（电力系统及其自动化专业论文）考虑负荷时变性的大区电网负荷建模研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 abs tr act l o a d m o d e l i n g i s o n e o f t h e m o s t d i f f i c u l t p r o b l e m s i n p o w e r s y s t e m a n a l y s i s . t h e r e h a v e b e e n l a c k i n g t h e s y s t e m a t i c m e t h o d s w i t h w i d e a p p l i c a b i l i t y i n t h i s f i e l d . t h i s d i s s e r t a t i o n p r o p o s e s , i n t h e f i r s t t i m e , t h r e e p r o g r e s s i v e l a y e r s t o m o d e l t h e d y n a m i c l o a d , n a m e l y , m o d e l i n g o n l o a d b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s , m o d e l i n g o n l o a d t i m e - v a r i a n t c h a r a c t e r i s t i c s a n d m o d e l i n g o n t h e l o a d o f l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d . t h e f i r s t l a y e r f o c u s e s o n t h e m o d e l i n g o n t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s p e c i f i c p h y s i c l o a d a t t h e s p e c i f i c t i m e ; t h e s e c o n d l a y e r f o c u s e s o n t h e m o d e l i n g o f t h e g e n e r a l d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s p e c i f i c l o a d a l l t h e t i m e ; w h i l e t h e t h i r d l a y e r c o n c e n t r a t e s o n t h e l o a d m o d e l i n g f o r l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d . t h e k e y i n m o d e l i n g t h e l o a d b a s i c c h a r a c t e r i s t i c l i e s o n t h e c h o i c e o f t h e m o d e l s t r u c t u r e , t h e i d e n t i f i c a t i o n a l g o r i t h m a n d a l s o o n t h e s t a b i l i t y o f t h e m o d e l p a r a m e t e r s . a f t e r w i d e l y r e s e a r c h i n g o n t h e c u r r e n t l y a v a i l a b l e t y p i c a l l o a d m o d e l s , t h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t s t h e t i m e - v a r i a n t a d a p t i v e l o a d m o d e l s t r u c t u r e , i . e . t v a l o a d m o d e l s t r u c t u r e , w h i c h i s m o r e a d a p t i v e t o t h e m e a s u r e m e n t - b a s e d l o a d m o d e l i n g . b a s e d o n t h e p r e s e n t e d m o d e l , t h e d i s s e r t a t i o n f u r t h e r r e s e a r c h e s a n d a p p l i e s t h e l e a s t s q u a r e a l g o r i t h m i n c l a s s i c s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n t h e o r y a s w e l l a s t h e s i m p l e x m e t h o d a n d t h e g e n e t i c a l g o r i t h m i n m o d e r n s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n t h e o r y t o i d e n t i f y t h e l o a d m o d e l . f u r t h e r m o r e , t h e d i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e s t h e i d e n t i f i a b i l i t y o f t h e l o a d b y a n a l y z i n g q u a l i t a t i v e l y t h e n o n - u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l o a d p a r a m e t e r , a n d g i v e s t h e n u m e r i c z o n e o f t h e l o a d p a r a m e t e r s . t h e d i s s e r t a t i o n a l s o i n v e s t i g a t e s t h e v i e w o f t h e l o a d m o d e l f r o m d i f f e r e n t v o l t a g e l e v e l s . t h e m o s t d i f f i c u l t a s p e c t o f l o a d m o d e l i n g , w h i c h d i f f e r e n t i a t e s i t s e l f f r o m o t h e r m o d e l i n g p r o b l e m s , l i e s i n t h e f a c t t h a t t h e l o a d i s t i m e - v a r i a n t . t h e d i s s e r t a t i o n p r o p o s e s o r i g i n a l l y t h e i d e a o f d e c o m p o s i n g t h e t i m e - v a r i a n t l o a d t o s o l v e t h i s p r o b l e m . f i r s t , t h e t i m e - v a r i a n t l o a d i s d e c o m p o s e d i n t o t h e t i m e - v a r i a n t l o a d c h a r a c t e r i s t i c a n d t h e t i m e - v a r i a n t l o a d m o d e l d u e t o t h e m o d e l i n g m e t h o d . s e c o n d , t h e m u l t i - c u r v e a p p r o x i m a t i o n m e t h o d i s p r o p o s e d t o i d e n t i f y t h e l o a d p a r a m e t e r s , w h i c h t o a g r e a t e x t e n t , r e d u c e s t h e e f f e c t s o n t h e t i m e - v a r i a t i o n o f t h e l o a d m o d e l f r o m m o d e l i n g m e t h o d . t h e n , t i m e - v a r i a n t l o a d c h a r a c t e r i s t i c i s d e c o m p o s e d a n d t h e t v a l o a d m o d e l s t r u c t u r e i s p r o p o s e d 一 i i i 一 华北电力大学博十学位论文 t o r e d u c e t h e e f f e c t s o n t h e t i m e - v a r i a t i o n o f t h e a m p l i t u d e s o f t h e l o a d . f i n a l l y , t h e g r o u p a l g o r i t h m a n d h y p o t h e s i s t e s t i n g s t r a t e g i e s a r e a p p l i e d t o s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e t i m e - v a r i a t i o n o f t h e l o a d c o m p o n e n t s . t h e w h o l e p r o b l e m r e l a t e d t o t h e t i m e - v a r i a t i o n o f t h e l o a d i s c o m p l e t e l y s o l v e d b y t h e p r o p o s e d m e t h o d , t h e c o r e o f w h i c h l i e s i n t h e t v a m o d e l s t r u c t u r e f r o m t h e v i e w o f t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n , l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d l o a d m o d e l i n g a d d r e s s e s m o d e l i n g t h e l o a d d i s t r i b u t e d a t v a r i o u s s i t e s . a f t e r a n a l y z i n g t h e i n e f f i c i e n c y o f t h e g r o u p a l g o r i t h m f o r m o d e l i n g l o a d f o r l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d , t h e d i s s e r t a t i o n p r o p o s e s a l o a d m o d e l i n g a p p r o a c h f o r l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d b a s e d o n t h e a g g r e g a t i o n t h e o r y , t h u s s o l v e s t h e m e a s u r e m e n t - b a s e d l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d l o a d m o d e l i n g . t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s p r o p o s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n h a v e b e e n a p p l i e d i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e s . a n a d v a n c e d s o f t w a r e p l a t f o r m w i t h t h e p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n a s i t s c o r e h a s b e e n d e v e l o p e d f o r l o a d m o d e l i n g . t h i s s o f t w a r e p l a t f o r m h a s b e e n p r a c t i c e d i n t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t o f l o a d m o d e l i n g f o r z h a n g j i a k o u a r e a , a s w e l l a s t h e n a t i o n a l p o w e r g r i d k e y p r o j e c t o f l o a d m o d e l i n g f o r t h e n o r t h e a s t o f c h i n a . f u r t h e r m o r e , c o m b i n i n g w i t h t h e s u r v e y o n t h e c o m p o n e n t s o f t h e l o a d i n t h e n o r t h e a s t o f c h i n a , a m o r e a c c u r a t e l o a d m o d e l d a t a b a s e o f t h e n o r t h e a s t o f c h i n a土 s b e i n g b u i l t k e y w o r d s : l o a d m o d e l i n g , i n d u c t i o n m o t o r , m e a s u r e m e n t - b a s e d , c o m p o n e n t - b a s e d , t i m e - v a r i a t i o n , c l a s s i f i c a t i o n , a g g r e g a t i o n , l a r g e p o w e r g r i d l o a d m o d e l i n g 工 v 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 . 1引言 电力系统的特点是电能不能大量的储存，正常运行时电能的生产、传输、消耗 要求保持动态平衡，系统的各个组成部分通过电气的联系而联结成为一个整体，系 统中任何一个元件发生故障可以瞬间波及全网，从而可能对系统的安全运行带来负 面影响，严重时系统可能失去稳定，由此可造成不可估量的经济损失和社会影响， 因此保证系统运行的安全可靠是电力系统规划和运行的首要任务。 研究电力系统受到扰动后的动态特性可以及时发现系统的薄弱环节，进而采取 各种加强和控制措施，或者从中得到可以避免发生严重后果的运行经验，从而提高 电力系统的安全性。由于安全运行的限制，在研究电力系统在扰动后的行为时，不 能采用直接在实际系统中进行各种试验的方法，通常在模拟系统上来研究电力系统 的动态特性。数字仿真技术的发展为研究系统在各种扰动下的稳定性、考察各种稳 定措施的效果以及稳定控制的性能提供了一个经济、方便的手段。目前，数字仿真 己成为电力系统规划、设计、运行的主要工具，数字仿真结果的准确度直接影响运 行和规划中决策的正确性，是电力系统设计、规划、运行的基础。 电力系统仿真计算与实际情况的吻合程度取决于所采用的模型的准确性，通过 电力工作者的不懈努力，发电机组和输电网络的模型已经相对比较成熟，人们可以 根据所研究问题的需要选择既满足精度要求又尽可能简单的模型， 如:工 e e e 推荐的 发电机典型模型有六种，励磁系统有四种，调速系统有两种，等等;与此相反，各 种电力系统计算所采用的负荷模型却仍相当简单，往往只能从基本物理概念出发采 用理想化的模型，如:恒功率模型，恒电流模型，恒阻抗模型，或者三者的结合。 研究表明，负荷模型的过分粗略己成了制约计算精度的关键因素之一。因负荷模型 不准确而得出的系统分析结果， 可能给电力系统的规划、 运行带来不可估量的损失。 所以建立符合实际的动态负荷模型具有十分重要现实意义。 与发电机建模相比，负荷建模有其特别的困难。高压母线上的综合负荷由众多 动态用电设备和静态用电设备以及输配电网络和并联补偿电容等构成，这些设备分 散在一定的区域内，与高压母线的电气距离各不相同，其特性和运行状态各异，而 且负荷的构成和运行状态随时间气候等因素变化而变化，不同地区的负荷也有很大 差异，这些因素使建模非常困难。上世纪七十年代以来的大量研究使负荷建模取得 了一定的进展，但离问题的解决仍有一定的距离，负荷建模目前仍是电力界公认的 难题【 ” ， 。 华北电力大学博士学位论文 1 . 2电力系统负荷建模的重要意义 大量研究结果表明负荷特性对电力系统仿真结果有重要影响，这表现在不同的 负荷特性对电力系统的暂态稳定、电压稳定、低频振荡等具有不同程度的影响，在 临界情况下， 计算结果可能发生质的 变化is - 23 1 . 2 . 1负荷模型对暂态稳定的影响 电力系统发生故障时，会造成发电机功率不平衡，从而引起功角及其他变量的 变化。负荷特性对暂态稳定计算以及功率极限的影响很大。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。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，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。在对实际负荷特性缺乏了解的情况下，一个普遍的观点认为采用悲观的负荷 模型可以保证系统的设计和运行处于较安全的区域内，实际上由于电力系统的复杂 性，同一种负荷特性处于系统不同地点和在不同的故障条件下对系统稳定的影响不 同，很难找到一个负荷模型使得系统的分析结果总是偏于乐观或总是偏于悲观【 5 . 负荷模型对暂态稳定的影响不仅与模型的结构和参数有关，还与具体的网络结构、 负荷在系统中的位置、故障点的位置等有关，负荷中电动机的机械转动惯量也有较 大的影响。例如若实际负荷特性为恒电流，其功率随电压幅值变化，而采用恒阻抗 来表示时，则负荷功率随电压的平方变化，当负荷点位于加速的发电机附近，得到 的分析结果偏于悲观，因为恒阻抗模型加剧了发电和功率消耗不平衡;若负荷位于 减速的发电机附近，则得到的分析结果偏于乐观。相反地，用恒功率模型来表示恒 电流特性时，若负荷位于加速的发电机附近，得到的分析结果偏于乐观;若负荷位 于减速的发电机附近，可得到偏于悲观的分析结果。 文献 1 5 通过采用不同负荷模型对河南电网进行了暂态稳定计算，根据计算结 果，该文指出，采用传统的电动机加恒阻抗模型和实测的静态指数负荷模型算得的 暂态稳定结果具有相当的差异，故而何种负荷模型更适合实际情况，值得进一步研 究。而文献 1 6 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茂湛系统送出截面功率极限计算和广州水贝变 电站事故仿真两个实际算例，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。所以，在暂 态稳定分析中考虑精确的负荷模型还是非常必要的。 华北电力大学博士学位论文 1 . 2 . 2负荷模型对电压稳定的影响 电压稳定近年来受到了广泛关注，随着研究的深入，人们认识到以往把电压稳 定归入静态范畴是不正确的，考虑负荷动态特性是正确研究电压稳定的基本方向， 在电压稳定分析中更需要精确的动态负荷模型，而不是简单的静态负荷模型 3 , 1 9 1 9 8 7 年 7 月2 3日的日本东京电网大规模停电事故损失负荷 8 1 6 8 m w ，停电时间长达 3小时，就是因为运行安排和调度对于以空调负荷为主的夏季负荷在大扰动以后功 率恢复的快速动态特性考虑不足。 文献【 1 7 通过大量的分析计算，指出负荷的静态电压特性对静态电压稳定性有 极其重要的影响。一般来说，系统在鼻形曲线上半支运行时的静态电压稳定性，主 要取决于网络的电压一 功率传输特性;系统在鼻形曲线下半支运行时的静态电压稳 定性，则主要地取决于负荷的静态电压特性。 文献 1 8 对电压稳定与负荷动态的关系进行了分析，强调了负荷动态在电压稳 定问题中的重要作用，对电压稳定负荷建模研究现状进行了总结与评述，指出建立 恰当的负荷模型是电压稳定分析走向成熟的关键。 文献 1 9 则指出，电压稳定性研究对负荷建模有着特殊的要求，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。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;负荷动态模 型只能描述其功率恢复特性而不能描述其低压失稳特性。 文献 2 川对典型的动态负荷作了全面的研究与仿真，比较了恒功率负荷和感应 电动机负荷，研究了感应电动机负荷点的动态和暂态特性，对在电压稳定性分析中 是使用感应电动机的高阶模型还是低阶模型作了对比，同时对感应电动机和恒电流 负荷不同组成的动态特性也作了探讨。得到的结论是:由于感应电动机不能超过临 界滑差， 电动机负荷的电压稳定性比较脆弱， 且比恒功率负荷更快地达到临界状态; 在临界状态，小扰动很容易破坏电压稳定，但节点电压的微小提高又很容易使之恢 复; 感应电动机运行于正常情况时， 大扰动将使电压失稳，当扰动足够快地消除时， 稳定将得以恢复;不研究扰动临界切除时间时，可以用低阶模型研究感应电动机的 电压稳定性;对感应电动机和恒电流组合的负荷，电动机负荷比重越大，系统的电 压稳定性就越脆弱。 1 . 2 . 3负荷模型对小信号功角稳定的影响 区域振荡可能涉及分布于系统中的许多发电机组，造成系统电压、频率的显著 变化。在这种情况下，负荷的电压、频率特性对振荡的镇定具有重要影响(3 2 1 。电力 华北电力大学博士学位论文 系统发生区域间低频振荡时，不但电压会波动，而且频率也会明显变化。因而必须 研究负荷的电压特性和频率特性及其影响，要注意的是，这时负荷特性的影响与暂 态稳定时并不是一回事。现代大型电力系统振荡的频率较低，一般在 0 . 1 h z -2 h z 之间，振荡时间往往较长，可达数十秒。一般来说，负荷动态模态不分布在这一频 率区间， 所以负荷的一些动态参数对系统阻尼影响不大， 可以采用准稳态负荷模型。 但动态负荷所占的比重会影响到总体静态特性系数，对系统阻尼具有显著影响，是 一个重要参数。文献 2 1 研究后发现，负荷特性对低频振荡电气模态的阻尼影响较 小，对邻近发电机组的机械振荡模态影响较大，且其影响与系统潮流方向大小、负 荷位置等密切相关。 1 . 2 . 4小结 c 工 g r e 推荐 2 2 的不同研究领域对负荷模型的要求汇总于表1 - 1 。值得指出的是: 对于表 1 - 1 的部分内容，目前学术界仍然存在争论，比如，空间拓扑方面除电压稳 定外常常可以简化，电动机动态模型对于暂态稳定中靠近故障点时一般应该考虑。 表 1 - 1电力系统对负荷建模的要求 研究领域空间拓扑 静态模型 电动机 模型 非线性 非连续 变压器 分接头 电压频率 静态稳定 ( 低频振荡) 详细 除非远方 必须必须必须无关 无关 暂 态 稳 定 故障点 附近 详细必须一般 不必须 除非精确 如果严重干 扰则必须 通常不必 故障点 远方 可简化等值不必不必似乎不必 考虑集结效 应 不必 中期稳定 详细 除非远方 必须必须一般一般不必 长 期 稳 定 头两秒 如电压变化 大则详细 一般必须一般 同空间拓扑不必 两秒后 如电压变化 大则详细 一般必须不必必须 如考虑电压 作用则需要 电压控制详细 必须不必 电压不稳 定时需要 不必必须 总之，负荷特性对于电力系统的各种计算均有较大影响，负荷模型的过分粗略 己成了制约计算精度的关键因素之一。针对所研究问题的特点，选择正确的负荷模 型是得到满意结果的前提条件。 当缺少精确负荷模型时， 常常试图采用某种 “ 乐观” 华北 电力大学博士学位论文 负荷模型，这种做法对现代大型电力系统往往是危险的。因为负荷模型对现代大型 电力系统的总体影响事先难以确定，而且在某种情况下 “ 乐观”的负荷模型在另一 种情况下却可能是悲观的，而且不同问题对负荷模型的要求也不一样。没有哪种模 型在任何情况下都是保守的，负荷模型的影响与系统结构、负荷的位置等有着密切 的关系，必须根据应用目的及其相应要求，选定电力系统中的重要负荷，确定其负 荷特性和模型。所以建立符合实际的动态负荷模型具有十分重要现实意义。 1 . 3电力系统负荷建模的发展与现状 1 . 3 . 1国外负荷建模发展的历史及现状 1 ) 基于元件的负荷建模2 3 -4 0 l 历史上出现的负荷建模方法大致可以分为两类:基于元件的负荷建模方法 ( c o m p o n e n t - b a s e d )和基于量测的负荷建模方法 ( m e a s u r e m e n t - b a s e d )“ 】 ， 。 ， 。前 者又被称为统计综合法，后者也在有的文献上被称为总体测辨法。 二十世纪六、七十年代，由于数字电子计算机技术的发展和应用，人们大量采 用计算机进行复杂电力系统的仿真，同其它系统元件模型一样，负荷建模工作有了 相当的进展，除了提出了恒阻抗、恒电流、恒功率模型外，还在计算中采用了感应 电动机负荷模型和多项式、 幂指数等负荷模型。1 9 7 6 年美国电力科学研究院( e p r i ) 主持了一项大型研究计划，其主要目的是为电力公司是建立一套基于统计综合法的 负荷建模方法。研究工作在加拿大和美国同时展开，美国的t e x a s 大学负责建模方 法研究， g e 公司的电力工程负责通过现场试验对建模方法进行评价。 该方法是在实 验室内确定各种典型负荷( 如工业电动机负荷、 电冰箱、 荧光灯等) 的平均特性方程， 然后统计每个负荷点上在一些特殊时刻( 如冬季峰值、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 该负荷点的负荷模型。这也就是为什么该方法被称为 “ 基于元件的建模方法”或者 “ 统计综合法”的原因。 e p r i经过多年的 努力发表了 许多有价值的研究报告2 2 - 2 4 1 ， 并且研制完成了目 前 为止基于元件的负荷建模中最具影响的软件包e p r i l o a d s y n 5 t ， 该软件使用时需提 供三种数据:负荷类型数据，即各类负荷( 民用、工业、商业等) 在总负荷中所占百 分比; 各类负荷的构成数据， 即各种用电设备( 荧光灯、电动机、 空调等) 所占比例; 以及各负荷元件平均特性。使用者可仅提供第一种数据，后两种数据采用软件包提 供的典型值。所有这一切就构成了基于元件的建模方法的雏形。 后来，1 9 8 2年文献【 2 6 测定了感应电动机和配电变压器详细的元件模型。文献 2 7 在 l i l c o和 r ue系统中观察到负荷的有功功率特性可以通过负荷的组成成分 与设备特性获得满意的结果，而无功静特性不但依赖于负荷组成成分和设备特性， 一 5 一 华北电力大学博士学位论文 还依赖于电容器的特性以及配电变压器的特性;负荷的大而突然的电压变化形成的 典型动态过程主要由小的感应电动机来决定。文献 2 8 给出了一种通过使用最终用 户消耗的电量来确定负荷组成的方法。文献 2 9 ) 是一篇详细介绍基于元件的聚合算 法( a g g r e g a t i o n ) 的代表文献。同一母线下可能包含若干不同类型的感应电动机， 每个感应电动机都具有不同的动态特性并运行在不同的稳态，聚合算法就是考虑如 何将这些不同的电动机用一台或两台电动机表示的方法。从聚合指标上来说，几乎 所有的聚合技术都是采用 k v a 容量权重法的某种变形，而该文对比了不同的方法后 认为， 对于一个含有大量不同电动机的负荷， 双机模型明显优于单机模型。 文献 3 0 认为负荷模型的应用困难和无功拟合效果差是影响l o a d s y n 实用化的主要问题，文 中提出了一种新的用于 l o a d s y n的建模方法。文献 3 1 提出了一种结合使用电度表 数据和l o a d s y n 数据来建立负荷模型的方法，从而解决了大规模电网负荷建模的问 题。文献 3 2 给出了一个用于电压稳定分析的非线性动态负荷模型的一般方法。文 献 3 3 是文献 2 9 的后续，文中详细探讨了感应电动机的聚合算法，并提出了一个 分组指标来将不同型号的电动机分组聚合，从一定程度上完善了基于元件的聚合理 论。文献【 3 4 在中国台湾电网的三相接地短路故障仿真和低频振荡仿真中评估了动 态负荷模型的精度和灵敏度，所用的动态模型包括一个单电动机模型和一个双电动 机模型。结果表明在三相接地短路仿真中，动态模型较以 往使用的综合模型精度有 明显提高;在低频振荡仿真中，动态模型能够获得更精确的母线潮流，而综合模型 可以获得较精确的发电机功率摇摆。文献 3 5 研究了互联系统振荡状况下的负荷模 型对阻尼的影响以及如何确定合适的模型。文中发现负荷与系统间的传递函数是由 一个静态部分和一个动态部分构成的，其中静态部分来m于系统潮流的 j a c o b i a n 矩阵。 同时， 文章还发现: a同样情况下使用静态负荷模型将导致明显错误的结果; b . 根据不同的系统状况，有时动态负荷的无功部分的影响甚至会大于有功部分的影 响;c由于负荷模型参数的不精确性，采用不同的模型参数，会导致的阻尼状况有 很大的变化。文献 3 6 比较分析了三种不同的负荷模型结构的优劣，它包括:a一 阶非线性负荷模型;b ， 静态指数模型并联一阶感应电动机模型;c . 静态指数模型并 联三阶感应电动机模型。结果表明，在某些情况下，只有三阶感应电动机模型能够 正确的仿真出负荷母线上的电压崩溃现象。文献【 3 7 提出了一种随机概率的方法来 统计分析感应电动机群的动态模型参数变化， 以及其对系统特征值的影响。 文献 3 8 建立了用于 e m t p的负荷模型，用来研究负荷的静态，动态以及故障后恢复特性。 该负荷混合了居民和商业负荷，负荷的组成成分己知，采用了l o a d s y n 建模，文章 最终将建立的模型与实测曲线对比验证了其有效性。文献 3 9 1 采用特征值法分析了 发生在中国台湾电网的不稳定低频振荡中，负荷模型对系统阻尼的影响。为了增加 振荡阻尼， 负荷对稳定控制器的影响也被考虑进来。 文中对比使用了三种负荷模型， 包括:一个动态模型 ( 一阶感应电动机) 、一个综合模型 ( 感应电动机并联静态z i p 一 6 一 华北电力大学博士学位论文 模型) 、和一个指数模型。结果表明:采用综合模型可以获得最精确的振荡阻尼结 果;在稳定控制器参数整定中，也是综合模型可以获得最精确的结果;最后，在一 个实际发生的0 . 8 h : 的 振荡仿真中，采用综合模型或指数模型得到的频率分析结果 与实际结果比较接近。到了 2 0 0 2年，文献 4 倒为了仿真计算 w s c c夏季豹北一 南联 络线上将面临负载的重负荷，建立了一个临时的综合负荷模型。该综合负荷模型包 括一个静态部分 ( 占8 0 % )和一个动态部分 ( 占 2 0 % ) r静态部分采用 w s c c以往的 静态参数而动态部分使用了一个默认参数的感应电动机。文章最后还特别强调:文 中使用的负荷模型不能用于将来的仿真分析，也不能用于 w s c c电网的局部电压稳 定动态仿真，文章只是为尝试建立w s c c 全网范围的动态负荷模型开了个头。 2 )基于量测的负荷建模 ，一 ， ， ， 基于量测 ( m e a s u r e m e n t - b a s e d )的负荷建模方法又称总体测辨法。总体测辨法 的基本思想是将负荷群看成一个整体，通过在负荷点安装测量记录装置，在现场采 集负荷所在母线的电压、频率、有功、无功数据，然后根据系统辨识理论确定负荷 模型结构和参数。该方法的优点是不必详细知道负荷内部的复杂构成。总体测辨法 所获得的模型参数是以模型响应能最好地拟合所观测到的负荷响应数据为目 标，所 以负荷模型具有符合实际的特点. 基于量测的概念从作者所检索到的文献来看是始于1 9 8 7 年的文献【 4 4 ， 到1 9 8 8 年文献 3 0 正式命名该方法为 “ m e a s u r e m e n t - b a s e d ”从而与 “ c o m p o n e n t - b a s e d 区别开来。其实，早在 1 9 8 2年，文献 4 1 提出了一个采用二阶状态方程的负荷模 型结构，并给出了一个用于模型参数辨识的加权最小方差判据，建立了基于量测数 据的动态负荷模型。文献【 4 2 采用三阶感应电动机并联恒阻抗作为综合工业负荷的 模型结构，利用系统暂态过程获得的数据建立了负荷的动态模型。文中特别指出: 在建立负荷模型时，必须假设被观测的负荷并没有在系统扰动过程中发生变化。文 献【 4 3 将大量工业设备集结为感应电动机并联静特性的模型，然后将感应电动机在 正常工作点附近线性化，并写成离散的状态空间表达式，以方便计算。文中的采用 了一个通用的优化算法来确定感应电动机的转动惯量和初始滑差，从而建立了最小 方差拟合意义上的负荷模型。文中还特别指出，集结模型的响应特性很大程度上取 决于设备中小感应电动机的特性。正如上面所指出的:到了 1 9 8 7年，文献【 4 4 正 式在文中将基于量测和基于元件的建模方法表述为并列的关系，并根据基于量测的 建模方法的需要，提出了模型结构 ( m o d e l s t r u c t u r e )的概念，提出了自己的差 分方程模型结构，最终建立了负荷模型。文献【 4 5 采用与文献 4 3 相同的思路，改 用 n o v e l 法建立了动态负荷模型。 文献【 4 6 基于在中国台湾电网中记录的暂态数据， 建立了负荷的二阶和三阶传递函数模型，结果表明，该模型优于一阶模型。值得一 提的是， 该文在流程图中明确将 “ 负荷模型结构的确定” 与 “ 模型参数估计 ( 辨识) ” 区别开来，使后来的建模思路更加清晰。文献 4 7 提出了自己的非线性动态负荷模 一 7 一 华北电力大学博士学位论文 型，然后将该模型离散化成了离散的差分方程形式，成功建立了用于电压稳定分析 的负荷模型。文中指出，由于用户的电力需求是随机的，所以会存在负荷大小漂移 或负荷组成改变的现象，这可能需要更复杂的量测或者诸如随机参数辨识之类的信 号处理方法的帮助。文献【 4 8 采用了一个一般负荷模型研究了电压稳定的机理和电 压崩溃的过程。文献【 4 9 采用人工神经网络建立了负荷模型，并以实测数据训练和 验证了模型的有效性。文献【 5 0 发现在慢电压暂态过程中，综合负荷组成的变化会 导致电压稳定裕度的恶化，所以提出了综合使用负荷辨识与电压稳定监视的方法来 减少电压崩溃的危险。文献仁 5 1 在 4个负荷点上记录并分析了 2 7 6 8次电压扰动下 的静态负荷模型参数，文章认为工业负荷的季节变化特征不明显，并认为静态负荷 模型对除纸厂负荷外的大部分负荷都是适用的。文献【 5 幻详细探讨了两种动态负荷 模型结构表达式之间的关系以及他们之间的转换方法，一种是基于状态变量的描 述、一种是输入输出的描述。文献 5 3 采用一个简化的感应电动机负荷模型做了连 续参数估计，并指出负荷模型的静态部分应该使用变化的导纳而不是固定的导纳。 文献 5 4 采用遗传算法辨识了一种非线性动态负荷模型。文献 5 5 建立了基于人工 神经网络的多项式负荷模型，认为该模型优于经典的z i p 模型或线性负荷模型，并 尝试了将负荷按组成分组拟合的方法。文献【 5 6 也建立了一个基于a n n的动态负荷 模型。文献仁 5 7 建立用于电压稳定分析的动态无功负荷模型。模型中包含了一些参 数用来表征可调节分布式并联电容器以及o l t c 的延时特性。 3 )小结 上面是以时间为序，分别概述了两种建模方法在国际上的历史发展进程。实际 上，除了上面的这些文献， c i g r e 和工 e e e 也都设有负荷建模工作组， 其不定期发表 的专题报告，对归纳总结负荷建模的研究成果和指导负荷建模的研究起到了重要作 用2 e , 5 9 - 6 0 e 1 9 9 。 年c 工 g r e 发表的专题报告2 2 结合荷兰f g o 电网对各种负荷模型的 动态计算效果进行详细论证，对负荷模型及测试方法进行总结。i e e e在 1 9 9 3 年发 表的报告【5 6 统一了负荷建模中许多术语和定义，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5 9 列出了负荷建模研究中提出的许多有 价值的负荷模型、 文献，以期推动负荷建模的进一步研究和实际应用。1 9 9 5 年8 月 的报告9 0 推荐了用于电力系统潮流计算功和动态仿真的标准化负荷模型。 尽管有以上大量的工作，1 9 9 6 年美国东部时间7 月2日 和8月1 0日，w s c c 仍 然发生了两次大的电网事故，损失电量分别达5 0 0 多m w h 和4 1 . 3 3 g w h o 1 9 9 9 年 文献 1 1 3 指出在对 8 月 1 0日事故进行仿真时，采用以往的参数进行仿真无法重现 故障，在经过对包括直流、a g c 、发电机组频率响应特性、电压控制器等进行了大 量改动后，仿真系统仍然比实际系统的阻尼更大。最后将负荷改为电动机并联不同 比例的静特性负荷，终于重现了故障。后来到了 2 0 0 2年，文献【 4 0 为了仿真计算 w s c c 夏季的北一 南联络线上将面临负载的重负荷， 基于文献【 1 1 3 1 的分析， 建立了一 一 8 一 华北电力大学博士学位论文 个临时的综合负荷模型。该综合负荷模型包括一个静态部分 ( 占 8 0 % )和一个动态 部分 ( 占2 0 % ) ，静态部分采用 w s c c以往的静态参数而动态部分使用了一个默认参 数的感应电动机。文章并没有给出静态动态划分为 8 0 % 和 2 0 % 的理由，最后还特别 强调:文中使用的负荷模型不能用于将来的仿真分析，也不能用于 w s c c电网的局 部电压稳定动态仿真，仅仅是为了迎接 2 0 0 2年夏 w s c c的北一 南联络线上将面临负 载的重负荷而做的一个 “ 临时”模型。文中对所建立的负荷模型的意义用词一直都 非常低调、谨慎。2 0 0 3 年，美国电科院( e p r i ) 根据在新墨西哥州的试验结果招标启 动一 个名为 基于在线量测的 负荷建 模 ( l o a d m o d e l d e v e l o p m e n t b a s e d o n o n - l i n e m e a s u r e m e n t ) 的项目。新墨西哥州的试验大致是这样的:首先在该地区负荷馈线上 安装负荷特性记录仪，馈线端的负荷组成成分己知;设计了一种方法从试验和 自然 扰动数据中辨识出包括白炽灯、放电灯、大感应电机、小感应电机、电子产品负荷 等在内的各种负荷成分的组成比例;试验表明，获得的比例与实际的比例一致。根 据这一结论， e p r i 探讨该试验结果是否可以被用于其它实用程序中; 这种方法与负 荷调查数据结合的可行性;如何在实际仿真中插入这种模型;以及是否能将这个过 程规范化，从而将来在所有程序中都使用同一方法建立负荷模型。目 前为止笔者尚 未得到该项目的最终报告。以笔者的认识，该项目是立足于基于元件的建模方法， 试图将基于量测的方法结合进来。它代表了一种趋势，即基于元件和基于量测两种 建模方法的开始走向融合。 无论是从美国 9 6年的两次大停电、从文献【 1