CN104201674B - 一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型的建模方法，在现有的考虑配电网络的综合负荷模型中引入负荷开始大量切除时的临界电压、从电压降低到临界电压到负荷开始大量切除的时延、带有低压保护的负荷在总的负荷中的比例等特征参数，用来描述扰动中间负荷低电压释放的特性。该模型克服了传统动态负荷模型无法描述负荷低电压释放特性的缺点,提高了电力系统仿真计算的准确性与可信度。

Description

一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型建模方法。

背景技术

随着电力系统互联程度的提高，电网在故障下的动态特性变得越来越复杂,为了提高电网的安全性预防大停电事故的发生,在电网规划和运行中往往需要对电网在特定状态下的特性进行全面了解。因为一方面电网自身的要求决定了不可能在实际电网中做实验来研究系统稳定性,另外一方面仿真所针对的运行状态往往是未来的预想情况,实际当中还没有发生,所以也决定了不可能在实际系统中对电网的稳定性进行研究。在这种情况下仿真就成了电网运行、规划、设计必不可少的工具。

实际电网中多次出现了扰动时发生负荷低电压释放现象。以上海电网为例，1998年6月27日上海蕴藻浜1号主变220闸刀机构箱进水，造成两相短路，此次事故造成的直接停电负荷为200MW,但低电压释放负荷却高达500MW。主要原因是上海电网高压电网两相故障造成的暂态低电压，导致大批感应电动机负荷发生低压脱扣。此外，在东北大扰动的故障录波数据中，也采集到一些变电站的录波数据出现了扰动前后稳态值不一致的情况，也即出现了低电压释放现象。针对实际电网出现扰动时负荷低电压释放现象，现有的负荷模型难以描述，因此深入研究负荷低电压释放特性，构建考虑负荷低电压释放特性的负荷模型，对提高电力系统数字仿真计算准确度具有重要的意义。

由于电力负荷在表现出低电压释放的特性中，也同时表现出传统感应电动机负荷和静态负荷组成的综合负荷的特点，故在研究负荷的低电压释放建模的过程中，应该以传统负荷模型结构为基础，突出其低电压释放特性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型的建模方法，在现有的考虑配电网络的综合负荷模型中引入负荷开始大量切除时的临界电压、从电压降低到临界电压到负荷开始大量切除的时延、带有低压保护的负荷在总的负荷中 的比例等特征参数，用来描述扰动中间负荷低电压释放的特性。该模型克服了传统动态负荷模型无法描述负荷低电压释放特性的缺点,提高了电力系统仿真计算的准确性与可信度。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型建模方法，所述综合负荷模型包括静态负荷模型和电动机负荷模型；所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据静态负荷低电压释放特性建立静态负荷模型；

步骤2：根据电动机负荷低电压释放特性建立电动机负荷模型；

步骤3：确定综合负荷模型输出的有功功率和无功功率。

所述步骤1中，电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时，静态负荷的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=P_{s0}[P_Z{(V/V_0)}^2+P_I(V/V_0)+P_P]\\ Q_s=Q_{s0}[Q_Z{(V/V_0)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P]\end{array}\right.$

其中，P_s和Q_s分别为电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时静态负荷的有功功率和无功功率；P_s0和Q_s0分别为稳态时静态负荷的有功功率和无功功率；P_Z和Q_Z分别为静态负荷中的恒定阻抗部分有功功率比例和无功功率比例；P_I和Q_I分别为静态负荷中的恒定电流部分有功功率比例和无功功率比例；P_P和Q_P分别为静态负荷中的恒定功率部分有功功率比例和无功功率比例；V为负荷母线实际电压幅值，V₀为稳态时负荷母线电压幅值；

设故障清除后有m种带有低压保护装置的静态负荷满足低压释放条件，则静态负荷的有功功率P_s′和无功功率Q_s′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_s}^{\′}=P_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{\mathrm{sm}})[P_Z{(V/V_0)}^2+P_I(V/V_0)+P_P]\\ {Q_s}^{\′}=Q_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{\mathrm{sm}})[Q_Z{(V/V_0)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P]\end{array}\right.$

其中，k_s1、k_s2、…、k_sm分别为带有第1、2、…、m种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例。

所述步骤2中，电网发生故障前和故障后电动机负荷尚未发生低电压释放时，电动机负荷满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{{\mathrm{dE}}_d}^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[{E_d}^{\′}+(X-X^{\′})I_q]-(\mathrm{\ω}-1){E_q}^{\′}\\ \frac{{{\mathrm{dE}}_q}^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[{E_q}^{\′}-(X-X^{\′})I_d]+(\mathrm{\ω}-1){E_d}^{\′}\\ \frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{2H}[({\mathrm{A\ω}}^2+\mathrm{B\ω}+C)T_0-({E_d}^{\′}{I}_d+{E_q}^{\′}{I}_q)]\end{array}\right.$

其中，E_d′为电动机d轴瞬变电动势，E_q′为电动机q轴瞬变电动势；T′为电动机开路暂态时间常数，T₀为电动机的基准机械转矩；A、B和C为机械转矩系数；X为转子开路电抗，且X＝X_S+X_M，其中X_S为定子电抗，X_M为激磁电抗；X′为转子堵转时的定子等值电抗，且X′＝X_S+X_MX_r/(X_r+X_m)，X_r为转子电抗；ω为转子的角速度；I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_d-{E_d}^{\′})+X^{\′}(U_q-{E_q}^{\′})]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_q-{E_q}^{\′})-X^{\′}(U_d-{E_d}^{\′})]\end{array}\right.$

其中，R_s为定子电阻，U_d为定子端电压d轴分量，U_q为定子端电压q轴分量；

电动机负荷吸收的有功功率P_m和无功功率Q_m分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_m=U_d{I}_d+U_q{I}_q\\ Q_m=U_q{I}_d-U_d{I}_q\end{array}\right.$

设故障清除后有n种带有低压保护装置的电动机负荷满足低压释放条件，则电动机负荷的有功功率P_m′和无功功率Q_m′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_m}^{\′}=(1-k_{\mathrm{mI}}-k_{\mathrm{mII}}-...-k_{\mathrm{mn}})(U_d{I}_d+U_q{I}_q)\\ {Q_m}^{\′}=(1-k_{\mathrm{mI}}-k_{\mathrm{mII}}-...-k_{\mathrm{mn}})(U_q{I}_d-U_d{I}_q)\end{array}\right.$

其中，k_mI、k_mII、…、k_mn为带有第I、II、…、n种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例。

所述步骤3中，综合负荷模型输出的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}P={P_s}^{\′}+{P_m}^{\′}\\ Q={Q_s}^{\′}+{Q_m}^{\′}\end{array}\right.$

其中，P和Q分别为综合负荷模型输出的有功功率和无功功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在现有的考虑配电网络的综合负荷模型中引入负荷开始大量切除时的临界电压、从电压降低到临界电压到负荷开始大量切除的时延、带有低压保护的负荷在总的负荷中的比例等特征参数，用来描述扰动中间负荷低电压释放的特性。综合负荷模型克服了传统负荷模型在低电压时无法描述负荷低电压释放特性的缺点。使电力系统仿真分析中负荷在低电压时表现出来的动态特性更加逼近真实负荷的特性，为提高电力系统仿真分析的可信度提供了保障。

附图说明

图1是本发明实施例中考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型结构图；

图2是本发明实施例中静态负荷低电压释放特性模拟框图；

图3是本发明实施例中电动机负荷低电压释放特性模拟框图；

图4是本发明实施例中有功功率拟合曲线图；

图5是本发明实施例中无功功率拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型建模方法，所述综合负荷模型包括静态负荷模型和电动机负荷模型；所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据静态负荷低电压释放特性建立静态负荷模型；

步骤2：根据电动机负荷低电压释放特性建立电动机负荷模型；

步骤3：确定综合负荷模型输出的有功功率和无功功率。

如图2，所述步骤1中，电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时，静态负荷的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=P_{s0}[P_Z{(V/V_0)}^2+P_I(V/V_0)+P_P]\\ Q_s=Q_{s0}[Q_Z{(V/V_0)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P]\end{array}\right.$

其中，P_s和Q_s分别为电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时静态负荷的有功功率和无功功率；P_s0和Q_s0分别为稳态时静态负荷的有功功率和无功功率；P_Z和Q_Z分 别为静态负荷中的恒定阻抗部分有功功率比例和无功功率比例；P_I和Q_I分别为静态负荷中的恒定电流部分有功功率比例和无功功率比例；P_P和Q_P分别为静态负荷中的恒定功率部分有功功率比例和无功功率比例；V为负荷母线实际电压幅值，V₀为稳态时负荷母线电压幅值；

U_s1定义为带有第1种低压保护装置的静态负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_s1定义为从电压降低到U_s1至带有第1种低压保护装置的静态负荷开始大量切除的时延，k_s1为带有第1种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例；

U_s2定义为带有第2种低压保护装置的静态负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_s2定义为从电压降低到U_s2至带有第2种低压保护装置的静态负荷开始大量切除的时延，k_s2为带有第2种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例；

U_sm定义为带有第m种低压保护装置的静态负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_sm定义为从电压降低到U_sm至带有第m种低压保护装置的静态负荷开始大量切除的时延，k_sm为带有第m种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例；

当电压降低到U_s1时开始计时，在持续低电压时间达到t_s1时，静态负荷低电压释放k_s1倍的静态负荷；当电压降低到U_s2时开始计时，在持续低电压时间达到t_s2时，静态负荷低电压释放k_s2倍的静态负荷；设故障清清除后有m种带有低压保护装置的静态负荷满足低压释放条件，则静态负荷的有功功率P_s′和无功功率Q_s′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_s}^{\′}=P_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{\mathrm{sm}})[P_Z{(V/V_0)}^2+P_I(V/V_0)+P_P]\\ {Q_s}^{\′}=Q_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{\mathrm{sm}})[Q_Z{(V/V_0)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P]\end{array}\right.$

其中，k_s1、k_s2、…、k_sm分别为带有第1、2、…、m种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例。

如图3，所述步骤2中，电网发生故障前和故障后电动机负荷尚未发生低电压释放时，电动机负荷满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{{\mathrm{dE}}_d}^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[{E_d}^{\′}+(X-X^{\′})I_q]-(\mathrm{\ω}-1){E_q}^{\′}\\ \frac{{{\mathrm{dE}}_q}^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[{E_q}^{\′}-(X-X^{\′})I_d]+(\mathrm{\ω}-1){E_d}^{\′}\\ \frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{2H}[({\mathrm{A\ω}}^2+\mathrm{B\ω}+C)T_0-({E_d}^{\′}{I}_d+{E_q}^{\′}{I}_q)]\end{array}\right.$

其中，E_d′为电动机d轴瞬变电动势，E_q′为电动机q轴瞬变电动势；T′为电动机开路暂态时间常数，T₀为电动机的基准机械转矩；A、B和C为机械转矩系数；X为转子开路电抗，且X＝X_S+X_M，其中X_S为定子电抗，X_M为激磁电抗；X′为转子堵转时的定子等值电抗，且X′＝X_S+X_MX_r/(X_r+X_m)，X_r为转子电抗；ω为转子的角速度；I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_d-{E_d}^{\′})+X^{\′}(U_q-{E_q}^{\′})]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_q-{E_q}^{\′})-X^{\′}(U_d-{E_d}^{\′})]\end{array}\right.$

其中，R_s为定子电阻，U_d为定子端电压d轴分量，U_q为定子端电压q轴分量；

电动机负荷吸收的有功功率P_m和无功功率Q_m分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_m=U_d{I}_d+U_q{I}_q\\ Q_m=U_q{I}_d-U_d{I}_q\end{array}\right.$

U_mI定义为带有第I种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_mI定义为从电压降低到U_mI至带有第I种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除的时延，k_mI为带有第I种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例；

U_mII定义为带有第II种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_mII定义为从电压降低到U_mII至带有第II种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除的时延，k_mII为带有第II种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例；

U_mn定义为带有第n种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除时的临界电压标幺值，t_mn定义为从电压降低到U_mn至带有第n种低压保护装置的电动机负荷开始大量切除的时延， k_mn为带有第n种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例；

当电压降低到U_mI时开始计时，在持续低电压时间达到t_mI时，电动机负荷低电压释放k_mI倍的电动机负荷；当电压降低到U_mII时开始计时，在持续低电压时间达到t_mII时，电动机负荷低电压释放k_mII倍的电动机负荷；设故障清除后有n种带有低压保护装置的电动机负荷满足低压释放条件，则电动机负荷的有功功率P_m′和无功功率Q_m′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_m}^{\′}=(1-k_{\mathrm{mI}}-k_{\mathrm{mII}}-...-k_{\mathrm{mn}})(U_d{I}_d+U_q{I}_q)\\ {Q_m}^{\′}=(1-k_{\mathrm{mI}}-k_{\mathrm{mII}}-...-k_{\mathrm{mn}})(U_q{I}_d-U_d{I}_q)\end{array}\right.$

其中，k_mI、k_mII、…、k_mn为带有第I、II、…、n种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例。

所述步骤3中，综合负荷模型输出的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}P={P_s}^{\′}+{P_m}^{\′}\\ Q={Q_s}^{\′}+{Q_m}^{\′}\end{array}\right.$

其中，P和Q分别为综合负荷模型输出的有功功率和无功功率。

实施例

为验证本发明所提出的考虑负荷低电压释放特性的负荷模型的有效性，取1条实测数据，该数据在电压扰动期间失去了部分负荷，将负荷模型的传统参数和特征参数代入负荷模型方程，得到有功功率和无功功率的拟合曲线如图4和图5所示。对比分析有功功率和无功功率的拟合曲线，可以看到采用这种考虑负荷低电压释放特性的负荷模型进行拟合时效果明显好于现有的负荷模型，与现有的负荷模型相比，考虑负荷低电压释放特性的负荷模型能够更好地描述稳定分析中负荷低电压脱扣现象，使故障后仿真计算中的系统特性更逼近真实的系统行为，提高了仿真计算分析的可信度，为电力系统制订科学的运行、控制方案提供了保障。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑负荷低电压释放特性的综合负荷模型建模方法，其特征在于：所述综合负荷模型包括静态负荷模型和电动机负荷模型；所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据静态负荷低电压释放特性建立静态负荷模型；

步骤2：根据电动机负荷低电压释放特性建立电动机负荷模型；

步骤3：确定综合负荷模型输出的有功功率和无功功率；

所述步骤1中，电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时，静态负荷的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=P_{s0}\[P_Z{\left(V/V_0\right)}^2+P_I(V/V_0)+P_P\]\\ Q_s=Q_{s0}\[Q_Z{\left(V/V_0\right)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P\]\end{array}\right.$

其中，P_s和Q_s分别为电网发生故障前和故障后静态负荷尚未发生低电压释放时静态负荷的有功功率和无功功率；P_s0和Q_s0分别为稳态时静态负荷的有功功率和无功功率；P_Z和Q_Z分别为静态负荷中的恒定阻抗部分有功功率比例和无功功率比例；P_I和Q_I分别为静态负荷中的恒定电流部分有功功率比例和无功功率比例；P_P和Q_P分别为静态负荷中的恒定功率部分有功功率比例和无功功率比例；V为负荷母线实际电压幅值，V₀为稳态时负荷母线电压幅值；

设故障清除后有m种带有低压保护装置的静态负荷满足低压释放条件，则静态负荷的有功功率P_s′和无功功率Q_s′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_s}^{\′}=P_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{sm})\[P_Z{\left(V/V_0\right)}^2+P_I(V/V_0)+P_P\]\\ {Q_s}^{\′}=Q_{s0}(1-k_{s1}-k_{s2}-...-k_{sm})\[Q_Z{\left(V/V_0\right)}^2+Q_I(V/V_0)+Q_P\]\end{array}\right.$

其中，k_s1、k_s2、…、k_sm分别为带有第1、2、…、m种低压保护装置的静态负荷在总的静态负荷中的比例；

所述步骤2中，电网发生故障前和故障后电动机负荷尚未发生低电压释放时，电动机负荷满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{{\mathrm{dE}}_d}^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T^{\′}}\[{E_d}^{\′}+(X-X^{\′})I_q\]-(\mathrm{\ω}-1){E_q}^{\′}\\ \frac{{{\mathrm{dE}}_q}^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T^{\′}}\[{E_q}^{\′}-(X-X^{\′})I_d\]+(\mathrm{\ω}-1){E_d}^{\′}\\ \frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=-\frac{1}{2H}\[({\mathrm{A\ω}}^2+B\mathrm{\ω}+C)T_0-({E_d}^{\′}{I}_d+{E_q}^{\′}{I}_q)\]\end{array}\right.$

其中，E_d′为电动机d轴瞬变电动势，E_q′为电动机q轴瞬变电动势；T′为电动机开路暂态时间常数，T₀为电动机的基准机械转矩；A、B和C为机械转矩系数；X为转子开路电抗，且X＝X_S+X_M，其中X_S为定子电抗，X_M为激磁电抗；X′为转子堵转时的定子等值电抗，且X′＝X_S+X_MX_r/(X_r+X_m)，X_r为转子电抗；ω为转子的角速度；I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_d-{E_d}^{\′})+X^{\′}(U_q-{E_q}^{\′})\]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_q-{E_q}^{\′})-X^{\′}(U_d-{E_d}^{\′})\]\end{array}\right.$

其中，R_s为定子电阻，U_d为定子端电压d轴分量，U_q为定子端电压q轴分量；

电动机负荷吸收的有功功率P_m和无功功率Q_m分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_m=U_d{I}_d+U_q{I}_q\\ Q_m=U_q{I}_d-U_d{I}_q\end{array}\right.$

设故障清除后有n种带有低压保护装置的电动机负荷满足低压释放条件，则电动机负荷的有功功率P_m′和无功功率Q_m′分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P_m}^{\′}=(1-k_{mI}-k_{mII}-...-k_{mn})(U_d{I}_d+U_q{I}_q)\\ {Q_m}^{\′}=(1-k_{mI}-k_{mII}-...-k_{mn})(U_q{I}_d-U_d{I}_q)\end{array}\right.$

其中，k_mI、k_mII、…、k_mn为带有第I、II、…、n种低压保护装置的电动机负荷在总的电动机负荷中的比例；

所述步骤3中，综合负荷模型输出的有功功率和无功功率分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}P={P_s}^{\′}+{P_m}^{\′}\\ Q={Q_s}^{\′}+{Q_m}^{\′}\end{array}\right.$

其中，P和Q分别为综合负荷模型输出的有功功率和无功功率。