智能電網(wǎng)中實(shí)時負(fù)荷模型建立研究

鄭曉雨，鄭靜媛，王彥博

（1.國家電力調(diào)度控制中心，北京 100031；2.國網(wǎng)北京市電力公司 豐臺供電公司運(yùn)維檢修中心，北京 100161；3.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003）

0 引言

近年來，為適應(yīng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的快速推進(jìn)，提高智能電網(wǎng)預(yù)防和抵御事故的能力，電網(wǎng)實(shí)時仿真分析計(jì)算技術(shù)得到大力發(fā)展。此技術(shù)依靠電網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)和并行計(jì)算，能夠?qū)崟r分析當(dāng)前電網(wǎng)的風(fēng)險點(diǎn)和薄弱點(diǎn)，為調(diào)度人員預(yù)防事故發(fā)生提供強(qiáng)有力的支持。在實(shí)時仿真計(jì)算系統(tǒng)模型中，發(fā)電機(jī)、勵磁、調(diào)速等模型的參數(shù)大都經(jīng)過實(shí)測，唯有負(fù)荷模型一直采用不隨時間變化的靜態(tài)或動態(tài)模型，將一成不變的負(fù)荷模型用在反映實(shí)時變化的實(shí)時仿真計(jì)算當(dāng)中必然會對結(jié)果精度造成影響。在負(fù)荷建模方面，目前廣泛采用的建模方法主要有實(shí)測建模法和統(tǒng)計(jì)綜合法兩種。實(shí)測建模法通過在選取的典型負(fù)荷變電站安裝負(fù)荷記錄裝置，并對記錄到的擾動數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識來獲取本地區(qū)的負(fù)荷模型參數(shù)，這也是最常用的負(fù)荷建模方法。但此方法所用模型比較單一，而且必須記錄到大的擾動數(shù)據(jù)才能辨識出較為理想的負(fù)荷模型，隨著以后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)和智能化的提高，能夠造成電網(wǎng)大的擾動的事故越來越少，而且實(shí)測建模法只能得到擾動當(dāng)時的負(fù)荷模型，無法獲取實(shí)時負(fù)荷特性，因此實(shí)測建模法在實(shí)時性方面有一定的缺陷。統(tǒng)計(jì)綜合法［1-4］通過統(tǒng)計(jì)各類負(fù)荷的構(gòu)成，并依據(jù)典型負(fù)荷的特性通過聚合的方法來獲取統(tǒng)計(jì)地區(qū)的負(fù)荷模型。統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模雖然具有思路清晰、便于理解等優(yōu)點(diǎn)，但由于此方法需要統(tǒng)計(jì)大量客戶側(cè)負(fù)荷的數(shù)量及運(yùn)行狀態(tài)，這在以往客戶側(cè)測量裝置匱乏的情況下是很難實(shí)現(xiàn)的，因此該方法很少被采用。

近年來隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，開放、互動的智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了客戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的互動，高效、智能的家居設(shè)備以及通信手段使得實(shí)時負(fù)荷狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)成為了現(xiàn)實(shí)。本文以智能電網(wǎng)為背景，提出了一種實(shí)時統(tǒng)計(jì)負(fù)荷建模方法，依托智能電網(wǎng)克服了原有實(shí)測建模法無法同時采集大量客戶側(cè)負(fù)荷特性數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)以及實(shí)測建模法無法建立實(shí)時負(fù)荷模型的弊端，為電網(wǎng)實(shí)時仿真計(jì)算的開展奠定了基礎(chǔ)。

1 智能電網(wǎng)的互動性優(yōu)勢

智能電網(wǎng)［5-7］與傳統(tǒng)電網(wǎng)的差別之一就是互動性［8］。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，在智能電網(wǎng)中客戶通過智能表計(jì)和智能家居來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、設(shè)備的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的互動。智能電表是智能電網(wǎng)中最重要的智能終端，它與傳統(tǒng)電能表有著本質(zhì)的區(qū)別。智能電表除了具有雙向計(jì)量的基本功能以外，還具有配網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、客戶能量管理、負(fù)荷遠(yuǎn)程控制、故障分析、電網(wǎng)與客戶雙向通信等功能。因此，通過智能電表可以進(jìn)一步獲取終端用電客戶的詳細(xì)用電信息，包括客戶內(nèi)部的智能用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、用電量、電能質(zhì)量等有利于電網(wǎng)運(yùn)行的信息，也正是有了智能電表，才使得客戶與電網(wǎng)的互動成為現(xiàn)實(shí)。文獻(xiàn)［8］指出電網(wǎng)的智能化需要電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)能夠精確地獲得客戶的用電特性和規(guī)律，以便對供應(yīng)和需求做出更合理的規(guī)劃。文獻(xiàn)［9］指出智能化的表計(jì)是我國智能電網(wǎng)的第一步，客戶調(diào)度是智能電網(wǎng)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)，并給出了智能調(diào)度的基本架構(gòu)，其中重要一點(diǎn)就是智能負(fù)荷控制。文獻(xiàn)［10］詳細(xì)闡述了智能電表的概念、功能及在各國的發(fā)展概況，在智能功能應(yīng)用中指出智能電表能夠采集水、氣、熱能消耗數(shù)據(jù)來進(jìn)行客戶電力負(fù)荷預(yù)測，為優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度提供便利。本文正是應(yīng)用智能電表能夠?qū)崟r采集并傳輸客戶設(shè)備信息的特性來進(jìn)行實(shí)時負(fù)荷建模的。

2 電網(wǎng)實(shí)時仿真

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)形態(tài)的快速變化以及新能源發(fā)電的大規(guī)模接入，迫切需要改變現(xiàn)有系統(tǒng)分析、計(jì)劃校核和調(diào)度運(yùn)行模式，推進(jìn)穩(wěn)定分析計(jì)算向更短周期、更加精細(xì)方向拓展，具有強(qiáng)自適應(yīng)能力的在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)，將成為提高智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的工具。文獻(xiàn)［5］指出智能調(diào)控中心在功能上應(yīng)該具備快速安全分析功能，必須推動安全穩(wěn)定分析的實(shí)時化和在線化。文獻(xiàn)［7］指出在智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢中，必須包含快速仿真決策技術(shù)，主要增加故障快速實(shí)時仿真，為調(diào)度人員提供輔助決策支持。文獻(xiàn)［8］指出面對未來的智能電網(wǎng)，智能調(diào)度是未來的發(fā)展趨勢，對智能調(diào)度應(yīng)具備的功能進(jìn)行了闡述，其中第一條就是系統(tǒng)快速仿真與模擬。

目前國家電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)大力發(fā)展在線實(shí)時安全穩(wěn)定分析，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)絕大部分省級及以上調(diào)度機(jī)構(gòu)都安裝了在線安全穩(wěn)定分析模塊，能夠同時具備靜態(tài)穩(wěn)定分析、靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、動態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、短路電流計(jì)算6個功能（見圖1），大大推進(jìn)了調(diào)控運(yùn)行的精細(xì)化管理［11-12］。

圖1 在線穩(wěn)定分析功能

3 實(shí)時負(fù)荷模型建立策略

在線穩(wěn)定分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、靜態(tài)模型及參數(shù)、動態(tài)模型及參數(shù)（計(jì)算所用故障集）等。在某一實(shí)時斷面，實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、靜態(tài)模型參數(shù)以及動態(tài)模型參數(shù)中的發(fā)電機(jī)勵磁、調(diào)速器等參數(shù)都是準(zhǔn)確的，而應(yīng)該實(shí)時變化的負(fù)荷模型參數(shù)卻被人為設(shè)置成典型參數(shù)，這在無形當(dāng)中降低了實(shí)時計(jì)算的精度。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的統(tǒng)計(jì)綜合法無法實(shí)時統(tǒng)計(jì)負(fù)荷的構(gòu)成，所以第一步需要選取典型負(fù)荷變電站，然后制作負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表格，由站內(nèi)人員填報典型負(fù)荷的比例［1-4］，再根據(jù)典型負(fù)荷自身模型，通過數(shù)學(xué)方法來獲取整個變電站負(fù)荷的模型，其流程如圖2所示。這樣做會產(chǎn)生很大的誤差，因?yàn)槭紫仁强窟x取一個典型區(qū)域變電站來代替其余區(qū)域的負(fù)荷特性，而各地區(qū)的負(fù)荷特性是不同的，所以會產(chǎn)生一定的誤差；其次，制作負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行人工填寫時有很大的隨意性，而且負(fù)荷是實(shí)時變化的，表格只能體現(xiàn)一個或幾個時間點(diǎn)的負(fù)荷構(gòu)成，無法提供實(shí)時的負(fù)荷構(gòu)成。

圖2 傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)綜合法建模流程

在智能電網(wǎng)中，智能電表的實(shí)時數(shù)據(jù)采集以及通信的快速傳輸，使得電網(wǎng)側(cè)很容易獲得負(fù)荷側(cè)詳細(xì)的負(fù)荷構(gòu)成，因此智能電網(wǎng)條件下統(tǒng)計(jì)負(fù)荷建模就可以簡化為以下步驟。

（1）通過智能電表實(shí)時獲取客戶側(cè)用電設(shè)備的狀態(tài)及功率消耗情況，如圖3所示。圖3中，1～n表示配網(wǎng)用戶負(fù)荷區(qū)域，在客戶負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，各類用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及功率消耗通過智能電表和高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸至電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)中心。

（2）電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)中心將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)下采集的所有負(fù)荷數(shù)據(jù)按照與典型負(fù)荷特性的相似性進(jìn)行歸類，獲取各類負(fù)荷的功率及其所占比例。

（3）根據(jù)所獲取的各類負(fù)荷的功率、占比以及各類負(fù)荷的典型模型和參數(shù)，通過疊加的方法就可以獲得所求主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷模型。這里的典型參數(shù)庫包含電網(wǎng)中主要負(fù)荷的模型及典型參數(shù)，可以是靜態(tài)模型，也可以是含感應(yīng)電動機(jī)的動態(tài)模型，如圖4所示。為了與傳統(tǒng)模型進(jìn)行比較，以框圖形式表示的建模過程如圖5所示。

圖3 智能電網(wǎng)中負(fù)荷數(shù)據(jù)實(shí)時采集與傳輸

通過圖2和圖5的比較可以看出，在智能電網(wǎng)中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模既簡單精度又高，而且最重要的是實(shí)現(xiàn)了實(shí)時負(fù)荷建模，適應(yīng)了電網(wǎng)實(shí)時分析的發(fā)展趨勢。

圖4 智能電網(wǎng)中實(shí)時負(fù)荷模型建立流程

圖5 智能電網(wǎng)中實(shí)時負(fù)荷模型建立框圖

4 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)特性變得越來越復(fù)雜，離線仿真已經(jīng)不能應(yīng)對電網(wǎng)方式快速變化給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的挑戰(zhàn)，而在線實(shí)時仿真因其實(shí)時、快速等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到運(yùn)行人員的關(guān)注。在實(shí)時仿真模型當(dāng)中負(fù)荷模型受傳統(tǒng)建模方法的限制，一直無法實(shí)時獲取，這也成為制約實(shí)時仿真精度提高的主要原因。在智能電網(wǎng)中電網(wǎng)的運(yùn)行模式發(fā)生了很大變化，電網(wǎng)與客戶之間的互動性得到了提升，這也為實(shí)時負(fù)荷模型的活動提供了契機(jī)。本文利用智能電網(wǎng)在客戶信息采集和信息傳輸方面的巨大優(yōu)勢，通過對原有的統(tǒng)計(jì)綜合法負(fù)荷建模進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新型的實(shí)時負(fù)荷模型建立方法，新方法的提出不僅有效簡化了建模流程，更提高了建模的實(shí)時性，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)真正意義上的實(shí)時仿真計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

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