其普遍适用的范围，也正是由于其普遍适用性掩盖了 它作为具体系统的具体物理机理。 目前常用的非机理动态负荷模型的形式有：常微分方程模型【”】，传递函数模 型【1 6 】，状态空间模型1 1 ，时域离散模型 8 , 1 8 1 等。此外还有描述负荷特性非线性的 人工神经网络模型【伸j 。 1 4 1 3 负荷模型的选择原则 ( 1 ) 静态模型一般适用于以下情况：稳态问题( 如潮流计算) ；长期动态过程，负 荷中以静态成分为主，如商业、民用负荷。而在下列情况下，宜采用动态模型： 工业区；负荷中包括大量感应电动机；系统瓦解；自励磁及次同步扭振等等。 ( 2 ) 当负荷中成分比较单一时，选择机理式模型较好。这种模型物理概念明确，能 反映负荷的内部物理现象。面当负荷成分比较复杂时，宜选用输入输出模型。 这种模型结构简单、通用性强，可以反映负荷的外部总体特性。 ( 3 ) 当动态运行点偏离稳态运行点较小时，可选用线性模型，如静态稳定分析；这 4 硕士学位论文 种模型便于分析、计算量少。而当动态运行点偏离稳态运行点较大时，宜采用 非线性负荷模型。 ( 4 ) 电力系统中频率变化比较缓慢。因此，在短期动态过程分析中，可不计及负荷 频率特性。而在长期动态过程分析中则要计及。 ( 5 ) 由于恒定阻抗模型处理方便、节省计算时间及内存空间，所以这种模型仍将经 常被采用，特别是在没有系统数据可供建模之用以及负荷影响较小的场合。 1 4 2 负荷模型参数的获取 1 4 2 1 负荷建模的两条途径 负荷建模即是根据已知信息客观、准确地确定负荷的模型结拇( 模型类) 与 模型参数的过程。一般来说，根据已知信息的不同，负荷建模有两种基本方法： 基于元件的方法和基于量测的方法。前者根据综合负荷的构成成分以及用电设备 的平均特性用统计的方法确定综合负荷模型，也称为统计综合法；后者则基于负 荷的输入一输出测量数据用系统辨识的方法建模，也称为总体测辨法【8 】。 。 统计综合法【2 3 】的基本思想是把综合负荷看成成千上万用户的集合，首先在实 验室确定各种典型负荷的平均特性( 如日光灯，电机，空调器等的平均电器特性) ， 然后统计出各类负荷如居民负荷、商业负荷、工业负荷等这些典型负荷的比例， 估计出各类负荷的平均特性，最后再根据各类负荷所占的比例，得出综合负荷的 模型。用统计综合法得到的负荷模型具有物理概念清晰，易于被现场工作人员理 解的优点，但其核心是建立在“统计资料齐全，负荷特性精确”的基础之上的，而 这一点往往是很难做到的，而且不可能经常进行，从而无法考虑负荷随时间变化 的特性。 就综合电力负荷而言，只要负荷模型能反映出真实系统的输入一输出特性， 就可以认为模型是合理的，而不必拘泥于模型的形式。总体测辨法的基本思想正 是把负荷看成一个整体，作为一个随机系统来考虑。先利用数据采集装置，从现 场采集负荷所在母线的电量，然后根据系统辨识理论确定综合负荷模型。这种方 法避免了大量的统计工作，具有强有力的理论依据辨识理论。所依据的测量 技术和辨识理论发展很快，已基本趋于成熟。随着测量速度的加快和数字处理技 术的完善，将有可能得到随时问变化的在线实时负荷特性，这是统计综合法所不 可能的。从数据采集角度看，总体测辨法有两种数据来源：即人为干扰下采集数 据和自然扰动下采集数据；从参数辨识角度看，可分为在线辨识和离线辨识两种 方式。后一种方法能够较好反映负荷特性随时间的变化，但在线计算量大，要做 到实时性，对计算方法和硬件要求较高。总体测辨法的困难之一是信噪比小。要 从信号处理技术和辨识方法入手，尽量避免噪声的影响。另一个困难是参数的不 确定性，这要从可辨识性和辨识方法方面去解决。 确定性，这要从可辨识性和辨识方法方面去解决。 基于元件的负荷建模理论与方法研究 1 4 2 2 负荷模型的参数辨识算法 辨识是在输入和输出数据的基础上，从给定的一组模型中确定一个与所测系 统等价的模型；即按规定的准则在一类模型中选择一个与数据拟合得最好的模型。 当负荷模型的结构和形式确定后参数辨识就相对比较容易，其本质是一个单纯的 数值优化问题。对于l o a d s y n 所支持的模型来说，可以通过统计综合法获得模 型参数。对于其它负荷模型来说，必须借助系统辨识理论。系统辨识即为“动态 建模”，即利用现场实测的输入、输出数据，经计算机数据处理后，估诜出系统的 数学模型。 传统的优化方法有直接法和解析法两种，直接法主要包括模式搜索法、转轴 法、p o w e l l 方法等；解析法主要有最速下降法、牛顿法、共轭梯度法 2 4 1 和变尺度 等。它们对目标函数峰值不唯一的情况容易将解收敛至初值附近的局部最优解。 负荷建模中的目标函数和解空间都相当复杂，有多个极值点，且有些极值点之间 差异细微，显然当初值选取离全局最优点较远时，很难找到目标函数的全局最优 解。 遗传算法的提出为优化问题提供了一条新思路。文献 2 7 】利用遗传算法对负荷 模型进行参数辨识，建模结果表明无论是静态负荷建模还是动态负荷建模，该方 法都要优于最小二乘法。遗传算法是一种模拟生物群体进化的随机优化方法，作 为一种自适应、启发式的全局意义上的搜索算法，它具有很强的鲁棒性和通用性。 但其突出问题是收敛速度慢。针对这个不足，学者们进行了大量研究，取得了一 些喜人的成绩。 随着人们对模型参数辨识算法研究的进一步深入，除了传统优化算法外，一 些智能类优化计算方法【2 8 】也应用于负荷模型参数辨识并表现出其良好的性能。如 粒群算法【4 0 1 ，它本质上也属于随机类方法，但它在原理上可以以较大的概率找到 优化问题的全局最优解，且计算效率比传统的随机类方法要高得多。 1 4 3 负荷模型对仿真计算结果及运行状态影响的研究 目前电力系统潮流计算中，不考虑负荷模型，实质上是假设负荷具有恒定功 率特性。只要系统负荷较轻，各节点运行电压偏离额定值不太远，相应的潮流解 都是存在的，没有不收敛的问题。但如果处于“病态”条件( 如负荷很重) ，对应 的潮流计算可能发散无解。实际上的负荷都是正电压特性系数，运行电压下降时 其吸收的功率也会减少，因此，如果潮流计算模型考虑这种负荷特性影响，则即 使在重负荷条件下，也不会导致潮流仿真发散，这是真实负荷情况的客观反映 3 1 。 电力系统区间低频振荡时会涉及到系统内大量的发电机，从而造成系统电压 和区域频率明显变化，此时负荷的电压特性和频率特性对振荡具有重要的影响【4 】。 i e e e 对美国西北部电网的研究中指出 2 9 1 ，在该系统的小扰动动态稳定分析时，采 6 硕士学位论文 用恒阻抗的负荷模型比实际的负荷模型得出的结果乐观，其偏差在2 5 左右。文 献 3 0 】也强调了精确的负荷模型对系统具有镇定的作用。在分析区域振荡时，除考 虑发电机励磁控制系统的作用外，原动机的转矩一速度特性和负荷特性也是应该 考虑的重要因素。因此分析区域振荡时，必须正确考虑负荷的电压频率特性对系 统阻尼的影响。 电力系统在大扰动情况下，发电机输入的机械功率和输出的电磁功率失去平 衡，引起转子速度和相角的变化，机组间发生相对摆动，这就是系统的暂态( 功 角) 稳定问题。负荷特性对暂态稳定计算的影响很大，其对控制功率极限的影响 可达2 5 左右。在故障初期，电压一般下降，而频率却变化很小，只需计及负荷 的电压特性。但在后期，特别是靠近发电机的地方，有可能要考崽负荷的频率特 性；暂态稳定更大程度上取决于有功平衡，从而负荷的有功特性显得更为重要。 对于典型的发电一受电系统，负荷特性的影响是明确的，也可以判断传统负荷模 型所带来的究竟是偏保守还是偏乐观。但是，对于现代大型电力系统，有时很难 明确区分发电一受电地点，而且不同地点负荷特性的影响往往互相关联。由于事 先很难判断某种负荷模型的结果在全局上是偏保守还是偏乐观，所以有必要对那 些重要负荷点确定其特性。挪威和瑞典的研究表明( 3 6 1 ，当降低地区负荷的电压敏 感性时，如果该地区是输送端，则联络线的传输功率极限会提高；反之，若该地 区是收受端，则联络线的传输功率极限会下降。仿真实践表明，对于电压、频率 变化幅度很大的暂态过程，采用静态负荷模型是不合适的。文献【3 7 】结合广东电网 的实测数据，建立了相应的动态负荷模型，并将这些模型和静特性负荷模型分别 应用于实际算例中，结果表明：采用基于实测的动特性负荷模型计算所得的短路 电流值比采用静态负荷模型更接近实际录波电流值；而基于实测的动态负荷模型 的仿真结果较具合理性，可以更真实地反映电力系统的动态过程。文献 3 8 1 以荷兰 电网为背景，分别以传统的电动机加恒阻抗模型和实测静态指数负荷模型算得的 暂态稳定结果，两者有很大的差距，因此何种负荷模型更适合实际情况是值得进 一步研究的。从时间框架来说，暂态稳定为秒级。感应电动机负荷的转子绕组动 态时间常数也在此范围内，因此可能有必要考虑感应电动机负荷的动态特性。暂 态稳定快速、短暂的特点，对负荷数据采集和负荷特性参数的确定提出了高要求。 负荷模型对暂态稳定分析具有重要的影响，更进一步的研究需要分析负荷模 型对暂态稳定的灵敏度，这对建立负荷模型和应用负荷建模都有重要的作用。有 关基于灵敏度分析的负荷建模的研究正在开展中。 在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃、最关键、最直接的因素， 它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。因此，负荷建模在电压稳定研 究中占有极其重要的地位，负荷模型是决定电压稳定研究结果之准确与可信程度的 关键。正因为如此，其研究越来越受到广泛重视。如文献 3 8 】指出，在重现1 9 8 3 年 基于元件的负荷建模理论与方法研究 瑞典电压崩溃事故的仿真计算中，开始采用简单的静态负荷模型无法解释电压崩 溃的过程，当意识到稳定计算中常用的负荷模型已经不能正确反映低电压的特性， 最后采用计及感应电动机、照明、空调等用电设备比较详细的负荷模型时才给整 个崩溃过程以合理的解释。文献 3 9 1 指出现有模型存在的主要问题在于：负荷的 静态电压特性只能适用于额定电压附近的电压范围，不能描述低电压情况下的负 荷静态行为；有些非机理动态模型只能描述其功率恢复特性而不能描述其低压失 稳特性。电压稳定性研究对负荷建模的特殊要求，关键表现在模型的全电压范围 内适应性问题上。目前，电压稳定分析中负荷建模尚远未跟上算法研究的需要，更严 重地影响到电压稳定性机理的深入认识，应当引起电压稳定研究工作者的高度重 视。 、 1 4 4 负荷特性的分类与综合 负荷建模的根本目的是为电力系统仿真计算提供结构合理、参数准确的综合 负荷模型。因此负荷特性的分类与综合问题是现代大型电网的负荷建模面临的重 要问题之一。 从电力系统综合负荷变化的空间横向考虑，负荷的地域分布非常广泛，即使 对于一个省级电网也有数十上百个2 2 0 k v 变电站，各自的负荷构成和综合负荷特 性存在差异；另一方面，从负荷构成变化的时间纵向考虑，即使对同一变电站， 其负荷构成随机时变，从而不同时刻( 或时间段) 也呈现不同的综合负荷特性。 对于负荷建模而言，为了准确地反映负荷特性，自然是不同负荷点的不同时刻应 当有不同的负荷模型，或即使建立同样的模型类( 模型结构) ，其模型参数也将具 有很大的分散性，这是由综合负荷的特点所决定的必然结果；然而从工程实用的 角度讲，同一电网所采用的综合负荷模型应尽可能简、少，否则使用时就会无所 适从。这就是“精确”的负荷建模与工程应用要求的突出矛盾。解决这一矛盾的 基本出发点应当是在表现纷繁复杂的负荷表象中抓住主要矛盾，忽略次要矛盾， 达到模型的准确性和实用性的合理折衷，其有效途径就是负荷特性的分类与综合。 所谓“负荷特性分类”就是将同一电网不同负荷点以及不同时间段中负荷特 性接近或相似的综合负荷归并为一类并用同一负荷模型描述该“分类”的负荷特 性；所谓“负荷特性综合”就是建立每一“分类”的综合负荷模型，且综合以后 的模型必须能够最大程度地提取同类负荷中的共同本质特征。所得的模型应该具 有对不同强度扰动的适应性即内插外推能力。因此，深入系统研究负荷特性的分 类与综合方法既具有重要的科学价值，也具有重要的现实工程意义。 负荷特性的分类与综合是近年来才开始受到关注的问题，这是负荷建模研究 不断深入的必然发展趋势。文献 1 8 , 3 1 】提出了负荷建模必须面向综合的观点，并在 假定已经对负荷特性进行了合理分类的前提下，提出了基于多样本总体拟合的负 8 硕士学位论文 荷特性综合的思路与方法；文献 3 2 1 提出了应用无教师学习的k o h o n e n 神经网 络进行负荷动特性聚类的方法。文献 3 3 1 从总体测辨法建模的角度指出，应对所采 集的扰动数据先进行基于模式识别的分类，然后在分类的基础上进行综合的建模 思想。 除了上述主要方面外，对不同激励下负荷模型的适应能力( 内插外推特性) 、 负荷模型的在线辨识与等值、负荷模型参数的分散性、灵敏性和可( 唯一) 辨识 性及其关系等方法与理论问题，有文献对此进行了探讨；基于正常运行数据的模 型参数在线辨识方法【3 4 1 、基于智能学习的区域性负荷建模2 蚋、基于瞬时对称分量 法的综合负荷建模 3 5 】等建模方法与技术也有相应成果报道。 建立与实际情况尽可能吻合的负荷模型的重要性已被电力研究工作者和现场 的调度运行人员所认识和重视。负荷建模是一个面广量大、理论联系实际的科研 难题，要使负荷模型理论真正来指导电力工程实践，摆在负荷建模工作者面前的 任务依然艰巨。 1 5 本文的主要研究内容和所取得的研究成果 电力负荷建模是电力系统领域的重要基础性课题。本文以湖南电网为背景， 以基于元件的建模方法为主线展开研究。论文的主要工作及主要研究成果如下： ( 1 ) 在简要阐述负荷建模基本理论的基础上，介绍了两种基本的建模方法：基于 元件的方法( 统计综合法) 和基于量测的方法( 总体测辨法) 。在基于元件特 性的统计综合法负荷建模中，以统计学、系统辨识与控制、模糊数学与信息 处理等基本理论为基础，结合具体实践，提出了电网负荷特性调查的方法与 思路，为获得准确的原始数据提供了有力的保证；提出了基于“行业用户调 查一一典型用户筛选一一典型用户建模一一用电行业建模一一变电站综合负 荷建模”的分层次负荷建模的基本思想、方法和步骤。这部分内容见第二章。 ( 2 ) 通过对大量实验数据的辨识分析，对典型居民负荷特征参数进行了系统研究， 结果表明：幂函数模型可以较好地反映负荷的静态特征，而多项式模型却难 以描述负荷的实际情况；特别是居民负荷中大量空调设备的使用，其在综合 负荷结构动态负荷中的比例越来越高，而且有研究表明，空调类负荷的特性 与一般的工业类感应电动机的负荷特性有很大的不同，所以，传统的感应电 动机模型难以适应于空调类负荷为主的综合负荷描述。这部分内容见第三章。 ( 3 ) 对综合负荷特性的分类方法进行了研究，提出了将模糊聚类分析应用于基于 元件的负荷建模的思路，将基于模糊等价关系和模糊c 均值两种聚类算法应 用到负荷建模的变电站分类处理和行业典型用户精选中，并且分别进行了比 较分析，得到结论：模糊c 均值聚类不仅可以得到合理的聚类结果，而且可 9 基于兀件的负荷建模理论与方法研究 以综合得出聚类的中心矩阵，由此可清晰地看出该聚类的综合负荷特性参数， 所以在综合负荷静特性聚类分析时，基于模糊c 均值聚类法具有明显的推广 应用价值。模糊聚类分析两种方法的应用解决了基于元件负荷建模中变电站 分类处理和行业典型用户精选的复杂性和主观性，提出的物理概念清晰，计 算方便，通过算例论证了该方法的正确性和有效性；并且采用基于元件的方 法和模糊聚类的数学处理，以第二章的理论知识为基础，以用户调查资料为 依据，综合得出各行业的静态特征参数和各变电站的静态特征参数。这部分 内容见第四章。 l o 第2 章电力负荷建模的基本理论与方法 电力系统仿真计算中，将交电站母线( 或线路) 供电的所有用户用电设备的 集合称为综合负荷。所以综合负荷可以是终端变压器负荷母线所供用户的用电设 备( 含低压配电线路) 的总和，也可以是主网变电站负荷母线( 如2 2 0 k v 、1 l o k v 母线) 所供用户的用电设备( 含配、供电变压器和配电网络) 的集合。 上述意义上的用电设备集合在运行过程中所表现出的综合特性，称为综合负 荷特性，它是综合负荷从电网吸取的功率随电网频率和母线电压的变化而表现出 的变化规律：这种变化规律的数学描述即为综合负荷模型；根据综合负荷的特点 确定这种模型的类别及其模型参数，就是综合负荷建模。 负荷建模的根本目的是为电力系统仿真计算提供结构合理、参数准确的综合 负荷模型。 一般来说，根据已知信息的不同，负荷建模有两种基本方法：基于元件 ( c o m p o n e n t b a s e d ) 的方法和基于量测( m e a s u r e m e n l ) 的方法。前者根据综合 负荷的构成成分以及用电设备的平均特性用统计的方法确定综合负荷模型，故也 称之为统计综合法；后者则基于负荷的输入一输出测量样本数据用系统辨识的方法 建模，故也称之为总体测辨法。 2 1 基千元件的负荷建模 2 1 1 统计综合法的基本原理 统计综合法基于统计学原理，其基本思想是将负荷看成个别用户的集合，每一 用户则是各类用电设备的集合2 0 1 。将其电器分类并确定各种类型电器的平均特性， 然后根据各类电器的比重，得出综合负荷模型，图2 1 为其连模的框图。 口 电 ddu 1 5 40 1 重 毒耐 0 0 0 52 50 6 2 8 负荷成分负荷特性 固2 1 统计综合建模法 圊圈团圆；篇舞； 嚣印一 基于元件的负荷建模理论与方法研究 采用统计综合法时，需要三种数据资料：单个负荷元件( 即用电器) 的平 均特性；各类负荷中负荷元件的组成；变电站负荷分类和组成。其优点是它 不依赖现场实验、限制少。上述3 项中，除第一项是由试验得到外，其余两项数 据均需来自有关的统计资料。 这些数据必须建立在一套完整、详细的统计资料基础上，整个负荷的建模过 程由图2 2 框图表示，分为四个步骤： 图2 2 负荷建模过程图 现场测试 及数据分析 ( 1 ) 负荷元件特性试验 ( 2 ) 确定负荷组成 ( 3 ) 负荷集结建模 这是建模的核心部分，由上两步收集的负荷元件特性、负荷组成信息连同配 电网络结构、运行工况( 电压、频率) 输入网络集结程序，通过计算，最终获取 变电站的综合负荷模型。 ( 4 ) 实际系统试验 用现场试验数据和仿真结果比较，以验证负荷模型的准确性和实用性。 统计综合法是一种传统的做法，它也有一定的缺点：需事先统计成千上万个 用户的负荷组成，工作量大且难以获得准确的统计结果；各类电器元件的平均 特性难以确定；对无功电压特性和频率特性以及动态特性难以准确模拟。 1 2 硕士学位论文 2 1 2 基于元件的综合负荷建模的基本思路 统计综合法负荷建模即基于元件的综合负荷建模，由上一节所描述的基本思 想是将综合负荷看成个别用户的集合，每一个用户则是各类用电设备的集合：基 本建模过程是：首先将构成综合负荷的用电设备( 电器) 进行分类并确定各种类 型电器的平均负荷特性，然后根据构成综合负荷的各类电器的比重，得出综合负 荷模型。因此，确定综合负荷中各类用电设备之构成比例以及各类电器的平均特 性是统计综合法即基于元件的负荷建模的关键。 2 1 2 1 电网负荷特性调查思路与方法 典型用户用电设备构成情况调查与统计分析是统计综合法负荷建模的基础。 其基本思路是：将综合负荷按照行业特性分类，在合理的行业分类前提下，不同 母线供电范围内的相同行业用户，其负荷构成及负荷特性是相近或相似的。所以 负荷建模从行业的平均负荷特性建模展开，最后回到变电站母线的综合负荷模型。 负荷构成特性调查的具体思路与方法如下： ( 1 ) 首先，对全网范围内电力用户进行行业分类。这种分类应当是科学合理的，有 利于调查统计工作的进行。分类可以按国家有关用电行业分类标准并结合电网 的实际情况开展。为了确保最终所建立的综合负荷模型科学、合理、反映其共 同本质特征，行业分类必须符合负荷建模的本质要求：同类综合负荷必须是负 荷特性相同或相近，以保证同类负荷具有最大程度的在负荷建模意义上共同本 质特征。 ( 2 ) 对全电网范围内的所有2 2 0 k v 变电站开展负荷调查统计。调查内容主要包括： 主变压器台数、容量、最大最小负荷以及相应的平均功率因数、集中无功功率 补偿容量：所有供电用户的所属行业、配变容量、负荷装机容量、负萄构成( 负 荷种类一感应电动机类、电热类、办公类、家用类等及其构成比例) 。 ( 3 ) 对所划分的每一类行业用户，选取若干较有代表性的用户( 我们称之为初选典 型用户) 进行负荷特性调查，确定其用电设备构成状况及各类电器的容量比例。 选定每个行业的调查用户时，既要使得相应调查统计方便实施，又要尽可能不 致遗漏确实具有代表性的“典型用户”。因此，调查对象的确定必须以对调 查范围内用户情况有足够全面的了解为基础。并在调研过程中及时修正。用户 负荷特性调查时尤其注意两个问题：一是科学设计被调查对象的调查内容，通 过调查这些内容能够最大限度地掌握用户的负荷特性。二是初选典型用户应当 覆盖网内的所有用电行业，避免遗漏。 0 ，若从参考点r ，出发，作水平方向探测，即从r 出发，以瓯 为步长向右移动一步，若f ( r ，+ 8 0 e 1 ) - 厂 ，) ，则称探测成功，即移动后的点优于五。， 就用r 。表示移动后的点，即记r 。= 置+ 舐f ；否则，退回置，再向左移动一步( 步 长仍为磊) 。若，一5 0 e 1j ， ) ，则称向左探测成功，仍记移动后为点e 。，即 r 。= r ，一民一；如果向左及向右都失败，则令r 。= r i 。总之，用r ，j 表示由r 。出发， 沿第一个坐标轴方向探测后所得到的点。然后再从胄。出发，沿第二个坐标轴方向 探测，仍以磊为步长，向上移动一步，若，化。+ 民e 2j 厂 。) ，则称探测成功，记 r ，：= r 。+ 6 0 e 2 ，否则，退回r 。，仍以磊为步长向下移动一步，若 ，幢。一坑e 2 j ，限。) ，则探测成功，记e ：= r 。一a o f 2 ；如果向上和向下移动都失败， 就记r ，：= r 。总之，以r ，：表示沿第二个坐标轴方向探测后所得到的点。 对于两个变量的情形，当依次沿两个坐标轴方向轮流探测一遍时，则探测性 移动告一段落。易知，墨：点的试验结果不会劣于r 。点的试验结果。再比较r ，：与置 点的试验结果，如果r ，：点优于e ，即， ：) ，慨) ，则令b 。= r j 2 即得到新的 基点以。，否则令b i + ，= e ，即退回到e 。 3 3 1 2 模式性移动 所谓模式性移动就是把从置到e + 。的移动依同一个方向延伸一倍，并用置+ 。表 示延伸后所得到的点，即r 。= 2 e + 一b i ，再从r 。出发，重复上述过程可得e + 1 ， r 。，。若r 。= 置。= 置，则迸一步的探测过程无法继续进行。此时，需从 置+ 。= 且。出发，缩小步长，取西= 碱( o 0 时负荷为感性) 。 在上述各物理量中，负荷电压为输入变量，是系统激励；综合负荷电流或功 率为输出变量，是系统响应。 3 3 2 2 数学模型 1 ) 系统状态方程 以综合负荷为待辨识系统，对d - q 0 坐标系统下的感应电动机动态微分方程进 行坐标变换，即