（电力系统及其自动化专业论文）基于实际电网的负荷建模理论与方法研究.pdf

基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 a b s t r a c t w h i l ep e o p l es t u d y i n gi nm o d e me l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ，ar e a s o n a b l ea c c u r a t e r e p r e s e n t a t i o no fl o a di sn e c e s s a r yf o rp o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n dd y n a m i ca n a l y s i s l o a d m o d e l i n gi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc a u s ee f f e c t i n gt h ep r e c i s i o na n dc r e d i b i l i t yo ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t t h et h e s i ss t u d i e st h el o a dm o d e l i n gm e t h o d sa n dt h e o r i e sb a s e do na c t u a le l e c t r i c p o w e rn e t w o r k a tf i r s t ，i t i n t r o d u c e st h eb a s i c t h e o r y o nl o a d m o d e l i n g ，i n c l u d i n g i d e n t i f i c a t i o nt h e o r y 、h o wt oc h o o s em o d e la n dd e a lw i t hd a t a ，w h i c hi st h eb a s eo ft h e t h e s i s t h e nt h et h e s i s a d o p t st h ew a y so fc o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c ha n d m e a s u r e - b a s e d m o d e l i n ga p p r o a c hf o r l o a dm o d e l i n g t h et w ow a y sa r en o to n l y i n d e p e n d e n tb u ta l s oc o m b i n e d as e t o fs y s t e m i cm e t h o do fl o a dm o d e l i n gb a s e do n c o m p o n e n t - b a s e d i sb r o u g h tf o r w a r d i tm u s ti n v e s t i g a t es o m e r e p r e s e n t a t i v ec o n s u m e r s i no r d e rt om a k ec e r t a i ne v e r yi n d u s t r yl o a dc o n s t i t u t e s a f t e rc o n f i r m i n gi n d u s t r yl o a d c h a r a c t e r i s t i c s ，i tc a ns e tu pb u so rp o w e rs u b s t a t i o nl o a ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h e m o d e l i n gp r a c t i c er e s u l t se x p r e s s t h e r a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo ft h em e t h o d t h ev e r y c r u c i a ld i s c u s s i o nt os e tu ps t a t i cm o d e l i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fc h i n ai s d o n ei nt h ea r t i c l e t h e p a p e r d i s c u s s e da n db r o u g h tf o r w a r dt h en e wc l a s s i f y i n g m e t h o d - - - f u z z yc l u s t e r i n ga i m i n g a ta s s o r to f c o m p l e x i t y a n ds u b j e c t i v i t yi nt r e a t i n gw i t h d a t a ，w h i c hi sc l e a ri nc o n c e p ta n ds i m p l ei nc a l c u l a t i o n t h ee x a m p l e so fh u n a np r o v i n c e p o w e rs y s t e m a r ec l a s s i f i e db y f u z z yc l u s t e r i n gi nt h ep a p e r a n dt h er e s u l ti sc o n s i s t e n tf o r t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e a p p l i c a t i o n so ff u z z yc l u s t e r i n gi nc o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c hh a v es i g n i f i c a n ta c a d e m i ca n da p p l i c a t i o nv a l u e t h eb a s i ci d e n t i f i e dp r i n c i p l e a n dm a t h e m a t i c sd e s c r i p t i o no ft 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 gi sd i s c u s s e di nt h e p a p e r as e to fm e t h o da n ds t e p sa c q u i r e dm a l f u n c t i o nd a t a i sp r o p o s e d t h ei n d u c t i o n m o t o r sp a r a m e t e ri si d e n t i f i e di nt h ed a t ao ft e s tb yt h em e a s u r e d - b a s e dl o a dm o d e l i n gi n t h e p a p e r b yc o m p a r i n g t ot h ec a l c u l a t e d p a r a m e t e r ，s o m es i g n i f i c a n t c o n c l u s i o ni sd r a w n i th a st h ei m p o r t a n tg u i d a n c ea c t i o nf o rp o w e r s y s t e ms t a b i l i t ya n dd y n a m i ca n a l y s i s k e y w 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 o d e l i n gp a r a m e t e r s ：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 ：m e a s u r e - b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c h ：i n d u c t i o n m o t o r ： f u z z yc l u s t e r i n g i i 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 法律后果由本入承担。 作者签名：巷 强 日期2 0 0 4 年4 月2 日 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 、不保密网。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 彦， 主孑夏 张矿 日期：2 0 0 4 年4 月2 日 日期：2 0 0 4 年4 月2 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电力负荷建模的重要意义 研究运行的电力系统行为时，由于安全运行的限制以及运行状态控制困难的 原因，采用直接在实际系统进行实验的方法显然是不可行的。对于规划设计中的 电力系统，因为系统并没有真正建立起来，更不可能通过实测系统来寻求改进系 统设计的方案。在这样的工程背景下，数字仿真以其经济、方便、准确的优势， 为电力系统的研究、决策、设计提供了一种先进快捷的科学工具。 在现代电力系统中，数字仿真已成为设计、规划、决策和运行的主要科学手 段，这就需要以主要电气设备的数学模型作为其基础，其中包括发电机、原动机、 励磁系统、调速系统、变压器、线路网络和综合负荷。长期以来人们对发电系统、 配电系统的行为机理进行了大量深入的现场实测和理论研究，已经得出适应于不 同仿真精度需求的数学模型。但是负荷模型的研究却由于其自身的随机性、分散 性、多样性和非连续性等所形成的困难， 的进展，造成目前往往从基本概念出发， 恒电流或三者的组合作为综合负荷模型。 理论和模型的研究一直没有取得突破性 采用理想化的模型即恒功率、恒阻抗、 这种粗糙的负荷模型与精确的发电和配 电模型的严重不协调已经使仿真的精确度和可信度大大降低，而且在临界情况下 甚至会得出截然相反的结论。如果在决策时是基于悲观的仿真结果，则会在规划 中因为采取不必要的加强系统结构和反事故的措施造成资金投入的浪费：在运行 方面采取保守的策略来限制功率传输极限则造成设备不能被充分利用的情况。如 果决策时是基于乐观的仿真结果则在规划设计系统结构和反事故措施方面因资金 投入不足造成设计不合理，给以后系统运行的稳定性留下了安全隐患；在运行方 面如果基于乐观的仿真结果则会使系统处于临界的危险运行状态而疏于防范造成 不必要的事故。仿真实践表明，负荷模型对电力系统的潮流计算、小扰动稳定计 算、暂态稳定计算、电压稳定计算的结果都有不同程度的影响，而正是这些影响 造成偏于乐观或保守的仿真结果给电力系统的生产造成潜在的危险或无为的浪 费。 随着电力系统分析研究不断向纵深发展，负荷建模研究工作的重要性日益突 出，因此对电力系统的实际负荷特性进行全面深入的研究，以期得出能尽可能反 映实际负荷特性的负荷模型和参数，应用于电力系统调度的仿真计算和决策，无 疑具有重要的工程和现实意义。 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 1 1 1 负荷模型对潮流计算的影响 目前电力系统的潮流计算中，负荷通常采用恒功率模型。该模型在电网运行 条件良好的情况下是可行的而且满足工程精度要求，即节点电压在额定值附近波 动时潮流解不存在是否收敛的问题，通常都是有解的。但对于运行条件恶劣的情 况下，即节点电压远离额定值，相角偏差也较大时，则潮流计算可能会发散导致 无解。当采用指数模型的幂函数负荷模型则会改善其收敛性，原因是负荷在电压 偏离额定值较远时，吸收的功率( 有功和无功) 会有很大的变化而并非恒定 1 1 。 国内普遍应用的电力系统分析综合程序p s a s p 计算潮流时，采用4 0 的恒阻抗和 6 0 的恒功率负荷模型同样存在上述问题。事实上，当电压低于7 0 的额定值时， 作为负荷主要组成部分的感应电动机已经失稳而脱离了系统，显然6 0 的恒功率 模型不符合实际运行的系统。此时如果采用考虑实际负荷随电压变化的幂函数模 型则潮流计算的收敛性会太为改善。原因是潮流计算的负荷模型没有真实反映实 际的物理过程，即当电压下降时，负荷吸收的有功功率和无功功率都有所下降。 因此从潮流计算的角度要求选定合适的负荷模型。 l 1 2 负荷模型对小扰动稳定计算的影响 电力系统区间低频振荡时会涉及到系统内大量的发电机，从而造成系统电压 和区域频率的明显变化，此时负荷的电压特性和频率特性对振荡具有重要的影响 【2 1 。i e e e 对美国西北部电网的研究中指出1 3 】，在该系统的小扰动动态稳定分析时， 采用恒阻抗的负荷模型比实际的负荷模型得出的结果乐观，其偏差在2 5 左右。 文献【4 】也强调了精确的负荷模型对系统具有镇定的作用。在分柝区域振荡时，除 考虑发电机励磁控制系统的作用外，原动机的转矩一速度特性和负荷特性也是应 该考虑的重要因素。因此分析区域振荡时，必须正确考虑负荷的电压频率特性对 系统阻尼的影响。 1 1 3 负荷模型对暂态稳定计算的影晌 电力系统在大扰动的情况下，发电机输入的机械功率和输出的电磁功率失去 平衡，引起转子速度和相角的变化，机组间发生相对摆动，进而影响发电机的剩 余转矩，而负荷对暂态稳定计算和功率极限的影响极大。负荷模型对暂态稳定的 影响是通过负荷功率随电压、频率的变化影响作用在发电机上的电磁功率，进而 影响对各发电机起加速或减速的剩余转矩。在故障初期电压下降较大而频率变化 较小，故只考虑负荷的电压特性对功率的影响。在故障后期频率变化较大，所以 须考虑频率特性对功率的影响，即负荷模型对暂态稳定的影响主要表现在系统第 一摆稳定性上。负荷模型对暂态稳定的影响不能单纯的认为是使计算结果趋于保 守或是乐观，必须根据实际的工况而定。挪威和瑞典的研究表明【5 】，当降低地区 2 硕士学位论文 负荷的电压敏感性时，如果该地区是输送端，则联络线的传输功率极限会提高； 反之，若该地区是收受端，则联络线的传输功率极限会下降。仿真实践表明，对 于电压、频率变化幅度很大的暂态过程，采用静态负荷模型是不合适的。文献【6 】 在研究加拿大安大略西北部一个从联网的大系统解列的局部系统的动态行为时， 发现采用静态模型和动态模型时计算结果相去甚远，故该文献特别强调在较大的 电压、频率波动的暂态稳定计算时采用动态模型的必要性。文献 7 】也特别强调当 结果对负荷模型的敏感度较高时，应该采用动态负荷模型，其推荐使用感应电动 机模型。另外在评价负荷模型对暂态稳定的影响时重点注意模型对最大传输功率、 极限切除时间的影响，而不仅仅对个别发电机功角摇摆幅度的影响。因此在暂态 稳定计算时必须考虑负荷的自我调节能力对功角稳定的影响。 1 1 4 负荷模型对电压稳定计算的影响 对于电压稳定领域的研究，目前还存在很多问题，甚至对于电压失稳机理的 认识也没有统一的说法。但有一点是明确的即：负荷在电压稳定问题中扮演极其 重要的角色，负荷模型在很大程度上影响着电压稳定的结果。如文献【8 】指出，在 重现1 9 8 3 年瑞典电压崩溃事故的仿真计算中，开始采用简单的静态负荷模型无法 解释电压崩溃的过程，当意识到稳定计算中常用的负荷模型已经不能正确反映低 电压的特性时，最后采用计及感应电动机、照明、空调等用电设备的比较详细的 负荷模型时才给整个崩溃过程以合理的解释。文献【9 】和【1 0 】采用小扰动分析法研 究了电压稳定域与静态幂指数负荷模型的关系，研究表明，电压稳定问题与综合 负荷的电压特性关系极为密切。文献【1 1 】和f 1 2 】迸一步指出，确定负荷动态特性在 电压稳定问题的主导地位，建立适合于电压稳定性研究的负荷模型将是电压稳定 理论走向成熟的关键所在。 目前建立与实际情况尽可能吻合的负荷模型的重要性已被电力研究工作者和 现场的调度运行人员所认识和重视。但是由于建模理论仍没有达到实用化的程度， 调度部门通常采用倾向于保守的负荷模型。电力系统负荷模型对各种仿真结果都 有不同程度的影响，上述仅涉及几个主要的方面，进一步广泛深入的研究仍然很 有必要。负荷建模是一个面广量大、理论联系实际的科研难题，要使负荷模型理 论真正来指导电力工程实践，摆在负荷建模工作者面前的征程依然任重而道远。 1 2 电力系统负荷建模的发展过程 电力系统负荷模型的重要性早在1 9 世纪3 0 - 4 0 年代已经被工程界所认识，前 苏联和美国的学者研究了负荷随电压和频率变化的静态和动态特性【1 3 】，这一时期 可以称为负荷建模的萌芽时期。 在1 9 世纪6 0 年代，电子计算机及控制理论引入了电力系统工程，在这样的 一3 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 背景下，人们可以采用电子计算机对复杂的电力系统进行精确的仿真研究，其基 础就是系统元件的精确模型，同其它元件模型一样，负荷建模工作有了长足的发 展，人们通过研究负荷模型对动态稳定的影响，论证了负荷模型研究的重要性， 并且提出了常用的恒阻抗、恒电流、恒功率模型，在计算中采用了感应电动机模 型和多项式、幂函数静态模型。由于当时系统辨识理论尚处于发展阶段，负荷模 型参数主要靠定性估计，辅助以简单的静态函数拟合。 1 9 世纪7 0 年代初期，负荷建模因其困难性一度在原来的水平上停滞不前，与 之形成鲜明对比，以发电机为中心，原动机，调速器，配电线路等元件的建模向 前迈进了一大步。为了整体上提高电力系统仿真的精度，增强系统分析的可靠性， 必须深入研究负荷模型。随着统计综合法( c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c h ) 在1 9 世纪7 0 年代末被提出，负荷建模又取得了重大的成果。从1 9 7 6 年开始美国 电力研究院( e p r i ) 主持了一项庞大的研究计划，根据该计划的方案，研究在美 国和加拿大同时展开。整个工作经过了严密的计划和组织，从理论、现场实验以 及数据收集系统的软、硬件开发和数据处理的程序等几个方面全面铺开。美国的 t e x a s 大学和g e 公司及其它的电力公司合作进行统计综合法的负荷建模研究， 该方法是在实验室内确定每种典型负荷( 包括异步电动机、电弧炉、空调、同步 电动机等) 的平均特性方程，然后在一个负荷点统计一些特殊时刻( 夏季峰值负 荷、冬季峰值负荷等) 的负荷组成，也就是各种负荷所占的容量百分比，以及配 电线路、变压器和电容补偿容量的数据，最后综合这些数据得出该负荷点的负荷 模型。经过多年的努力，1 9 7 8 完成了e l - 5 0 0 3 计划并开发了基于统计综合法负荷 建模中最具有影响的软件包e p r i _ l o a d s y n 。该软件使用时需要三种数据：负 荷组成，即各类负荷( 工业、商业、农业、居民等) 所占的比例；各类负荷中各 种用电设备所占的比例；各种用电设备的平均特性。对于使用者来说，必须提供 的只有第一种数据，后两种数据可以利用软件包所提供的典型参数【】。 在e p r i 这项工作的推动下，进入二十世纪八十年代以后，负荷建模的研究又 有了新的进展。1 9 8 2 年在西欧国际大电网会议( c i g r e ) 上成立了有关负荷建模 的工作组( c s c 2 8 w g 0 2 ) 旨在研究和建立适合于电力系统计算的动静态负荷模型。 1 9 8 4 年9 月在芬兰赫尔辛基召开的第八界电力系统计算会议( p s c c ) 也将负荷建 模列为重要的研究课题之一。 1 9 世纪8 0 年代前后，迅速发展的系统辨识理论取得了令人瞩目的成就，加之 计算机数据采集与处理技术的发展，为新的负荷建模方法一总体测辨法 ( m e a s u r e b a s e dm o d e l i n g a p p r o a c h ) 的产生提供了条件。该方法的基本思想是将负 荷群作为一个整体，在现场进行人为的扰动试验或捕捉系统自然扰动，采集并记 录该扰动数据，然后由现场采集的数据辨识出负荷模型的结构和参数，最后再由 实测的数据验证所建模型的有效性。中国、美国、日本、加拿大和澳大利亚等国 硕士学位论文 在实际系统中进行了大量的研究并且相继开发了一大批电力负荷特性记录装置， 记录了大量的数据以此为基础进行总体测辨法的负荷建模研究。该方法简单实 用，不需要先验数据，目前该方法不断吸收系统辨识的最新成果，研究工作十分 活跃【1 5 1 。 i e e e 负荷建模工作组自1 9 8 2 年成立以来，对指导负荷建模的研究和总结负 荷建模的研究成果起到了重要的作用，其不定期发表的专题报告以指导并推动负 荷建模工作的研究。1 9 9 3 年的报告统一了负荷建模的许多术语和定义，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【1 6 】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，以期推动负荷建模深入研究和实际应用，同时也作 为负荷模型标准化的补充。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，为各种仿真程序的使用者进行负荷模型数据转换提供 了方便。 在过去的2 0 年中，电力负荷建模基本上沿着统计综合法和总体测辨法这两条 道路不断发展和完善的，分别取得了许多可喜的成果，并且一些研究成果已经直 接应用于实际系统的仿真计算，例如据i e e e 负荷建模工作组1 9 8 8 年在北美电力 系统的调查表明，部分公司在仿真计算中已经采用了e p r i l o a d s y n 软件包。 但是从应用的角度看，由于综合负荷的时变性、分散性、高维非线性等特点，准 确负荷模型的建立和模型参数的确定仍然相当困难，需电力负荷建模工作者付出 艰苦的努力。 1 3 电力负荷建模研究现状 1 3 1 建模方法 在电力系统负荷建模的研究中，人们提出很多的建模方法，目前方法主要集中 为两类：一类是“统计综合法”，另一类是“总体测辨法”。统计综合法以美国电 力研究院( e p r i ) 开发的软件包l o a d s y n 为代表，这种方法的基本思想是根据 综合负荷所包含的各个用电设备的数学模型和所占容量比例，按照统计综合的方 法得到综合负荷模型。总体测辨法的基本思想是把负荷看成黑箱或灰箱，从现场 采集的输入输出数据对，按照辨识理论，用最优化方法计算出模型的参数。其典 型成果以加拿大q u e b e c 和o n t a r i o 水电研究所开发的在线监视装置为代表。 1 3 1 1 统计综合法 统计综合法基于统计学原理，其基本思想是将负荷看成个别用户的集合，每一 用户则是各类用电设备的集合。将其电器分类并确定各种类型电器的平均特性， 然后根据各类电器的比重，得出综合负荷模型。 5 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 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模 型参数，然后在综合负荷点( 例如枢纽变电站) 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静态负荷模型。 统计综合法一般需要三种数据：用电设备的平均特性：每个行业用电设备的 比例和组成。各种行业的组成和容量比例。其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 大且难以获得准确的统计结果。( 2 ) 各电器元件的平均特性难以确定。( 3 ) 对无 功电压特性和频率特性以及动态特性难以准确模拟。 1 3 。1 2 总体测辨法 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整体，先从 现场采集测量数据，然后根据这些数据辨识出综合负荷模型结构和模型参数，最 后再用大量的实测数据验证模型的外推内插效果。 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， 新型的微机负荷特性记录装置已经具备了在线连续采集母线故障数据，并通过微 波或互连网远方传输数据的功能，为总体测辨法建模提供了良好的硬件环境。 该方法的核心是根据实测的故障数据确定模型的结构和模型参数，使得模型 响应很好拟合实测的负荷数据。围绕建模的模型和参数辨识国内外学者作了大量 的工做，但目前应用于工程实际还相当有限，仍需要继续深入研究和探讨。 与统计综合法相比，总体测辨法具有以下优点：( 1 ) 无须知道各负荷的用电 设备组成及其模型参数，不依赖于统计资料。( 2 ) 负荷特性记录仪处在长期工作 状态，可以根据各个时刻的扰动数据得到相应的负荷特性参数，解决了负荷特性 时变性的问题。( 3 ) 负荷组成成分复杂仍可以用简单的输入输出模型来描述。其 缺点是：( 1 ) 需要安装大量的监测设备投资大。( 2 ) 由于大扰动不经常出现，所 以监测周期长。 1 3 2 负荷模型 负荷模型有多种分类形式，按模型反映负荷的特性可分为静态和动态：按模 型描述方式分为机理和非机理：按模型线性化程度分为线性和非线性。通常以动 静态负荷模型来分类。静态模型用代数方程来描述，动态模型用微分方程或是差 分方程描述，每一类都有多种结构形式。 1 3 2 1 静态负荷模型 基本的静态模型结构为：幂函数模型和多项式模型。通常幂函数模型在电压 6 硕士学位论文 变化范围比较大的情况下仍然能较好的描述多种负荷的静态特性，因此广泛用于 负荷建模。但对于有些恒功率用电设备( 例如空调) 在电压降低时吸收的功率反 而会增加，用一个幂函数难以作整体的描述，而采用多个幂函数相加则可以得到 满意的结果，这时有的幂指数可能是负值。多项式模型由恒阻抗、恒电流、恒功 率按一定的比例组合而成，它可以看成三个幂函数相加的特例，三个幂函数的幂 指数分别为0 、1 和2 ，且三个幂函数的系数之和为1 。而恒阻抗、恒功率、恒电 流则又是多项式模型的特例。因此静态负荷模型采用幂函数具有很大的灵活性。 静态负荷模型是指在稳态条件下，负荷功率与端电压和频率之间的非线形函 数关系。建立静态模型的方法有统计综合法、稳态实验法和在线辨识法。文献 f 1 7 1 【1 8 【1 9 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，统计综合法建立负荷静态模型的方法。文献 2 0 1 应用参数辨识的方 法获得了东北地区部分行业的静态模型参数。目前通过统计综合法详细建立负荷 的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为基础的稳态分析。在电力系统仿 真计算中，静态负荷模型一般适用于电压扰动不太复杂且扰动幅度不太大、计算 结果对负荷模型不太敏感的负荷点的长过程动态分析。目前国内电力系统潮流计 算多采用恒功率模型，暂态计算多采用多项式模型。与有些文献描述不同的是， 由于大部分计算程序采用多项式模型，而在电压低于0 6 u n 相应的模型转化为恒 阻抗模型，所以多项式负荷模型不存在电压为零时功率不为零的问题。 1 3 2 2 动态负荷模型 动态负荷模型进步可分为机理模型和非机理模型。 l 机理模型 机理模型通常就是感应电动机模型，它由静态负荷和动态负荷部分并联，其中 静态负荷由电阻、电容并联；动态用异步电动机的简化r 型电路组成。复杂的模 型一般是增加异步电动机的机械特性或者增加异步电动机的台数，或者根据实际 情况增加特定的某种负荷结构。这种模型的最大优点是具有明确的物理意义，易 于被人们理解。其不足之处是对于某些用电设备或用电场合，难以获得简明的模 型和获得有关的模型参数。一般来说，由于负荷内部结构的复杂性，用机理模型 难以描述其复杂特性，因而其实用性受到一定的限制。文献 2 1 1 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1 2 2 1 在上述基础上，采用解耦辨识的方法，提出 一种增加无功功率静态补偿的新的感应电动机模型。文献 2 3 1 对感应电动机的三种 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。 2 非机理模型 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 非机理模型也称输入输出模型。它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，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。每一种非机理模型都有其普遍 适用的范围，也正是由于其普遍适用性掩盖了其作为具体系统的物理机理，而负 荷模型所需要的是负荷的外部特性，即输入输出特性，并不苛求模型的的机理解 释，非机理模型刚好满足这个要求。 常见的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。此外还有考虑负荷模型非线性而提出的人工神经网络模型。文献 2 4 】 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【2 5 将混沌神经网络理 论引入负荷建模建立一种混沌神经网络模型。其中最有影响的是考虑低电压下功 率恢复特性的常微分方程模型、具有外部控制项的自回归滑动平均模型和线性差 分模型。目前还不存在一种被人们普遍承认的广泛使用的模型结构。模型结构的 确定需要针对具体的对象和建模的目的，还要结合模型来判断其有效性和有效范 围，因为除真正的机理模型外，非机理模型都有其相对有效的范围，很难找到一 个绝对有效的非机理模型。 1 - 3 3 模型参数的获取 当负荷模型的结构和形式确定后参数辨识就相对比较容易，其本质是一个单 纯的数值优化问题。对于l o a d s y n 所支持的模型来说，可以通过统计综合法获 得模型参数。对于其它负荷模型来说，必须借助系统辨识理论。 静态负荷模型可采用求解非线性最d , - - 乘问题的牛顿法、阻尼最小二乘法， 也可以采用各种非线性优化的方法。例如直接法的单纯形法以及最速下降法、共 扼梯度法等【z 。 对于动态模型，其参数辨识包括准则和算法两部分【2 5 1 ，常用的准则有最小二 乘、最大似然、最小方差等，其中普遍采用最小二乘法。确定准则之后，参数辨 识就转化为在某种约束条件下求最优解的最优化问题，即可采用最优化方法求解， 也可采用各种非线性优化方法。与静态负荷模型参数辨识不同，动态负荷模型参 数辨识在参数寻优过程中要考虑动态约束条件。文献f 2 8 】对模型回响辨识和系统回 响辨识进行了区分，指出负荷建模应采用基于模型回响辨识的观点。文献 2 9 1 提出 一种用于电力系统负荷建模和参数辨识的遗传进化算法，该方法与传统的最小二 乘相比具有全局搜索优化的特点。文献【3 0 】对i e e e 工作所公布的常用的非机理模 型进行研究，结果表明，一些常见的非机理模型不可辨识，必须采用统计综合法 或增加附加信息。近年来研究较多的遗传算法的确为负荷模型的参数辨识提供了 一种新方法，但该算法仅对模型参数的全局寻优具有作用，而并未触及到负荷建 模问题的实质。 硕士学位论文 1 3 4 电压稳定与负荷建模 负荷特性对电压稳定有着极其重要的影响，电压稳定分析中的模型要求有区 别于其它系统仿真的独特之处：就是负荷模型必须适应电压大跨度变化范围的要 求。这是因为从静态看，负荷的静态特性尤其是低电压条件下的静态电压特性在 根本上决定了系统静态运行点的电压稳定行为；从动态看，负荷的功率恢复特性 及低电压失稳特性在根本上决定了系统电压崩溃与否及电压崩溃的过程。一方面 负荷的功率恢复特性可能将运行较低的系统推向崩溃的边缘，尤其是低电压失稳 特性可能导致电压崩溃；另一方面负荷的低电压失稳而脱离电网则可以抑制电压 崩溃的发生。这就是负荷特性对电压稳定的双重性，因此理想的用于电压稳定分 析的负荷模型必须能够描述这种二重性质。 负荷建模研究的主要动力来自电压稳定分析理论的需要，因此目前负荷建模 所取得的成果也主要来自电压稳定分析研究。文献【3 1 】和【3 2 】归纳总结了感应电动 机、恒温负荷、含有载调压变压器的负荷特性，提出了一种具有功率恢复特性的 非线性通用模型。在此基础上文献【3 3 】和【3 4 】对其作了改进，并通过现场实测，验 证了一定程度的电压降低情况下功率恢复现象的存在，利用实测数据也较好描述 了负荷这种低电压功率恢复特性。文献 3 5 】和【3 6 】全面论述了电压稳定中综合负荷 模型的应用现状，系统阐述了当前电压稳定分析负荷模型的特点及主要存在的问 题，提出了电压稳定分析中综合负荷建模的基本要求和建模方法。应当说建立用 于电压稳定分析的负荷模型是目前负荷建模研究的一个主要方向。 1 3 5 综合负荷模型的分类与综合 综合负荷具有随机性、时变性和非线性等特点，以至许多人怀疑负荷究竟有 无规律可循。从现场实测的数据可以看出，综合负荷表现的动态过程通常为一阶 或二阶的，其高阶性因大量不同用电设备的随机波动所抵消。综合负荷模型就是 要抽象出其共同的本质特征而不是对其个性进行详细的描述，也就是建立简单的 却又能把综合负荷的共性描述出来的负荷模型。文献【3 7 】针对上述问题提出了负荷 建模必须面向综合的观点。文献【3 8 】从总体测辨法建模的角度指出，应对所采集的 扰动数据先进行基于模式识别的分类，然后在分类的基础上进行综合的建模思想。 此外还有负荷模型对暂态灵敏度分析，负荷模型的有效性验证，有些文献对此 进行了探讨。因为系统范围的检验相当困难和复杂，但是建立模型的目的主要是 为了应用于系统的仿真计算，所以系统检验是最高层次的检验。文献 3 9 1 在这方面 做了探讨。 1 3 6 建模研究中存在的问题 电力负荷建模在理论和应用都取得相当的进展和研究成果，但相对于电力系 9 ， 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 统的其它部分仍需加快研究步伐。目前负荷建模主要侧重于基于系统辨识理论、 采用一定的模型结构和辨识方法使模型对于系统实测负荷特性数据最大程度的拟 合，对模型在系统计算中的校验关注较少。按照个人理解以下方面需要加强进一 步研究： 1 用于低电压、低频率、中长期动态仿真的负荷特性和模型，在这种情况下， 负荷特性会发生突变，而依靠总体测辨法负荷建模很难捕捉这样的事故记录，应 该主要依靠统计综合法，而统计综合法负荷建模的工作开展的很少，此类的文献 也很少见报。 2 模型的地域通用性问题。即由某负荷点建立的负荷模型表现出的专有性， 难以灵活的推广至其它负荷点。模型电压的通用性和模型对实际负荷的时变性问 题的描述都是亟待解决的实际问题。 3 综合统计法调研的组织工作、总体测辨法的现场试验都应该引起电力部门 的高度重视和密切配合，相关工作应在国家电网公司的统一组织下进行，以求尽 快建立我国的负荷模型和模型参数的数据库。 1 4 本文的主要研究内容和所取得的研究成果 本文的主要研究内容是湖南大学与湖南省电力调度中心合作的关于湖南电网 综合负荷特性的研究科研课题。针对课题要求主要采用以下方法展开研究工作。 1 4 1 论文采用的研究方法 基于对湖南电网各种行业典型用户的负荷特性调查和典型变电站( 2 2 0 k v 枢 纽变电站) 进行行业组成比例统计的基础上，借助于动模实验室的典型用电设备 静态和动态模拟实验以及安装在现场变电站的负荷特性记录仪所获得的实测故障 数据，主要采取基于调查资料的统计综合法和基于负荷特性记录仪所得数据的总 体测辨法展开研究，两者既彼此独立进行又相互补充，研究实践证明了该方法是 可行且有效的。 1 4 2 本文的研究内容和取得的成果 在湖南电网典型用户和典型变电站进行了负荷特性调查的基础上，针对目前 建模实际中存在的问题，利用动态模拟实验和安装在现场的负荷特性记录仪所获 得的故障数据，进行如下主要研究： 1 从模型的辨识原理、模型结构的选择和模型参数的辨识三方面，结合本论 文的实际工作的需要，阐述了总体测辨法负荷建模的特点和相关的基础理论。这 部分内容见第二章，它是本论文所有工作的理论基础部分。 1 0 。 硕士学位论文 2 利用统计综合法确定综合负荷的设备组成及其比例，确定其静态幂函数模 型和典型用电设各的多项式模型参数，建立典型用电设备的静态幂函数模型参数； 建立典型行业的静态幂函数模型参数和动态负荷模型及其参数；建立湖南电网主 要变电站( 2 2 0 k v ) 的静态和动态负荷模型。本内容见第三章。 3 。用模糊聚类原理对潮流计算和电压稳定分析所用的变电站进行聚类分析， 使建模结果具有推广使用价值；对调查的典型行业的典型用户通过模糊聚类的方 法进行亲疏分类，去掉并不典型的用户使其不参与行业负荷特性的综合，从而使 得到的行业静态特性参数更加符合电网的实际情况：分不同的用电时段统计出用 于仿真计算的变电站感应电动机和恒定阻抗的比例。本内容见第四章。 4 感应电动机负荷模型的辨识原理和方法以及感应电动机负荷模型的参数 确定，采用总体测辨法和感应电动机实测参数相结合的办法，得出了用于暂态分 析计算的感应电动机负荷模型参数，重点对暂态计算结果影响较大的定子漏电抗 进行了分析，并且与现场调查的实测感应电动机参数进了比较，得出一些有意义 的结论。本内容见第五章。 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 第2 章电力综合负荷建模的基本理论 2 1 系统辨识理论的基本概念 2 1 1 系统辨识 系统辨识是现代控制理论的一个分支。在现代控制领域中，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，三者相辅相成，缺一不可。系统辨识即为“动态建模”，是指在输入和输出 数据的基础上，在给定的模型中，确定一组与所测系统等价的模型。通俗的讲就 是利用被控制系统的输入和输出数据，经过计算机处理后，估计出系统的数学模 型。辨识的实质可以理解为数据拟合的优化，其中包含系统辨识的三要素：输入 输出数据对、模型结构和收敛准则。 系统辨识的原理图如下： 图2 1 系统辨识原理图 f i g 2 1s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nd i a g r a m 2 1 2 辨识方法分类 按照对待测系统的理解程度，可形象地把系统分为三类，即黑箱、灰箱和白 箱。黑箱是对系统一无所知，其模型结构、阶数和参数均未知。灰箱是指对系统 了解部分，如已知模型结构、阶数、待测模型参数。白箱是系统的模型可用物理 机理写出。电力系统负荷建模属于灰箱建模1 2 7 l 。 根据辨识理论，辨识方法可分为经典辨识法和现代辨识法两类。经典辨识法 与经典控制理论相对应，其建立的数学模型为时域脉冲响应或频率响应，相频、 幅频特性属于此范畴；现代辨识法与现代控制理论相对应，其建立的数学模型有 状态空间方程、差分方程等。此外从系统辨识的处理过程看，辨识过程可分为离 线辨识和在线辨识两种。辨识方法基本分类如表2 1 所列。 1 2 硕士学位论文 表2 1 辨识方法分类 t a b2 1c l a s so fi d e n t i f i e dm e t h o d s 分类方法特点数学模型 卷积辨识法确定性、时域非参数型时域脉冲响应 经典法相关辨识法随机性、时域非参数型时域脉冲响应 频域f f t 法随机性、频域非参数型频域、幅频和相频特性 最d - - 乘估计法 状态空间方程 现代法极大似然法随机性、时域、参数型 差分方程 卡尔曼滤波法 2 2 电力系统动态负荷数学模型的特点 系统辨识理论是电力系统负荷建模方法中总体测辨法的重要的理论基础。总 体测辨法负荷建模的基本思想是将负荷看作所有用电设备的集合整体，通过安装 在现场的负荷特性记录装置采集测量数据，然后确定负荷模型的结构，最后根据 现场采集的数据辨识出综合负荷的模型参数。 总体测辨法负荷建模是一种比较新颖的方法，通过输入输出信息确定模型参 数，故只关心动态系统的外部特性，这样就避开了综合负荷中各种用电设备组成 复杂性的难点，它无需知道单个负荷的组成比例和特性参数，但其前提是知道综 合负荷的模型结构。即称为“灰箱”建模。电力系统学科是建立在严格的电工理 论基础上，动态机理模型多数是已知的，所以灰箱建模是电力系统辨识的一大特 点，感应电动机动态负荷建模即属于此类。这类系统的辨识过程是先列出数学模 型，再用辨识方法求出模型的参数值。通常先用物理模型写出连续时间的参数模 型，即传递函数和状态方程，必要时加以离散化。 电力系统综合负荷是高维的非线性系统，所以微分方程比较复杂，通常不采 用直接线性系统的离散化，而采用线性化后用数值法求解。常用的解法有欧拉法、 改进欧拉法、龙格- 库塔法及隐式积分法，所以首先把高阶微分方程转化为一阶微 分方程组，也可以理解为写成状态方程，然后再用各种数值解法递推求解。 2 3 离散系统的描述 2 3 1 传递函数描述 一个连续的动态系统通过采样器采样之后，变成了一系列离散型信号，此时就 可以利用离散的动态模型来描述系统的特性，即用时域的差分方程和复域的z 变 换传递函数表示。 1 3 基于实际电网的负荷建模理论与方法研究 设离散系统采样步长为h ，第k 个采样时刻f 。k h 。又设单变量时不变线性系 统的连续输入信号为“( f ) ，输出信号为y ( f ) ，在第k 个采样时刻分别为u ( k h ) 和 y ( k h ) 。通常为了书写方便，离散时间肋写成k ，相应的h ( 触) 简写成“ ) ，y ( 胁) 简写成y ( k 1 ，则离散时间的差分方程表达式为