電力系統(tǒng)負(fù)荷建模理論與實(shí)踐

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 蘭 棟

1 引言

動(dòng)態(tài)行為是電力系統(tǒng)的明顯特征（如：運(yùn)行是否穩(wěn)定；是否存在低頻振蕩；電壓是否穩(wěn)定等），其中，直接對(duì)其造成很大影響的因素是負(fù)荷特性。建模及采取什么樣的方式建模，對(duì)于進(jìn)行電力系統(tǒng)研究來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重要的課題。該模型，直接影響到電力系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算；同時(shí)，還會(huì)在一定程度上影響到“潮流及短路”兩項(xiàng)計(jì)算，也影響到安全分析。該模型對(duì)于臨界情況，更為重要，可能因此使結(jié)論得到改變，或是將一些十分重要的現(xiàn)象掩蓋起來(lái)。如果采取的負(fù)荷模型不夠恰當(dāng)，將會(huì)造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間有較大的差距，這種差距也可能是過(guò)于樂(lè)觀，也可能會(huì)過(guò)于保守。以其依據(jù)，其結(jié)果可能會(huì)使系統(tǒng)存在潛在性危險(xiǎn)，或是造成沒(méi)有意義的浪費(fèi)。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)字仿真是對(duì)其進(jìn)行研究和分析的科學(xué)工具，負(fù)荷模型可以對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生極其重要的影響。特別是在某種情況下，其結(jié)論或存在截然相反的嚴(yán)重情況。對(duì)綜合負(fù)荷來(lái)說(shuō)，其具有4個(gè)方面的明顯特點(diǎn)，即：1）隨機(jī)性；2）分散性；3）多樣性；4）非連續(xù)性。這些特點(diǎn)，會(huì)造成在負(fù)荷建模時(shí)存在著多重困難，在電力系統(tǒng)，成為被公認(rèn)的世界性難題之一。

2 如何進(jìn)行負(fù)荷建模

2.1 調(diào)查負(fù)荷是如何構(gòu)成的

負(fù)荷從其構(gòu)成來(lái)說(shuō)，具備明顯的多樣性及復(fù)雜性特征，而且會(huì)直接決定和影響到負(fù)荷模型類(lèi)型及其參數(shù)。在進(jìn)行負(fù)荷的建模時(shí)，應(yīng)考慮到地區(qū)不同、節(jié)點(diǎn)不同和季節(jié)不同情況下負(fù)荷不同，并進(jìn)行針對(duì)性了解和掌握。在分類(lèi)上，應(yīng)堅(jiān)持的原則是“由粗到細(xì)“，在此基礎(chǔ)上再對(duì)各類(lèi)負(fù)荷的構(gòu)成進(jìn)行確定。

2.2 如何進(jìn)行負(fù)荷元件建模

進(jìn)行負(fù)荷元件建模，首先要分析研究其動(dòng)態(tài)特性，再以其為基礎(chǔ)，建立起與實(shí)際物理特性相符的負(fù)荷模型。在分析負(fù)荷元件的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，要以對(duì)負(fù)荷構(gòu)成的調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，其方法是：（1）理論分析；（2）動(dòng)模試驗(yàn)；（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

負(fù)荷模型綜合建模。該模型可包括不同的類(lèi)型負(fù)荷，建立的方法包括：（1）統(tǒng)計(jì)綜合法；（2）總體測(cè)辨法；（3）前兩種方法結(jié)合。在建立時(shí)，應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題進(jìn)行考慮。在必要時(shí)，對(duì)低壓電網(wǎng)中接入的小機(jī)組的影響（重點(diǎn)是邊遠(yuǎn)區(qū)的末端負(fù)荷）也可列入考慮。

對(duì)綜合負(fù)荷型的模型進(jìn)行適應(yīng)性分析。在進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)考慮在不同運(yùn)行方式下，不同的故障形式，其研究的影響內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定特性；（2）系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，其目的是對(duì)所建的綜合性負(fù)荷模型的適應(yīng)性進(jìn)行科學(xué)有效評(píng)估。

綜合性負(fù)荷模型的驗(yàn)證。該驗(yàn)證常采用的方法是：（1）系統(tǒng)故障錄波；（2）專(zhuān)門(mén)性擾動(dòng)試驗(yàn)。驗(yàn)證的內(nèi)容驗(yàn)證的對(duì)象是系統(tǒng)仿真模型（含綜合性負(fù)荷模型），并對(duì)該系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行不斷調(diào)整，不斷完善，以使仿真模型的準(zhǔn)確度不斷提高。

建立負(fù)荷的各類(lèi)模型數(shù)據(jù)庫(kù)。在負(fù)荷建模開(kāi)展進(jìn)程中，應(yīng)注意建立和完善兩類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)。即：（1）負(fù)荷元件的模型庫(kù)；（2）分類(lèi)的綜合模型庫(kù)。建半決賽兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的目的是，為了在進(jìn)行新負(fù)荷建設(shè)建模時(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理及合成，使進(jìn)行新的負(fù)荷建模時(shí)候，提高工作效率，提高工作的精度。統(tǒng)計(jì)綜合法。這種方法的前提是，先要取得各種具備典型特征的負(fù)荷元件的數(shù)學(xué)模型。這些模型需要以實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)推導(dǎo)的形式得到，具備典型特征的負(fù)荷元件常見(jiàn)的有：（1）熒光燈；（2）家用型各類(lèi)電子設(shè)備；（3）工業(yè)用電動(dòng)機(jī)；（4）空調(diào)。然后，再以一些負(fù)荷點(diǎn)作為依據(jù)，對(duì)某些特殊性時(shí)段（冬季或夏季時(shí)的峰值）負(fù)荷由哪些要素組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。即，要對(duì)每種典型負(fù)荷統(tǒng)計(jì)出其所占的百分比數(shù)，既要統(tǒng)計(jì)出配電線路的數(shù)據(jù)，也要統(tǒng)計(jì)出變壓器的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，最后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，最終獲得該點(diǎn)負(fù)荷模型。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）不依賴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；（2）節(jié)約資金；（3）對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃具較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 負(fù)荷模型具有的影響性分析

3.1 潮流計(jì)算

在電網(wǎng)處于較好的運(yùn)行條件時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓間幅值是與額定值是接近的。在這種情況下，以恒功率負(fù)荷模型進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，對(duì)于收斂問(wèn)題不用考慮。但在系統(tǒng)運(yùn)行狀況出惡化的條件下，（如：1）故障后斷開(kāi)線路；2）故障后切除發(fā)電機(jī)。）系統(tǒng)中所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，其電壓就會(huì)與額定值之間存在較大偏差，這時(shí)候，如果用恒功率負(fù)荷模型進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，就應(yīng)該對(duì)潮流收斂問(wèn)題進(jìn)行考慮。如果，這時(shí)候采用的模型按實(shí)際負(fù)荷功率與電壓一起變化這類(lèi)負(fù)荷模型時(shí)（如：冪函數(shù)等模型），對(duì)于潮流計(jì)算方面收斂性，就可以實(shí)現(xiàn)很好的改善。對(duì)于學(xué)術(shù)界中提出的潮流收斂性這一問(wèn)題，工業(yè)界很難理解，為什么只要電網(wǎng)投入運(yùn)行就會(huì)有潮流產(chǎn)生。從實(shí)際而言，負(fù)荷模型按恒功率來(lái)計(jì)算時(shí)，潮流即不會(huì)收斂，這一問(wèn)題的關(guān)鍵，是由于這一潮流負(fù)荷模型未能對(duì)實(shí)際物理過(guò)程做出真實(shí)地反映（如電壓降低時(shí)，實(shí)際負(fù)荷吸收的有功無(wú)功實(shí)際都是減少的）。這樣，實(shí)際潮流其實(shí)是存在的，而在進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)即不用考慮收斂問(wèn)題。我們可以這樣理解：潮流的實(shí)際收斂，是體現(xiàn)在被降低的有功、無(wú)功負(fù)荷上。因此，如果負(fù)荷模型采用得適當(dāng)，對(duì)于改善潮流的收斂性，對(duì)于改善其計(jì)算精度都是十分有利的。

3.2 暫態(tài)穩(wěn)定

負(fù)荷模型影響暫態(tài)穩(wěn)定，其實(shí)質(zhì)上是由于負(fù)荷功率與電壓、頻率共同變化，影響到了各發(fā)電機(jī)上的電磁功率，進(jìn)而又使得發(fā)電機(jī)在加速或減速的剩余轉(zhuǎn)矩受到影響。

與其他類(lèi)型系統(tǒng)元件模型不同的是，對(duì)于一個(gè)負(fù)荷模型決不能一概而論，我們既不能說(shuō)它的結(jié)果是保守的，也不能說(shuō)是樂(lè)觀的，其結(jié)果如何，必須以相應(yīng)的場(chǎng)景來(lái)作為確定的依據(jù)。挪威和瑞典兩個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了研究。其結(jié)果表明了這一點(diǎn)。即：降低地區(qū)處于送端情況下，如降低地區(qū)負(fù)荷與電壓相關(guān)的靈敏度，聯(lián)絡(luò)線在傳輸方面的功率極限將會(huì)被提高；反之，如降低地區(qū)處于收端，其聯(lián)絡(luò)線傳輸方面的功率極限將會(huì)大幅度降低。CIGRE的報(bào)告中指出，在FGO電網(wǎng)中，三根不同母線用不同負(fù)荷模型后，在不同故障，其臨界切除時(shí)間是不同的。報(bào)告結(jié)果表明，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定存在較大影響的是負(fù)荷模型。

另外從仿真的實(shí)例結(jié)果來(lái)看，如暫態(tài)過(guò)程處于電壓、頻率變化幅度很大匯報(bào)情況，不宜采用適合電壓變化幅度不大為特征的靜態(tài)負(fù)荷模型。

有科研人員針對(duì)互聯(lián)大系統(tǒng)解列的動(dòng)態(tài)行為，以加拿大的安大略省某西北部局部系統(tǒng)，進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種負(fù)荷模型，其計(jì)算結(jié)果的差別是相當(dāng)大的。因此，該文獻(xiàn)特別對(duì)以動(dòng)態(tài)模型，來(lái)進(jìn)行較大電壓、頻率波動(dòng)情況下的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，做了重點(diǎn)性強(qiáng)調(diào)。當(dāng)結(jié)果受到負(fù)荷模型靈敏度影響程度較高時(shí),宜動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型（推薦采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型）。

3.3 極限切除時(shí)間

3.3.1 對(duì)小擾動(dòng)穩(wěn)定方面影響

區(qū)間振蕩與系統(tǒng)內(nèi)大量發(fā)電機(jī)直接相關(guān)，其帶來(lái)的影響通常顯示為在系統(tǒng)電壓及區(qū)域頻率方面發(fā)生明顯性變化。該情況下，負(fù)荷在電壓方面特性和在頻率方面特性會(huì)直接影響到振蕩的鎮(zhèn)定。美國(guó)西北部電網(wǎng)研究已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

3.3.2 對(duì)電壓穩(wěn)定計(jì)算方面影響

目前，對(duì)于該研究領(lǐng)域，其存在的問(wèn)題還有許多有待統(tǒng)一之處。如：電壓失穩(wěn)機(jī)理這一問(wèn)題，其認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一。但應(yīng)明確的是：負(fù)荷對(duì)電壓穩(wěn)定問(wèn)題來(lái)說(shuō)，其地位十分重要。選取什么樣的負(fù)荷模型，對(duì)于進(jìn)行電壓穩(wěn)定的分析結(jié)果來(lái)說(shuō)，其影響是很大的。以小擾動(dòng)分析法為例，其研究結(jié)果表明，電壓是否穩(wěn)定這一問(wèn)題，與綜合負(fù)荷存在的電壓方面特性是存在著十分密切的關(guān)系的。因此，負(fù)荷動(dòng)態(tài)對(duì)電壓穩(wěn)定這一問(wèn)題來(lái)說(shuō)，它的主導(dǎo)地位是不容置疑的，建立適宜的該研究對(duì)象的負(fù)荷模型，將直接影響到電壓穩(wěn)定理論能否成熟，是一個(gè)非常關(guān)鍵性問(wèn)題。

4 關(guān)于電力負(fù)荷建模的應(yīng)用實(shí)踐

電力負(fù)荷建模，是一個(gè)非常深?yuàn)W，需要不斷深入研究的問(wèn)題。對(duì)其研究，其目的是更好運(yùn)解決實(shí)際問(wèn)題。從其應(yīng)用來(lái)說(shuō)，較普遍的就是實(shí)際工作中電力負(fù)荷調(diào)整方面。

用于電力系統(tǒng)的線路改造。這方面，主要應(yīng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線改造，其材料選取則十分關(guān)鍵。通過(guò)建模，可以以各項(xiàng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析各類(lèi)材料優(yōu)缺點(diǎn)。如數(shù)據(jù)表明，在系統(tǒng)線路改造中，節(jié)能型擴(kuò)容導(dǎo)線高強(qiáng)度鋼芯高強(qiáng)度耐熱鋁合金絞線。

用于日電力負(fù)荷調(diào)整。通過(guò)建模，可以實(shí)現(xiàn)模擬日電力負(fù)荷的合理調(diào)整。如可以使電網(wǎng)中，為使工業(yè)電力用戶滿足其連續(xù)性生產(chǎn)需求，需在適當(dāng)時(shí)段，調(diào)高電力負(fù)荷。

5 小結(jié)

綜上所述，電力負(fù)荷建模，與實(shí)際生產(chǎn)生活的關(guān)系是十分密切的。負(fù)荷模型是否粗糙，對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)模擬精度，提升和改善其他各類(lèi)元件模型價(jià)值是十分關(guān)鍵的。因此，進(jìn)一步做好電力負(fù)荷模的研究，積極改進(jìn)建模方法，是極具迫切性和重要性的。但是，我們也應(yīng)該看到，電力負(fù)荷建模是極具復(fù)雜性、分散性和隨機(jī)性的，這些特點(diǎn)，使得負(fù)荷模型達(dá)到完全精確的標(biāo)準(zhǔn)，是很難做到的，這一問(wèn)題需要長(zhǎng)期研究、不懈努力，才有可能性最終解決。同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，通過(guò)努力，實(shí)現(xiàn)逐步建立與真實(shí)情況的密切相近負(fù)荷模型，并非是不可能完成的任務(wù)，這也正是當(dāng)前眾多研究者，無(wú)數(shù)的工程技術(shù)人員正在為之不懈努力的目標(biāo)。須知，對(duì)于綜合負(fù)荷模型實(shí)現(xiàn)精確建模，對(duì)于電力系統(tǒng)分析是一個(gè)行業(yè)性難題，雖然已經(jīng)取得令人滿意的一些成果，但完全解決問(wèn)題，尚待一定時(shí)間，尚有一定距離，這需要廣大專(zhuān)業(yè)研究者精益求精，使該問(wèn)題得以圓滿解決。

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