天津電網負荷模型及適應參數

黃志剛，鄭衛洪

（天津電力調度通信中心，天津 300010）

隨著對電網安全要求的日益增高，電網仿真計算結果的準確性問題愈來愈得到關注。在東北—華北聯網及后續的三華電網聯網工程調試中電網調度部門及相關研究單位發現在具有較詳細的發電機模型和電網模型的基礎上進行的仿真計算結果仍然與電網運行實際存在較大差距，經研究發現導致這種差距的重要原因之一就是電網的負荷模型不夠完善。為了進一步提高電網仿真精度，探索與電網實際發展相一致的負荷模型和建模方法已成為亟待解決的問題。

1 負荷模型對電網仿真計算的影響

電力系統仿真計算通常包括電力系統模型的建立、模擬過程計算和計算結果梳理顯示3大部分組成。電力系統模型的建立是整個仿真計算的基礎。電力系統模型的建立又是由發電機及其勵磁，調速系統模型的建立，電網模型的建立和負荷模型的建立3部分組成。因此負荷模型建立的恰當與否往往對電力系統仿真計算結果產生重要影響，有時甚至是質的結論性的影響[1-3]。

1.1 負荷模型對潮流計算的影響

仿真計算實踐表明，當電網運行條件良好時，節點電壓運行于額定值附近，采用恒定功率負荷模型的潮流計算一般不存在收斂問題。但對于運行條件惡化的電網，例如故障后斷開線路或切除發電機組等，系統電壓偏離額定值較大時，采用恒定功率負荷模型的潮流計算則存在收斂問題，而采用考慮實際負荷功率隨電壓變化的負荷模型（例如，冪函數等模型）時，潮流計算的收斂性就可以得到改善[4]。

筆者查閱發現IEEE負荷建模工作組1988年對北美電力系統85個企業的調查結果也有同樣的結論[4]。

1.2 對暫態穩定計算的影響

以前筆者在實踐中曾試圖尋找一種“全面保守”的負荷模型以確保系統的安全運行，但經研究發現實際上由于電力系統的復雜性，同一種負荷特性處于系統的不同地點和在不同的故障條件下對系統穩定的影響不同，很難找到一個負荷模型使得系統的分析結果總是偏于“保守”。例如假設實際負荷特性為恒電流，其功率隨電壓幅值變化，而采用恒阻抗來表示時，則負荷功率隨電壓的平方變化，當負荷點位于加速的發電機附近，得到的分析結果偏于“保守”，因為恒阻抗模型加劇了發電和功率消耗的不平衡；若負荷位于減速的發電機附近，則得到的分析結果偏于“樂觀”。相反，用恒功率模型表示恒電流特性時，若負荷位于加速的發電機附近，得到的分析結果偏于“樂觀”；若負荷位于減速的發電機附近，得到的分析結果則偏于“保守”。

在國外也有類似情況，例如在研究加拿大安大略西北部一個局部系統從互聯大系統解列后的動態行為時，人們發現采用靜態負荷模型和采用動態模型的計算結果相差甚遠[5]。

1.3 對電壓穩定計算的影響

電壓穩定的計算與電力系統其他的定量計算相比較，對負荷模型的依賴程度更強。以1983年瑞典電壓崩潰事故為例，按當時的簡單的靜態模型根本無法解釋電壓崩潰現象的出現，而后經采用計及感應電動機、照明、冰箱、空調等用電設備特性的比較詳細的負荷模型時才得以仿真整個電壓崩潰的過程[6]。

除上述方面外，負荷模型還對系統的小干擾穩定計算等其他方面產生影響。

2 綜合負荷模型（SLM）框架

目前常見的負荷模型有ZIP負荷模型、指數負荷模型、靜態頻率特性組合模型、感應電動機模型、D.J.Hill負荷恢復模型以及相關的變種和組合等。筆者認為電網負荷模型的建立必須以電網運行實際為基礎，且經過較好的實際檢驗。中國電力科學研究院曾提出一種考慮配電網絡的綜合負荷模型（SLM）框架（見圖1），在對東北電網2004年和2005年所做的4次三相短路試驗進行的仿真中使用，并取得了較好的仿真計算效果[7]。

圖1 綜合負荷模型（SLM）框架

綜合負荷模型（SLM）框架本身具有如下特點：

1）靜態負荷和電動機負荷都可以考慮配電系統阻抗的影響；

2）模擬了配電系統的無功補償；

3）可以方便地考慮配電系統的小機組；

4）通過引入負荷功率因數，可使靜態無功負荷不會出現負的恒定電流和恒定功率。

結合以上特點，筆者認為采用綜合負荷模型（SLM）框架來構建天津電網的負荷模型是較為適宜的。

綜合負荷模型（SLM）目前沒有被廣泛使用，主要原因是：

1）需要的模型參數較多；

2）各個不同地區的負荷特性本身差別較大，給使用統一參數帶來困難。

3 天津電網負荷模型的具體表述

在綜合負荷模型（SLM）框架下對天津電網的負荷模型進行具體描述如下：

1）依據LOADSYN的基本思想負荷模型對符合模型的表述，見圖2。對任一配電網絡，不同類型的負荷通過饋線和變壓器在節點A處與系統相連。每個負荷元件都含有一套靜態和動態參數。所有本級的負荷元件（含配電網絡無功補償）按并聯考慮，下一級負荷則以遞推形式表述。采用統計方法形成各級節點的負荷特性參數，經轉化為指定格式的負荷模型參數后，則遞歸的求出整個負荷參數。

圖2 LOADSYN負荷模型圖

2）對靜態負荷模型按如下考慮。

式中，Pa1為有功功率中與頻率相關部分負荷占有功功率的比例；KPV1為有功的頻率相關部分的電壓指數；KPV2為有功的頻率無關部分的電壓指數；KPF1為有功負荷的頻率靈敏系數；△f為頻率與額定值的偏差，標么值；V為節點電壓；V0為節點電壓初值；P0為節點有功負荷初值。

進一步可將靜態負荷模型轉換為由恒功率、恒電流、恒阻抗組成的表達形式

式中，LDP和LDQ為頻率因子。

3）對感應電動機按如圖3考慮。

圖3 感應電動機模型圖

4）對配電網的等值電抗的考慮。由于天津電網調度管理較為到位，天津電力調度中心和天津地區各個基層調度單位具有較為完備的配電網的等值電抗數據，可以直接使用。

4 天津電網負荷模型參數的形成

對于負荷模型的參數擬合是負荷模型能否實際適用的關鍵。天津電網到目前為止一直安全穩定運行，沒有發生大的穩定破壞事故，沒有十分典型的可供進行參數擬合的故障錄波數據。又由于天津電網處于華北電網的核心區域，負荷性質重要，進行大的系統性的擾動試驗將帶來極大的系統運行風險，還有可能造成較大的經濟、社會影響，因此也是不宜采取的。綜上，筆者認為統計綜合法是獲得天津電網負荷模型參數的較為可行的方法。

統計綜合法首先通過試驗和數學推導得到各種典型負荷元件（如：熒光燈、家用電子設備、工業電動機、空調負荷等）的數學模型，然后在一些負荷點上統計某些特殊時刻（如冬季峰值負荷、夏季峰值負荷等）各種負荷的組成，即每種典型負荷所占的比例，以及配電線路和變壓器的數據，最后綜合這些數據得出該負荷點的負荷模型。統計綜合法的特點是技術成熟，具有商業化軟件支持，統計調查不依賴現場試驗，但需要動用較大的人力進行調查。

2007年國家電網公司啟動了深化研究電網負荷模型及其參數工作。在華北電網有限公司、天津市電力公司的支持下，筆者有幸組織天津電網調度系統人員和營銷系統人員對2007年8月15日10：00和2008年1月15日10:00 2個典型時刻的天津電網的實際負荷進行了調研；調研的地域包括中心市區、環城地區、濱海地區及農村地區；電壓等級從220 kV到居民的220 V民用電；調研的廠站包括3個220 kV專用變電站，4個220 kV公用變電站及其下屬的34座110 kV、35 kV變電站；涉及35 kV及以上主變110余臺，10 kV及以上線路600余條；并走訪了大量的各類電力用戶實地了解負荷情況。

根據調研的實際情況，天津地區的負荷大致可以分為居民負荷、商業負荷、工業負荷、農業負荷4個基本類別。其中居民負荷大致可以分為供暖負荷、制冷負荷、一般家電負荷、照明負荷等。商業負荷是一種比較復雜的負荷，本次研究中我們按照建筑形式分為商店、旅館、倉庫等，對工業負荷分為生產加工、制造、采礦、食品、煙草、紡織、木材加工、家具、造紙、印刷、化學、石油化工等。

對統計結果利用式（4）、式（5）進行處理，以確定負荷的靜態特性。

如果含馬達則調研出馬達功率占整個負荷功率的比例，擬合出定子電阻Rs、定子電抗Xs、激磁電抗Xm、轉子電阻Rr、轉子電抗Xr、低壓釋放電壓Vi、低壓釋放延遲Ti、機械轉矩系數A和B、慣性時間常數Tj和負載率LFm等。

5 實例研究

以鄱陽路220 kV站為例，進行研究和對比。依據本次研究形成的工業220 kV站參數結果如表1、表2。

采用如圖4所示的等值網絡。

表1 馬達參數

表2 靜態負荷構成

圖4 鄱陽路站系統負荷模型圖

采用單機無窮大系統模式向鄱陽路220 kV變電站送電，同桿并架線路送端發生三相故障，0.2 s切除模擬，對比實際的詳細的未等值的系統（原系統）、采用天津電網負荷模型及參數系統（SLM等值模型）及華北電網常規穩定計算模型，對電壓、有功、無功的結果如圖5、圖6、圖7所示。

仿真計算結果表明依本文方法獲得的天津電網負荷模型及參數系統比華北電網常規使用的模型及參數系統更加負荷天津電網實際。

圖5 鄱陽路110 kV電壓圖

圖6 鄱陽路110 kV有功圖

圖7 鄱陽路110 kV無功圖

對以居民、商業、農業為典型負荷的220 kV站的仿真計算結果，也都依本文方法獲得的天津電網負荷模型及參數系統更加負荷天津電網實際，這里因篇幅所限不再列舉。

6 推廣與應用

根據本次研究出的負荷模型及其參數，天津電力調度通信中心對天津電網內所有220 kV站進行了歸類。依據歸類結果在穩定計算中使用本次研究出的相應的負荷模型及其參數系統，取得了較好的仿真效果。檢驗出了柳曹I、II線在單套全線快速保護檢修條件下，I段距離保護范圍外（距楊柳青站線路全長70豫處）發生三相永久故障，II段距離保護經0.5 s延時切除故障，楊柳青電廠機組失穩的安全隱患[8]。經天津電力調度通信中心提出，天津市電力公司已經對該線路已加裝了雙套全線快速保護，消除了安全隱患。

現《天津電網負荷模型及適應參數研究》項目已獲得天津市電力公司科技成果進步獎，本文所提出的天津電網負荷模型及適應參數正在天津電網穩定計算中推廣應用。

[1]貝宇，駱正義，李如琦，等.桂林電網中短期負荷預測系統[J].南方電網技術，2009，3（3）:64-66.

[2]阮仁俊，劉天琪，吳安平，等.基于SCGM（1，1）的三種負荷預測模型及其組合[J].南方電網技術，2009，3（3）:49-53.

[3]李鵬.等微增率準則在機組負荷優化分配中的應用條件[J].南方電網技術，2008，2（5）:43-46.

[4]PRICEWW.Load Representation for Dynamic Performance Analysis[J].IEEE Trans on Power Systems，1993，8（2）:472-482.

[5]V E.Dynamic Load Modeling in Large Scale Stability Studies[J].IEEE Trans,on Power Systems，1988，3（3）:1039-1045.

[6]POPOVIC D，HISKENS I A,HILL D J.Investigations of Load-Tap Change Interaction[J].Electrical Power&Energy Systems,1996,18（2）:81-97.

[7]張紅斌，湯涌，張東霞，等.考慮配電網絡的感應電動機負荷模型聚合方法研究[J].中國電機工程學報，2006，26（24）：1-4.

[8]黃志剛.2008年天津電網運行方式分析報告[R].天津：天津電力調度通信中心，2007.