電力負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型與建模技術(shù)

內(nèi)容概要

《電力負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型與建模技術(shù)》闡述了用于電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的負(fù)荷模型和負(fù)荷建模技術(shù)，詳細(xì)介紹了負(fù)荷模型和建模技術(shù)的最新研究成果。全書(shū)共分10章，包括：緒論、電力負(fù)荷元件模型、電力系統(tǒng)仿真計(jì)算中的負(fù)荷模型、統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模、考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型的建模、總體測(cè)辨法負(fù)荷建模、故障擬合法負(fù)荷建模、東北電網(wǎng)大擾動(dòng)試驗(yàn)、我國(guó)電網(wǎng)綜合負(fù)荷模型建模研究、負(fù)荷模型對(duì)仿真的影響與建模原則。
《電力負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型與建模技術(shù)》可供從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的工程技術(shù)人員以及高等院校電氣工程專(zhuān)業(yè)的師生參考。本書(shū)由湯涌著。

書(shū)籍目錄

前言
第1章  緒論
  1.1  電力負(fù)荷建模的意義
  1.2  電力負(fù)荷建模的基本方法
  1.3  國(guó)內(nèi)外負(fù)荷建模技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
  參考文獻(xiàn)
第2章  電力負(fù)荷元件模型
  2.1  電力負(fù)荷構(gòu)成
  2.2  常用電力負(fù)荷元件的模型
    2.2.1  商業(yè)、居民用電阻加熱器
    2.2.2  熱泵式加熱器
    2.2.3  空調(diào)負(fù)荷
    2.2.4  家用電器
    2.2.5  照明負(fù)荷
    2.2.6  工業(yè)電動(dòng)機(jī)
    2.2.7  灌溉用電動(dòng)機(jī)
    2.2.8  電廠輔助設(shè)備
    2.2.9  鋼廠(電弧爐)
  2.3  基于動(dòng)模試驗(yàn)的常用靜態(tài)負(fù)荷元件建模
    2.3.1  白熾燈模型
    2.3.2  熒光燈(電子鎮(zhèn)流器)模型
    2.3.3  鈉燈模型
    2.3.4  液晶電視模型
    2.3.5  臺(tái)式電腦(CRT顯示器)模型
    2.3.6  筆記本電腦模型
    2.3.7  電磁爐模型
    2.3.8  基于短路試驗(yàn)的靜態(tài)模型驗(yàn)證
    2.3.9  新建模型與典型模型對(duì)比
  2.4  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)計(jì)算
    2.4.1  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型
    2.4.2  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)算法
    2.4.3  算法驗(yàn)證分析
  2.5  配電系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型
    2.5.1  配電線路的模型
    2.5.2  配電變壓器及LTC變壓器的模型
    2.5.3  配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的模型
  參考文獻(xiàn)
第3章  電力系統(tǒng)仿真計(jì)算中的負(fù)荷模型
  3.1  負(fù)荷模型的表示方法
  3.2  靜態(tài)負(fù)荷模型
    3.2.1  冪函數(shù)模型
    3.2.2多項(xiàng)式模型
  3.3  動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型
    3.3.1  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型
    3.3.2  非機(jī)理動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型
  3.4  電力系統(tǒng)計(jì)算分析中常用的負(fù)荷模型
    3.4.1  國(guó)外電網(wǎng)常用的負(fù)荷模型
    3.4.2  IEEE推薦的負(fù)荷模型
    3.4.3  美國(guó)WECC的綜合負(fù)荷模型
    3.4.4  我國(guó)電網(wǎng)常用的負(fù)荷模型
    3.4.5  現(xiàn)有綜合負(fù)荷模型的不足和缺陷
  3.5  我國(guó)現(xiàn)用負(fù)荷模型中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定
    3.5.1  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型典型參數(shù)
    3.5.2  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型中配電網(wǎng)系統(tǒng)電抗
    3.5.3  目前我國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)電抗的算例
    3.5.4  電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)選擇的建議
  3.6  考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型
    3.6.1  220kV變電站的供電系統(tǒng)
    3.6.2  考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)
    3.6.3  考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程的初始化步驟
    3.6.4  考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型的特點(diǎn)
  參考文獻(xiàn)
第4章  統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模
  4.1  統(tǒng)計(jì)綜合法的基本原理
    4.1.1  負(fù)荷統(tǒng)計(jì)綜合的基本方法
  ……
第5章  考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型的建模
第6章  總體測(cè)辨法負(fù)荷建模
第7章  故障擬合法負(fù)荷建模研究
第8章  東北電網(wǎng)大擾動(dòng)試驗(yàn)
第9章  我國(guó)電網(wǎng)綜合負(fù)荷模型建模研究
第10章  負(fù)荷模型對(duì)仿真的影響與建模原則

章節(jié)摘錄

　　第1章緒論　　1.1電力負(fù)荷建模的意義　　電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行和試驗(yàn)研究的主要工具，電力系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型以及由其構(gòu)成的全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎(chǔ)，模型的準(zhǔn)確與否直接影響著仿真結(jié)果和以此為基礎(chǔ)的規(guī)劃與運(yùn)行的決策方案。仿真所用模型和參數(shù)是仿真準(zhǔn)確性的重要決定因素之一。目前發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)和輸電網(wǎng)絡(luò)的模型已較成熟，相對(duì)而言，工程實(shí)踐中所用的負(fù)荷模型仍較簡(jiǎn)單，往往從基本物理概念出發(fā)，采用統(tǒng)一的典型模型和參數(shù)?！　〈罅垦芯拷Y(jié)果表明，負(fù)荷特性對(duì)電力系統(tǒng)分析計(jì)算結(jié)果具有重要影響。不同的負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)的事故后潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的仿真計(jì)算都具有不同程度的影響，在嚴(yán)重情況下，不同的負(fù)荷模型可能會(huì)使計(jì)算結(jié)果發(fā)生質(zhì)的變化。以往，當(dāng)缺乏詳細(xì)負(fù)荷模型時(shí)，在仿真計(jì)算中常常試圖采用某種“保守”的負(fù)荷模型，但這種做法是有風(fēng)險(xiǎn)的。由于負(fù)荷模型對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜電力系統(tǒng)的總體影響事先難以預(yù)計(jì)，在某種情況下“保守”的負(fù)荷模型在另一種情況下可能產(chǎn)生“冒進(jìn)”的結(jié)果，并且不同的問(wèn)題對(duì)負(fù)荷模型的要求也不盡相同。因此，必須建立和推廣符合實(shí)際的負(fù)荷模型?！　‰S著我國(guó)特高壓大電網(wǎng)的建設(shè)、新能源發(fā)電和新型電力電子設(shè)備的引入，我國(guó)電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度不斷增加，電力系統(tǒng)的短路電流、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出，負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果的影響已變得不容忽視。在“東北-華北交流聯(lián)網(wǎng)”等多項(xiàng)工程項(xiàng)目的研究中，負(fù)荷模型和參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真計(jì)算結(jié)果的影響變得非常突出，影響了仿真計(jì)算結(jié)果的可信度，給決策方案的取舍帶來(lái)了困難，也因此受到了廣泛重視。為了解決這一問(wèn)題，必須研究適應(yīng)于我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際的負(fù)荷模型和建模方法?！　?.2電力負(fù)荷建模的基本方法　　目前，電力負(fù)荷建模方法可以歸納為三類(lèi)：統(tǒng)計(jì)綜合法、總體測(cè)辨法和故障擬合法。在過(guò)去的20年中，電力負(fù)荷建模技術(shù)基本上是沿著統(tǒng)計(jì)綜合法和總體測(cè)辨法這兩條道路不斷發(fā)展和完善的，并已分別取得許多可喜成果。在實(shí)際工程中則更多地采用故障擬合法?！　EEE和CIGRE設(shè)有負(fù)荷建模研究的專(zhuān)門(mén)小組，發(fā)達(dá)國(guó)家的電力公司幾乎都在負(fù)荷建模研究方面做了大量工作。北美主要使用的負(fù)荷建模軟件包，是在美國(guó)電力研究院委托美國(guó)得克薩斯州大學(xué)和美國(guó)通用電氣公司所作的大量統(tǒng)計(jì)負(fù)荷組成基礎(chǔ)上，用統(tǒng)計(jì)綜合法形成的軟件包。它的結(jié)果并不精確，但經(jīng)過(guò)電力公司在實(shí)際運(yùn)行中不斷修正，現(xiàn)在每個(gè)電網(wǎng)基本形成了自己的負(fù)荷靜特性模型，同時(shí)仍在實(shí)際運(yùn)行中不斷修正，力求更加符合實(shí)際。澳大利亞采用了總體測(cè)辨法（主要靠在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)）來(lái)建立負(fù)荷模型［1］?？傊?，國(guó)際上許多電力公司都在開(kāi)展這方面的研究，力求采用基本符合自己電網(wǎng)實(shí)際的負(fù)荷模型。　　多年來(lái)，我國(guó)各大區(qū)電網(wǎng)在電力系統(tǒng)分析計(jì)算時(shí)，負(fù)荷模型的選取通常按照一定的經(jīng)驗(yàn)選定某種常見(jiàn)的負(fù)荷模型（如ZIP模型、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+恒定阻抗模型等），并定性地確定模型參數(shù)，然后通過(guò)對(duì)本網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的典型事故的模擬計(jì)算，不斷地對(duì)負(fù)荷模型進(jìn)行修正。隨著我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜，電壓等級(jí)越來(lái)越高，各元件之間的電氣距離越來(lái)越小，負(fù)荷對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重大影響。因此，按照經(jīng)驗(yàn)確定負(fù)荷模型的方法已不能滿足要求。另外，由于負(fù)荷特性與地區(qū)的氣候、資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和生活水平等有關(guān)，造成了不同地區(qū)之間負(fù)荷模型及參數(shù)的差異性。因此，現(xiàn)有的負(fù)荷模型和參數(shù)很難準(zhǔn)確描述負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性，負(fù)荷模型已經(jīng)成為提高電力系統(tǒng)仿真準(zhǔn)確度的瓶頸?！　?）統(tǒng)計(jì)綜合法［2］　　統(tǒng)計(jì)綜合法首先通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到各種典型負(fù)荷元件（如熒光燈、家用電子設(shè)備、工業(yè)電動(dòng)機(jī)、空調(diào)負(fù)荷等）的數(shù)學(xué)模型，然后在一些負(fù)荷點(diǎn)上統(tǒng)計(jì)某些典型時(shí)刻（如冬季峰值負(fù)荷、夏季峰值負(fù)荷等）各種負(fù)荷的組成，即每種典型負(fù)荷所占的百分比，以及配電線路和變壓器的數(shù)據(jù)，最后綜合這些數(shù)據(jù)得出該負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷模型。美國(guó)EPRI的LOADSYN軟件為其中的代表?！　?）總體測(cè)辨法［3～9］　　20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著系統(tǒng)辨識(shí)理論的日趨豐富與完善，加之計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的發(fā)展，一種新的負(fù)荷建模方法——總體測(cè)辨法以其簡(jiǎn)單、實(shí)用、數(shù)據(jù)直接來(lái)源于實(shí)際系統(tǒng)等多種優(yōu)點(diǎn)受到電力負(fù)荷建模工作者的關(guān)注。該方法的基本思想是將綜合負(fù)荷作為一個(gè)整體，先從現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)辨識(shí)負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最后，用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的外推、內(nèi)插的效果?！　?）故障擬合法　　長(zhǎng)期以來(lái)，在工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的是基于故障擬合的負(fù)荷模型建模方法。通常的做法是：參照一定的經(jīng)驗(yàn)（如負(fù)荷的基本構(gòu)成、系統(tǒng)的運(yùn)行特性等）首先選定某種常見(jiàn)的模型，并定性地選定模型中的參數(shù)，隨后通過(guò)對(duì)典型故障的錄波數(shù)據(jù)或?qū)ｉT(mén)的擾動(dòng)試驗(yàn)得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線進(jìn)行仿真對(duì)比分析，在保證系統(tǒng)其他動(dòng)態(tài)元件的模型和參數(shù)基本準(zhǔn)確的條件下，不斷調(diào)整負(fù)荷模型和參數(shù)，使仿真結(jié)果盡量接近系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而得到適用于實(shí)際電網(wǎng)的負(fù)荷模型和參數(shù)。　　美國(guó)西部系統(tǒng)協(xié)調(diào)委員會(huì)在對(duì)1996年8月美國(guó)西部電力系統(tǒng)大面積停電事故的仿真分析的基礎(chǔ)上，采用故障擬合法，提出了WSCC系統(tǒng)仿真計(jì)算中負(fù)荷模型的修改意見(jiàn)［10］?！　?yīng)該指出的是，故障擬合法是一種系統(tǒng)性的建模方法，并不針對(duì)具體的負(fù)荷元件或一個(gè)變電站的負(fù)荷進(jìn)行建模，主要根據(jù)系統(tǒng)受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)負(fù)荷的模型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以獲得較好的仿真精度。因此故障擬合法更適用于電力系統(tǒng)仿真模型參數(shù)驗(yàn)證與校核?！　?.3國(guó)內(nèi)外負(fù)荷建模技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀　　早在1935年就提出了確定電力系統(tǒng)負(fù)荷與電壓擾動(dòng)之間的關(guān)系要求。自此之后也發(fā)表了很多關(guān)于描述負(fù)荷與電壓和頻率關(guān)系的文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)［11］～［19］。這些文獻(xiàn)一致指出了負(fù)荷模型的合理描述對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要性?！　‰S著電力系統(tǒng)的發(fā)展，使用建立最“保守”的負(fù)荷特性的傳統(tǒng)負(fù)荷建模方法已經(jīng)不再適應(yīng)，尤其是在考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行工況更接近安全穩(wěn)定極限的情況下，需要建立更符合實(shí)際的負(fù)荷模型。　　20世紀(jì)60～70年代，由于數(shù)字電子計(jì)算機(jī)及控制理論的發(fā)展，電力系統(tǒng)這門(mén)工程學(xué)科煥發(fā)了新的活力。人們大量采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，與其他系統(tǒng)元件模型一樣，負(fù)荷建模工作有了一定的進(jìn)展，除提出了最常用的恒定阻抗、恒定電流和恒定功率負(fù)荷模型以外，還在計(jì)算中采用了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、多項(xiàng)式和冪函數(shù)等負(fù)荷模型。這些負(fù)荷模型參數(shù)的確定當(dāng)時(shí)主要靠定性估計(jì)，并輔以靜態(tài)函數(shù)擬合，系統(tǒng)辨識(shí)理論尚處在發(fā)展階段，還沒(méi)有廣泛引入到電力負(fù)荷建模中來(lái)?！　?0世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)EPRI一直致力于統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模的研究。早年的研究工作在加拿大和美國(guó)同時(shí)展開(kāi)，美國(guó)的得克薩斯州大學(xué)負(fù)責(zé)建模方法的研究，GE公司負(fù)責(zé)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)建模方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法是在實(shí)驗(yàn)室里確定每種典型負(fù)荷（如熒光燈、電冰箱、工業(yè)電動(dòng)機(jī)、空調(diào)等）的平均特性方程；然后在一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上統(tǒng)計(jì)一些特殊時(shí)刻（如夏季峰值負(fù)荷、冬季峰值負(fù)荷）負(fù)荷的組成，即每種典型負(fù)荷所占的百分比，以及配電線路和變壓器的數(shù)據(jù)，最后綜合這些數(shù)據(jù)得出該負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷模型。經(jīng)過(guò)多年的努力，發(fā)表了許多研究報(bào)告［2，20，21］，并且開(kāi)發(fā)了到目前為止統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模中最具影響的軟件包EPRILOADSYN。該軟件使用時(shí)需提供三種數(shù)據(jù)：負(fù)荷組成，即各類(lèi)負(fù)荷（民用、商業(yè)、工業(yè)等）在總負(fù)荷中所占的百分比；各類(lèi)負(fù)荷中各用電設(shè)備（熒光燈、電動(dòng)機(jī)、空調(diào)等）所占比例；各用電設(shè)備的平均特性。但由使用者必須提供的只有第一種數(shù)據(jù)，后兩種數(shù)據(jù)可以采用軟件包提供的典型值。這給軟件包的使用者提供了一定的方便?！　EEE負(fù)荷建模工作組自1982年成立以來(lái)，對(duì)歸納總結(jié)負(fù)荷建模的研究成果和指導(dǎo)負(fù)荷建模的研究發(fā)揮了重要作用。IEEE1993年的報(bào)告［11］統(tǒng)一了負(fù)荷建模中的許多術(shù)語(yǔ)和定義，總結(jié)了不同類(lèi)型負(fù)荷、不同分析目的的負(fù)荷模型的構(gòu)造技巧和需要考慮的重要方面。1995年2月的報(bào)告［22］列出了許多有價(jià)值的負(fù)荷模型以及重要的文獻(xiàn)和著作，以期望推動(dòng)負(fù)荷建模的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也作為負(fù)荷建模標(biāo)準(zhǔn)化的補(bǔ)充。1995年8月的報(bào)告［23］推薦了用于電力系統(tǒng)潮流計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真的標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)荷模型?！　?0世紀(jì)80年代前后，隨著系統(tǒng)辨識(shí)理論的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種新的負(fù)荷建模方法——總體測(cè)辨法。該方法的基本思想是將負(fù)荷群作為一個(gè)整體，首先采集現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的人工擾動(dòng)試驗(yàn)或系統(tǒng)隨機(jī)擾動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后用現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)辨識(shí)負(fù)荷站點(diǎn)的總體負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最后用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所辨識(shí)的負(fù)荷模型進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)和辨識(shí)確定負(fù)荷有功功率和無(wú)功功率與電壓和頻率之間的關(guān)系表達(dá)式?！　　?/pre>








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