電力系統負荷建模理論與實踐

西北民族大學電氣工程學院 蘭 棟

1 引言

動態行為是電力系統的明顯特征（如：運行是否穩定；是否存在低頻振蕩；電壓是否穩定等），其中，直接對其造成很大影響的因素是負荷特性。建模及采取什么樣的方式建模，對于進行電力系統研究來說，是一個非常重要的課題。該模型，直接影響到電力系統穩定性計算；同時，還會在一定程度上影響到“潮流及短路”兩項計算，也影響到安全分析。該模型對于臨界情況，更為重要，可能因此使結論得到改變，或是將一些十分重要的現象掩蓋起來。如果采取的負荷模型不夠恰當，將會造成計算結果與實際情況之間有較大的差距，這種差距也可能是過于樂觀，也可能會過于保守。以其依據，其結果可能會使系統存在潛在性危險，或是造成沒有意義的浪費。對于電力系統來說，數字仿真是對其進行研究和分析的科學工具，負荷模型可以對仿真結果產生極其重要的影響。特別是在某種情況下，其結論或存在截然相反的嚴重情況。對綜合負荷來說，其具有4個方面的明顯特點，即：1）隨機性；2）分散性；3）多樣性；4）非連續性。這些特點，會造成在負荷建模時存在著多重困難，在電力系統，成為被公認的世界性難題之一。

2 如何進行負荷建模

2.1 調查負荷是如何構成的

負荷從其構成來說，具備明顯的多樣性及復雜性特征，而且會直接決定和影響到負荷模型類型及其參數。在進行負荷的建模時，應考慮到地區不同、節點不同和季節不同情況下負荷不同，并進行針對性了解和掌握。在分類上，應堅持的原則是“由粗到細“，在此基礎上再對各類負荷的構成進行確定。

2.2 如何進行負荷元件建模

進行負荷元件建模，首先要分析研究其動態特性，再以其為基礎，建立起與實際物理特性相符的負荷模型。在分析負荷元件的動態特性時，要以對負荷構成的調查結果為依據，其方法是：（1）理論分析；（2）動模試驗；（3）現場實測。

負荷模型綜合建模。該模型可包括不同的類型負荷，建立的方法包括：（1）統計綜合法；（2）總體測辨法；（3）前兩種方法結合。在建立時，應對配電網絡和無功補償的問題進行考慮。在必要時，對低壓電網中接入的小機組的影響（重點是邊遠區的末端負荷）也可列入考慮。

對綜合負荷型的模型進行適應性分析。在進行仿真分析時，應考慮在不同運行方式下，不同的故障形式，其研究的影響內容包括：（1）系統的穩定特性；（2）系統的穩定水平，其目的是對所建的綜合性負荷模型的適應性進行科學有效評估。

綜合性負荷模型的驗證。該驗證常采用的方法是：（1）系統故障錄波；（2）專門性擾動試驗。驗證的內容驗證的對象是系統仿真模型（含綜合性負荷模型），并對該系統仿真模型進行不斷調整，不斷完善，以使仿真模型的準確度不斷提高。

建立負荷的各類模型數據庫。在負荷建模開展進程中，應注意建立和完善兩類數據庫。即：（1）負荷元件的模型庫；（2）分類的綜合模型庫。建半決賽兩個數據庫的目的是，為了在進行新負荷建設建模時，對這些數據直接進行處理及合成，使進行新的負荷建模時候，提高工作效率，提高工作的精度。統計綜合法。這種方法的前提是，先要取得各種具備典型特征的負荷元件的數學模型。這些模型需要以實驗或數學推導的形式得到，具備典型特征的負荷元件常見的有：（1）熒光燈；（2）家用型各類電子設備；（3）工業用電動機；（4）空調。然后，再以一些負荷點作為依據，對某些特殊性時段（冬季或夏季時的峰值）負荷由哪些要素組成進行統計。即，要對每種典型負荷統計出其所占的百分比數，既要統計出配電線路的數據，也要統計出變壓器的準確數據，最后將這些數據進行綜合統計，最終獲得該點負荷模型。該方法的優點是：（1）不依賴現場試驗；（2）節約資金；（3）對電網規劃具較強的適應性。

3 負荷模型具有的影響性分析

3.1 潮流計算

在電網處于較好的運行條件時，節點電壓間幅值是與額定值是接近的。在這種情況下，以恒功率負荷模型進行潮流計算時，對于收斂問題不用考慮。但在系統運行狀況出惡化的條件下，（如：1）故障后斷開線路；2）故障后切除發電機。）系統中所對應的節點，其電壓就會與額定值之間存在較大偏差，這時候，如果用恒功率負荷模型進行潮流計算時，就應該對潮流收斂問題進行考慮。如果，這時候采用的模型按實際負荷功率與電壓一起變化這類負荷模型時（如：冪函數等模型），對于潮流計算方面收斂性，就可以實現很好的改善。對于學術界中提出的潮流收斂性這一問題，工業界很難理解，為什么只要電網投入運行就會有潮流產生。從實際而言，負荷模型按恒功率來計算時，潮流即不會收斂，這一問題的關鍵，是由于這一潮流負荷模型未能對實際物理過程做出真實地反映（如電壓降低時，實際負荷吸收的有功無功實際都是減少的）。這樣，實際潮流其實是存在的，而在進行潮流計算時即不用考慮收斂問題。我們可以這樣理解：潮流的實際收斂，是體現在被降低的有功、無功負荷上。因此，如果負荷模型采用得適當，對于改善潮流的收斂性，對于改善其計算精度都是十分有利的。

3.2 暫態穩定

負荷模型影響暫態穩定，其實質上是由于負荷功率與電壓、頻率共同變化，影響到了各發電機上的電磁功率，進而又使得發電機在加速或減速的剩余轉矩受到影響。

與其他類型系統元件模型不同的是，對于一個負荷模型決不能一概而論，我們既不能說它的結果是保守的，也不能說是樂觀的，其結果如何，必須以相應的場景來作為確定的依據。挪威和瑞典兩個國家的科學技術人員對此進行了研究。其結果表明了這一點。即：降低地區處于送端情況下，如降低地區負荷與電壓相關的靈敏度，聯絡線在傳輸方面的功率極限將會被提高；反之，如降低地區處于收端，其聯絡線傳輸方面的功率極限將會大幅度降低。CIGRE的報告中指出，在FGO電網中，三根不同母線用不同負荷模型后，在不同故障，其臨界切除時間是不同的。報告結果表明，對系統暫態穩定存在較大影響的是負荷模型。

另外從仿真的實例結果來看，如暫態過程處于電壓、頻率變化幅度很大匯報情況，不宜采用適合電壓變化幅度不大為特征的靜態負荷模型。

有科研人員針對互聯大系統解列的動態行為，以加拿大的安大略省某西北部局部系統，進行研究。結果發現，對于靜態和動態兩種負荷模型，其計算結果的差別是相當大的。因此，該文獻特別對以動態模型，來進行較大電壓、頻率波動情況下的暫態穩定計算，做了重點性強調。當結果受到負荷模型靈敏度影響程度較高時,宜動態負荷模型（推薦采用感應電動機模型）。

3.3 極限切除時間

3.3.1 對小擾動穩定方面影響

區間振蕩與系統內大量發電機直接相關，其帶來的影響通常顯示為在系統電壓及區域頻率方面發生明顯性變化。該情況下，負荷在電壓方面特性和在頻率方面特性會直接影響到振蕩的鎮定。美國西北部電網研究已經證明了這一點。

3.3.2 對電壓穩定計算方面影響

目前，對于該研究領域，其存在的問題還有許多有待統一之處。如：電壓失穩機理這一問題，其認識尚未統一。但應明確的是：負荷對電壓穩定問題來說，其地位十分重要。選取什么樣的負荷模型，對于進行電壓穩定的分析結果來說，其影響是很大的。以小擾動分析法為例，其研究結果表明，電壓是否穩定這一問題，與綜合負荷存在的電壓方面特性是存在著十分密切的關系的。因此，負荷動態對電壓穩定這一問題來說，它的主導地位是不容置疑的，建立適宜的該研究對象的負荷模型，將直接影響到電壓穩定理論能否成熟，是一個非常關鍵性問題。

4 關于電力負荷建模的應用實踐

電力負荷建模，是一個非常深奧，需要不斷深入研究的問題。對其研究，其目的是更好運解決實際問題。從其應用來說，較普遍的就是實際工作中電力負荷調整方面。

用于電力系統的線路改造。這方面，主要應對電網系統進行節能型擴容導線改造，其材料選取則十分關鍵。通過建模，可以以各項數據為依據，分析各類材料優缺點。如數據表明，在系統線路改造中，節能型擴容導線高強度鋼芯高強度耐熱鋁合金絞線。

用于日電力負荷調整。通過建模，可以實現模擬日電力負荷的合理調整。如可以使電網中，為使工業電力用戶滿足其連續性生產需求，需在適當時段，調高電力負荷。

5 小結

綜上所述，電力負荷建模，與實際生產生活的關系是十分密切的。負荷模型是否粗糙，對于提高整個系統模擬精度，提升和改善其他各類元件模型價值是十分關鍵的。因此，進一步做好電力負荷模的研究，積極改進建模方法，是極具迫切性和重要性的。但是，我們也應該看到，電力負荷建模是極具復雜性、分散性和隨機性的，這些特點，使得負荷模型達到完全精確的標準，是很難做到的，這一問題需要長期研究、不懈努力，才有可能性最終解決。同時，我們也應該認識到，通過努力，實現逐步建立與真實情況的密切相近負荷模型，并非是不可能完成的任務，這也正是當前眾多研究者，無數的工程技術人員正在為之不懈努力的目標。須知，對于綜合負荷模型實現精確建模，對于電力系統分析是一個行業性難題，雖然已經取得令人滿意的一些成果，但完全解決問題，尚待一定時間，尚有一定距離，這需要廣大專業研究者精益求精，使該問題得以圓滿解決。

[1]周文.電力負荷建模問題研究綜述[J].現代電力,1999(5).

[2]湯涌,張紅斌.負荷建模的基本原則和方法[J].電網技術,2007(2).

[3]鞠平.我國電力負荷建模工作的若干建議[J].電力系統自動化,2004(8).

[4]李茂林.論對于短期負荷預測的方法及其應用[J].中小企業管理與科技(下旬刊),2010(07).

[5]桂志強.電力負荷管理系統的現狀及發展[J].寧夏電力,2004(03).

[6]李路路,尹柳青.電力負荷管理系統應用及規模化發展思路[J].大眾用電,2005(09).