（电力系统及其自动化专业论文）现代城市电力负荷的特性研究与测试.pdf

t h es t u d ya n dc h e c k o u t0 ft h el o a d b e a r l n gc h a i r a c t e r i s t l c0 ft h em o d e r nc i t y a b s t r a c t t h et h e s i ss t u d i e st h ee l e c t r i ci o a db e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec i t ya n d i o a dm o d e lw h i c ha p p l i e st ot h ea n a l y s i so ft h ev o l t a g es t a b i l i t y i ti n t r o d u c e s t h ep h e n o m e n o na n dm e c h a n i s mo ft h ev o l t a g es t a b i l i t y ，a n dt h el o a dm o d e l i n g i nt h ef i e l do fv o l t a g es t a b i l i t y i tp o i n t so u tt h a tt h el o a dm o d e li nt h el o w v o l t a g ei sv e r yi m p o r t a n tf o ru st oa n a l y s et h ep r o b l e mo ft h ev o l t a g es t a b i l i t y i ts u m m a r i z e st h e p r e s e n ts t a t u s o ft h e s t u d yo fm o d e ml o a db e a r i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dg i v e st h ew a yt oa n a l y s et h ev o l t a g ec o l l a p s eb yt h ee l e c t r i c c i r c u i t b yt h ei n v e s t i g a t i o no ft h el o a dc o m p o s i t i o n so ft h ec i t y i ta n a l y s et h e l o a db e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h el o a dc o m p o s i t i o n sw h i c hh a r mt h ev o l t a g e s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m b yt h em o d e la n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no ft h e d a t a sf r o mt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，m o d e lo ft h es t a t i ev o l t a g ea n dt h e r e a c t i v ep o w e ri so b t a i n e d i ta l s os u g g e s t st h ew a yt oa c h i e v et h ec u r v eo ft h e i o a db e a r i n gc h a r a c t e r i s t i ci nt h el o wv o l t a g e k e y w o r d s ：l o a db e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c ；l o a dm o d e l i n g ；v o l t a g ec o l l a p s e ； v o l t a g es t a b i l i t y 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：围茎生 日期：迦笸经曼旦! 乡 翩签名：圆 日 期：丝绛曼鳗! 乡 现代城市电力负荷的特性研究与测试 第1 章绪论 1 1 电压稳定性问题概述 众所周知，电能在世界经济，人类生活中起到了极其重要的作用。现代电 力系统是由电能生产、传输、使用的各个系统和用于采集、加工、传输、使用 信息的信息系统组成的一个复杂的非线性动力系统，电力系统的安全、稳定运 行是保证电能正常使用的基本要求。电力系统稳定性问题可以分为角度稳定、 电压稳定、频率稳定三个方面。与角度稳定、频率稳定相比不仅电压稳定问题 的理论体系尚未建立，甚至对其产生的机理尚有不同观点。2 0 世纪7 0 年代以来 世界上一些大电网连续发生以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积长 时间停电，造成巨大的经济损失和生活紊乱，引起了电力工作者广泛的关注， 推动了电压稳定问题的研究。 1 1 1 电压稳定问题研究的发展 自2 0 世纪4 0 年代马尔柯维奇提出第一个电压稳定判据到7 0 年代末期，电 压稳定问题没有多大进展。1 9 7 8 年法国电网电压崩溃事故引起了电力界对电压 稳定问题的关注，进行了大量的研究工作，7 0 年代末至8 0 年代中，研究的重点 集中在静态的机理分析和基于潮流方程的极限运行状态的求取。8 0 年代中期至 今，电压崩溃现象的物理本质探讨，动态机理分析和建模等方面的研究非常活 跃，出现了众多的研究成果。到目前为止，普遍认为无功功率的平衡，发电机 的无功出力限制，o l t c 的动态和负荷的动态特性与电压崩溃关系密切。但因电 压稳定问题的复杂性，在机理研究的深入、分析方法的完善以及对付电压崩溃 的措施方面还有很多需要研究的问题。 1 1 2 电压失稳现象及机理探讨 1 1 2 1 几个电压稳定性定义 电力系统在给定的稳态运行点遭受任意小的扰动后，如果负荷节点的电压 与扰动前的电压值相同或者相近，则称系统在给定运行点为小干扰电压稳定。 现代城市电力负荷的特性研究与测试 电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后，如果负荷节点的电压能 够达到扰动后平衡点的电压值，则称系统电压稳定。此时，系统扰动后的状态 位于系统扰动后稳定平衡点的吸引域之内。 电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后，如果故障后平衡点超出 系统运行限制范围，系统将发生电压崩溃。电压崩溃可能是全局性的停电也可 能是局部范围的。 电压失稳即失去电压稳定，其后果是电压持续下降或上升，导致系统不稳 定的控制元件达到极限或者采取其他控制( 如断开负荷) 都有助于电力系统重 新建立稳定运行点。 1 1 2 2 电压失稳现象可按三种时间框架进行描述删。 ( 1 ) 暂态电压稳定。 暂态电压稳定的时域范围小于i o s 。如果负荷节点的电压跌落严重，感应电 动机吸收的无功功率会上升，除非保护装置或交流接触器把感应电动机跳掉， 否则将可能导致电压崩溃。因为如果某些感应电动机不能加速，则这些电动机 将趋于堵转，并导致相邻的其他电动机也发生堵转。仿真研究表明，描述感应 电动机的动态特性是十分重要的。 在电气孤岛和低频减载特性的研究中，发现当电气孤岛的功率不平衡大于 5 0 时可能发生电压崩溃。因为此时电压的衰减比频率的衰减快，电压的衰减作 用于对电压灵敏的负荷，减缓频率衰减，从而延迟低频减载装置的动作，特别 是，低频保护还可能因电压过低而不能正常工作。 近年来，高压直流( h v l ) c ) 联线接入弱系统也会引起暂态电压稳定问题。 ( 2 ) 长期电压稳定 长期电压稳定历时范围为数分钟。当电力系统处于高负荷水平，且从远方 电源送入大量功率时，如果突然出现大扰动( 如负荷区域失去大容量发电机或 系统失去主要输电线路) ，会引起无功损耗的增加及负荷区域电压下降。这时， 输电线路上的l t c 和配电网中的电压调节装置会相继动作，恢复配电网电压水 平，从而恢复了负荷功率。随着负荷功率的恢复会进一步加剧输电线路电压的 下降，附近的发电机处于过励磁与过载状态，使得远方发电机必须提供所需的 无功功率，致使发电和输电系统不能够再支撑负荷需求和系统无功损耗，随即 系统电压迅速下降，发生局部或全局性的电压崩溃。 2 现代城市电力负荷的特性研究与测试 f3 ) 长期电压失稳 这类长期电压失稳过程经历的时间更长，由负荷大量增加或传输功率大量 增长导致。另外的重要因素有：输电线路过载限制，以及负荷因低电压而失去 不同时性。 1 1 2 3 电压失稳机理分析 电压稳定已破称为负荷稳定。这罩讲的“负荷”是指从输电线路高压母线向 负荷侧看见去的整体，包括次输电线路和配电系统的影响。 当负荷节点电压下降时，负荷的功率恢复特性使该节点吸收的无功功率反 而增加，无功功率在电网中远距离传输导致该节点电压进一步下降，形成恶性 循环；负荷节点电压下降及负荷功率恢复的同时，o l t c 原方电压下降，电流上 升，导致发电机无功功率越限，发电机无功功率越限的连锁反应使负荷电压急 剧下降，导致电压失稳的发生。 功率恢复特性是指这样一种物理现象：当因某种扰动使电压突然下降时， 负荷从电网吸收的功率首先随着电压的下降而突然减少，随后将逐渐上升，直 至恢复至电压下降前的负荷功率或低于电压下降前的某一稳定的功率。主要表 现在以下三个方面： ，2 感应电动机类负荷，其从电网吸收的无功功率为q = + ，2 ( z l + x 2 ) m 式中各项皆为标么值，其中第一项为励磁无功功率损耗，其数值随电压的升高 急剧增加，第二项为定子和转子绕组漏抗上的无功功率损耗，电压升高时由于 转差s 减小使电流下降而使其有所降低。在额定工作点附近吸收的无功功率是 随端电压的降低而明显下降，这是因为励磁电抗的无功功率消耗占主要部分， 但电压下降到一定程度，电压的下降不再使吸收的无功功率下降，反而使其有 所增加，这是因为此时漏电抗上无功功率消耗占了主要部分，而磁路已经不饱 和，励磁电抗上无功功率损耗的降低已没有以前显著。恢复过程通常以秒计。 空问加热器类恒温负荷，因电导不能突变，其吸收功率随电压的突然降 低而减少，但要保持加热空间温度恒定，其电导必然增大，使吸收的功率最终 恢复。还有具有自动调节功能的负荷，例如稳压电源。恢复时间较第种情况 长。 具有控制功能的负荷，例如网络受端o l t c 的作用，当受端低压侧电压下 3 现代城市电力负荷的特性研究与测试 降后，o l t c 调节变比恢复电压，从而使负荷在较低的电压下吸收功率得以恢复， 恢复过程通常以分钟计。 1 1 3 电压稳定性分析方法 主要有如下几类分析方法：基于潮流方程的静态分析方法，动态分析方法， 非线性动力学方法等。 1 1 3 1 静态分析方法 基于潮流方程的静态分析方法经历了较长时间的研究，本质上都是把电力 网络的潮流极限作为静态稳定极限点，不同之处在于采用不同方法求取临界点 以及抓住极限运行状态的不同特征作为电压崩溃点的判据。目前主要分为最大 功率法、灵敏度分析法、雅可比矩阵奇异方法等。 把电力网络输送功率的极限作为静态电压稳定临界点是最大功率法的基本 原则。常用的最大功率判据有：任意负荷节点的有功功率判据、无功功率判据 以及所有负荷节点的复功率之和最大判据。 灵敏度分析方法利用系统中某些量的变化关系来分析稳定问题，通过潮流 隆阶雅可比矩阵j r 的性质来判断是否满足稳定条件，这类方法往往从简单系统 出发直接推广到复杂系统。在简单系统中，各类灵敏度判据是相互等价的，且 能准确反映系统输送功率的极限能力，但是在推广到复杂系统后，则彼此不再 保持一致，也不一定能准确反映系统的极限输送能力。 v a v e n i k o v 首先发现系统运行到达负荷极限时，潮流雅可比矩阵奇异，并 首先提出把潮流雅可比矩阵的奇异度作为电压稳定性指标。在随后的研究中潮 流雅可比矩阵的最小奇异值被作为衡量电压稳定程度的安全指标。 1 1 3 2 动态分析方法 动态电压稳定分析方法主要有小干扰分析方法和大干扰分析方法。 小干扰分析方法把描述电力系统动态行为的非线性微分一差分一代数方程 组在平衡点附近作线性化，通过状态方程的特征矩阵的特征值来判断运行点的 稳定性。但由于电力系统中影响其动态行为的元件很多，响应速度不同的元件 对电压稳定的影响不尽相同，难以用运行点处的特征矩阵来完整地描述，所以 至今电压稳定小干扰分析研究尚不充分。 4 现代城市电力负荷的特性研究与测试 大干扰分析方法针对电力系统遭受线路故障和其他类型的大冲击或在小干 扰稳定裕度的边缘负荷增加的情况，这时电力系统动态行为的描述必须保留其 非线性特征，才能真正提示电压稳定性问题。 1 1 3 3 非线性动力学方法 由于电力系统是一个非线性动力学系统，临界点附近系统状态无法确切知 道，在能够分析并控制非线性作用的新方法中，分岔理论研究得比较多。 线性微分方程组只有一个定常状态，而对各种各样的非线性微分方程组模 型，它可能具有的形态是多样的：一个或多个，即定常状态、周期状态、拟周 期状态和混沌状态，当控制参数变化时，形态也会发生变化，这就是分岔。要 令形态发生转化，就必须是原有的形态发生不稳定或消失。以连续动力系统而 言，就要求非线性微分方程组雅可比矩阵的特征值实部为0 。 1 2 负荷建模的意义 随着计算机技术和通信技术的发展，数字仿真技术在电力系统分析中的应 用日趋广泛和成熟，成为电力系统规划、设计、运行和研究工作不可缺的工具， 它的准确度、可信度直接影响到电力系统的安全稳定运行。 基于理想化模型、“保守模型和参数”、“典型参数”的仿真结果在精确度和 可信度上大打折扣。基于保守的仿真结果做出的决策，电网公司将为此付出巨 大的经济代价：加强系统结构和反事故措施所需大量资金以及设备不能充分利 用造成的资金浪费；基于乐观的仿真结果做出的决策，将会给电网带来潜在的 不安全性：仿真结果稳定，而系统实际振荡。1 9 9 6 年8 月l o 日北美系统( w s c c ) 出现的振荡解列后的大停电事故重现的研究表明，当采用了错误的模型和参数 时，仿真结果是完全不能接受的过分乐观“。 为了提高仿真结果的精确度和可信度，必须使每一个元件的模型和参数尽 量符合实际。在过去的几十年间，发电机及输电网络的数学模型已发展得比较 成熟，电力负荷模型由于负荷的大量性、分散性、随机性和时变性，发展较慢， 成为电力界最困难的研究领域之一。而负荷模型对仿真结果的影响是非常大的， 在临界状态政甚至会得出截然相反的结论。负荷模型主要对潮流计算、小扰动 稳定计算、暂态稳定计算、电压稳定计算的结果有影响从而对仿真结果造成影 现代城市电力负荷的特性研究与测试 响。 从电网安全稳定运行，电网企业降低成本，提高效效率方面出发，迫切要 求建立精确、适用、切合实际的负荷模型。 1 3 负荷建模研究的发展及现状 1 3 1 负荷建模研究的发展、趋势 电力系统负荷模型的重要性早在1 9 世纪3 0 - 4 0 年代已被工程界所认识，随 着统计综合负荷建模方法的提出，负荷建模取得了重大的突破。美国电力研究 院( e p r i ) 资助了多个负荷建模研究项目，最终得出了综合负荷特性的计算机 分析程序( l o a d s y n ) ，l o a d s y n 程序要求用户对各个母线、地区或区域指定每种 类型负荷( 居民负荷、商业负荷或工业负荷) 的百分比，然后由程序决定负荷 组成，并根据负荷组成计算出负荷特性。e p r i 的这项工作促进了负荷建模的研 究，1 9 8 2 年西欧国际大电网会议( g i g r e ) 成立了有关负荷建模的工作组，1 9 8 4 年第八届电力系统计算会议( p s c c ) 将负荷建模列为重要的研究课题之一，一些 研究成果已应用于实际工作中。 1 9 世纪8 0 年代前后，随着计算杌数据采集与处理技术及系统辨识理论的发 展，产生了总体测辨法。总体测辨法的基本思路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。总体测辨法有两种数据来源，一种 是人为干扰下采集数据和另一种是自然干扰下采集数据。这种方法避免了大量 的统计工作，随着测量技术和辨识理论的快速发展，已基本趋于成熟，研究工 作十分活跃。 国外及国内相继开发了电力负荷特性记录装置，记录了大量实测数据，围 绕实测数据展开了大量的总体测辨法的建模研究，研究成果频繁推出。2 0 世纪 7 0 年代，我国开始了负荷特性的现场实测工作，9 0 年代以来，华北电力大学、 清华大学、河海大学在动态负荷特性方面进行了不少现场试验，推出了系列学 术成果文献 i o 1 2 1 8 3 2 2 3 2 3 等。 目前，我国部分电网对计算过程中负荷模型的影响有所重视，负荷模型测 试工作持续开展：华北电网早在1 9 9 6 年- 1 9 9 8 年利用w f t i i 型负荷特性记录装 置对河北沧州于庄变电站的i i o k v 母线负荷进行了观测，记录了大量的负荷扰 6 现代城市电力负荷的特性研究与测试 动数据，2 0 0 1 年7 月开始对张家口地区负荷模型参数辨识进行立项研究，在候 家庙变电站、东山坡变电站和沙岭电厂三个地点安装了负荷特性记录仪进行长 期实测，2 0 0 5 年7 月开始在北京地区安装了6 套负荷特性记录仪，对不同行业 的负荷特性进行实测，准备通过两年左右的时间提出有代表性的大都市负荷模 型；西北电网已对西北网负荷模型实测进行立项；2 0 0 0 年以来，河南省网与河 海大学在负荷测试方面进行合作，2 0 0 2 年在大召营、古固寨、计山、柳林、商 丘、峡窝、驻马店8 个变电所l i o k v 侧安装“负荷特性在线测辨装置”；湖南省 网对各供电局所属地区的负荷按行业进行统计分析，对不同用户的电动机参数 进行收集、整理，然后最终确定计算负荷模型中电动机比例及有关参数。 在现代电力系统中，必须立足各地区系统和负荷实际情况，开展负荷模型 实测工作，旨在建立最接近实际的负荷模型，为电力系统规划、运行提供可靠 的依据。 1 3 2 常用负荷模型及评述 ( 1 ) 指数负荷模型一将功率与电压关系用指数形式方程表示。其一般形式如 下： p = p o q = q 0 ( 静 ( 1 1 ) 当电压在额定值附件变化时才可较合理地描述负荷的静态特性。 ( 2 ) 多项式负荷模型一将功率与电压幅值关系表达为多项式方程形式。一般 形式如下：p = 蜀k ，( v u o ) 2 + b ，( u u o ) + c pj q = q o a a ( u u o ) 2 + ( 叫) + 巳】 ( 1 2 ) 该模犁难以描述电压大范围变化，尤其是低电压运行时的负荷静态形为，当 v = 0 时其功率不为0 ，这显然不合理。 我国电力系统多数仍采用理想化的多项式负荷模型，柬进行电力系统电压 稳定性分析，其不足在于不能精确反映真实的负荷特性。 ( 3 ) 描述功率恢复特性的动态导纳模型坼1 模型形式如下：( a a a r ) = p ( 圪) 一吆g ( v 。v l 。) “ ( 1 3 ) 7 现代城市电力负荷的特性研究与测试 式中p ( ”为负荷在静态条件下所要求从电网吸收的功率，u 分别为负荷 受扰动后的运行电压及其扰动前的初始电压，g 为负荷动态电导，与运行电压有 关，t 6 为负荷的时间常数，( v v 。) ”反映负荷静态特性的因子，该式物理意义为： 当扰动使负荷电压从而负荷功率变化时，负荷将自动调整其导纳，以使其恢复 至由其电压特性所决定的静态功率。其主要不足是不能描述负荷的低电压失稳 特性。 ( 4 ) 具有功率恢复性特性的非线性通用动态负荷模型 模型形式如下：r , ( a e , d r ) + b = 只( 矿) + k e ( v ) a v a r 瓦( d 仍刀) + 蜴= q ( 矿) + 物( 功a v d r ( 1 4 ) 式中p 。( v ) 、q ；( v ) 为静态负荷特性，瞄( v ) 、i ( 4 ( v ) 是关于电压的非线性函数， 由实验或现场实测数据决定，p d ，q d 为动态负荷功率，t p l 是综合负荷的时间常 数。该模型可以描述负荷的功率恢复特性，但它不能描述综合负荷的低压失稳 特性，该模型是从对实验所得的负荷响应进行数值拟合的角度构造的，缺乏清 晰的物理意义。 ( 5 ) 以母线电压为状态变量描述的动态负荷模型 该模型以负荷母线的电压相量为状态变量来描述动态负荷 3 5 ，模型形式 如下： 易= 只( 矿) + k i ( d o a d + k 2 ( a v d r ) q d = q ，( 矿) + k ，( d o d r ) + k ( d 叫d t ) ( 1 5 ) 式中p 。( v ) 、q 。( v ) 是负荷静态特性，p d q d 是动态负荷功率，k ，一k 为比例 系数。其不足之处在于没有明确的物理意义，不能描述失稳特性。 ( 6 ) 综合导纳负荷模型 2 2 1 综合负荷静态等值电导的电压特性： g l ( 矿) = k , o 矿1 ，v v g 2 ( 矿) = g o ，v v o d g 触 o gf v 2 gf 一功率缺额i 最 终使功率缺额为0 ；反之亦然。因此受扰动后的负荷功率总能够恢复到其受扰动 前的功率值。这就是负荷的功率恢复特性，对应于综合负荷运行在速率函数的 稳定支，是综合负荷的稳定运行模式。 当丘弛 o d m 0 一gi v 2 g 一功率缺额f g l 最后导致负荷失稳，这就是负荷的失稳特性，对应于负荷运行在速率函数的 失稳支，是负荷的失稳模式。 1 3 3 电压稳定性分析中的负荷建模 1 3 3 1 电压稳定与负荷特性的的关系 如上述电压失稳机理中所描述，随着电压下降负荷从系统吸收的无功功率 反而增加，这样的负荷特性是电压稳定性分析中的关键因素。建立能反应低电 压情况下负荷特性的负荷模型对电压稳定性分析具有重要意义。 1 3 3 2 电压稳定负荷建模研究现状 目前，在电压稳定性研究中被采用的负荷模型主要有以下3 类。 ( 1 ) 无功功率平衡模型 在电力系统中，静态电压水平的高低主要由无功功率供需平衡条件所决定， 无功功率平衡模型便是基于建立起负荷节点的某些变量与无功功率不平衡的关 系的思想。 ( 2 ) 功率恢复模型 l o 现代城市电力负荷的特性研究与测试 负荷的功率恢复特性是由负荷的有功功率平衡和o l 。t c 的电压调节作用决定 的。上述具有功率恢复性特性的非线性通用动态负荷模型( 式( 1 4 ) ) 反应了有 功功率和无功功率的的恢复特性。 ( 3 ) 机理式模型 机理式模型就是从物理特性出发建立的系统模型。当有功功率平衡被破坏 后，负荷自动调整其导纳，如异步电动机、温控设备和带电力电子调节装置的 设备等。反映导纳变化与功率平衡关系的模型是机理式模型的主要部分。例如 上述描述功率恢复特性的动态导纳模型( 式( 1 3 ) ) 。 这类机理式负荷模型的最大优点是有利于对电压稳定问题的定性理解。该 类模型应用于动态过程容易形成明确的判据。 1 4 本文的研究方法和主要研究内容 1 4 1 研究方法 对负荷特性进行理论分析，并从电压崩溃的电路分析中得出负荷特性对电 压崩溃有实质性影响的结论。通过对城市行业负荷成分进行分析和调查，得出 城市主要负荷组成成分，并对主要成分进行负荷特性分析。对一城市供电变电 站实测数据进行模式识别及参数辨识。 1 4 2 主要研究内容 1 对电压稳定性问题的发展、现象和机理进行了概述，总结了负荷建模的 基本知识和目前国内外负荷建模动态，阐述了电压稳定性分析中的负荷建模。 2 阐述了负荷特性的分析方法，以及国内外负荷特性的研究现状。提出电 压崩溃的电路分析方法，指出在有功负荷给定的情况下，无功功率只有在允许 的范围内才能使电路的传输特性与负荷功率特性相容。 3 通过对城市行业负荷成分进行分析和调查，对主要负荷成分进行负荷特 性分析，指出城市综合负荷具有以下的特性：当电压降低到定程度时，负荷 吸收的无功功率会增加。这样的负荷特性是电压失稳的关键因素。 4 利用城市电力负荷实测数据进行负荷特性分析，由于现用测试装置只收 集到系统正常运行时( 较小电压变化范围内) 的数据，对其进行静态负荷模型 ( z i p 负荷模型) 的参数辨识，得出无功功率静态电压特性多项式负荷模型( 同 现代城市电力负荷的特性研究与测试 理也可得出有功功率静态电压特性多项式负荷模型，本文从略) 。如何得出城市 电力负荷低电压的负荷模型，反映出城市电力负荷在电压降低到一定程度时， 负荷吸收的无功功率会增加的特性，为电压稳定性分析提供适用的负荷模型， 本文提出对无功功率静态电压特性曲线进行低电压段曲线延拓的方法。 1 2 现代城市电力负荷的特性研究与测试 第2 章现代负荷特性的研究现状 2 1 现代负荷特性分析方法 2 1 1 统计综合法 将所研究区域的电力负荷按行业特性分类，对所划分的每一类行业用户， 选取有代表性的用户进行调查，确定其用电设备构成状况及各类电器的容量比 例，根据每种用电设备的平均特性( 由实验或典型特性而来) 确定每一行业用 户的综合特性。对于某一变电站或母线的综合负荷特性，则可根据其行业组成 及其容量比例来进行确定。 2 1 2 总体测辨法 总体测辨法的基本思路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。总体测辨法有两种数据来源，一种是人为干扰下采集数据 和另一种是自然干扰下采集数据。这种方法避免了大量的统计工作，随着测量 技术和辨识理论的快速发展，已基本趋于成熟，研究工作十分活跃。 2 2 现代负荷特性研究 2 2 1 变压器 大功率供电变压器通常装有带负荷调节分接头，或在变压器的二次侧串有 电压调节器。变压器阻抗是影响电压稳定性的重要因素。大功率供电变压器的 阻抗值大约为自身基准的8 一11 ，配电变压器的阻抗值为2 一4 。其阻抗值在 整个配电系统阻抗中占很大的比例。 许多配电变压器运行在一定程度的饱和状态下( 约为额定电压下励磁电流 的几个百分点) 。当电压降低时变压器的励磁电流减小，所以配电变压器具有较 高的无功电压灵敏度( 当电压降低1 时，无功功率相应减少3 - 6 ) 。 现代城市电力负荷的特性研究与测试 2 2 2 馈线特性 美国电力研究院( e p r i ) 调查了4 0 个电力公司的负荷组成与配电馈线特性， 其中包括馈线的长度与阻抗。基于德克萨斯州3 个电力公司所得的数据，研究 人员开发了向居民区供电的典型架空馈线模型。( 图2 1 ) 06 4 k “ f f ，h 三相分 支线路 2 s c r 1 1 l 嘶 1 1 l _ i 1 h l ；f 肥7 9 。5f 4 7 7 m c h 4 1 0 a w 6 4 o a t g l 变电站 1 0 哺y 图21 典型的居民区架空馈线 根据架空馈线模型，可以通过灵敏度计算来分析没有调节器时静态负荷模 型的功率与电压关系，结果表明分支线阻抗变化的影响不大。对于冬季负荷组 成情况，干线阻抗变化的影响也不大；而在美国南部地区，居民区夏季负荷组 成的7 7 为空调和制冷负荷( 压缩机负荷) ，计算结果是负荷功率特别是无功功 率对干线阻抗的变化非常灵敏。图( 2 2 ) 表明相应的结果。电压下降而无功功 率增加，这是驱动压缩机负荷的电动机的特点。 其他灵敏度分析情况表明，沿馈线线性增加的负荷比图中表示的负荷均匀 分布情况更严重。 1 4 现代城市电力负荷的特性研究与测试 电压b u ) 田2 2 馈线阻抗对变电站无功电压特性的影响 2 2 3 国外负荷成分的静态和动态特性 负荷的对持续数分钟的电压变化的响应将影响电力系统的电压稳定性。用 电设备的静态、动态模型系数必须通过基于系统实测或实验室模拟实验数据经 辨识建模获得，美国电力研究院( e p r i ) 在二十世纪八十年代研究出了综合负 荷特性的计算机分析程序，并总结出了多种负荷成分的模型参数。对应于指数 负荷模型的参数如表( 2 1 ) ， 指数负荷模型如下：尸= 昂 号 “ 丢 可 嗍肼玎 翌垡塑里皇垄鱼煎塑壁堡婴塞兰型堕 表2 1 不同负荷成分的静态特性参数 静态特性参数 负荷名称 p fp y p f q vq f n mp f n mp v l l mp r i m a q v n mq f m 电阻加热器1 02 00 00 0o 0 0 0 热泵加热器0 8 40 20 92 5 - 1 30 91 0 2 00 00 00 0 热泵中央空调0 8 10 20 92 5 2 7 l - 0 中央空调0 8 1o 20 92 22 71 0 室用空调0 7 5o 50 62 5 - 2 8l - 0 热水器1 02 00 00 00 00 0 电烤箱 1 0 2 00 00 00 00 0 电冰箱0 8 4 0 80 52 5一1 4 0 81 02 00 00 00 0 洗碗机0 9 91 80 03 5 - 2 50 31 02 00 00 00 0 洗衣机0 6 50 0 8 2 9 1 61 81 0 白炽灯1 01 5 40 0 0 00 0 衣服烘干机0 9 9 2 00 03 3 - 2 6 0 21 01 o0 00 00 0 彩色电视机0 7 72 00 05 2 4 6 0 0 炼炉鼓风机0 7 30 12 91 6 1 81 0 商业热泵0 8 4o 11 02 5 - 1 30 91 0 2 00 00 00 0 热泵式商业空调0 8 1o 11 02 51 31 0 商业中央空调0 7 50 11 02 5 1 31 0 商业室用空调0 7 50 50 62 5 - 2 81 0 荧光灯o 9 01 01 03 0 - 2 80 0 泵、风扇等电动机0 8 70 0 82 91 61 81 0 电解负荷 0 9 01 8 0 32 20 60 0 电弧炉0 7 22 3 一1 04 6 1 00 0 小型工业电动机0 8 3 0 12 9 0 6 1 81 0 大型工业电动机o 8 90 0 51 90 5l21 0 农用水泵0 8 3 o 1 2 90 6 - 1 81 ，0 发电厂辅机0 8 00 0 82 91 6 1 8l0 表中p f 为负荷的功率因数，n m 表示负荷中电动机所占的比例，p f n m 非电 动机部分的功率因数，其他为静态电压和频率特性的指数和非电动机部分的静 态电压和频率特性的指数。 1 6 表2 2 不同负荷成分的动态特性参数 负荷名称 动态特性参数 r sx sr m r rx rabhl f m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ 一一 电阻加热器 热泵加热器0 0 3 3 0 0 7 6 2 4 0 00 0 4 80 0 6 2 0 2 0 00 ，0 0 00 2 8 00 6 0 0 熟泵中央空调0 0 3 3 0 0 7 62 4 0 0 0 0 4 80 0 6 20 2 0 00 0 0 00 2 8 0 0 6 0 0 中央空调0 0 3 3 0 0 7 62 4 0 000 4 8 0 0 6 20 2 0 00 0 0 00 2 8 0 0 6 0 0 室用空调0 1 0 0 0 1 0 01 ，8 0 00 0 9 0 0 0 6 00 2 0 00 0 0 0 0 2 8 00 6 0 0 热水器 电烤箱 电冰箱0 0 5 6 0 0 8 72 4 0 00 0 5 3 0 0 8 20 2 0 00 0 0 00 2 8 0 0 5 0 0 洗碗机0 1 1 0 0 1 4 02 8 0 0 0 1 1 00 0 6 51 0 0 0 0 0 0 00 2 8 00 5 0 0 洗衣机0 1 1 0 0 1 2 02 0 0 00 1 1 0 0 1 3 01 0 0 00 0 0 01 5 0 0 0 4 0 0 白炽灯 衣服烘干机0 1 2 0 0 1 5 01 9 0 00 1 3 0 0 1 4 01 0 0 00 0 0 0i 3 0 0 0 4 0 0 彩色电视机 炼炉鼓风机 商业热泵0 0 5 3 0 0 8 3i 9 0 00 0 3 6 0 0 6 80 2 0 00 0 0 0 0 2 8 00 6 0 0 热泵式商业空调0 0 5 3 0 0 8 3 1 9 0 00 0 3 60 0 6 8 0 2 0 00 0 0 00 2 8 00 6 0 0 商业中央空调0 0 5 3 0 0 8 3i 9 0 0 0 0 3 60 0 6 80 2 0 00 0 0 0 0 2 8 00 6 0 0 商业室用空调0 i 0 0 0 1 0 01 8 0 00 0 9 00 0 6 0 0 2 0 00 0 0 00 2 8 00 6 0 0 荧光灯 泵、风扇等电动机0 0 7 9 0 1 2 03 2 0 00 0 5 2 1 2 0 01 0 0 00 0 0 00 7 0 0 0 7 0 0 电解负荷 电弧炉 小型丁业电动机0 0 3 10 1 0 0 3 2 0 00 0 1 80 1 8 0 i 0 0 00 0 0 00 7 0 0 0 6 0 0 大型t 业电动机0 0 1 3 0 0 6 7 3 8 0 00 0 0 90 1 7 01 0 0 0 0 0 0 01 5 0 00 8 0 0 农用水泵00 2 5 0 ，0 8 83 2 0 0 00 1 60 1 7 0i 0 0 0 0 0 0 004 0 00 7 0 0 发电厂辅机0 0 1 3 01 4 0 2 4 0 00 0 0 90 1 2 0 1 0 0 00 0 0 01 5 0 0 07 0 0 l f m 表示负荷率，为电动机负荷( m w ) 与额定容量( m v a ) 的比值。对于洗 衣机和烘干器等周期性负荷，则表示负荷率的平均值。表( 2 2 ) 中的参数对应 于图( 2 3 ) ，即感应电动机的稳态等值电路。 1 7 现代城市电力负荷的特性研究与测试 2 2 4 国内负荷特性研究 如l3 1 节所述，我国负荷特性及负荷建模的研究一直在积极地开展，部 分电网侧重于总体辨识法，有的电网侧重于统计综合法，两者如能同时进行， 互相补充，才能得出较精确、较全面的负荷特性分析结果。 2 0 世纪7 0 年代，我国开始了负荷特性的现场实测工作，记录了大量实测数 据，围绕实测数据展开了大量的总体测辨法的建模研究，研究成果频繁推出。 9 0 年代以来，华北电力大学、清华大学、河海大学在动态负荷特性方面进行了 不少现场试验，推出了系列学术成果 湖南省电力公司电力调度中心“湖南电网负荷特性研究”课题提出了一套 切实的统计综合法负荷建模的基本思路、方法和步骤，建立了不同行业的静态 负荷特性参数，并以此为基础得出了变电站的负荷特性参数，介绍了负荷元件 静态特性参数的测定方法，建立了负荷元件的幂函数和多项式模型的静态特性 参数。这是一条值得借鉴和进一步推广的途径，为最终建立适合我国国情的负 荷静态特性参数库而努力。 现代城市电力负荷的特性研究与测试 第3 章负荷特性对电力系统潮流崩溃的影晌 3 1 对电压崩溃的认识 在过去的几十年中，瑞典、法国、日本、美国等都发生了电压不稳定( 崩 溃) 事故。p k u n d u r 将电压崩溃定义为“伴随着电压失稳的一系列事件导致系 统的部分电压低到不可接受的过程”。电压崩溃可以概括有如下特征”。： ( 1 ) 电压崩溃前的系统往往处于重负荷运行状态，系统运行备用( 特别) 紧 张、传输线潮流接近最大功率极限。 ( 2 ) 电压崩溃起因可能不同：系统负荷持续增加；大的突然扰动；失去发电 机组；线路重负荷；运行人员在处理非正常工况过程中判断错误，误操作，使 事故扩大等。 ( 3 ) 电压崩溃问题的核心是系统满足无功需求的不稳定。通常，电压崩溃包 括系统具有重负荷线路的情况，当从邻近区域传输无功功率发生困难时。再要 增加无功功率支持就可能导致电压崩溃。 “) 低电压下，线路距离保护动作，使并行输电线相继跳闸；发电机励磁限 制器动作，引起发电机级联跳闸；低电压情况下，o l t c 动作恢复二次侧负荷， 使一次系统电压进一步跌落。 ( 5 ) 电压崩溃通常显示为慢的电压衰减，这是由于许多电压控制设备和保护 系统作用及其相互作用积累的结果。 ( 6 ) 电压崩溃可能因过分使用并联电容补偿而恶化。通过并联电容器、静止 无功补偿器和同步调相机的合适选择和协调才能使无功补偿最有效。 ( 7 ) 继电保护、低频减载等缺乏协调是导致电压不稳定发展的一个重要原因。 3 2 电压崩溃电路机理 联接送端s 、受端r 的支路如图( 3 1 ) 所示，该支路具有电阻、电抗z 、。 ( 该支路两端的接地支路并入两端节点考虑) ，取s 、r 瑞的电压为矿s 、矿一， 支路电流为，m ，支路送端输入的功率为珞、鲰，受端输出的功率为、纵。 1 9 现代城市电力负荷的特性研究与测试 v # o 。，鼹+ 力= k w + ，p 0 s 卜- 二 _ 一r - p 韫+ j q i s r = i 弧+ j l s 缈p + j q 图3 1 简单交流电路 支路电压方程为 = 珞一k ( + 豇) = y s us 。+ j l ；时k 。+ j x s 0 = y s ig r ，豫一j is h j is 睁r 豫+ is 吟x 豫 即p k = 一c ，。r s r 一，跚x 。) = 一k + ) 电路受端的输出功率为 p + j q 镕= y r i s e = 。+ 睁k 。一j is j 鄹p 瞄= y h l 溉，v 静i 辩 q 憝= y 睁is 兄f 甲融ls 唧 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 联立以上四式求解，消去其电压分量后，表示为方程组： ； 0 现i s r y 毪溉 s ， 【纵= 一珞一【，玉+ 岛k ”7 将式( 3 5 ) 的二元二次方程组转化为圆的标准形式如下 现代城市电力负荷的特性研究与测试 卜爿墙= 案一鲁 盘+ + 刳2 = 蒜一鲁 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 上式，表不：以j 、j 跚为燹量，半，俭为r e ，圆心为o r ，杯为i n c p ： 式( 3 6 ) 下式，表示：以鼢、i s e y 为变量，半径为r 口，圆心为o q ，称为圆c 口。 两圆的圆心坐标分别为 啡：喙，。 o o ：卜去 r ， r 0 = ( 3 7 ) ( 3 8 ) 显然，式( 3 6 ) 有解的条件为两圆的半径大于或等于零，且两圆相交或相切。 若有功负荷给定，无功负荷o r s 增大，由( 3 8 ) 式知，- n d 、，当缩小到c 岛 与c 。外切于p 。点时，式( 3 6 ) 有唯一解，则电路存在唯一运行点，如图3 2 所示。p 。为工作域与崩溃域的分界点，即为图3 1 电路的l 临界电压崩溃运行点。 若有功负荷给定，无功负荷q k 减小，由由( 3 8 ) 式知，彤扩大，当扩大到 g 与c 内切于p ，点时，式( 3 6 ) 有唯一解，如图3 4 所示，则电路存在另一 个临界电压崩溃运行点。 对于有功负荷给定的情况，无