（电力系统及其自动化专业论文）电力负荷模型结构的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 负荷模型的准确度对电力系统稳定分析和控制有着重要的影响。好的模型既能 够准确反映负荷特性又尽可能具备简单的结构。现有的综合负荷模型虽然能较好的 描述负荷特性，但是该模型相对比较复杂，待辨识参数多。针对这一问题，本文提 出了一种简化综合负荷模型结构的方法。首先对负荷模型参数多值性进行了定性分 析，给简化工作提供了理论依据。接下来通过对综合负荷模型参数的灵敏度分析， 得到了对负荷特性影响较大的模型参数。将模型中灵敏度较小的等值感应电动机的 参数固定仅辨识灵敏度较大的参数，固定参数取值基于i e e e 推荐的第六类典型参 数感应电动机参数，并结合我国配电网的实际情况，修正了其中定子电阻的值。简 化后的模型结构简单，并且具有明确的物理意义，研究表明该模型能够较好的反映 负荷特性同时具有良好的泛化能力。 关键词；负荷建模，综合负荷模型结构，泛化能力，系统辨识 a b s t r a c t t h ea c c u r a c yo fl o a dm o d e lh a sg r e a te f f e c t so nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o lo f p o w e rs y s t e m n o to n l ys h o u l dg o o dm o d e lb e a b l et or e f l e c ta c c u r a t e l yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o a d ，b u ta l s oh a v eas t r u c t u z e s i m p l ea sp o s s i b l e t h ee x i s t i n g c o m p o s i t el o a dm o d e la l t h o u g hc a nd e s c r i p el o a dc h a r a c t e r i s t i cw e l l ，b u ti ti sr e l a t i v e q u i t ec o m p l e x ，h a v i n gm a n yp a r a m e t e r st ob er e c o g n i z e d t h i sp a p e rd e v e l o p sam e t h o d o ns i m p l i f y i n gt h em o d e ls t r u c t u r e i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c h b yt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h em u l t i - v a l u e dp e r f o r m a n c eo fm o d e lp a r a m e t e r s p a r a m e t e r sw h i c hh a v eg r e a t e re f f e c t so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a da r ea c h i e v e db yt h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h e m ，a n dt h e ya r ei d e n t i f i e d ；t h ep a r a m e t e r sw h i c hh a v eal e s s s e n s i t i v i t yb ef i x e db a s e do nt h es i x t ht y p i c a lp a r a m e t e r sv a l u er e c o m m e n d e db yi e e e t h i sm o d e lh a sam o r es i m p l es t r u c t u r ea n dac l e a rp h y s i cs i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c h i n d i c a t e st h a ti th a sag o o dg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t y x us h u m i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h er e n m u k e yw o r d s ：l o a d m o d e l i n g ，c o m p o s i t el o a dm o d e l ，g e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t y , s y s t e mr e c o g n i z e 毒明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力负荷模型结构的研究， 是奉夭在华j e 电力太学琰读硬学位期闽，在导耀播导下遂蟹鳇薪究工作彝欷褥夔 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包禽其他 人已经发表或撰写过豹磷究戒果，也不包禽为获褥华北电力大学或其饱教育撬掬的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研巍所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期 关于学位论文使用授权的说明 本久完全了解华乾嘏力大学裔关保蟹、使露学位论文魏霾定，帮：学校有袄 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复赣| 手段笺捌劳保襻学垃论文； 学校可是毒警学毽论文被查瓣躐售舞；学棱 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式程不同 媒体上发表、传播学位论文的全挪或部分内容。 ( 涉密的学能论文张解密后遵守此规定) 作者签名： i 墨亟 日期：坦6 ：1 6 导师签名：翌至! ：兰 日期：竺! ! ：! ! ! 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 研究电力系统动态时，由于安全运行的限制，采用直接在实际系统上做各种实 骚瓣方法遵鬻是不霹行翡。在这弹憾援下，魄力系统傍赛藏残隽撂导毫力系统擞产 和运行的熬本工具，而仿真的准确度直接依赖于模型的准确度。目前，发电机缎和 输电网络的模型已经耀对比较成熟，人们可以壤据所磷究蜒殛鲍器要选择氍漾慰鞲 度簧求又嚣可能简单的模型。与此相反，作为电力系统重要模溅之一的负荷模型， 研究力度历来不够。在缺乏实际负荷模型时，往往采用比较粗糙的负荷模型，不恰 当的受黄模鼙会霞褥计算缭祭和实辩结栗不一致，或偏乐蕊袋褊保守，获磊造戒电 力系统潜在的危险和不必要的资源浪费。当夸，电能需求的快速增长以及电力市场 德趋势的羚壹下，健褥提藏电力系绞纂醚设藏夔剥曩寒戒鸯必器。电力系统豹运行 越来越接近临界状您，所以建立符合实际的魄力系统负荷模型也变得日髓重要。同 时，建模的目的是为了更好的应用，这就要求模型在凇确反映负荷本质的前提下， 结构尽量静麓单。经过受蒋建模工律者静不懈努力，邋内蕃井静负荷蘸模工槔都有 了一定程度的进展，然而由于负荷的弗样性，随机性以及时变性，有些问题尚束解 决，霉要避一步懿轿究。 1 1 本课题研究的背景和意义 随着我国国民缀济的快速发展，对电能的需求量网益增加，电力系统规模越来 越夫。我嚣电力系缝氇进入了丈电瓣、超裹聪、大瓿壤、运难褰输电静对我，爱终 将实现“西电东送、南北互供、全翻联网”的格局。由于历史原因，我嗣的电网建 设远远落殿予电源建设，远距离重负旖输电的瑗象将髓益突出。这将追使电力系统 运行于接近网络扳鞭输送能力的状态，比戳程更多地磷临电压稳定问题。 电力系统数字仿真是电力系统寇量分析的基础。数字仿真的准确性，直接影响 饕攘翻、竣诗袭运舒决策豹正确往。仿真分析在绦持燕统安全穗定运行帮经济透行 方面起着决定性作用，过于保守的分析结果会造成线路、设备投资的浪费，而过于 承理的分摄结果可能会酿成大的事故，造成系统大垂积停电。数字仿真毒 算的准确 髋取决于模型和参数的准确性。随着电力系统建模工作的发展，发电机和输电网的 模型的研究已经取得了很大的进展，丽负荷模型相对藤吉还很不成熟。只有建立准 确摇逮负荷特性静模型，才稚褥蘩燕确静分掰计算绪豢。大量鹃计算与试验结莱袭 明，负荷特性对电力系统仿真计算结果具有重蒙影响，其表现猩不同的负荷特性对 魄力系绕的濒滚计嚣、暂态稳定、小荣号动态稳定l ；【放电压稳定嚣具毒苓嚣程度瓣 华北电力大学硕士学位论文 影响“。 1 ) 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 9 9 年在北美电力系统的8 5 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，仅少数采用功率随电压 变化的负荷模型。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。但对于运行条 件恶化的电网，例如故障后断开线路或切除发电机组等，系统电压偏离额定值较大 时，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( 例如，幂函数等模型) 时，潮流计算的收敛性就可以 得到改善。也就是说，采用恰当的负荷模型能改善潮流的收敛性及计算精度。 2 ) 负荷模型对电压稳定计算的影响 近几十年以来，世界范围内发生了一系列因为电压问题引起的大范围停电事 故。电压稳定问题成为电力系统研究热点，虽然电压失稳的机理还没有搞清楚，但 可以肯定的讲，负荷对电压稳定有很大的影响。美国w s c c 在1 9 9 6 年7 月2 日的事故 是电压稳定问题，故障期间发生了电压崩溃。在事后分析过程中，必须对数据仿真 所采用的模型进行修改，包括典型负荷模型和励磁电流限制器模型，负荷模型对计 算结果有很大的影响。 文献 6 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 7 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。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。 3 ) 负荷模型对暂态稳定计算的影响 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，往往采用悲观的模型保证系统运行于 安全区域，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“1 。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， 2 华北电力大学硕士学位论文 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【9 】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。另外，研究结果表明，采用静态负荷模型不足以准确描述系统在电压和频率变 化较大情况下的负荷特性，文献 1 0 】在研究加拿大安大略西北部一个局部系统从互 联大系统解裂后的动态行为时，发现采用静态负荷模型和采用动态模型的计算结果 相去甚运，所以该文献特别强调在较大电压、频率波动情况下的暂态稳定计算中采 用动态负荷模型的必要性。需要指出的是，在评价负荷模型对暂态稳定的影响时主 要考察模型对诸如最大传输功率、极限切除时间等稳定极限的影响。 4 ) 负荷模型对小信号动态稳定计算的影响 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。抑制振 荡的镇定源除励磁控制系统外，还有负荷特性、原动机转矩速度特性和发电机 阻尼绕组。阻尼绕组对抑制发电机间的局部振荡具有较好的效果，但随着发电机间 阻抗的增大，其抑制振荡的效果逐渐变差，并且其没有抑制区域间振荡的作用。因 此，在分析区域振荡时，除考虑发电机励磁控制系统的作用外，原动机转矩速 度特性和负荷特性则是应该考虑的重要因素。普遍认为负荷的频率特性对系统的阻 尼具有重要影响。 综上所述，负荷特性对各种电力系统仿真计算结果都有不同程度的影响。负荷 模型的准确度，已经成为了整个电力系统仿真计算中提高精度的瓶颈。当我国进入 大区电网互联阶段时，负荷模型对系统稳定的影响变得非常突出。负荷模型的研究， 是研究全国联网格局，研究交流互联系统联网规模，分析联网系统稳定性问题的重 要基础。 对于负荷模型的研究，长期以来，往往采用z i p 静态模型、低阶的传递函数或 者是感应电动机模型来描述负荷的静态和动态特性。然而，近年来的研究和工程实 践表明，单纯的静态或者是动态模型并不能较好的反映负荷特性，因此动态和静态 相结合的综合负荷模型正得到日益深入研究。虽然综合负荷模型能更好的反映负荷 特性，但是模型结构较之单纯的静态或动态模型要复杂，待辨识参数较多。我们知 3 兰j ! 皇垄查堂堡主堂垡笙壅 一 道，电力系统由为数众多，特性各异的用电设备组成。伴随着分布式发电的兴起， 有些区域负荷中可能会包含有同步发电机的动特性，这样为了准确的反映负荷特 性，模型结构必然会变得更加复杂。另一方面。负荷模型的确立，目的是为了更好 的投入应用，在实测负荷建模实践中我们发现调度人员希望模型结构在能准确反映 负荷特性的基础上尽可能的简单，待辨识参数尽可能的少。这样有助于提高工作效 率。这样就为负荷模型的研究提出了新的要求，即模型既要能反映负荷真实特性， 同时结构也要尽量简单。 本文的工作就是以这个要求为出发点。对综合负荷模型的简化做了深入研究 的。 1 2 负荷建模的发展与现状 到目前为止，负荷建模工作经历了一个较长的发展，取得了很大的进展【i 。j 。 人们早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代就已经认识到负荷模型对电力系统稳定的重要性， 并开始研究负荷随电压和频率变化的静态和动态特性，这一阶段是负荷建模的萌芽 时期。 到了6 0 一7 0 年代，由于计算机及控制理论的发展，电力系统也得到了快速的发 展。人们大量采用计算机进行复杂电力系统的仿真，而精确的仿真的基础就是精确 的模型，与其他系统元件模型一样，负荷建模工作有了相当的进展。除提出了最常 用的恒阻抗、恒电流和恒功率负荷模型以外，还在计算中采用了感应电动机、多项 式和幂函数等负荷模型。这些负荷模型参数的确定当时主要靠定性估计，并辅以静 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，发电机、原 动机和调速系统等元件的模型愈来愈糟确，而负荷模型由于其特殊的困难性基本上 停留在原来的水平。 为了开创负荷建模的新局面，美国电力科学研究院( e p r i ) 主持了一项庞大的 研究计划，其主要目的是致力于统计综合法( c o m p o n e n t - b a s e d m o d e l i n g a p p r o a c h ) 负荷建模的研究。该方法是在实验室里确定每种典型负荷( 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( 如夏季峰值负荷、冬季峰值负荷) 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 。该软件使用时需提供三种数据：负荷组成， 即各类负荷( 民用、商业、工业等) 在总负荷中所占的百分比；各类负荷中各用电 设备( 荧光灯、电动机、空调等) 所占比例；各用电设备的平均特性。但由使用者 4 华北电力大学硕士学位论文 必须提供的只有第一种数据，后两种数据可以采用软件包提供的典型值。这给软件 包的使用者提供了一定的方便。用统计综合法得到的负荷模型具有物理概念清晰， 易于被现场工作人员理解的特点，但其核心是建立在“统计资料齐全，负荷特性精 确”的基础上，而这点往往很难做到，而且不可能经常做，因而考虑不到负荷的时 变性。 8 0 年代前后，随着系统辨识理论的日趋丰富与完善，加之计算机数据采集与处 理技术的发展，一种新的负荷建模方法一一总体测辨法( m e a s u r e m e n t b a s e d m o d e l i n g a p p r o a c h ) 以其简单、实用、数据直接来源于实际系统等多种优点受到广 大电力负荷建模者的关注。该方法的基本思想是将负荷群作为一整体，先在现场进 行人为扰动试验或在线捕捉自然扰动，采集测量数据，然后由现场采集的数据辨识 负荷模型的结构和参数，最后，再用大量的实测数据验证模型的外推内插效果。中 国、美国、加拿大等国相继研制了大批电力负荷特性记录仪用来记录负荷扰动数据， 并以这些测量数据作为依据和最终检验标准开展负荷特性研究工作，不断吸收系统 辨识理论的最新成果，推动负荷建模工作不断向前发展。这种方法避免了大量的统 计工作，具有强有力的理论基础一辨识理论。所依据的测量技术和辨识理论发展很 快，已经趋于成熟。随着测量技术的加快和数字处理技术的完善，将有可能得到随 时间变化的在线负荷实时特性，这是统计综合法所达不到的【1 ，“。 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到了重要作用。1 9 9 3 年的报告统一了负荷建模中的许多述语 和定义，总结了不同类型负荷、不同分析目的的负荷模型的构造技巧和需要考虑的 重要方面。1 9 9 5 年2 月的报告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 9 9 5 年8 月的报告推荐了用于电力系统 潮流计算和动态仿真的标准化负荷模型【l l 】。 国内从八十年代中期就开始了基于实际测量的负荷动特性建模工作，先后有华 北电力大学、清华大学、河海大学投入了研究之中。华北电力大学系统控制研究所 长期进行实测负荷建模以及模型有效性的研究，先后与河北省调、福建省调和广东 省调合作进行模型的应用研究。于1 9 9 9 年6 月在广州地区安装了动态负荷测辨系 统，经过现场运行得到了大量数据，并通过实际算例对动态负荷模型的有效性进行 了较为深入的研究。在此基础上提出了一种新的时变适应的负荷模型，简称综合负 荷模型【l ”。该模型包含1 4 个参数，实践表明其能够准确的描述负荷特性并具有良 好的泛化能力，有关该模型的具体内容将在下一章中详细介绍。虽然该负荷模型能 够准确反映负荷特性，并具有良好的泛化能力。但是，该模型结构较复杂，待辨识 参数较多。同时工程实际中，为了提高工作效率，往往希望模型尽可能简单。因此 研究该模型结构的简化是必要的。 华北电力大学硕士学位论文 综上所述，负荷建模在建模方法、模型结构以及参数辨识方面已经取得了一定 的成果。但是因为负荷的特殊性，使得负荷建模仍然存在一些难题无法解决。例如， 由于负荷时变性引起的参数多值性问题；如何使负荷模型既能准确的描述负荷特 性，同时其结构又尽可能的简单，减少待辨识的参数提高工程利用效率。这些问题， 都需要进一步的研究。本文的研究工作就是基于这些展开的。 1 3 本文的研究内容 本文在现有综合负荷模型结构的基础上，通过对参数多值性以及综合负荷模型 结构中参数的灵敏度分析，得到了对解释负荷特性起到关键性作用的模型参数，并 对综合负荷模型的简化方法进行了研究，提出了一种可能的简化负荷模型结构。编 程实现了简化负荷模型参数的辨识，并且验证了该简化模型准确度及其泛化能力。 本文所做的具体工作如下： 1 总结有关文献叙述，对负荷模型参数多值性进行了定性分析。以此作为简化 方法的理论依据 2 对综合负荷模型的参数进行灵敏度分析，得出了对解释负荷特性起关键作用 的灵敏度较大的参数。在此基础上提出了一种简化的负荷模型结构 4 用m a t l a b 编程实现了简化负荷模型结构的参数辨识。分别通过单条曲线 辨识和多曲线辨识，观察了该简化模型结构对负荷特性的描述能力 5 给出了模型准确度的评估标准，使模型的拟合误差定量化 6 最后，比较了简化和未简化负荷模型的准确度，并且验证了该简化综合负荷 模型的泛化能力 6 华北电力大学硕士学位论文 第= 章负荷建模的理论基础 电力负荷是电力系统中用电设备的总称，负荷建模是研究负荷母线上的总体负 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，确定描述这种关系 的数学方程的形式及其中的参数。从数学建模角度来看，建立数学模型的方法有两 大类：一类是分析法；另一类是系统辨识法。分析法是根据系统的工作原理，运用 各种物理定理推导出描述系统的数学模型。系统辨识法是利用系统输入输出的观测 数据来建立数学模型。历史上基于元件的建模方法( 统计综合法) 可以认为是第一 类方法，基于量测的建模方法( 总体测辨法) 则属于系统辨识法的范畴。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。 本文的研究主要是采用的基于量测的建模方法。从这一角度，负荷建模的基础 研究可以被描述为：根据一个具体的负荷的某一特定的、具体的负荷动态特性曲线， 抽象出合适的数学模型结构，辨识出正确的模型参数的过程。所以，这里讨论的重 点在于负荷模型的模型结构选择、参数辨识算法的选择，以及模型参数相关的一些 探讨。 2 1 建模方法 在电力系统负荷建模的研究中，人们提出很多建模的方法，国际上公认的主要 有两类：一类是基于测量的“总体测辨法”，另一类是基于元件组成“统计综合法”。 2 1 1 统计综合法 统计综合法基于统计学原理，其基本思想是把负荷看成个别用户的集合，每类 用户则是各种用电设备的集合。将其电器分类并确定各种电器的平均特性，然后根 据各类电器的比重，确定负荷模型结构。 该方法的基础是通过实验和数学推导得到每种典型用电设备的数学模型和典型 参数，然后在综合负荷点( 如枢纽变电站) 统计出各种典型用电设备的组成情况和 容量比例，最后综合这些数据，得出该负荷点的负荷模型。 统计综合法一般需要得到三种数据：单个用电设备的平均特性，各类负荷中用 电设备的比例和组成，负荷的组成和容量比例。前两种数据相对比较稳定，属于共 性数据，可以通过典型统计获得。而后种数据是负荷群特殊性的具体体现。该方 法的优点是它不依赖现场实验，限制少和花费较小。 存在的缺点：( 1 ) 需事先统计大量的典型用户的负荷组成及其比例，工作量大且 华北电力大学硕士学位论文 难阻获得准确的统计结果。( 2 ) 各电器元件的平均特性滩以确定。( 3 ) 对无功电篷特 性和频率特性以及动态特性难以准确模拟。 盘于统诗综合法存在土遴静蕺煮，所疆避年来较少有相关文献及实际应用。 2 1 2 总体测辨法 总体测辨法认为负荷特性是个随机系统，它的输入是母线电压变讫和系统频率 变化，它的输出是由于输入引起的负荷吸收的有功功率和无功功率的变化；用户自 学搂逶襄凝开用电嚣产生懿秘率交鬣嬲是系绞噪声。 总体测辨法基于系统辨识理论，其基本思想是将综合负荷作为一个糇体，先从 瑗场采集测蠹数据，然螽搬攒这些数摆辨识出受荮模型缝擒和参数，最菇孬用大爨 的实溅数据验证模型的外推内插能力。 该方法的核心是把负荷特性看作一个灰箱子，依靠测量它的输入：电压、频率 鞋输出；考功无功韵率，设定合适静负荷模型豹结构，遥过调攘负荷模麓静参数， 最终辨识出一套与该负荷点擞荷特性等价的负荷模型。围绕建横的模型和参数辨识 国蠹努学誊镞了丈囊豹工俸。 与统计综合法相比，总体测辨法有以下优点：( 1 ) 光需知道各负荷的用电设备组 成及其模型参数，不依赖统计资料。( 2 ) 负荷特性记录仪处在长期工作状态，可默 穰攘各个时猁静挽动数据褥剿相应的负荷特链参数，解决负荷特性的时变性的闯 题。( 3 ) 负荷组成成份复杂仍可以用简单的输入输出模型来描述。其缺点是：( 1 ) 需 要发装大薰鳇整溅设簧投资大。轻) 垂手大扰动不经常凌蕊，翳虢整测震麓长。 总体测辨法是以现场实测的数据为基础的。随着计算机和通讯技术的发展，新 型的微机负穗特性记录装置已经具备7 在线连续采集母线故障数据，并邋过微波或 互联网远方传输数据的功能，为总体测辨法建模提供了穗好的硬件环境。 2 。2 负萄模型结构 受荷模型指用来描述负赘特性的数学方程。现有盼受蔫模溅结构按其结梅形式 来讲可以分为非祝懋式模型和机理式棱型两大撵，前者以负荷端口的输入量( 电胍 和频率) 和输出量( 功率或电流) 的荚系为依据，选择适当的数学表达式来表示输 密爨纛输入爨 惫接滔者静静敷) 之麓豹关系；后者翔获受荮蠢帮静耪理本质入筝， 通过选择适当的物理模型结构来模拟负荷特性。按模型是否反映负荷的动态特性来 分，又可以将模型分为静态受蒋模型期裁态受棼模型，装者多耀代数方程来搓述， 后糟多用差分方程和微分方程描述。 华北电为丈学硕士学位论文 2 2 。 静淼负荷横激 静态受蒋模型生器有两种，即指数模型秘多项式模型，两耱都属手 机理模溅。 常见的多城式模型为： 1 多项式模型1 1 引 p = 岛 1 0 ，f l p v ； j l ：+ b ，c l p v ；j l + c ， 旧2 + 蚝陆司 ( 2 2 1 ) 上述多项式模型就是经典的“z i p ”模型，它由恒隰抗、恒电流、懂功率分 繁组成，胃班看戒怒幂捂数籀热熬特镪。 “指数横型【1 4 】 ( 2 * 2 2 ) 这个模型静参数是指数8 和b ，遘这些攒数等于0 、1 或2 ，该模鹫分别表拳受 犄的恒功率、恒电流或恒阻抗特性。 静态负荷模型因其结构简单在徽多暂态稳定分析稷序中广泛应用。但是它们并 鼙凝理模黧，帮耪壤元搏没窍对应静关系；蔼飘静态负赞摸鳌静遥壅性氇存在嗣越， 只能反应负荷的静杰特性，衙不能更好的描述负荷的动态特性。另外对于z i p 模型， 当电压戈0 l 幸，功攀擅却不一定荛0 ，这也是该模型黪不是之娃。 2 2 2 动态负荷横擞 荛了捺述受蓠瓣动态特饿，低除静传递丞数或电动祝模墼梭蕊来描述囊蘅特技。 动态负荷模型进一步分为机理式和非机理式横型 l 。非机理浅动态模型 菲杌璞模登是飙太量豹系统动态建模过稷中概括出来的，对一大类动态系统具 宥很强的描述能力。目前常用的非机理动态负荷模型的形式有：常微分方程模型， 转递函鼗搂鍪，菰淼空褥鬟狴，鞋蠛离教模羹，瑟癸逐有摇述囊蒋 # 线链特往静人 工神经网络模型“”。在此不做详细介绍。 1 1 机理式动态模型 最初静机理式模型是一阶或三酚感应电动枫模型。但是，内于感斑电动机正常 运行时对功率因数商一定的腰求，所以，一般采用感成电动机并联恒阻抗的形式， 跌露摄涯感应电动撬貔裙始港差在一定戆范溪之蠹，箕亲罄分鹣臻率蠢选疆撬消 华北电力大学硕士学位论文 耗。 无论是采用一阶感应电动机模型还是三阶感应电动机模型，在并联恒阻抗来表 示负荷特性时，无功表征都存在较大的偏差。这也是困扰电力工作者很久的一个问 题。无功问题主要表现在计算时的负荷模型导致系统无功问题特别恶化，而实际系 统中的无功问题并不像仿真的那样恶劣。由于该模型无功表征上的明显错误，使得 其仿真结果甚至还不如使用静态的z i p 模型更精确。采用该模型进行负荷建模得到 的参数物理意义可能很难解释“1 ，这主要还是因为模型结构不合理导致的，文献 1 2 还指出，采用该模型结构，即使对组成基本不变的负荷，当用来确定参数的扰动数 据不同时，所得参数仍具有较大的分散性。所以，这种负荷模型结构是不合理的， 必须予以改进。 早在1 9 9 5 年i e e e 就从基于元件的建模角度推荐了一个标准动态数据描述表。“。 表中不但包含了感应电动机和负荷静特性，还包括了同步电机、放电灯、变压器饱 和、和有载调压变压器等。从基于元件的角度，该表的数据都比较容易获得。但是 从基于量测的建模方法来看，该模型结构就显得太复杂了。过于复杂的模型结构使 得参数辨识非常困难，必须做必要的简化处理。 2 2 3 综合负荷模型 参考以上几种模型的对比分析，笔者所在的课题组在长期的负荷建模研究过程 中提出了一种新的时变适应的负荷模型，简称t v s 负荷模型( t i m e v a r i a n t s u i t a b l el o a dm o d e l 的缩写) 。该模型结构是在上述机理式模型的基础上做一些相 应的简化和改进。 t v s 负荷模型采用三阶感应电动机并联负荷静特性的模型结构。如图2 - 1 所示 图2 - i 综合负荷模型结构 图中，p 、i 、z 分别表示负荷中恒阻抗、恒电流以及恒功率组成部份；胄，、j 0 、 r ，、h 、j 0 分别是等值电动机的定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子漏抗与电 动机激磁电抗。是电动机的转差率；为了描述负荷随时间变化的特性，在该综合 负荷模型结构中，定义了两个十分重要的物理量；k ，和 如，k ，用来分配等值电 动机在综合负荷中所占的比例，定义为： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 k p 。= 爿i p o ( 2 - 2 - 3 ) 其中p o 为负荷总的初始有功功率，p 0 为感应电动机的初始有功。置。越大意 味着负荷中电动机成分越多。m ，为额定初始负荷率系数，定义为： 吩_ 【砉 陋z 嘞 s 。为等值电动机的额定容量，为等值电动机的额定电压，砜是负荷测点的 初始电压。引入局。和 舒的一个原因是为了实现感应电动机容量5 。对负荷初始功 率尸。的动态跟踪。设负荷总的初始有功功率为p o ( m w ) ；总的初始无功功率为q o ( m v a r ) ：初始电压为u o ( k v ) ，并设以上1 4 个模型参数为已知，则由式( 2 2 3 1 、 ( 2 - 2 - 4 ) 可得p 0 、s 。因s m 的确定与p 自有关，故与凡成比例，这就保证了感应 电动机的额定容量s 。能自动跟踪这种变化，从而保证电动机的初始滑差j o 和初始 功率因数c o s 卿。均在正常的取值范围之内，可正确地计算出初始无功功率q 6 ，并可 得并联的z i p 模型所占的初始功率为( p o p g ) + j ( q o 一珐) ，据此就可以迭代求解负荷在 电压波动下的响应。 综合负荷结构中等值电动机的动态特性可以由以下微分代数方程描述， 等= 一亍1 ，。e h 爿卅k - 1 ) e ； 等一f 1 旷r ( x 卅比- 1 ) 日 i d o ) = 一击k a o ) 1 + b m + c ) t o 一( e d i d + e s , ) 】 l = i - i 万【r ，( u 一一e ：) + 肖( u q e ；) 】 驴南陋以唧硝( u d 喝) 】 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 其中： 7 ，：x r + x m 见 x = x 。+ x 。 x ：x 一兰! 兰! 。x 。+ x 式( 2 - 2 5 ) 中的前两个微分方程反映了等值电动机的磁链衰减动态，第三个微分方程 反映了等值电动机转子动态：式( 2 - 2 6 ) 是负荷等值电动机与机网接口方程。综合负荷模 型结构中的静态负荷部分可以由下式表示： 华北电力太学硕士学位论文 综上所述，综合负荷模型共有1 4 个独立参数，它包括三阶感应电动帆船分的8 个 参数，韶；i 置，置，以。，置，x ，牙，磊捌，袍们都是电动机容量基慎下的标么值；z i p 模 型部分待辨识的参数有4 个，包括 o ，塌，绋，奶1 7 ；以及新定义的两个参数足，和 如。 这1 4 令参数鞋遴遗囊黄季擎牲记录纹掰记录懿受蓑毒功、无臻簸奄压交纯豹特性麓缝 辨识出来，从而获得关于该地区负荷的期望模型。经过负荷特性记录仪投入运行后的现 场实践来餐，该受赞模型结梅较妊的爱映了负荷的动态特性。 该模越结构比z i p 结构与电动机结构更好的描述了负荷特性，但是相对比较复杂， 待辨识参数较多，为了工程成用方便，有必要谶行简化。 2 3 负荷模型参数的辨识 确定了熊荷模攒的结构之后，蕺燕要的就是选择一个稳定健壮高效的参数辨识 算法。在考虑辨识总则以后，辨识问题就转化为一种数值优化问题了。系统辨识是 鬟代控裁撰论熬分支，系绫辨谖帮为”动态建模”，是糖在输入秘输出数据豹萋懿 上，在给定的模型中，确定一组与所测系统等价的模擞。通俗的说就是利用被控制 系统的输入输出数攮，经避谤冀极鲑壤后，估计出系绫静数学模型。辨鼋踺的实葳霉 以理解为数据拟合的优化。系统辨识的原理潮如下： 蹰2 - 2 系统辨识原理圈 辨识原理图说明，动态系统辨识的过程，实际上是参数寻优的过程，即寻找一 缎最挽豹参数囱量秽，使褥秘标藕数馕e 迭鹫最小，误差嚣标爨数e 通常选取输滋 乃 屿 旧 印岳 怿 坞 静够 芝 魏 肚 萨 华北电力大学硕士学位论文 误差的一个单调递增函数，通常为口的函数。负荷建模所对应的数值优化问题，是 个非线性优化问题。 根据辨识理论，辨识的方法分为经典辨识方法和现代辨识方法两类。经典辨识 方法与经典控制理论相对应，其建立的数学模型如时域脉冲响应等均属于此范畴， 该方法的主要缺点是要求无噪声或噪声很小( 相关分析法除外) ，也就是说认为系 统是确定性的。由于负荷建模时必须要考虑噪声，所以一般不能采用经典辨识法。 现代辨识方法适应现代控制理论需要，该方法必须预先假定模型的结构和定义误差 准则函数，根据测量对象的输入输出数据，通过极小化模型与对象之间的误差准则 函数来确定模型参数，因此获得的是参数模型，如差分方程、离散状态方程等。当 模型结构事先难以确定时，还应首先辨识模型结构( 如模型阶次、纯延迟等) ，然 后再辨识模型参数。现代辨识法一般以广义误差作为准则函数，因此算法中必然考 虑了作用于系统的随机噪声( 包括白噪声和有色噪声) 。所以现代辨识法是基于随 机性系统的一种辨识建模方法，显然可不受信噪比大小的限制“”1 。 近年来，随着优化理论和智能控制理论的进展，许多新的直接搜索法在系统辨 识领域获得广泛的应用。例如针对传统系统辨识方法存在着的不足和局限。将单纯 形法、模拟进化法。”、p r o n y 算法”、遗传算法”、神经网络。、混沌优化3 、粒 子群算法等知识应用于系统辨识中，发展为很多新的系统辨识方法。直接搜索法比 以往的梯度类算法最大的优点在于直接搜索类算法不需要计算梯度，从而大大降低 了计算量，而且实现容易。 遗传算法是目前用于动态负荷模型参数辨识较为成功的方法。根据模式定理： 在选择、交叉和变异的作用下，具有低阶、短定义距以及平均适应度高于群体平均 适应度的模式在后代中将以指数级增长。所以，遗传算法具有良好的全局收敛性能。 本文的模型参数辨识采用的就是这一算法，下面详细介绍一下。 遗传算法是仿照生物界的遗传进化过程提出的一种优化算法。与传统搜索算法 不同，遗传算法从一组随机产生的初始解，称为群体，开始搜索过程。群体中的每 个个体是问题的一个解，称为染色体。这些染色体在后续迭代中不断进化，称为遗 传。遗传算法主要通过交叉，变异，选择运算实现。交叉和变异运算生成下一代染 色体，称为后代。染色体的好坏由适应度来衡量。根据适应度的大小从上一代和后 代中选择一定数量的个体，作为下一代群体，再继续进化。这样经过若干代之后， 算法收敛于最好的染色体，它很可能就是问题的次优解或最优解。遗传算法中使用 适应度这个概念来度量群体中的各个个体在优化计算中有可能达到最优解的优良 程度”“。因此，作为模拟生物进化过程的遗传算法，在解一个问题时应包括以下5 个要素： 1 ) 问题可能解的遗传表示( 可能解表示为字符串，作为染色体) 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 建立可能解的初始群体( 种群) 3 ) 评价函数，用以评价每个染色体所代表个体的优劣 4 ) 遗传操作( 选择、复制、交叉、变异) 用以改变后代染色体的结构 5 ) 遗传算法中的各种参数 遗传算法的基本计算包括三个过程：选择、交叉和变异。 1 ) 选择：遗传算法通过选择运算来实现对群体中个体进行优胜劣汰操作。选择 的目的是为了从当前群体中选出优良个体，使它们有机会作为父代产生后代个体， 选择过程按照当前解群中每个个体的适应函数值，用随机的方式选出一定数目的个 体，用于繁殖下一代。适配值较大的个体在选择中获得较多的机会进行繁殖，反则 反之。 2 ) 交叉：所谓交叉运算，是相互配对的两个染色体按照某种方式交换其部分基 因，从而形成两个新的个体。交叉运算是遗传算法区别于其它进化算法的重要特征， 它在遗传算法中起主要作用，是形成新个体的主要方法。 3 ) 变异；变异是按照一定的变异概率，随机选定一个个体并随机确定某个基因 位置，进行基因翻转，实现变异。 遗传算法中，选择算子提供了算法向最优解收敛的保证，交叉算子保证了遗传 算法的全局搜索能力，变异算子作为辅助算子，可以在当群体在进化中陷于搜索空 间中某个超平面而仅靠交叉不能摆脱时，通过变异可以跳出该超平面。这里，针对 要解决的问题的特征，对标准遗传算法进行了一定的改进： 1 ) 期望值选择。 在标准遗传算法的轮盘赌选择方法中，当个体数目不太多时，依据产生的随机 数有可能会不正确地反映个体适应度的选择。即存在统计误差，为了克服这个缺点， 我们采用期望值方法：即计算群体中每个个体在下一代生存的期望数目m m ：基：县 ，z ( 2 - 3 - 1 ) 若某个个体被选中并要参加配对和交叉，则它在下一代中生存的期望数目减去 0 5 ：若不参与配对和交叉，则该个体的期望数目减1 。若一个个体的期望值小于0 ， 则该个体不参与选择。 2 ) 交叉结果概率存活。 标准遗传算法的交叉算子，主要是用来保证遗传算法的全局遍历特性，并没有 提供算法向最优解收敛的保证。也就是说，交叉操作有可能会破坏最优解模式的增 长，这是遗传算法不稳定性的一个主要原因。因此，我们在交叉算子中引入“概率 存活”的思想，并设定黄金分割点为分割系数。也就是说，交叉的结果适配值如果 优于其父代个体( 或优于群体平均值) ，则以较大的概率存活( 我们设定为1 ) ，反 华北电力大学硕士学位论文 之则以较小的概率存活( 我们设定为0 6 1 8 ) 。概率存活概念的引入在一定程度上减 小了其盲目性，提高了其收敛速度和算法稳定性。 3 ) 变异。 变异算子是遗传算法在搜索过程中跳出局部极小值的一个有效手段。遗传算法 发展进程中产生过多种变异技术，如采用变异温度的自适应变异等，但是，这些改 进都从不同程度上增加了遗传算法陷入局部最小的最终导致不成熟收敛的危险。考 虑到负荷模型参数辨识问题的特点，解空间中存在大量的局部最优点，我们仍然采 用标准遗传算法的变异算子。 2 4 负荷模型有效性评定 电力系统动态仿真已经成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可 或缺的工具，其仿真结果具有很高的权威性。因此，分析和提高电力系统的动态仿 真准确度是非常必要的。根据过去二三十年的仿真经验，目前所知的影响动态仿真 准确度的重要因素就是负荷模型。 根据第二章的内容，通过负荷模型参数辨识，我们可得到时变负荷模型的模型 参数： 鬈= 阮，墨，瓦，茸，墨，e 4 e 屹。，坞，印，忍o ，q r ( 2 - 4 1 ) 负荷模型动态仿真是在电压扰动和初始有功、无功输入下，对k 确定的微分方 程和代数方程组进行时域迭代计算的过程。 负荷模型动态仿真将得到有功和无功变量。不管是有功无功还是电压都是随时 间变化的动态序列。为了评定负荷模型的准确度，我们需要比较实测结果与模型响 应结果两个动态序列的逼近程度。将实测的功率变量作为真值，仿真量作为比较值， 进而可对负荷模型的准确性和有效性进行评估。目前为止，评估方法主要有定性分 析、定量分析两类： ( 一) 定性分析 定性分析主要是通过目测法实现的。目测法是指将同一扰动下仿真模型响应结 果和实测系统响应结果描成两条曲线，通过曲线的拟合程度判断误差大小。在这里 为两条功率响应曲线。对负荷模型仿真误差的评估长期以来正是靠着这种方法进行 的。视觉观测直观明了，在仿真算例较少，数据曲线显示尺度合适的情况下不失为 一种有效的方法。但数据曲线显示的尺度如果偏大或偏小，则可能发生误判。现今 课题组在负荷建模研究上发展采用多曲线辨识，即输入多条扰动数据和响应数据， 辨识出一套模型结构和参数。每个模型对应的数据可能成百上千，对此繁多的数据 仿真误差进行评定，只靠目测法，其工作量和难度是不可想象的。此外，目测法不 华北电力大学硕士学位论文 能提供准确误差指标，不能为模型改进策略及相关算法研究提供有效参考。 ( 二) 定量分析 量化的误差分析和误差评定是对动态变量间的差异给出数值化的指标，可以克 服目测法等定性分析方法的局限。同时，为模型校验、算法优化提供数学依据，也 需要量化的误差评定。总结文献的处理方法，可分为两大类：即残差分析和特征量 分析。 ( 1 ) 残差分析 对负荷模型仿真结果进行基