电力负荷建模的在线统计综合方法研究及应用 精品.doc

电力负荷建模的在线统计综合方法研究及应用第一章 绪论11 引言电力系统的特点是电能不能大量的储存，正常运行时电能的生产、传输、消耗要求保持动态平衡，系统的各个组成部分通过电气的联系而联结成为一个整体，系统中任何一个元件发生故障可以瞬间波及全网，从而可能对系统的安全运行带来负面影响，严重时系统可能失去稳定，由此可造成不可估计的经济损失和社会影响，因此保证系统运行的安全可靠是电力系统规划和运行的首要任务。研究电力系统受到扰动后的动态特性可以及时发现系统的薄弱环节，进而采取各种加强和控制措施，或者从中得到可以避免发生严重后果的运行经验，从而提高电力系统的安全性。由于安全运行的限制，在研究电力系统在扰动后的行为时，不能采用直接在实际系统中进行各种试验的方法，通常在模拟系统上来研究电力系统的动态特性。数字仿真技术的发展为研究系统在各种扰动下的稳定性、考察各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能提供了一个经济、方便的手段。目前，数字仿真已成为电力系统规划、设计、运行的主要工具，数字仿真结果的准确度直接影响运行和规划中决策的正确性，是电力系统设计、规划、运行的基础。电力系统仿真计算与实际情况的吻合程度取决于所采用的模型的准确性，通过电力工作者的不懈努力，发电机组和输电网络的模型已经相对比较成熟，人们可以根据所研究问题的需要选择既满足精度要求又尽可能简单的模型，如：IEEE推荐的发电机典型模型有六种，励磁系统有四种，调速系统有两种等等；与此相反，各种电力系统计算所采用的负荷模型却仍相当简单，往往只能从基本物理概念出发采用理想化的模型，如：恒功率模型、恒电流模型、恒阻抗模型，或者三者的结合。研究标明，负荷模型的过分粗略已成了制约计算精度的关键因素之一。因负荷模型的不准确而得出的系统分析结果，可能给电力系统的规划、运行带来不可估量的损失。所以建立负荷实际的动态负荷模型具有十分重要的现实意义。与发电机建模相比，负荷建模有其特别的困难。高压母线上的综合负荷由众多动态用电设备和静态用电设备以及输配电网络和并联补偿电容等构成，这些设备分散在一定的区域内，与高压母线的电气距离各不相同，其特性和运行状态各异，而且负荷的构成和运行状态随时间气候等因素变化而变换，不同地区的负荷也有很大差异，这些因素使得建模非常困难。上世纪七十年代以来的大量研究使负荷建模取得了一定的进展1,但离问题的解决仍有一定的距离，负荷建模目前仍是电力界公认的难题。12 电力负荷建模的重要意义大量的研究结果表明，负荷特性对电力系统仿真结果有重要影响，这表现在不同的负荷特性对电力系统的潮流计算、暂态稳定、电压稳定等具有不同程度的影响，在临界情况下，计算结果可能发生质的变化。121 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）会有很大的变化而非恒定2。国内普遍应用的电力系统分析综合程序PSASP计算潮流时，采用40的恒阻抗和60的恒功率负荷模型同样存在上述问题。122 负荷模型对暂态稳定的影响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很大。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。文献3,4,5,6,7研究分析了负荷模型对暂态稳定计算时的不同方面的影响，因此，在暂态稳定分析中考虑精确的负荷模型还是非常必要的。123 负荷模型对电压稳定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：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1983年瑞典电压崩溃的仿真计算中，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压的特性时，最后采用记及感应电动机、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9,10进一步指出，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。13电力负荷建模的总体原则11131可用性原则电力负荷建模具有时变性、随机性、分布性、多样性、非连续性等特点，多年来虽然人们做了大量努力，但要对所有负荷点、所有时间点建立“精确”模型可能是不现实的。虽然不能做到定量完全精确，但至少要做到定性正确。所以，在目前只能考虑建立“可用”的负荷模型，对该模型的最基本的要求是能够反映负荷的实际本质特征。132实用性原则电力负荷建模的目的当然是为了应用。这就要求模型在能够反映负荷本质的前提下要尽量简单，最好与现有电力系统计算程序能够衔接。同时要求方法也要尽量简单，最好少做系统性的大规模试验尤其是稳定试验。133 针对性原则国外对电力负荷建模已有大量研究，美国等国家进行了大量实际负荷参数的研究，给出了推荐参数。但不同国家的管理体制和负荷情况具有明显差异，国外的做法不一定就能够照搬，国外的数据也不一定能够照用。我国开展负荷建模工作，一方面要借鉴国外的经验，但另一方面针对我国的实际，立足国内，走一条有中国特色的负荷建模之路。14电力负荷建模的研究现状141负荷模型研究概述1. 静态负荷模型12,13在电力系统的潮流分析、静态稳定分析以及研究长期动态过程中，以及负荷以静态成分为主（如商业、民用）的情况下，一般采用静态负荷模型。长期以来，人们对静态负荷特性研究较为透彻。常用的有多项式和幂函数11两类，另外还有在这两种模型基础上的变形或组合。2. 物理动态负荷模型a 感应电动机12 感应电动机在电力负荷（尤其是工业负荷）中占有较大比重，对电力系统运行分析与控制具有相当大的影响，在不少电力系统计算软件包中均包含感应电动机模型,因此成为电力系统模型中的重要部分。一般来说，感应电动机定子绕组的暂态过程比转子绕组的电磁暂态要快的多，而更比电力系统暂态过程快得多。因此，就感应电动机对电力系统的影响而言，是否记及定子的暂态过程影响不大，采用三阶模型就能很好地反映感应电动机的性能。为了进一步减少计算量，在电力系统机电暂态过程分析计算中还经常采用一阶的电压暂态模型。相应的还有采用两台或更多的等值感应电动机14，以及在感应电动机上并联有关静态模型等几种形式。文献15改进了传统的机理模型，忽略了励磁阻抗，并选择动态负荷电阻Re作为状态变量，在保持精度不变的条件下减少了参数个数，提高了可辨识性。文献16提出了一种新的负荷动态机理模型，该模型考虑了稳态约束条件，即消除了稳态误差又减少了需辨识的参数个数。文献17仿真比较了稳定分析中使用感应电动机模型的高阶和低阶模型的区别，同时对感应电动机和恒电流负荷不同组成的动特性也作了探讨，指出电动机负荷比例越大，系统的电压稳定性就越脆弱。b 同步电动机同步电动机有时也用到，比如抽水蓄能电站。同步电机模型人们非常熟悉，程序中也都有。电动机与发电机所不同的是运行状态不同、机械转矩不同，同步电动机的机械转矩可以采用与感应电动机一样的方程。c 有载调压变压器这在长期动态过程中需要考虑。d 负荷减载及投切17在一些动态或准动态计算中需要考虑低频或低压减载及投切，最简单的情况是按比例切除负荷。大部分低频减载继电器没有人为安排的时延，但有69周波的操作时间。低压减载继电器一般具有人为安排的时延。另外，开关动作时间为515周波。3. 非物理动态负荷模型非机理模型是从大量的系统建模中概括出来的，对一大类动态系统有很强的描述能力。有时，负荷群中动态成分复杂，难以用物理模型描述。或者，为了降低动态模型的阶次，突出主要矛盾。人们提出了非物理动态负荷模型，也就是将整个负荷群当作一个从该节点看进去的“黑箱“或”灰箱“，用一个非物理模型来描述其输入输出特性。可以分为三种：a 线性动态模型 线性动态模型可以采用传递函数、差分方程、状态方程等形式，互相之间可以转换。典型的线性模型如Sabir和Lee于1982年提出的工业负荷动态模型18,Handschin等于1988年提出的工业负荷综合模型19,Welfonder等1989年提出的工业负荷传递函数模型20,Meyer,Lee21等于1982年提出以及Kataoka,Y于1995年改进的状态方程负荷模型。b 非线性动态模型非线性动态模型也可以采用传递函数、差分方程、状态方程等形式，但互相之间一般难以直接转换。典型的非线性模型如Hill于1990年提出的恢复型一阶模型22，David J.H.归纳总结了感应电动机、恒温负荷、含有载调压变压器负荷的特性，提出了一种具有功率恢复特性的所谓非线性通用模型，在此基础上Karlsson23于1994年又对其进行了改进，并验证了一定程度的电压降低情况下功率恢复现象的存在，Xu和Mansour24对上述模型稍加改进，并用该模型对电压稳定问题作了全面的阐述。鞠平等于1989年提出、1995年扩展了一种动静综合负荷模型25.26.27.在文献28中，鞠平证明了Hill模型、Karlsson模型、动静综合负荷模型在本质上是一致的，可以统一。另外李欣然等于1999年在文献29提出了一种具有全电压范围适应性的非机理综合负荷模型。c 人工神经网络模型30,31,32 从理论上讲，人工神经网络可以描述复杂的映射关系。近年来，国内外学者将ANN用作负荷模型。基本上都采用离散形式，有点类似于复杂的差分方程。对于其适应性、实用性等问题仍然有待深入研究。4. 适用于电压稳定的负荷模型研究概述适用于全电压范围的负荷模型目前尚不完善，实地测量数据也比较困难，所以，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方向33。文献34指出了负荷模型中关于状态变量的速率函数的非线性和非单调特性是模型既能描述负荷的功率恢复特性，又能描述其低压失稳行为的必要条件，确定了电压稳定分析中综合负荷的基本结构。文献35介绍了瑞典的电压稳定控制措施和系统的详细负荷模型，并研究了一次全电压扰动实测（包含2000MW负荷的系统）的数据。文献36提出了进行电压稳定分析负荷实测建模的一套可行方法。电压稳定中综合负荷建模的思路和原则是：a. 模型的状态变量：描述负荷的动态行为应当选择其内在本质特征的状态变量，不应以负荷的输入或输出来作为状态变量。b. 模型的阶数：应抓住负荷中起主导作用的结构和主要变量，而不应当过分强调其非本质特征的细节描述。c. 动态与静态的关系：综合负荷的静态与动态行为是负荷系统在不同外部条件（扰动或激励）下的两种固有的行为，二者本质上是同一动态系统特性的不同表现形式。负荷模型应当能揭示动态与静态之间的内在联系。d. 有功功率和无功功率的关系：从能量转换的本质来讲，负荷从电网吸收的无功是为其提供间接的内部转换条件，吸收无功的多少是依赖于其能量也即有功输出的。因此，模型应能够实现有功功率和无功功率的统一描述而不是相互独立描述。5. 负荷模型的选择11负荷模型的评判是困难的，因为不同的应用目的对负荷的要求不同的，不同的研究人员看问题的出发点也不一样。一般来说，需要考虑以下几个方面：（1）精确度；（2）计算量；（3）物理背景；（4）参数获取。可以说，目前没有一种负荷模型在各方面都优。事实上，上述几个方面有的有时甚至是互相矛盾的。因此，往往要根据应用者关心的主要方面，选择一种折中的负荷模型。142 负荷模型参数的获取迄今为止，负荷建模的方法可以归纳为以下几种方法：第一类是统计综合法即基于元件特性综合的间接法；第二类是总体测辨法即基于现场辨识的直接法；第三种是故障仿真法。 1. 统计综合法12,37图1-1 统计综合法建模过程示意图这一方法的基本思想是把综合负荷看成成千上万用户的集合，首先在实验室确定各种典型负荷的平均特性（如日光灯、电机、空调器等的平均电气特性），然后统计出各类负荷如居民负荷、商业负荷、工业负荷等这些典型负荷的比例，估计出各类负荷的平均特性，最后再根据各类负荷所占的比例，得出综合负荷的模型，如图1-1所示。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优点，但其核心是建立在“统计资料齐全，负荷特性精确”的基础之上的，而这一点往往很难做到的。而且不可能经常进行，从而无法考虑负荷随时间变化的特性。2. 总体测辨法12,37,38图1-2 总体测辨法建模过程示意图该方法的基本思想是将负荷群看成一个整体，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参数。该方法的优点是不必详细知道负荷内部的复杂构成。总体测辨法所获得的模型是以模型响应能最好地拟合观测到地负荷响应数据为目标。如图1-2所示。3. 故障仿真法32 该方法根据故障情况下的系统动态录波，通过不断改变全网负荷特性参数（比如全网统一的感应电动机比例），使仿真结果尽量接近系统动态录波。 针对统计综合法的研究困难，近年来的研究主要偏向统计综合法和测辨法综合的运用，而单一运用统计综合法研究负荷建模的实例很少。这主要是由于负荷用户的用电设备特性的多样性，时变性，随机性，很难做到模型的稳定性。近年来研究最多的还是忽略中间元件的影响，直接把用户接到高压母线下，但这又造成了模型结果的不准确，使得模型难以运用。15 本文所做的工作151 传统统计综合法研究中存在的问题1统计出成千上万个用户的负荷组成及参数。这种统计工作不但耗时费力，而且难以统计准确。2各类电器的“平均特性”难以确定。3统计综合工作不可能随时进行，甚至不能经常进行。而负荷特性是经常变化的，甚至变化很大。因此，这种方法不能适应负荷特性的时变性。4负荷成分往往比较复杂，包含的用电设备可达数十种，如电动机、电阻负荷等等。若将所有这些类型都考虑进去，则因各类用电设备的模型不同，从而导致总的模型难以应用。152 本文所做的主要工作本文采用三阶感应电动机并联恒阻抗负荷模型，并采用推荐的典型参数。电力负荷建模是电力系统领域的重要基础性课题。本文以福建电网厦门局安兜变为背景，基于在线统计综合建模方法为主线展开研究。的主要工作及研究成果如下：1.介绍传统统计综合法的原理及缺点，提出了在线统计综合法。把所有电器分为两类设备：电动机类负荷和阻抗类负荷；把所有用户分为两类行业：工业负荷和非工业负荷。其基本步骤是：对所有用户分行业分行业典型用户调查建立分行业电动机比例表在线获得负控系统数据在线计算用户功率低压母线综合考虑110KV线路的折算110KV母线综合。2.电动机比例的调查是建模结果合理与否的关键。阐述了电动机比例在负荷建模中的重要性。负荷调查的方法、负荷调查的过程、以及负荷实施。从而为实现调查统计结果的可靠性提供保证。并且通过安兜变电动机比例调查实施，得以证明调查方法的设计合理性。又根据实际情况分析比例表。又介绍了如何在线利用用户功率与EMS相关信息。3.结合负控系统传输上来的用户数据，利用比例表，求取每个行业每个用户的电动机类负荷和阻抗类负荷的功率，并介绍了通过加权聚合理论来进行在线统计综合建模，采用典型参数进行低压母线负荷建模。16 本文数据的来源本文所采用的负荷数据来源于厦门电力局所属220KV安兜变所采集到的实时数据。第二章 负荷建模的在线统计综合方法从数学建模角度来讲，电力负荷建模主要有三类方法：一是统计综合法；二是总体测辨法，三是故障仿真法。一般情况下，最常用的建模方法主要是前两种。统计综合法在对各类用电设备特性和比例关系进行研究的基础上，通过加权综合而得到负荷模型的参数。总体测辨法的基本思想是将负荷群看成一个整体，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结构和参数。 电力系统仿真计算中，将变电站母线（或线路）供电的所有用户用电设备的集合称为综合负荷。综合负荷可以是终端变压器负荷母线所供用户的用电设备（含低压配电网络）的综合，也可以是主网变电站负荷母线（如500KV、220 KV、110 KV）所供用户的用电设备（含配、供电变压器和配电网络）的集合33。 上述意义上的用电设备集合在运行过程中所表现出的综合特性，称为综合负荷特性，它是综合负荷从电网吸取的功率随电网频率和母线电压的变化而表现出的变化规律：这种变化规律的数学描述即为综合负荷模型；根据综合负荷的特点确定这种模型的类别及其模型参数，就是综合负荷模型。 负荷建模的根本目的是为电力系统仿真计算提供结构合理、参数准确的综合负荷模型。 本文的研究主要是采用基于在线统计综合的建模方法。从这一角度，负荷建模的基础研究可以被描述为：根据一个具体的网络结构、具体的网络数据和实时负荷数据，抽象出合适的数学模型结构，推出结合实际的模型参数的过程。21传统统计综合方法211 传统统计综合法的基本原理二十世纪六、七十年代，由于数字电子计算机技术的发展和应用，人们大量采用计算机进行复杂电力系统的仿真，同其它系统元件模型一样，负荷建模工作有了相当的进展，除了提出了恒阻抗、恒电流、恒功率模型外，还在计算中采用了感应电动机负荷模型和多项式、幂指数等负荷模型。1976年美国电力科学研究院(EPRI)主持了一项大型研究计算，其主要目的是为电力公司建立一套基于统计综合法的负荷建模方法。研究工作在加拿大和美国同时展开，美国的Texas大学负责建模方法研究，GE公司的电力工程负责通过现场试验对建模方法进行评价。该方法是在实验室内确定各种典型负荷（如工业电动机、冰箱、荧光灯等）的平均特性方程，然后统计每个负荷点上在一些特殊时刻（如夏季峰值、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。这就是为什么该方法被称为“基于元件的建模方法”或者“统计综合法”的原因。EPRI经过多年的努力发表了许多有价值的研究报告34, 35，并且研制完成了目前为止基于元件的负荷建模中最具影响的软件包EPRI LOADSYN36,该软件使用时需要提供三种数据：负荷类型数据，即各类负荷（民用、工业、商业等）在总负荷中所占百分比；各类负荷的构成数据，即各种用电设备（电动机、空调、电视机等）所占比例；以及各负荷元件平均特性。使用者可仅提供第一种数据，后两种数据采用软件包提供的典型值。所有这一切就构成了基于元件的建模方法的雏形。以后的发展都是在此基础上发展起来的。通常来说，统计综合方法基于统计学原理12,37，其基本思想是将负荷看成个别用户的集合，先将这些用户的电器分类，并确定各种类型电器的平均特性，然后统计出各类电器所占的比重，最后综合得出总的负荷模型。其模型如图2-1所示。在采用这类方法时，需要3种数据资料：(1)负荷组成及各类负荷所占的比重；（2）配电网络的参数；（3）各类负荷的平均特性。一般来说，后两种数据变化较小，而第一种数据变化较大。图2-1 传统统计综合建模法212 传统统计综合法的优点和缺点12传统统计综合法具有物理模型比较清晰、概念明确。但是，传统的统计综合法也有不少缺点，包括：1需要事先统计成千上万个用户的负荷组成及参数。这种统计工作不但耗时费力，而且难以统计准确。2各类电器的“平均特性”难以确定。3统计综合工作不可能随时进行，甚至不能经常进行。而负荷特性是经常变化的，甚至变化很大。因此，这种方法不能适应负荷特性的时变性。4对无功电压特性、频率特性及动态特性难以模拟准确。5负荷成分往往比较复杂，包含的用电设备可达数种，如电动机、电阻负荷、变压器、荧光灯、电视机等等。若将所有这些类型的负荷都考虑进去，则因各类用电设备的模型不同，从而导致总的模型难以应用。随着负荷成分的日益复杂化，这个问题将更加突出。6调查的结果只是反映某个时间断面值，随着时间的推移，其调查结果与今后的实际负荷情况的差别将越来越大，尤其是各种负荷所占的比例、是否投入使用随时间变化明显。7调查法是从定性的角度出发，因此其局部建模可能比较准确，但是这些调查出来的负荷很难准确的折算到高压等级，即由其得到的总体模型未必准确。22在线统计综合法221在线统计综合法由于传统统计综合法的不足，本文提出在线统计综合的负荷建模方法，并在福建电网厦门安兜变进行了实地研究。其总体结构如图2-2所示。其中，第一部分工作是离线进行用户抽样调查，分析整理后得到负荷电动机比例表，比例表的合理与否将决定模型的准确与否，因此是本文负荷建模的基础。第二部分工作是在线收集负控系统和EMS系统（变电所出线功率和网络拓扑数据）的相关数据，这部分数据是用来建立负荷模型的必需，以及是否进行比例调整的根据，以使比例更接近于实际。第三部分工作是编写相应的算法程序，根据在线收集的负控数据和离线收集的抽样调查数据进行综合，得到相应的负荷模型。图2-2 在线统计综合法结构图222 在线统计综合法基本思路首先，简化电器和用户的分类。把所有电器分为两类设备：电动机类负荷和阻抗类负荷；把所有用户分为两类行业：工业负荷和非工业负荷。其次，利用负控系统的用户功率等信息。鉴于福建电网的部分地区已经大量安装了负控系统，因此可以从负控系统在线得到大用户的功率信息。而没有安装负控装置的用户可以统一视为小用户，对于小用户的负荷功率，可以由线路出线处的计量功率、大用户统计信息、合理的网损计算得到。根据安兜变用户的特点，将安装电量采集装置的大用户分为2类（工业用户和非工业用户），没有安装负控系统的用户假定为非工业用户。并考虑工作日和非工作日的差别、季节、负荷的大小以及时段特性。考虑到以上各种因素的组合后，每一种情况可选取若干个典型用户（而非全部用户）进行调查，这样可以极大地节省调查工作的人力和时间耗费。 再次，实现负荷参数的在线定期调整。常规调查法的结果只对某个时间断面是准确的，而采用负控系统对功率数据进行在线自动收集后，可以定期修正社会经济发展而带来的负荷变动问题。而负荷的构成比例以及电动机参数，可以相隔一段时间（比如一年）后，重新进行小规模的抽样调查，从而得到合适的调整。 最后，本文的思路着重于整体方案的合理与正确，而不计较局部统计数据的精确性，从而保证总体结果的有效性。事实上，利用在线自动统计的功率数据，可以对各级负荷模型进行有效的修正，增加其准确性，提高其利用价值。223在线统计综合法的基本步骤 基于在线统计综合法的基本思路，制定了以下基本步骤：1 确定用户负荷模型。根据基本思路所假定的电器分类，任意一个用户的用电负荷可分为感应电动机类负荷和阻抗类负荷，所以负荷模型可以采用三阶感应电动机并联恒阻抗（或者幂指数型）模型，其中电动机参数可以采用电科院新推荐的典型参数或者IEEE-6典型参数。感应电动机综合模型结构：本文采用的负荷模型为电科院综合稳定程序中的感应电动机综合负荷模型，也就是常说的将负荷等值为一台感应电动机与静态负荷的并联，其中，感应电动机采用三阶机电暂态模型来模拟，静态负荷采用恒阻抗来描述，这种模型计算精度基本上能够满足电力系统的要求。负荷模型的等值电路图如图2-3所示。图2-3 综合负荷模型以下就电动机参数的变化问题来研究。电动机采用三阶感应电动机模型38,39，主要有稳态等值电路和暂态等值电路：图2-4 感应电动机稳态等值电路图2-5感应电动机赞态等值电路典型的感应电动机三阶模型方程式： (2-1)其中： (2-2)或将实部与虚部分开，写成下面的格式 （2-3) (2-4) 式中，分别代表定子电阻、电抗；分别代表转子电阻、电抗；代表励磁电抗；代表转子滑差；分别代表同步电抗、暂态电抗；为暂态电抗后电势；为惯性时间常数；、分别为端电压及其频率；为机械转矩系数；分别代表d轴、q轴暂态电势；分别为d轴、q轴电流；为暂态开路时间常数；分别为电磁转矩、机械转矩。表2-1 典型参数40,41参数名ABLF电科院00.183.50.020.1220.8500.468IEEE60.0350.0942.80.0480.1631.86100.62为了能够获得用户用电负荷中电动机类负荷和阻抗类负荷之比，采取抽样调查方法对典型用户的用电情况进行调查。3收集负控数据，安装负控设备的大用户功率信息由负控系统收集得到，从功率的角度而言，该信息是相当准确的。没有安装负控设备的小用户和非工业用户统一考虑，即将没有功率采集信息的小用户归入非工业负荷用户类型，采用同一种电动机比例。每一种负荷的电动机比例由抽样调查得到，即抽样调查得到的信息只用于计算用户负荷的比例，而功率量由负控收集的数据、出线侧计量数据和合理的网损折扣得到。4将调查获得的典型负荷（工业和非工业）的电动机比例，通过负控功率比例作加权，就可以综合获得低电压等级下的电动机比例。5将低电压等级模型考虑输电线路向110KV归算，获得该线路的模型。6将220KV主变下的各条110KV线路再一次根据功率加权综合，获得该线路的综合参数。7验证模型的有效性。 在后面的几章中，将在第三章中详细阐述电动机比例的调查研究，在第四章中详细阐述低压母线下所有用户的综合及应用。对于低压向高压等级模型的归算，由课题组其他成员完成，不属于本文范围。23 本章小结本章首先介绍了传统统计综合法的基本原理，从原理上说明了传统统计综合法的定义，并介绍了传统统计综合法的优点和缺点。其次介绍了本文所提出的在线统计综合法：首先介绍了在线统计综合法的结构原理，从而说明与传统方法的区别，其次介绍了该方法的具体步骤，对于每步进行了概要阐述，为后面几章的阐述垫下基础。第三章 负荷中感应电动机比例的调查研究及负荷特性分析在现代社会中，随着经济的发展，感应电机类负荷越来越多，而电动机对于电力负荷的影响在一些文献中都有研究过。而且在电力系统仿真计算中，综合负荷模型的感应电动机和恒定阻抗的比例对仿真结果有着十分重要的影响。31 概论在PSASP电力系统综合仿真软件中，综合负荷动态模型采用感应电动机和恒定阻抗的并联模型，感应电动机参数和感应电动机与恒定阻抗的比例是决定模型合理程度和影响仿真结果的2个关键因素。表3-1是不同比例的感应电动机和恒定表3-1 不同的模型和参数对东北和华北电网互联的影响(MW)断面名称模型1模型2模型3模型4黑龙江东部送出断面黑吉断面（伊敏开2台机出力900MW）吉辽断面6158431500120012361968120514761985121138175阻抗模型对东北电网和华北电网的暂态仿真结果的影响比较42。其中：模型1为50恒定阻抗和50电动机；模型2为40恒定阻抗和60恒定功率静态负荷模型；模型3为电动机参数中定子电抗由0.295改为0.12；模型4为IEEE6型推荐的感应电动机模型参数。尽管感应电动机模型对于综合负荷具有很强的描述能力，但是应当采取基于现场实测负荷数据辨识所获得的模型参数，文献43,44中对此有所阐述。而对于感应电动机比例和恒定阻抗的比例参数确定却一直没有一个有说服力的根据，造成目前各个电网按照不同的比例进行仿真计算的现状，而所取得的比例的理论根据却不得而知。负荷模型的建立是相当复杂的。这是因为稳定研究中表示的一个特殊负荷母线是由不同类型的用户和大量设备组成的，例如工业用户、商业负荷和城乡居民负荷；有工业用大型马达、电解负荷、商业和居民生活用的小型马达、各种照明灯具、空调、电热器等。负荷的准确组成是难以估计的。负荷的组成依赖于许多因素，如季节、上下班时间、经济发展速度和居民生活水平等。即使准确的知道负荷的组成，要想表示每一个负荷元件也是不切合实际，因为电力系统中供给的总负荷有上百万个这样的元件，因此，系统研究中负荷表示是基于大量的简化。因此，从全网范围内负荷特性调查入手，运用统计综合的原理与方法获得符合我国实际电网运行情况的、统计意义上的感应电动机和恒定阻抗的比例参数，是目前解决这一问题的最为现实的有效途径，这是一项十分迫切需要展开的工作。基于此种情况，在最大限度的客观条件下，在有规模的负荷特性调查基础上对感应电动机和恒定阻抗的比例进行了研究。32 统计调查方法一般的统计调查方法包括问卷调查（即从统计资料、研究报告、报刊等中调查相关资料）、实地访问调查和抽样调查三种。根据调查内容和范围的不同，所采用的方法也不同。由于电力负荷的多样性和复杂性，电力负荷统计方法也与一般的调查统计方法相比有明显的不同之处，主要体现在以下几个方面：（1）要兼顾设备总额定功率和负荷特性；（2）要兼顾统调部分和非统调部分；（3）要注意区域间的差异。 电力负荷调查，要利用现有的渠道和现成的资料，进行全面的数据收集。全面的资料收集首先要从电力企业内部和用户现成的资料进行调查、收集取得，当从电力企业内部和用户现成的资料的收集中难以满足负荷分析的需要时，必须结合负荷调查的特殊性，开展抽样调查和重点调查，以补充资料的不足。 电力负荷调查常用以下几种方法进行调查补充：（1）电力企业内部调查。电力企业内部是电力负荷调查首先考虑的重要信息资料来源。（2）较大范围的抽样调查。从调查总体中抽选出具有代表性的调查对象作为样本，对样本进行调查，并根据所得到的结果推断出总体的结论。（3）典型用户的重点调查。典型调查不是对调查对象的全部单位进行调查，而只是就其中 的典型单位进行调查。“典型”单位的确定，要根据客观现象的发展现状，结合调查研究的目的确定。重点调查不是对总体中的每个单位都进行调查，而只是就其中的部分重点单位进行调查。譬如行业大用户等。电力负荷特性调查，不可能也没有必要对全部用户进行调查，因此经常采用典型调查，而典型调查可以与抽样调查结合进行，作为抽样调查的补充调查，也可以结合具体需要的问题进行。典型调查可与被调查对象直接接触以掌握第一手资料，通过直接的回答方式来了解调查者的看法和意见，简单方便、灵活自由，有利于获取较深入的、有用的信息。典型用户的重点调查的关键是如何选取典型用户，通常有以下两种方式：一是选取带有共同特征的用户，目的是研究带有普遍性的问题；而是选取与众不同的用户，目的是研究特殊性问题。33 电力负荷调查过程电力负荷调查的过程一般由四个阶段构成，包括预研阶段、设计阶段、资料收集阶段和结果处理阶段。（1）预研阶段。预研阶段作为前期准备工作，实质上是为正式开展调查工作规划。 a.明确调研问题，确定调研目标； b.研究确定调研内容； c.确定所需的信息资料以及资料来源； d.确定调研对象； e.确定资料收集方法； f.制订调查设计、资料处理计划。（2）设计阶段。良好的调查方案是负荷调查成功的基础，设计方案要尽可能科学、合理、方便、全面。（3）资料收集阶段。这是负荷调查过程中的主题部分，直接关系到负荷特性调研的质量，涉及的内容很多，较高素质的调研人员和科学合理的组织安排是调研成功的保证。 （4）结果处理阶段。资料整理分析，并根据分析结果。34 电力负荷调查的实施实施的基本要求是：（1）确定调研内容。电力负荷调查涉及内容很多，受客观条件得限制，调查内容要根据调研的目的和所具备的客观条件等，确定调查的具体内容。（2）落实信息资料来源。主要是用户资料和电力公司内部统计资料。（3）选择抽样方法。抽样是电力负荷调研的关键步骤。抽样可以以：a.首先结合分群和分层随机抽样技术，对所有用户进行分类，一般先根据行业划分，然后根据用电量、设备容量划分为大用户和小用户。b.然后采用配额抽样技术，根据不同行业企业数目、用电量数值等分配不同类型抽样数目。（4）设计调查表电力负荷调查一般都需要采用表格形式，在设计调查表时，应注意以下几点：a.要调查的问题应紧紧围绕主题，不要面面具到；b.问题设计尽量给出选择答案，避免用户大量填写文字；c.问题应简单、明确，不会产生误解。d.问题数量要精简，以免产生被调查厌烦；调查表格见附录一.35具体调查步骤（1）对全网范围内的所有电力用户进行行业分类。这种分类方法应当科学合理的，有利于保证负荷性质的相同或相似，这样建立的比例构成才能切实可用。分类可以按着国家有关行业分类标准并结合电网的实际情况开展，尤其要着重考虑同类综合负荷必须是负荷特性相同或相近这一负荷建模的特殊要求，保证同类负荷具有最大程度的在负荷建模意义上的共同本质，为了确保最终所建立的电动机比例科学、合理，能够反映用户实际负荷比例的本质，必须进行分类。基于上述基本原则，负荷特性调研时将电力用户分为6个大行业共39个小行业。分类如附录一。行业特点分析：工业负荷特点分析45,46,47,48：工业是国家最大的电力消耗行业，工业负荷主要包括以下几个主要方面：煤炭工业负荷，钢铁工业负荷，石油工业负荷，机械制造工业负荷，建筑材料工业负荷，轻工业负荷，化学工业负荷等。工业负荷有两大特点，一是工业负荷量大，二是工业负荷比较稳定。但是在工业内部的各行业之间，这两大特点又是不平衡的。可以说工业负荷是最为复杂的一类典型行业负荷。商业负荷特点分析： 商业负荷主要表现在大型商厦、高级写字楼及宾馆等负荷地点。1）大型商厦、高级写字楼的负荷特点主要表现为：负荷曲线峰谷差很大，负荷率较低，其负荷高峰段和电网总体负荷的高峰重叠，与温度变化关系密切。2）宾馆的负荷特点主要表现为：日负荷曲线较为平缓，波动不大，负荷率较高。 因为行业特性，商业负荷的总体负荷特性表现出极强的时间性和季节性，商业负荷已经成为电网峰负荷的主要组成部分，同时，商业系统的构成及运营方式较为统一，负荷曲线也没有很大的差别。 城乡居民及其他用电负荷特点分析： 城乡共同使用的城乡设施负荷称为城乡居民用电负荷，这类负荷构成成分比较复杂，因此这里统称为城乡居民及其他用电负荷。这类负荷的总体特点大致有以下几点：1）负荷变化大。年内的日变化和日内的时度变化较大，一天之内每小时的负荷量也不同，白天负荷大，夜间负荷小，季节性负荷较为突出，冬夏季节负荷较为明显。2）负荷率跨度大，负荷同时率高。因为城乡居民生活负荷的负荷利用小时数低且不确定，所以负荷率的跨度比较大，一般年负荷率为0.750.95,日负荷率为0.70.95;但是这类负荷的同时率高，约为0.70.9,容易形成一到两个日负荷高峰负荷。3）负荷功率因数低。城乡居民负荷的设施大多属于感性负荷，这类负荷的功率因为一般在0.40.65之间。例如：排给水设施负荷，城乡交通机车负荷，城市路灯负荷，居民负荷中的电冰箱、电风扇、电视机、空调等家用电器负荷。 农业负荷特点分析：由于城市和农村的差别很大，农业生产与工业生产的条件不同，农业负荷与工业负荷的特点有明显的区别。我国农村的负荷具体有如下几方面的特点：1）季节性强。农业负荷的季节性是农业生产的季节性所决定的。灌溉和农副产品加工负荷的季节性决定了春秋两季农业负荷比其他季节高，防洪排涝负荷的季节性特点更为突出。所以季节性强是农业负荷最基本和最重要的特点。2）年最大利用小时数低。我国农业负荷年最大负荷利用小时数在25003000h之间，所以农村负荷年最大负荷利用小时数较低。3）负荷密度小。我国农村地域辽阔、生产分散决定了农村负荷具有密度小、分布不均匀的特点。4）功率因数低。农村负荷主要是小型异步电动机，其容量占总负荷的95以上，无功功率需要量较大，所以功率因数很低。5）农村负荷的结构变化大。随着农村经济的发展。农村产业结构的变化，农村负荷的结构也随之发生变化。6）农村负荷增长迅速。当前随着农网的大力改造，农村负荷的增长速度已经远远超过了10。总而言之，可以得出以下结论：工业负荷量大，负荷时间与人们的生活规律关联小，全天工业负荷量波动小，峰谷差小，日负荷工业负荷率要大于日负荷率。而商业负荷、城乡居民及其他负荷和农业负荷与人们的生活规律存在很大关联，负荷量波动较大，峰谷差大，日负荷农业负荷率、日负荷商业负荷率和日负荷城乡居民负荷率均要小于日负荷率。同时，不同季节下各个负荷行业的负荷规律也有一定变化，这些变化在一定程度上也呈现出规律性。通过对行业用电情况的分析，能够更好的分出典型用电时间段，而在这些时间段，用电都有极强的特点，说明了负荷分段调查的合理性。（2）划分时段。在文献45典型日负荷曲线呈现两峰一平一谷的趋势，可分为四个特征时间段进行分析。主要原因是在不同时段，有些用户开动的用电设备不尽相同，主要是工作时间段造成的，所以采用先分时段调查，后再综合。按着通常的划分区间，调查三个阶段：低谷阶段：3：005：00，在这一阶段，基本上夜间工作的都是一些工厂加班生产，或者一些经济发达地区的娱乐业。早高峰阶段：9：0011：00，在这一阶段，负荷基本上是工业，商业，城乡居民及其他负荷。晚高峰阶段：20：0022：00，在这一阶段，负荷基本上是晚间生产的工厂，商业，居民以及其他一些负荷。（3）设备类型划分。主要分为两大类：旋转电机类设备和阻抗类设备。在现代社会中，大部分设备、电器基本上都由电机驱动或者电阻驱动，所以为了简化调查工作的繁杂，假设成两类负荷。旋转电机类设备主要是：同步电动机，异步电动机，通风设备，空调等带有选装电机的设备；阻抗类设备主要是：电弧炉，电阻炉，电热类设备，照明等所有类似电阻工作的电器和设备。（4）同时率。在所有行业中，都有一个上班与休息时间段之分，而对于所有设备来说，在工作时间段可能是开启的，而在某些时间段，可能关闭一部分或者全部关闭，这也是负荷产生波动的原因。因为是调查电动机类负荷和阻抗类负荷的比例问题，所以一定要考虑同一时间内同时运行的设备情况，这就是同时率，这个问题是调查成功与否的关键。（5）调查内容。对用户进行深入的调查，调查的主要内容是：在每个时段内，此用户所用电动机类负荷的额定总功率和阻抗类负荷的额定总功率。在某些情况下，由于电压的原因，可能未能达到额定功率，但是，对于整体来说，忽略次要因素，注重整体，还是有合理性的。(6)计算同类用户中每个用户在每个时段内的电动机类负荷功率比例。都假设设备是在额定功率下运行。对同一行业：，：分别代表第一个用户的电动机类负荷额定功率，阻抗类负荷额定功率，总的开启额定功率；，：分别代表第个用户的电动机类负荷额定功率，阻抗类负荷额定功率，总的开启额定功率，1，2，3，。 ，代表第一个用户在某一被调查时段内的电动机比例；，代表第个用户在某一被调查时段内的电动机比例，1，2，3，； ， 代表同一行业在同一时间段内所有开启的设备功率之和。 以此类推，在每个时段内，都有一个电动机比例。(7)计算同类用户的平均电动机比例。行业电动机比例的统计主要有按容量加权或按比例加权。按容量加权加大了生产规模较大的典型用户在整体行业用户中的比重，所得到的整体行业用户比例反映了该行业未来的负荷特性趋势。按比例加权加大了生产规模较小，产品单一的典型用户在整体行业用户比例中的权重，所得到的整体行业用户比例反映了行业目前的负荷特性现状。实际建模中也可以将两者的算术平均作为行业用户的负荷组成比例。在本文中，采用按容量加权求取比例。同类用户中每个用户的电动机比例和总功率都知道后，通过加权求得同类用户的一个平均比例，这样就求得了三个比例。 加权求同一行业某时间段内的电动机比例。假设在某一时间段内整个行业电动机的比例为，其计算公式为：代表第一个用户在某一被调查时段内的电动机比例；：代表第二个用户在某一被调查时段内的电动机比例；：代表第个用户在某一被调查时段内的电动机比例，1，2，3，； ：代表第一个用户在某一时间段总的开启额定功率；：代表第二个用户在某一时间段总的开启额定功率；：代表第个用户在某一个时