CN105429131B - 一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，包括以下步骤：获取负荷元件的频率特性曲线；计算负荷元件的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；计算静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数。本发明克服了传统负荷模型无法准确描述负荷频率特性的缺点，提高了电力系统仿真计算的可信度，为电力系统的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障。

Description

一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术，具体涉及一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法。

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。

在实际运行的电力系统中，通过实测可得频率动态过程曲线，但系统仿真结果与实测频率动态过程曲线有时会存在较大差异。1996年，美国西部协调委员会(WSCC)的事故分析报告中指出，采用不同的负荷模型进行仿真，将得到不同甚至截然相反的分析结果，这使人们认识到负荷模型对仿真计算的影响和重要性。

当系统发生故障造成功率不平衡时，频率会随之发生变化，尤其是在一些独立电网或者微网中,故障时频率变化往往较大，而电网的频率特性取决于负荷频率特性，因此，考虑频率特性的负荷模型结构及参数对正确认识微网或独立电网的系统频率动态特性十分重要。以往建模的对象为规模较大的互联电网，系统频率变化较小，很难同时兼顾负荷频率特性和电压特性进行负荷建模。

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频率特性的负荷模型构建方法，通过计算负荷元件的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数、静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数以及负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数，最终通过故障拟合法确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数。

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频率特性的负荷模型构建方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取负荷元件的频率特性曲线；

步骤2：计算负荷元件的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤3：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；

步骤4：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤5：计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤6：确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数。

所述步骤1中，通过实际等值系统获取负荷元件的频率特性曲线；

所述实际等值系统包括无穷大等值交流系统、等值发电机、降压变压器、配电变压器、线路、220kV母线、110kV母线、10.5kV母线、断路器和负荷元件；

所述无穷大等值交流系统和等值发电机通过线路与220kV母线连接，降压变压器的高压侧连接220kV母线，其低压侧连接110kV母线；110kV母线通过断路器连接配电变压器的高压侧，配电变压器的低压侧10.5kV母线连接负荷元件。

所述步骤2中，通过曲线拟合法确定负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi。

所述负荷模型表示为：

其中，P表示负荷节点的有功功率，P_S表示负荷节点有功负荷初值，P_Z表示恒定阻抗有功负荷比例，P_I表示恒定电流有功负荷比例，P_P表示恒定功率有功负荷比例；Q表示负荷节点的无功功率，Q_S表示负荷节点无功负荷初值，Q_Z表示恒定阻抗无功负荷比例，Q_I表示恒定电流无功负荷比例，Q_P表示恒定功率无功负荷比例；V表示负荷节点的实际电压，V₀表示负荷节点的电压初值，Δf表示电力系统的频率变化量；

维持负荷节点的实际电压V为V₀不变时，令中间量中间量于是式(1)可写为：

由式(2)可得负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi，有：

所述步骤3中，动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；

所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，动态负荷包括白炽灯、热水器和电视。

所述步骤4中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ包括：

设N_i表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k，k为负荷节点中包含的设备类型个数，N_si为设备类型i中静态负荷的有功百分比，P₀表示负荷节点的有功负荷初值，则设备类型i中静态负荷的有功功率P_Si为：

P_Si＝N_i×N_Si×P₀ (4)

于是静态负荷的综合有功功率P_Sa为负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：

于是静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ分别表示为：

其中，P_fi表示负荷元件的有功功率－频率特性系数，Q_fi表示负荷元件的无功功率－频率特性系数P_fi。

所述步骤5中，计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数包括：

设备类型i的有功功率P_i表示为：

P_i＝N_i×P₀ (8)

根据式(7)有：

其中，P_f表示负荷节点的有功功率－频率特性系数，Q_f表示负荷节点的无功功率－频率特性系数。

所述步骤6中，根据故障拟合法确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数，包括：

步骤6-1：确定事故时电力系统的运行方式，并确定事故模拟方式；

步骤6-2：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；

步骤6-3：采用电力系统仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算；

步骤6-4：根据电力系统的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力系统频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数K_pf，有：

其中，Δf表示电力系统的频率变化量，且Δf＝f₁-f₀，f₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时频率，f₀表示事故开始时电力系统的频率；

ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P₁-P₀，P₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；

步骤6-5：比较K_pf与负荷节点的有功功率－频率特性系数P_f，若|K_pf-P_f|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤6-3；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)负荷模型的频率特性参数对大区互联电网的稳定运行特性有着重要的影响，准确确定各类静态负荷和电动机负荷的频率特性参数，建立符合电网实际频率特性的负荷模型参数对提高电力系统仿真精度、保证电网正常运行的安全性、可靠性运行具有重要的意义；

2)本发明构建的负荷模型可准确描述负荷站点的实际负荷频率特性，提高了电力系统仿真计算的可信度，为电力系统的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障；

3)本发明充分考虑了静态负荷元件的频率特性和电动机的转矩-滑差物理机理特性，其收敛特性好、鲁棒性强。根据统计综合法和故障拟合法计算负荷模型频率参数，可以快速且有效计算静态负荷频率因子和电动机机械转矩系数，为电力系统仿真中采用的静态负荷频率因子和电动机机械转矩系数提供了方便性。

附图说明

图1是本发明实施例中考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法流程图；

图2是本发明实施例中实际等值系统结构图；

图3是本发明实施例中城西220kV变电站地理接线图；

图4是本发明实施例中仿真系统示意图；

图5是本发明实施例中系统的频率变化曲线图；

图6是本发明实施例中城西220kV负荷节点有功功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明克服了传统负荷模型无法准确描述负荷频率特性的缺点，提高了电力系统仿真计算的可信度，为电力系统的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障。

本发明提供一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，如图1，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取负荷元件的频率特性曲线；

步骤2：计算负荷元件的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤3：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；

步骤4：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤5：计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤6：确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数。

所述步骤1中，通过实际等值系统获取负荷元件的频率特性曲线；

所述实际等值系统包括无穷大等值交流系统、等值发电机、降压变压器、配电变压器、线路、220kV母线、110kV母线、10.5kV母线、断路器和负荷元件；

所述无穷大等值交流系统和等值发电机通过线路与220kV母线连接，降压变压器的高压侧连接220kV母线，其低压侧连接110kV母线；110kV母线通过断路器连接配电变压器的高压侧，配电变压器的低压侧10.5kV母线连接负荷元件。

所述步骤2中，通过曲线拟合法确定负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi。

所述负荷模型表示为：

其中，P表示负荷节点的有功功率，P_S表示负荷节点有功负荷初值，P_Z表示恒定阻抗有功负荷比例，P_I表示恒定电流有功负荷比例，P_P表示恒定功率有功负荷比例；Q表示负荷节点的无功功率，Q_S表示负荷节点无功负荷初值，Q_Z表示恒定阻抗无功负荷比例，Q_I表示恒定电流无功负荷比例，Q_P表示恒定功率无功负荷比例；V表示负荷节点的实际电压，V₀表示负荷节点的电压初值，Δf表示电力系统的频率变化量；

维持负荷节点的实际电压V为V₀不变时，令中间量中间量于是式(1)可写为：

由式(2)可得负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi，有：

所述步骤3中，动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；

所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，动态负荷包括白炽灯、热水器和电视。

所述步骤4中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ包括：

设N_i表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k，k为负荷节点中包含的设备类型个数，N_si为设备类型i中静态负荷的有功百分比，P₀表示负荷节点的有功负荷初值，则设备类型i中静态负荷的有功功率P_Si为：

P_Si＝N_i×N_Si×P₀ (4)

于是静态负荷的综合有功功率P_Sa为负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：

于是静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ分别表示为：

其中，P_fi表示负荷元件的有功功率－频率特性系数，Q_fi表示负荷元件的无功功率－频率特性系数P_fi。

所述步骤5中，计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数包括：

设备类型i的有功功率P_i表示为：

P_i＝N_i×P₀ (8)

根据式(7)有：

其中，P_f表示负荷节点的有功功率－频率特性系数，Q_f表示负荷节点的无功功率－频率特性系数。

所述步骤6中，根据故障拟合法确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数，包括：

步骤6-1：确定事故时电力系统的运行方式，并确定事故模拟方式；

事故时电力系统的运行方式包括根据自动化系统记录的数据建立事故时的运行方式，作为用于事故模拟的潮流稳定计算数据，潮流计算结果应和实测潮流结果基本一致，调查事故时发电机励磁系统、调速系统、电力系统稳定器以及其它控制设备的运行情况，并在负荷模型中考虑负荷节点的静态负荷频率因子，建立稳定计算数据；

事故模拟方式包括根据事故录波曲线，确定事故切除时间和短路阻抗，如果在试验过程中发生了切机、掉负荷扰动，则根据实测数据确定在仿真中如何对这些扰动进行模拟。

步骤6-2：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；

步骤6-3：采用电力系统仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算；

步骤6-4：根据电力系统的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力系统频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数K_pf，有：

其中，Δf表示电力系统的频率变化量，且Δf＝f₁-f₀，f₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时频率，f₀表示事故开始时电力系统的频率；

ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P₁-P₀，P₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；

步骤6-5：比较K_pf与负荷节点的有功功率－频率特性系数P_f，若|K_pf-P_f|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤6-3；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。

实施例

搭建如图2所示的实际等值系统，采用三级电压系统，分别为220kV、110kV、10.5kV电压系统，无穷大等值交流系统通过220kV线路L2经220kV/110kV降压变压器(T1、变T2)将220kV降压为110kV电压。110kV电压系统分别经4台110kV/10.5kV配电变压器(B3、B4、B5、B6)与不同负荷开关元件相连接。K1、K2、K3、K4均为负荷开关元件。

试验时，线路L3、L4、L5、L6接入的负荷开关元件K1、K2、K3、K4，其中：L3线路接入NM1系列125S/3300型号开关；L4线路接入DZ20系列Y-100/3300型号开关；L5线路接入DZ20系列Y-100/3300型号开关；L6线路接入NM1系列125S/3300型号开关。

通过对浙江温州城西220kV变电站(接线图如图3所示)进行详细调查，并对该站的调查数据进行统计分析计算，可确定大负荷方式时城西220kV变电站所涉及设备类型及各设备类型占有的比例如表1所示：

表1

根据城西220kV变电站的负荷详细统计数据，对上述所有设备类型中的负荷进行综合计算，可得城西变负荷的有功频率因子P_f为3.3％，城西变异步电动机群的机械转矩系数分别为：A为0.69，B为0，C为0.31。最后可得到城西变考虑配电网络的综合负荷模型(SLM)如表2：

表2

其中，Tj表示马达惯性时间常数、Rs表示马达定子电阻、Xs表示马达定子电抗、Xm表示马达激磁电抗、Rr表示马达转子电阻、Xr表示马达转子电抗，R*表示配网支路电阻，X*表示配网支路电抗、ZP％表示静态有功负荷构成中的恒阻抗成分、ZQ％表示静态无功负荷构成中的恒阻抗成分、IP％表示静态有功负荷构成中的恒电流成分、IQ％表示静态无功负荷构成中的恒电流成分、PP％表示静态有功负荷构成中的恒功率成分、PQ％表示静态无功负荷构成中的恒功率抗成分。以下同，电动机负载率为40％。

为验证本发明所提出的电动机负荷模型的构建方法的有效性，用城西220kV变电站当前采用的负荷模型参数、采用本方法生成的负荷模型参数和原系统(包括韩城变负荷区的110kV、35kV配电网络、无功补偿及110kV、35kV、10kV、6kV负荷节点的系统，如图2所示)进行仿真对比，验证验证本发明所提出的电动机负荷模型的构建方法的有效性。

如图4，一台发电机组通过双回线路向城西变和Bus 4供电，城西变的有功负荷为167MW，Bus 4的有功负荷为40MW。

仿真条件：在仿真系统运行0.1秒时，Bus 4节点增加40MW有功负荷。

分别将图3所示的城西220kV变电站110kV及其以下的系统、等值SLM模型和华东现有负荷模型接于图4所示的负荷母线上进行仿真，得到系统的频率变化曲线和城西220kV负荷节点有功功率曲线如图5和图6所示。对比分析频率变化曲线和有功功率曲线，可以看到采用SLM模型与详细系统的仿真曲线的拟合效果明显好于采用现有负荷模型参数。因此与当前的负荷模型参数相比，采用本方法能够更好地描述电动机频率特性，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保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取负荷元件的频率特性曲线；

步骤2：计算负荷元件的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤3：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；

步骤4：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤5：计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数；

步骤6：确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数；

所述步骤2中，通过曲线拟合法确定负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi；

所述负荷模型表示为：

其中，P表示负荷节点的有功功率，P_S表示负荷节点有功负荷初值，P_Z表示恒定阻抗有功负荷比例，P_I表示恒定电流有功负荷比例，P_P表示恒定功率有功负荷比例；Q表示负荷节点的无功功率，Q_S表示负荷节点无功负荷初值，Q_Z表示恒定阻抗无功负荷比例，Q_I表示恒定电流无功负荷比例，Q_P表示恒定功率无功负荷比例；V表示负荷节点的实际电压，V₀表示负荷节点的电压初值，Δf表示电力系统的频率变化量；

维持负荷节点的实际电压V为V₀不变时，令中间量中间量于是式(1)可写为：

由式(2)可得负荷元件的有功功率－频率特性系数P_fi和无功功率－频率特性系数Q_fi，有：

2.根据权利要求1所述的考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中，通过实际等值系统获取负荷元件的频率特性曲线；

所述实际等值系统包括无穷大等值交流系统、等值发电机、降压变压器、配电变压器、线路、220kV母线、110kV母线、10.5kV母线、断路器和负荷元件；

所述无穷大等值交流系统和等值发电机通过线路与220kV母线连接，降压变压器的高压侧连接220kV母线，其低压侧连接110kV母线；110kV母线通过断路器连接配电变压器的高压侧，配电变压器的低压侧10.5kV母线连接负荷元件。

3.根据权利要求1所述的考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中，动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；

所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，静态负荷包括白炽灯、热水器和电视。

4.根据权利要求1所述的考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述步骤4中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ包括：

设N_i表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k，k为负荷节点中包含的设备类型个数，N_si为设备类型i中静态负荷的有功百分比，P₀表示负荷节点的有功负荷初值，则设备类型i中静态负荷的有功功率P_Si为：

P_Si＝N_i×N_Si×P₀ (4)

于是静态负荷的综合有功功率P_Sa为负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：

于是静态负荷的有功功率－频率特性系数L_DP和无功功率－频率特性系数L_DQ分别表示为：

其中，P_fi表示负荷元件的有功功率－频率特性系数，Q_fi表示负荷元件的无功功率－频率特性系数P_fi。

5.根据权利要求4所述的考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述步骤5中，计算负荷节点的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数包括：

设备类型i的有功功率P_i表示为：

P_i＝N_i×P₀ (8)

根据式(7)有：

其中，P_f表示负荷节点的有功功率－频率特性系数，Q_f表示负荷节点的无功功率－频率特性系数。

6.根据权利要求4所述的考虑负荷频率特性的负荷模型构建方法，其特征在于：所述步骤6中，根据故障拟合法确定负荷节点的异步电动机机械转矩系数，包括：

步骤6-1：确定事故时电力系统的运行方式，并确定事故模拟方式；

步骤6-2：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；

步骤6-3：采用电力系统仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算；

步骤6-4：根据电力系统的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力系统频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数K_pf，有：

其中，Δf表示电力系统的频率变化量，且Δf＝f₁-f₀，f₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时频率，f₀表示事故开始时电力系统的频率；

ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P₁-P₀，P₁表示事故后电力系统频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；

步骤6-5：比较K_pf与负荷节点的有功功率－频率特性系数P_f，若|K_pf-P_f|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤6-3；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。