新型電力系統(tǒng)柔性負(fù)荷建模研究綜述*

劉天奇 蔣曉艷 宋朋駿 蔡雷 牟泓妃

1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院電氣工程學(xué)院，西藏 林芝 860000

迄今為止，發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)、輸配電線路等元件模型已比較成熟，而負(fù)荷作為電力系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，發(fā)展較為緩慢［1］。但目前廣泛使用的負(fù)荷模型的精度較低，仿真時產(chǎn)生的誤差較大從而使得整體系統(tǒng)的模擬精度較低，這樣也降低了系統(tǒng)中改善其他元件如發(fā)電機和輸電網(wǎng)絡(luò)等模型的價值。

新型電力系統(tǒng)是現(xiàn)在智能電網(wǎng)概念的進一步發(fā)展與深化，兩者之間的一個重要區(qū)別就是，智能電網(wǎng)仍采用源隨荷動的實時平衡系統(tǒng)；而在新型電力系統(tǒng)中強調(diào)源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動的非完全實時平衡模式［2］。所以與傳統(tǒng)負(fù)荷相比，柔性負(fù)荷最大的特點就是自我調(diào)控能力強，且靈活可控，是源荷互動的主要角色。以往電力系統(tǒng)的運行是源隨荷動，而柔性負(fù)荷的出現(xiàn)，尤其是電動汽車以及分布式儲能等可反向為系統(tǒng)提供功率支撐的負(fù)荷，使得電網(wǎng)運行方式變?yōu)樵春苫?，向著源網(wǎng)荷儲四者協(xié)調(diào)、靈活運行的方向發(fā)展，如何在負(fù)荷模型上體現(xiàn)出這種雙向性成為了新的難題。分布式電源與分布式儲能的大力發(fā)展也給負(fù)荷建模帶來了挑戰(zhàn)，這兩者可以視為廣義負(fù)荷的一種，然而現(xiàn)有文獻對此研究較少。目前對柔性負(fù)荷，尤其是源性負(fù)荷的建模研究尚處于起步階段，而傳統(tǒng)剛性負(fù)荷的建模方法已不能適應(yīng)新型負(fù)荷的變化。綜上，本文對柔性負(fù)荷的建模方法等進行綜述，首先介紹了傳統(tǒng)負(fù)荷建模的方法與原理，列出幾種經(jīng)典負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)；其次，對柔性負(fù)荷的研究現(xiàn)狀進行了綜述；最后，對全文進行總結(jié)與展望。

1 傳統(tǒng)負(fù)荷建模方法與模型結(jié)構(gòu)

1.1 負(fù)荷建模方法

迄今為止負(fù)荷建模的方法可以主要歸結(jié)成三種：統(tǒng)計綜合法；總體辨測法；故障擬合法。除了以上三種主流的方法以外，河海大學(xué)鞠平教授在此基礎(chǔ)上取其所長提出了一種混合法［3］。

綜合統(tǒng)計法的基本思想是將負(fù)荷看成個別用戶的集合，綜合統(tǒng)計法就是根據(jù)這清晰的物理概念進行分析的［4］。其主要思想需要先將系統(tǒng)中綜合負(fù)荷的類型進行分類，確定每一類中是什么樣的電器，并確定所分類負(fù)荷的平均特性，然后統(tǒng)計出不同負(fù)荷在總體中所占的份額，最后測定各部分負(fù)荷的比例系數(shù)整合得出最終的負(fù)荷模型，如圖1所示。

圖1 綜合統(tǒng)計法負(fù)荷建模示意圖

綜合統(tǒng)計法的優(yōu)點很明顯，其物理意義便于理解、概念清晰明確，可使人們定性了解負(fù)荷特性，但此方法對統(tǒng)計時的資料要求很高，統(tǒng)計工作進行時十分困難，同時隨著新型電力系統(tǒng)的逐步發(fā)展，負(fù)荷側(cè)發(fā)生了巨大變化，負(fù)荷類型更加多變復(fù)雜，也給調(diào)查統(tǒng)計帶來了巨大困難。總體測辨法的核心思想是將重要節(jié)點如高壓母線上的綜合負(fù)荷看成是一個整體，重點關(guān)注端口的對于系統(tǒng)的等效電氣特性，一定程度上將負(fù)荷群體看成一個兩端口的黑箱模型，而不必具體追究黑箱內(nèi)部的具體組成［5］，流程圖如圖2所示。

圖2 總體測辨法負(fù)荷建模示意圖

圖3 負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)

相比統(tǒng)計綜合法，總體測辨法不依賴于統(tǒng)計用戶資料，同時得出的模型相對簡單統(tǒng)一，參數(shù)易于辨識，但此方法難以在系統(tǒng)中的所有節(jié)點都裝設(shè)相關(guān)測量裝置，且現(xiàn)場的測量工作復(fù)雜。故障擬合法是實際工程中應(yīng)用最廣泛的一個方法，前兩種方法已較為成熟，雖然各位學(xué)者已經(jīng)有了深入的研究，同時取得了豐碩的成果，但由于電力負(fù)荷是一個復(fù)雜高階的時變非線性巨系統(tǒng)，他們并沒有獲得廣泛的應(yīng)用，僅作為輔助建模的手段［6］。故障擬合法更多是通過故障仿真對負(fù)荷模型進行校驗與修正［7,8］，主要用到的數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)中發(fā)生大擾動的動態(tài)數(shù)據(jù)［1］。故障擬合法的優(yōu)點是參數(shù)的確定與所選擇的參數(shù)過程一致，模型所選擇的參數(shù)能在實際發(fā)生一種或幾種故障的情況下得到重現(xiàn)，但此方法實際就是用不同的故障數(shù)據(jù)進行不斷嘗試來得出模型，同時認(rèn)為整個系統(tǒng)模型中的負(fù)荷參數(shù)恒定不變，這與實際中負(fù)荷的性質(zhì)并不符合。

綜上所述，綜合統(tǒng)計法適合宏觀定性，總體測辨法適合微觀定量，故障擬合法適合最終校驗，單一地采用某種方法都有其困難或不當(dāng)之處，所以河海大學(xué)鞠平教授汲取這三種方法所長提出了混合建模法。其主要思想是先將負(fù)荷進行分類，將系統(tǒng)中的特性相似的負(fù)荷節(jié)點分為一類，整體大致可分為3-4 類，這樣系統(tǒng)中就存在3-4 種負(fù)荷參數(shù)，既不至于都采用相同參數(shù)導(dǎo)致模型過分粗略，又不會因為參數(shù)過多導(dǎo)致模型維度過高，造成模型過于復(fù)雜且參數(shù)難以辨識的問題。在進行節(jié)點特征分析時，采用綜合統(tǒng)計法，進行聚合分類后，采用總體測辨法得到模型參數(shù)，然后通過故障擬合法對模型和參數(shù)進行校驗。最后根據(jù)在線負(fù)荷構(gòu)成分析和測量結(jié)果進行負(fù)荷建模，定期對模型進行更新。

表1 不同負(fù)荷建模方法比較

1.2 負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)

從負(fù)荷模型所反映的負(fù)荷特性以及自身的特征等，一般可分為靜態(tài)模型、機理動態(tài)模型和非機理動態(tài)模型等［9］。

靜態(tài)模型，也稱為ZIP模型其結(jié)構(gòu)如圖（3a）所示，此模型主要描述電壓或頻率緩慢變化時的負(fù)荷特性，用代數(shù)方程來表示［10］。機理動態(tài)模型用來描述電壓或頻率變化較快時的負(fù)荷特性，主要包含經(jīng)典負(fù)荷模型（CLM）和綜合負(fù)荷模型（SLM），其中SLM 還計及了直接給負(fù)荷供配電的低壓配電網(wǎng)和除分布式電源以外的小電源的影響，兩者模型都由微分方程和代數(shù)方程整合而成，其結(jié)構(gòu)如圖（3b）、圖（3c）所示。

機理模型的最大優(yōu)點就是其模型是以物理和電學(xué)定律得出的，有著明確的物理意義，但不足之處在于，有時系統(tǒng)中的負(fù)荷種類過多，且同一類的負(fù)荷個體參數(shù)差異較大，在某些場景下難以得出清晰的機理式數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)的參數(shù)，使得整體難以辨識。由于上述問題的存在，且隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為了更好的描述負(fù)荷的特性，人們提出了非機理動態(tài)模型，其核心思想是將負(fù)荷整體看作一個“黑箱”，重點研究其外部特性，而不細(xì)致研究內(nèi)部的機理解釋，強調(diào)，模型對節(jié)點負(fù)荷特性的描述能力，這樣就可以一定程度的簡化負(fù)荷模型，降級階次。如前文所述，非機理模型的物理意義不明確，所以目前應(yīng)用較少［11］。我國電網(wǎng)推薦使用的負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)是SLM［10］。

對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)來說，其主要的運行模式是源隨荷動，對傳統(tǒng)剛性負(fù)荷建模技術(shù)的研究也較為成熟。但由于隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，負(fù)荷側(cè)的復(fù)雜性、波動性以及可控性都大大提高，傳統(tǒng)的建模方法已不能很好的反應(yīng)現(xiàn)在的負(fù)荷特性，亟需在原有的基礎(chǔ)上尋找新型負(fù)荷的建模方法。

2 柔性負(fù)荷建模

柔性負(fù)荷與傳統(tǒng)負(fù)荷既一脈相承，又有所區(qū)別，所不同的是柔性負(fù)荷大多是以電力電子設(shè)備接入系統(tǒng)，柔性可控，且種類更加繁多。但柔性負(fù)荷的建模方法及其結(jié)構(gòu)仍是在傳統(tǒng)負(fù)荷建模研究的基礎(chǔ)上進行深入研究其不同之處，以期能更符合柔性負(fù)荷的相關(guān)特性。

2.1 柔性負(fù)荷的定義

到目前為止，柔性負(fù)荷在業(yè)內(nèi)暫無統(tǒng)一公認(rèn)的定義，各位專家學(xué)者也根據(jù)自身的理解給出了不同的定義，但其核心內(nèi)容都大體相似。文獻［12］將柔性負(fù)荷定義為總用電量不變，可在指定范圍內(nèi)根據(jù)指令對負(fù)荷進行“伸縮”或轉(zhuǎn)移的負(fù)荷。文獻［13］提到了柔性負(fù)荷可主動改變用電時間和用電量，能夠參與電網(wǎng)運行控制，且給出柔性負(fù)荷的兩點特征：自主調(diào)控的主觀性、相應(yīng)行為的無序性。文獻［14］總結(jié)柔性負(fù)荷的核心包括：具備柔性調(diào)控能力、能夠根據(jù)需求改變用電行為、主動響應(yīng)電網(wǎng)運行控制等。文獻［15］提出了異構(gòu)柔性負(fù)荷的概念，將其定義為，在負(fù)荷種類、固有屬性、運行參數(shù)、影響因素等多方面呈現(xiàn)多種差異化特性的負(fù)荷群體，異構(gòu)負(fù)荷資源群體之間能夠體現(xiàn)較強的時域和功能上的互補性。本文中的柔性負(fù)荷，既包含傳統(tǒng)柔性負(fù)荷如以空調(diào)為代表的溫控負(fù)荷、樓宇照明等，也包含源性負(fù)荷如電動汽車、分布式儲能等。

2.2 柔性負(fù)荷類型

綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，一般柔性負(fù)荷采用不同的分類標(biāo)準(zhǔn)大致有三種方式，主要是根據(jù)負(fù)荷自身的不同方面的特性來分類［14］。

2.2.1 能量互動方式分類。以是否能向網(wǎng)絡(luò)中輸送電能為標(biāo)準(zhǔn)可分為兩類，即源性負(fù)荷和非源性負(fù)荷。其中源性負(fù)荷可作為需求側(cè)響應(yīng)資源，根據(jù)一定調(diào)控策略實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲的雙向互動，參與電網(wǎng)整體的輔助調(diào)頻調(diào)壓，以電動汽車、分布式儲能以及微電網(wǎng)為典型代表；非源性負(fù)荷不能向電網(wǎng)輸送功率，但相比傳統(tǒng)剛性負(fù)荷其調(diào)節(jié)方式更加靈活，可以通過分時電價或負(fù)荷聚合商簽訂合約等激勵政策來改變其用電行為，達到削峰填谷的目的，以物聯(lián)網(wǎng)智能家居設(shè)備、溫控負(fù)荷如空調(diào)等為典型代表。

2.2.2 激勵型響應(yīng)方式分類，即通過對柔性負(fù)荷不同的調(diào)度響應(yīng)方式來進行分類。首先是可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，該類型負(fù)荷在調(diào)度期間總用電量不變，但在總用電周期內(nèi)可對不同時段的用電量進行靈活調(diào)節(jié)，主要代表為電動汽車、分布式儲能及部分工商業(yè)負(fù)荷；其次是可平移負(fù)荷，此種負(fù)荷主要面向的是工業(yè)負(fù)荷，通過對工業(yè)負(fù)荷特性進行大時間段的平移來實現(xiàn)削峰的目的，以此減少在用電高峰期對電網(wǎng)的沖擊；最后是可削減負(fù)荷，主要面對主體是民用電用戶，根據(jù)電網(wǎng)自身需求對部分負(fù)荷進行中斷，可通過調(diào)度部門同銷售部門協(xié)調(diào)與用戶簽訂具體的協(xié)議，來進行調(diào)控。

2.2.3 用戶及設(shè)備類型進行分類。這種分類方式相對簡單，主要為工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷。這三種負(fù)荷在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)負(fù)荷建模的研究較多，相對成熟，可結(jié)合以往學(xué)者的研究基礎(chǔ)進一步將柔性負(fù)荷融入其中。

2.3 柔性負(fù)荷的模型

在建設(shè)新型電力系統(tǒng)的過程中，柔性負(fù)荷變得種類繁多，且復(fù)雜性、波動性以及可控性都不斷提高，針對每類負(fù)荷的建模方法都有所不同。目前大多數(shù)的研究大多都是針對一種類型的負(fù)荷與原有的負(fù)荷來進行綜合建模，對多種不同類型大規(guī)模的柔性負(fù)荷，即異構(gòu)型柔性負(fù)荷的建模相對較少，下文將對幾種較為成熟的模型進行介紹。

2.3.1 物理模型。當(dāng)對于所要建立模型的負(fù)荷沒有了解或了解不多的情況下，通常可以使用傳統(tǒng)的ZIP進行建模，少部分使用冪函數(shù)模型，或是在這兩種模型基礎(chǔ)上進行變形和組合［16，17］。ZIP 主要用來描述負(fù)荷的靜態(tài)特性，模型相對簡單，易于搭建，同時有著較為成熟的研究基礎(chǔ)，但其模型較為粗糙，無法體現(xiàn)出柔性負(fù)荷雙向互動的特性。

現(xiàn)階段，大量居民以及商業(yè)負(fù)荷都裝有大量的空調(diào)、冰箱、熱水器等制冷熱設(shè)備，通過溫控負(fù)荷模型可較好的描述其特性，常常用熱力學(xué)等值模型（ETP）模型對其進行描述［18］，主要以空調(diào)為代表，對其所屬建筑物進行熱力學(xué)機理分析，從而得出模型。ETP 模型物理意義較為明確，精度較高同時考慮了周圍環(huán)境的影響，但當(dāng)接入的熱負(fù)荷規(guī)模達到一定程度時，所提出的一階模型并不適用；同時近年來科技的發(fā)展，空調(diào)分為定頻和變頻空調(diào)，ETP并無反應(yīng)空調(diào)等熱負(fù)荷的影響。

2.3.2 海量負(fù)荷聚合模型。負(fù)荷只有大規(guī)模聚集在一起，成一定規(guī)模才有意義。由于柔性負(fù)荷涉及到激勵響應(yīng)，其作為一種需求側(cè)響應(yīng)資源，只有本身具備一定規(guī)模才能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，參與電網(wǎng)的輔助調(diào)頻調(diào)壓以及削峰填谷服務(wù)，所以對柔性負(fù)荷進行聚合建模就顯得十分重要。當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)的聚合響應(yīng)建模方法主要有基于物理定律的數(shù)值解析法、蒙特卡洛仿真模擬法和基于歷史數(shù)據(jù)的回歸建模法。文獻［19］先對電動汽車和空調(diào)進行單體建模，然后以功率平均值作為基準(zhǔn)建立了虛擬電池模型，基于深度優(yōu)化的空間求解邊界法對兩種負(fù)荷進行了聚合建模，但實際負(fù)荷種類繁多，且受到影響因素復(fù)雜，文中并未考慮；文獻［20］引入可控能量狀態(tài)裕度（DoCE）這一狀態(tài)量，分別建立了定頻空調(diào)、電儲能、電動汽車的虛擬儲能模型后對其進行聚合，得出異構(gòu)柔性負(fù)荷的聚合模型。

柔性負(fù)荷是日后負(fù)荷側(cè)發(fā)展的趨勢，其自身不止作為一種負(fù)荷，更是一種可以參與系統(tǒng)中輔助服務(wù)的可調(diào)節(jié)資源，然而目前對柔性負(fù)荷的模型大多以概率論為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)公式為主，同時大多數(shù)學(xué)者都是以幾種柔性負(fù)荷為例，對于綜合負(fù)荷模型的考慮較少。如何將海量的柔性負(fù)荷聚合起來，將柔性負(fù)荷的種類更全面地考慮，以及如何將柔性負(fù)荷與其他剛性負(fù)荷結(jié)合起來組成綜合負(fù)荷模型，是以后研究的重點。

3 新型負(fù)荷建模研究展望

隨著我國3060戰(zhàn)略的提出，負(fù)荷發(fā)生了一系列顯著變化，負(fù)荷的復(fù)雜性、波動性、可控性以及季節(jié)敏感性大幅提高。高比例負(fù)荷通過電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，同時分布式電源、儲能以及電動汽車的大規(guī)模接入使原先的源隨荷動變成了源荷互動，負(fù)荷側(cè)的功率流向由原來從電源側(cè)到負(fù)荷側(cè)的單向流動，因分布式電源以及源性負(fù)荷的存在變?yōu)殡p向流動，尤其是電動汽車的普及也將很大程度上改變負(fù)荷的時空分布特性［21-22］。就目前的研究成果來說，新型電力系統(tǒng)負(fù)荷建模的主要難點就是如何保證模型的定性正確和定量正確。實際工程中，負(fù)荷是由剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷構(gòu)成，對其進行機理分析可得出綜合負(fù)荷仍分為帶有轉(zhuǎn)動慣量的電機類設(shè)備和靜止類設(shè)備。在模型中考慮柔性負(fù)荷后，可將綜合負(fù)荷分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，將柔性負(fù)荷中的靜態(tài)部分剝離出來，與傳統(tǒng)負(fù)荷的靜態(tài)負(fù)荷進行整合，將兩者綜合形成一個相對于綜合負(fù)荷模型的靜態(tài)等效模型，將傳統(tǒng)負(fù)荷的動態(tài)部分采用目前廣泛應(yīng)用的SLM 模型，與靜態(tài)等效模型綜合起來，對柔性負(fù)荷的動態(tài)部分進行單獨建模，然后與所得的SLM模型融合，形成最后的綜合模型。

同時，近些年來人工智能大力發(fā)展，可通過人工智能及機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立一個負(fù)荷模型動態(tài)數(shù)據(jù)庫［23］，通過AI輔助在線統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而后根據(jù)現(xiàn)場實際的需要，實時進行負(fù)荷模型的變換，在線刷新負(fù)荷模型，并將其數(shù)據(jù)存入負(fù)荷模型動態(tài)數(shù)據(jù)庫［24］。如何通過人工智能等技術(shù)來進行實時建模也是以后研究的重點。

4 結(jié)語

我國新型電力系統(tǒng)大力發(fā)展，發(fā)電側(cè)的調(diào)節(jié)能力日益受限，柔性負(fù)荷作為一種重要的需求側(cè)響應(yīng)資源，其模型的構(gòu)建也愈發(fā)重要，對電力系統(tǒng)的仿真以及促進系統(tǒng)穩(wěn)定運行有著重要意義。本文分析了傳統(tǒng)負(fù)荷建模原理與方法，并對柔性負(fù)荷的定義、模型結(jié)構(gòu)以及相關(guān)建模方法進行綜述。柔性負(fù)荷本身的特點就是高電力電子化，且柔性可控，可以作為一種需求側(cè)資源來響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，目前對柔性負(fù)荷的建模主要是對幾種負(fù)荷進行的聚合建模，而綜合負(fù)荷模型的定性和定量正確仍然是個難題。未來負(fù)荷建?？蓪⑷嵝载?fù)荷與傳統(tǒng)剛性負(fù)荷相結(jié)合，保證模型的定性正確，同時根據(jù)不同場景下海量的負(fù)荷構(gòu)成和功率實測數(shù)據(jù)，采用人工智能方法，先對負(fù)荷節(jié)點進行分類，然后識別負(fù)荷功率特征與電氣參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，利用人工智能技術(shù)對負(fù)荷模型進行在線刷新，以保證模型適用于系統(tǒng)的不同場景。