电力系统负荷建模理论与实践
鞠
平
河海大学 南京
摘要从电力负荷对系统暂态稳定 静态稳定 电压稳定 系统阻尼的影响等方面分析了电力负
荷建模的要求 综述了现有的电力负荷模型结构 参数辨识方法 介绍了国内外电力负荷建模的实践 对电力负荷建模今后的研究提出了 点建设性意见 认为在现代电力系统中 必须立足本地区系统和负荷的实际情况 开展负荷模型实测工作 关键词电力系统
负荷
模型
参数辨识
分类号
收稿
国家自然科学基金资助项目
编者按 随着电力系统稳定机理研究的不断深入 对电力系统负荷特性的研究逐步受到重视 在此衷心感谢河海大学鞠平教授做本期 专题研讨 电力系统负荷建模 专栏的特邀主编
本专题旨在进一步引起各方面对电力系统负荷模型结构 参数辨识方法及其相关领域研究的重视和兴趣 促进国内在该领域的理论和应用研究
引言
电力系统是由发电厂 电力网和电力负荷组成的电能生产 传输和转化的系统 电力负荷则是电力系统中用电设备的总称 有时也包括将这些用电设
备连接起来的配电网
这里的电力负荷建模 不仅对各种具体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 为简便起见 经常省略电力负荷中的 电力 两字
现在 计算机已成为电力系统设计 运行与控制中不可缺少的手段 人们对仿真计算的精度要求越来越高 电力负荷模型对电力系统稳定性的计算结
果影响较大
对潮流计算 短路计算 安全分析等也有一定的影响 在临界情况下 还有可能改变定性结论 或者掩盖一些重要现象 不恰当的负荷模型会使
得计算结果与实际情况不一致
或偏乐观 或偏保守 从而构成系统的潜在危险或造成不必要的浪费
电力负荷建模的重要性也逐步引起生产部门的重视 国内越来越多的单位认识到必须开展这一工作 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 在计算中 人们发现
负荷模型及其参数 如中国电力科学研究院综合稳
定程序中电动机所占百分比数
的选取对计算结果影响较大 成为目前运行方式选择计算中的主要问
题
其二 目前国内在调度员模拟培训器研制及使用方面正处于蓬勃发展时期 而其中暂态和中 长期动态仿真都与负荷模型有密切联系 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 相差上千万元
在过去的几十年间 发电机及输电网络的建模已取得了很大的发展 相比之下 电力负荷建模则发展较慢 电力负荷建模所具有的时变性 随机性 分
布性 多样性 非连续性等特点
使之成为电力系统几个最困难的研究领域之一 其发展过程也是几
起几落
虽然如此 经过几十年的不懈努力已经取得相当多的成果 文献超过 篇
我国电力工作者在电力负荷建模领域也开展了不少研究工作 取得了富有创造性的成果
要在这篇短短的综述中对这么多年国内外的成果进行概括确实不是一件容易的事 这里努力做到的是 不求全面 但求典型 尤其是一些新进展
在这个专集中 共收入 篇论文
覆盖了电力负荷建模领域中从理论到实践的几个重要方面 其中 篇是国内作者的论文 篇由瑞典的 博士撰写 他们大都在这一领域辛勤耕耘了多年 这些论文能够大体反映我国在电力负荷建模方面的理论和应用水平 对今后的研究及实践工作具有推动作用
从负荷的影响看系统对负荷建模的要
求
! " 负荷模型与暂态稳定
电力系统发生故障时 会造成发电机功率不平
年 月
电力系统自动化
#$% & %’ () *+% ’+, -* ./ %*&
第 卷第
期
万方数据
衡 从而引起功角及其他变量的变化 负荷特性对暂
态稳定动态计算以及功率极限的影响很大
可达 左右 在故障初期
电压一般下降 而频率却变化很小 只需计及负荷的电压特性 但在后期 特别是靠近发电机的地方 有可能要考虑负荷的频率特性 暂态稳定更大程度上取决于有功平衡 从而负荷的有功特性显得更为重要 对于典型的发电 受电系统 负荷特性的影响是明确的 也可以判断传统负荷模型所带来的究竟是偏保守还是偏乐观 但是 对于现代大型电力系统 有时很难明确区分发电 受电地点 而且不同地点负荷特性的影响往往互相关联 由于事先很难判断某种负荷模型的结果在全局上是偏保守还是偏乐观 所以有必要对那些重要负荷点都确定其特性
从时间框架来说 暂态稳定为秒级 感应电动机负荷的转子绕组动态时间常数也在此范围 因此可能有必要考虑感应电动机负荷的动态特性 暂态稳定快速 短暂的特点 对负荷数据采集和负荷特性参数的确定提出了高要求 负荷模型与系统阻尼电力系统发生区域间低频振荡时 不但电压会波动 而且频率也会明显变化 因而必须研究负荷的电压特性和频率特性及其影响 要注意的是 这时负荷特性的影响与暂态稳定时并不是一回事
现代大型电力系统振荡的频率较低 一般在
之间 振荡时间往往较长 可达数十秒 一般来说 负荷动态模态不分布在这一频率区间 所以负荷的一些动态参数对系统阻尼影响不大 可以采用准稳态负荷模型 但动态负荷所占比重会影响到总体静态特征系数 对系统阻尼具有显著影响 是一个重要参数 负荷模型与静态稳定这里的静态稳定是指由于同步功率引起的小干扰下的功角稳定问题 定性和定量研究均表明 负荷特性对静态稳定的影响较小 因此 在静态稳定研究中可以采用简单的负荷模型 负荷模型与电压稳定一般来说 上面涉及的功角稳定主要取决于有功平衡 而电压稳定更多取决于无功平衡 所以 对于功角稳定有功负荷特性更重要些 而对于电压稳定则无功负荷特性更重要些 由于电压稳定问题一般是中长期的 而且电压有时特别低 所以必须考虑负荷特性的非连续问题 有载调压变压器 以及电压控制装置 有关负荷特性与电压稳定的关系及要求 本专集中 博士和段献忠博士的两篇论文做了很好的论述 这里不再详细讨论 负荷模型与其他问题在潮流计算中 对于运行点在额定值附近的正
常情况 负荷特性影响小 不必考虑 反之 负荷特性
对功率的计算结果影响显著
对节点电压影响小 在短路计算中 短路点附近负荷中的电动机有影响
可以作为电源考虑 其余一般可以不考虑 !"#$推荐% &
的不同研究领域对负荷模型的要求汇总于表 笔者对其中某些栏目看法不太一致 比如 空间拓扑方面除电压稳定外常常可以简化 电动机动态模型对于暂态稳定分析中靠近故障点时一般应该考虑
表’电力系统对负荷建模的要求()*+,’-,./01,2,34567869,15:54,2
63+6);26;,+03<
研究领域空间拓扑
静态模型
电压频率电动机模型非线性
非连续
变压器分接头静态
稳定
详细 除非
远方负荷
必须必须
必须
无关无关
暂态稳定
附近= 详细
必须一般
不必须 除非
特别精确如果严重干扰则必须通常不必
远方可简化等值
不必不必
似乎不必考虑集结效应不必中期稳定
详细
除非远方负荷
必须必须
一般一般不必长期稳定头 此后如电压变化大则需要
详细
一般必须
一般
同空间拓扑不必一般必须不必必须
如考虑电压作用则需要电压控制详细必须不必电压不稳
定时需要
不必
必须
注> ?@ A B ? ?@ ? C D D ?B 主要指低频振荡 E D @
A D F ?D G G
= 指距离故障点的远近 总的来说 负荷特性对电力系统的影响大 必须重视 当缺乏精确负荷模型时 常常试图采用某种H
乐观I 负荷模型 这种做法对现代大型电力系统往往是危险的 因为负荷模型对现代大型电力系统的总体影响事先难以确定 而且在某种情况下H 乐观I
的负荷模型在另一种情况下却可能是H 悲观I 的 而且不同问题对负荷模型的要求也不一样 必须根据应用目的及其相应要求 选定电力系统中的重要负荷 确定其负荷特性和模型 除此之外 别无他法
负荷模型的结构
几十年来 人们提出了大量的负荷模型 文献
% &
中给出了主要模型 这里仅仅按照笔者的理解 选择若干典型模型进行介绍
静态负荷模型%
= J &
在电力系统的潮流分析 静态稳定分析和研究长期动态过程中 以及负荷以静态成分为主 如商
万方数据
业 民用负荷 的情况下 一般采用静态负荷模型 长期以来
人们对静态负荷特性研究较为透彻 常用的有多项式和幂函数 两类 另外还有在这两种模型
基础上的变形或组合
物理动态负荷模型
在电力系统动态计算 稳定分析时 一般采用动态模型 主要考虑以下几种
感应电动机
感应电动机在电力负荷 尤其是工业负荷 中占
有较大比重 对电力系统运行分析与控制具有相当大的影响 在不少电力系统计算软件包中均包含感应电动机模型 因此成为电力系统模型中的重要部分 一般来说 感应电动机定子绕组的暂态过程比转子绕组的电磁暂态过程要快得多 且更比电力系统暂态过程快得多 因此 就感应电动机对电力系统的影响而言 是否计及定子的暂态过程影响不大 采用三阶模型就能很好地反映感应电动机的性能 为了进一步减少计算量 在电力系统机电暂态过程分析计算中还经常采用一阶的机械暂态模型 随着电力系统电压稳定问题研究的发展 美国学者提出了一阶的电压暂态模型 本专集中论文 种感应电动机综合负荷模型的比较 介绍并比较了这些模型 同步电动机
同步电动机有时也用到 比如在抽水蓄能电站 同步电机模型人们非常熟悉 程序中也都有 电动机与发电机所不同的是运行状态不同
机械转矩不同 同步电动机的机械转矩可以采用与感应电动机相同
的方程
有载调压变压器
这在长期动态过程中需要考虑 详细模型在本专集中有介绍
负荷减载及投切
在一些动态或准动态计算中需要考虑低频或低
压减载及投切 最简单的情况是按比例切除负荷 大部分低频减载继电器没有人为安排的延时 但有 个 个周期的操作时间
低压减载继电器一般具有人为安排的延时 另外 开关动作时间为 个 个周期 非物理动态负荷模型
有时 负荷群中动态成分复杂 难以用物理模型描述 或者 为了降低动态模型的阶次 突出主要矛盾 人们提出了非物理动态负荷模型 也就是将整个负荷群当做一个从该节点看进去的 黑箱 或 灰箱 用一个非物理模型来描述其输入 输出特性 可以分为 种
线性动态模型
线性动态模型可以采用传递函数 差分方程 状
态方程等形式 互相之间可以转换 典型的线性模型如 和 于 年提出的工业负荷动态模型 !"#$% !等于
年提出的工业负荷综合模型 &
’ ()*!" 等于
年提出的工业负荷传递函数模型 + , 等于
年提出的状态方程负荷模型
非线性动态模型
非线性动态模型也可以采用传递函数 差分方
程 状态方程等形式 但互相之间一般难以直接转换 典型的非线性模型如 ((
于 &年提出的恢复型一阶模型
- (##*!于
年提出的负荷模型 ./和+ !#*/ 于 年提出的负荷模型 笔者等于 年提出 年扩展的动静综
合负荷模型 &
在文献 中 笔者证明了 ((
模型 - (##*!模型 动静综合负荷模型在本质上是一致的 可以统一
人工神经网络模型
从理论上讲 人工神经网络可描述复杂的映射
关系 近年来 国内外学者将011用做负荷模型 基本上都采用离散形式 有点类似于复杂的差分方程 对于其适应性 实用性等问题仍有待深入研究
本专集中沈善德教授的论文在这方面有新的探索 负荷模型的选择
负荷模型的评判是困难的 因为不同的应用目的对负荷的要求不同 不同的研究人员看问题的出发点可能也不一样 一般来说 需要考虑以下几个方面23精确度45计算量46物理背景47参数获取4
8应用方便 可以说 目前没有一种负荷模型在各方面都优 事实上 上述几个方面有时甚至是互相矛盾的 因此 往往要根据应用者关心的主要方面 选择一种折中的负荷模型
负荷模型参数的获取
负荷建模的两条途径
迄今为止 负荷建模的方法可以归结为两大
类
2
一类是统计综合法 即基于元件特性综合的间接法4另一类是总体测辨法 即基于现场辨识的直接法
统计综合法
这一方法的基本思想是把综合负荷看成成千上
万用户的集合 首先在实验室确定各种典型负荷的平均特性 如日光灯 电机 空调器等的平均电气特性 然后统计出各类负荷如居民负荷 商业负荷 工业负荷等这些典型负荷的比例 估计出各类负荷的
9专题研讨 电力系统负荷建模9
鞠平电力系统负荷建模理论与实践
万方数据
平均特性 最后再根据各类负荷所占的比例 得出综合负荷的模型
如图 所示
万方数据
算效率太低
模拟进化类方法
它具有以下特点 适用范围较广 找到全局最优解或近乎全局最优解的可能性大 属于随机性优化方法 但计算效率比传统
的随机类搜索方法要高得多
负荷建模的实践
负荷建模的研究是一个既具有理论深度又直接面向实际应用的课题 由于负荷的大量性 分散性 时变性 而且与用户人群的行为密切联系 所以负荷特性与地区的气候 资源 经济发展情况 生活水平 生活习惯等有关 这就造成了不同地区之间负荷模
型及参数的差异
因此
只有深入 持久地开展现场测量和应用研究 才能获得适合于该地区的负荷模型和参数
实际测量数据
美欧国家已做了不少现场测试工作
表 中
所列是 给出
的北美地区在不同地区 不同季节 不同负荷类型时的静态负荷特性系数 表 则
为 推荐
的感应电动机参数 两表中各参数的意义请见原文或文献
表 典型静态负荷特征系数
!" " # $ " #!
# %$$ &’ ’
类型
地区季节()*(+*(),
(+,
-./0
居民区
加热型
北1东部夏冬 2 2
3 2
4 4 2
北1中部夏冬 2 3 3 5 4 4 2
南部夏冬 4 4 5 52
2西部夏冬 2 2 5 4 4 居民区非加热型
北1东部夏冬 3 5 2 24 4 北1中部夏冬 5 2 54 4 2 3南部夏冬 3 54 4 3 5 2西部
夏冬 5 2 4 4 2商业区
加热型夏冬 3 4 34 5 商业区非加热型夏冬
2 5 24 4 52 工业区
3 3 3 5 铝厂 5 3 钢厂 3 3 5 电厂设备
3 5 5 农业泵
3
5
表6 典型感应电动机负荷参数
6 &’
7 " %&$%"%# # $ " #!
# %$$ &’ ’
类型89
:9;
:<
8=
:=;
>?
-./0 5 5 3 32 5 2 5 3 2 2 22 2 2 5 5 33 5 5 3 53 3 2
3 2 35
5
注 类型 为小型工业电动机 类型 为大型工业电动机 类
型 为水泵 类型 为发电厂电动机 类型 为居民区电动机的加权集结值 类型3为居民与工业区电动机的加权集结值 类型2为空调电动机为主时的加权集结值
我国从2 年代开始负荷特性的现场实测工作
当时大都是进行稳态试验以获取静态特性
年代以来 华北电力大学 清华大学 河海大学等在
动态负荷特性方面又做了不少现场试验 但至
今还没有进行大规模的测量和数据库建设工作 有待在国家电力公司的组织下开展
@实际应用检验
负荷模型与参数的正确性有两种范围的检验 一种是进行负荷群范围的检验 比较实际测量的负荷群动态响应与模型计算的负荷群动态响应 另一种是进行系统范围的检验 比较实际测量的系统动态响应和模型计算的系统动态响应 甚至比较系统的稳定极限 负荷群范围比较小 实测和计算相对都比较简单易行 系统范围大 要求在主要地点安装测量装置 并且必须同步记录 另外 系统的动态过程不仅与负荷模型有关 而且与其他模型有关 系统中可能伴随有其他动作或事件 因此 系统范围的检验相当困难和复杂 但是 建立负荷模型的最终目的主要是为了应用于系统计算 所以 系统范围的检验应该是最高层次的检验
华北电力大学 清华大学都开展了系统范围的
实际应用检验工作
具有重要意义 本专集中就有清华大学在东北电网的实际检验结果
A 研究前瞻
按照笔者的理解 下列几个方面应该得到进一步研究
低压 低频 中长期下的负荷特性及模型 在这些情况下 负荷特性会发生突变 非连续 要实际测量是很困难的 可能主要依靠统计综合法
在负荷建模的总体测辨法中 不但要进一步探讨模型结构 还要重视可辨识性分析以及有效的辨识方法
B 专题研讨C
C 电力系统负荷建模B
鞠平电力系统负荷建模理论与实践
万方数据
要注意研究处理好几个关系 分散与集中的关系
精度与计算量的关系 动态与静态的关系 长期与短期的关系等 比如 在什么情况下可以采用集中模型描述负荷群 什么情况下必须分组描述
尽快制定我国的负荷建模标准过程与模型 广泛开展实测工作 建立我国的负荷参数数据库
结语
电力负荷建模在理论上和应用上都取得了相当大的进展和成果 但相对于其他电力系统部分仍然不相适应 必须加快负荷建模研究的步伐
在现代电力系统中 以往那种试图采用某种所谓 保守型 负荷模型的做法是危险的 必须立足本地区系统和负荷实际情况 开展负荷模型实测工作
负荷建模是一个面广量大 理论与实际相结合的工作 必须由上级电力主管部门发布政策 加强组织协调
参考文献
有关文献大概逾 篇 这里不准备按时间顺序罗
列 仅仅按照研究领域分类列入了涉及到的又具有代表性的几十篇 难免挂一漏万 敬请谅解
贺仁睦 负荷模型在电力系统计算中的作用及其发展
华北电力学院学报 ! " #$% $&$ ’ ’ ( )$
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鞠平
马大强 电力系统负荷建模 北京 水利电力出版社 2沈善德
电力系统辨识 北京 清华大学出版社 30 +$ C D ! / -$,8 !’ ; ’; -8 $-- 7 9
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同时辨识 控制与决策 1
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万方数据
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鞠平 电力系统综合负荷特性的可辨识性研究 电力系统自动化 1 / !8鞠平
李德丰 电力系统非机理负荷模型的可辨识性 河海大学学报 1 1 ! . 0 7$ 9 , -
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文福拴 韩祯祥
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综合负荷电压静态特性的实测与数据处理 浙江电力 / 8!东北电业管理局调度局 电力系统运行操作和计算 附录 北京 水利电力出版社 8 贺仁睦 魏孝铭 韩民晓
电力负荷动特性实测建模的外推和内插 中国电机工程学报 ! 88卫志农 鞠平
电力负荷在线建模方法 中国电机工程学报 8 8 ! !
鞠
平 男 1年生
博士 副校长 教授 主要研究电力系统模拟与控制D
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o 专题研讨55电力系统负荷建模o
鞠平电力系统负荷建模理论与实践
万方数据
电力系统负荷建模理论与实践
作者：鞠平
作者单位：
刊名：
电力系统自动化
英文刊名：AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS
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18.李欣然.李培强.金群.陈辉华.唐外文负荷建模参数辨识中综合改进遗传算法的应用[期刊论文]-湖南大学学报（自然科学版） 2007(2)
19.张红光.张粒子.陈树勇.安宁大容量风电场对电力系统小干扰稳定和阻尼特性的影响[期刊论文]-电网技术2007(13)
20.张鹏飞.罗承廉.孟远景.鄢安河.张毅明.付红军.鞠平.张恒旭河南电网送端和受端负荷模型对稳定极限的影
响[期刊论文]-电网技术 2007(6)
21.王钢.陶家琪.徐兴伟.高德宾.薛建伟.贾伟.刘家庆.邵广惠东北电网500kV人工三相接地短路试验总结[期刊论文]-电网技术 2007(4)
22.侯俊贤.汤涌.张红斌.张东霞感应电动机的综合方法研究[期刊论文]-电网技术 2007(4)
23.章健.沈峰.贺仁睦电力负荷模型结构的样条函数描述[期刊论文]-电力自动化设备 2007(7)
24.鞠平.谢会玲.陈谦电力负荷建模研究的发展趋势[期刊论文]-电力系统自动化 2007(2)
25.王爽心.韩芳.朱衡君静态负荷模型参数辨识的一种混沌优化策略[期刊论文]-系统仿真学报 2006(10)
26.张鹏飞.罗承廉.孟远景.鄢安河.张毅明.付红军.张永斌.张景超.李奎动态负荷模型比例对电网稳定性影响分析[期刊论文]-继电器 2006(11)
27.金群.李欣然.刘艳阳.陈辉华.唐外文一种综合改进型遗传算法及其在综合负荷建模中的应用[期刊论文]-继电器 2006(10)
28.李大虎.曹一家基于同步相量测量的实时电压稳定分析方法[期刊论文]-电力系统自动化 2006(12)
29.付川.余贻鑫.王东涛电力系统暂态稳定概率[期刊论文]-电力系统自动化 2006(1)
30.金群负荷模型辨识算法与模型结构研究[学位论文]硕士 2006
31.祝晶基于统计综合法的负荷建模理论和方法研究[学位论文]硕士 2006
32.祝晶基于统计综合法的负荷建模理论和方法研究[学位论文]硕士 2006
33.侯金鸣负荷模型对电力系统仿真可信度影响的研究[学位论文]硕士 2006
34.王吉利分布式发电对区域负荷建模的影响[学位论文]硕士 2006
35.曹亚龙考虑负荷特性的电力系统电压稳定控制[学位论文]硕士 2006
36.张进.贺仁睦基于参数灵敏度分析的负荷建模研究[期刊论文]-现代电力 2005(5)
37.刘杨华.李欣然.林舜江.陈凤.石文辉基于不同负荷模型的湖南电网暂态稳定仿真计算[期刊论文]-河南科技大学学报（自然科学版） 2005(6)
38.张进.贺仁睦.王鹏.石景海.马瑞.胡国强送端感应电动机负荷无功特性对送出极限的影响[期刊论文]-电力系统自动化 2005(4)
39.倪剑电力系统负荷建模理论的研究及ANN负荷模型的应用[学位论文]硕士 2005
40.徐光虎交直流输电系统低频振荡相关问题分析及阻尼控制策略研究[学位论文]博士 2005
41.金席卷基于元件的负荷建模理论与方法研究[学位论文]硕士 2005
42.刘艳阳负荷模型辨识算法研究及建模平台开发[学位论文]硕士 2005
43.徐浩电力系统电压稳定研究[学位论文]硕士 2005
44.裴志宏电力系统区域动态负荷建模[学位论文]硕士 2005
45.鞠平.戴琦.黄永皓.付红军.何南强我国电力负荷建模工作的若干建议[期刊论文]-电力系统自动化 2004(16)
46.王庆红.张丽.周双喜电压稳定分析中异步电动机动态负荷建模探讨[期刊论文]-中国电力 2004(4)
47.李育燕.鲁庭瑞.罗建裕.程颖.吴峰.鞠平负荷特性数据库的建立与应用[期刊论文]-继电器 2004(4)
48.吴红斌.丁明.李生虎.汤海雁发电机和负荷模型对暂态稳定性影响的概率分析[期刊论文]-电网技术 2004(1)
49.王进.李欣然.苏盛用阻尼最小二乘优化算法实现电力系统综合静态负荷建模[期刊论文]-长沙电力学院学报(自然科学版) 2004(1)
50.杨艳.赵书强负荷特性对电力系统低频振荡阻尼的影响[期刊论文]-电力自动化设备 2003(11)
51.姚建刚.陈亮.戴习军.秦炜混沌神经网络负荷建模的理论研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2002(3)
52.唐向阳应用于短期负荷预测的自适应建模方法[期刊论文]-广西电力 2002(3)
53.姚建刚.陈亮.戴习军.秦炜混沌神经网络理论在负荷建模中的应用[期刊论文]-湖南电力 2001(6)
54.唐巍.郭镇明.李殿璞混沌优化用于电力系统静态负荷模型参数辨识[期刊论文]-电力系统自动化 2000(13)本文链接：https://www.doczj.com/doc/8a11515419.html,/Periodical_dlxtzdh199919001.aspx