黃志剛，鄭衛(wèi)洪

（天津電力調(diào)度通信中心，天津 300010）

隨著對電網(wǎng)安全要求的日益增高，電網(wǎng)仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性問題愈來愈得到關(guān)注。在東北—華北聯(lián)網(wǎng)及后續(xù)的三華電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程調(diào)試中電網(wǎng)調(diào)度部門及相關(guān)研究單位發(fā)現(xiàn)在具有較詳細(xì)的發(fā)電機(jī)模型和電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真計(jì)算結(jié)果仍然與電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際存在較大差距，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種差距的重要原因之一就是電網(wǎng)的負(fù)荷模型不夠完善。為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)仿真精度，探索與電網(wǎng)實(shí)際發(fā)展相一致的負(fù)荷模型和建模方法已成為亟待解決的問題。

1 負(fù)荷模型對電網(wǎng)仿真計(jì)算的影響

電力系統(tǒng)仿真計(jì)算通常包括電力系統(tǒng)模型的建立、模擬過程計(jì)算和計(jì)算結(jié)果梳理顯示3大部分組成。電力系統(tǒng)模型的建立是整個(gè)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)模型的建立又是由發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁，調(diào)速系統(tǒng)模型的建立，電網(wǎng)模型的建立和負(fù)荷模型的建立3部分組成。因此負(fù)荷模型建立的恰當(dāng)與否往往對電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響，有時(shí)甚至是質(zhì)的結(jié)論性的影響[1-3]。

1.1 負(fù)荷模型對潮流計(jì)算的影響

仿真計(jì)算實(shí)踐表明，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行條件良好時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行于額定值附近，采用恒定功率負(fù)荷模型的潮流計(jì)算一般不存在收斂問題。但對于運(yùn)行條件惡化的電網(wǎng)，例如故障后斷開線路或切除發(fā)電機(jī)組等，系統(tǒng)電壓偏離額定值較大時(shí)，采用恒定功率負(fù)荷模型的潮流計(jì)算則存在收斂問題，而采用考慮實(shí)際負(fù)荷功率隨電壓變化的負(fù)荷模型（例如，冪函數(shù)等模型）時(shí)，潮流計(jì)算的收斂性就可以得到改善[4]。

筆者查閱發(fā)現(xiàn)IEEE負(fù)荷建模工作組1988年對北美電力系統(tǒng)85個(gè)企業(yè)的調(diào)查結(jié)果也有同樣的結(jié)論[4]。

1.2 對暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的影響

以前筆者在實(shí)踐中曾試圖尋找一種“全面保守”的負(fù)荷模型以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際上由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，同一種負(fù)荷特性處于系統(tǒng)的不同地點(diǎn)和在不同的故障條件下對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響不同，很難找到一個(gè)負(fù)荷模型使得系統(tǒng)的分析結(jié)果總是偏于“保守”。例如假設(shè)實(shí)際負(fù)荷特性為恒電流，其功率隨電壓幅值變化，而采用恒阻抗來表示時(shí)，則負(fù)荷功率隨電壓的平方變化，當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)位于加速的發(fā)電機(jī)附近，得到的分析結(jié)果偏于“保守”，因?yàn)楹阕杩鼓Ｐ图觿×税l(fā)電和功率消耗的不平衡；若負(fù)荷位于減速的發(fā)電機(jī)附近，則得到的分析結(jié)果偏于“樂觀”。相反，用恒功率模型表示恒電流特性時(shí)，若負(fù)荷位于加速的發(fā)電機(jī)附近，得到的分析結(jié)果偏于“樂觀”；若負(fù)荷位于減速的發(fā)電機(jī)附近，得到的分析結(jié)果則偏于“保守”。

在國外也有類似情況，例如在研究加拿大安大略西北部一個(gè)局部系統(tǒng)從互聯(lián)大系統(tǒng)解列后的動態(tài)行為時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)采用靜態(tài)負(fù)荷模型和采用動態(tài)模型的計(jì)算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)[5]。

1.3 對電壓穩(wěn)定計(jì)算的影響

電壓穩(wěn)定的計(jì)算與電力系統(tǒng)其他的定量計(jì)算相比較，對負(fù)荷模型的依賴程度更強(qiáng)。以1983年瑞典電壓崩潰事故為例，按當(dāng)時(shí)的簡單的靜態(tài)模型根本無法解釋電壓崩潰現(xiàn)象的出現(xiàn)，而后經(jīng)采用計(jì)及感應(yīng)電動機(jī)、照明、冰箱、空調(diào)等用電設(shè)備特性的比較詳細(xì)的負(fù)荷模型時(shí)才得以仿真整個(gè)電壓崩潰的過程[6]。

除上述方面外，負(fù)荷模型還對系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定計(jì)算等其他方面產(chǎn)生影響。

2 綜合負(fù)荷模型（SLM）框架

目前常見的負(fù)荷模型有ZIP負(fù)荷模型、指數(shù)負(fù)荷模型、靜態(tài)頻率特性組合模型、感應(yīng)電動機(jī)模型、D.J.Hill負(fù)荷恢復(fù)模型以及相關(guān)的變種和組合等。筆者認(rèn)為電網(wǎng)負(fù)荷模型的建立必須以電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際為基礎(chǔ)，且經(jīng)過較好的實(shí)際檢驗(yàn)。中國電力科學(xué)研究院曾提出一種考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型（SLM）框架（見圖1），在對東北電網(wǎng)2004年和2005年所做的4次三相短路試驗(yàn)進(jìn)行的仿真中使用，并取得了較好的仿真計(jì)算效果[7]。

圖1 綜合負(fù)荷模型（SLM）框架

綜合負(fù)荷模型（SLM）框架本身具有如下特點(diǎn)：

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；

2）模擬了配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償；

3）可以方便地考慮配電系統(tǒng)的小機(jī)組；

4）通過引入負(fù)荷功率因數(shù)，可使靜態(tài)無功負(fù)荷不會出現(xiàn)負(fù)的恒定電流和恒定功率。

結(jié)合以上特點(diǎn)，筆者認(rèn)為采用綜合負(fù)荷模型（SLM）框架來構(gòu)建天津電網(wǎng)的負(fù)荷模型是較為適宜的。

綜合負(fù)荷模型（SLM）目前沒有被廣泛使用，主要原因是：

1）需要的模型參數(shù)較多；

2）各個(gè)不同地區(qū)的負(fù)荷特性本身差別較大，給使用統(tǒng)一參數(shù)帶來困難。

3 天津電網(wǎng)負(fù)荷模型的具體表述

在綜合負(fù)荷模型（SLM）框架下對天津電網(wǎng)的負(fù)荷模型進(jìn)行具體描述如下：

1）依據(jù)LOADSYN的基本思想負(fù)荷模型對符合模型的表述，見圖2。對任一配電網(wǎng)絡(luò)，不同類型的負(fù)荷通過饋線和變壓器在節(jié)點(diǎn)A處與系統(tǒng)相連。每個(gè)負(fù)荷元件都含有一套靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。所有本級的負(fù)荷元件（含配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償）按并聯(lián)考慮，下一級負(fù)荷則以遞推形式表述。采用統(tǒng)計(jì)方法形成各級節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷特性參數(shù)，經(jīng)轉(zhuǎn)化為指定格式的負(fù)荷模型參數(shù)后，則遞歸的求出整個(gè)負(fù)荷參數(shù)。

圖2 LOADSYN負(fù)荷模型圖

2）對靜態(tài)負(fù)荷模型按如下考慮。

式中，Pa1為有功功率中與頻率相關(guān)部分負(fù)荷占有功功率的比例；KPV1為有功的頻率相關(guān)部分的電壓指數(shù)；KPV2為有功的頻率無關(guān)部分的電壓指數(shù)；KPF1為有功負(fù)荷的頻率靈敏系數(shù)；△f為頻率與額定值的偏差，標(biāo)么值；V為節(jié)點(diǎn)電壓；V0為節(jié)點(diǎn)電壓初值；P0為節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷初值。

進(jìn)一步可將靜態(tài)負(fù)荷模型轉(zhuǎn)換為由恒功率、恒電流、恒阻抗組成的表達(dá)形式

式中，LDP和LDQ為頻率因子。

3）對感應(yīng)電動機(jī)按如圖3考慮。

圖3 感應(yīng)電動機(jī)模型圖

4）對配電網(wǎng)的等值電抗的考慮。由于天津電網(wǎng)調(diào)度管理較為到位，天津電力調(diào)度中心和天津地區(qū)各個(gè)基層調(diào)度單位具有較為完備的配電網(wǎng)的等值電抗數(shù)據(jù)，可以直接使用。

4 天津電網(wǎng)負(fù)荷模型參數(shù)的形成

對于負(fù)荷模型的參數(shù)擬合是負(fù)荷模型能否實(shí)際適用的關(guān)鍵。天津電網(wǎng)到目前為止一直安全穩(wěn)定運(yùn)行，沒有發(fā)生大的穩(wěn)定破壞事故，沒有十分典型的可供進(jìn)行參數(shù)擬合的故障錄波數(shù)據(jù)。又由于天津電網(wǎng)處于華北電網(wǎng)的核心區(qū)域，負(fù)荷性質(zhì)重要，進(jìn)行大的系統(tǒng)性的擾動試驗(yàn)將帶來極大的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，還有可能造成較大的經(jīng)濟(jì)、社會影響，因此也是不宜采取的。綜上，筆者認(rèn)為統(tǒng)計(jì)綜合法是獲得天津電網(wǎng)負(fù)荷模型參數(shù)的較為可行的方法。

統(tǒng)計(jì)綜合法首先通過試驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到各種典型負(fù)荷元件（如：熒光燈、家用電子設(shè)備、工業(yè)電動機(jī)、空調(diào)負(fù)荷等）的數(shù)學(xué)模型，然后在一些負(fù)荷點(diǎn)上統(tǒng)計(jì)某些特殊時(shí)刻（如冬季峰值負(fù)荷、夏季峰值負(fù)荷等）各種負(fù)荷的組成，即每種典型負(fù)荷所占的比例，以及配電線路和變壓器的數(shù)據(jù)，最后綜合這些數(shù)據(jù)得出該負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷模型。統(tǒng)計(jì)綜合法的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，具有商業(yè)化軟件支持，統(tǒng)計(jì)調(diào)查不依賴現(xiàn)場試驗(yàn)，但需要?jiǎng)佑幂^大的人力進(jìn)行調(diào)查。

2007年國家電網(wǎng)公司啟動了深化研究電網(wǎng)負(fù)荷模型及其參數(shù)工作。在華北電網(wǎng)有限公司、天津市電力公司的支持下，筆者有幸組織天津電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)人員和營銷系統(tǒng)人員對2007年8月15日10：00和2008年1月15日10:00 2個(gè)典型時(shí)刻的天津電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行了調(diào)研；調(diào)研的地域包括中心市區(qū)、環(huán)城地區(qū)、濱海地區(qū)及農(nóng)村地區(qū)；電壓等級從220 kV到居民的220 V民用電；調(diào)研的廠站包括3個(gè)220 kV專用變電站，4個(gè)220 kV公用變電站及其下屬的34座110 kV、35 kV變電站；涉及35 kV及以上主變110余臺，10 kV及以上線路600余條；并走訪了大量的各類電力用戶實(shí)地了解負(fù)荷情況。

根據(jù)調(diào)研的實(shí)際情況，天津地區(qū)的負(fù)荷大致可以分為居民負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)荷4個(gè)基本類別。其中居民負(fù)荷大致可以分為供暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷、一般家電負(fù)荷、照明負(fù)荷等。商業(yè)負(fù)荷是一種比較復(fù)雜的負(fù)荷，本次研究中我們按照建筑形式分為商店、旅館、倉庫等，對工業(yè)負(fù)荷分為生產(chǎn)加工、制造、采礦、食品、煙草、紡織、木材加工、家具、造紙、印刷、化學(xué)、石油化工等。

對統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用式（4）、式（5）進(jìn)行處理，以確定負(fù)荷的靜態(tài)特性。

如果含馬達(dá)則調(diào)研出馬達(dá)功率占整個(gè)負(fù)荷功率的比例，擬合出定子電阻Rs、定子電抗Xs、激磁電抗Xm、轉(zhuǎn)子電阻Rr、轉(zhuǎn)子電抗Xr、低壓釋放電壓Vi、低壓釋放延遲Ti、機(jī)械轉(zhuǎn)矩系數(shù)A和B、慣性時(shí)間常數(shù)Tj和負(fù)載率LFm等。

5 實(shí)例研究

以鄱陽路220 kV站為例，進(jìn)行研究和對比。依據(jù)本次研究形成的工業(yè)220 kV站參數(shù)結(jié)果如表1、表2。

采用如圖4所示的等值網(wǎng)絡(luò)。

表1 馬達(dá)參數(shù)

表2 靜態(tài)負(fù)荷構(gòu)成

圖4 鄱陽路站系統(tǒng)負(fù)荷模型圖

采用單機(jī)無窮大系統(tǒng)模式向鄱陽路220 kV變電站送電，同桿并架線路送端發(fā)生三相故障，0.2 s切除模擬，對比實(shí)際的詳細(xì)的未等值的系統(tǒng)（原系統(tǒng)）、采用天津電網(wǎng)負(fù)荷模型及參數(shù)系統(tǒng)（SLM等值模型）及華北電網(wǎng)常規(guī)穩(wěn)定計(jì)算模型，對電壓、有功、無功的結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

仿真計(jì)算結(jié)果表明依本文方法獲得的天津電網(wǎng)負(fù)荷模型及參數(shù)系統(tǒng)比華北電網(wǎng)常規(guī)使用的模型及參數(shù)系統(tǒng)更加負(fù)荷天津電網(wǎng)實(shí)際。

圖5 鄱陽路110 kV電壓圖

圖6 鄱陽路110 kV有功圖

圖7 鄱陽路110 kV無功圖

對以居民、商業(yè)、農(nóng)業(yè)為典型負(fù)荷的220 kV站的仿真計(jì)算結(jié)果，也都依本文方法獲得的天津電網(wǎng)負(fù)荷模型及參數(shù)系統(tǒng)更加負(fù)荷天津電網(wǎng)實(shí)際，這里因篇幅所限不再列舉。

6 推廣與應(yīng)用

根據(jù)本次研究出的負(fù)荷模型及其參數(shù)，天津電力調(diào)度通信中心對天津電網(wǎng)內(nèi)所有220 kV站進(jìn)行了歸類。依據(jù)歸類結(jié)果在穩(wěn)定計(jì)算中使用本次研究出的相應(yīng)的負(fù)荷模型及其參數(shù)系統(tǒng)，取得了較好的仿真效果。檢驗(yàn)出了柳曹I、II線在單套全線快速保護(hù)檢修條件下，I段距離保護(hù)范圍外（距楊柳青站線路全長70豫處）發(fā)生三相永久故障，II段距離保護(hù)經(jīng)0.5 s延時(shí)切除故障，楊柳青電廠機(jī)組失穩(wěn)的安全隱患[8]。經(jīng)天津電力調(diào)度通信中心提出，天津市電力公司已經(jīng)對該線路已加裝了雙套全線快速保護(hù)，消除了安全隱患。

現(xiàn)《天津電網(wǎng)負(fù)荷模型及適應(yīng)參數(shù)研究》項(xiàng)目已獲得天津市電力公司科技成果進(jìn)步獎(jiǎng)，本文所提出的天津電網(wǎng)負(fù)荷模型及適應(yīng)參數(shù)正在天津電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中推廣應(yīng)用。

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