电力系统负荷建模理论与实践

西北民族大学电气工程学院 兰 栋

1 引言

动态行为是电力系统的明显特征（如：运行是否稳定；是否存在低频振荡；电压是否稳定等），其中，直接对其造成很大影响的因素是负荷特性。建模及采取什么样的方式建模，对于进行电力系统研究来说，是一个非常重要的课题。该模型，直接影响到电力系统稳定性计算；同时，还会在一定程度上影响到“潮流及短路”两项计算，也影响到安全分析。该模型对于临界情况，更为重要，可能因此使结论得到改变，或是将一些十分重要的现象掩盖起来。如果采取的负荷模型不够恰当，将会造成计算结果与实际情况之间有较大的差距，这种差距也可能是过于乐观，也可能会过于保守。以其依据，其结果可能会使系统存在潜在性危险，或是造成没有意义的浪费。对于电力系统来说，数字仿真是对其进行研究和分析的科学工具，负荷模型可以对仿真结果产生极其重要的影响。特别是在某种情况下，其结论或存在截然相反的严重情况。对综合负荷来说，其具有4个方面的明显特点，即：1）随机性；2）分散性；3）多样性；4）非连续性。这些特点，会造成在负荷建模时存在着多重困难，在电力系统，成为被公认的世界性难题之一。

2 如何进行负荷建模

2.1 调查负荷是如何构成的

负荷从其构成来说，具备明显的多样性及复杂性特征，而且会直接决定和影响到负荷模型类型及其参数。在进行负荷的建模时，应考虑到地区不同、节点不同和季节不同情况下负荷不同，并进行针对性了解和掌握。在分类上，应坚持的原则是“由粗到细“，在此基础上再对各类负荷的构成进行确定。

2.2 如何进行负荷元件建模

进行负荷元件建模，首先要分析研究其动态特性，再以其为基础，建立起与实际物理特性相符的负荷模型。在分析负荷元件的动态特性时，要以对负荷构成的调查结果为依据，其方法是：（1）理论分析；（2）动模试验；（3）现场实测。

负荷模型综合建模。该模型可包括不同的类型负荷，建立的方法包括：（1）统计综合法；（2）总体测辨法；（3）前两种方法结合。在建立时，应对配电网络和无功补偿的问题进行考虑。在必要时，对低压电网中接入的小机组的影响（重点是边远区的末端负荷）也可列入考虑。

对综合负荷型的模型进行适应性分析。在进行仿真分析时，应考虑在不同运行方式下，不同的故障形式，其研究的影响内容包括：（1）系统的稳定特性；（2）系统的稳定水平，其目的是对所建的综合性负荷模型的适应性进行科学有效评估。

综合性负荷模型的验证。该验证常采用的方法是：（1）系统故障录波；（2）专门性扰动试验。验证的内容验证的对象是系统仿真模型（含综合性负荷模型），并对该系统仿真模型进行不断调整，不断完善，以使仿真模型的准确度不断提高。

建立负荷的各类模型数据库。在负荷建模开展进程中，应注意建立和完善两类数据库。即：（1）负荷元件的模型库；（2）分类的综合模型库。建半决赛两个数据库的目的是，为了在进行新负荷建设建模时，对这些数据直接进行处理及合成，使进行新的负荷建模时候，提高工作效率，提高工作的精度。统计综合法。这种方法的前提是，先要取得各种具备典型特征的负荷元件的数学模型。这些模型需要以实验或数学推导的形式得到，具备典型特征的负荷元件常见的有：（1）荧光灯；（2）家用型各类电子设备；（3）工业用电动机；（4）空调。然后，再以一些负荷点作为依据，对某些特殊性时段（冬季或夏季时的峰值）负荷由哪些要素组成进行统计。即，要对每种典型负荷统计出其所占的百分比数，既要统计出配电线路的数据，也要统计出变压器的准确数据，最后将这些数据进行综合统计，最终获得该点负荷模型。该方法的优点是：（1）不依赖现场试验；（2）节约资金；（3）对电网规划具较强的适应性。

3 负荷模型具有的影响性分析

3.1 潮流计算

在电网处于较好的运行条件时，节点电压间幅值是与额定值是接近的。在这种情况下，以恒功率负荷模型进行潮流计算时，对于收敛问题不用考虑。但在系统运行状况出恶化的条件下，（如：1）故障后断开线路；2）故障后切除发电机。）系统中所对应的节点，其电压就会与额定值之间存在较大偏差，这时候，如果用恒功率负荷模型进行潮流计算时，就应该对潮流收敛问题进行考虑。如果，这时候采用的模型按实际负荷功率与电压一起变化这类负荷模型时（如：幂函数等模型），对于潮流计算方面收敛性，就可以实现很好的改善。对于学术界中提出的潮流收敛性这一问题，工业界很难理解，为什么只要电网投入运行就会有潮流产生。从实际而言，负荷模型按恒功率来计算时，潮流即不会收敛，这一问题的关键，是由于这一潮流负荷模型未能对实际物理过程做出真实地反映（如电压降低时，实际负荷吸收的有功无功实际都是减少的）。这样，实际潮流其实是存在的，而在进行潮流计算时即不用考虑收敛问题。我们可以这样理解：潮流的实际收敛，是体现在被降低的有功、无功负荷上。因此，如果负荷模型采用得适当，对于改善潮流的收敛性，对于改善其计算精度都是十分有利的。

3.2 暂态稳定

负荷模型影响暂态稳定，其实质上是由于负荷功率与电压、频率共同变化，影响到了各发电机上的电磁功率，进而又使得发电机在加速或减速的剩余转矩受到影响。

与其他类型系统元件模型不同的是，对于一个负荷模型决不能一概而论，我们既不能说它的结果是保守的，也不能说是乐观的，其结果如何，必须以相应的场景来作为确定的依据。挪威和瑞典两个国家的科学技术人员对此进行了研究。其结果表明了这一点。即：降低地区处于送端情况下，如降低地区负荷与电压相关的灵敏度，联络线在传输方面的功率极限将会被提高；反之，如降低地区处于收端，其联络线传输方面的功率极限将会大幅度降低。CIGRE的报告中指出，在FGO电网中，三根不同母线用不同负荷模型后，在不同故障，其临界切除时间是不同的。报告结果表明，对系统暂态稳定存在较大影响的是负荷模型。

另外从仿真的实例结果来看，如暂态过程处于电压、频率变化幅度很大汇报情况，不宜采用适合电压变化幅度不大为特征的静态负荷模型。

有科研人员针对互联大系统解列的动态行为，以加拿大的安大略省某西北部局部系统，进行研究。结果发现，对于静态和动态两种负荷模型，其计算结果的差别是相当大的。因此，该文献特别对以动态模型，来进行较大电压、频率波动情况下的暂态稳定计算，做了重点性强调。当结果受到负荷模型灵敏度影响程度较高时,宜动态负荷模型（推荐采用感应电动机模型）。

3.3 极限切除时间

3.3.1 对小扰动稳定方面影响

区间振荡与系统内大量发电机直接相关，其带来的影响通常显示为在系统电压及区域频率方面发生明显性变化。该情况下，负荷在电压方面特性和在频率方面特性会直接影响到振荡的镇定。美国西北部电网研究已经证明了这一点。

3.3.2 对电压稳定计算方面影响

目前，对于该研究领域，其存在的问题还有许多有待统一之处。如：电压失稳机理这一问题，其认识尚未统一。但应明确的是：负荷对电压稳定问题来说，其地位十分重要。选取什么样的负荷模型，对于进行电压稳定的分析结果来说，其影响是很大的。以小扰动分析法为例，其研究结果表明，电压是否稳定这一问题，与综合负荷存在的电压方面特性是存在着十分密切的关系的。因此，负荷动态对电压稳定这一问题来说，它的主导地位是不容置疑的，建立适宜的该研究对象的负荷模型，将直接影响到电压稳定理论能否成熟，是一个非常关键性问题。

4 关于电力负荷建模的应用实践

电力负荷建模，是一个非常深奥，需要不断深入研究的问题。对其研究，其目的是更好运解决实际问题。从其应用来说，较普遍的就是实际工作中电力负荷调整方面。

用于电力系统的线路改造。这方面，主要应对电网系统进行节能型扩容导线改造，其材料选取则十分关键。通过建模，可以以各项数据为依据，分析各类材料优缺点。如数据表明，在系统线路改造中，节能型扩容导线高强度钢芯高强度耐热铝合金绞线。

用于日电力负荷调整。通过建模，可以实现模拟日电力负荷的合理调整。如可以使电网中，为使工业电力用户满足其连续性生产需求，需在适当时段，调高电力负荷。

5 小结

综上所述，电力负荷建模，与实际生产生活的关系是十分密切的。负荷模型是否粗糙，对于提高整个系统模拟精度，提升和改善其他各类元件模型价值是十分关键的。因此，进一步做好电力负荷模的研究，积极改进建模方法，是极具迫切性和重要性的。但是，我们也应该看到，电力负荷建模是极具复杂性、分散性和随机性的，这些特点，使得负荷模型达到完全精确的标准，是很难做到的，这一问题需要长期研究、不懈努力，才有可能性最终解决。同时，我们也应该认识到，通过努力，实现逐步建立与真实情况的密切相近负荷模型，并非是不可能完成的任务，这也正是当前众多研究者，无数的工程技术人员正在为之不懈努力的目标。须知，对于综合负荷模型实现精确建模，对于电力系统分析是一个行业性难题，虽然已经取得令人满意的一些成果，但完全解决问题，尚待一定时间，尚有一定距离，这需要广大专业研究者精益求精，使该问题得以圆满解决。

[1]周文.电力负荷建模问题研究综述[J].现代电力,1999(5).

[2]汤涌,张红斌.负荷建模的基本原则和方法[J].电网技术,2007(2).

[3]鞠平.我国电力负荷建模工作的若干建议[J].电力系统自动化,2004(8).

[4]李茂林.论对于短期负荷预测的方法及其应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2010(07).

[5]桂志强.电力负荷管理系统的现状及发展[J].宁夏电力,2004(03).

[6]李路路,尹柳青.电力负荷管理系统应用及规模化发展思路[J].大众用电,2005(09).