趙紅嘎

基于SLM模型的負(fù)荷模型總體測辨方法

趙紅嘎

福建電力調(diào)度通信中心

福建電網(wǎng)已經(jīng)建立了負(fù)荷在線綜合建模系統(tǒng)，實現(xiàn)了負(fù)荷模型的在線動態(tài)維護(hù)。系統(tǒng)一期采用了基于CLM模型的負(fù)荷模型總體測辨方法，該模型由于沒有充分考慮配網(wǎng)阻抗對負(fù)荷模型的影響，在實際應(yīng)用中與實際負(fù)荷特性存在一定偏差。為了進(jìn)一步提高負(fù)荷實測模型準(zhǔn)確度，該文提出并實現(xiàn)了基于SLM模型的負(fù)荷模型總體辨識方法，并給出了SLM模型的辨識結(jié)果。基于SLM模型的負(fù)荷實測模型的應(yīng)用將進(jìn)一步提高電網(wǎng)仿真計算的精度。

負(fù)荷模型 SLM模型 總體測辨法

電力系統(tǒng)仿真準(zhǔn)確度及負(fù)荷模型對仿真準(zhǔn)確性的影響已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[1-4]。為得到準(zhǔn)確的負(fù)荷模型，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和電力公司進(jìn)行了大量的研究和嘗試[5-14]。由于電力負(fù)荷的多樣性和時變性，負(fù)荷準(zhǔn)確建模非常困難，目前電網(wǎng)仿真計算中主要還是采用經(jīng)驗負(fù)荷模型，實測負(fù)荷模型并沒有得到推廣應(yīng)用。當(dāng)前國家電網(wǎng)公司正在開展提高電網(wǎng)輸電能力工作，提高仿真模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性是其中一項重要的、有效的基礎(chǔ)性工作，電力系統(tǒng)負(fù)荷模型及參數(shù)的實測和應(yīng)用工作已經(jīng)列入國家電網(wǎng)公司 “十一五”規(guī)劃目標(biāo)。

隨著電網(wǎng)負(fù)荷的發(fā)展和功率輸送極限的提高，對電網(wǎng)仿真深度和仿真準(zhǔn)確度的要求越來越高，開展電力負(fù)荷建模研究，建立能反映實際負(fù)荷特性的仿真模型及參數(shù)勢在必行。福建電力調(diào)度通信中心與河海大學(xué)合作開展了負(fù)荷實測建模研究和開發(fā)，對福建電網(wǎng)現(xiàn)有與負(fù)荷相關(guān)的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行了分析和篩選，在總結(jié)當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷實測建模主要困難和成果的基礎(chǔ)上，提出了充分利用已有數(shù)據(jù)資源、進(jìn)行負(fù)荷在線綜合建模的思路，開發(fā)了福建電網(wǎng)負(fù)荷模型動態(tài)維護(hù)和管理平臺。

福建電網(wǎng)在線負(fù)荷綜合建模系統(tǒng)中原有總體測辨法模塊基于間接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合模型（CLM）進(jìn)行辨識。CLM模型由于對配電網(wǎng)絡(luò)阻抗考慮不充分，在實用中存在一定的問題。為進(jìn)一步提高負(fù)荷實測模型的精度，本文介紹了基于直接考慮配電網(wǎng)絡(luò)阻抗綜合負(fù)荷模型（SLM）的負(fù)荷模型總體辨識方法，并給出了辨識的結(jié)果。

1 CLM模型和SLM模型

1.1 間接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷模型（CLM模型）

間接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負(fù)荷模型包括等值感應(yīng)電動機(jī)和靜態(tài)負(fù)荷部分。等值感應(yīng)電動機(jī)一般采用三階機(jī)電暫態(tài)電動機(jī)模型，靜態(tài)部分采用ZIP模型。如圖1所示。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真中，負(fù)荷一般接在110kV或220kV母線。但是，無論電動機(jī)負(fù)荷、照明或生活用電負(fù)荷都不可能直接由110kV或220kV母線供電，因此，在負(fù)荷模型中必須考慮配電網(wǎng)絡(luò)的影響。間接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負(fù)荷模型通過在感應(yīng)電動機(jī)定子阻抗中增加一定的數(shù)值來模擬配電網(wǎng)絡(luò)的影響，比如定子電抗通常取0.12pu，計及配電網(wǎng)絡(luò)影響后定子電抗取為0.18pu。該模型存在以下不足：

1.1.1該模型靜態(tài)部分沒有考慮配電系統(tǒng)阻抗的影響

由于用電負(fù)荷都是由配電網(wǎng)絡(luò)供電，在等值負(fù)荷模型中，等值電動機(jī)和靜態(tài)負(fù)荷都應(yīng)該考慮配電系統(tǒng)等值阻抗。同時，由于負(fù)荷的非線性，還難以采用數(shù)學(xué)方法將靜態(tài)負(fù)荷從配電網(wǎng)絡(luò)中等效地移出。

1.1.2該模型的電動機(jī)定子電抗計及配電系統(tǒng)阻抗時，沒有考慮配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償以及靜態(tài)負(fù)荷的影響

該模型將配電系統(tǒng)等值阻抗直接與等值電動機(jī)的定子阻抗合并，這種處理，在不考慮配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償和靜態(tài)負(fù)荷的條件下是可行的。但是，由于沒有考慮配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，將導(dǎo)致配電系統(tǒng)等值阻抗的壓降增加，惡化電動機(jī)的運行條件。

1.1.3該模型靜態(tài)部分的無功功率可能有負(fù)的恒定電流和恒定功率成分，即被處理成無功電源

由現(xiàn)有模型的初始化計算可知，當(dāng)?shù)戎惦妱訖C(jī)吸收的無功功率大于系統(tǒng)向負(fù)荷提供的無功功率（潮流計算中的無功負(fù)荷）時，就會導(dǎo)致靜態(tài)負(fù)荷的無功功率為負(fù)值。對于恒定阻抗部分，可以等效為無功補(bǔ)償，是合理的。對于恒定電流和恒定功率部分，則被等效為無功電源，可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定水平的大幅度提高。但是，實際系統(tǒng)中并不存在這樣的無功電源，顯然是不合理的。

圖1 間接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負(fù)荷模型

1.2 直接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷模型（SLM模型）

直接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型（SLM）中有配網(wǎng)等值阻抗，在等值阻抗下面掛有等值靜態(tài)負(fù)荷、等值馬達(dá)、描述無功補(bǔ)償?shù)牡戎惦娙莺痛矸植际诫娫吹牡戎蛋l(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該模型具有以下特點：

1.2.1靜態(tài)負(fù)荷和電動機(jī)負(fù)荷都可以考慮配電系統(tǒng)阻抗的影響

綜合負(fù)荷模型對配電系統(tǒng)阻抗模擬方法，保證了模型結(jié)構(gòu)更符合實際配電系統(tǒng)和用電負(fù)荷的關(guān)系?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)牡戎捣椒?，得到較準(zhǔn)確的配電系統(tǒng)等值阻抗。

12.2模擬了配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償

配電網(wǎng)絡(luò)中和電力用戶都配置了大量的無功補(bǔ)償裝置，其動態(tài)特性對系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要影響，應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)模擬，綜合負(fù)荷模型為配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)哪Ｐ停峁┝擞行У哪M方法。

1.2.3可以方便地考慮配電系統(tǒng)的小機(jī)組

在仿真分析（特別是擾動試驗和事故分析）有時需要考慮接入配電網(wǎng)絡(luò)的小機(jī)組，綜合模型結(jié)構(gòu)中包含了小機(jī)組，可以使小機(jī)組的模擬更加方便。

1.2.4靜態(tài)無功負(fù)荷不會出現(xiàn)負(fù)的恒定電流和恒定功率

負(fù)荷功率因數(shù)的引入，保證了靜態(tài)負(fù)荷無功部分不會出現(xiàn)負(fù)的恒定電流和負(fù)的恒定功率，使模型更符合實際。

圖2 直接考慮配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負(fù)荷模型

2 負(fù)荷模型總體辨識原理

負(fù)荷模型總體辨識法的基本原理可用如下的公式進(jìn)行說明。設(shè)等值負(fù)荷機(jī)理動態(tài)模型的狀態(tài)方程為

輸出方程為

式中：k表示離散采樣時刻kh，h是采樣步長；Y(k)為k時刻輸出向量的模型計算值；Ym(k)為k時刻輸出向量的測量值； W(k)為ky×hy階方陣，稱為加權(quán)矩陣，一般情況下，加權(quán)矩陣取為單位矩陣。

3 負(fù)荷模型總體辨識策略

即使對于CLM模型，要唯一辨識出所有的參數(shù)，除了需要利用擾動前以及動態(tài)過程的數(shù)據(jù)外，還需要增加后穩(wěn)態(tài)條件。SLM中除了包括了感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷和靜態(tài)負(fù)荷，還增加了配電網(wǎng)絡(luò)的等值阻抗。需要注意的是，雖然能夠測量的是負(fù)荷總母線的電壓以及對應(yīng)的總負(fù)荷功率或者電流，但并不是模型中的所有元件的電壓電流均能夠測量，因為模型中的元件都是假設(shè)的等值元件而不是實際系統(tǒng)的元件。對于SLM模型而言，僅依靠總電壓和總功率的測量數(shù)據(jù)，采用辨識的途徑是不能夠唯一確定所有參數(shù)的。因此，需要繼續(xù)深入研究采用統(tǒng)計綜合與測量辨識相結(jié)合的方法確定SLM參數(shù)，即可辨識的且對電力系統(tǒng)仿真結(jié)果較敏感的參數(shù)，采用辨識方法得到，其余的參數(shù)由統(tǒng)計綜合法得出。

問題的關(guān)鍵是如何處理配電網(wǎng)阻抗R、X和X，理論分析和應(yīng)用實踐表明這3個參數(shù)只要已知其中一個或者一個條件，則其余重點參數(shù)就可以辨識。有3個可能的方案：

A.R、X采用統(tǒng)計綜合法確定，其余重點參數(shù)采用總體測辨法確定。

B.X+X采用統(tǒng)計綜合法確定，其余重點參數(shù)采用總體測辨法確定。

C.X/R采用統(tǒng)計綜合法確定，其余重點參數(shù)采用總體測辨法確定。

參數(shù)確定的過程如下：

（1）根據(jù)配電網(wǎng)情況，采用統(tǒng)計綜合法確定某個參數(shù)，比如方案（三）時確定X/R。如果實際工程中暫時無法實施統(tǒng)計綜合法，那么就取典型值。

（2）按照參數(shù)辨識方法，給定一組待辨識參數(shù)的初值，其余參數(shù)采用典型值，則所有參數(shù)已知。

（4）根據(jù)虛擬母線電壓和初始功率求解微分方程，計算虛擬母線上的負(fù)荷功率。

（5）根據(jù)虛擬母線負(fù)荷功率和配電網(wǎng)阻抗，反過來計算實際負(fù)荷母線功率，并計算與實測功率的誤差。

（6）采用蟻群優(yōu)化算法不斷優(yōu)化待辨識參數(shù)，回到步驟（2），直至收斂。

隨著配電線路長短變化，R和X隨之在較大范圍變化，而兩者之比X/R卻變化較小。另外，+X也是較難統(tǒng)計的。所以，X/R相對固定也比較容易確定，本文推薦采用方案C。

4 負(fù)荷模型總體辨識流程

總體測辨法的流程圖如圖3所示，具體如下：

4.1 挑選有效數(shù)據(jù)。判別的依據(jù)主要有兩個：（1）擾動類型為區(qū)外擾動；（2）擾動的幅度在10％-15％為好，至少為2％；擾動寬度一般在8～10個測點，每個測點間的時間間隔為10ms。

4.2 根據(jù)BPA的推薦參數(shù)對非辨識參數(shù)賦典型值。

4.3 對待辨識參數(shù)賦初值，并給定尋優(yōu)范圍。

4.4 模型的初始化。上文已經(jīng)詳細(xì)闡述，此處不再贅述。

4.5 通過龍格—庫塔法解出模型狀態(tài)方程。由初始化過程中得到的狀態(tài)變量的初值，解出以下各點的值。

4.7 判斷優(yōu)化次數(shù)，若小于200次循環(huán)至3，否則輸出結(jié)果。

5 負(fù)荷模型總體辨識結(jié)果

根據(jù)福建電網(wǎng)典型負(fù)荷站點的上傳數(shù)據(jù)，辨識算法模塊進(jìn)行了在線參數(shù)辨識，SLM辨識結(jié)果如表1和表2所示。

從辨識結(jié)果可以得知：（1）同一時段、相同站點的參數(shù)比較集中，這表明了參數(shù)的相對平穩(wěn)性、客觀規(guī)律性；（2）分別采用高、低壓側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識，結(jié)果合理且符合一般規(guī)律性，這表明了使用高低壓側(cè)數(shù)據(jù)都具有效性；（3）不同站點、不同時段的參數(shù)有差異，這表明了建立分類、分時段負(fù)荷模型的必要性。

圖3 總體測辨法流程圖

6 結(jié)論

本文介紹了CLM模型和SLM模型，并重點給出了基于SLM模型的負(fù)荷模型總體測辨方法，最后給出了負(fù)荷實測模型。SLM模型可以充分考慮配電網(wǎng)絡(luò)阻抗對負(fù)荷特性的影響，可進(jìn)一步提高負(fù)荷實測模型的精度，從而可以提高電網(wǎng)仿真計算的準(zhǔn)確度。

表1 Ⅰ類負(fù)荷SLM參數(shù)

表2 Ⅱ/Ⅲ類負(fù)荷SLM參數(shù)

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