电力负荷建模.

电力系统负荷建模
华北电力大学
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电力负荷模型的基本概念
定义：
电力系统电压和频率发生变化时电力负荷从电网取用的有 功功率和无功功率的变化称为负荷特性，依据这一特性建 立的数学描述模型称为负荷模型。
分类：
静态模型：有功、无功与电压、频率的代数关系； 动态模型：有功、无功与电压、频率的微分关系；
负荷节点：
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负荷建模的困难性

电力负荷的随机性； 电力负荷的非线性； 电力负荷的时变性； 电力负荷的分散性；
负荷建模远不及发电机、 励磁器、调速器等其他 系统设备的建模完善
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负荷建模的两类方法


总体测辨法：在电网的负荷节点安装测试记录 装置，对测试数据采用辨识算法进行建模； 统计综合法：在对基本负荷特性进行调研与测 试，建立模型库的基础上，对电网的各个负荷 节点的负荷的成份、组成、分布进行调查，依 据综合理论建立总体模型。
负荷建模针对方式计算中定义的负荷节点进行。该节点包 括负荷群及供电线路、变压器、无功补偿等。
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负荷建模的重要性





负荷模型是电力系统仿真的基本环节，正确的模型对 于潮流与稳定计算至关重要； 近年来大规模电力系统失稳多为电压失稳，电压失稳 与负荷特性关系尤为密切； 电力市场化带来的电力系统的新特征：电力系统越来 越运行在接近极限的状态； 电源开发与电网控制技术的发展：HVDC、FACTS技 术应用要求更为精确的负荷模型； 资源、环境带来负荷特性的新变化：新型负荷的出现， 负荷的电力电子化，分布式电源的发展。
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曾经开展的负荷建模工作 —合作项目




国家自然科学基金“人工神经网络在负荷建模 中的应用”项目； 河北南网“测辨法负荷建模”； 华中电网“负荷特性研究”； 日本关西电力公司“统计法负荷建模” 沙特西部电网空调负荷建模与电压恢复特性研 究
a p bp c p 1 aq bq cq 1
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辨识模型的形成
•将状态变量和输出量都转换为电流量； •将状态方程进行线性化处理； •将状态量用观测量置换。
I R a11I R a12 I J bV 1 c1V d1 I J a12 I R a22 I J b2V c2V d 2
非机理模型：采用传递函数、差分方程、人工神经 网络等形式。具有参数较少，辨识工作量小。对于 典型测试数据，模型逼真度高。模型外推能力差， 物理意义不清晰，与常用计算程序接口困难。
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由静特性和感应电动机组合而成的负荷模型
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感应电动机模型结构的确定
电磁暂态模型：五阶模型； 机电暂态模型：三阶模型； 机械暂态模型：一阶模型。
负荷模型测辨方法
负荷建模过程的两个环节
确定结构：采用机理或非机理的数学 关系描述相关量之间的代数或微分关 系； 辨识参数：在模型结构确定的基础上， 利用辨识算法确定相关参数，使模型 响应与测试数据尽可能一致。
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模型结构的确定
机理模型：采用惯用的结构和电气参数描述，具有 清晰的物理意义，易于为电网分析计算工程技术人 员所理解、方式计算程序所接收。模型具有较好的 稳定性和外推能力。但这种模型的参数较多，辨识 工作量大，计算较费时间。当负荷成分复杂时用单 一的电动机来模拟，模型很难逼真，反映在模型精 度低，参数收敛困难。




采集32路电压、电流模拟量，实时计算系统频率 反应于电压突变和电压越限量 高效的数据远传组网能力 接受GPS 卫星同步时钟信号 提供以太网接口和标准Modem接口 采样精度：14 位A/D 转换 采样率：1200点/秒 CT、PT 精度0.2 级，模拟量综合精度为0.5 级
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时域小扰动最小 二乘法、频域伪 随机信号扰动法
甩负荷试验、同 步器扰动
多功能在线测试、 建模及仿真系统， 电力系统参数综合 测试装置 多功能在线测试、 建模及仿真系统
自并激、交流三机 系统、无刷励磁实 际模型等
机械液压、电液调 节、机械离心式模 型等 静态：多项式、幂 函数模型 动态：3阶机理型模 型、3阶传递函数模 型、2阶非线性模型
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负荷特性记录装置的构成


硬件组成：负荷特性记录仪由彩色显示器、 工控机、键盘，鼠标，GPS， 各种信号调 理插件等部分组成，装置以组屏方式安装； 软件组成：软件主要有数据采集，高频滤 波、傅立叶变换，功率、频率计算、启动 判据、数据波形回放，文件上传等模块组 成。
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负荷特性记录装置的性能
本项目方案选择考虑的因素


山东电网负荷构成复杂，地区差异大，非线性和 时变性负荷多； 大量人力开展负荷调研不现实； 省局在该项目上的投资包括了测试装置的费用；
综合以上因素及有关两种建模方法的对比， 该项目宜采用基于测试装置的总体测辨法进 行建模
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山东总体测辨法负荷建模的实施



通过调查山东省的负荷组成，一期工程选择6个变电 站的负荷节点，装设负荷动特性记录装置，以观察负 荷特性。 在山东电力调度中心构建实用化的负荷实测建模平台。 在负荷动特性记录装置运行后，分析现场获取的实测 数据，建立符合实际的负荷模型。 与中国电力科学院综合程序（PSASP程序）的负荷模 型子程序库接口。将实测的负荷模型用于山东电网的 稳定仿真计算中，分析模型及计算结果的合理性。
,
T
, TJ
参数合理性校验
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结束
负荷建模软件的体系结构
负荷实测建模的平台由现场数据采集装置部分 和后台的负荷建模与分析中心两部分组成，其 基本结构如图所示。 负荷建模与分析中心是负荷实测建模的核心部 分。通讯服务器通过电话拨号网络或者电力专 线网络收集到有关变电站的负荷特性信息。数 据库服务器完成采集和分析数据地保存和管理 任务。负荷建模服务器读取相关负荷信息，进 行数据预处理和负荷建模分析。以上服务器均 指的是逻辑服务器，实际工作中，根据采集与 分析中心的规模设计，可以对工作站开展的功 能进行归并，数据库功能与负荷建模分析功能 均在综合服务器上实现。
本项目选择： 机电暂态模型！
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感应电动机模型的机电暂态模型
电压方程
' ud Rsid X 'iq Ed ' ' uq Rs iq X id Eq
电势方程
' ' ' Td' 0 Ed Ed ( X X ' )iq (r s ) Eq Td' 0 ' ' ' Td' 0 Eq Eq ( X X ' )id (r s ) Ed Td' 0
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统计综合法的特点




典型负荷的全局特性数据充分，在此基础上建立的负荷模型可反 映大范围的非线性特性； 在负荷统计过程中应获取负荷的时段分布数据，将负荷水平与负 荷特性相对应，得到负荷的时变特性； 无需安装测辨装置，项目投资少。可利用已经安装在变电站的其 他数据记录装置，验证与修改统计综合法得到的模型； 基础数据通过统计方法获得，项目实施时间易于控制。 需通过大量调研与测试工作获得典型负荷特性。由于同类负荷的 分散性，典型负荷特性的确定必须通过大量实验及负荷机理分析 来综合； 大量的现场调研工作。从稳定计算所涉及的母线出发，向下游逐 层统计负荷的构成，以电力公司供电变电站到用户的出线为基本 单位统计负荷的类别、构成、时段分布特征等。
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动态负荷
三阶电动机模型 三阶传递函数模型 线性或非线性差分方程 模型 非参数 ANN 模型
遗 传 算 法 过 程
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输入测量数据 数字滤波
负 荷 模 型 参 数 辨 识 流 程
数据有效 性判定
否
退出
计 算 有 效 值 V ， 有 功 电 流 I R， 无 功 电 流 I j及 V 、 I R 、 I
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辨识的定义
辨识：就是从含有噪声的输入输出数据中提取研究对象 的模型的结构和参数。 参数辨识：是在所研究对象的模型结构已知情况下, 用试 验方法来确定对动态特性有影响的各个参数数值
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辨识过程的一般步骤
辨识目的 辨识方法研究 工业试验方案设计 现场实验 数据分析处理 配套设备研究
N
校核论证
Y
模型参数确定
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总体测辨法与统计综合法的结合
两种方法在具体建模中相互借鉴，相互作用。 利用已有记录装置的部分数据，可验证与修改 统计综合法得到的模型，这实际上就是在统计 综合法中用到了总体测辨法；而总体测辨法不 可能在所有的负荷节点都安装记录装置，必须 采用统计综合法将在某些点建立的模型推广到 其他负荷节点。
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梯度类：对于连续、光滑、单峰问题性能好；局部性、 鲁棒性差，难处理干扰和噪声 随机类：收敛性、全局性、鲁棒性好，效率低 模拟进化类：适用范围广，找到全局最优解可能性大， 效率高 进化规划法（EP）遗传算法（GA）进化策略（ES）模 拟退火（SA）

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负荷模型辨识方法一览表
负荷类型 静态负荷 幂函数模型 数学模型 多项式模型 辨识方法 1． 具约束 LSE 法 2．线性 BP 网络法 1． MSAR （最小绝对残 差法） 2． 线性 BP 网络法 具约束加权 LSE 法 线性积分滤波法 1． 辅助变量法 2． 线性 BP 网络法 改进 BP 网络算法
j
形成样本数据相关矩阵
否
可辨识性判定？ 是
退出
ˆ估计 特征参数
方式计算对应模型选择
... 冬 小 冬 大 夏 大
ˆ ( n)
ˆ( n) ( ˆ( n 1 w 1 w) )
p , p , q , q ,T
' 求解Rs , X , X ' , Td 0 , G , B,
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四大参数辨识主要方法和模型一览表
辨识模型 方法 工业试验方案 研制设备或测试系 统 模型和参数类型
发电机
发电机安全监测兼 最小二乘法、抛 时域小扰动最小 无刷励磁检测系统， 11个电机参数或9个 载法、人工神经 二乘法、静测法、 电力系统参数综合 电机参数 网络法 抛载法 测试装置
FFT-LSE、分段 线性多项式函数 励磁系统 法PLPF、GE、 ANN等 原动机及 调速系统 LSE, 直接最 小二乘积分法 DILS、PLPF等
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总体测辨法的特点



Байду номын сангаас


采用现场实测数据，在扰动激励充分的条件下，可以得到当时负荷 的实际特性信息； 采用辨识算法进行建模，许多成熟的辨识方法可以利用，同时，一 些新的具有强综合能力的辨识算法可以采用。 模型的建立取决于测试到的数据，而有效的测试数据必须是在欲建 模型的负荷区域之外发生较大扰动情况下获得的，因而，数据的获 得具有一定的随机性和被动性，项目实施时间较长； 负荷特性表现出很强的非线性，如低压脱扣可使特定负荷从电网获 得的功率跳变为零，不同扰动反映不同的负荷特性； 负荷特性又表现出很强的时变性，特别是无功特性与时段、负荷水 平密切相关，应将依据不同运行方式下测得的数据，建立不同的负 荷模型； 通过测辨获得信息，必须安装测试与记录装置，项目需一定的投入， 现场有一些安装、调试与维护的工作量；
前端数据采 综合服务器 集装置
防火墙
前端数据采 集装置
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负荷实测建模的过程（待讨论）
负荷建模软件包
数 据 通 信
数 据 预 处 理
数 据 接 口
数 据 管 理
负 荷 建 模
模 型 测 试
查 询 打 印
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曾经开展的负荷建模工作 —理论探索

人工神经网络在负荷建模中的应用； 负荷母线测量数据可辨识性分析； 记录数据与电机模型参数辨识； 电力电子技术应用与负荷特性的变化； 负荷模型的自定义方式及与PSASP的接口。
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负荷
LSE、辅助变量 法IV、最小绝对 现场人工扰动测 残差法MSAR、 试法、随机扰动 人工神经网络法、 测试法 遗传基因法
电力系统参数综合 测试装置，多功能 负荷动态特性检测 装置
负荷模型参数辨识方法
线性：最小二乘法，卡尔曼滤波，辅助变量法，分段线
性多项式等
非线性——优化搜索：寻找最优解使得误差目标 函数最小
功率方程 转矩方程
P vd id vq iq Q vq id vd iq
TJ r Te Tm
Te (P I 2 Rs ) / s
Tm T r2 T
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静态模型的形式
不考虑频率变化，负荷的静态ZIP模型可表示为：

2 PP ( a V bPV cP ) 0 P Q Q0 ( aqV 2 bqV cq )