一種適用于大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)擬合方法

王吉利，柯賢波，李卓然，李威，霍超，程林，張正利

（1.國家電網(wǎng)公司西北分部，陜西西安 710048；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；3.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京 211100）

一種適用于大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)擬合方法

王吉利1，柯賢波1，李卓然2，李威3，霍超1，程林1，張正利2

（1.國家電網(wǎng)公司西北分部，陜西西安 710048；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；3.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京 211100）

電力負(fù)荷模型是電力系統(tǒng)分析計(jì)算的基礎(chǔ)，模型參數(shù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析結(jié)果的可靠性?；诂F(xiàn)代大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模過于龐大、傳統(tǒng)建模方法用于實(shí)際工作時仍存在很多問題，提出了一種針對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)的擬合方法。統(tǒng)計(jì)大電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷特性，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)或負(fù)荷手冊的推薦參數(shù)初步估計(jì)其負(fù)荷參數(shù)。將大電網(wǎng)按照管理和結(jié)構(gòu)特征，劃分為若干較小區(qū)域，調(diào)節(jié)每個小區(qū)域中負(fù)荷模型的某些重點(diǎn)參數(shù)并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到重點(diǎn)參數(shù)對全網(wǎng)仿真結(jié)論影響的靈敏度。根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的錄波場景，分區(qū)調(diào)節(jié)負(fù)荷的重點(diǎn)參數(shù)，使得最終的仿真擬合效果滿足一定的精度要求，得到適用的負(fù)荷模型參數(shù)。采用實(shí)際的電網(wǎng)擾動場景驗(yàn)證了該方法的正確性與實(shí)用性。

大區(qū)域；互聯(lián)電網(wǎng)；綜合統(tǒng)計(jì)法；故障仿真法；負(fù)荷參數(shù)分區(qū)調(diào)整

大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)占地廣闊，電力元件眾多，負(fù)荷量巨大。因此，對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真分析，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論意義和實(shí)際工程價值[1-3]。

理論上，為了對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真分析，需要對各個電力元件進(jìn)行精確的建模。對于發(fā)電機(jī)、變壓器、FACTS設(shè)備等數(shù)量有限的元件而言，建模工作相對容易。但負(fù)荷是由成千上萬個用電設(shè)備所組成的，各類用電設(shè)備的特性又不相同。因此，對于數(shù)量龐大的負(fù)荷設(shè)備，其建模工作非常困難。當(dāng)然，若全網(wǎng)采用一種模型參數(shù)，也與實(shí)際的負(fù)荷分布存在較大誤差。因此，工程上可以根據(jù)負(fù)荷的特點(diǎn)，總體分為幾類較合適。

在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算和分析時，既無必要、也不可能對所有用電設(shè)備都逐個加以精確地建模。人們所關(guān)心的是負(fù)荷群對外部系統(tǒng)所呈現(xiàn)的總體特性。因此，需要建立一組“總體”的負(fù)荷模型。這個模型應(yīng)能代表某個地區(qū)（變電所）負(fù)荷群的總體外部特性。

實(shí)際工程中，甚至希望負(fù)荷實(shí)用模型與其未知的精確模型間存在稍許誤差，從而可以覆蓋電力系統(tǒng)中存在一些不確定因素，使得最終的仿真結(jié)果與電網(wǎng)實(shí)際更吻合，即一種通過電網(wǎng)實(shí)際錄波場景進(jìn)行仿真擬合的模型。然而，對于大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)而言，該項(xiàng)工作非常復(fù)雜，難以實(shí)施。

因而，本文提出了一種針對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)的擬合方法。統(tǒng)計(jì)大電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷特性，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)或負(fù)荷手冊的推薦參數(shù)初步估計(jì)其負(fù)荷參數(shù)。將大電網(wǎng)按照管理和結(jié)構(gòu)特征，劃分為若干較小區(qū)域，調(diào)節(jié)每個小區(qū)域中負(fù)荷模型的某些重點(diǎn)參數(shù)并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到重點(diǎn)參數(shù)對全網(wǎng)仿真結(jié)論影響的靈敏度。根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的錄波場景，調(diào)節(jié)負(fù)荷的重點(diǎn)參數(shù)，使得最終的仿真擬合效果滿足一定的精度要求，并最終得到全網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)[4-5]。通過基于實(shí)際錄波場景的仿真算例進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 負(fù)荷建模的方法

目前電力負(fù)荷建模方法可以歸納為3類：第一類是統(tǒng)計(jì)綜合法；第二類是總體測辨法；第三類是故障仿真法。統(tǒng)計(jì)綜合法的基本思想是將負(fù)荷看成個別用戶的集合，首先將這些用戶的電器分類，并確定各種類型電器的平均特性；其次統(tǒng)計(jì)出各類電器所占的比重，最后綜合得出總體的負(fù)荷模型?？傮w測辨法的基本思想是將負(fù)荷群體看作一個整體，首先從現(xiàn)場采集測量數(shù)據(jù)；其次確定負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)；最后根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)辨識出模型參數(shù)[6-8]。故障仿真法主要步驟是：對于負(fù)荷模型的未知參數(shù)先采用典型參數(shù)，仿真實(shí)際系統(tǒng)事故；將仿真輸出曲線與實(shí)際曲線進(jìn)行對比，分析誤差；作參數(shù)敏感度的分析，進(jìn)行參數(shù)修正，直到仿真輸出能夠最好地?cái)M合實(shí)際曲線。

故障仿真法的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)確定過程與現(xiàn)在程序計(jì)算時選擇參數(shù)的過程一致，而且在某些故障下能獲得重現(xiàn)[9-10]。但實(shí)際上這是一種試湊的方法，在某些故障下的負(fù)荷參數(shù)是否適用于其他故障難以保證，而且認(rèn)為全系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù)統(tǒng)一相同、恒定不變顯然不符合負(fù)荷的實(shí)質(zhì)。

綜上所述，統(tǒng)計(jì)綜合法比較適合于宏觀定性，總體測辨法比較適合于微觀定量，故障仿真法比較適合于最終校驗(yàn)，單一地采用某一種方法都是困難或者不妥的。為此，本項(xiàng)目采用了一種綜合建模方法，即結(jié)合了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)綜合法和故障仿真法，并根據(jù)其在大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)中的應(yīng)用提出了新的實(shí)施方案。

2 大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)荷模型參數(shù)擬合方法

2.1 方法的原理概述

大區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模過于龐大，不同地區(qū)的負(fù)荷特性是不一樣的，因此對電網(wǎng)的分析計(jì)算可采用不同的分地區(qū)負(fù)荷模型。地區(qū)的劃分，可依照實(shí)際的行政區(qū)域劃分，也可以按照相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性劃分。另外，負(fù)荷模型的參數(shù)眾多，他們對電網(wǎng)的影響程度是不一樣的，因此從工程角度而言，需要確定若干重點(diǎn)參數(shù)，進(jìn)行下一步的參數(shù)擬合。

本文中的負(fù)荷模型均采用如圖1所示CLM模型，即將綜合負(fù)荷模型（由等值靜態(tài)負(fù)荷和等值電動機(jī)并聯(lián)組成）直接接在110 kV母線上。SLM模型中共有12個參數(shù)待定。通過靈敏度分析，確定電動機(jī)定子電抗X1、電動機(jī)初始負(fù)載率KL和負(fù)荷電動機(jī)比例PMP為重點(diǎn)辨識和擬合參數(shù)，其余參數(shù)通過綜合統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)給出[6]。大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)擬合整體架構(gòu)如圖2所示。

圖1 CLM模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure of CLM

1）首先，根據(jù)負(fù)荷建模的統(tǒng)計(jì)綜合法，將負(fù)荷看成個別用戶的集合，并將這些用戶的電器分類（一般可分為工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷和農(nóng)業(yè)負(fù)荷等），確定各種類型負(fù)荷的平均特性。其次需統(tǒng)計(jì)出區(qū)域內(nèi)各變電站不同類型負(fù)荷所占的比重，最終按所占比重最多的負(fù)荷類型將變電站分類。

圖2 適用于大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)擬合方法框圖Fig.2 Block diagram of parameters fitting the load model of the large-scale interconnected power grid

2）由負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)特性結(jié)果，根據(jù)過往的經(jīng)驗(yàn)或查詢相應(yīng)的技術(shù)手冊，確定各類負(fù)荷的初始參數(shù)，并作為待擬合的負(fù)荷模型參數(shù)（即初始負(fù)載率、感應(yīng)電動機(jī)比例和定子電抗）的初值。與此同時，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，考慮包容各種不確定因素后，得到相應(yīng)的極端情況下的運(yùn)行方式，作為典型運(yùn)行方式。再由負(fù)荷模型的初始參數(shù)及其他元件的參數(shù)，得到典型運(yùn)行方式下的仿真算例。對典型運(yùn)行方式下的仿真算例進(jìn)行分析，分析過程為：將劃分好的各區(qū)域與3個參數(shù)隨機(jī)組合，計(jì)算各組合中參數(shù)取不同值對典型觀測量的影響（如A、B兩區(qū)域的PMP分別取10%、15%、20%3個參數(shù)進(jìn)行仿真，記錄其對典型觀測量的影響。），從而得到一個包括地區(qū)劃分、參數(shù)和典型觀測量的三維電力負(fù)荷參數(shù)靈敏度排序表。

3）由分布式的量測設(shè)備，記錄下電網(wǎng)發(fā)生故障時實(shí)際動態(tài)過程的錄波場景。并基于實(shí)際的錄波場景，得到相應(yīng)的基于實(shí)際場景的仿真算例。

4）針對電網(wǎng)實(shí)際故障場景，根據(jù)得到的三維電力負(fù)荷參數(shù)靈敏度排序表進(jìn)行仿真擬合，以調(diào)節(jié)負(fù)荷參數(shù)到更合適的值。

2.2 負(fù)荷參數(shù)分區(qū)調(diào)整對仿真的影響

根據(jù)電網(wǎng)的典型算例，以負(fù)荷模型初始參數(shù)為基準(zhǔn)并分區(qū)地改變參數(shù)，研究參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響?？傻玫揭粋€三維表，第一維是地區(qū)劃分（包括地區(qū)組合），第二維是參數(shù)（包括參數(shù)組合），第三維是典型觀測量。表格的內(nèi)容是典型觀測量的變化幅度，可用最小二乘擬合誤差表示：

式中：N為數(shù)據(jù)的長度；Pi為變化后的觀測量；為原始的觀測量。

觀測量可選擇故障點(diǎn)附近聯(lián)絡(luò)線的有功、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓或者送端容量較大的發(fā)電機(jī)功角等。收斂精度的選擇需要視具體情況以及負(fù)荷模型的精度要求而定。

根據(jù)不同觀測量的需求，以一個觀測量或多個觀測量的組合為目標(biāo)，重新制定一系列排序表，即負(fù)荷參數(shù)靈敏度排序表。該表的內(nèi)容為三維表的相關(guān)內(nèi)容的加權(quán)組合。

式（2）表示參數(shù)改變后，仿真的誤差與m個地區(qū)，n個參數(shù)，k個觀測量相關(guān)。

式（3）表示Fi是關(guān)于第i個觀測量的一個排序函數(shù)。

2.3 仿真擬合

對基于實(shí)際場景的仿真算例，施加與實(shí)際相對應(yīng)的擾動，其輸出結(jié)果與實(shí)際錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。對于多個觀測量而言，如果輸出誤差都小于設(shè)定值，則當(dāng)前的負(fù)荷參數(shù)即是期望的值；否則將偏差的觀測量及其偏差輸入到靈敏度排序表。根據(jù)靈敏度排序表，調(diào)整參數(shù)值，然后再用于基于實(shí)際錄波場景的仿真算例計(jì)算，并繼續(xù)判斷與實(shí)際錄波場景的誤差，直到誤差小于設(shè)定值，并結(jié)束迭代過程。其中迭代過程如圖3所示。

圖3 仿真擬合及參數(shù)調(diào)整流程圖Fig.3 Flow chart of the simulation fitting and parameter adjustment

3 算例分析

西北電網(wǎng)覆蓋了西北五省區(qū)，電網(wǎng)規(guī)?？焖侔l(fā)展，隨著與新疆聯(lián)網(wǎng)、750 kV同步交流電網(wǎng)、跨區(qū)直流輸電等建設(shè)，電網(wǎng)運(yùn)行邊界條件發(fā)生深刻變化。負(fù)荷增長迅速，其中高耗能負(fù)荷占比很高。此外，風(fēng)電、光伏裝機(jī)速度很快。因此，迫切需要對西北電網(wǎng)展開深入的仿真研究，而負(fù)荷模型的適用性是其中的關(guān)鍵問題。

3.1 假定故障錄波場景算例

2014年夏季大負(fù)荷方式下，仿真敦煌到酒泉的單回線三相永久故障，作為假定的故障錄波場景。

根據(jù)2.3節(jié)所提大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷模型參數(shù)擬合流程，對負(fù)荷參數(shù)設(shè)定了初始值，并進(jìn)行了仿真擬合。最終的擬合結(jié)果是：新疆地區(qū)的定子電抗比設(shè)定初值減小了28%左右，甘肅的電動機(jī)比例比設(shè)定初值增加了37%左右，甘肅青海定子電抗比初始設(shè)定值增加了17%左右，全網(wǎng)電動機(jī)初始負(fù)載率比初始設(shè)定值增加了0.14左右。

分別采用負(fù)荷模型的假定真實(shí)參數(shù)、擬合前初始參數(shù)、擬合后模型參數(shù)的仿真曲線如圖4所示。由圖4可見，采用擬合后參數(shù)的仿真曲線與模擬實(shí)測曲線擬合度更好，驗(yàn)證了本文所提出參數(shù)分區(qū)擬合方法的可行性與正確性。

3.2 實(shí)際故障錄波場景算例

2014年1月16日，天山換流站在進(jìn)行極II高端大負(fù)荷試驗(yàn)過程中，天中直流金屬回線轉(zhuǎn)大地回線時，直流極II高端閉鎖，閉鎖前直流單極功率2 030 MW。故障發(fā)生后，PMU記錄了哈密、敦煌、沙洲、酒泉、天山等站點(diǎn)附近的動態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷水流程，對負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行了仿真擬合，哈密站近區(qū)母線電壓和線路有功隨時間相應(yīng)曲線如圖5—圖8所示。

圖4 負(fù)荷參數(shù)擬合的仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of simulation results of load parameter fitting

圖5 不同初始負(fù)載率的擬合曲線Fig.5 Simulation curves with different initial KL

由于初始潮流調(diào)節(jié)存在一定偏差，因此仿真曲線的前穩(wěn)態(tài)與后穩(wěn)態(tài)見都存在一定的偏差。通過實(shí)際仿真算例可知：

1）通過本文提出的基于靈敏度排序的大電網(wǎng)負(fù)荷模型自動擬合法在工程上是可行的。

2）通過改變負(fù)荷參數(shù)，可以改變大電網(wǎng)某些觀測量的仿真值，是它們與測量值總體擬合效果更好。

3）本算例中線路功率波動比實(shí)際功率波動大，說明實(shí)際阻尼更大。因此有些觀測量靠調(diào)節(jié)負(fù)荷參數(shù)來擬合，效果是不好的，需要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)等其他參數(shù)，這也是符合實(shí)際的。

圖6 不同初始電動機(jī)比例的擬合曲線Fig.6 Simulation curves with different initial PMP

圖7 不同初始負(fù)載率的擬合曲線Fig.7 Simulation curves with different initial X1

圖8 陜西、甘肅不同初始電動機(jī)比例的擬合曲線Fig.8 Simulation curves with different initial PMP in Shaanxi and Gansu

4 結(jié)語

本文針對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的負(fù)荷建模問題，提出了一種基于調(diào)查統(tǒng)計(jì)與仿真擬合相結(jié)合的方法，并提出了相應(yīng)的工程化、實(shí)用化的方案。通過對西北電網(wǎng)的仿真場景和實(shí)際錄波場景進(jìn)行擬合，驗(yàn)證了本文所提出方法的可行性與有效性。

由于實(shí)際發(fā)生的擾動相對較小，因此對實(shí)際的工程實(shí)施造成了困難。若適當(dāng)降低PMU裝置故障錄波的門檻值，可獲得更多的可用實(shí)際擬合場景。

針對某些特性靠改變負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行擬合效果不明顯，在下一步工作中需要同時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償器等參數(shù)進(jìn)行故障擬合。

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（編輯 董小兵）

Parameters Fitting of Load Model for Wide-Area Interconnected Power Grid

WANG Jili1，KE Xianbo1，LI Zhuoran2，LI Wei3，HUO Chao1，CHENG Lin1，ZHANG Zhengli2
（1.Northwest China Grid Company Limited，State Grid Corporation of China，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China；3.NARI Group Corporation，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

Power load model is the basis of power system analysis and calculation，and the accuracy of model parameters is related to the reliability of power system security and stability analysis results.Because the scale of the modern large interconnected power grid is too large，there are still many problems in the existing traditional modeling method in practice.To this end，this paper proposes a fitting method of load model parameters for large interconnected power network.Based on the statistics of the load characteristics of the large power grid，according to the previous engineering experience or the recommended parameters of the load manual，the load parameters are estimated.The large grid is divided into certain small areas according its management and structure features，and then some key parameters of the load model in each small area are adjusted，simulated and calculated to obtain the the sensitivity of the parameters affecting the simulation conclusion of the entire grid.According to the recorded scene of the power grid，the key load parameters are adjusted so that the final simulation results meet the requirements of a certain precision，and the suitable load model parameters are obtained.The correctness and practicability of the proposed method is verified by the actual power grid disturbance scenarios.

wide-area；interconnected network；synthetic statistical method；fault simulation method；load parameter adjustment by areas

2015-12-02。

王吉利（1981—），男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；

柯賢波（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制；

李卓然（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制。

國家自然科學(xué)基金（51137002，51377046）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2013CB228204）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51137002，51377046）；National Key Basic Research Development Program（Program 973）（2013CB228204）.

1674-3814（2016）05-0034-06

TM714

A