（电气工程专业论文）负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究.pdf

负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 摘要 负荷动态特性对电力系统的动态行为具有重要的影响 是引起电力系统电压 稳定问题的关键因素 本文以负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响为主线 研究内容包括负荷时变性问题 负荷动特性的分类与综合方法 小干扰电压稳定 分析的模型和指标 暂态电压稳定分析的模型和快速判断方法 采用对实测负荷动特性进行分类与综合的方法来解决负荷建模中的负荷时变 性问题 基于随机过程相关性原理 提出了基于实测响应空间的负荷动特性分类 方法 该方法以负荷动特性的实测响应空间为特征向量空间 首先对各个样本的 实测响应进行时间坐标的标准化 再计算实测响应空间各样本间的相关系数 最 后采用系统聚类法按样本间的相关系数值进行分类 实测响应空间具有能够直接 准确地反映负荷特性样本对应的负荷构成的本质特征的优点 工程应用实例表明 了该方法的分类结果准确 实现简便 提出了基于实测响应空间的负荷动特性直接综合方法 以建立同类负荷特性 中不同样本的通用负荷模型 该方法首先通过求得某类负荷特性中所有样本的重 心作为该类负荷特性的聚类中心 再通过对聚类中心等效样本进行参数辨识以得 到该类负荷特性的综合模型参数 建模实践表明该方法得到的某类负荷特性的综 合模型参数能够较好的描述该类负荷特性中的所有样本 其物理意义清晰 计算 量小 并且 采用判别分析法对新采集的负荷特性样本进行归类 以修正各类负 荷特性的聚类中心 进而修正各个类的综合模型参数 这样 修正的综合模型参 数就能够反映负荷特性发生的新变化 从而提高了综合模型参数的准确性 通过对电力系统在任一时间断面上从某个负荷母线向系统侧看进去部分进行 戴维南等值 并对负荷采用三阶感应电动机并联恒阻抗动态模型 构建了系统电 压稳定分析的微分代数方程组 d a e 模型 并推导出系统小干扰电压稳定分析的线 性化方程的状态矩阵的解析表达式 系统研究了负荷模型参数与负荷节点p v 曲线 上小干扰电压稳定极限点位置的关系 并得出了此等值系统的小干扰电压稳定性 本质上是负荷中感应电动机部分的静态稳定性 负荷中感应电动机部分采用三阶 模型和一阶模型得到系统平衡点的小干扰电压稳定性是一致的结论 因而在负荷 中感应电动机部分采用一阶模型条件下提出了一个在线小干扰电压稳定状态指标 l 推导出了指标三 的解析表达式 算例分析表明厶计算量小 线性特性较好 变化幅度大 适合于在线表征系统当前运行点各个负荷节点的电压稳定程度 提出了一种负荷采用三阶感应电动机并联恒阻抗动态模型时电力系统暂态电 压稳定的快速判断方法 推导出了此动态负荷模型下电力系统数学模型的一般化 博士学位论文 描述 针对采用牛顿法求取故障后系统主导不稳定平衡点 c u e p 存在的初值选取 难题 提出了一种实用但不失严谨的解决方案 通过识别给定故障的主导负荷母 线 对主导负荷母线以外系统由故障后稳定平衡点 s e p 处的状态进行戴维南等 值 对负荷中的感应电动机采用其稳态等值电路 再由感应电动机的转矩特性求 得c u e p 附近的一个点作为近似的c u e p 以此为迭代初值以可靠求得c u e p 并 采用二阶正规型来近似c u e p 的稳定流形的方法求得近似的s e p 的吸引域的局部 边界 算例分析表明应用该方法判断电力系统的暂态电压稳定性具有较高的准确 度 关键词 负荷建模 电压稳定 负荷时变性 负荷动特性分类 负荷动特性综合 小干扰电压稳定 暂态电压稳定 感应电动机 i 负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 a b s t r a c t e l e c t r i cl o a dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a sg r e a tr e l a t i o nt ot h ed y n a m i cb e h a v i o ro f p o w e rs y s t e m a n di ti st h ek e yf a c t o ro fc a u s i n gt h ev o l t a g ei n s t a b i l i t yp r o b l e m t h i s d i s s e i r t a t i o nm a k e st h el o a dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n ga n di t si n n u e n c et o v o l t a g es t a b i l i t ya sk e y s t o n e a n di t sr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d el o a dt i m e v a r i l t i o n c h a r a c t e r p r o b l e m c l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i sf o rd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z i n gm o d e la n dm e t h o df o rs m a nd i s t u r b a n c ev o l t a g es t a b i l i t y a n a l y z i n gm o d e l 肌dq u i c k j u d g m e n tm e t h o df o r t r 锄s i e n tv o l t a g es t a b i l i t y t h ec l a s s i f i c a t i o na n ds y n t h e s i sf o rd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c si su s e dt os e t t l e t h et i m e v a r i a t i o nc h a r a c t e rp r o b l e mi nm e a s u r e m e n t b a s e dl o a dm o d e l i n g b a s e do n t h er a n d o m p r o c e s sc o r r e l a t i o nt h e o r y an e wd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s c l a s s i f i c a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d i tu s e st h ef i e l dm e a s u r e dr e s p o n s es p a c ea st h e c h a r a c t e rv e c t o rs p a c eo fd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t t h em e a s u r e dr e s p o n s eo f e a c hd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c ss a m p l ei ss t a n d a r d i z e di nt i m ec o o r d i n a t i o n t h e n t h ec o r r e l a t i o nc o e m c i e n t so fa l lt h es a m p l e si nm e a s u r e dr e s p o n s es p a c ei sc o m p u t e d a tl a s t t h es y s t e mc l u s t e r i n gm e t h o di su s e dt om a k et h es a m p l e sc l a s s i f i c a t i o n t h e m e a s u r e dr e s p o n s ec a nr e f l e c tt h el o a dc o m p o s i t i o nc h a r a c t e ro fe a c hs a m p l ev e r y g o o d t h ep r o j e c ti n s t a n c es h o w st h a tt h ec l a s s m c a t i o nr e s u l to ft h em e t h o di s v e r a c i o u s a n dt h er e a l i z a t i o no ft h em e t h o di sc o n v e n i e n t i no r d e rt ob u i l dt h ec o m m o nl o a dm o d e lo fad y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c s c l a s s i f i c a t i o n an e wd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c ss y n t h e s i sm e t h o dt h a t d i r e c t l y s y n t h e s i z e st h ef i e l dm e a s u r e dl o a dc h a r a c t e r i s t i c si sp r e s e n t e d t h i sm e t h o du s e st h e c e n t e ro fg r a v i t yo fa l lt h es a m p l e si nad y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c sc l a s s i f i c a t i o na s t h ec l u s t e r i n gc e n t e ro ft h i sc l a s s i f i c a t i o n a n db yd o i n gp a r 锄e t e ri d e n t i f i c a t i o no ft h e c l u s t e r i n gc e n t e re q u i v a l e n ts a m p l e t h es y n t h e t i cl o a dm o d e lo ft h i sc l a s s i f i c a t i o ni s g a i n e d t h el o a dm o d e n gp r a c t i c es h o w e dt h a tt h es y n t h e t i cm o d e lg a i n e d 舶mt h i s m e t h o dc a nr e p r e s e n td i f 亿r e n td y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c ss a n l p l e si nac l a s s i f i c a t i o n v e r yg o o d a n dt h em e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fc l e a rp h y s i c a lm e a n i n ga n ds m a l l c o m p u t i n g m o r e o v e r t h ed i s t i n g u i s ha n a l y s i si su s e dt od e t e 咖i n et h ec l a s s i f i c a t i o n a s c r i p t i o no ft h en e wd y n 锄i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c ss a m p l e s a n dt h en e wc l u s t e r i n g c e n t e ro fe a c hc l a s s i f i c a t i o ni n c l u d i n gn e wd y n a m i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c si s g a i n e d t h e nt h e a m e n d a t o r ys y n t h e t i c l o a dm o d e l p a r a m e t e r s o ft h e c o r r e s p o n d i n g i v 博十学位论文 c l a s s i f i c a t i o ni sa l s og a i n e d i nt h i sw a y t h ea m e n d a t o r ys y n t h e t i c 1 0 a dm o d e l p a r a m e t e r sc a nr e n e c tt h en e wc h a n g e so fa c t u a ll o a dc h a r a c t e r i s t i c a n dt h en i c e t yo f s y n t h e t i cl o a dm o d e lp a r a m e t e r s r e p r e s e n t i n gt h el o a dc h a r a c t e r i s t i ci si m p r o v e d t h et h e v e n i ne q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e dt or e p r e s e n tt h es y s t e ms i d ea ss e e nf r o m al o a db u so fp o w e rs y s t e ma ta n yt i m e a n dt h et h i r do r d e ri n d u c t i o nm o t o rp a r a u e l e d w i t hc o n s ti m p e d a n c ed y n a m i cm o d e li su s e dt 0r e p r e s e n tt h el o a d t h ed i f f e r e n t i a la n d a l g e b r a i ce q u a t i o n s d a e m o d e lo fa n a l y z i n gt h ev o l t a g es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi s b u i l tu p a n dt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o no ft h es t a t em a t r i xo ft h el i n e a rs m a l ld i s t u r b a n c e e q u a t i o no ft h ee q u i v a l e n ts y s t e mi sd e d u c e d t h er e l a t i o no f t h ed y n 锄i cl o a dm o d e l p a r 锄e t e r sa n dt h ep o s i t i o no ft h es m a l ld i s t u r b a n c ev o l t a g es t l b i l i t yl i m i tp o i n t i nt h e p vc u r ea r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sm a tt h ee s s e n c eo ft h es m a l l d i s t u r b a n c ev o l t a g es t a b i l i t yo ft h ee q u i v a l e n ts y s t e mi s t h es t e a d ys t a b i l i t yo ft h e i n d u c t i o nm o t o rp a r ti nl o a d a n dt h es m a l ld i s t u r b a n c ev o l t a g es t a b 订i t yo fe q u i l i b r i u m p o i n t so ft h es y s t e mi st h es 锄ew h e t h e rf i r s to r d e rm o d e lo rt h i r do r d e rm o d e l i su s e d t or e p r e s e n tt h ei n d u c t i o nm o t o rp a r ti nl o a da r eg a i n e d s oi nt h ec o n d i t i o no ft h ef i r s t o r d e rm o d e li su s e dt or e p r e s e n tt h ei n d u c t i o nm o t o rp a r ti n1 0 a d an e w o n l i n es m a u d i s t u r b a n c ev o l t a g es t a b i l i t ys t a t ei n d e x i sp r e s e n t e d t h ea n a l y t i ce x p r e s s i o no f 厶 i sd e d u c e d t h ei n s t a n c e sa n a l y s i ss h o w st h a tt h ec o m p u t a t i o no f ji ss m a l l t h el i n e a r c h a r a c t e r i s t i co f 工ji sg o o d a n dt h ev a r i a t i o nm a g n i t u d eo f 工si sb i g s oi ti ss u i t a b l e f 0 ro n 1 i n er e f l e c t i n gt h ev o l t a g es t a b i l i t yd e g r e eo fl o a db u s e sa tt h ec u r r e n to p e r a t l n g p o i n to ft h es y s t e m am e t h o dw h i c hc a nq u i c k l yd e t e m i n et h et r a i l s i e n tv 0 1 t a g es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e mc o n s i d e r i n gt h et h i r do r d e ri n d u c t i o nm o t o rp a r a l l e l e dw i t hc o n s ti m p e d a n c e d y n a m i cl o a dm o d e li sp r e s e n t e d t h eg e n e r a lr e p r e s e n t a t i o no ft h em a t h e m a t i c s m o d e lo fp o w e rs y s t e mw i t ht h i sd y n a m i cl o a dm o d e li s d e d u c e d a i m e da tt h e p r o b l e mo fc h o o s i n gt h ei n i t i a lv a l u ew h e nt h en e t o nm e t h o di su s e dt oc o m p u t e t h e c o n t r o l l i n gu n s t a b l ee q u i l i b r i u mp o i n t c u e p o f t h ep o s tf a u l ts y s t e m ap r a c t i c a la n d r i g o r o u ss o l v i n gs c h e m ei sp r e s e r l t e d b yi d e n t i f i y i n gt h ec o n t r o l l i n gl o a db u so ft h e g i v e nf b l u l t a n du s i n gt h et h e v e n i ne q u i v a l e n tc i r c u i tt or e p r e s e n tt h er e s t o ft h e s y s t e ma tt h es t a t eo ft h es t a b l ee q u i l i b r i u mp o i n t s e p o ft h ep o s tf a u l ts y s t e m a n d t h e nu s i n gt h et o r q u ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d u c t i o nm o t o r ap o i n tn e a rt h ec u e pi s g a i n e dt ob et h ei n i t i a lv a l u e t h es e c o n do r d e rn o r m a lf 0 mi s u s e dt oa p p r o x i m a t e t h es t a b l em a n i f o l do fc u e p 锄dt h ea p p r o x i m a t i n gl o c a lb o u n d a r ro f t h er e g i o no f a t t r a c t i o no fs e pi sg a i n e d t h ei n s t a n c e sa n a l y s i ss h o w st h a tt h en i c e t yo f t h em e t h o d i sh i g hw h e ni ti su s e dt od e t e n i l i n et h et r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m v 负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 k e yw o r d s l o a dm o d e l i n g v o l t a g e s t a b i l i t y l o a dt i m e v a r i a t i o nc h a r a c t e r c l a s s i f i c a t i o nf o r d y n a m i c l o a dc h a r a c t e r i s t i c s s y n t h e s i s f o r d y n a m i c l o a d c h a r a c t e r i s t i c s s m a l ld i s t u r b a n c e v o l t a g es t a b i l i t y 7 i r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t y i n d u c t i o nm o t o r v 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 法律后果由本人承担 作者签名 材 薄江 日期 矽寸年 月 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 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 一 作者签名 导师签名 日期 删年多月 日 日期 加挣 月 日 博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力系统是由发电机 电力网和用电负荷三个部分组成的大型复杂系统 实 现电能的生产 传输和消费的功能 整个电力系统在运行过程中经常会受到各种 各样的干扰 如负荷变动 自然灾害 设备事故 人为失误等 保证系统在受到 干扰条件下的安全稳定 是电力系统正常运行的必要条件 因此 必须建立起分 析电力系统安全稳定性的理论和方法 对电力系统这一对象进行研究 会受到一个重要的客观条件所限制 即实际 电力系统在很多情况下是不允许直接在其上面进行试验的 例如 要分析电力系 统在某个故障下能否保持稳定运行 不能直接对系统施加这个故障 因为如果故 障后系统不能稳定运行 将会造成停电事故 这是不允许的 因而这些情况下电 力系统只能通过模拟的方法进行研究 数字仿真是目前普遍采用的技术手段 要 保证数字仿真的结果与实际情况相吻合 一方面必须采用具有较高精度和较好数 值稳定性的仿真算法 另一方面必须对电力系统的各个元件建立起其准确的数学 模型 在电力系统三大元件中 发电机和输电网络的模型都已比较成熟 而综合 负荷模型却相对粗糙 成为制约仿真结果准确性的主要因素 综合负荷是指变电 站某一母线以下所有电气元件的总称 不仅包括众多的用电设备 还包括配电网 络 无功补偿装置和负荷区域发电厂等 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的波动而变化的静态和动态方程 由于综合负荷具有结构复杂 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 上世纪七十年代后期以来 世界范围内发生了多起与电压失稳有关的大面积 停电事故 1 1 2 l 不仅给电力部门和各个用电行业带来巨大的经济损失 还极大地影 响了人民群众的正常生活 电压稳定性问题已成为电力系统研究领域里的一个大 挑战 电压稳定问题是电力系统稳定性问题的一个重要方面 属于动态问题 应 采用动态分析方法 鉴于实际电力系统的电压失稳事故多数持续时间较长 所以 早期的研究者多数把电压稳定性问题看作是静态问题 采用基于潮流计算的静态 分析方法 这种方法的理论体系和工程应用都己发展得比较完善 而考虑系统中 元件动态特性的动态分析方法则起步较晚 理论上还不够成熟 工程应用就更少 已有研究表明 系统中各母线电压的动态行为主要取决于系统中负荷的动态特性 以及各种电压调节装置的动作特性 3 电压失稳事故一般发生在负荷区域母线 负 负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 荷的动态特性在电压失稳事故的发生和发展过程中具有非常重要的作用 这已成 为众多学者的普遍共识 显然 考虑负荷动态特性进行系统电压稳定性研究 对 于进一步理解系统发生电压失稳的机理 得到负荷动态特性中影响系统电压稳定 性的主导作用 建立适应于电压稳定分析的负荷模型 都具有很大的促进作用 因此 本文针对考虑负荷时变性的负荷动特性建模问题和考虑负荷动态特性 的电压稳定问题两个方面开展了一些研究 取得了一定的成果 1 2 负荷建模研究的意义和方法 1 2 1 负荷建模的意义 电力系统仿真计算是电力系统规划 设计 运行和控制的重要工具 仿真结 果的准确性对这些工作都有着非常重要的影响 而对仿真结果的准确性进行系统 的研究则是近些年的事情 负荷模型的准确性对于电力系统仿真结果准确性的重 要作用也才开始逐步为人们所重视 文献 4 指出了影响电力系统动态仿真准确度 的主要因素 如发电机控制参数 负荷模型和系统动态等值等 在对1 9 9 6 年8 月 1 0 日w s c c 北美西部系统 发生的大停电事故的重现仿真中 当采用标准的 w s c c 动态数据库中的模型和参数时 仿真结果与实际有较大的差别 而当修改 了包括负荷模型在内的一些数据后 仿真结果与实测曲线的接近程度是可以接受 的阁 对广东电网1 9 9 8 年7 月7 日2 2 0 k v 水贝变电站母线事故进行仿真计算 结 果表明应用实测动态负荷模型在短路电流计算中得到的结果比采用b p a 静特性模 型更接近实际故障录波的结果 6 可见 电力系统仿真计算中采用的负荷模型的准 确性对于仿真结果能否与实际情况相吻合具有很大的影响 在实际电力系统的仿真计算中 出于安全性的考虑一直都采用保守的负荷模 型来解决负荷模型不准确的问题 但由于负荷与电力系统稳定器 p s s 的控制相 互作用 使得采用保守负荷模型得到的p s s 参数整定结果反而变得过于乐观了1 7 j 因此 在p s s 的作用下 找不到一个对各种故障方式都保守的负荷模型 8 并且 负荷模型对电力系统多种分析计算的结果都有着很重要的影响 如潮流计算 短 路计算 小干扰稳定计算 暂态稳定计算 电压稳定计算等 9 在临界情况下 所采用负荷模型的不同还可能会改变定性的结论 因此 在对实际电网进行仿真 计算时 系统中各负荷必须采用能够尽量准确地反映实际负荷特性的模型和参数 而基于对实际的负荷特性进行建模是得到其准确的模型和参数的有效途径 1 2 2 负荷建模的方法 负荷建模的方法大致可以分为两类 基于元件的建模方法 c o m p o n e n t b a s e d 和基于量测的建模方法 m e a s u r e m e n t b a s e d 前者又称为统计综合法 后者又 称为总体测辨法 2 博士学位论文 统计综合法的基本思路是在实验室内确定各种典型用电设备的平均特性方 程 然后统计每个负荷点在一些特殊时刻的负荷构成 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 统计综合法对于搞清楚负荷 的成分构成特性具有重要的指导作用 但统计工作往往难以统计准确 各种典型 用电设备的平均特性也不易确定 总体测辨法的基本思想是将负荷看成一个整体 通过在负荷点安装测量记录 装置 在现场采集负荷所在母线的电压 频率 有功 无功数据 然后根据系统 辨识理论确定负荷模型的结构和参数 这种方法的优点是不必详细知道负荷内部 的复杂构成 但由于受人力和财力及系统条件的限制 不可能在每个负荷点都安 装负荷特性测量记录装置 我国负荷建模工作者经过多年的努力 逐步形成了一种结合了统计综合法和 总体测辨法的负荷建模方法 用于建立整个大电网中所有负荷的模型 1 4 儿15 1 这种 方法首先通过调查统计整个电网中每一个负荷点的负荷中各个用电行业的构成比 例数据 并根据行业构成比例的相近程度对所有负荷点进行分类 再选每一类中 的一个负荷点安装负荷特性测量记录装置 并将该负荷点的辨识得到的负荷模型 作为这一类中所有负荷点的负荷模型 1 3 负荷建模研究的发展和现状 上世纪5 0 到6 0 年代 电力系统就开始使用计算机进行数字仿真 负荷模型 与其它的电气元件模型一样 有了初步的发展 人们不仅使用恒阻抗 恒功率 恒电流来表示负荷 还提出了幂函数 多项式等负荷静特性模型 1 9 7 6 年 美国 电力研究院 e p r i 主持了一项大型的研究计划 其主要目的是为电力公司建立 一套统计综合法的负荷建模方法 整个工作从理论 现场试验以及数据采集系统 的软硬件开发和数据处理程序等几个方面全面展开 经过多年的努力 e p r i 发表 了许多有价值的研究报告 并且研制出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 在其推动下 负荷模型的研究又有了新的进展1 1 6 7 1 上 世纪8 0 年代前后 总体测辨法负荷建模方法开始被提出 该方法以系统辨识理论 为基础 通过对现场测量的负荷特性进行辨识以建立其负荷模型 在建立起实际 负荷的准确模型方面有了很大的提高 1 8 2 们 但建模中的负荷时变性难题也逐渐体 现出来 2 由于负荷模型对电力系统仿真计算的重要性越来越受到重视 c i g r e 国际大电网会议 和i e e e 国际电气电子工程学会 都已设有负荷建模工作组 其不定期发表的专题报告 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 2 2 2 4 1 从上世纪8 0 年代以来 我国学者也开始从事负荷建模领域的研究 2 华北电 力大学 河海大学 清华大学 湖南大学 中国电力科学研究院等单位的研究人 3 负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 员陆续开展了大量的工作 取得了很多研究成果 在总体测辨法的研究方面 对 于负荷模型结构 主要是采用机理式模型即三阶感应电动机并联静特性模型或者 统一模拟配电网络 无功补偿和感应电动机的模型 2 6 2 9 1 非机理式模型中的差分 方程模型 3 0 1 3 1 1 人工神经网络模型 3 2 3 3 也得到了应用 对于模型参数辨识算法 除了最小二乘法外 有传统的优化算法如模式搜索法1 3 4 1 非线性单纯形法等 以 及各种进化优化算法 如遗传算法 粒子群优化算法 3 6 等 对于负荷的时变性 文献 3 7 在国内首次明确提出了负荷时变性问题 文献 3 8 则提出了通过负荷动特 性的分类与综合来解决负荷时变性问题 文献 3 9 4 2 陆续提出了一些可行的负荷 动特性分类与综合方法 多年的研究表明 这是解决负荷时变性问题的有效途径 对于负荷模型的有效性验证 文献 6 通过应用广东电网实测动态负荷模型于粤西 送出截面稳定极限计算和水贝变电站故障短路电流计算来验证其有效性 文献 4 3 通过人工三相短路试验数据来验证东北电网的实测动态负荷模型的有效性 对于 负荷模型的应用 文献 4 4 实现了差分方程模型与电力系统分析综合程序 p s a s p 的接口 文献 4 5 实现了机理式感应电动机并联静特性模型与p s a s p 的接口 并 都对实际电网进行了稳定性的仿真计算 在统计综合法的研究方面 文献 4 6 提出 了一种基于统计综合负荷建模的系统方法 该方法基于各个变电站 实际综合负 荷节点 的行业构成比例 各个行业中若干典型用户的用电设备构成比例以及各 个用电设备的负荷特性 实现了 用电设备一一用户一一行业一一变电站打的逐 级建模 另外 在实践方面 以上科研单位的研究人员陆续开发了安装在变电站 的负荷特性记录装置和用于建立起负荷模型参数的软件平台 并且 还对一些区 域电网或者省级电网的负荷特性进行了系统的调查统计研究 可以说 负荷建模的研究无论在理论上还是在工程应用上都在逐步地发展和 完善 现在已进入了模型实用化的研究阶段 但是 理论上还有不少问题尚未解 决 离负荷模型的工程实用化也尚有一定的距离 应继续加大力度研究 1 4 负荷时变性问题 1 4 1 负荷时变性的概念 实际综合负荷并不是一个固定不变的系统 而是一个时变系统 综合负荷的 构成成分随着时间的不同会有所变化 进而造成综合负荷的外部特性发生变化 描述综合负荷外部特性的模型参数也会跟着发生变化 这就是负荷的时变性 综 合负荷的构成成分的变化主要是由用户使用电能的变化所造成的 用户使用电能 的变化既有确定性的因素又有随机性的因素 它与季节 每周的哪一天 一天的 不同时段 温度 阳光 湿度 风速和人们的生活习惯等都有关 比较复杂 其 变化规律难以确定 负荷建模问题之所以成为一个区别于其它建模问题的特殊的 4 博士学位论文 电力系统难题 其关键就在于负荷的时变性 1 4 2 负荷建模中负荷时变性问题的解决方法 由于实际负荷特性存在着时变性 造成某一时刻采集的负荷特性样本经过模 型参数辨识后得到的负荷模型参数只能保证对该时刻的负荷特性是准确的 不一 定能够描述其它时候的负荷特性 这样的负荷模型参数显然不能满足实际工程应 用的要求 要解决负荷建模中的负荷时变性问题 关键是如何得到负荷特性随着 时间不同而变化的规律 并且在负荷建模中如何考虑进负荷时变性规律以得到能 够描述负荷时变性特征的模型 近些年的研究表明 负荷动特性的分类与综合是解决负荷时变性问题有效方 法 通过负荷动特性的分类与综合来解决负荷时变性问题的大体思路如下图1 1 所示 对某一综合负荷不同时间采集到的动态负荷特性样本集合 通过对其进行 分类将负荷特性相似的样本归并为同一类 再对每一类负荷特性进行综合 得到 能够提取该类负荷特性的共同本质特征 并能较好地描述该类负荷特性中所有样 本的综合模型 由于负荷特性相似的样本对应于负荷构成相近的不同时刻 因此 通过观察每类负荷特性中不同样本的采集时间 确定同一类负荷特性大体位于哪 一时间段 该时间段就是此综合负荷的构成基本不变的时间段 该类负荷特性的 综合模型就是此综合负荷在该时间段里的模型 这样 通过在若干个分别对应着 相近负荷构成的时间段中采用不同的负荷模型参数 提高所建立的模型对实际负 荷特性的拟合精度 从而较好地解决了负荷建模中的负荷时变性问题 馨p 性样本半 集合l 负荷特l 综合 i 类1 综合 性类lr 负荷模型 观察类1 样本 采集时间 时间段l 综合 负荷模型 观察类2 样本 丽综合 厂奚羽采集时间 陌再磊五系否 性类2r 1 负荷模型r 1负荷模型 负荷特l 综合 1 类刀综合 性类刀r 1 负荷模型 观察类行样本 采集时间 时间段力综合 负荷模型 图1 1 负荷动特性分类与综合解决负荷时变性问题的思路 1 5 负荷特性对电压稳定的影响 电力系统功角稳定性问题主要研究在受到扰动条件下系统中各发电机能否维 负荷动特性的建模及其对电压稳定的影响研究 持同步运行 而电压稳定性问题则主要研究在受到扰动条件下系统中各负荷母线 电压能否维持在可接受的范围内 显然 负荷在受到扰动时表现出的动态特性对 于系统的电压稳定性有着重要的影响 这主要体现在负荷的恢复特性和负荷的失 稳特性上面 1 5 1 负荷恢复特性 负荷功率随电压降低而暂时减小随后又逐渐增加的特性称为负荷的恢复特 性 负荷的功率恢复主要包括以下几方面 感应电动机在端电压降低后数秒内 其有功功率恢复至与机械负载相匹配 带负荷自动调节分接头变压器 o n 1 0 a dt a p c h a n g i n g o l t c 的分接头动作 恢复其低压侧电压 从而恢复对电压反应灵敏的 用电设备吸收的功率 恒温控制负荷在温度调节装置控制下恢复其从电网吸收的 功率 负荷的功率恢复会造成输电线路电压降落的增大 引起负荷母线电压的进 一步下降 从而使系统向电压失稳状态靠近 负荷的功率恢复是一个动态过程 必须采用微分方程加以描述 文献 3 指出 在电压稳定性分析中 对负荷的相关动态进行建模是非常重要的 若采用静态恒 功率负荷模型描述具有恢复特性的负荷将会造成错误的 有误导的结果 文献 4 7 对纯无功负荷采用静态恒定功率模型甚至得出整个p v 曲线下半支都是稳定的结 果 这对于恒功率负荷的实际物理行为是不可能的 显然是由于采用不准确负荷模 型所造成的结果 目前 描述负荷功率恢复的动态过程通常采用一阶动态恢复模 型 3 2 l 儿4 7 4 9 1 j 了l 专o l 斗 4 中一 e 一 t 一 lo vo 十 il 一i 一 一 皆眭蒌冀萋瓣 卜 争 一卜 2 实测负荷恢复特性6 博士学位论文 图1 2 是某2 2 0 k v 变电站1 1 0 k v 侧实测的负荷特性 它清楚地展示了在电压突 然下降条件下负荷功率立即跟着下降随后又逐渐增加的特性 并且随着功率的恢 复 负荷母线电压又缓慢下降 可见 综合负荷的恢复特性是负荷本身具有的普 遍特性 对负荷母线电压变化具有很大的影响 在电压稳定性分析中必须加以准 确 恰当的描述 1 5 2 负荷失稳特性 负荷失稳是指负荷元件因其运行电压过低而不能维持其正常的能量转换功能 或者因其低电压运行而毁坏设备 或者因其本身的保护动作而将其从电网切 除 5 们 低电压条件下负荷元件失稳包括感应电动机的失速乃至堵转 包括空调 热 泵 冰箱等带压缩机负载的感应电动机的失速和堵转 荧光灯的突然熄灭 计算 机的突然关机等 负荷元件失稳后 其从电网吸收的有功和无功功率将会发生急 剧的变化 对系统的电压稳定性有着重要的影响 负荷的失稳特性对系统电压稳定性的影响应根据具体情况而定 感应电动机 发生失速乃至堵转 其从电网吸收的电流和无功将急剧增大 这加剧了系统的无 功不足 增大了输电线路的电压降落 使负荷电压进一步下降 将会促使系统快 速地走向电压崩溃 而低电压条件下感应电动机的保护动作切除 以及荧光灯的 突然熄灭 计算机的突然关机 则有利于缓解系统的功率不足 促进电压的恢复 由于负荷失稳的突然性和多样性 要对负荷的失稳特性进行准确描述无疑具 有很大的困难 这方面研究目前还处于初步探索阶段 文献 5 1 采用堵转感应电 动机的恒阻抗模型来表示堵转的空调 冰箱负荷 通过研究表明 在动态仿真中 如果没有考虑堵转电动机负荷的影响并对其进行适当的建模 系统潜在的电压失 稳问题将不会被发现出来 文献 5 2 从感应电动机的失稳特性出发 提出了一种 具有全电压范围适应性 既能描述负荷恢复特性又能描述其失稳行为综合负荷模 型 在建立适合于电压稳定性分析的综合负荷模型方面有较大的突破 然而 模 型对于综合负荷的暂态过程行为描述的准确性则有待改进 1 5 3 电压稳定研究中采用的负荷模型 1 5 3 1 静态负荷模型 静态负荷模型用于描述负荷吸收的有功和无功功率随其端电压的变化而改变 的静态特性 一般采用传统的幂函数模型和多项式模型 这种模型主要应用于采 用静态分析方法的电压稳定研究中 5 3 1 或者在电压稳定的时域仿真分析方法中描 述系统中以静态成分为主的负荷 5 4 1 不过 这两个模型仅适应于描述在额定电压 士1 0 变化范围内的