（电力系统及其自动化专业论文）电力系统变结构负荷模型的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 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， 在电压稳定分析中， 负荷的描述的重 要性十分突出。需要建立符合实际的适合于电压稳定分析用的负荷模型。 本文研究了负荷存在的变结构特性，分析变结构的原因并提出了相应的建 模方法。通过对现有的静态模型进行分析，提出了一种新的变结构的静态模型， 利用仿真 数据进行建 模。 将提出的 静态 变结构模型 加入到e u r o s t a g 中 进行仿真 验 证。利用a n f i s 建立负荷的动态变结构模型。 关键字:负荷建模，负荷模型，变结构， a n f i s ab s t r a c t d u r i n g t h e l a s t d e c a d e s , a s e r i e s o f b l a c k o u t s r e l a t i n g t o v o lt a g e p r o b l e m h a v e h a p p e n e d i n t h e w h o l e w o r l d . v o l t a g e s t a b i l i t y b e c o m e s t h e f o c u s o f p o w e r s y s t e m s t u d i e s . i n v o l t a g e s t a b i l it y a n a l y s i s , t h e i m p o r ta n c e o f d e s c r i p t i o n o f l o a d i s v e ry o u t s t a n d i n g . p r a c t ic a l l o a d m o d e l s t h a t s u i t a b l e f o r v o l t a g e s t a b i l it y a n a l y s i s i s n e e d t o b e s e t 叩 t h i s d i s s e rt a t i o n s t u d i e s t h e v a r i a b l e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c o f l o a d , a n d o ff e r s c o r r e s p o n d in g m o d e l i n g m e t h o d s a ft e r a n a l y z i n g th e r e a s o n o f c h a n g i n g l o a d s t r u c t u r e . a ft e r a n a l y z i n g p r e s e n t s t a t i c m o d e l s , a n e w s t a t i c m o d e l w i t h v a r i a b l e s t r u c t u r e i s p r o p o s e d a n d s i m u l a t i o n d a t a a r e u t i l i z e d t o c a r ry o u t m o d e l i n g . p r o p o s e d s t a t i c m o d e l i s a d d e d t o t h e m o d e l l i b r a ry o f s i m u l a t i o n s o ft w a r e e u r o s t a g a n d v a l i d a t e d b y s i m u l a t i o n t e s t . a n f i s i s u t i l iz e d t o c o n s t r u c t d y n a m i c l o a d m o d e l s w i t h v a r i a b l e s t ruc t u r e s . wa n g q i a n g q i a n g ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . h e r e n m u k e y wo r d s : l o a d mo d e l i n g , l o a d m o d e l , v a r i a b l eanf i s 二七.1 1 口 尸明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 电力系统变结构负荷模型的研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究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 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 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、 学校有权保管、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉 密的学位论文在解密后 遵守 此规定 ) 作者签名: 导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 ， . ， 课题的提出及意义 随着我国国民经济的快速发展， 对电能的需求量日 益增加，电 力系统规模越 来越大。我国电力系统也进入了大电网、超高压、 大机组、远距离输电的时代， 最终将实现 “ 西电东送、南北互供、 全国联网”的格局。由于历史原因， 我国的 电网建设远远落后于电源建设， 远距离重负荷输电的现象将日益突出。 这将迫使 电力系统运行于接近网络极限输送能力的状态，比以往更多地面临电压稳定问 题。 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ws c c 在1 9 %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。 电力系统数字仿真是电力系统定量分析的基础。数字仿真的准确性， 直接影 响着规划、 设计和运行决策的正确性。 仿真分析在保持系统安全稳定运行和经济 运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。 数字仿真计 算的 准确性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，而负荷模型相对而言还很不成 熟。 只有建立准确描述负荷特性的模型， 才能得到正确的分析计算结果。 国内外 的研究者的工作表明， 负荷模型对于系统仿真精度的影响很大， 在极端情况下可 能定性地改变计算结果。 当系统电 压或频率变化较大时， 负荷组成会产生很大的变化， 负荷的 特性也 将随 之变化， 这时依然采用固定结构和参数的模型 描述综合负荷， 显然不准确的。 随着电力系统对电网进行更为详细的建模， 开发和使用更符合实际的负荷模型成 为可能，有必要对负荷的变结构特性进行研究。 本课题的提出正是为了寻找更加准确的负荷模型， 从而使动态仿真的准确度 得以提高， 使系统安全稳定和经济运行都能够得到保障。 通过分析负荷在低电 压 下的变结构特性，建立更符合实际的变结构负荷模型。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2电力系统负荷建模的研究现状 自7 0 年代以来，电力系统建模工作者对负荷模型进行了大量的研究， 取得 了一定的成果。 但由于负荷存在着随 机性、 分散性和多样性， 负荷建模工作十分 困 难， 电 力系统负荷模型仍然还很粗糙。 电 力系统负荷的 特性十分复杂， 但在实 际中仅采用十分简单的恒功率、 恒阻抗、 恒电流模型和感应电动机模型，以及它 们的组合。 近年来， 对于负荷建模工作研究的兴趣在持续增长， 主要的动力来源于电压 稳定 研究的深入。 研究表明 四， 负荷模型对于电 压稳定分析有着关键作用， 需要 建立更符合实际的负荷模型。 1 . 2 . t 建模方法 电力系统负荷建模依靠两种基本方法获取数据和综合负荷特性， 统计综合法 和总体测辨法。 统计综合法又称基于元件的方法。 它通过系统中负荷组成数据和典型负荷特 性， 得到负荷的聚合模型。 特定地区的负荷组成数据， 包括负荷类别组成和各类 负荷中各种负荷元件的组成数据。 统计工作是一项非常复杂的工作， 由 于负荷存 在着时变性的特点， 所以很难获取每时每刻的负荷组成， 只能选取各种特定的时 间负荷组成， 这种方法很难反映负荷的时变特性。 各种负荷的典型特性， 可以方 便地在实验室进行实验获取，缺点是各种厂家生产的用电设备的特性存在着差 异， 电动机的负载特性也存在着差异， 典型参数的获取及其适用范围也是困难的 问题。 总体测辨法又称为基于测量的方法。 选择具有代表性的变电 站和馈线展开测 量工作，以获取综合负荷的电压和频率特性。 把负荷作为一个整体， 通过人为扰 动试验或在线监视，记 录扰动数据。 选取一定的模型结构， 利用测量的数据进行 参数辨识。 这种方法也称为灰箱建模法， 模型的结构是预先选定的。 总体测辨法 的主要优点是不需要繁杂的统计工作， 工作量小， 通过长时间进行大量的测量可 以反映负荷随时间、 季节等因素变化情况。由于正常情况下系统的扰动很小， 而 负荷自 身也存在着扰动， 量测数据存在着较大的噪声。 模型的辨识具有一定的困 难。 1 9 9 7 年， 美国电科院和新墨西哥州公共服务公司( p s n m ) 的联合研究项目， 通过馈线量测数据辨识线路上的负荷组成。新墨西哥州的试验大致是这样 的:首先在该地区负荷馈线上安装负荷特性记录仪，馈线端的负荷组成成分 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2电力系统负荷建模的研究现状 自7 0 年代以来，电力系统建模工作者对负荷模型进行了大量的研究， 取得 了一定的成果。 但由于负荷存在着随 机性、 分散性和多样性， 负荷建模工作十分 困 难， 电 力系统负荷模型仍然还很粗糙。 电 力系统负荷的 特性十分复杂， 但在实 际中仅采用十分简单的恒功率、 恒阻抗、 恒电流模型和感应电动机模型，以及它 们的组合。 近年来， 对于负荷建模工作研究的兴趣在持续增长， 主要的动力来源于电压 稳定 研究的深入。 研究表明 四， 负荷模型对于电 压稳定分析有着关键作用， 需要 建立更符合实际的负荷模型。 1 . 2 . t 建模方法 电力系统负荷建模依靠两种基本方法获取数据和综合负荷特性， 统计综合法 和总体测辨法。 统计综合法又称基于元件的方法。 它通过系统中负荷组成数据和典型负荷特 性， 得到负荷的聚合模型。 特定地区的负荷组成数据， 包括负荷类别组成和各类 负荷中各种负荷元件的组成数据。 统计工作是一项非常复杂的工作， 由 于负荷存 在着时变性的特点， 所以很难获取每时每刻的负荷组成， 只能选取各种特定的时 间负荷组成， 这种方法很难反映负荷的时变特性。 各种负荷的典型特性， 可以方 便地在实验室进行实验获取，缺点是各种厂家生产的用电设备的特性存在着差 异， 电动机的负载特性也存在着差异， 典型参数的获取及其适用范围也是困难的 问题。 总体测辨法又称为基于测量的方法。 选择具有代表性的变电 站和馈线展开测 量工作，以获取综合负荷的电压和频率特性。 把负荷作为一个整体， 通过人为扰 动试验或在线监视，记 录扰动数据。 选取一定的模型结构， 利用测量的数据进行 参数辨识。 这种方法也称为灰箱建模法， 模型的结构是预先选定的。 总体测辨法 的主要优点是不需要繁杂的统计工作， 工作量小， 通过长时间进行大量的测量可 以反映负荷随时间、 季节等因素变化情况。由于正常情况下系统的扰动很小， 而 负荷自 身也存在着扰动， 量测数据存在着较大的噪声。 模型的辨识具有一定的困 难。 1 9 9 7 年， 美国电科院和新墨西哥州公共服务公司( p s n m ) 的联合研究项目， 通过馈线量测数据辨识线路上的负荷组成。新墨西哥州的试验大致是这样 的:首先在该地区负荷馈线上安装负荷特性记录仪，馈线端的负荷组成成分 华北电力大学硕士学位论文 己知; 设计了一种方法从试验和自然扰动数据中辨识出包括白炽灯、 放电灯、 大感应电机、 小感应电机、 电子产品负荷等在内的各种负荷成分的组成比例; 试验表明，获得的比例与实际的比例一致。2 0 0 2 年，美国电科院( e p r i ) 根据 在新墨西哥州的试验结果招标启动一个名为 基于在线量测的负荷建模的 项目。以笔者的认识，该项 目是立足于基于元件的建模方法，试图将基于量 测的方法结合进来。它代表了一种趋势，即基于元件和基于量测两种建模方 法的开始走向融合。 1 .2 .2 模型结构 负荷建模工作者提出了 大量的负荷模型， i e e e t a s k f o r c e 9 5 中 给出了 大部分 的模型， 并且给出了其适用范围。 本文在此只给出 部分建模工作者常用的负荷模 型。 . 静态负荷模型 静态负荷模型主要应用于潮流计算、 静态稳定分析和长期动态过程研究，以 及系 统中以 静态负荷为主的 节点 ( 商 业、民 用负 荷 ) 。 常用的 静态负荷模型 一 般是 多项式模型 ( z i p )和幂函数模型。 这些模型有整个电压范围内具有连续性，除 非 程 序逻辑 在低电 压0 .3 - y 0 . 7 p u 范围内 时， 将其转 换为 恒阻抗模型1 1 ) . . 动态负荷模型 动态负荷模型可分为:机理模型和非机理模型。机理模型通常就是感应 电动机模型，一般采用感应电动机模型并联静态负荷模型来描述综合负荷的 动态特性。 非机理模型则是在系统辨识理论发展过程中，从大量具体动态系统中概 括抽象出来的，对一大类动态系统具有很强描述能力的模型。把负荷群当作 整体，用非机理模型来描述其输入一输出特性。常见的非机理动态负荷模型 的形式有: 常微分方程模型、传递函数模型、状态空间模型和时域离散模型。 另外，还有描述负荷非线性特性的人工神经网络模型。 1 .2 .3 参数辨识方法 总体测辨法在得到现场量测数据后， 确定负 荷模型结构后， 就是一个参数辨 识问题。在辨识准则确定之后，转化为一种数值优化问题。可供选择的准则有: 最小二乘、 最大似然、 最小方差等，普通采用的准则是最小二乘。 可以采用求解 非线性最小二乘问题的牛顿法、阻尼最小二乘法，也可以采用非线性优化方法， 华北电力大学硕士学位论文 己知; 设计了一种方法从试验和自然扰动数据中辨识出包括白炽灯、 放电灯、 大感应电机、 小感应电机、 电子产品负荷等在内的各种负荷成分的组成比例; 试验表明，获得的比例与实际的比例一致。2 0 0 2 年，美国电科院( e p r i ) 根据 在新墨西哥州的试验结果招标启动一个名为 基于在线量测的负荷建模的 项目。以笔者的认识，该项 目是立足于基于元件的建模方法，试图将基于量 测的方法结合进来。它代表了一种趋势，即基于元件和基于量测两种建模方 法的开始走向融合。 1 .2 .2 模型结构 负荷建模工作者提出了 大量的负荷模型， i e e e t a s k f o r c e 9 5 中 给出了 大部分 的模型， 并且给出了其适用范围。 本文在此只给出 部分建模工作者常用的负荷模 型。 . 静态负荷模型 静态负荷模型主要应用于潮流计算、 静态稳定分析和长期动态过程研究，以 及系 统中以 静态负荷为主的 节点 ( 商 业、民 用负 荷 ) 。 常用的 静态负荷模型 一 般是 多项式模型 ( z i p )和幂函数模型。 这些模型有整个电压范围内具有连续性，除 非 程 序逻辑 在低电 压0 .3 - y 0 . 7 p u 范围内 时， 将其转 换为 恒阻抗模型1 1 ) . . 动态负荷模型 动态负荷模型可分为:机理模型和非机理模型。机理模型通常就是感应 电动机模型，一般采用感应电动机模型并联静态负荷模型来描述综合负荷的 动态特性。 非机理模型则是在系统辨识理论发展过程中，从大量具体动态系统中概 括抽象出来的，对一大类动态系统具有很强描述能力的模型。把负荷群当作 整体，用非机理模型来描述其输入一输出特性。常见的非机理动态负荷模型 的形式有: 常微分方程模型、传递函数模型、状态空间模型和时域离散模型。 另外，还有描述负荷非线性特性的人工神经网络模型。 1 .2 .3 参数辨识方法 总体测辨法在得到现场量测数据后， 确定负 荷模型结构后， 就是一个参数辨 识问题。在辨识准则确定之后，转化为一种数值优化问题。可供选择的准则有: 最小二乘、 最大似然、 最小方差等，普通采用的准则是最小二乘。 可以采用求解 非线性最小二乘问题的牛顿法、阻尼最小二乘法，也可以采用非线性优化方法， 华北电力大学硕士学位论文 己知; 设计了一种方法从试验和自然扰动数据中辨识出包括白炽灯、 放电灯、 大感应电机、 小感应电机、 电子产品负荷等在内的各种负荷成分的组成比例; 试验表明，获得的比例与实际的比例一致。2 0 0 2 年，美国电科院( e p r i ) 根据 在新墨西哥州的试验结果招标启动一个名为 基于在线量测的负荷建模的 项目。以笔者的认识，该项 目是立足于基于元件的建模方法，试图将基于量 测的方法结合进来。它代表了一种趋势，即基于元件和基于量测两种建模方 法的开始走向融合。 1 .2 .2 模型结构 负荷建模工作者提出了 大量的负荷模型， i e e e t a s k f o r c e 9 5 中 给出了 大部分 的模型， 并且给出了其适用范围。 本文在此只给出 部分建模工作者常用的负荷模 型。 . 静态负荷模型 静态负荷模型主要应用于潮流计算、 静态稳定分析和长期动态过程研究，以 及系 统中以 静态负荷为主的 节点 ( 商 业、民 用负 荷 ) 。 常用的 静态负荷模型 一 般是 多项式模型 ( z i p )和幂函数模型。 这些模型有整个电压范围内具有连续性，除 非 程 序逻辑 在低电 压0 .3 - y 0 . 7 p u 范围内 时， 将其转 换为 恒阻抗模型1 1 ) . . 动态负荷模型 动态负荷模型可分为:机理模型和非机理模型。机理模型通常就是感应 电动机模型，一般采用感应电动机模型并联静态负荷模型来描述综合负荷的 动态特性。 非机理模型则是在系统辨识理论发展过程中，从大量具体动态系统中概 括抽象出来的，对一大类动态系统具有很强描述能力的模型。把负荷群当作 整体，用非机理模型来描述其输入一输出特性。常见的非机理动态负荷模型 的形式有: 常微分方程模型、传递函数模型、状态空间模型和时域离散模型。 另外，还有描述负荷非线性特性的人工神经网络模型。 1 .2 .3 参数辨识方法 总体测辨法在得到现场量测数据后， 确定负 荷模型结构后， 就是一个参数辨 识问题。在辨识准则确定之后，转化为一种数值优化问题。可供选择的准则有: 最小二乘、 最大似然、 最小方差等，普通采用的准则是最小二乘。 可以采用求解 非线性最小二乘问题的牛顿法、阻尼最小二乘法，也可以采用非线性优化方法， 华北电力大学硕士学位论文 如最速下降 法、 共扼梯度法、 变尺度法、 直接法等。 文 5 1 区分了 基于模型回响 辨识和基于系统回响辨识， 指出在负荷建模中应采用基于模型回响的辨识。 近来 研究较多的遗传算法也在负荷模型参数辨识中有所应用。 1 .2 . 4 负荷的研究方向 负荷模型经过几十年广大电力系统建模工作的努力，已经取得了一些进 展。负荷模型还很不成熟，还需要在以下方向进行研究: . 模型的通用性问题。即由某负荷点数据建立的模型具有一定特殊性，如 何推广至其他负荷点有待研究。对电网中大量负荷的模型建立目 前还没有 非常好的方法。 . 模型对电力负荷时变性的适应问题。由于负荷组成受时间、气候、季节 等因素的影响，负荷特性随时间不同而改变，呈现较大的时变性和随机 性。 . 电力系统变结构特性及变结构负荷模型的研究。在这些情况下，负荷特 性会发生突变、非连续。现有的单一结构负荷模型已无法准确描述电力 负荷的变结构特性，实测获取数据十分困难。 1 . 3 本文的研究内容和主 要贡献 本文通过研究电力负荷的变结构特性并展开变结构负荷模型的建模工作， 取 得了如下成果: ( 1 ) 研究了 负荷存在的 变结 构 特性， 变结 构的 原因 及其对负 荷建 模的 影响。 提出了对临界状态下变结构特性进行建模的必要性及思路。该部分内 容见第二章; ( 2 ) 通过分析现在的静态模型，提出了一种新的变结构静态负荷模型， 采 用仿真数据进行建模。该部分内容见第三章; ( 3 ) 将a n f i s 应用到负荷的动态变结构特性的研究中， 采用动态仿真数据 建立了负荷的a n f i s 模型。 本部分内 容见第四章; ( 4 ) 将静 态变结构负 荷 模型加入到e u r o s t a g 仿真计算程序的 模型 库中， 用 于实际的仿真研究中，本部分内容见第五章; ( 5 )论文的第六章对论文完成期间的工作进行了总结。 华北电力大学硕士学位论文 如最速下降 法、 共扼梯度法、 变尺度法、 直接法等。 文 5 1 区分了 基于模型回响 辨识和基于系统回响辨识， 指出在负荷建模中应采用基于模型回响的辨识。 近来 研究较多的遗传算法也在负荷模型参数辨识中有所应用。 1 .2 . 4 负荷的研究方向 负荷模型经过几十年广大电力系统建模工作的努力，已经取得了一些进 展。负荷模型还很不成熟，还需要在以下方向进行研究: . 模型的通用性问题。即由某负荷点数据建立的模型具有一定特殊性，如 何推广至其他负荷点有待研究。对电网中大量负荷的模型建立目 前还没有 非常好的方法。 . 模型对电力负荷时变性的适应问题。由于负荷组成受时间、气候、季节 等因素的影响，负荷特性随时间不同而改变，呈现较大的时变性和随机 性。 . 电力系统变结构特性及变结构负荷模型的研究。在这些情况下，负荷特 性会发生突变、非连续。现有的单一结构负荷模型已无法准确描述电力 负荷的变结构特性，实测获取数据十分困难。 1 . 3 本文的研究内容和主 要贡献 本文通过研究电力负荷的变结构特性并展开变结构负荷模型的建模工作， 取 得了如下成果: ( 1 ) 研究了 负荷存在的 变结 构 特性， 变结 构的 原因 及其对负 荷建 模的 影响。 提出了对临界状态下变结构特性进行建模的必要性及思路。该部分内 容见第二章; ( 2 ) 通过分析现在的静态模型，提出了一种新的变结构静态负荷模型， 采 用仿真数据进行建模。该部分内容见第三章; ( 3 ) 将a n f i s 应用到负荷的动态变结构特性的研究中， 采用动态仿真数据 建立了负荷的a n f i s 模型。 本部分内 容见第四章; ( 4 ) 将静 态变结构负 荷 模型加入到e u r o s t a g 仿真计算程序的 模型 库中， 用 于实际的仿真研究中，本部分内容见第五章; ( 5 )论文的第六章对论文完成期间的工作进行了总结。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电力负荷变结构特性的研究 2 . ，引言 电力系统负荷与所在地区人民的生活水平、习惯、气候条件及工农业生产等 情况有关。 寒冷地区的冬季峰荷包含有大量的电 热负荷， 夏季负荷低， 空调器很 少; 热带地区夏季的峰荷包含大量空调制冷负荷。 电力系统负荷具有时变性， 可 以 把负荷的时变性划分为负荷组成比例的变化和负荷水平的变化 ( 潮流水平) . 负荷组成比例的变化必然将带来负荷特性的改变。 当 系统处于临界状态时，当电 压或频率低于( 或高于) 某一范围时， 有些用电 设备的保护装置会自 动动作， 电动机可能停转， 某些其它用电设备的特性也会发 生变 化。 这就是说， 随 着电 压 ( 或频 率 ) 的 变化， 负 荷特性可能发生突变。 负荷组成在正常情况或临界状态下发生改变， 称之为负荷的变结构特性。在 中长期稳定计算中， 负荷应能够描述潮流水平的变化。 潮流水平的变化可以通过 负 荷 的 初 值p 。 和q 。 的 改 变 来 实 现 m 。 但 是 负 荷 特 性的 变 化， 采 用 传 统 的 单 一 结 构的负荷模型己经无法进行描述。 因此， 对负荷的变结构特性描述进行研究是十 分必要的。 2 .2系统正常情况下负荷的变结构特性 电力系统中用电负荷的种类是多种多样的，各种负荷的特性各不相同。一种 负荷的模型通常不能用来描述另一种负荷的 特性， 也不能用以 描述综合负荷的特 性。 负荷建模是对某一线路或节点下的负荷群进行建模， 包括次输电网 络和配电 线路、配电 变压器和用电设备。 负荷组成在正常运行情况会产生变化，负荷特性也存在着时变性和随机性。 不考虑负荷的时变性、 变结构特性， 不对负荷特性进行分类， 盲目的进行负荷特 性综合是不切实际的。文 3 的 研究结论说明，虽然负荷组成有着随机性和时变 性， 综合负荷仍有规律可循。 通过负荷特性的分类与综合处理大量的负 荷扰动数 据。进一步的测量可以获得分类的负荷模型，得到负荷模型的参数库。 文 5 首次提出了 对负荷的动态特性进行分类与综合。 提出按季节、 时间、 负 荷水平和负荷构成等将负荷分成几个大的类型，针对每类负荷分别建模。 文 3 提出了 基于模式识别的负荷模型分类方法。 文 7 将负荷的时变性分解为负荷特 性的时变性和由建模方法引 起的负荷模型的时变性， 然后提出了多曲线拟合参数 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电力负荷变结构特性的研究 2 . ，引言 电力系统负荷与所在地区人民的生活水平、习惯、气候条件及工农业生产等 情况有关。 寒冷地区的冬季峰荷包含有大量的电 热负荷， 夏季负荷低， 空调器很 少; 热带地区夏季的峰荷包含大量空调制冷负荷。 电力系统负荷具有时变性， 可 以 把负荷的时变性划分为负荷组成比例的变化和负荷水平的变化 ( 潮流水平) . 负荷组成比例的变化必然将带来负荷特性的改变。 当 系统处于临界状态时，当电 压或频率低于( 或高于) 某一范围时， 有些用电 设备的保护装置会自 动动作， 电动机可能停转， 某些其它用电设备的特性也会发 生变 化。 这就是说， 随 着电 压 ( 或频 率 ) 的 变化， 负 荷特性可能发生突变。 负荷组成在正常情况或临界状态下发生改变， 称之为负荷的变结构特性。在 中长期稳定计算中， 负荷应能够描述潮流水平的变化。 潮流水平的变化可以通过 负 荷 的 初 值p 。 和q 。 的 改 变 来 实 现 m 。 但 是 负 荷 特 性的 变 化， 采 用 传 统 的 单 一 结 构的负荷模型己经无法进行描述。 因此， 对负荷的变结构特性描述进行研究是十 分必要的。 2 .2系统正常情况下负荷的变结构特性 电力系统中用电负荷的种类是多种多样的，各种负荷的特性各不相同。一种 负荷的模型通常不能用来描述另一种负荷的 特性， 也不能用以 描述综合负荷的特 性。 负荷建模是对某一线路或节点下的负荷群进行建模， 包括次输电网 络和配电 线路、配电 变压器和用电设备。 负荷组成在正常运行情况会产生变化，负荷特性也存在着时变性和随机性。 不考虑负荷的时变性、 变结构特性， 不对负荷特性进行分类， 盲目的进行负荷特 性综合是不切实际的。文 3 的 研究结论说明，虽然负荷组成有着随机性和时变 性， 综合负荷仍有规律可循。 通过负荷特性的分类与综合处理大量的负 荷扰动数 据。进一步的测量可以获得分类的负荷模型，得到负荷模型的参数库。 文 5 首次提出了 对负荷的动态特性进行分类与综合。 提出按季节、 时间、 负 荷水平和负荷构成等将负荷分成几个大的类型，针对每类负荷分别建模。 文 3 提出了 基于模式识别的负荷模型分类方法。 文 7 将负荷的时变性分解为负荷特 性的时变性和由建模方法引 起的负荷模型的时变性， 然后提出了多曲线拟合参数 华北电力大学硕士学位论文 辨识。 负荷的时变性，带来负荷特性随着时间、季节、天气等因素变化，可以采用 负荷特性分类与综合的方法予以解决。 上述内容不属于本文的研究范围， 本文主 要探讨负荷在外加电压激励 ( 电压、频率)作用下，表现出来的变结构特性。 2 . 3系统临界状态下负荷的变结构特性 总体测辨识法在进行参数辨识时，通常假定负荷在系统扰动过程中，负荷群 相对稳定， 即负荷组成不变。 在系统电压、 频率波动较小的情况下， 负荷的组成 变化较小，这种假设才可能成立。 当系统处于临界状态时， 负荷特性可能发生突变。 有功和无功随着电压的下 降， 会出现阶梯形， 这往往是由于系统逐渐失去负荷造成的。 下面分别对静态负 荷和动态负荷的变结构特性进行分析。 2 .3 . 1 静态负荷 静态负荷在低电压下存在着变结构特性。 如放电 灯泡的低压熄灭特性。 图2 . 1 中 所示的为放电 灯泡和其它非连续负荷的p - v和q - v曲 线。 工业和路灯照明电器的主要部分是放电灯泡， 它在商业负荷中也占 有很大的 比 例。 不同类型的放电灯泡( 荧光灯， 水银荧光灯， 钠汽灯) 本质上是静态负荷， 当电压降低至额定值 b 5 % - - 8 0 %时它们将全部熄灭，而当电压恢复后又重新启动 ( 恢复过 程具有 迟滞特性， 且 延时1 - 2 s ) l 。 对于 大量的 照明 负 荷， 通常采用 单值函数模型 ( 不考虑迟滞特性) :当电压降低至7 5 % 6 5 %时， 放电型负荷的功 率跳变为零。 vl- v n i v . 1 图2 . 1放电灯泡和其它非连续负荷的 砚i 砚1 p - v和q - v曲线 华北电力大学硕士学位论文 辨识。 负荷的时变性，带来负荷特性随着时间、季节、天气等因素变化，可以采用 负荷特性分类与综合的方法予以解决。 上述内容不属于本文的研究范围， 本文主 要探讨负荷在外加电压激励 ( 电压、频率)作用下，表现出来的变结构特性。 2 . 3系统临界状态下负荷的变结构特性 总体测辨识法在进行参数辨识时，通常假定负荷在系统扰动过程中，负荷群 相对稳定， 即负荷组成不变。 在系统电压、 频率波动较小的情况下， 负荷的组成 变化较小，这种假设才可能成立。 当系统处于临界状态时， 负荷特性可能发生突变。 有功和无功随着电压的下 降， 会出现阶梯形， 这往往是由于系统逐渐失去负荷造成的。 下面分别对静态负 荷和动态负荷的变结构特性进行分析。 2 .3 . 1 静态负荷 静态负荷在低电压下存在着变结构特性。 如放电 灯泡的低压熄灭特性。 图2 . 1 中 所示的为放电 灯泡和其它非连续负荷的p - v和q - v曲 线。 工业和路灯照明电器的主要部分是放电灯泡， 它在商业负荷中也占 有很大的 比 例。 不同类型的放电灯泡( 荧光灯， 水银荧光灯， 钠汽灯) 本质上是静态负荷， 当电压降低至额定值 b 5 % - - 8 0 %时它们将全部熄灭，而当电压恢复后又重新启动 ( 恢复过 程具有 迟滞特性， 且 延时1 - 2 s ) l 。 对于 大量的 照明 负 荷， 通常采用 单值函数模型 ( 不考虑迟滞特性) :当电压降低至7 5 % 6 5 %时， 放电型负荷的功 率跳变为零。 vl- v n i v . 1 图2 . 1放电灯泡和其它非连续负荷的 砚i 砚1 p - v和q - v曲线 华北电力大学硕士学位论文 2 . 3 .2 动态负荷 . 异步电 动机 居民、商业和工业地区中大量的功率被感应电动机所消耗。居民区和商业区 主要是空调和冰箱的压缩机负载。 这一类负载工作在任何转速下都要求接近恒定 转矩。 带有保护装置的电动机在电压下降时会自 动从系统中切除， 这一类负荷在低 电 压下表现出非连续性。 工业电 动机在0 . 8 p u 时候被切除， 水泵、 送风机和其它 电 动 机在0 .7 5 p u 时 候被切掉。 有很多电 动 机并没 有 装设 低压保护继电 器。 电动机消耗了整个电力系统一半以上的电能， 它们的动态特性对于电压稳定 分析和长期稳定分析都是十分重要的。 . 空调负荷 空调负荷受季节和温度的影响很大， 随着我国 经济的发展， 在城市电 网中空 调负荷占 据很大比率。自 上个世界8 0 年代以 来，变频技术应用到空调器中，由 于其优良 的性能， 变频空调呈现全球化趋势。 在日 本占有率达到9 5 %以 上， 在我 国的总销量也占2 0 %以上。 了 解空调负荷的特性， 对研究综合负荷的电 压和频率特性有着重要的意义。 文 1 1 对传统定速空调和变频空调分别进行了实 验研究。得到了 一些结论: 1 、传统空调器在稳态电压 0 . 9到 1 . 1 范围内，有功功率几乎是不变的。 而传统空调器的无功功率在电压升高、频率下降的时候增加很快。 2 、逆变器空调在电压和频率波动时消耗的有功和无功功率几乎是不变 的。 3 、所有传统空调和逆变器空调在电 压逐渐下降到0 .6标么值附 近时会出 现堵转现象。 逆变器空调在电 压降低到0 .5 标么值附 近时 会退出 运行， 但是传统空调依然会保持在线，从而使系统电压更加恶化。 4 、在额定电压下启动传统空调器需要消耗的能量和无功时间积分最小。 空 调的启动 特性在0 . 9 p u 到1 . 1 p u 下没 有 变化。 5 、在严重的电压突降时， 传统的空调器可能会发生堵转，在退出运行前 会吸收大量的有功和无功功率。逆变器空调在电压崩溃时表现的更 好，传统的空调会使电 压问题更加恶化。 对我国使用的空调的种类和空调的特性进行研究，是十分必要的。 可以 对观 测母线的负荷特性和制冷负荷的数量进行关联分析。 必要的时候对空调负荷的特 性进行实测，以考察空调负荷对电压稳定的影响。 华北电力大学硕士学位论文 2 .3 .3 低电压下负荷停运 有些负载在电压凹陷时会退出运行以避免不正确运行或设备损坏。 其中一些 负荷在电压恢复后并不能自 动恢复运行。 这里考虑的负荷的低压特性， 并不涉及 低压减载装置，在稳定研究中， 低压/ 低频减载装置应该单独进行建模。 在电压 降低时跳闸负荷的数量与最低运行电 压有关。 文 1 3 中 给出了电 压凹陷时停运的 负荷与最低电压的关系。如下图中所示: l o a d d r o p % 4 0甲 + + 十 302010 只 卜0 .2 曰 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 l o w e s t v o lt a g e p u 图2 .2故障引 起的负荷停运数量与最低电 压关系 ( 测量数据) 上图2 .2 中的 测量数据表明， 在故障过程中， 电 压凹陷不低于0 . 8 5 p u 时， 几 乎没 有负荷退出 运行。 在电 压低于0 .8 5 p u 时负 荷开 始跳闸 停运， 在电 压 低于。 .6 p u 时 ， 负 荷 停 运数 量 增速 加 快。 电 压 低于0 .6 p u 后， 负 荷 停 运的 数 量 开 始出 现 饱 和，负荷停运数量最多不超过3 0 % c 2 1 a 3 l 乓 广 为 模 型 参 数 .1 = ( a , ) 为 拉格朗日 乘子 必 一 (i l l川 了 线性最小二乘问 题， 对参数(0 , 兄 求偏导数得， 由 偏导数为零，可得 a 必 =l( 3 . 3 . 8 ) 其 中 a 为 系 数 矩 阵 ， 0 一 伽 t , a t /t 为 待 估 计 参 数 解矩阵方程沙o = l 即可得各分段多项式的参数。 3 . 3 . 2分段多项式模型建模实例 采用感应电动机全电压范围的静态特性曲线作为建模数据 ( 1 ) 无功一电压特性 一。一? / |jes”. 句舀已 .工 一_ 一 _ _一 图3 .5 q - v特性曲 线分段拟合 ( 考虑连续性) 这里的电压分段采用了人工分段的方法 分段点d 1( 即歹 1 ) 取0 . 6 5 p . u 华北电力大学硕士学位论文 可引入拉格朗日函数: l ( rp , 兄 ) =艺 ( ; (x ) 一 二 ) ， + a t - h (x ) ( 3 . 3 . 7 ) 其中: ip = ( a , i a , 乓 c 2 1 a 3 l 乓 广 为 模 型 参 数 .1 = ( a , ) 为 拉格朗日 乘子 必 一 (i l l川 了 线性最小二乘问 题， 对参数(0 , 兄 求偏导数得， 由 偏导数为零，可得 a 必 =l( 3 . 3 . 8 ) 其 中 a 为 系 数 矩 阵 ， 0 一 伽 t , a t /t 为 待 估 计 参 数 解矩阵方程沙o = l 即可得各分段多项式的参数。 3 . 3 . 2分段多项式模型建模实例 采用感应电动机全电压范围的静态特性曲线作为建模数据 ( 1 ) 无功一电压特性 一。一? / |jes”. 句舀已 .工 一_ 一 _ _一 图3 .5 q - v特性曲 线分段拟合 ( 考虑连续性) 这里的电压分段采用了人工分段的方法 分段点d 1( 即歹 1 ) 取0 . 6 5 p . u 华北电力大学硕士学位论文 分 段点d 2( 即咨 2 ) 取0 . 7 p . u 把电压范围0 - 1 . 2 p . 。划分为三段。 拟合得到的参数为: 表3 . 1模型参数辨识结果 电压范围 ab c 0 - 0 . 6 5a 1 = 6 . 3 9 3 1 0 . 6 5 -0 . 7a 2 = 3 3 1 . 7 7 1 4b 2 =- 4 8 1 .