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电力系统负荷模型研究综述

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第35卷第6期2007年3月16日摧电器RELAY  Vol.35  No.6Mar. 16, 2007电力系统负荷模型研究综述张景超‘                ,郡安河’,张承学‘,李奎’,张鹏飞’(1.武汉大学电气工程学院,湖北武汉4300722.河南电力调度通信中心,河南郑州450052)摘要:负荷模型研究的主要目的是为电力系统稳定计算提供精确的负荷模型。采用乐观或保守的负荷模型将会对电网安全或经济运行造成不利影响。随着系统规模的不断扩大和新型用电设备不断出现,负荷的动态特性也变得越来越复杂。早期的简单负荷模型已经不能满足当前互联电网稳定计算的需要。综述了负荷模型的发展历史、负荷建模的常用方法、常用负荷模型及对系统稳定的影响,结合最新研究进展,提出了应该建立区域电网负荷模型动态数据库,并指出了下一步需要研究解决的问题。关键词:电力系统;负荷建模;动态数据库;综合负荷模型Summary of load model research in power systemZHANG   Jing-chaos, YAN An-he 2, ZHANG Cheng-xue1, LI Kuil, ZHANG Peng-fei2(1. Wuhan University, Wuhan 430072, China;  2. Henan Electric Power Dispatching andCommunication Center, Zhengzhou 450052, China)Abstract:  The aim of load model research is to provide precise load model for power system stability computation. Optimistic loadmodels will endanger the safe operation of power system and pessimistic ones will degrade its economy. As continue extending ofpower grids and emerging of new-sytle faciilties, the dynamic characteristics of loads become more and more complicated. The earlysimple load model can not meet the need of stabiliy tcomputation of present interconnected network. In this paper, the developmenthistory of load model and the usual approaches in load modeling are summarized, as well as the influence of load model on thepower system stability. Based on the latest research, this paper proposes that load model dynamic database in regional power gridshould be established and presents some problems.Key words:  power system; load modeling; dynamic database; synthesis load model中图分类号:TM714文献标识码:A文章编号:1003-4897(2007)06-0083-060引言    所谓负荷模型,就是指用于描述母线上输出的总的有功和无功功率随母线电压和频率变化而变1负荷建模的方法和历程1. 1负荷模型的发展历史上个世纪五、六十年代以来,人们逐渐认识到    负荷的种类及大小对电力系统的安全稳定运行有重要影响,负荷建模问题开始引起关注。首先提出了恒阻抗(力、恒电流(I)、恒功率(乃等静态负荷模型。接着,诸如多项式模型、幂函数模型等静态负荷模型也被陆续提出。虽然当时对负荷模型的研究化的一组数学关系表达式。建立负荷模型就是要确定描述负荷特性数学方程的形式及其中的参数,简称为负荷建模「1^-31。近年来国内外电力系统接连发生大停电事故,从事故后的仿真分析中可知,采用原有的负荷模型不能准确重现事故的全过程。只有修改现有的负荷模型,才能重现事故的近似情况。为了在电网稳定仿真计算中使用恰当的负荷模型,反映系统真实运行状况,确保我国互联电网的安全稳定运行,必须尽快研究符合电网实际的实用负荷模型和建模方法及相关技术支持平台。大都建立在定性研究的基础上,但是由于系统其它的模型也比较粗略,因此基本能够满足电网计算的需要。进入七十年代,随着发电机及其调速系统等模型的不断发展,关于负荷模型的研究也提上了议事日程。1976年由美国电科院制定了一项重要的负荷研究计划,研究工作在美国和加拿大同时展开〔2,41桂电器这次关于负荷模型的研究取得了一定的研究成果,并开发了著名的LOADSYN软件。但是并没有定量解决负荷模型参数的计算问题。进入80年代以来,负荷模型的研究已经不仅限于静态负荷模型,动态负荷模型己经出现,并出现多种类型,极大地丰富了负荷模型的研究范围。这一时期负荷方面的文章很多,1995年,工EEE负荷动态性能研究工作组推荐了关于潮流计算和动态性能仿真的标准负荷模型〔5]和一篇关于负荷模型研究文章的参考目录[[6],总结了这一时期的重要文章。从中我们可以看出这一阶段的研究方向和研究热点。与此同时,负荷模型的重要性逐渐引起我国电力科研工作者的重视,以鞠平、贺仁睦为代表的一批学者开展了这方面的研究工作,并取得了丰硕的研究成果[2, 7-25]。从而使人们对负荷模型的认识提高到了一个新的高度。1.2常用负荷建模方法迄今为止,建立电网负荷模型主要有两种方    法:统计综合法和总体测辨法。统计综合法的基本思想是认为系统负荷是由千千万万个不同类型的用电设备所组成,通过在实验室对典型的用电设备进行试验,可以得到这些典型设备的负荷模型,然后根据各类典型设备在系统负荷中所占的比例,最终综合成典型的负荷模型。而总体测辨法则采用不同的思路,它将负荷看成是一个整体,将现代控制理论和辨识算法引入负荷建模和辨识,通过在一些关键出线上装设负荷测辨装置,来辨识该条出线的负荷模型〔4]。这两种方法各有优缺点:文献[3」中指出,总体测辨法的优点是可以直接从实际的系统中获取数据。但也存在一些缺点:首先,在一个变电站获得的负荷模型很难推广到其他变电站,因为我们知道每个变电站的负荷大小及组成都不一样。另外,由于变电站的运行电压和频率受供电质量的限制,只能在小范围内进行波动,因此很难真实反应负荷在电压和频率大范围波动时的动态特性。最后,由于负荷特性的时变性、随机性和变结构性,负荷测辨装置需要一直在线进行测量和辨识。统计综合法的优点在于不需要现场测量并且可以将最终的负荷模型很方便的推广到其他线路和系统中。但是缺点也很明显,需要收集不同负荷种类(如工业负荷,商业负荷,居民负荷等)的组成和每一种负荷类型由哪些具体负荷元件所构成及其构成比例等。经过多年的研究,目前在我国已经有较为成熟    的负荷测辨装置和辨识算法,一些电力公司也积极与有关科研院校联合开展研究。如华北电网与华北电力大学、河南电网与河海大学进行合作,采用总体测辨法进行负荷建模,西北电网与中国电力科学研究院合作采用基于系统事故模拟的研究方法进行负荷模型研究,湖南电网与湖南大学合作采用统计综合法进行负荷建模的工作。1.3负荷模型简介负荷模型一般可以分为静态模型和动态模型。    静态模型主要有Z工P模型、多项式模型和幂指数模型。动态负荷模型主要有机理式负荷模型和非机理式负荷模型。由于电动机负荷在总的负荷中占有较大比例,所以机理式负荷模型常用电动机负荷模型来表示。根据研究问题侧重点的不同,电动机负荷模型又可以分为五阶电磁暂态模型,三阶机电暂态模型和一阶机械暂态模型[[2]。非机理式负荷模型将负荷看作是一个输入量为电压和频率,输出量为有功和无功功率的“黑箱”,采用系统辨识的方法来确定其输入输出特性。一般有传递函数模型,差分方程模型〔,3・24, 26-28],神经网络模型〔28--32]等。    目前,我国电力系统稳定计算常采用静态负荷模型和动态负荷模型相结合的形式,即采用ZIP模型和电动机模型相结合来描述系统总的负荷模型。为了得到更加精确的负荷模型,考虑到配电网网络阻抗和无功补偿及小电源的影响,有人提出了综合负荷模型的概念。文献[33」研究了综合负荷模型对福建电网暂态稳定性的影响,结果表明,综合负荷中电动机的负荷模型、无功补偿以及变压器和配电线路的阻抗对于负荷特性有较大影响,应该在负荷模型中得到合理反映。文献〔34]提出了电力系统负荷模型中统一模拟配电网网络、无功补偿和感应电动机的模型。综合负荷模型的结构如图1所示。图中,Z,五尸分别表示恒阻抗、恒电流、恒    功率负荷部分,C表示配电网的无功补偿,M表示等值电动机模型,G表示小电源的等值模型,Rnet十jxnet表示配电网的等值阻抗。1.4负荷模型参数辨识在负荷模型研究中,模型形式一旦确定,下一    步就是如何确定和辨识该模型的参数。对于统计综合法来说,需要在实验室中确定典型负荷元件的特性和参数,然后根据典型负荷元件在典型负荷类型以及典型负荷类型在总的负荷中所占据的比例,采用聚类的方法进行聚合,最终得到负荷模型。在负荷元件的聚合中,最重要的是对电动机的聚合。文张景超,等电力系统负荷模型研究综述献「35-37]对多个不同容量电动机的聚合进行了研究。但迄今为止,电动机的聚合主要是采用容量总是偏乐观或者偏悲观。因此在计算中迫切需要采用和实际情况相一致的负荷模型。文献[[3〕指出采用精确的负荷模型可能带来的好处,从故障后首摆暂态稳定、小信号稳定、电压稳定研究等几个方面进行了分析,并在最后指出,应用负荷模型并没有一个通用的方法,对于一个给定的系统,需要努力建立和该系统负荷特性相一致的负荷模型。在电压稳定的研究中,普遍认为动态负荷模型    加权平均法。文献【38, 39〕对聚类分析在统计综合法负荷建模方面也进行了一些有益的探索。对于总体测辨法来说,负荷模型的结构对于参数的可辨识性非常重要。由于负荷的非线性特性,有些模型参数可能不会被唯一辨识出来。因此研究负荷模型结构的可辨识性成为动态负荷建模的一个研究分支,鞠平教授在此方面做了大量的工作,取得了一些重对电压稳定的研究具有重要影响[[41-451。文献[[1」研要成果和结论。另一方面,如何根据现场数据求取负荷模型的参数,使之最大程度地和现场实际相符合,也是广大学者近年来一直努力的方向。文献【40]提出了基于模型回响辨识的动态负荷建模方法,文献【16]将KOHONEN神经网络引入到负荷动态特性建模中,文献「20]分析了感应电动机负荷模型中部分参数易辨识,部分参数难以辨识且辨识结果较离散这一现象,定义了感应电动机参数解析灵敏度,给出了一种新的感应电动机负荷模型参数辨识策略。文献〔18]对动态负荷建模中负荷的时变性进行了研究,提出了一种改进负荷模型结构和基于多曲线拟合的参数辨识方法。图1综合负荷模型结构图              Fi          g. l Structure of synthesis load model    负荷模型参数的辨识总的来说是一个优化问题,即如何根据已知条件求得模型的最优解。常用的优化算法有:最小二乘法,模拟进化算法,遗传算法,粒子群优化算法等。1.5负荷模型对稳定计算的影响暂态稳定的研究对电力系统的规划、设计和安    全运行都具有重要意义。在对一个具体电网进行暂态稳定计算时,采用不同的负荷模型将对最终计算结果影响很大。传统观点认为,采用保守的负荷模型可以保证系统的设计和运行处于安全范围内。但是随着我国电网的互联范围不断扩大,相同的模型在不同位置和不同故障中对系统的稳定影响也不同,很难找到一个模型使得对系统其他部分的影响究了低电压切负荷情况下,为了保证系统的电压稳定,采用静态和动态负荷模型对仿真计算结果的影响。文献[46]指出,如何建立和选择适用于电压稳定分析的动态负荷模型,是动态电压稳定研究的关键。负荷模型不仅对系统的暂态稳定和电压稳定    有重要影响,也直接影响着电网的某些断面传输功率。在没有精确负荷模型的情况下,人们往往试图采用比较保守的负荷模型。采用精确的负荷模型后,对于有些联络线路,可以在保证系统安全稳定运行的前提下,提高电网之间的传输功率,从而提高系统运行的经济性。2负荷模型动态数据库的建立    过去几年中,我国电网规划和调度部门大多采用恒阻抗加恒功率或恒阻抗加电动机的负荷模型,如河南电网的规划部门采用40%恒阻抗加60%恒功率负荷模型,而调度部门则采用50%恒阻抗加50%电动机的负荷模型。这些模型在系统的稳定计算中发挥了重要作用。但是随着电网建设的快速发展,区域互联电网逐渐形成,负荷模型对于系统稳定分析的重要性变得越来越突出。如何获得符合实标的工程化实用负荷模型,以确保我国互联电网的安全稳定运行,成为当前的研究热点。    由于统计综合法不能经常开展,总体测辨法又存在扰动数据的有效性、信噪比较小、辨识模型较难推广等缺陷,故障仿真法又不能经常进行,因此考虑将这些方法相结合,研究建立区域电网负荷模型动态数据库成为一个比较好的选择。在负荷模型动态数据库的研究中,输入数据应    当是随时间变化的、容易得到的、和负荷有关的数据,如电力市场竞价交易数据或负荷曲线等,从而可以反映负荷的随机性和时变性。在负荷建模的方法上,可以考虑采用多种方法:如采用统计综合法建立综合负荷模型,采用总体测辨法和故障仿真法佳电书进行模型参数的对比和验证工作。在负荷模型的选择上,可以选择综合负荷模型、差分方程模型和静态负荷模型等。此外,该负荷模型动态数据库还能够根据系统设置经常进行更新。该数据库建立后,不仅能够在正常情况下为电    网调度和规划部门提供该区域电网不同季节和时段的典型负荷模型,而且可以在电力系统出现故障时,为调度故障支持系统提供准确的负荷模型支持,确保电网安全稳定运行。[2〕鞠平,马大强,电力系统负荷建模[M].北京:水利电力出版社,1    995.J    U Ping,MA Da-giang. 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