第3章电力系统负荷的运行特 性与数学模型

1、电气工程基础第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型n学习了解电力系统的负荷及负荷曲线学习了解电力系统的负荷及负荷曲线n介绍各类负荷的静态和动态特性介绍各类负荷的静态和动态特性n介绍综合负荷的静特性介绍综合负荷的静特性电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型一、电力系统负荷一、电力系统负荷 什么叫电力系统的负荷？什么叫电力系统的负荷？ 电力系统的负荷都有哪些种类？电力系统的负荷都有哪些种类？ 电力系统的负荷有什么特点？电力系统的负荷有什么特点？二、负荷曲线二、负荷曲线 负荷曲线的含义是什么？负荷曲线的含义是什么？ 绘制负荷曲线的作用和意义是什么？绘制负荷曲线的作用和意义是什么

2、？ 电气工程基础第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型1. 什么叫做电力系统的负荷？什么叫做电力系统的负荷？ 电力系统中所有用户使用的总电力功率叫做电电力系统中所有用户使用的总电力功率叫做电力系统的负荷。电力系统的用电设备包括：异步电力系统的负荷。电力系统的用电设备包括：异步电动机、同步电动机、电加热炉、整流设备、家用电动机、同步电动机、电加热炉、整流设备、家用电气（空调、风扇、电视、充电器、照明灯、计算机气（空调、风扇、电视、充电器、照明灯、计算机等等）。等等）。按管理按管理(供电供电)区域：变电站用电负荷、地区用电负区域：变电站用电负荷、地区用电负荷、全网用电负荷荷、全网用电负荷 按行

3、业划分：工业负荷、农业负荷、市政生活、商按行业划分：工业负荷、农业负荷、市政生活、商业与服务业业与服务业 按用电设备：感应电动机、同步电动机、加热器、按用电设备：感应电动机、同步电动机、加热器、照明照明如何测试？如何测试？电气工程基础第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型2. 什么叫做电力系统的供电负荷和发电负荷？什么叫做电力系统的供电负荷和发电负荷？ 供电负荷供电负荷=电力系统负荷电力系统负荷+电力系统传输损耗的功率电力系统传输损耗的功率 发电负荷发电负荷=供电负荷供电负荷+发电厂厂用消耗的功率发电厂厂用消耗的功率如何测试？如何测试？电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模

4、型定义：定义：负荷功率随时间的变化规律负荷功率随时间的变化规律类型：类型： ,日负荷曲线,年负荷曲线时间间隔月负荷曲线 季负荷曲线用户负荷曲线计量区域 母线负荷曲线,变电站负荷曲线地区负荷曲线,全网负荷曲线有功功率负荷曲线功率性质无功功率负荷曲线电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型1. 日日负荷曲线负荷曲线 电力系统负荷在一日电力系统负荷在一日24小时内的变化规律。小时内的变化规律。不同地区、不同季节、不同用户日负荷曲线都不同地区、不同季节、不同用户日负荷曲线都有差别。有差别。(1) 分类：分类：P、Q(2) 用途：用途：制订发电计划、确定运行方式、电网规制订发电计划、确定

5、运行方式、电网规划。划。电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型24davkk0W11P=Pdt =P t242424（3）特性描述：）特性描述： 基本概念：峰荷、谷荷、基荷基本概念：峰荷、谷荷、基荷 日平均负荷：日平均负荷：（a）钢铁工业；（b）食品工业；（c）农村加工；（d）市政生活不同行业的日负荷曲线电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型2. 年最大负荷曲线年最大负荷曲线 maxyfP日定义：定义：一年内，每月（或每日）最大有功负荷随时间的变化规律一年内，每月（或每日）最大有功负荷随时间的变化规律用途：用途：安排发电设备检修计划；制订机组新、扩建计划。安

6、排发电设备检修计划；制订机组新、扩建计划。注意：注意：不同电网，不同气候条件，不同负荷构成不同电网，不同气候条件，不同负荷构成不曲线形状不曲线形状 同一地区，负荷发展同一地区，负荷发展结构变化结构变化形状变化。形状变化。例如例如 北方：年最大负荷北方：年最大负荷 年末（冬季）年末（冬季） 南方：年最大负荷南方：年最大负荷 年中（夏季）年中（夏季） 电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型3. 年持续负荷曲线年持续负荷曲线 电力系统全年负荷按其大小及其持续运行时间（小电力系统全年负荷按其大小及其持续运行时间（小时数）绘制而成的曲线。（曲线递增或递减）时数）绘制而成的曲线。（曲线递

7、增或递减）定义：定义：一年内各负荷水平的负荷有功功率及其一年内各负荷水平的负荷有功功率及其持续时间，按功率大持续时间，按功率大小顺序排列而绘制的曲小顺序排列而绘制的曲线。线。特点：特点： t不代表时刻顺序，而是某一不代表时刻顺序，而是某一P 的的持续运行时间。持续运行时间。作用作用：安排发电计划并进行可靠性估计。安排发电计划并进行可靠性估计。电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 4 年最大负荷利用小时数年最大负荷利用小时数 maxyfP日11= ()nkkk8760max0maxmax8760i0W1T=PdtPpW =PdtPtt电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行

8、特性及数学模型 4 年最大负荷利用小时数年最大负荷利用小时数Tmax 的应用注意：的应用注意：Tmax 与负荷性质有关，年内负荷变化平缓（日内起伏小）与负荷性质有关，年内负荷变化平缓（日内起伏小），其值越大，其值越大。发电设备，也有相应的发电设备，也有相应的Tmax ，定义为：，定义为：Tmax W/PGN. Tmax是衡量是衡量发电和变电设备利用率的重要指标发电和变电设备利用率的重要指标 用户用户的的 Tmax ，其配电容量利用率，其配电容量利用率；电厂；电厂Tmax，机组利用率，机组利用率 Tmax是计算电能损耗、安排发电计划、可靠性估算的基本是计算电能损耗、安排发电计划、可靠性估算的基本

9、依据。依据。电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 电力系统电力系统负荷特性负荷特性是指负荷功率随电压或是指负荷功率随电压或频率变化而变化的规律，通常有负荷电压特频率变化而变化的规律，通常有负荷电压特性性和负荷频率特性两种，还可划分为和负荷频率特性两种，还可划分为静态特性静态特性（当电压或频率缓慢变化时负荷功率与负荷电（当电压或频率缓慢变化时负荷功率与负荷电压或频率的关系）和压或频率的关系）和动态特性动态特性（当电压或频率（当电压或频率快速变化时负荷功率与负荷电压或频率的关系）快速变化时负荷功率与负荷电压或频率的关系）两类。两类。 电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特

10、性及数学模型电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型负荷特性负荷特性分类分类 按覆盖范围：用电设备特性、行业特性按覆盖范围：用电设备特性、行业特性、综合负荷特性、综合负荷特性 按功率性质：有功负荷特性、无功负荷按功率性质：有功负荷特性、无功负荷特性特性 按引起负荷变化的原因：按引起负荷变化的原因： 负荷静态特性、负荷静态特性、 负荷动态特性；负荷动态特性； 负荷静态电压特性、负荷静态频率特性负荷静态电压特性、负荷静态频率特性负荷特性的特点负荷特性的特点 分散性、时变性、随机性、非线性、高维分散性、时变性、随机性、非线性、高维性性 电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及

11、数学模型 1. 负荷的静特性负荷的静特性 单一负荷的模型比较简单，综合负荷单一负荷的模型比较简单，综合负荷如变电所的负荷相对比较复杂如变电所的负荷相对比较复杂。,PqPFU fQF U f电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 2. 负荷的动特性负荷的动特性 多维空间超曲面表示数学关系。准确表示动多维空间超曲面表示数学关系。准确表示动态特性是一个难题。态特性是一个难题。 研究综合负荷特性采用实测与辨识的方法。研究综合负荷特性采用实测与辨识的方法。, , ,pqdfdUdUPU fdtdtdfdfdUdUQU fdtdtdf电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模

12、型 3. 负荷成分的静特性与动特性负荷成分的静特性与动特性 电力系统综合负荷可以简单地表示为一个静态电力系统综合负荷可以简单地表示为一个静态（不旋转）负荷与一台等值异步电动机组合。（不旋转）负荷与一台等值异步电动机组合。 （1）静态负荷）静态负荷 静态负荷主要是照明负荷，与频率无关静态负荷主要是照明负荷，与频率无关。 其中： 0000uupLLLLqLLLLUPPUUQQUuuPPpUUQQqUU （2）异步电机负荷特性异步电机负荷特性 异步电机的负荷特性包括静态负荷特性和动态负异步电机的负荷特性包括静态负荷特性和动态负荷特性荷特性。电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 4

13、 负荷模型负荷模型按是否考虑负荷动态特性：按是否考虑负荷动态特性：静态模型静态模型( (代数代数方程方程) )、动态模型、动态模型( (微分方程微分方程) )按模型的物理特性：按模型的物理特性：机理模型、非机理模机理模型、非机理模型型( (输入输入- -输出模型输出模型) )按是否考虑负荷非线性：按是否考虑负荷非线性：线性模型、非线线性模型、非线性模型性模型 电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型以下几种模型常用来模拟综合负荷。以下几种模型常用来模拟综合负荷。（1）恒定阻抗模型）恒定阻抗模型 P=I2R=U2/R模型简单，结果与真实情况有较大差别，使模型简单，结果与真实情况有

14、较大差别，使用时注意场合。用时注意场合。一般用在负荷端电压变化不大、负荷容量小一般用在负荷端电压变化不大、负荷容量小、且精度要求不高的场合、且精度要求不高的场合电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型（2）多项式模型）多项式模型 P=PN ap(V/VN)2+bp(V/VN)+cp Q=QNaq(V/VN)2+bq(V/VN)+cq 上式中的第一项为恒定阻抗，第二项为恒定上式中的第一项为恒定阻抗，第二项为恒定电流，第三项为恒定功率。电流，第三项为恒定功率。VN为额定电压，为额定电压，PN、QN为额定电压下的有功功率与无功功率，各系为额定电压下的有功功率与无功功率，各系数由实际的

15、电压静态特性用最小二乘法拟合得数由实际的电压静态特性用最小二乘法拟合得到。并且有：到。并且有： ap+ bp +cp=1 aq+ bq +cq=1当电压与频率都在额定值附近微小变化时，当电压与频率都在额定值附近微小变化时，可以作可以作线性化处理线性化处理。 P=PN(1+kpvV) 或 P=PN(1+kpf f) Q=QN(1+kqvV) 或 Q=QN(1+kqf f)同时考虑电压和频率变化时可以采用同时考虑电压和频率变化时可以采用 P=PN(1+kpvV) (1+kpf f) Q=QN(1+kqvV) (1+kqf f)其中其中V =（V-VN）/VN f =（f - fN ）/ f N电气

16、工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型（3）幂函数模型）幂函数模型qqppuuUQUP对 和 求导uqddQqdUdQpddPpdUdPuu,)(, 1uuqp分别为分别为0,1,2时时,则通用幂函数模型就变成则通用幂函数模型就变成恒定功率、恒定电流、恒定阻抗模型恒定功率、恒定电流、恒定阻抗模型电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型长期负荷预测长期负荷预测中、短期负荷预测中、短期负荷预测超短期负荷预测超短期负荷预测负荷预测的方法，如弹性系数法、回归法、负荷预测的方法，如弹性系数法、回归法、神经网络、模糊数学等。神经网络、模糊数学等。负荷预测与许多因素相关联，如所

17、在负荷预测与许多因素相关联，如所在地区的地区的规模、人口、经济水平、负荷结构、地理位置规模、人口、经济水平、负荷结构、地理位置、气候条件、人们生活习惯、电价政策、气候条件、人们生活习惯、电价政策等等。等等。负荷预测概述负荷预测概述-电力部门一项十分重要的基础工作电力部门一项十分重要的基础工作电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型补充：补充： 配电系统分为配电系统分为:TN, IT, TT系统三种。系统三种。负荷在电网中如何接入？负荷在电网中如何接入？电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 TN系统。系统

18、。 电源有一点（通常是中性点）直接接地，负电源有一点（通常是中性点）直接接地，负荷側的建筑物电气装置的外露导电部分通过保荷側的建筑物电气装置的外露导电部分通过保护线与该接地点连接的系统护线与该接地点连接的系统。1、几种配电方式、几种配电方式电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型a) TN-S系统。整个系统中保护线系统。整个系统中保护线PE与中性线与中性线N是分是分开的，见下图开的，见下图中性线（地线、零线）变压器的“地”电源接地极N3L2L1LPE 外露导电部分 外露导电部分三相负荷中性线）（地线零线)变压器的“地”三相五线制保护接地电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行

19、特性及数学模型b) TN-C系统。整个系统中保护线系统。整个系统中保护线PE与中性线与中性线N是是合一的，见下图。合一的，见下图。PENL32L1LN PEPE电源接地极 外露导电部分 外露导电部分单相负荷三相四线制电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型c) TNCS系统。整个系统中有一部分保护线系统。整个系统中有一部分保护线PE与与中性线中性线N是合一的，见下图。是合一的，见下图。 外露导电部分电源接地极PENPEN3L2L1LPEN 外露导电部分电气工程基础 第三章 电力系统负荷的 运行特性及数学模型 TT系统系统电源有一点（通常是中性点）直接接地，装置的外露导电电源有一点（通常是中性点）直接接地，装置的外露导电部分接至电气上与电源接地点无关的接地极的系统。部分接至电气上与电源接地点无关的接地极的系统。L1L2L3N电源接地极PE 外露导电部分电