（电力系统及其自动化专业论文）负荷模型辨识算法研究及建模平台开发.pdf

坝i j 学位论义 a b s t r a c t l o a dm o d e l i n gi so n eo ft h em o s td i f f i c u l tp r o b l e m si nt h ep o w e rs y s t e ma n a l y s i s f o ral o n gt i m e ，t h er e s e a r c ho fl o a dm o d e l i n gh a sl a g g e db e h i n dt h ed e v e l o p m e n to f p o w e ri n d u s t r y b a s e do ns t u d y i n gt h el o a dm o d e l i n gt h e o r yc o m p r e h e n s i v e l y , t h e a u t h o rv a l i d a t e dt h ed y n a m i ca g g r e g a t ea d m i t t a n c em o d e la n da n a l y z e di t sa d a p t a b i l i t y i na d d i t i o n t h ea u t h o ri d e n t i f i e dt h e3 - o r d e ri n d u c t i o nm o t o rl o a dm o d e lw i t ht h ef a u h d a t af r o mt h ee x p e r i m e n tb a s e do ns a m el o a da n dt h ef i e l da n df o a n dt h a tt h e3 - 0 r d e r i n d u c t i o nm o t o rl o a dm o d e lh a sf o u rc h a r a c t e r i s t i c s ：h i 【g ha b i l i t yt od e s c r i b ei t s e l f , h i g h a b i l i t yt oe x t r a c tt h ei n t e m a la n de s s e n t i a lp r o p e r t yo fs y n t h e t i cl o a d ，h i g ha b i l i t yt o d e s c r i b et h ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rs y n t h e t i c a l l ya n df i n ei n t e r p o l a t i o na n d e x t r a p o l a t i o n ，s u b s e q u e n t l y , t h ea u t h o rq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e dt h ep a r a m e t e r - d i s p e r s i n g q u e s t i o ne x i s t i n gi nt h el o a dm o d e l i n g a n dt w op a r a m e t e r s 、i ll o ws e n s i t i v i t yo rs a y i na n o t h e rw a yw i t hl i r l ei n f l u e n c et oi d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s ：疗a n d 盘w e r ef o u n d a t t h es a n l et i m e ，t h ea u t h o rp r o p o s e dt h a tt h eq u e s t i o no fp a r a m e t e r - d i s p e r s i n gc o u l db e r e d u c e db yi m p r o v i n gt h ei d e n t i f i c a t i o nv a l i d i t y g e n e t i ca l g o r i t h mi so n ek i n do f n e w - t y p eo d t i m i z a t i o na l g o r i t h m i to f t e nc a l lf i n d t h eo v e r a l ls o l u t i o no ft h eo p t i m i z i n gq u e s t i o nw i t hg r e a t e rp r o b a b i l i t yw h e nt h e t r a d i t i o n a lo p t i m i z i n ga l g o r i t h m sa r ep o w e r l e s s i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h e e n o r m o u sp o t e n t i a l i t yo f g e n e t i ca l g o r i t h ma n di t ss u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s ， t h ee x t e n s i v ec o n c e mh a sb e e nr e c e i v e d t h ed i s s e r t a t i o nv a l i d a t e dt h eo u t s t a n d i n g p e r f o r m a n c eo fg e n e t i ca l g o r i t h mc o m p a r e dw i t ht m d i t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb y t h et e s td a t ai nt h eb e g i n n i n gp a r to f t l l et h i r dc h a p t e r b n tt h i sa l g o r i t h mi t s e l f h a ss o m e d e f e c t s ；a no u t s t a n d i n gp r o b l e mi st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ec o n v e r g e n c es p e e da n d t h eo v e r a l lc o n v e r g e n e ep r o p e r t hi no r d e rt oc u s h i o nt h e s ec o n t r a d i c t i o n s ，t h i s d i s s e r t a t i o nh a sp u tf o r w a r da n i m p r o v e dc o m p r e h e n s i v eg e n e t i ca l g o r i t h m t h e i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi n c l u d e dt h r e em a j o rt a c t i c s ：t h ee l i t i s ms t r a t e g y ，t h e t w o d i s c o n t i n u i t yp o i n tc r o s s o v e rs t r a t e g ya v o i d i n gt h ei n b r e e d i n ga n dt h ea d a p t i v e i m m i g r a t i o ns t r a t e g ys u p p r e s s i n gp r e c o c i t ya n dm a i n t a i n i n gt h ep o p u l a t i o nd i v e r s i t y t h r o u g ht e s tf u n c t i o n ，s i m u l a t i o n1 0 a dd a t a , t e s td a t aa n dd a t ac o m i n gf r o mt h ef i e l d ，t h e s u p e r i o r i t yo ft h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mw a sc h e c k e du po m n i d i r e c t i o n a l l y t h e s t a n d a r d so fm e a s u r e m e n tj n c l u d e da l g o r i t h mc o n v e r g e n c es p e e d 、t h et r u ed e g r e eo f i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s ( i ti sp r o v e db ys i m u l a t i o nd a t a a n dt h ep a r a m e t e rs t a b i l i t yo f r e s u l t s t h ea u t h o ru t i l i z e dt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mt om o d e la n ds o l v e dt h e d i s p e r s e dp r o b l e mo fi d e n t i f i c a t i o nr e s u l t sw e l l ，m e a n w h i l e ，t h em o d e l i n gr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t so ft h et e s td a t ab yt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m a r ej n o s c u l a t e dw e l lw i t ht h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t i ti l l u m i n a t e dn o to n l yt h ev a l i d i t yo f t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mb u ta l s ot h ec o r r e c t n e s so f t h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t t h e t w op r o v e de a c ho t h e r b a s e do nt h ed e e pc o m p r e h e n s i o na n ds t u d yt ol o a dm o d e l i n g t h ea u t h o re s t a b l i s h e da 1 0 a d m o d e l i n gs o f t w a r ep l a t f o r m t h es o f t w a r ep l a t f o r l t l b a s e do n p a r a m e t e r i i 负竹模型辨识算法w 究放矬模r 台”发 i d e n t i f i c a t i o n ；t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mw a sa p p l i e da n dg o tg o o de f f e c t t h i s p l a t f o r mh a sw o ne x p e r t s a p p r o v a la n df a v o r a b l ec o m m e n tw i t hp e r f e c tf u n c t i o n ， s i m p l eo p e r a t i o na n dg o o de x p a n s i o n w h i l et h ep e r f e c td a t a b a s es y s t e mh a so f f e r e da b e t t e rp l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho f t h ep o w e rs y s t e ml o a dc h a r a c t e r i s t i ci nh u n a n k e yw o r d s ：p o w e rs y t e m ；l o a dm o d e l i n g ；p a r a m e t e ri d e n t i f y i n g ； g e n e t i c a l g o r i t h m ；m o d e l i n gp l a t f o r m ； i 儿 倾i j 学位论文 插图索引 图2 1 综合负荷感应电动机模型示意图1 6 图2 2 综合负荷导纳动态模型示意图1 8 图2 3 系统辨识原理图、1 9 图2 4 数据l 的实测数据及模型响应2 7 图2 5 数据2 的实测数据及模型响应2 7 图2 6 表2 2 中数据2 的实测数据及模型响应2 8 图2 7 表2 2 中数据4 的实测数据及模型响应2 9 图2 8记录n o 1 的实测及模型响应2 9 图2 9 有功拟合曲线3 2 图2 1 0 无功拟合曲线3 2 图2 1 1见不同时的仿真皓线3 2 图2 1 2 ，不同时的仿真曲线3 3 图2 1 3a t 不同时的仿真曲线 3 3 图2 1 4h 不同时的仿真曲线 3 3 图3 1 简单遗传算法基本流程图3 7 图3 2 电压波动曲线4 0 图3 3 有功拟合曲线4 0 图3 4 无功拟合曲线4 0 图3 5u 下降2 0 ，i g a 与s g a 的适值曲线4 5 图3 6u 下降3 0 i g a 与s g a 的适值曲线4 5 图3 7u 下降4 0 ，i g a 与s g a 的适值曲线4 5 图3 8u 下降5 0 ，i g a 与s g a 的适值曲线4 5 图3 9 实验接线图4 6 图3 1 0 实验数据有功拟合比较4 6 图3 1 i实验数据无功拟合比较4 6 图3 1 2 数据样本1 的实测及模型响应4 8 图3 1 3 数据样本2 的实测及模型响应4 8 图3 1 4 数据样本3 的实测及模型响应4 8 图3 1 5 数据样本4 的实测及模型响应4 9 图3 1 6 数据样本5 的实测及模型响应4 9 图4 1负荷建模平台的结构图5 1 图4 2 平台模式结构图5 2 n ， 负荷模型辨识算法研究成建模卜竹开发 图4 3 数据表层次图5 5 图4 4 整个数据表的辨识5 5 图4 5 截取暂态过程数据的辨识5 6 图4 6 静态拟合曲线5 7 图4 7 数据样本1 的拟合图5 9 图4 8 数据样本2 的拟合图5 9 图4 9 数据样本3 的拟合图6 0 v 表2 1 表2 - 2 表2 3 表2 4 表2 5 表3 1 表3 2 表3 _ 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 附表索引 树木岭变电站实测动态负荷记录的部分辨识结果2 7 动模实验室实验数据的部分辨识结果2 8 树木岭变电站实测综合负荷动态数据特征2 9 树木岭变电站综合负荷动态数据的三阶感应电动机模型辨识结 果 2 9 仿真数据参数辨识结果3 l 实验数据参数辨识结果4 0 算法结果比较4 3 仿真数据参数辨识结果4 4 实验数据辨识结果4 6 树木岭实测负荷动态数据特征4 7 树木岭实测负荷动态数据的i m 模型辨识结果4 7 树木岭11 0 k v 侧负荷参数辨识结果5 9 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：日期：2 0 0 5 年3 月1 8 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 、不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 一 导师签名嘲蚴 曰期：2 0 0 5 年3 月1 8 口 日期：2 0 0 5 年3 月1 8 日 颂l 学位论文 第1 章绪论 电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系 统。电力负荷则是电力系统中用电设备的总称，有时也包括将这些用电设备连接 起来的配电网。电力系统的特点是电能不能大量地储存，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结成一个整 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、 考虑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，数字仿真已成为电力系统规划、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。与此相 反，各种电力系统计算所采用的负荷模型却仍然相当简单，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。这种粗糙的负荷模型与精确的发电机、调速系统、励磁系统、网络 元件模型很不协调。从总体上讲，负荷模型的精确度成为了整个电力系统仿真计 算中提高精度的瓶颈，使得其它元件模型的精确性难以发挥其应有的作用，从而 降低了系统仿真分析的可信程度，并且会造成过于悲观或乐观的分析结果，给电 力的生产与发展带来巨大的损失。所以建立符合实际的动态负荷模型具有十分重 要的现实意义。 随着电力系统分析不断向广度和深度发展，负荷模型越来越显得其重要。例 如，在系统失去部分发电机、异常情况下的中长期动态分析、系统振荡的镇定、 电压稳定问题中，负荷行为的准确描述都是必不可少的。因此，为了使系统分析 结果更加可信，使分析真正起到定量的作用，为电力系统规划、运行和控制提供 准确的依据，有必要建立切合实际的负荷模型。 这里的电力负荷建模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的形式以 负荷模型辨识算法研究艘建模，f f i 开发 及其中的参数，这种用于描述负荷特性的数学方程即为电力负荷模型。值得注意 的是，综合负荷不仅包括了各种用电设备，同时也包括了与用电设备相连的配电 m 。 与电力系统其他元件的建模相比，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以及输配电网络和并联补偿电容等构成，这些设备 分散在定的区域内，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的变化而变化，不同地区的负荷也 有很大差异，这些因素使负荷建模十分困难。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 然是电力界公认的世界性难题【“j 。 1 1 电力系统负荷建模的重要意义 大量的研究结果表明负荷特性对电力系统的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、潮流计算等方面 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【7 。 1 1 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，从而引起功角及其它变量 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 上取决于有功功率，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，对负荷数据的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，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“。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 耗的不平衡；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 7 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 得的暂念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 颂l 二学位论文 一步研究。而文献 8 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是十分必要的。 1 1 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1 1 6 】。文献 1 7 】在重现1 9 8 3 年瑞典电压崩溃事故的仿真计算中，开始采用简单 的静态模型无法解释电压崩溃全过程，但采用计及感应电动机、照明、冰箱、空 调等用电设备的比较详细的负荷模型时却能给整个过程一个合理的解释。文献 1 8 】在对加拿大渥太华地区一个局部系统从互连大系统解列后的系统电压稳定 研究中发现，采用静态负荷模型与采用动态负荷模型得出的结果差别巨大，静态 模型甚至导致完全错误的结论。 文献【9 】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，则主要取决于负荷的静态电压特性。 文献【1 0 】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 1 】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 1 2 】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 负荷模型辨识算沾研究发建模平台开发 动足够快地消失时，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。 文献【6 0 1 在全面研究负荷模型的基础上提出了一种适应于电压稳定分析的 负荷模型，该负荷模型以电压为变量，对各种负荷成分进行建模，然后利用统计 综合法得出的各负荷成份在各行业中所占的比重进行建模。该模型在时域仿真范 围内验证了它的有效性。 1 1 - 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在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。电 力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 t t 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 1 3 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 1 4 负荷模型对继电保护的影晌 负荷模型对机电保护装置的闭锁时间和距离保护的整定有很大的影响，文献 6 2 通过仿真以及对台湾电力超高压输电系统的研究证实了结论的正确性，并通 过对不同的负荷模型进行比较发现，当系统出现摇摆时或故障切除以后，p t i i e e e 负荷模型最能代表台湾电力系统的负荷特性，同时也发现，如果选用的负 荷模型不恰当，将可能引起距离继电器的故障或使系统摇摆更加严重。 1 1 5 负荷模型对潮流计算的影响 i e e e 负荷建模工作组1 9 8 8 年在北美电力系统的几个企业调查结果显示， 在事故前后的静态潮流计算中，绝大多数采用恒功率负荷模型，仅少数采用功率 依电压变化的负荷模型。8 】。仿真计算实践表明，当电网运行条件良好时，节点电 压运行于额定值附近，采用恒功率负荷模型的潮流计算一般不存在收敛性问题； 对运行条件恶化的电网，采用恒功率负荷模型的潮流计算则存在收敛性问题，而 采用考虑实际负荷功率随电压变化特性的负荷模型，潮流计算的收敛性可以得到 改善，p v 曲线的精度也可以得到提高1 6 “。 电力负荷模型对各种电力系统仿真计算结果都有不同程度的影响，上述仅涉 负曲楼型晰炽算浊研， 搜迎模。p 舟开发 动足够快地消失时，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，f 邑动机 负荷比重越大，系统的电压稳定性就越脆弱。 文献 6 0 1 存令面研究负荷模型的基础l 提出了一种适心于电压稳定分析的 负荷模型，该负荷模型以电压为变量，对各种负荷成分进行建模，然后利用统计 综合法得m 的各负荷成份在各行业中所占的比重进行建模。该模犁在时域仿真范 阳内骀汪了它的有效性。 1 1 - 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在系统中的许多芨电机组，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h 目。电 力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。现代大犁电力系统振荡的频率较低。一般在 0 1 h z 、2 t t z 之问，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 1 3 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念影响较大，且其影响 与系统潮流方向大小、负荷位置等密切相关。 1 1 4 负荷模型对继电保护的影响 负荷模型对机电保护装置的闭锁时问和距离保护的整定有很大的影响，文献 6 2 通过仿真以及对台湾电力超高压输电系统的研究证实了结论的正确性，并通 过对不同的负荷模型进行比较发现，当系统出现摇摆时或故障切除咀后，p t i e e e 负荷模型最能代表台湾电力系统的负荷特性，同时也发现，如果选用的负 荷模型不恰当，将可能引起距离继电器的故障或使系统摇摆更加，“重。 1 1 5 负荷模型对潮流计算的影响 i e e e 负荷建模工作组1 9 8 8 年在北美电力系统的几个企业调查结果显示， 在事故前后的静态潮流计算中，绝大多数采用恒功率负荷模型，仅少数采用功率 依电压变化的负荷模型i l 。仿真计算实践表明，当电网运行条仲良好时，节点屯 压运行于额定值附近，采用恒功率负荷模型的潮流计算般不存在收敛性问题； 对运行条件恶化的电网，采用恒功率负荷模型的潮流计算则存在收敛性问题，而 采用考虑实际负荷功率随电n 三变化特性的负荷模型，潮流计算的收敛性可以得到 改善，p v 曲线的精度也可以得到提高”“。 电力负荷模型对各种电力系统仿真计算结果都有不同程度的影响，上述仅涉 电力负荷模型对各种电力系统仿真 卜算结果都有不同程度的影响，j 一述仅涉 负荷模型辨识算沾研究发建模平台开发 动足够快地消失时，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。 文献【6 0 1 在全面研究负荷模型的基础上提出了一种适应于电压稳定分析的 负荷模型，该负荷模型以电压为变量，对各种负荷成分进行建模，然后利用统计 综合法得出的各负荷成份在各行业中所占的比重进行建模。该模型在时域仿真范 围内验证了它的有效性。 1 1 - 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在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。电 力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 t t 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 1 3 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 1 4 负荷模型对继电保护的影晌 负荷模型对机电保护装置的闭锁时间和距离保护的整定有很大的影响，文献 6 2 通过仿真以及对台湾电力超高压输电系统的研究证实了结论的正确性，并通 过对不同的负荷模型进行比较发现，当系统出现摇摆时或故障切除以后，p t i i e e e 负荷模型最能代表台湾电力系统的负荷特性，同时也发现，如果选用的负 荷模型不恰当，将可能引起距离继电器的故障或使系统摇摆更加严重。 1 1 5 负荷模型对潮流计算的影响 i e e e 负荷建模工作组1 9 8 8 年在北美电力系统的几个企业调查结果显示， 在事故前后的静态潮流计算中，绝大多数采用恒功率负荷模型，仅少数采用功率 依电压变化的负荷模型。8 】。仿真计算实践表明，当电网运行条件良好时，节点电 压运行于额定值附近，采用恒功率负荷模型的潮流计算一般不存在收敛性问题； 对运行条件恶化的电网，采用恒功率负荷模型的潮流计算则存在收敛性问题，而 采用考虑实际负荷功率随电压变化特性的负荷模型，潮流计算的收敛性可以得到 改善，p v 曲线的精度也可以得到提高1 6 “。 电力负荷模型对各种电力系统仿真计算结果都有不同程度的影响，上述仅涉 颂：i ：学位论文 及仿真计算的几个重要方面，进一步广泛深入的研究仍是很有必要的。因此，电 力负荷建模仍是摆在电力系统辨识工作者面前的一项亟待解决的课题。 1 2 电力系统负荷建模的发展过程 负荷建模的开始可以追溯到上个世纪3 0 、4 0 年代，在这个时期，美国和前 苏联学者开始认识到负荷模型对电力系统分析的重要性，并研究了负荷随电压和 频率变化的静态和动态特性【9 l ，这一阶段可以说是负荷建模的萌芽期，这一时期 的著作成为进一步研究的基础。 到了5 0 、6 0 年代美国、德国、前苏联等国家已经在现场进行了大量实验， 并获得了一些有价值的功率一频率、功率一电压调节特性数据，以及动态负荷特 性数据，对负荷的特性积累了一定的感性认识。6 0 年代时逢计算机数字模拟的 迅速发展，为复杂电力系统的分析提供了有力工具，使得在计算中采用较之人工 计算复杂的模型成为可能。因此，这一时期与其它系统元件模型一样，负荷建模 工作有了相当的进展，除提出了最常用的恒定阻抗、恒定电流和恒定功率负荷模 型外，还在计算中采用了感应电动机负荷模型和多项式。幂函数静态负荷模型。 这些负荷模型参数的确定在当时主要是靠定性估计，并辅以简单的静态函数拟 合，系统辨识理论尚处在发展阶段，还没有广泛引入到电力负荷建模中来。 6 0 年代末7 0 年代初，由于对电力系统仿真计算精度要求的提高和系统分析 不断向广度和深度发展，以发电机为中心，原动机、调节系统等元件的建模又都 向前迈进了一步，而负荷建模却因其困难性基本上仍停留在原来的水平。 为了打破负荷模型研究上的困难局面，从1 9 7 6 年开始美国电力研究所( e p r i ) 主持了一项庞大的研究计划。根据这个计划，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，从理论上、现场实验上以及数据收集系统的 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 及 其它一些电力公司合作致力于统计综合法( 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 ) 负荷建模的研究。该方法是在实验室内确定每种典型负荷( 例如，荧光灯、电冰 箱、工业电动机、空调等) 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点的负荷模型。 e p r i 经过多年的努力发表了许多研究报告，并且研制了到目前为止统计综合法 负荷建模中最具影响的软件包e p r il o a d s y n 。该软件使用时虽然需要三种数 据：负荷组成，即各类负荷( 民用、商业、工业等) 所占的比例；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，但由使 用者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， 这就给该软件的使用提供了一定的方便。 在e p r i 这项工作的推动下，进入8 0 年代以后，负荷建模的研究又取得了 新的进展。1 9 8 2 年在西欧国际大电网会议( c i g r e ) 上成立了有关负荷建模的工作 受衡模型辨识算法妇 究及建模、卜台开发 组( c s c 3 8 w g 0 2 ) ，旨在研究和建立适合于电力系统计算的动、静态负荷模型。 1 9 8 4 年9 月在芬兰赫尔辛基召开的第八届电力系统计算会t g ( e s c c ) 也将负荷模 型列为重要的研究课题之一。 另外，i e e e 负荷建模工作组自1 9 8 2 年成立以来，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了重要的作用。1 9 9 3 年的报告| l 州统一了负荷建 模中的许多术语和定义，总结了不同类型负荷、不同分析目的的负荷模型的结构 技巧和需要考虑的重要方面。1 9 9 5 年2 月的报告【20 j 列出了国际上学者们在负荷 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，以期望推动负 荷建模的进一步研究和实际应用。同时也作为负荷建模标准化的补充。 1 3 电力负荷建模的研究现状 在过去的2 0 年中，负荷建模工作者们为解决这个世界性难题做出了不懈努 力，并取得了许多可喜的成果，并且一些研究成果已经直接应用于实际系统的仿 真计算中。 1 3 1 负荷建模方法 时至今日，人们已提出了不少负荷建模方法，这些方法可以归纳为两大类： 统计综合法和总体测辨法。 统计综合法的基本思想是将负荷看成个别用户的集合，先将这些用户的电器 分类，并确定各种类型电器的平均特性，然后统计出各类电器所占的比重，最后 综合得出总的负荷模型。在采用此类方法时，需要3 种数据资料，即单个用电设 备的平均特性、各类负荷中用电设备的组成比例和各类负荷的组成比例。该方法 的优点在于它建模时不需要进行现场实测，但三种统计数据的获得费时、费力且 难以准确，也不适应负荷特性的时变性。由于统计综合法存在上述困难，近年来 少有相关文献出现。 总体测辨法的基本思想是将负荷看作一个整体，先从现场采集测量数据，然 后确定负荷模型的结构，最后根据现场采集的数据辨识出模型参数。该方法无需 了解负荷内部的复杂构成，避免了大量的统计工作，而且具有强有力的理论依据 辨识理论。随着测量技术的快速发展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，这是综合统计法无法做到的。从数据采集角度 看，总体测辨法有两种数据来源：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。在线辨识方法能较好 的反映负荷特性随时问的变化，但在线计算量大，对计算方法和硬件要求较高， 但这并没有