劉媛杰　李 霞　李云陽

(1 新疆塔里木大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 國(guó)家電網(wǎng)阿克蘇地區(qū)電力公司， 新疆 阿克蘇 843300)(3 遼寧職業(yè)學(xué)院， 遼寧 鐵嶺 112099)

?

常用電力負(fù)荷模型的分析研究

劉媛杰1李 霞2李云陽3*

(1 新疆塔里木大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 國(guó)家電網(wǎng)阿克蘇地區(qū)電力公司， 新疆 阿克蘇 843300)(3 遼寧職業(yè)學(xué)院， 遼寧 鐵嶺 112099)

摘要通過了解國(guó)內(nèi)外關(guān)于負(fù)荷模型的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。討論了不同負(fù)荷模型的特點(diǎn)和應(yīng)用背景。對(duì)現(xiàn)有的幾種常用的負(fù)荷模型進(jìn)行比較分析，指出不同模型的適用范圍。

關(guān)鍵詞電力負(fù)荷模型； 靜態(tài)負(fù)荷模型； 動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型

電力負(fù)荷建模是系統(tǒng)建模的一種。常用的系統(tǒng)建模方法有兩種：一是機(jī)理建模；二是辨識(shí)建模。所謂機(jī)理建模是白箱建模，建立在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)在特性和結(jié)構(gòu)有明細(xì)認(rèn)知的基礎(chǔ)之上；辨識(shí)建模是黑箱建模或灰箱建模，是指對(duì)系統(tǒng)內(nèi)在特性不清楚，只是關(guān)心系統(tǒng)輸入輸出特性的建模方法。目前，對(duì)于電力負(fù)荷建模的研究主要有兩個(gè)方面，一是著眼于負(fù)荷建模內(nèi)涵方面，面向純粹負(fù)荷地區(qū)，即不考慮分布式電源的影響和新能源的接入；二是從實(shí)際工程應(yīng)用角度看，負(fù)荷模型的選取和模型參數(shù)的確定直接影響系統(tǒng)仿真的結(jié)果，美國(guó)的西北WSCC電力系統(tǒng)重大停電的事故(1996)等故障仿真與重現(xiàn)結(jié)果表明，負(fù)荷模型的不同會(huì)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)果造成相差甚遠(yuǎn)的結(jié)果(艾芊等)。以往的純粹負(fù)荷已經(jīng)逐漸不能滿足電力系統(tǒng)仿真分析和工程設(shè)計(jì)的需要，周海強(qiáng)等進(jìn)行了考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型的研究，鞠平等對(duì)廣義電力負(fù)荷(包含地方電廠、分布式電源及其新能源發(fā)電環(huán)節(jié)的負(fù)荷區(qū)域)的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)做了確定。[1]應(yīng)對(duì)于工程實(shí)踐應(yīng)用，本文對(duì)常用的負(fù)荷模型進(jìn)行了介紹和分析，涵蓋靜、動(dòng)態(tài)模型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型等，并對(duì)不同模型的適用范圍做了簡(jiǎn)要分析。

1電力負(fù)荷建模方法

1.1電力負(fù)荷建模方法分類

電力負(fù)荷建模方法有四種：統(tǒng)計(jì)綜合法(Component-based approach)、總體測(cè)辨法(Measurement-based approach)、故障仿真法(Fault Simulation Method)、混合方法建模(Hybrid methodology)。

1.2建模方法概述

統(tǒng)計(jì)綜合法是基于調(diào)查統(tǒng)計(jì)和計(jì)算綜合的過程。主要調(diào)查和統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容包括區(qū)域內(nèi)主要類型用電設(shè)備的負(fù)荷參數(shù)、地區(qū)經(jīng)濟(jì)情況和由此而確定的行業(yè)比重、變電站的運(yùn)行和分布等信息。

總體測(cè)辨法是基于在負(fù)荷點(diǎn)母線或變壓器出口側(cè)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量的方法。在測(cè)量負(fù)荷參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)類型并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，最后對(duì)模型的性能進(jìn)行校驗(yàn)。所需要測(cè)量的基本參數(shù)包括電壓、功率和頻率等。

故障仿真方法是基于人為重設(shè)故障，根據(jù)故障時(shí)負(fù)荷參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)假定的負(fù)荷模型進(jìn)行修正，得到更加可靠的模型。

混合方法是結(jié)合多種方法，根據(jù)負(fù)荷區(qū)域的具體特點(diǎn)，得到可靠的負(fù)荷模型及其參數(shù)。

從負(fù)荷建模發(fā)展歷史的角度來看，最早的負(fù)荷模型的建立是在20世紀(jì)60年代，常用的負(fù)荷模型是ZIP模型，即恒功率、恒阻抗、恒電流模型，還采用了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型和多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)模型等。統(tǒng)計(jì)綜合法是出現(xiàn)在70年代末期，之后出現(xiàn)了LOADSYN 軟件，專門用于負(fù)荷模型的分析。

2常用負(fù)荷模型

2.1靜態(tài)負(fù)荷模型(Static load models-SLM)

常用的靜態(tài)負(fù)荷模型包括多項(xiàng)式類負(fù)荷模型和冪函數(shù)負(fù)荷模型兩大類。

2.1.1恒阻抗模型

如式(2-1)所示。

(2-1)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值，V為電壓，V0為電壓初值。電壓比平方選項(xiàng)表示負(fù)荷中的阻抗參數(shù)恒定，電阻類負(fù)荷一般滿足此類特性。

2.1.2恒電流模型

如式(2-2)所示。

(2-2)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值，V為電壓，V0為電壓初值。電壓比選項(xiàng)表示負(fù)荷中的電流參數(shù)恒定，恒電流類負(fù)荷一般滿足此類特性。

2.1.3恒功率模型

如式(2-3)所示。

P=P0；Q=Q0

(2-3)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。此式表明負(fù)荷功率恒定的情況。

2.1.4ZIP模型

如式(2-4)所示。

(2-4)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。三個(gè)系數(shù)是表明三個(gè)分量所占的比重。此式表明負(fù)荷功率恒定、電流恒定、阻抗恒定三種類型負(fù)荷混合存在的情況。

2.1.5通用形式的多項(xiàng)式模型

如式(2-5)所示。

(2-5)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。系數(shù)用通用形式表示出來。此式表明負(fù)荷功率恒定、電流恒定、阻抗恒定三種類型負(fù)荷單獨(dú)存在或混合存在的通用情形。

靜態(tài)負(fù)荷模型反映的是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷吸收的有功功率、無功功率與電壓和頻率的緩慢變化的關(guān)系，主要用于潮流計(jì)算和以潮流計(jì)算為基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)分析，一般適用于電壓擾動(dòng)不太復(fù)雜且擾動(dòng)不太大、計(jì)算結(jié)果對(duì)負(fù)荷模型不太敏感的負(fù)荷點(diǎn)。靜態(tài)負(fù)荷模型側(cè)重于表達(dá)輸入量(電壓和頻率)與輸出量(功率和電流)之間的關(guān)系，屬于輸入-輸出式模型，是動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型的特例。目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算多采用恒功率模型或典型參數(shù)電動(dòng)機(jī)模型，暫態(tài)計(jì)算多采用40%的恒功率模型加上60%的恒恒阻抗模型的多項(xiàng)式模型，[2]在用戶負(fù)荷點(diǎn)上，也有采用50%電動(dòng)機(jī)模型加50%恒阻抗模型來計(jì)算。[3]

2.2動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型(Dynamic load models-DLM)

2.2.1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型

動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型常見的是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，是一種機(jī)理模型。由于異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)荷中占的比重較大，負(fù)荷中常用電動(dòng)機(jī)模型的不同表達(dá)方式，常見的有五階電磁暫態(tài)模型、三階機(jī)電暫態(tài)模型和一階機(jī)械暫態(tài)模型三種。其中五階模型考慮的電動(dòng)機(jī)的因素較多，例如定子繞組暫態(tài)、轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)和機(jī)械特性；三階模型是在五階模型的基礎(chǔ)上忽略了定子的暫態(tài)特性；一階模型又進(jìn)一步忽略了轉(zhuǎn)子的電磁暫態(tài)特性。

電動(dòng)機(jī)三階機(jī)電暫態(tài)模型狀態(tài)方程如式2-6、2-7、2-8、2-9所示：

(2-6)

(2-7)

(2-8)

ωr=1-S

(2-9)

三階模型中電磁力矩方程如式2-10所示：

(2-10)

三階模型中機(jī)械力矩方程如式2-11、2-12所示：

(2-11)

(2-12)

以上三階模型各式中：

(2-13)

(2-14)

X=Xs+Xm

(2-15)

(2-16)

(2-17)

上述公式中的變量和參數(shù)都是以電機(jī)自身容量為基值的條件下的標(biāo)么值表示，且角速度ω的標(biāo)幺值和頻率的標(biāo)幺值f相等?；谏鲜龅碾妱?dòng)機(jī)三階模型公式，首先確定方程初始化，列出并求解狀態(tài)方程，最后利用數(shù)值優(yōu)化方法得到負(fù)荷模型的相關(guān)參數(shù)。與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)三階負(fù)荷模型相比，這種模型新定義了電動(dòng)勢(shì)變量，其中電動(dòng)勢(shì)與磁鏈?zhǔn)蔷€性關(guān)系，并且不包含頻率項(xiàng)從而得到上述新的三階模型。[4]

通常，相對(duì)來說，電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程較慢，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的暫態(tài)過程要快些，而其定子繞組的暫態(tài)過程要比前兩者快得多，因此在進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)分析時(shí)，忽略定子繞組的暫態(tài)過程對(duì)分析結(jié)果影響不大，一般采用三階模型就能較好的反映感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。這種模型的缺點(diǎn)是難以描述負(fù)荷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因而使用范圍受到限制。[2]

2.2.2雙饋發(fā)電機(jī)模型

目前雙饋發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到普遍應(yīng)用的一種類型，其模型方程式如式2-18所示：

(2-18)

2.3通用非線性動(dòng)態(tài)(Generic NonLinear Dynamic，GNLD) 模型

GNLD模型是動(dòng)態(tài)非線性模型中有代表性的模型方法，其核心思想是反映當(dāng)電壓變化時(shí)功率變化表現(xiàn)出來的功率恢復(fù)特性。如圖1所示。

圖1　GNLD模型中的功率恢復(fù)特性

圖1中，Pr是有功功率恢復(fù)數(shù)值；P0是電壓變化前有功功率初始值；P1是有功功率消耗值。當(dāng)電壓變化的情況下，V0表示電壓初始值，V表示電壓變化后的數(shù)值。功率變化隨著電壓變化呈現(xiàn)出一種恢復(fù)特性。

GNLD模型中的有功模型如式2-19和2-20所示。

(2-19)

(2-20)

式2-19和2-20中，參數(shù)含義同圖1中的符號(hào)。Tp表示有功恢復(fù)時(shí)常；αs表示穩(wěn)態(tài)有功電壓系數(shù)，αt表示有功穩(wěn)態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系； 表示暫態(tài)有功電壓系數(shù)，表示有功暫態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系。

根據(jù)上式，可以求出有功功率響應(yīng)表達(dá)式，如(2-21)所示。

(2-21)

和有功特性相似，無功功率響應(yīng)表達(dá)式如式(2-22)所示。

(2-22)

式中Ql表示無功消耗值，Q0是無功初值；Tq表示無功恢復(fù)時(shí)常；βs表示穩(wěn)態(tài)無功電壓系數(shù)，表示無功穩(wěn)態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系；βt表示暫態(tài)無功電壓系數(shù)，表示無功暫態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系。

當(dāng)遇到需要反映負(fù)荷吸收的功率隨著電壓的波動(dòng)動(dòng)態(tài)的改變的情況時(shí)，靜態(tài)模型就不再適用，而應(yīng)使用動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型反映功率與電壓的關(guān)系，來描述負(fù)荷的一般特性。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠全面準(zhǔn)確的描述電力系統(tǒng)從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程，在這個(gè)過程中以時(shí)間為變量，是功率對(duì)時(shí)間的微分運(yùn)算，不但可以描述瞬間波動(dòng)，也可以表達(dá)恢復(fù)過程。[5]

3小結(jié)

電力系統(tǒng)負(fù)荷模型的研究是電力系統(tǒng)仿真研究的基礎(chǔ)。負(fù)荷模型和發(fā)電機(jī)模型、變壓器模型、輸電線路模型相比，沒有在不同環(huán)境和條件下的通用的可靠模型可以應(yīng)用。對(duì)負(fù)荷模型的研究對(duì)于提高電力系統(tǒng)分析的水平和電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的意義。電力負(fù)荷模型是分析電力系統(tǒng)的重要依據(jù)，對(duì)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的精確度有著重要的影響。隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度的不斷提高，隨機(jī)性電源負(fù)荷也在不斷增加，對(duì)負(fù)荷模型的分析總結(jié)研究有助于工程技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況選擇可靠可信的負(fù)荷模型，進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)計(jì)算研究。

參考文獻(xiàn)

[1]周海強(qiáng)，茆超，鞠平，等.考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型可辨識(shí)性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2008，32(16)：16-19.

[2]夏少輝.電力負(fù)荷模型建立的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2006,(6):8-20.

[3]張鵬飛，羅承廉，孟遠(yuǎn)景，等，動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型比例對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響分析[J].繼電器.2006,6(11)：24-26

[4]梁偉，鞠平，余一平．考慮頻率特性的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型的對(duì)比研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(9)：132-136.

[5]張紅斌，李黎，賀仁睦.動(dòng)靜態(tài)負(fù)荷模型在電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備.2003,6(6):49-53.

[6]鄭小雨,鄭靜媛,王彥博．智能電網(wǎng)中實(shí)時(shí)負(fù)荷模型建立研究[J].電力與能源.2015，36(1)：42-45.

[7]鞠平, 謝會(huì)玲, 陳謙. 電力負(fù)荷建模研究的發(fā)展趨勢(shì) [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化. 2007，31(2): 1-4.

[8]鞠平, 何孝軍等. 廣義電力負(fù)荷的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化. 2006， 30(23): 11-13, 32.

[9]李娟, 丁堅(jiān)勇. 電力系統(tǒng)負(fù)荷建模和算法的研究及進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù). 2008, 34(10):2209-2214.

[10]邱麗萍，金小明，林勇等.負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2014，26(11)：87-90.

[11]王立地，何昕，樸在林.通用動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型電壓階躍檢測(cè)和參數(shù)辨識(shí)方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014.38(9)：2479-2483.

[12]艾芊,陳陳,沈善德，等. 簡(jiǎn)化前饋網(wǎng)絡(luò)用于負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2005,25(5):21-27.

Analysis of Commonly Used Power Load Model

Liu Yuanjie1Li Xia2Li Yunyang3*

(1 College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarin University ,Alar, Xinjiang 843300)

(2 State Grid Electric Power Company of Aksu , Aksu, Xinjiang 843300)

(3 Liaoning Vocational College, Tie Ling, Liaoning 112099)

AbstractThrough research on the current status of application of the load model at home and abroad, summarized the structure characteristics of load model. The characteristics and application background of different load model are discussed. Compared with the existing several common used load model, the applicable scope of different models are pointed out.

Key wordspower load model; static load model; dynamic load model

中圖分類號(hào)：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.016

文章編號(hào)：1009-0568(2015)04-0099-06

通訊作者*為E-mail：824239977@qq.com

作者簡(jiǎn)介：劉媛杰(1982-)，女，講師,碩士，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：liuyuanjie2005@163.com

基金項(xiàng)目：塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(TDZKSS201412)。

收稿日期：2015-04-13