一種新的廣義電力負荷模型及其工程應(yīng)用

1、，第卷第期年月電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報一種新的廣義電力負荷模型及其工程應(yīng)用施雄華，陳根軍，鞠平，張道農(nóng)（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京；河海大學(xué)電氣工程系，江蘇南京；華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京）摘要：當(dāng)區(qū)域負荷中含有較高比例的電源時，傳統(tǒng)的經(jīng)典負荷模型不適合描述負荷母線的動態(tài)行為提出一種新的廣義電力負荷模型，并給出模型參數(shù)的確定方法該方法綜合利用常規(guī)量測數(shù)據(jù)和量測數(shù)據(jù)，其中等值發(fā)電機支路參數(shù)采用理論等值方法獲得，而純負荷參數(shù)采用辨識方法獲取實際工程應(yīng)用表明，該廣義電力負荷模型及其參數(shù)確定方法有效可行關(guān)鍵詞：廣義負荷模型；廣域測量系統(tǒng)（）；理論等值；模型辨識中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：

2、（），（，；，；，）：，：；（）；長期以來，人們在研究電力系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定的過程中，逐漸認識到電力負荷對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性計算結(jié)果影響較大動態(tài)負荷模型的準確與否對電力系統(tǒng)動態(tài)研究有著重要的作用如果負荷模型不夠精確，仿真結(jié)果將與負荷的真實響應(yīng)不一致，這將影響穩(wěn)定極限的估計，從而造成建設(shè)中不必要的投資增加或運行中的潛在危機通常用一個感應(yīng)電動機加一個靜態(tài)負荷（不妨稱之為經(jīng)典模型）即能較準確地反映負荷的動態(tài)特性然而，電力系統(tǒng)負荷模型通常掛接在樞紐變電站的較高電壓母線上，它的構(gòu)成非常復(fù)雜在實際工程中，人們發(fā)現(xiàn)，有時經(jīng)典模型與實際負荷的動態(tài)響應(yīng)相差較大，用它來描述實際負荷則不再合適造成上述現(xiàn)象的原因是一些電網(wǎng)（

3、如福建電網(wǎng)）含有較多的地方小電廠，因此，這些電網(wǎng)的負荷特性中就包含同步發(fā)電機的動態(tài)特性當(dāng)電廠容量在實際負荷中所占比重較大或者電廠離負荷母線距離較近時，同步發(fā)電機就會對負荷特性產(chǎn)生較大的影響，原有的經(jīng)典模型就不能準確地描述實際負荷的動態(tài)特性文獻把這種包含電源但依然以負荷為主的區(qū)域稱為廣義電力負荷廣義電力負荷概念是對傳統(tǒng)負荷建模的突破和拓展，需要大力開展相關(guān)的研究工作，包括電源的影響、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定等模型結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型筆者采用如圖所示的廣義電力負荷模型結(jié)構(gòu)，其中表示等值發(fā)電機與負荷母線的連接阻抗該模型盡量保留了原有的負荷模型結(jié)構(gòu)，即感應(yīng)電動機加靜態(tài)負荷，在原有基礎(chǔ)上增加的同步發(fā)電機反映了電源

4、對負荷模型的影響圖廣義電力負荷模型結(jié)構(gòu)綜合計算精度與系統(tǒng)現(xiàn)狀，發(fā)電機采用三階實用模型：（），（） ，（）（），（），（），（）（）（）式中為軸暫態(tài)電勢；為勵磁電勢；，分別為軸定子電抗和暫態(tài)電抗；為軸暫態(tài)開路時間常數(shù)；為慣性時間常數(shù)；，分別為機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；為軸領(lǐng)先軸的角度；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；為勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)；為端電壓的幅值；，分別為，軸電壓和電流純負荷部分的靜態(tài)負荷一般采用恒阻抗模型，感應(yīng)電動機負荷采用現(xiàn)階段公認的三階機電暫態(tài)模型：（）（），（）（）（），（）（），（），（），（），（）（）（）式中，分別為，軸暫態(tài)電勢；，分別為定子電阻、同步電抗和暫態(tài)電抗；為暫態(tài)開路時間常數(shù)；為慣性時間常數(shù)；

5、為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；，分別為機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩初值；，分別為，軸的電壓和電流；，分別為相應(yīng)的機械轉(zhuǎn)矩系數(shù)參數(shù)確定方法在實際工程中，一般所能測量的是負荷母線（或）的電壓和功率（或電流）而廣義電力負荷既包含了負荷模型，又包含了發(fā)電機模型，需要確定的參數(shù)眾多，僅依靠測量數(shù)據(jù)，采用辨識途徑第卷第期施雄華，等：一種新的廣義電力負荷模型及其工程應(yīng)用用理論等值方法獲得等值發(fā)電機支路的參數(shù)，采用辨識方法獲得純負荷參數(shù)具體步驟：）取得負荷母線下所有發(fā)電機的發(fā)電機參數(shù)、勵磁系統(tǒng)參數(shù)、線路和變壓器參數(shù)以及所有這些設(shè)備的拓撲結(jié)構(gòu)，這些參數(shù)可以從現(xiàn)有的系統(tǒng)中方便地獲??；）從系統(tǒng)獲取擾動初始時刻各發(fā)電廠有功功率和無功功

6、率，從獲取負荷母線的動態(tài)量測；）對包含所有發(fā)電機的網(wǎng)絡(luò)進行理論等值，獲得圖中發(fā)電機支路的所有模型參數(shù)以及擾動初始功率；）根據(jù)電壓擾動動態(tài)數(shù)據(jù)，采用時域仿真算法計算出發(fā)電機支路的動態(tài)響應(yīng)；）從實測的負荷母線的動態(tài)響應(yīng)中扣除計算所得的發(fā)電機支路的動態(tài)響應(yīng)，得出純負荷的動態(tài)響應(yīng)；）根據(jù)純負荷的動態(tài)響應(yīng)采用優(yōu)化辨識算法辨識純負荷參數(shù)基于蟻群算法的純負荷參數(shù)辨識純負荷參數(shù)的辨識是廣義負荷模型參數(shù)確定過程中的一個重要環(huán)節(jié)，筆者采用蟻群優(yōu)化算法對純負荷模型參數(shù)進行辨識蟻群優(yōu)化算法（，）來自于對蟻群群體行為的研究，最初由意大利學(xué)者等人于世紀年代提出，是一種求解組合最優(yōu)問題的通用啟發(fā)式方法本質(zhì)上是一個多代理算法

7、，它通過單個代理之間的低級交互形成整個蟻群的復(fù)雜行為這種方法的主要特征是正反饋、分布式計算以及富于建設(shè)性的貪婪啟發(fā)式搜索的運用正反饋有助于快速發(fā)現(xiàn)問題較好的解；分布式計算避免了在迭代過程中早熟現(xiàn)象的出現(xiàn)；而貪婪啟發(fā)式搜索的運用則使搜索過程中較早發(fā)現(xiàn)可接受解成為可能在電力負荷模型參數(shù)辨識中，參數(shù)是在連續(xù)空間內(nèi)分布的，所以，筆者主要探討蟻群算法應(yīng)用于連續(xù)空間內(nèi)的參數(shù)辨識問題電力負荷模型參數(shù)辨識中的蟻群算法可進行如下定義：（的個，為同時需辨識參數(shù)的個數(shù)，為在每一維空間上的等分數(shù)這樣實際上就是每一軸代表一個參數(shù)，每一個參數(shù)的定義域被分成了個子區(qū)間，每個子區(qū)間內(nèi)有個單蟻，這也就是各區(qū)間內(nèi)實際螞蟻的數(shù)量）

8、根據(jù)蟻群所處空間位置的優(yōu)劣，決定當(dāng)前蟻群的信息量分布經(jīng)過第步就已經(jīng)把待辨識的參數(shù)分成了組，一只單蟻代表一組參數(shù)，這樣就可以把每組參數(shù)代入負荷模型的微分方程中，求解此微分方程，計算出負荷每一步吸收的總功率，把這些計算功率與在樞紐母線上測得的功率比較，得到目標函數(shù)，即組有功功率和無功功率的誤差平方和（為測點數(shù)）每一組參數(shù)對應(yīng)一個誤差值，誤差值越小，說明此組參數(shù)越接近于真值要使蟻群向真值所在位置的方向移動，則需為各單蟻定義一個與其當(dāng)前所處空間位置，針對參數(shù)辨識正確性的優(yōu)劣相關(guān)的信息量分布函數(shù)：（）（）（）（）（）式中為根據(jù)實際問題所定義的壓縮系數(shù)；表示其峰值，其定義要與各單蟻當(dāng)前所處的解空間位置的優(yōu)

9、劣相關(guān)，這里取目標函數(shù)的倒數(shù)）求出各軸子區(qū)間內(nèi)應(yīng)有的蟻數(shù)分布首先將當(dāng)前蟻群散布的信息量分布函數(shù)總和在各軸子區(qū)間內(nèi)進行積分，根據(jù)此積分值占整個問題空間內(nèi)的總積分值的比例和當(dāng)前的蟻群規(guī)模決定各軸子區(qū)間內(nèi)應(yīng)有的蟻群數(shù)量）根據(jù)各子區(qū)間內(nèi)應(yīng)有的蟻群分布狀況和當(dāng)前蟻群分布狀況之間的差別，決定蟻群的移動方向，并加以移動首先分別求出各子區(qū)間及其左右的應(yīng)有蟻數(shù)和實際蟻數(shù)，然后根據(jù)被考察之蟻所處子區(qū)間及其左右的應(yīng)有蟻數(shù)和實際蟻數(shù)之間的差別，決定該蟻的運動方向，并改變該組蟻群的坐標值在蟻群作完一次整體移動之后又回到第步，進行相應(yīng)的初始分布和信息量分布，考察和蟻群移動操作，如此循環(huán)往復(fù)，直到最優(yōu)解的產(chǎn)生工程應(yīng)用筆者以

10、某地區(qū)一個典型的含有較高比例小水電負電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報年月擬合，結(jié)果如表所示對純負荷（經(jīng)典負荷模型）的辨識采用了重點參數(shù)辨識策略，只辨識，和，其他參數(shù)采用中國電力科學(xué)研究院推薦值表中的參數(shù)說明：表中為等值發(fā)電機的額定容量（），（），（）分別為等值發(fā)電機的初始有功功率和無功功率，為等值發(fā)電機有功初值占純負荷有功初值的比重；表中時間常數(shù)的單位為，（功率基值為）分別為等值發(fā)電機與負荷母線的連接電阻和電抗；表，中為等值電動機定子電抗，為等值電動機初始負載率，為等值電動機有功初值占純負荷有功初值的比重表廣義負荷模型參數(shù)編號編號表經(jīng)典負荷模型參數(shù)編號表廣義模型與經(jīng)典模型擬合誤差比較編號廣義模型擬合誤差經(jīng)典

11、模型擬合誤差第卷第期施雄華，等：一種新的廣義電力負荷模型及其工程應(yīng)用由表可知，在小水電發(fā)電的情況下都較大，所以，在這些情況下采用經(jīng)典模型已經(jīng)不能正確反映實際的負荷構(gòu)成由表中的廣義模型與經(jīng)典模型擬合誤差比較可以看出，采用廣義模型后擬合誤差明顯減小因此，采用廣義負荷模型描述該站點的負荷特性更為合適圖為號數(shù)據(jù)仿真值與實測值的擬合效果仿真值是指通過該文方法獲取廣義負荷模型參數(shù)后，通過時域仿真的方法計算出電壓擾動下有功無功動態(tài)響應(yīng)的計算值由圖可以看出，仿真值基本上能夠擬合實測值，說明筆者使用的模型和方法有效 圖號數(shù)據(jù)廣義負荷模型擬合結(jié)語筆者提出了一種廣義負荷模型結(jié)構(gòu)，并提出了相應(yīng)的參數(shù)確定方法該方法充分

12、利用了和量測，發(fā)電機參數(shù)利用信息采用理論等值獲取，純負荷參數(shù)利用動態(tài)數(shù)據(jù)采用蟻群優(yōu)化算法進行參數(shù)辨識，該方法物理概念清晰，易于在現(xiàn)有的自動化條件下實現(xiàn)筆者提出的方法已經(jīng)運用于工程實際，應(yīng)用表明：針對含有較高比例電源的負荷站點，采用廣義負荷模型后，擬合誤差較經(jīng)典模型明顯減小主要原因是同步發(fā)電機引入廣義負荷模型后，模型結(jié)構(gòu)更加貼近實際工程應(yīng)用驗證了該文模型和方法的有效性參考文獻：鞠平，戴琦，黃永皓，等我國電力負荷建模工作的若干建議電力系統(tǒng)自動化，（）：，（）：鞠平電力系統(tǒng)非線性辨識南京：河海大學(xué)出版社，鞠平，馬大強電力系統(tǒng)負荷建模北京：水利電力出版社，鞠平，何孝軍，黃文英，等廣義電力負荷的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定電力系統(tǒng)自動化，（）：，（）：金艷，鞠平