（电力系统及其自动化专业论文）负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发.pdf

负荷动特性综合方法究及建模甲台开发 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ni st h eb a s eo ft h ep l a n n i n g ，o p e r a t i n g ，c o n t r o l a n dd e c i s i o n - m a k i n go fp o w e rs y s t e m h o w e v e r ，f o rt h ec o m p o s i t el o a dh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xc o m p o s i t i o n ，r a n d o mt i m ev a r i a n c ea n ds p r e a do v e r d i f f e r e n ta r e a ，i t se x a c tm a t h e m a t i c sm o d e li ss t i l ln o tb u i l tu p t h em e a s u r e m e n t b a s e dl o a dm o d e l i n gm e t h o di su s e di n t h i s p a p e r t h e p a r a m e t e r si d e n t i f y i n gm o d e l i n go ft h r e ed y n a m i cl o a dm o d e ls t r u c t u r e so ft h i r d - o r d e r m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lt r a n s i e n ti n d u c t i o nm o t o rp a r a l l e l e dw i t hc o n s t a n ti m p e d a n c e ， f i r s t - o r d e rm e c h a n i c a lt r a n s i e n ti n d u c t i o nm o t o rp a r a l l e l e dw i t hc o n s t a n ti m p e d a n c e a n df i r s t o r d e rv o l t a g et r a n s i e n ti n d u c t i o nm o t o rp a r a l l e l e dw i t hc o n s t a n ti m p e d a n c e a r er e a l i z e d a n db yt h el o a dm o d e l i n gp r a c t i c e ，i ti ss h o w e dt h a tt h et h i r d o r d e r i n d u c t i o nm o t o rp a r a l l e l e dw i t hc o n s t a n ti m p e d a n c el o a dm o d e lc a nd e s c r i b et h e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e ra n dr e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e ro fa c t u a lc o m p o s i t el o a dw e l l ，s o i ti sag o o dc o m p o s i t el o a dm o d e l t h em o s td i f f i c u l t yo fc o m p o s i t el o a dm o d e l i n gi st h et i m e - v a r i a t i o nc h a r a c t e ro f t h el o a d r e s e a r c h e sf o rn e a ry e a r sh a v es h o w e dt h a tt h ec l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i s f o rl o a dc h a r a c t e r i s t i c si st h ee f f e c t i v ew a yo fs e t t l i n gt h et i m e v a r i a t i o np r o b l e m i n t h i s p a p e r ，b a s e do nt h es y s t e m a t i cr e s e a r c h e so ft h ed y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s s y n t h e s i sp r o b l e ma n dt h es y n t h e s i sm e t h o d s ，an e wd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s s y n t h e s i sm e t h o dt h a td i r e c t l ys y n t h e s i z e st h ef i e l dm e a s u r e dl o a dc h a r a c t e r i s t i c si s p r e s e n t e d t h i sm e t h o du s e st h ec e n t e ro fg r a v i t ym e t h o dt oo b t a i nt h ec l u s t e r i n g c e n t e r so fl o a dc l a s s i f i c a t i o n sa n dt h e i re q u i v a l e n ts a m p l e s ，a n db yi d e n t i f y i n ge a c h c l u s t e r i n gc e n t e re q u i v a l e n ts a m p l e ，t h es y n t h e t i cl o a dm o d e lo fe a c hc l a s s i f i c a t i o ni s g a i n e d w i t ht h ed y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c sd a t ac o l l e c t e df r o mas u b s t a t i o n ，i ti s s h o w e dt h a tt h es y n t h e t i cm o d e lb u i l tu pf r o mt h i sm e t h o dc a nd e s c r i b ed i f f e r e n t d y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c ss a m p l e si nac l a s s i f i c a t i o nw e l l ，a n dt h i sm e t h o dh a st h e a d v a n t a g e so fc l e a rp h y s i c a lm e a n i n ga n ds m a l lc o m p u t i n g t h ed e v e l o p m e n to fl o a dm o d e l i n gt h e o r yc a n n o ts e p a r a t ef r o mt h em o d e l i n g p r a c t i c ei na c t u a lp r o j e c t i no r d e rt ou s et h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sd a t ac o l l e c t e df r o ma s u b s t a t i o nt ob u i l du pt h el o a dm o d e lo ft h i ss u b s t a t i o nb ym e a s u r e m e n t - b a s e dl o a d m o d e l i n gm e t h o d ，al o a dm o d e l i n gs o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i s p l a t f o r mr e a l i z e sas e r i e so fc o m p u t i n gf o rm e a s u r e m e n t b a s e dl o a dm o d e l i n gm e t h o d ， i i i 硕士学位论文 a n di ta l s oh a st h ef u n c t i o no fm a n a g i n gt h el o a dm o d e lp a r a m e t e r s t h ee s t a b l i s h i n g o ft h ep l a t f o r mu s e st h eb l o c k i n gs o f t w a r ed e s i g nm e t h o da n dt h ef u n c t i o nm o d u l e s a r ei n d e p e n d e n t t h ed a t a b a s es e r v e ru s e ss q ls e r v e r2 0 0 0d e v e l o p i n gt o o l ，t h e i n t e r f a c eu s e sv i s u a lb a s i c 6 0d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，a n dt h ef u n g t i o nm o d u l e su s e v i s u a lb a s i c 6 0a n dv i s u a l c + + 6 0p r o g r a md e s i g nl a n g u a g e s a l lt h ec o m p o n e n t sa r e f o r m e dt ob eaw h o l ep l a t f o r mb ys e v e r a li n t e r f a c et e c h n i q u e s t h i sp l a t f o r mh a ss o m e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha si n t e g r a t ef u n c t i o n s ，n o v e ld e s i g n ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ， s i m p l em a n i p u l a t i o na n dg o o de x p a n s i b i l i t ya n ds oo n i tc a nb u i l du pt h el o a dm o d e l o fs u b s t a t i o n sc o n v e n i e n t l y 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 ；m e a s u r e m e n t - b a s e d ；l o a d t i m e v a r i a t i o nc h a r a c t e r ； s y n t h e s i s f o rd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ； m o d e l i n g p l a t f o r m v 硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图索引 系统辨识原理图8 i m 并联恒阻抗模型9 三种模型对样本l 的拟合曲线1 7 三种模型对样本2 的拟合曲线18 三种模型对样本3 的拟合曲线l8 三种模型对样本4 的拟合曲线1 8 三种模型对样本5 的拟合曲线1 9 负荷动特性分类与综合解决负荷时变性问题的思路2 1 暂态过程数据伸缩2 4 一类负荷特性所有1 2 个样本的聚类中心2 6 综合模型参数对样本1 1 ( 么u = 2 2 ) 的拟合曲线2 8 综合模型参数对样本4 ( u = 6 7 ) 的拟合曲线2 8 综合模型参数对样本6 ( 么u = 1 1 2 ) 的拟合曲线2 9 综合模型参数对样本9 ( 1 u = 1 4 2 ) 的拟合曲线3 0 综合模型参数对样本7 ( u = 1 9 3 ) 的拟合曲线3 0 负荷建模系统的构成3 2 负荷建模平台的结构3 3 3 层c s 结构3 4 登录界面3 7 数据表层次图3 8 整个数据表的辨识3 9 截取暂态过程数据的辨识数据3 9 静态拟合曲线4 0 参数查询运行结果4 1 v i l l 负荷动特性综合方法究及建模平台开发 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 附表索引 各个样本的直观特征1 6 采用三阶i m 并联恒阻抗模型辨识所得参数及拟合误差1 6 采用一阶机械暂态i m 并联恒阻抗模型辨识所得参数及拟合误差1 7 采用阶电压暂态i m 并联恒阻抗模型辨识所得参数及拟合误差1 7 一类负荷特性中各个样本的直观特征2 5 各个样本单独辨识的模型参数和拟合误差2 6 综合模型参数2 6 综合模型参数对各个样本的拟合误差2 7 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：林萍- 工 日期：酬胡年毒月i t h 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“”) 作者签名：k t , - d ? 工 导师鹤拶 日期：洲年r 月对日 日瓤： 溯；年r 目 l b 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 第1 章绪论 1 1 选题背景 电力系统的规划、运行、控制决策中需要利用计算机进行大量的分析计算， 这就需要选用各种电气元件的数学模型，综合负荷模型就是其中之一。综合负荷 是指变电站某一母线下所有电气元件的总称。不仅包括众多的用电设备，还包括 配电网络、无功补偿装置和负荷区域的发电厂等。综合负荷模型是指综合负荷所 吸收的有功功率和无功功率随其所在母线的电压和频率波动而变化的静态和动态 方程。由于综合负荷具有构成复杂、随机时变、地域分散等特点，其模型的建立 一直是电力系统领域里公认的难题。 综合负荷模型在电力系统的很多仿真计算中起着十分重要的作用，它的准确 与否会影响到整个电网的仿真计算结果与实际情况是否吻合。在电力系统的三大 元件中，发电机和输电网络的模型都已经比较成熟，而综合负荷模型却相对粗糙， 成为制约仿真计算准确性的主要因素。仿真计算的误差必然会造成控制决策措施 的误差，如果误差过大，则会给系统的运行带来不安全因素。如果系统设计和运 行的稳定裕度较小，则负荷模型的准确性就显得更加重要。因此，必须加大对负 荷建模的研究力度，以得到尽可能准确的负荷模型。 在对1 9 9 6 年8 月1 0 日w s c c ( 北美西部系统) 发生的大停电事故的重现仿 真中，当采用标准的w s c c 动态数据库中的模型和参数时，仿真结果与实际有较 大的差别，而当修改了包括负荷模型在内的一些数据后，仿真结果与实测曲线的 接近程度是可以接受的【1 1 。在我国，大多数电网在进行电力系统稳定的仿真计算时， 长期以来都是使用三阶感应电动机并联恒阻抗的综合负荷模型，模型参数采用典 型参数。己有不少学者指出了这个模型的保守性，并且，最近东北和原华中网调 在日常的稳定计算中已对该模型进行了调整。文献 2 】提出一个具体电网的模型和 参数必须通过现场实测数据的验证，并不断修正提高。2 0 0 4 年3 月2 5 日，东北电 网实施了哈南一一合心5 0 0 k v 线路哈南侧三相人工短路实验，是我国首次为验证 电力系统动态仿真、完善模型所做的大扰动实验。可以说，负荷模型在电力系统 仿真计算中的重要性已为人们所认识，建立准确负荷模型的问题也已受到相当的 重视。 从在上世纪5 0 年代到6 0 年代电力系统开始使用计算机进行仿真以来，负荷 建模的研究就不断地向前发展。虽然中间有所起伏，但无论从理论上还是从工程 应用上都已有很大的进展，取得了很多成果。不过应该指出，离问题的彻底解决 尚有一定的距离。还存在一些问题得继续研究，这主要体现在：负荷时变性问题 尚未解决，负荷模型还未能实现实用化。本文针对这些方面开展了一些研究，取 硕士学位论文 得了一定的成果。 1 2 负荷建模研究的重要意义 1 2 1 负荷模型对暂态稳定计算的影响 暂态稳定计算是求解一组微分代数方程的动态问题。从时问框架上讲，其数 量级为秒级，而综合负荷中的感应电动机的时间常数就在这一范围内，其动态特 性对暂态稳定计算的结果有着重要的影响，应该详细准确的加以描述。 文献 3 】通过一个含有感应发电机的实验室电力系统，计算同一故障下采用不 同静态负荷模型所得的暂态稳定极限切除时间( c c t ) ，结果表明：静态负荷模型 能够影响暂态稳定极限，所以有必要选用能够表示系统中真实负荷行为的负荷模 型。 文献 4 】分别以传统的感应电动机并联恒阻抗模型和实测静态指数负荷模型对 河南电网进行暂态稳定计算，两种模型得到的安濮鹤地区电网和河南省主网联络 线断面上的最大安全传输功率有相当的差距，后者比前者提高约9 2 ，何种模型 更适合实际情况值得进一步研究。 文献 5 针对福建一华东联网的两种典型运行方式，福建电力系统内部分别采 用4 0 恒功率加6 0 恒阻抗的静特性负荷和6 0 恒功率加4 0 恒阻抗的静特性负 荷进行暂态稳定计算，通过比较两种运行方式在几种故障条件下分别采用两种不 同负荷模型得到的稳定裕度和极限切除时间，最后得出结论：不区分具体情况而 泛论某种模型保守或冒进，某种措施对稳定性有利或有害，都是片面的。 文献 6 】采用p s a s p 分别对湖南电网和w s c c 一9 节点系统进行稳定仿真计 算，分析不同负荷模型结构和参数对暂态稳定计算的影响，结果表明，感应电动 机定子漏电抗增大将使系统暂态稳定裕度显著减小，使用三阶感应电动机模型仿 真所得系统的暂态稳定性明显低于一阶感应电动机模型和恒阻抗模型。 由以上分析可知，负荷模型对暂态稳定计算的结果有着重要的影响，必须采 用能够准确反映实际负荷特性的模型和参数，尤其对于故障点附近的综合负荷。 1 2 2 负荷模型对电压稳定计算的影响 电压稳定按时间框架可分为暂态电压稳定和长期电压稳定两种 ”，感应电动机 负荷的时间常数在暂态电压稳定的时间范围内，而空调、热泵、冰箱等恒温控制 负荷的时间常数在长期电压稳定的时间范围内，它们的动态特性对相应时段的电 压稳定现象有着重要的影响，应认真加以考虑。 文献【8 】研究表明：当负荷的大部分由具有快速响应的负荷元件组成，一种正 确的评价电压稳定性的方法必须使用系统各元件的详细的动态模型进行全面的分 2 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 析，而使用传统的潮流模型分析将造成相当大的误差。 文献【9 】指出，电压失稳已经广泛接受为一个动态现象，有些方面的问题是静 态潮流计算所无法预计到的。并且，该文由很多实际负荷元件在电压下降时具有 的功率恢复行为提出了一种能够反映负荷的这种特性的动态负荷模型，并使用该 模型于电压稳定性分析。 文献 1 0 l 通过采用连续追踪电力系统平衡解流形以确定系统临界电压失稳点， 并研究不同感应电动机模型对电压稳定性分析的影响，结果表明：采用恒功率模 型模拟电动机进行电压稳定性分析，其结果将过于乐观，有时甚至是危险的；采 用机械暂态模型可减少系统微分方程组数，数值分析结果与采用机电暂态模型的 近似相同，一般能满足电压稳定性判别的要求：但在作电压i 临界失稳非线性现象 的精细研究时，还是应该采用更为准确的机电暂态模型模拟电动机。 文献【1 1 】由静态潮流方程分析了负荷静态电压特性对电力系统静态电压稳定 性的影响，并指出：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，而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。 世界范围内已发生了多起电压崩溃造成的大停电事故，然而，对于电压失稳 的机理，现在尚未认识清楚。建立正确、合理的负荷模型，对电压稳定性机理的 正确认识有着重要的作用，是电压稳定性分析走向成熟的关键【l2 1 。 1 2 3 负荷模型对小扰动稳定计算的影响 负荷的动态特性对电力系统动态行为有着重要的影响，而现在小干扰稳定性 分析中负荷一般采用的是静态恒阻抗模型，这对系统振荡阻尼的估算带来了不小 的偏差。 文献 1 3 1 揭示了负荷对电力系统小干扰振荡的阻尼有重大的影响，并指出参数 对振荡阻尼有重大影响的负荷必须首先测试出来以防止造成对阻尼性质和电力系 统稳定边界的错误估计。 文献 1 4 】由改进的p h i l i p s h e f f r o n 模型，通过深入研究一个简单系统得到感应 电动机模型对电力系统小扰动稳定域构成的影响，并通过对一个包含综合负荷模 型的9 节点系统进行仿真，证实了感应电动机模型和静态负荷模型对电力系统小 扰动稳定域的影响不同。 1 2 4 负荷模型对潮流计算的影响 在常规潮流计算程序中，负荷节点常当作恒功率处理：而实际负荷从电网吸 收的有功和无功功率是随节点电压的变化而变化的。系统在某些运行条件下，采 用恒功率的负荷模型计算潮流时会存在潮流收敛问题【15 1 。 文献 1 6 】研究了恒功率和恒阻抗两种不同负荷模型对牛顿法最优潮流问题的 硪士学位论文 解的影响。在2 5 l 母线的台湾电力系统上进行测试，在同一故障条件下，采用恒 功率模型牛顿法最优潮流收敛于一个不可行解，而采用恒阻抗模型则收敛于一个 可行解。 1 2 5 小结 总之，负荷模型对电力系统的各种仿真计算有着重要的影响，必须尽量使用 准确的负荷模型来进行仿真计算。为了促进负荷建模的发展，便于各种生产等级 仿真程序的用户之间交换数据，i e e e ( 国际电气电子协会) 负荷建模工作组推荐 了在潮流计算和其它动态仿真计算中使用的标准负荷模型 1 。 1 3 负荷建模研究的发展和现状 上世纪5 0 年代到6 0 年代，电力系统就开始使用计算机进行仿真，负荷模型 与其它的电气元件模型一样，有了初步的发展，人们不仅使用恒阻抗、恒功率、 恒电流来表示负荷，还提出了幂函数、多项式等负荷静特性模型。1 9 7 6 年，美国 电力研究所( e p r i ) 主持了一项大型的研究计划，其主要目的是为电力公司建立 一套统计综合法的负荷建模方法，整个工作从理论上、现场试验上以及数据采集 系统的软硬件开发和数据处理程序等几个方面全面展开，经过多年的努力，e p r i 发表了许多有价值的研究报告，并且研制出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 ，在其推动下，负荷模型的研究又有了新的进展。由 于负荷模型对电力系统仿真计算的重要性逐渐为人们所认识，c i g r e ( 国际大电网 会议) 和i e e e 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【i 7 】f l8 1 。 从上世纪8 0 年代以来，我国学者也开始从事负荷建模领域的研究i l ”，华北电 力大学、清华大学、河海大学和湖南大学等高校陆续开展了一些工作，并取得了 不少研究成果。在总体测辨法负荷建模方法研究方面，文献 1 9 提出了非线性递 推滤波建模法( n l r f ) ，应用扩展k a m a n 滤波方法来估计负荷模型参数：文献 2 0 提出了m s a r 法，该方法属于加权最小二乘法，可看成在每一个采样数据点按误差 反比进行修j f ，以达到加快逼近的目的，该方法适合于数据样本较少的情况。在 模型结构研究方面，主要是机理式模型即三阶感应电动机并联静特性模型 【2 1 l 【2 2 】【2 3 1 ，非机理式模型中的差分方程模型2 4 】【2 5 1 、人工神经网络模型也得到了应 用( 2 6 1 1 2 7 1 。在模型参数辨识算法研究方面，除了最小二乘法外，有传统的优化算法 如模式搜索法【2 8 1 、非线性单纯形法等，以及各种进化优化算法，如遗传算法【2 9 】f 3 0 1 、 粒子群优化算法【3 1 】等。在负荷时变性研究方面，文献【3 2 】首次提出了通过负荷动 特性的分类与综合来解决负荷时变性问题，文献 3 3 3 4 1 陆续提出了一些可行的负 荷动特性分类与综合方法，多年的研究表明，这是解决负荷时变性问题的有效途 4 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 径。在负荷模型的有效性验证研究方面，文献【3 5 】应用广东电网动态负荷实测模型 于电网仿真计算中，结果表明该模型在短路电流计算中得到的结果比b p a 静特性 模型更接近实际。在负荷模型的应用方面，文献【3 6 】实现了差分方程模型和仿真程 序的接口，文献【3 7 】和【6 】分别实现了机理式模型感应电动机并联静特性模型和仿 真程序的接口，并对实际电网进行了稳定性的仿真计算。在统计综合法负荷建模 方法研究方面，文献【3 8 】提出了一种基于统计综合负荷建模的系统方法，该方法基 于各个变电站( 实际综合负荷节点) 的行业构成比例、各个行业中若干典型用户 的用电设备构成比例以及各个用电设备的负荷特性，实现了“用电设备一一用户 一一行业一一变电站”的逐级建模。另外，在实践方面，华北电力大学、清华大 学、河海大学和湖南大学等高校的科研组陆续开发了安装在变电站的负荷特性记 录装置和进行负荷建模计算的软件平台：并且，还对东北地区、河北省、湖南省 等电网的负荷特性进行了调查统计研究。 可以说，负荷建模的研究无论在理论上还是在应用上都在逐步地发展和完善， 现在已进入了模型实用化的研究阶段；但是，理论上还有不少问题尚未解决，离 负荷模型的实际应用也尚有一定的距离，应继续加大力度研究。 1 4 负荷时变性问题 作为变电站某一母线下所有电气元件总称的综合负荷，并不是一个固定不变 的系统，而是一个时变系统。综合负荷的用电设备构成是随时间的不同而随机变 化的，这主要是由用户用电的随机因素所造成的。负荷建模问题之所以成为区别 于其他建模问题的特殊的电力系统难题，其关键就在于负荷的时变性。 负荷时变性的本质是综合负荷的构成成分随着时间的不同会有所变化，负荷 特性也就跟着改变，进而描述该综合负荷的模型参数也会跟着变化。要解决负荷 时变性问题，关键是如何得到负荷特性随着时间不同而变化的规律，并且在负荷 建模中如何考虑进负荷时变性规律以得到能够描述负荷时变性特征的模型。 近些年的研究表明，负荷动特性的分类与综合是解决负荷时变性问题有效方 法。对某一综合负荷不同时间采集到的动态负荷特性样本集合，通过对其进行分 类将负荷特性相似的样本归并为一类；再对每一类负荷特性进行综合，得到能够 提取该类负荷特性的共同本质特征、较好地描述该类负荷特性中所有样本的综合 负荷模型；由于负荷特性相似的样本对应于负荷构成相近的不同时刻，因此，通 过观察各类负荷特性中样本的采集时间，确定同类负荷特性大体位于哪一时间段， 该时间段就是此综合负荷构成基本不变的时间段，该类负荷特性的综合负荷模型 就是此综合负荷在该时间段里的模型。 硕士学位论文 1 5 本文的主要研究内容 实现了三阶感应电动机并联恒阻抗、一阶机械暂态感应电动机并联恒阻抗和 一阶电压暂态感应电动机并联恒阻抗三种机理式动态负荷模型的参数辨识建模， 并通过实际建模实践表明：三阶感应电动机并联恒阻抗模型能够同时很好地拟合 实际负荷的有功和无功动态特性，是一个很好的综合负荷模型。 针对如何对同类动态负荷特性中的多个样本进行综合建模的问题，提出了基 于实测响应空间的负荷动特性直接综合方法。该方法首先通过求得某类负荷特性 中所有样本的重心作为该类负荷特性的聚类中心，再通过对聚类中心等效样本进 行参数辨识以得到该类负荷特性的综合模型参数。实践表明，该方法得到的某类 负荷特性的综合模型参数能够较好的描述该类负荷特性中的所有样本，并且，该 方法具有物理意义清晰、计算量小等优点。 针对如何利用现场采集的负荷扰动数据通过总体测辨法得到该综合负荷的模 型的问题，开发了一个电力系统综合负荷建模软件平台，实现了总体测辨法负荷 建模所必须的一系列编程运算以及负荷模型参数的管理等功能。平台的构建运用 结构化软件设计思想，各个功能模块相互独立，具有功能完善、设计新颖、运行 可靠、操作简单、扩展性好的特点，能够方便地建立各个变电站的综合负荷模型。 6 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 第2 章电力负荷建模的基础研究 介绍了总体测辨法负荷建模方法，阐述了该方法的理论基础一一系统辨识理论，并得出 该方法中与系统辨识三要素对应的具体内容。介绍了三阶机电暂态感应电动机并联恒阻抗、 一阶机械暂态感应电动机并联恒阻抗和一阶电压暂态感应电动机并联恒阻抗三种机理式动态 负荷模型以及模式搜索法和非线性单纯形法两种参数辨识算法，并通过实际建模实践分析比 较了三种模型对实测动态负荷特性样本的描述能力。 2 1 总体测辨法 2 1 1 负荷建模方法一一统计综合法和总体测辨法 综合负荷的建模方法大致可以分为两类：基于元件的建模方法 ( c o m p o n e n t b a s e d ) 和基于量测的建模方法( m e a s u r e m e n t - b a s e d ) ，前者又称为 统计综合法，后者又称为总体测辨法。 统计综合法的基本思路是在实验室内确定各种典型用电设备的平均特性方 程，然后统计每个负荷点上在一些特殊时刻的负荷组成，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。 总体测辨法的基本思想是将负荷看成一个整体，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的结构和参数。这种方法的优点是不必详细知道负荷内部 的复杂构成。 2 1 2 系统辨识理论 系统辨识是控制理论的一个分支，是总体测辨法负荷建模的理论基础。 2 1 2 1 系统辨识的概念 何谓系统辨识? 简言之，即为“动态建模”，即利用被控制系统的输入、输出 数据，经计算机数据处理后，估计出系统的数学模型 3 9 】。 2 1 2 2 系统辨识的地位和作用 现代控制论中，控制理论阐述控制设计的准则，状态估计给出系统的运行状 态，而系统辨识则是建立数学模型的依据，三者互相渗透。系统辨识和状态估计 离不开控制理论支持，控制理论应用又几乎不能没有系统辨识和状态估计技术【4 们。 2 1 2 3 系统和模型 硕十学位论文 系统是指一个动态过程。 模型是用来描述一个动态过程运动规律的客体，它把实际过程的本质部分以 信息形式表达。常用的模型可分为物理模型和数学模型两大类。物理模型是根据 相似原理构成的一种物理模拟，如电力系统动态模拟；数学模型是指以数学表达 式来描述过程的动态特性，在时域上常用的形式有代数方程、微分方程、差分方 程、状态方程等。 2 1 2 4 系统建模的方法 系统建模通常有两种方法：按物理机理建模和按辨识建模。 物理机理建模是指利用系统内在物理机理给出的一些定理和定律来建立系统 的数学模型。其优点是模型参数的物理概念清晰，便于计算和分析。缺点是模型 是在一定的假设和简化条件下得出的，具有局限性，对一些较复杂的生产过程， 准确地描述就有困难；并且无法计及动态过程中的一些实际因素。 辨识建模是指利用待测系统的输入、输出数据，经计算处理后建立系统的数 学模型。其优点是：一、无需确切知道系统的物理机理；二、用现场辨识动态建 模，可计及运行中的一些实际因素；三、适用于一些物理机理尚不清楚或难以用 简单规律描述的动态过程。 2 1 2 5 系统建模的原理和步骤 系统辨识的原理图如下： 图2 1 系统辨识原理图 规定一等价准则以0 ) ，它是量测误差e 的函数。动态系统和数学模型在同一 激励信号x 的作用下，产生系统输出信号z m 和模型输出信号z 矗，其误差为e ，经 辨识准则计算后，去修正模型参数。反复进行，直至误差e 满足的等价准则“0 ) 最小为止。数学表达可写为，令 以0 ) = f ( e ) ( 2 1 ) 找出模型m a 妒，庐为给定模型类，使 以0 ) 一r a i n ( 2 2 ) 则m a = - - m m( 2 3 ) 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 系统即被辨识。 由上述分析可见，输入输出数据对、等价准则和模型结构，构成系统辨识的 三要素。而模型的精度由以臼) 决定，也即由e 决定。 系统辨识的步骤如下：a 、试验设计，以获得输入输出数据，包括确定系统的 输入输出量、确定扰动形式和现场数据获取等方面；b 、确定模型结构；c 、确定 模型参数辨识算法；d 进行模型参数辨识：e 、模型检验，若所得模型不符合要求， 则必须调整改进a 或b 或c 三个步骤的内容，若所得模型符合要求，则辨识完毕。 2 1 3 总体测辨法负荷建模 以系统辨识理论为理论基础的总体测辨法负荷建模方法，必须先确定系统辨 识的三要素即输入输出数据对、等价准则和模型结构的相应内容和获取途径。 输入量为负荷母线电压，输出量为负荷的有功功率和无功功率。通过在变电 站安装上负荷特性记录装置，就可记录下系统发生扰动时这些输入输出量的值。 辨识准则主要是最小二乘准则，其表达式如下式( 2 4 ) 。 卫 j = 芝j ( 晌一f ：( p ) 2 + ( g 一q 。( 磅) z 】 ( 2 4 ) k = l 其中，p ( 七) 、q ( 砷为样本实测的有功功率和无功功率，p 。( 七) 、绋( 砷为模型在样本 输入电压作用下的有功功率和无功功率，为数据点数。 模型结构可分为静态负荷模型和动态负荷模型两种，静态负荷模型主要有幂 函数模型和多项式模型，动态负荷模型既有机理式的感应电动机并联静特性模型， 又有非机理式的差分方程模型、神经网络模型和状态方程模型等。 2 2 机理式动态负荷模型 当前的电力系统稳定计算中，动态负荷模型使用得最多的是机理式的感应电 动机并联恒阻抗模型。构建该模型基本思路是：综合负荷包括静态和动态两部分， 静态部分用一个恒定导纳等值，动态部分用一台感应电动机( i m ) 等值，这是由 于感应电动机是最主要的动态负荷。x 叫一0 同步坐标系中该模型结构如下图。 u - - - u x + j u y 2 f 历z 勺赫 图2 2i m 并联匿阻抗模型 其中，n = u ，+ j u y ：负荷电压，即变电站母线电压，“，分别为其x 轴、y 轴分量 9 硕士学位论文 i = + j i y ：综合负荷系统从电网吸收的总电流，i 。，i 。分别为其x 轴、y 轴分量： = i r a 。+ j i m ，：为感应电动机电流，f ，i 。，分别为其x 轴、y 轴分量； 雪= p + j g 一：综合负荷系统从电网吸收的总功率： y = g - j b ：综合负荷中静态部分的等值导纳( 电纳b 0 时负荷为感性) 。 其中，感应电动机采用不同的模型，就形成了不同的综合负荷模型。当i m 计及转子的电磁暂态和机械暂态，就形成三阶机电暂态感应电动机并联恒阻抗模 型；i m 只计及转子的机械暂态，就形成一阶机械暂态感应电动机并联恒阻抗模 型；i m 只计及转子的电磁暂态，就形成一阶电压暂态感应电动机并联恒阻抗模 型。下面就详细介绍这三种模型。 2 2 1 三阶感应电动机并联恒阻抗模型 1 、模型数学方程 模型的详细推导见文献 3 9 】和【4 1 】，模型的状态方程如下( 2 5 ) ( 2 7 ) 式所示。 s ( 1 + 珊ek ；专 e ：+ z 斋l ：。，一e ；) 一x 。，一国e ：) 呻c z s ， 丢e ；2 一s ( 1 + 国n ) e ：一寺 e ；一乏i - 辜裔k ( u ；一珊e ：) + x7 ( u ，一e ； c 2 6 ， 红d t 争盟型与秽黯产 ， 乃 弓【# + ( x7 ) 2j 上式中，e = e ：+ j e ：为感应电动机的暂态电势；“= h + 玛为负荷的电压激励： 为电力系统的运行角频率，国口则为同步角速度；s 为感应电动机的转差率；石 为暂态电势的衰减时间常数；为定子电阻，石，为定子和转子同步电抗，z 为定 子和转子暂态电抗：乃为转子惯性时间常数；岛为感应电动机的机械负载功率， 由其相应的机械负载特性决定，感应电动机的机械负载功率昂通常用如下( 2 8 ) 式描述 巴= k r k + ( 1 一口x 1 一j ) ”j ( 2 8 ) 其中，k 。为负载率，为机械负载中与转速无关部分所占的百分率，7 负载系数。 根据感应电动机的电压方程并基于图2 2 运用k c l 定律，推得以综合负荷 电流作为中间输出变量的模型的输出方程如下( 2 9 ) ( 2 1 1 ) 式所示。 f x2 赤k 如x 一国e ：) + 甜工o y - oe ；) + g 。g + u r b ) ( 2 - 9 ) f ，2 赤i l o ，一国e ；) 一国x o x - c o e ，) + o ，g 一“。曰) ( 2 l o p = u x + 吩0q = ，一“，f ， ( 2 1 1 ) l o 负荷动特性综合方法研究及建模平台的开发 上式中，p 、o 是与综合负荷总电流对应的综合负荷从电网吸收的功率。 模型的稳态方程由状态方程和输出方程联立求得，如式( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 所示，其中有关中间变量由式( 2 15 ) 、( 2 1 6 ) 确定。 阱去喙6 o o x l i x o j + 0 1 1 + r sg + m o x b 二s 黜北m ， 臣t 瓮 k = 0 ，。晶+ u ，o q o ) “； 。= k u x o g + u ，。b ) 陋：也k + ( 1 一口x 1 一s y 】 i ，。= 0 ，。1 o 一q o ) 甜； i 。，。= 一u y o g 一“。b ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 上述各式中，下标中含“0 ”的表示系统的初始稳态值：下标中含“m ”的代表 感应电动机的相应量：式( 2 1 3 ) 中，t 。2r oq + b ) 。 根据系统辨识理论，模型有2 个输出方程，则可确定2 个非独立待辨识参 数，这样可减少模型参数辨识过程中独立待辨识参数的个数，非独立待辨识参 数可由独立待辨识参数根据模型的稳态方程求得。该模型中，以如和托为非独 立待辨识参数，则模型独立待辨识参数向量是【gbr s r on 野砰。 2 、模型仿真步骤 己知模型独立待辨识参数0 ，以幼、p ( o ) 、q ( o ) ，通过仿真算出模型输出响 应e ( k ) 、q ( k ) ( k = - i ，2 ，k ，) 过程如下： 假定以( 七) = 皈七) ，u ( 七) = o ，