（电力系统及其自动化专业论文）基于统计综合法的负荷建模理论和方法研究.pdf

基于统计综合法的负荷建模理论和方法的研究 a b s t r a c t p o w e rl o a dm o d e l i n gi sk n o w na so n eo ft h em o s td i f f i c u l tp r o b l e m si nt h ep o w e r s y s t e m so ft h ew o r l d f o ral o n gt i m e ，t h er e s e a r c ho fl o a dm o d e l i n gi sb e h i n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ep o w e ri n d u s t r y i nt h ea r t i c l e ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e sb a s i ct h e o r yo n l o a dm o d e l i n gf r o mi d e n t i f i c a t i o nt h e o r y , m o d e ls t r u c t u r ea n di d e n t i f i c a t i o nf o rm o d e l p a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ec o m p o n e n t - b a s e d a p p r o a c h a f t e rt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c si n v e s t i g a t i o no fh u n a np o w e rs y s t e m ，w eh a v e o b t a i n e dal o to fe q u i p m e n tc o m p o s i t i o np r o p o r t i o no ft y p i c a lp o w e ru s e r s ，t y p i c a l i n d u s t r i e sa n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n si nh u n a np o w e r s y s t e m t h r o u g hi d e n t i f i c a t i o n m o d e l i n gb a s e do nm e a s u r e dd a t af r o mt h es u b s t a t i o nf i l e d sa n dp o w e rs y s t e m d y n a m i cs i m u l a t i o nl a b o r a t o r yo fh u n a nu n i v e r s i t y , w eh a v eg a i n e dt h es t a t i ca n d d y n a m i cm o d e lp a r a m e t e r so ft y p i c a le l e c t r i c a le q u i p m e n t c o m b i n i n gt h el o a d c h a r a c t e r i s t i c ss t a t i s t i c sd a t af r o mi n v e s t i g a t i o no fh u n a np r o v i n c ea n dm a k i n gu s eo f t y p i c a ls t a t i cp a r a m e t e ro fe l e c t r i c a le q u i p m e n t ，w ea d o p tc o m p o n e n t b a s e da p p r o a c h t og e tt h es t a t i ca n dd y n a m i cl o a dm o d e la n dp a r a m e t e ri nt y p i c a li n d u s t r i e s o nt h e b a s i sa b o v e ，w eh a v eo b t a i n e dt h es t a t i ca n dd y n a m i cl o a dm o d e l so fp r i m a r y t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s ( 2 2 0 k v ) i nh u n a np o w e rs y s t e m o nt h eb a s i so fd e e p l yu n d e r s t a n d i n ga n dr e s e a r c h i n gi nl o a dm o d e l i n g ，w eh a v e d e v e l o p e dal o a dc h a r a c t e r i s t i c sd a t a b a s es y s t e mf o rl o a dm o d e l i n ga n df o rt h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fl o a dc h a r a c t e r i s t i c s t h ed a t a b a s ei sn o to n l yp r o c e s s i n g d a t ai nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sf o rl o a dm o d e l i n gb a s e do nm e a s u r e m e n t ，a n da l s o p r o c e s s i n g d a t aw h i c hi s i n v e s t i g a t e d f o rl o a dm o d e l i n gb a s e do nc o m p o n e n t p r a c t i c e ss h o wt h a ti t h a s c o m p l e t es t r u c t u r e ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，c o n v e n i e n t m a n i p u l a t i o n ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n dg o o de x p a n s i b i l i t y i tp r o v i d e st e c h n o l o g i c a l s u p p o r tt op o w e rs y s t e ma g g r e g a t el o a dm o d e l i n ga n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h k e yw 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 ；c o m p o n e n t - b a s e da p p r o a c h ；l o a d c h a r a c t e r i s t i c sd a t a b a s e n l 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：密乱晶 日期：上哪g 年广彤一日 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 、不保密母 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：卒凡曲 导师签 日期：三舯多年佣日 日期：谚亿年如e 始 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电力负荷建模的重要意义 电力系统是由发电厂，电力网和电力负荷组成的电能生产，传输和转换的系 统。电力负荷则是电力系统中用电设备的总称，有时候也包括将这些用电设备连 接起来的配电网，通常称为“综合负荷”。这里的电力负荷建模，不仅仅对各种具 体的用电设备元件建立模型，更重要的是研究负荷母线上的总体负荷吸收的功率 随着负荷母线的电压和频率的变动而变化的关系，确定描述这种关系的数学方程 的形式以及其中的参数，这种用于描述负荷特性的数学方程即为电力负荷模型。 目前电力系统的数字仿真已成为电力系统设计、规划、运行的主要分析手段， 相应的决策无不是以数字仿真的结果为依据。电力系统仿真计算是电网规划设计 和运行调度部门重要的日常工作，可靠准确的仿真结果是电网规划和运行调度决 策的基本依据，这就必须有准确和可信赖的元件模型为基础。由于元件模型因索 等影响，仿真结果必然存在误差，误差的大小及性质对决策的正确性具有决定作 用。如果决策基于悲观的仿真分析结果，则在规划设计方顽将会因不必要的加强 系统结构和反事故措施和投入过多的资金，造成浪费；在运行方面采取过分保守 的策略而限制了功率传输的极限，使得设备得不到充分的利用。如果决策基于乐 观的仿真分析结果，则在规划设计方面将会导致系统结构，反事故措施方面投入 资金不足，从而产生不合理的系统规划方寨，给以后的系统运行造成不便，带来 许多运行限制；在运行方面将会导致系统运行于危险的临界状态或疏于防范而造 成事故。电力系统的分析计算和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。电力系统的四大电气元件中，同步发电机及其 调节系统和输配电网络等元件模型已经相当的成熟，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：i e e e 推荐的发电机典型模 型有六种，励磁系统有四种，调速系统有二种，等等；与此相反，作为电网重要 元件之一的综合负荷模型的研究一直相对落后。一方面，负荷模型对仿真计算结 果具有重要影响，准确和可信赖的仿真计算结果必须依赖于结构正确合理、参数 准确真实的负荷模型，这已经成为了人们的共识；另一方面负荷模型的应用仍然 很粗糙，目前国内工程仿真计算普遍采用一定比例的感应电动机与恒定阻抗的并 联作为暂态稳定计算的综合负荷模型，并且全国基本上用一套“典型”感应电动 机参数，至于这套参数是否适合各电网的实际情况则缺乏研究。各类电力系统计 算中所采用的负荷模型却仍相当简单，往往只能从基本的物理概念出发，采用理 基于统计综台法的负荷建模理论和方法的研究 想化的模型，如：恒功率模型，恒电流模型，恒阻抗模型，或三者的组合。由于 整个电力系统是由发电机、输电网络和电力负荷三部分组成，因此整个电力系统 的模拟精度的提高与以上三个部分的建模紧密相关，负荷模型相对的不精确阻碍 了整个系统计算精度的进一步提高，从而也降低了改进发电机和输电网络模型的 价值。这种粗糙的负荷模型与精确的发电机、调速系统、励磁系统和网络元件模 型的不协调状况，从整体上讲，将使后者的精确性难以发挥其应有的作用，从而 制约了电网仿真计算结果准确与可信赖程度的关键因素。 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，因此现代大型电网的负荷建模面临两个重要问题一一即负荷特性的分 类与综合问题以及负荷模型的结构问题，这是负荷建模实用化的关键性难题。虽 然电力负荷模型很重要，但由于电力负荷具有地域分散、结构复杂、随机时变、 高度非线性等特点，使得负荷模型的建立十分困难，是电力界公认的世界性难题 1 - 7 。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不断深入，我 们可以更清楚全面地了解系统的实际负荷特性，得出更加精确的实际负荷特性的 负荷模型和参数，以应用于电力系统调度的仿真计算和决策。这对于建立符合电 网实际的准确综合负荷模型，对于更加科学合理地运行调度，充分挖掘和发挥电 网供电潜力，确保电网安全稳定经济运行，乃至节约电网建设投资，具有重要且 迫切的现实工程意义。 1 1 1 负荷模型对潮流计算的影响 当电网运行条件好时，节点电压幅值在额定值附近，采用恒功率负荷模型的 潮流计算并不存在收敛问题。但对于运行恶化的系统，如故障后断开线路或切除 发电机，系统中相应节点电压偏离额定值较远，采用恒功率的负荷模型计算潮流 时就存在潮流收敛问题。此时若采用考虑实际负荷功率随电压变化的负荷模型( 例 如，幂函数等模型) 时，潮流计算的收敛性便可以得到改善【l 】。工业界就很不理解 学术界怎么会有潮流收敛性这样的问题。一个电网一旦运行，就有潮流。实际上， 采用恒功率的负荷模型的潮流不收敛，关键问题在于该潮流负荷模型没有真实造 反映实际的物理过程( 实际负荷在电压降低时，负荷吸收的有功无功都将减少) ， 这样实际的潮流存在和潮流计算不收敛便很好理解了：实际潮流收敛在降低的负 荷有功无功上。采用恰当的负荷模型能改善潮流的收敛性和计算精度。 1 1 2 负荷模型对暂态稳定的影响 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 各个发电机上的电磁功率进而影响对各发电机起加速和减速的剩余转矩。同其他 系统元件模型不同，一个负荷模型我们不能一概而论采用它会得到保守的或乐观 的结果，必须根据相应的场景来确定【2 “】负荷稳定对暂态稳定动态计算以及功率 硕士学位论文 极限的影响很大，可达到2 5 左右。在故障初期，电压一般下降，而频率变化很小， 只需计及负荷的电压特性。但在后期，特别是靠近发电机的地方有可能要考虑负 荷的频率特性a 从时间框架来说，暂态稳定为秒级。感应电动机的负荷的转子绕 组动态时间常数也在这个范围内，因此可能有必要考虑感应电动机负荷的动态特 性。暂态稳定快速、短暂的特点，对负荷数据的采集和负荷特性参数的确定提出 了高要求。c i g r e 的t a s k f o r c e3 8 0 2 0 5 报告给出了f g o 电网中在三个不同的母 线采用不同的负荷模型得到的不同的故障临界切除时间【8 1 ，结果表明负荷模型对系 统暂态稳定影响较大【9 】。 1 1 3 负荷模型对系统阻尼的影晌 电力系统发生区域间低频振荡时，不但电压会波动，而且频率也会明显变化， 因而必须研究负荷的电压特性和频率特性及其影响。要注意的是，这时负荷特性 的影响和暂态稳定并不是一回事。现代大型电力系统振荡的频率较低，一般在 0 1 h z 2 h z 之间，振荡时间往往较长，可达数十秒。一般来说，负荷动态模拟不 分布在这一频率区间，所以负荷的一些动态参数对系统阻尼影响不大，可以采用 准稳态负荷模型。但动态负荷所占的比重会影响到总静态特征系数，对系统阻尼 具有显著影响，是一个重要参数。 1 1 4 负荷模型对电压稳定计算的影响 功角稳定主要取决于有功平衡，而电压稳定则更多的取决于无功平衡。所以 对于功角稳定有功负荷特性更重要些，而对于电压稳定无功负荷特性更重要些。 由上可知，负荷在电压稳定问题中扮演及其重要的角色，负荷模型在很大程度上 影响着电压稳定的分析结果。在电压稳定分析中更需要精确的动态负荷模型，而 不是简单的静态负荷模型【2 0 l 。由于电压稳定一般是中长期的，而且电压有时候特 别低，所以必须考虑负荷特性的非连续问题、有载调压变压器( 0 l t c ) 以及电压 控制装置。 以上从负荷模型对仿真计算的几个重要方面的影响以及目前的粗糙运用状况 两方面来说明对准确的电力负荷模型需要的迫切性。现在，负荷建模的重要性也 逐步引起生产部门的重视。首先，在运行方式的选择上，各网、省局都有运行方 式科( 组) ，通过稳定计算来确定安全功率极限，并以此保证系统的安全稳定运行。 其二，目前国内在调度员模拟培训器研制和使用方面正处于蓬勃发展的阶段，而 其中暂态和中、长期动态仿真都与负荷模型有密切的联系。负荷模型是否正确， 将会直接影响到培训的效果。其三，进行电力系统规划时，采用不同的负荷模型， 在临界情况下，计算结果可能相差一条线路的投资。总之，随着我国电力工业的 发展，解决电力系统负荷建模中的一系列问题，是电力工作者需要迫切完成的任 务之一，对电力系统安全经济运行具有重要的价值。 董王苎生箜盒鎏塑苎垄兰兰堡耋墼耋鎏竺墼耋 1 2 电力系统负荷建模的发展 早在上个世纪3 0 、4 0 年代，美国和前苏联学者就已经认识到负荷模型对电力系 统分析的重要性，并研究了负荷随电压和频率变化的静态和动态特性引，这一阶段 可以说是负荷建模的萌芽期。 到了5 0 - 6 0 年代，美国、德国、前苏联等国家已经在现场进行了大量实验， 并且获得了许多负荷特性数据，对负荷的特性积累了一定的感性认识。到了6 0 年 代，由于数字电子计算机及控制理论引入了，电力系统这门工程科学焕发了新的 活力。在这样的背景下，人们可以采用计算机对复杂的电力系统进行精确的仿真 研究，而精确仿真的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，虽然负荷模型的种类已经极大的丰富了，但是相应的负荷模型参 数的准确模拟甜是很不理想，主要靠定性估计，辅助以简单的静态函数拟合。 6 0 年代末7 0 年代初，由于对电力系统仿真计算精度要求的提高和系统分析不 断向广度和深度发展，以发电机为中心，原动机、调节系统等元件的建模又都向 前迈进了一步，而负荷建模却因其困难性基本上仍停留在原来的水平。 7 0 年代末8 0 年代初，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 ga p p r o a c h ) 的提 出，是这一时期负荷建模的最重大的成果。它打破负荷模型研究上的困难局面， 为后面负荷建模的发展开创了新局面。1 9 7 6 年开始，美国电力研究所( e p r i ) 主持 了一项庞大的研究计划。根据这个计划，研究工作在美国和加拿大同时展开。攘 个工作经过了严密的计划和组织，从理论上、现场实验上以及数据收集系统的软、 硬件开发和数据处理程序等几个方面全面铺开。美国的t e x a s 大学与g e 及其它一 些电力公司合作致力于统计综合法( c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h ) 负荷建 模的研究。该方法是在实验室内确定每种典型负荷( 例如，荧光灯、电冰箱、工业 电动机、空调等) 的平均特性方程，然后在一个负荷点上统计一些特殊时刻负荷( 如 冬季峰值负荷、夏季峰值负荷) 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。e p r i 经过多 年的努力发表了许多研究报告，并且研制了到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 t 2 3 1 。该软件使用时虽然需要三种数据：负荷组成， 即各类负荷( 民用、商业、工业等) 所占的比例；各类负荷中备用电设备( 荧光灯、 电动机、空调等) 所占的比例；各用电设备的平均特性，但由使用者必须提供的只 有第一种数据，后两种数据可以利用该软件包所给的典型值，这就给该软件的使 用提供了一定的方便。 在e p r i 、这项工作的推动下，进入八十年代以后，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。 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总体测辩法 ( m e a s u r e - b a s e dm o d e l i n ga 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、加拿大和澳大利弧等国 在实际系统中进行了大量的研究并且相继开发了一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 【l3 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，其不定期的发表专题报告以指导负荷建模 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【9 j 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。 国内开展负荷建模的系统研究则始于贺仁瞳教授的开创性工作。综观国内外 近3 0 多年来的研究成果，负荷建模工作主要集中在如下几个方面：一是模型结构 的研究一一主要提出的模型如恒功率、恒阻抗、恒电流模型及其综合的z i p 模型 以及发展的任意多项式模型，幂函数模型，感应电动机模型，差分方程模型，综 合导纳模型等等；二是模型参数的辨识算法的研究，除了传统的优化算法外，一 些智能类优化计算方法也应用于负荷模型参数辨识并表现出优秀的性能；三是负 荷模型对仿真计算( 尤其是暂态稳定计算) 结果以及运行状态的影响的研究；四 是不同激励下负荷模型的适应能力( 内插外推特性) 、负荷模型的在线辨识与等值、 负荷模型参数的分散性、灵敏性和可辨识性及其关系等负荷建模实践中发展的理 论与方法问题。五是负荷建模工程应用平台的研制。 基于统计综合法的负荷建模理论和方法的研究 1 3 电力负荷建模的研究现状 1 3 1 负荷建模方法 历史上出现的负荷建模的方法大致可以分为两类：基于元件的负荷建模方法 ( c o m p o n e n t - b a s e da p p r o a c h ) 和基于量测的负荷建模方法( m e a s u r e m e n t - b a s e d a p p r o a c h ) 2 1 , 2 2 。基于元件的负荷建模方法即统计综合法，基于最测的负荷建模方法即 总体测辨法。 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。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。在采用此类方法时，需要3 种数据资料，即单个用电 设备的平均特性、各类负荷中用电设备的组成比例和各类负荷的组成比例。前两 种数据相对比较稳定，属于共性数据，我们通过典型统计获得。而最后一种数据 是负荷特殊性的体现。统计综合法是一种传统的做法，比定性估计负荷参数前进 了一大步。该方法的优点在于建模时不需要进行现场实测，花费的代价较小，但 三种统计数据的获得费时、费力且难以准确。另外，统计数据不可能经常进行， 所以此方法不适应研究负荷特性的时变性。自g o 年代以来，人们对统计综合法的 研究基本停滞，没有突破性成果。 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，通过 现场试验和在线捕捉电力系统的自然扰动而获得负荷所在母线的电压、频率、电 流、有功、无功数据，然后根据这些数据辨识出综合负荷模型结构和模型参数。 总体测辨法以现场实测的数据为基础的，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负荷实测的负荷数据，并且要求通过模 型验证，确保所建模型在仿真计算要求内具备良好的外推、内插能力1 2 ，使得模 型既能突出本质又能简化地描述负荷的行为。确定实测负荷特性数据的模型结构 和模型参数的辨识是总体测辨法负荷建模的两个重要问题。总体测辨法有两种数 据来源：人为干扰下采集数据和自然扰动下采集数据。因此，从参数辨识角度看， 可分为在线辨识和离线辨识两种方式。在线辨识方法能较好的反映负荷特性随时 间的变化，但这需要在负荷点安装大量的监测设备，花费很大，而且由于大扰动 不经常出现，所以监测周期长。总体测辨法无需了解负荷内部的复杂构成，是解 决成千上万用电设备构成的负荷群建模的一种可行方法。随着计算机技术、通信 技术和系统辨识理论的发展，该方法变得更加简单、易行。近年来，人们对在线 辨识方法的研究取得了很大的成果，文献 1 0 1 3 】对在线辨识方法作了较为深入的 硕士学位论文 研究。 1 3 2 负荷模型 文献 4 ，1 4 ，1 5 给出了主要的负荷模型。按照是否反映负荷的动态特性，负荷 模型一般可分为静态模型和动态模型。前者通常采用代数方程描述，后者一般用 微分方程和差分方程来描述。按照是否反映负荷的物理特征，动态负荷模型又可 分为机理动态负荷模型和非机理动态负荷模型 1 3 2 1 静态负荷模型 静态负荷模型反映了负荷有功、无功功率随频率和电压缓慢变化而变化的规 律，其基本的模型结构是幂函数模型和多项式模型。通常用一个幂函数模型在电 压变化范围比较大的情况下仍能较好地描述很多负荷的静态特性，但对于像空调 等负荷，其特性比较特殊，低电压下随电压降低吸收功率反而增加。这样的负荷 特性用一个幂函数模型难以作整体描述，而采用多个幂函数模型相加的形式则可 以得到满意的结果。多项式负荷模型由恒阻抗、恒电流和恒功率模型组合而成， 它可以看作是三个幂函数模型相加的特例，其幂指数分别为0 、l 和2 ，并且三个 幂函数的系数之和为1 。因此静态负荷模型采用幂函数形式具有很大的灵活性。 静态负荷模型主要应用在电力系统潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分析 中，它一般适用于计算结果对负荷模型不太敏感的负荷点n 0 1 。目前国内电力系统 潮流计算所采用的负荷模型主要是恒功率模型，暂态计算所采用的负荷模型也多 是多项式模型( 多为4 0 的恒功率+ 6 0 的恒阻抗) 。在电力系统动态仿真中，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的长过程动态分析 中。 1 3 2 2 动态负荷模型 动态负荷模型又可以进一步的分为机理模型和非机理模型。其中，机理动态 模型通常是指感应电动机模型l i s a 9 。相应的还有采用一台等值感应电动机，两台 或更多等值感应电动机，以及将等值感应电动机并联上相关的静态负荷等几种形 式。感应电动机模型根据所考虑的暂态过程不同可分为五阶感应电动机模型、三 阶感应电动机模型和一阶感应电动机模型。由于感应电动机定子绕组的暂态过程 要比转子绕组的电磁暂态过程要快得多，其更比电力系统暂态过程快得多 1 6 】，因 此是否考虑定子的暂态过程影响不大，三阶模型就能很好的反殃感应电动机的性 能，一般五阶模型仅在电力系统电磁暂态分析中考虑，常用的为考虑感应电动机 机电暂态过程的三阶模型和只考虑机械暂态过程的一阶模型。随着电力系统电压 稳定问题研究的开展，美国学者又提出了一阶的电压暂态模型。 非机理模型也称为输入输出式模型，它是在系统辨识理论发展过程中，从大 董：釜盐釜主兰望墨要耋耋詈兰2 互鎏篁罂罂 量具体动态系统中抽象概括出来的，对一大类动态系统具有很强描述能力。其本 质就是将负荷问题看作黑箱或灰箱，只需建立输入输出的数学表达式。每一种非 机理模型都有其普遍适用的范围，也正是其普遍适用性也掩盖了它作为具体系统 的具体物理机理。非机理模型并不苛求模型的机理解释，主要强调模型对系统行 为的描述能力。常见的非机理模型可细分为线性动态模型和非线性动态模型。线 性动态模型可以用传递函数、差分方程、状态方程等形式，互相之间可以转换。 非线性动态模型也可以采用传递函数、差分方程、状态方程的形式，但相互之间 难以直接传递，文献t 1 6 l 总结了它的典型模型。此外还有考虑描述负荷模型非线性 而提出的人工神经网络模型。 动态模型的应用场合非常广，从负荷建模方面来说，它主要应用于电力系统 的暂态分析和电压稳定分析1 2 5 , 2 6 1 。 1 3 3 负荷模型参数的获取 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，必须借助系统辩识理论。当负荷模型的结构和形式确定后参 数辩识就相对比较容易，其本质是一个单纯的数值优化问题。可供选择的准则有： 最小二乘、最大似然，最小方差等。普遍采用的准则是最小二乘。负荷建模所对 应的数值优化问题是一个非线性优化问题，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，也可以采用各种非线性优化方法，如最速下降法，共 轭梯度法，变尺度法，直接法等r 。近年来，掀起了一股对遗传算法的研究热潮。 遗传算法不仅为负荷模型的参数辩识提供了一种新方法，而且用于负荷建模时能 够在参数空间中搜索到比传统优化方法更精确的最优解。 1 4 负荷建模工作中存在的问题 电力负荷建模发展到了今天，在理论和应用都取得相当的进展和研究成果， 但相对于电力系统的其他部分仍需加快研究步伐。按照笔者的个人理解，以下方 面需要进一步研究： 1 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 以灵活的推广至其他负荷点。模型电压的通用性和模型对实际负荷的时变性问题 的描述都是急待解决的实际问题。 2 统计综合法调研的组织工作、总体测辨法的现场实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，不但要尽 快建立我国的负荷模型和模型参数的数据库，而且还要不断的更新和完善数据。 3 用于低电压、低频率、中长期下的负荷特性和模型，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。我们可不可以把总 体测辨法和统计综合法统一起来，改变以往单一的孤立的研究这两种方法，形成 以总体测辨法为主，统计综合法为辅的新的负荷建模形式。 1 5 本文的研究内容和主要贡献 本文首先从模型的辨识原理、模型结构的选择和模型参数的辨识三方面出发， 介绍了负荷建模的基本理论知识。着重于对统计综合法负荷建模的理论研究和实 际运用。通过湖南电网负荷特性调查，取得了大量的湖南电网的用户、行业和变 电站的综合负荷的设备组成及其比例。通过基于现场实测和实验室模拟试验数据 经辨识建模，获得典型用电设备的静态幂函数模型参数和动态负荷模型及其参数； 结合负荷特性的调查统计资料，采用统计综合法负荷建模的基本方法，利用典型 用电设备的静态特征系数，建立了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，继而得到全网主要变电站( 2 2 0 k v ) 的静态和动态负荷模型。参照 美国e p r i 和i e e e 于1 9 8 7 和1 9 8 8 年的研究报告中对典型的用电设备的静态模型 参数的总结1 2 毛”j ，建立了一个典型元件负荷特性参数库。 在负荷建模理论与应用方法研究基础上，设计并开发了负荷特性管理数据库。 该负荷特性数据库不仅具有变电站现场实测负荷特性数据的管理功能，为总体测 辨法负荷建模服务；而且对负荷特性调查统计数据具有分析、处理与管理功能， 以满足统计综合法负荷建模的需要，较完善的功能、简单的操作和良好的扩展性 为负荷特性研究及其应用提供了良好的负荷特性管理平台，已成功地应用于湖南 电网负荷建模，并在湖南省电力调度通信中心投入运行。 基于统计综合法的负荷建模理论和方法的研究 第2 章负荷建模的基础研究 电力综合负荷通常指接于高压母线上的配电网、补偿设备以及众多的用点设 备。高压母线负荷主要是由以下几个部分组成：配电线路，配电变压器，并联补 偿电容和用户的电气设备。负荷模型是指描述负荷端口的功率和电流随其端口电 压和频率变化特性的数学方程和相应的参数。影响负荷模型有效性的因素很多， 整体来说，主要有两个方面的原因：模型结构和辨识方法。建模的第一步就是构 造或选择一个合理的负荷模型结构，模型结构的合理与否直接决定着负荷建模的 效果，合理的模型结构是好的建模效果的前提，而好的辨识方法能够在最短的时 间内找出最优的辨识结果，它能够大大提高建模的效率。下面将主要从负荷模型 结构和辨识方法两方面来介绍负荷建模的理论基础 2 1 负荷的静态模型及其特性 当电网频率和负荷母线电压缓慢变化时负荷所表现出的行为特性即负荷的静 态特性，它是电网正常运行或受到小扰动情况下的负荷行为表现。描述这种特性 的代数方程即为静态负荷模型，其一般形式见式( 2 1 ) 所示。 j p 2 户( u ，口( 2 1 ) i q = o ( u ，f ，口) 式( 2 1 ) 中，p 、q 为负荷的有功功率和无功功率，u 为负荷母线电压，f 为电网 频率，口是模型参数。电力