智能電網中實時負荷模型建立研究

鄭曉雨，鄭靜媛，王彥博

（1.國家電力調度控制中心，北京 100031；2.國網北京市電力公司 豐臺供電公司運維檢修中心，北京 100161；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

0 引言

近年來，為適應堅強智能電網的快速推進，提高智能電網預防和抵御事故的能力，電網實時仿真分析計算技術得到大力發展。此技術依靠電網實時數據和并行計算，能夠實時分析當前電網的風險點和薄弱點，為調度人員預防事故發生提供強有力的支持。在實時仿真計算系統模型中，發電機、勵磁、調速等模型的參數大都經過實測，唯有負荷模型一直采用不隨時間變化的靜態或動態模型，將一成不變的負荷模型用在反映實時變化的實時仿真計算當中必然會對結果精度造成影響。在負荷建模方面，目前廣泛采用的建模方法主要有實測建模法和統計綜合法兩種。實測建模法通過在選取的典型負荷變電站安裝負荷記錄裝置，并對記錄到的擾動數據進行辨識來獲取本地區的負荷模型參數，這也是最常用的負荷建模方法。但此方法所用模型比較單一，而且必須記錄到大的擾動數據才能辨識出較為理想的負荷模型，隨著以后網架結構的增強和智能化的提高，能夠造成電網大的擾動的事故越來越少，而且實測建模法只能得到擾動當時的負荷模型，無法獲取實時負荷特性，因此實測建模法在實時性方面有一定的缺陷。統計綜合法［1-4］通過統計各類負荷的構成，并依據典型負荷的特性通過聚合的方法來獲取統計地區的負荷模型。統計綜合法負荷建模雖然具有思路清晰、便于理解等優點，但由于此方法需要統計大量客戶側負荷的數量及運行狀態，這在以往客戶側測量裝置匱乏的情況下是很難實現的，因此該方法很少被采用。

近年來隨著智能電網的飛速發展，開放、互動的智能電網實現了客戶側與電網側的互動，高效、智能的家居設備以及通信手段使得實時負荷狀態的統計成為了現實。本文以智能電網為背景，提出了一種實時統計負荷建模方法，依托智能電網克服了原有實測建模法無法同時采集大量客戶側負荷特性數據的缺點以及實測建模法無法建立實時負荷模型的弊端，為電網實時仿真計算的開展奠定了基礎。

1 智能電網的互動性優勢

智能電網［5-7］與傳統電網的差別之一就是互動性［8］。與傳統電網不同，在智能電網中客戶通過智能表計和智能家居來實現數據的讀取、設備的控制，進而實現用電側與電網側的互動。智能電表是智能電網中最重要的智能終端，它與傳統電能表有著本質的區別。智能電表除了具有雙向計量的基本功能以外，還具有配網狀態估計、客戶能量管理、負荷遠程控制、故障分析、電網與客戶雙向通信等功能。因此，通過智能電表可以進一步獲取終端用電客戶的詳細用電信息，包括客戶內部的智能用電設備運行狀態、用電量、電能質量等有利于電網運行的信息，也正是有了智能電表，才使得客戶與電網的互動成為現實。文獻［8］指出電網的智能化需要電力供應機構能夠精確地獲得客戶的用電特性和規律，以便對供應和需求做出更合理的規劃。文獻［9］指出智能化的表計是我國智能電網的第一步，客戶調度是智能電網建設的出發點，并給出了智能調度的基本架構，其中重要一點就是智能負荷控制。文獻［10］詳細闡述了智能電表的概念、功能及在各國的發展概況，在智能功能應用中指出智能電表能夠采集水、氣、熱能消耗數據來進行客戶電力負荷預測，為優化電網規劃和調度提供便利。本文正是應用智能電表能夠實時采集并傳輸客戶設備信息的特性來進行實時負荷建模的。

2 電網實時仿真

隨著智能電網的快速發展，電網形態的快速變化以及新能源發電的大規模接入，迫切需要改變現有系統分析、計劃校核和調度運行模式，推進穩定分析計算向更短周期、更加精細方向拓展，具有強自適應能力的在線安全穩定分析及輔助決策系統，將成為提高智能電網安全穩定運行必不可少的工具。文獻［5］指出智能調控中心在功能上應該具備快速安全分析功能，必須推動安全穩定分析的實時化和在線化。文獻［7］指出在智能電網的發展趨勢中，必須包含快速仿真決策技術，主要增加故障快速實時仿真，為調度人員提供輔助決策支持。文獻［8］指出面對未來的智能電網，智能調度是未來的發展趨勢，對智能調度應具備的功能進行了闡述，其中第一條就是系統快速仿真與模擬。

目前國家電網調度系統大力發展在線實時安全穩定分析，已經取得了長足的進展，國網系統內絕大部分省級及以上調度機構都安裝了在線安全穩定分析模塊，能夠同時具備靜態穩定分析、靜態安全分析、暫態穩定分析、動態穩定分析、電壓穩定分析、短路電流計算6個功能（見圖1），大大推進了調控運行的精細化管理［11-12］。

圖1 在線穩定分析功能

3 實時負荷模型建立策略

在線穩定分析基礎數據包括實時運行數據、靜態模型及參數、動態模型及參數（計算所用故障集）等。在某一實時斷面，實時運行數據、靜態模型參數以及動態模型參數中的發電機勵磁、調速器等參數都是準確的，而應該實時變化的負荷模型參數卻被人為設置成典型參數，這在無形當中降低了實時計算的精度。

因為傳統的統計綜合法無法實時統計負荷的構成，所以第一步需要選取典型負荷變電站，然后制作負荷統計表格，由站內人員填報典型負荷的比例［1-4］，再根據典型負荷自身模型，通過數學方法來獲取整個變電站負荷的模型，其流程如圖2所示。這樣做會產生很大的誤差，因為首先是靠選取一個典型區域變電站來代替其余區域的負荷特性，而各地區的負荷特性是不同的，所以會產生一定的誤差；其次，制作負荷統計表進行人工填寫時有很大的隨意性，而且負荷是實時變化的，表格只能體現一個或幾個時間點的負荷構成，無法提供實時的負荷構成。

圖2 傳統的統計綜合法建模流程

在智能電網中，智能電表的實時數據采集以及通信的快速傳輸，使得電網側很容易獲得負荷側詳細的負荷構成，因此智能電網條件下統計負荷建模就可以簡化為以下步驟。

（1）通過智能電表實時獲取客戶側用電設備的狀態及功率消耗情況，如圖3所示。圖3中，1～n表示配網用戶負荷區域，在客戶負荷區域內，各類用電設備的運行狀態及功率消耗通過智能電表和高速網絡實時傳輸至電網側數據中心。

（2）電網側數據中心將負荷節點下采集的所有負荷數據按照與典型負荷特性的相似性進行歸類，獲取各類負荷的功率及其所占比例。

（3）根據所獲取的各類負荷的功率、占比以及各類負荷的典型模型和參數，通過疊加的方法就可以獲得所求主網節點的負荷模型。這里的典型參數庫包含電網中主要負荷的模型及典型參數，可以是靜態模型，也可以是含感應電動機的動態模型，如圖4所示。為了與傳統模型進行比較，以框圖形式表示的建模過程如圖5所示。

圖3 智能電網中負荷數據實時采集與傳輸

通過圖2和圖5的比較可以看出，在智能電網中進行統計綜合法負荷建模既簡單精度又高，而且最重要的是實現了實時負荷建模，適應了電網實時分析的發展趨勢。

圖4 智能電網中實時負荷模型建立流程

圖5 智能電網中實時負荷模型建立框圖

4 結語

隨著電網規模的不斷擴大，電網特性變得越來越復雜，離線仿真已經不能應對電網方式快速變化給電網運行帶來的挑戰，而在線實時仿真因其實時、快速等優點，越來越受到運行人員的關注。在實時仿真模型當中負荷模型受傳統建模方法的限制，一直無法實時獲取，這也成為制約實時仿真精度提高的主要原因。在智能電網中電網的運行模式發生了很大變化，電網與客戶之間的互動性得到了提升，這也為實時負荷模型的活動提供了契機。本文利用智能電網在客戶信息采集和信息傳輸方面的巨大優勢，通過對原有的統計綜合法負荷建模進行改進，提出了一種新型的實時負荷模型建立方法，新方法的提出不僅有效簡化了建模流程，更提高了建模的實時性，為實現電網真正意義上的實時仿真計算奠定了基礎。

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