（电力系统及其自动化专业论文）统计综合法电力系统负荷建模平台的开发.pdf

硕上位论文 a bs t r a c t p o w e rs y s t e mc o m p r e h e n s i v el o a dm o d e l i n gi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nt h e f i e l do fp o w e rs y s t e ma n a l y s i s t h es t a t i s t i c a ll o a dm o d e l i n gs y n t h e s i s ( a l s oc a l l e d b a s e do nc o m p o n e n tm e t h o d ) i sa ni m p o r t a n tm e t h o do fc o m p r e h e n s i v el o a dm o d e l i n g ， w h i c hi sw e l c o m e db yt h em o d ew o r k e ra n dg r i ds i m u l a t i o ne n g i n e e rb e c a u s ei t sc l e a r p h y s i c a lc o n c e p ta n de a s ya c h i e v i n gu n d e rt h ea c c u r a t ea n dc o m p l e t el o a di n f o r m a t i o n s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r ，h o wt oe n s u r et h eb a s i ci n f o r m a t i o ni sa c c u r a t ea n d c o m p l e t ei st h ek e yt ot h em e t h o dc a nb ee f f e c t i v e l ya p p l i e dt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl o a dc o n s t i t u t ew h o s es u r v e yc o v e raw i d er a n g e ，a r es c a t t e r e d ，d u e t od i f f e r e n c e si nc l i m a t e ，r e s o u r c e s ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，s t a n d a r do fl i v i n ga n d o t h e rf a c t o r s e v e nt h es a m ea r e aw i t ht h ep a s s a g eo ft i m e ，t h ea c t u a ll o a dp o w e r ，l o a d c o m p o s i t i o na n dn e t w o r ks t r u c t u r em a yc h a n g e ，s ot h a tt h el o a dc h a r a c t e r is t i c sw h i c h w e r es u r v e y e db e f o r ea r en o ta c c u r a t ee n o u g ho ra r ei n v a l i d t h e nt h el o a dm o d e l s a c c u r a c yi sn o th i g he n o u g h ，a n di ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b et h et r u el o a dc h a r a c t e r i s t i c s o fn e t w o r k t h i sp a p e rh a st h ep u r p o s eo fa p p l y i n gt h es t a t i s t i c a ll o a dm o d e l i n gs y n t h e s i si n t o t h em o d e l i n go ft h ea c t u a lg r i d ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e dap l a t f o r mo ft h es t a t i s t i c a l l o a dm o d e l i n gs y n t h e s i sm o d e l i n g t h ep l a t f o r mu s e dc ss e r v e rm o d e ，a c c o r d i n gt o t h ep h y s i c a ls t r u c t u r e ，t h ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa s ：c l i e n t ，s e r v e r ，a n dt h e f r o n to p e r a t i o ni n t e r f a c e ；a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nt h ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot h r e e s u b s y s t e m sa s ：s u r v e yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a dc o n s t i t u t e ，l u m p e dm a n a g e m e n to f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a dc o n s t i t u t ed a t a ，a n ds y s t e mo fc o m p o n e n t sb a s e do n a c o m p r e h e n s i v el o a dm o d e l i n g t h ew h o l ep l a t f o r ma c h i e v e sa l lf u n c t i o no ft h e s t a t i s t i c a ll o a dm o d e l i n gs y n t h e s i s ，s u c ha st h es u r v e yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a d c o n s t i t u t e ，t h ei n t e g r a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c sd a t a ，l o a dm o d e l i n g o fs u b s t a t i o n s ，a n dc l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i so ft h ew h o l es t a t eg r i ds u b s t a t i o n s t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e das t a t i s t i c a ll o a dm o d e l i n gs y n t h e s i sp l a t f o r m ，w h i c h u s e do b j e c t o r i e n t e di n d u s t r y l e v e lc o m p i l e rv c + + f r a m e w o r kt ob u i l dt h ed l l m e t h o d sa n dt h ea d od a t a b a s eo p e r a t i o n st e c h n o l o g y ，a n du s e da c c e s sd a t a b a s ea n d s q ls e r v e rd a t a b a s ea su n d e r l y i n gd a t ab a s e p l a t f o r md e s i g ni st ot h ep r i n c i p l eo f e n h a n c i n gt h el e v e lo fw o r k f l o wa u t o m a t i o na n do p e r a t i o n a le f f i c i e n c y ，t ot h ep u r p o s e o fp r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，a p p l i e ds t a t i s t i c a ll o a dm o d e l i n gs y n t h e s i sm e t h o d st o 统汁综合法l 乜力系统负荷建模平台的开发 e n g i n e e r i n gh i g h - p e r f o r m a n c e t h ep l a t f o r mh a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sr a t i o n a l s t r u c t u r e ，f l e x i b l ea p p l i c a t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o na n df u l l yf u n c t i o n a l t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to ft h ep l a t f o r mw o u l dp r o v i d eag o o dt e c h n i c a lm e a n st oi n t e g r a t e d p o w e rs y s t e ml o a dm o d e l i n gf o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：p o w e r s y s t e m s ；l o a dm o d e l i n g ；s t a t i s t i c a ls y n t h e s i sm e t h o d ； c h a r a c t e r i s t i c so fl o a dc o n s t i t u t ed a t a b a s e ；m o d e l i n gp l a t f o r m i v 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。 雠名：孩瓶 醐：锄年箩月垆 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1 3 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密由 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：揿耽 导”雠：瓠 日期：砌西年箩月7 日 日期：纠年歹月砂7 e t 硕j j 学位论之 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究意义 电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、输送、分配和使 用的统一整体。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、无功补偿装置和负荷区域的发电厂等，称之为综合负 荷。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【i 5 1 。 1 1 1 电力系统综合负荷建模的重要性 电力系统数字仿真己成为电力系统规划设计、运行调度和分析研究的主要工 具，电力系统各元件的数学模型以及由其构成的全系统数学模型是电力系统数字 仿真的基础，模型的准确与否直接影响仿真结果和以此为基础的决策方案。仿真 所采用的模型和参数是仿真准确性的重要决定因素，目前发电机组和输电网络的 模型已较成熟，相对而言电力负荷模型仍较简单，往往是从基本物理概念出发而 采用的实用化模型和参数。随着我国主要电网全国性互联进程的推进和大受端系 统的形成，我国电网的复杂程度增加，电网规模扩大，电网的动态稳定性及电压 稳定性问题更突出，负荷模型对系统计算结果的影响己不容忽视【6 1 们。 粗糙的负荷模型与精确的发电机系统和网络模型已经严重不协调并严重地影 响到仿真结果的精确度和可信赖程度，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，并且会造成偏保守或乐观的分 析结果，过于保守的分析结果会造成线路、设备投资的浪费，而过于乐观的分析 结果可能会酿成大的事故，造成系统大面积停电，这都将给电力的生产与发展带 来巨大的损失。 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重要。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，对实际负荷特性进行研究，得出尽可能反映实际负 荷特性的负荷模型应用于电力系统，无疑具有重要的理论和工程价值。 1 1 2 负荷建模软件的开发与改进势在必行 多年来，随着负荷模型研究和实践的广泛开展，有关综合负荷建模的软件已 经开发不少，作为综合负荷建模的工具，其集成了多种负荷模型类和多种辨识方 统计综合法电力系统负荷建模、r 台的开发 法，为模型的建立和参数的辨识带来了极大的便利，也为负荷建模研究带来了丰 硕的成果。 统计综合法负荷建模是建立在基础信息准确、完整的基础上的，随着电网的 不断扩大，电力负荷的不断丰富，变电站种类和数量的不断增加，采集的数据量 也越来越丰富，因此对建模基础信息的不断更新、海量数据的处理、建模效率和 精度都提出了更高的要求。但以往的这些软件中，整个建模流程中存在大量手工 操作，普遍存在自动化水平不高、模型辨识效率偏低等主要问题。随着计算机水 平的快速发展，已经有了功能更为强大的编程平台，从而由于编程环境造成的运 行效率低、可扩展性差等问题可以得到更好解决。 同时，随着我国电网发展已进入大区电网互联新阶段，区域电网负荷特性参 数库将逐步建立起来。建立一个统一规范的负荷特性数据库，将能够很方便地对 历史数据进行各种查询和调用，便于从一个整体、长期的范围来对负荷特性进行 比较、分析、综合和应用。 因此，开发设计一套以提高整个工作流程自动化水平和运行效率、面向工程 实用为目的，包括数据调查、数据库管理、建模为一体的统计综合法负荷建模平 台将势在必行，其必将统计综合法负荷建模在电力系统负荷建模推向实用化的进 程中起到重要作用。 1 2 统计综合法负荷建模现状与发展趋势 1 2 1 发展动态及趋势 2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代中期，电力系统数字模拟计算处于发展初期。在 这段时间内，负荷模型与其它电网元件一样，有过相当大的发展。人们不仅仅使 用恒定阻抗、恒定电流、恒定功率来表示负荷，还提出了用静态特性方程表示负 荷，如多项式或幂函数方程。这些模型的参数在当时是定性估计的，由此得到的 负荷模型尽管不准确，但相对于当时粗略的发电机等其它模型以及人们对电网计 算的定性要求来说，还是相适应的。 为了打破负荷建模研究上的困难局面，l9 7 6 年美国电力科学研究院( e l e c t r i c p o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 所研究丌发了l o a d s y n 软件包【1 1 1 。该软件使用 时需要三种数据：负荷组成，即各类负荷( 民用、商用、工业等) 所占的比例； 各类负荷中各种用电设备( 荧光灯、电动机、空调等) 所占的比例；各用电设备 的平均特性。在e p r i 的这项工作的推动下，统计综合法负荷建模的研究又有了新 的进展。 多年来，国内外在电力负荷建模方面取得了不少重要的新成果，例如，负荷 分类方法和负荷建模向量基理论【1 2 18 】；基于日负荷曲线的建模思想，以及相应的 2 硕i ：学位论文 新的辨识方法【1 9 2 2 】；基于实测响应空间的负荷动特性分类和基于模糊聚类的变电 站分类等方法【2 3 2 6 1 。 电力负荷建模是经长期研究而始终没有很好解决的难题，今后还有很长一段 路要走。文献 2 7 3 0 对以往的工作进行了全面的总结，文献 31 】对我国负荷建模 工作提出了一些建议，文献 3 2 对今后一段时间负荷建模研究的发展趋势进行了展 望，在地域规模方面，将由节点负荷建模向广域负荷建模发展；在负荷内涵方面， 将由纯粹负荷建模向广义负荷建模发展；在适用范围方面，将由小范围负荷建模 向广谱负荷建模发展；在建模方法方面，将由单个负荷建模方法向综合负荷建模 方法发展；在数据来源方面，将由单个数据来源向综合利用各种数据发展。 随着电网结构的不断扩大、负荷元件的不断丰富，电力系统各种数据现已呈 现爆炸性增长态势，对海量数据的分析处理技术却相对滞后，从而形成了“丰富 的数据，贫乏的知识 的瓶颈制约，传统的统计手段已变得难以满足要求，需要 运用新方法来挖掘更深层次的规律，并保证系统运行的经济性、安全性和可靠性， 以便提供更快、更有效的决策支持。数据挖掘的出现，引起了电力工作者的广泛 关注。近年来，数据挖掘在电力系统很多领域都有成功的应用，表现出广阔的应 用前景【3 3 36 1 。 另外，随着负荷建模工作的逐步深入，学术界已经积累了相当丰富和成熟的 理论成果，电力工作者一直期望有一种功能完整、操作简便、应用灵活的建模软 件平台，将成熟的理论应用于工程实际，更快的推动负荷建模的发展和应用。值 得欣慰的是，有关综合负荷建模的软件已经开发了不少 3 7 3 9 】，然而绝大多数是以 基于量测的负荷建模为主体，自美国e p r i 的l o a d s y n 后，对于整个基于元件 的综合建模却是少有独立、完善和灵活的软件平台，特别是适合我国实际负荷特 性情况的软件平台，因此本文认为结合当前在统计综合法负荷建模所取得的成熟 理论，应用先进、成熟的软件技术开发一套具有良好的人性化操作界面、灵活完 整的负荷建模平台是十分有意义的，从而可以提高建模效率，推动整个建模研究 领域的发展。 1 2 2 负荷模型的结构 在电力系统遭受扰动的暂态过程中，各负倚点的电压和频率都将发生变化，与 此同时各类负荷取用的功率也随之改变，负荷功率随电压和频率变化而变化的特 性称为负荷特性。负荷特性有动态特性和静态特性之分。描述负荷动静态特性的 解析表达式称为负荷模型。时至今日，人们提出了大量的负荷模型。按照是否反 映负荷的动态特性，负荷模型一般分为两种类型，即静态和动态模型，前者用代 数方程描述，后者则通常应用微分方程、状态方程和差分方程来描述，每一种模 型都有很多种模型结构。 统汁综合法电力系统负荷建模甲台的开发 1 2 2 1 静态负荷模型 静态负荷模型反映负荷有功、无功功率随频率和电压缓慢变化而变化，模型 结构主要是幂函数和多项式模型以及在此基础上的改进模型。但对于空调等负荷， 其低电压下随电压降低吸收功率反而增加，这样的负荷特性用幂函数模型难以作 整体描述，而采用多个幂函数模型相加的形式则可以能得到满意的结果。文献【4 0 】 列出了典型用电设备的静态参数以及感应电动机和空调等用电设备的静态特性方 程。这是统计综合负荷建模的基础工作，但必须考虑负荷设备的型号不同而引起 的差异。目前用统计综合法建立负荷静态模型的文献很少见诸报端。静态负荷模 型主要用于潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分析。文献【4 1 】提出一种改进的幂 函数模型，扩展了幂函数模型的使用范围，提高了拟合精度。文献 4 2 】对不同的家 用电气设备进行了综合，得出了静态幂函数模型并考虑了频率的影响。 1 2 2 2 机理动态负荷模型 所谓机理动态负荷模型，是指以物理和电学等基本定律为基础，通过列写负 荷的各种平衡关系式而获得的模型，通常是指感应电动机模型或者是感应电动机 与z i p 模型的并联，它采用异步电动机简化型电路，以转差率s 和暂态电势e 为 状态变量。其最大优点是具有明确的物理意义，易于被人们理解。其不足是对于 某些用电设备或用电场合，难以获得简明的模型参数。文献 4 3 基于实测负荷数据， 全面研究了感应电动机模型，结果表明其综合描述能力较强且内插外推特性较好， 但模型参数具有不可解释性。文献 4 4 】对感应电动机的3 种模型从计算精度、参 数获取和应用场合进行了比较，为模型选择提供了依据。文献 4 5 建立考虑线路参 数和无功补偿的改进感应电动机模型。文献 4 6 1 对感应电动机的参数进行了加权平 均得出了感应电动机的综合负荷模型参数。文献 4 7 对感应电动机对受端无功传输 的影响进行了研究。对于综合负荷的感应电动机模型，其模型本身已经失去了感 应电动机的物理机理，只是一种具有良好的描述和综合能力的模型而已，所以其 参数和结构已经不是单纯的感应电动机，不必苛求其物理解释性。考虑综合负荷 中负荷元件的分布和配电网络的影响以及综合负荷在电网中的位置应该是今后研 究的重点之一。 1 2 2 3 非机理动态负荷模型 负荷的非机理模型是在系统辨识理论发展过程中，从大量的具体的动态系统 建模中概括出来的一种数学模型，对动态系统具有很强的描述能力，其本质是将 系统负荷问题看成黑箱，只需建立输入输出表达式，并不苛求模型的机理解释， 非机理模型刚好满足这一要求。非机理模型有常微分方程模型、传递函数模型、 状态空间模型、时域离散模型和考虑负荷模型非线性而提出的人工神经网络模型。 4 硕i j 学位论文 文献【4 8 】从动态综合的角度提出线性二阶差分的动态负荷模型。文献 4 9 1 将混沌神 经理论引入负荷建模建立一种混沌神经网络模型。文献 5 0 】采用改进b p 神经网络 来确定负荷机理模型中动静态比例。模型结构的确定需要针对具体的对象和建模 目的，因此很难找到一个绝对有效的非机理模型。随着新型用电设备的出现、空 调负荷的激增、电力机车和电弧炉等的出现，使得本来很复杂的综合负荷建模工 作更加复杂，传统的机理模型和非机理模型受到严重的挑战，因此必须提出新的 负荷模型与之相适应，也是未来研究重点之一。对于非机理模型在模型的拟合并 不具有难度，但非机理模型对异构负荷的综合描述能力和在暂态仿真中的应用是 摆在负荷建模工作者面前的另一难题，即非机理模型的参数如何跟电力系统的仿 真研究建立关联性。因此非机理模型是通过什么途径和方式影响暂态稳定的结果 的需要深入研究。 1 2 3 负荷特性的分类与综合 负荷建模的研究基本上都是针对一个变电站( 主要是2 2 0 k v 和1 1 0 k v 电压等 级) 供电的负荷区域，建立其负荷模型。随着电力系统规模的扩大，大区域电力 系统的负荷建模自然需要深入研究。负荷特性的分类与综合是负荷模型实用化的 关键，是解决负荷建模中负荷特性随机时变性问题和大区域电网负荷建模中没有 安装负荷特性记录装置的负荷点的模型确定问题的有效途径。所谓负荷模型的分 类，就是将同一电网不同负荷点以及不同时间段中负荷特征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。所谓负荷模型的综合， 就是建立每一分类的综合负荷模型，能够最大限度地提取同类负荷中共同的本质 特征，使所得模型具有相应分类空间和时间上的通用性即覆盖能力，同时还具有 对不同强度扰动的适应性即内插外推能力。 近几年来，我国学者提出了多种分类和综合的方法，研究成果十分丰富。文 献 1 7 提出了基于实测响应空间的负荷动特性分类的新方法，对各个样本的实测响 应进行时间坐标的标准化，计算实测响应空间各样本间的相关系数，再采用系统 聚类法按相关系数值进行负荷动特性分类，文献 2 2 提出了基于模糊聚类的变电站 分类，以及基于参数加权平均的综合建模思路。 1 2 4 统计综合法负荷建模面临的困难 统计综合法的优点在于建模时不需要进行现场试验和实测，方法适用于不同 系统和不同的条件下，所建模型在一定程度上具有可解释性，但是也面临了很多 的困难，如何克服和更好的解决这些难题，将对统计综合法负荷建模的发展起到 至关重要的作用。 ( 1 ) 构成负荷的大量用电设备存在很大差异，负荷特性是这些大量特性相差 很大的用电设备相互联系和作用的总体表现，并非哪一种具体的用电设备的特性 统计综合法 乜力系统负倚建模甲台的开发 所能描述。这就需要统计成千上万各用户的负荷组成及参数。这种统计工作不但 耗时费力，而且难以统计准确。尤其是各类负荷的容量和实际功率不一致，采用 容量比来代替功率比误差可能较大，因为同时率的问题。 ( 2 ) 统计综合工作不可能随时进行，甚至不能经常进行，而负荷却具有很强 的随机性、变结构性和时变性，即负荷会随用户随机的启停、时间、季节、气候 等而变化。 ( 3 ) 对用户和设备分类繁多，负荷成分往往比较复杂，包含的用电设备可达 数十种。若将所有这些类型的负荷都考虑进去，则因各类用电设备的模型不同， 从而导致总的模型难以应用。随着负荷成分的日益复杂化，这个问题将更加突出。 ( 4 ) 构成负荷的用电设备和用户分布于整个配电网，而不是直接联接于负荷 所在母线。因此，配电网结构和参数对负荷的特性会有影响。 1 3 本文的主要研究内容 本文从电网的实际情况出发，围绕统计综合法负荷建模平台的研究和开发展 开工作。 首先阐述了电力系统综合负荷建模的重要意义，通过对统计综合法负荷建模 的现状和所面临的困难、负荷建模软件需要改进的方面的分析阐述了本文工作的 重要性和迫切性。同时，对近几年来，国内外负荷建模研究领域的发展和现状作 了简要的介绍，并指出今后的发展趋势。 第2 章系统地介绍了统计综合法负荷建模的理论与方法。首先介绍了几种常 见的负荷静态模型和动态模型集结的方法以及有关负荷动态模型集结和感应电动 机综合方面的相关内容，随后对统计综合负荷建模过程的详细阐述为第四章统计 综合法负荷建模平台的实现奠定了理论基础。 第3 章主要介绍了数据的来源结构及其内部数据库的构造情况，为第4 章提 供可靠稳定的应用服务器系统。数据库系统承载了负荷特性数据及负荷建模结果 信息，为各子系统所共享，它的合理规划和设计是平台实现的重点，不容忽视。 第4 章依托第2 章的统计综合法负荷建模理论和第3 章调查统计数据和后台 应用服务器系统，具体介绍了统计综合法负荷建模平台的实现过程。包括平台的 构成、设计思路、应用的技术和方法，以及对各个模块所实现的具体功能。一个 操作简便、扩展性强、易于维护和管理的统计综合法负荷建模平台将不断发展的 负荷建模理论方法用软件的方式为实际工程服务，帮助建模研究者开展工作，促 进电力系统负荷建模的发展。 最后是对全文研究内容和成果的总结，以及对今后进一步研究工作的展望。 6 硕上学位论文 第2 章统计综合法负荷建模的理论基础 统计综合法负荷建模包含有根据统计资料确定的静态负荷建模和动态负荷建 模。在稳态条件下，负荷功率与端电压及频率之间的非线性函数关系称为负荷的 静态模型。在电力系统的计算、分析与控制中，经常要用到负荷的静态模型。比 如，潮流计算、无功补偿装置规划、电压稳定、频率稳定及长期动态过程的分析 等。在介绍这一方法之前，有必要熟悉几种常见的负荷静态模型。 2 1 几种常见的静态负荷模型 基本的负荷静态模型结构通常有：幂函数模型、多项式模型以及它们的某种 变形或组合【4 1 。当电网频率和负荷母线电压缓慢变化时负荷所表现出的行为特性 即负荷的静态特性，它是电网正常运行或受到小扰动情况下的负荷行为表现。描 述这种特性的代数方程即为负荷静态模型，其一般形式如式( 2 1 ) 所示。 f 卵( u ，厂，口) ( 2 1 ) 【q = q ( u ，厂，口) 式中，尸、q 为负荷的有功功率和无功功率，u 为负荷母线电压，为电网频率，a 是模型参数。电力系统正常运行时，电网频率变化通常很小，所以在实际建模时 往往忽略频率影响。 本节主要讨论最常见的负荷静态模型幂函数模型和多项式模型。 2 1 1 多项式负荷模型 按照负荷功率随电压变化特性的不同，一般将其分为恒定阻抗、恒定电流、 恒定功率三类。其中，恒定阻抗主要由静止负荷中的照明、电热等用电设备组成， 其取用功率与电压的平方成正比关系。这种负荷对电压调节的效应较好，起正调 节作用，使电压趋于稳定。恒定功率主要由转动负荷中各类电动机组成。从系统 稳定角度看，它的电压调节效应较差，因为随着电压下降，将使负荷电流增加， 而电流的增加又使电压进一步下降。恒定电流负荷的取用功率与电压的一次方成 正比关系。 由于实际电力系统仿真计算中所需要的常是各节点的综合负荷特性。因此其 负荷特性应为上述三类负荷按一定比例的组合，写成如下的二次多项式函数，即 尸。烈似：坞b ( u u o ) + c p l ( 2 2 ) q = o o 【( u 砜) 2 + b q ( u u o ) + 巳】i 式中( 二一实际电压； 统计综合法电力系统负荷建模甲台的开发 砜基值电压； 尸、q 端电压为实际电压时负荷所吸收的功率； 异、q 端电压为基值电压时负荷所吸收的功率； 系数a 、b 、c 反映各类负荷所占百分比，有 卜+ + c p 一 ( 2 3 ) 【+ + 白= 1 因一般频率变化的幅度较小，负荷功率随频率变化的特性可用增量式表示为： 综合考虑电压和频率变化对负荷的影响，司将式( 2 2 ) 改写为： 肚p o a p ( 洲蚶+ b p ( u i 伽1 + ( 瓤 1 q = o o 俨u o ) 2 + b q ( u i 心】 1 + ( 等) 兀 | 另外，多项式模型还有一种i i 型模型： p = q p + b p u + cp u j + d p f + e p 凡 2 1 2 幂函数负荷模型 幂函数负荷模型的一般形式如式( 2 7 ) 所示。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) c 珈护 泣7 ， q 吲争分 式中，见、p l 、q 。、q ，为模型参数，其中成、p f 分别称为负荷的有功功率电压、 频率特性指数；q q ，分别称为负荷的无功功率电压、频率特性指数。所谓静态 特征系数，是指当负荷的功率、电压及频率均用标幺值表示时，功率对电压及频 率的变化率【4 1 。对于幂函数模型，模型参数仇、p ，、吼、q ，即为相应特征系数， 其定义如式( 2 8 ) 所示。 为得出多项式模型参数与幂函数相应静态特征系数之间的关系，将式( 2 7 ) 之第一式u = u o ( f = f o 恒定) 泰勒展开并取至二次项，然后与式( 2 3 ) 之第一 式( f = f o 恒定) 比较，即可推得式( 2 9 ) 8 鲈 矗 圳嗣望可 = = 胪 蛔 硕一l 学位论文 类似地，即可得 同理可得 仇= 耥l 所= 嬲l 吼= j d ( ( u q 砜q o ) ) k d d ( ( q 厂q 驯o ) 州私 = 吼( 吼一1 ) 2 = 吼( 2 一q 。) c g = 1 一一 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) q s = 粤) 矗 ( 2 1 2 ) 式( 2 9 ) ( 2 1 2 ) 说明，只要获得了负荷的静态特征系数，其多项式模型参数即 可求。反之，如果已知多项式模型参数，就可以得出其静态特征系数如下式( 2 13 ) 所示，从而其幂函数模型即可确定。 j 见22 + ( 2 13 ) i 吼= 2 + 气 应当明确指出，无论是多项式模型还是幂函数模型，其模型参数都具有明确的物 理意义：多项式模型参数、c ，( 或、b q 、) 分别表明了综合负荷中 恒定阻抗、恒定电流和恒定功率负荷所占负荷总有功功率( 或无功功率) 的比重； 幂函数模型参数则反映了综合负荷的电压和频率调节效应或调节能力，而且式 ( 2 8 ) 之定义也为特征系数的测量提供了理论依据。 2 2 负荷动态模型集结 动态负荷描述当前有功及无功功率与当前和历史电压幅值和频率之间的关 系。动态负荷模型是有记忆的，某时刻响应除了与同一时刻的激励有关，而与历 史激励和响应也有关系。动态负荷模型用差分方程和微分方程来表示。其最大优 点是具有明确的物理意义，易于被人们理解。其不足是对于某些用电设备或用电 9 ) ) ， o 仇也臻n p q 见见卜 印白 统计综合法电力系统负茼建模、r 台的开发 场合，难以获得简明的模型参数。 电力系统中的用电设备成千上万，我们不可能掌握每一台设备的动态模型， 通常实测负荷特性实在低压侧而实际计算在1 1 0 k v 或2 2 0 k v 以上的网络，要将低 压侧典型的负荷特性归并为综合模型，必须采用一定的归并综合方法。文献 5 2 】 对电力系统动态负荷模型的集结进行了有力探讨和总结，提出了用于三种情况下 的基于参数辨识的模型集结方法。 2 2 1 负荷模型集结方法 负荷模型集结就是把同一母线上的多个负荷模型等效为一个整体负荷模型， 同时还可以计及线路( 或变压器) 阻抗对负荷模型的影响。在应用统计综合法对 变电站综合负荷进行建模时，假定已经得到了低压母线上个主要用电行业的负荷 模型，通过负荷构成统计得到负荷组成比重后，便可利用负荷模型集结方法，将 低压侧的负荷模型归算到高压侧，流程图如图2 1 所示。 负荷构成统计 行业负荷模型 总体负荷模型 图2 1 负荷模型集结流程图 2 2 1 1 同一母线上负荷模型集结方法 如图2 2 所示，母线上共有n 条出线或负荷，假定它们的负荷模型已经得到， 总的输电系统的无功损耗和补偿量可用一并联电容表示，并把它当作第n + 1 种负 荷。 叫s = 尸+ q 图2 2 同一母线上的负荷 2 2 1 2 考虑线路( 或变压器) 阻抗的负荷模型集结方法 假定已知受端( 用下标，表示)负荷模型，欲求送端( 用下标s 表示)负 荷模型，如lo k v 向2 2 0 k v 侧集结，如图2 3 所示。线路( 或变压器)阻抗的负 l o 硕1 j 学位论文 荷模型集结的计算步骤如下： ( 1 ) 给定受端电压及频率的变化曲线，即( k ) 及f ( k ) ( k = l ，2 ，) ； ( 2 ) 由受端负荷模型及线路( 或变压器) 阻抗求出送端的有功功率e s ( k ) 、 无功功率q ( 后) 和电压玑( 七) ； ( 3 ) 选定模型结构，以玑( i ) 和f ( k ) ( k = l ，2 ，) 作为输入量，以只( 七) 和q ( 七) ( k = 1 ，2 ，) 作为输出量，利用参数估计程序得到模型中的未知 参数。 对于经过三绕组变压器的集结，可按以下步骤进行： ( 1 ) 二次侧和三次侧的负荷分别按同一母线的负荷模型集结方法集结为一个 总体负荷； ( 2 ) 二次侧和三次侧分别按考虑阻抗的集结方法向一次侧集结； ( 3 ) 将二次侧、三次侧向上集结后的模型按同一母线上的两个负荷进行集结； ( 4 ) 将第( c ) 步集结的模型按考虑阻抗影响的集结方法向高压侧集结。 图2 3 考虑线路阻抗的负荷 2 2 1 3 考虑各类负荷百分比的集结方法 假定i 司一条母线上有刀类负荷，每类负荷的负荷模型和参数己由典型模型数 据库或以往实测数据获得，并且己知当前各自所占总负荷的百分比k p ! ，k q ， ( f = 1 ，2 ，2 ，k p i = 1 ，岛，= 1 ) ，我们可以通过以下步骤进行集结。 ( 1 ) 由母7 袭电压u ( i 后= 1 ) 、频率厂( 尼) 及负荷模型求出各类负荷的有功功率 只( 七) 、无功功率q ( 后) ( f = l ，2 ，n ；k = l ，2 ，) ； ( 2 ) 由各类负荷所占的百分比进行负荷集结，计算母线负荷的总功率p ( 七) 和 q ( 七) 。 尸( 尼) = t o k p 。p ( 忌) 只。 ( 2 1 4 ) t = l q ( 尼) = q o 吒，q ( 后) q 。 ( k = l ，2 ，) t = l 式中r ，9 f 。为p ( 尼) ，q ( 尼) 的额定值；e o ，q o 为总负荷的额定值。 ( 3 ) 选定模型结构，以u ( k ) 和f ( k ) 作为输入量，以e ( k ) 和q ( k ) 作为输出量 ( k = 1 ，2 ，) ，利用参数估计程序得到模型中的未知参数。 统计综合法l l 三力系统负荷建模、r 台的开发 2 2 2 同一母线上电动机的综合 不管是在低压母线还是在高压母线上，都需要对同一母线上的电动机进行综 合，下面将简单介绍将聊个异步电动机综合成一台等值的电动机的方法【4 1 。“等值” 是指等值电动机的外部特征与m 台并联电动机的总体外部特征相同或者相似。每 台电动机的等值电路采用r 型等值电路，如图2 4 ( a ) 所示。现在要将m 个并联 电路等值化简为一个等值电路，如图2 4 ( b ) 所示。 x h a ) 化简前等值电路 2 2 2 1 等值惯性常数 心 s | 如 s h b ) 化简后等值电路 图2 4 电动机t 型的等值电路的简化图 假定等值电动机在同步转速下的动能等于各电动机动能的和。 定义知，z 是同步转速下动能的两倍除以其容量，因此得 圭= 善m 扣1 式中瓦第i 台异步电动机的惯性时间常数； 等值电动机的惯性时间常数； 第i 台异步电动机的额定容量； 等值异步电动机的容量； 因为= s n , ，p ，= s n j = s m 从而得 = p z , s u 按惯性常数的 ( 2 15 ) ( 2 16 ) 2 2 。2 。2 等值电气参数 由图2 4 ( b ) 可见，等值励磁电抗e 盯就是m 个电动机励磁电抗的并联。图 中各阻抗( 互) 均为总容量下的标幺值( z j ) 2 _ f 自j 有如下关系： 1 2 硕l 学位论文 z i = 刁( ) = 彳p ，或1 iz , = p ，刁( 2 17 ) 综上所述可得 1 = n i x ， ( 2 18 ) 同理可得 1 ( r - m s u + j x m 、) = p ii 峨s t + j x i ( 2 19 、 式中t 、分别为第i 台电动机及等值电动机的滑差； 心、分别为第i 台电动机及等值电动机的转子电阻； 以、分别为第i 台电动机及等值电动机的定转子漏抗之和； 从而得 r r m = a ( a 2 + 6 2 ) ，= b ( a 2 + 6 2 ) ( 2 2 0 ) 其中口= 善器小一v p , x 再t , 2 2 2 3 等值滑差 设各电动机运行在恒定滑差s i ，令 口2 善蘸2 喜蘸 21 ) 由式( 2 18 ) 可得 r r u ：去 ( 2 2 2 ) 口2 + 6 2 将式( 2 2 0 ) 代人上式得 ：罢李娶 ( 2 2 3 ) 2 了丽 。 2 2 2 4 加权求和法 由式( 2 1 6 ) 一( 2 1 8 ) 可见，等值惯性常数及等值导纳为各电动机惯性常数 及导纳的加权和，权系数为各电动机容量在总容量中所占的比重n 。为了简化分 析计算，这种乘权系数后相加的做法有时被推广到等值滑差、等值机械转矩系数 等参数的计算。当电动机采用如图2 5 ( a ) 所示的丁型等值电路时，也可采用加 权求和法近似地获得等值电气参数。此时近似地认为各电动机等值电路中的内节 点k 相并联，如图2 5 ( b ) 所示。 因此得： 统计综合法电力系统负荷建模甲台的开发 瓦1 = 艺i = 1n 去 式中z f 第i 台电动机的电气支路阻抗； z 0 等值电动机电气支路阻抗。对定子支路z = r + ， z = ，对转子支路为z = b + 。 a ) 化简前等值电路 x i m ( 2 2 4 ) 对励磁支路有 b ) 化简后等值电路 图2 5 电动机t 型等值电路的简化图 2 3 统计综合法负荷建模过程 s m 统计综合法负荷建模的基本思想是将综合负荷看成个别用户的集合，每一用 户则是各类元件的集合，将其元件分类并确定各种类型元件的平均特性，然后根 据各类电器的比重，得出综合负荷模型【53 1 。 统计综合法负荷建模一般来说需要三种数据：( 1 ) 单个用电设备的平均特性； ( 2 ) 各类负荷中用电设备的组成和比例；( 3 ) 总负荷中负荷的分类和组成比例。 本文应用此典型统计综合法负荷建模理论，根据某省级电网实际调查情况，通过 研究和分析，对该省级电网变电站进行了综合负荷建模。基本思路是，将综合负 荷按行业特性分类，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，最后回归到变电站母线的综合负荷模型。建模过程如图2 6 所示。 图2 6 所示的负荷建模过程中所设计的理论和方法，如下所述： 2 3 1 行业的合理分类 对全网用户进行科学合理的行业分类，分类以国家有关用电行业分类标准为 指导，