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电工技术

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输配电工程、电力网及电力系统

电力负荷的数学模型与建模技术

作者：汤涌

出版社：科学出版社出版时间：2021-08-01

开本： B5 页数： 280

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电力负荷的数学模型与建模技术版权信息

ISBN：9787030331571
条形码：9787030331571 ; 978-7-03-033157-1
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
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输配电工程、电力网及电力系统

电力负荷的数学模型与建模技术内容简介

本书全面阐述了用于电力系统数字仿真的负荷模型和负荷建模技术，详细介绍了负荷模型和建模技术的近期新研究成果。全书共分十章，包括绪论、负荷元件模型、电力系统仿真计算中的负荷模型、统计综合法负荷建模、考虑配电网络的综合负荷模型建模、总体测辨法负荷建模、故障拟合法负荷建模、东北电网大扰动试验、我国电网综合负荷模型建模研究、负荷模型对仿真的影响与建模原则。

电力负荷的数学模型与建模技术目录

目录
前言
第1章绪论1
1.1电力负荷建模的意义1
1.2电力负荷建模的基本方法1
1.3国内外负荷建模技术的发展与现状3
参考文献6
第2章电力负荷元件模型9
2.1电力负荷构成9
2.2常用电力负荷元件的模型10
2.2.1商业、居民用电阻加热器10
2.2.2热泵式加热器10
2.2.3空调负荷12
2.2.4家用电器14
2.2.5照明负荷18
2.2.6工业电动机21
2.2.7灌溉用电动机28
2.2.8电厂辅助设备29
2.2.9钢厂（电弧炉）29
2.3基于动模试验的常用静态负荷元件建模34
2.3.1白炽灯模型35
2.3.2荧光灯（电子镇流器）模型35
2.3.3钠灯模型36
2.3.4液晶电视模型37
2.3.5台式电脑（CRT显示器）模型38
2.3.6笔记本电脑模型39
2.3.7电磁炉模型40
2.3.8基于短路试验的静态模型验证41
2.3.9新建模型与典型模型对比43
2.4感应电动机模型参数计算43
2.4.1感应电动机模型44
2.4.2感应电动机模型参数算法44
2.4.3算法验证分析47
2.5配电系统元件的数学模型52
2.5.1配电线路的模型52
2.5.2配电变压器及LTC变压器的模型53
2.5.3配电系统无功补偿装置的模型56
参考文献59
第3章电力系统仿真计算中的负荷模型63
3.1负荷模型的表示方法63
3.2静态负荷模型63
3.2.1幂函数模型63
3.2.2多项式模型64
3.3动态负荷模型65
3.3.1感应电动机负荷模型65
3.3.2非机理动态负荷模型66
3.4电力系统计算分析中常用的负荷模型67
3.4.1国外电网常用的负荷模型67
3.4.2IEEE推荐的负荷模型69
3.4.3美国WECC的综合负荷模型69
3.4.4我国电网常用的负荷模型71
3.4.5现有综合负荷模型的不足和缺陷71
3.5我国现用负荷模型中感应电动机参数的确定73
3.5.1感应电动机负荷模型典型参数73
3.5.2感应电动机负荷模型中配电网系统电抗73
3.5.3目前我国配电网络电抗的算例74
3.5.4电动机模型参数选择的建议79
3.6考虑配电网络的综合负荷模型79
3.6.1220kV变电站的供电系统79
3.6.2考虑配电网络的综合负荷模型的结构80
3.6.3考虑配电网络的综合负荷模型在程序实现过程的初始化步骤81
3.6.4考虑配电网络的综合负荷模型的特点81
参考文献82
第4章统计综合法负荷建模84
4.1统计综合法的基本原理84
4.1.1负荷统计综合的基本方法84
4.1.2负荷构成与特性参数85
4.1.3LOADSYN程序给出的美国电网的负荷分类及其主要负荷元件87
4.2负荷构成特性调查方法与应用89
4.2.1负荷调查的主要工作流程89
4.2.2分类方法的原则和依据90
4.2.3编制普查表91
4.2.4220kV变电站负荷数据调查和修正92
4.2.5确定典型变电站并编制典型站点详细调查表93
4.3静态负荷模型的统计综合方法93
4.3.1静态负荷模型的一般形式93
4.3.2有功负荷中电压相关参数的确定94
4.3.3无功负荷中电压相关参数的确定95
4.3.4频率相关参数的确定96
4.4一般形式静态负荷模型转换为特定形式的方法96
4.4.1计算方法96
4.4.2计算有功负荷参数97
4.4.3计算无功负荷参数98
4.5动态负荷模型的统计综合方法99
4.5.1LOADSYN的感应电动机综合方法99
4.5.2感应电动机综合方法的仿真分析101
4.5.3感应电动机分组方法的改进104
4.5.4电动机参数综合方法的改进105
4.6统计综合法负荷建模软件的基本流程109
参考文献110
第5章考虑配电网络的综合负荷模型的建模111
5.1配电网络对统计综合法负荷建模的影响111
5.1.1配电网络111
5.1.2负荷模型中配电网络的影响分析111
5.1.3配电网络的模拟方法112
5.1.4配电网络等值电抗的近似计算方法112
5.2配电网络及无功补偿等值方法114
5.3配电网络等值阻抗成分分析116
5.4静态负荷等值117
5.5感应电动机的分群118
5.6感应电动机群等值算法126
5.6.1单机等值算法126
5.6.2等值算法对机械负载转矩-滑差特性的考虑129
5.6.3双机等值算法129
5.6.4等值算法仿真验证131
5.7考虑配电网络的感应电动机负荷模型聚合方法134
5.7.1考虑暂态的感应电动机模型及典型参数134
5.7.2聚合感应电动机电气参数计算135
5.7.3聚合感应电动机滑差计算137
5.7.4聚合感应电动机惯性时间常数计算137
5.7.5配电网络系统阻抗计算138
5.7.6计算实例138
5.8实际负荷站点综合负荷模型仿真对比140
5.8.1综合负荷模型建模的数据基础140
5.8.2综合负荷模型仿真分析142
参考文献144
第6章总体测辨法负荷建模146
6.1电力系统负荷模型辨识原理146
6.1.1静态负荷模型辨识原理146
6.1.2动态负荷模型辨识原理147
6.1.3负荷模型参数辨识方法149
6.2感应电动机负荷模型参数辨识150
6.2.1感应电动机负荷模型参数辨识实践中存在的问题150
6.2.2系统灵敏度分析理论151
6.2.3感应电动机负荷模型参数易辨识性及辨识策略153
6.3考虑配电网络的综合负荷模型的参数辨识157
6.3.1考虑配电网络的综合负荷模型的可辨识性157
6.3.2简化综合负荷模型的参数确定方法157
6.3.3计及配电网阻抗和无功补偿的完整综合负荷模型的参数辨识163
6.4总体测辨法负荷建模系统174
6.4.1总体测辨法负荷建模系统功能174
6.4.2总体测辨法建模系统中的模型175
参考文献175
第7章故障拟合法负荷建模研究176
7.1故障拟合法负荷建模176
7.1.1故障拟合法建模步骤176
7.1.2故障拟合法建模的基本内容177
7.1.3收集电网扰动故障并建立故障运行方式178
7.1.4对扰动故障资料的可用性评价179
7.1.5仿真结果与故障实测结果一致性判别原则179
7.2国外负荷模型校核研究情况179
7.2.1瑞典电网1983年12月27日事故模拟180
7.2.2WSCC 1996和2000年两次停电事故仿真和模型校核研究180
7.2.3国外研究总结和分析183
7.3国内负荷模型校核研究情况183
7.3.1主要研究工作184
7.3.2研究成果简介184
7.3.3主要结论和存在问题186
7.4人工接地短路试验方法187
7.4.1扰动试验及负荷模型校核研究步骤和方法187
7.4.2分析和总结189
7.5综合负荷模型有效性验证190
7.5.1收集电网扰动故障190
7.5.2对扰动故障的模拟及可用性评价191
7.5.3基于扰动故障对综合负荷模型的验证和校核193
参考文献196
第8章东北电网大扰动试验198
8.1试验概况198
8.2试验意义198
8.3试验过程199
8.3.12004年大扰动试验199
8.3.22005年大扰动试验200
8.4试验的测试201
8.4.12004年大扰动试验201
8.4.22005年大扰动试验201
8.4.3试验数据的评估201
8.5试验的运行方式202
8.5.12004年大扰动试验202
8.5.22005年大扰动试验202
8.6试验测试结果203
8.6.1故障切除时间203
8.6.2短路阻抗203
8.6.3录波曲线204
8.6.4小结204
8.7励磁系统模型参数和小机组的调整204
8.7.1励磁系统模型参数的调整205
8.7.2小机组调整205
8.8基于各种负荷模型的仿真计算与实测对比206
8.8.1计算条件206
8.8.2仿真曲线示例208
8.8.3仿真结果分析212
8.9考虑配电网络的综合负荷模型拟合参数与仿真分析213
8.9.1综合负荷模型的拟合参数213
8.9.2综合负荷模型拟合参数的说明213
8.9.3综合负荷模型的仿真曲线214
8.9.4采用综合负荷模型时暂态电压跌落计算曲线226
8.9.5小结229
8.10综合负荷模型参数灵敏度分析229
8.10.1配电网系统电抗229
8.10.2配电网系统电阻230
8.10.3静态负荷功率因数230
8.10.4电动机负载率231
8.10.5静态负荷构成231
8.10.6小结231
8.11结论和建议232
参考文献233
第9章我国电网综合负荷模型建模研究236
9.1各区域电网综合负荷模型建模情况236
9.1.1华北电网综合负荷模型建模236
9.1.2西北电网综合负荷模型建模240
9.1.3华中电网综合负荷模型建模243
9.1.4东北电网综合负荷模型建模246
9.1.5浙江电网综合负荷模型建模249
9.2综合负荷模型应用管理细则250
9.2.1建立综合负荷模型数据库250
9.2.2规划负荷站点的综合负荷模型应用细则250
9.2.3已投入运行中的负荷站点的综合负荷模型应用细则251
参考文献251
第10章负荷模型对仿真的影响与建模原则252
10.1负荷模型对电力系统仿真计算的影响252
10.1.1负荷模型对潮流计算的影响252
10.1.2负荷模型对短路电流的影响253
10.1.3负荷模型对暂态稳定计算的影响253
10.1.4负荷模型对小扰动动态稳定计算的影响254
10.1.5负荷模型对电压稳定计算的影响256
10.1.6负荷模型对频率稳定的影响257
10.1.7综合负荷模型参数对系统稳定特性的影响257
10.2负荷建模的基本原则259
10.3负荷建模的基础性工作260
10.4负荷建模的基本方法260
参考文献261

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电力负荷的数学模型与建模技术节选

第1章绪论 1.1 电力负荷建模的意义电力系统数字仿真已成为电力系统规划设计、调度运行和试验研究的主要工具，电力系统各元件的数学模型以及由其构成的全系统数学模型是电力系统数字仿真的基础，模型的准确与否直接影响着仿真结果和以此为基础的规划与运行的决策方案。仿真所用模型和参数是仿真准确性的重要决定因素之一。目前发电机及其控制系统和输电网络的模型已较成熟，相对而言，工程实践中所用的负荷模型仍较简单，往往从基本物理概念出发，采用统一的典型模型和参数。大量研究结果表明，负荷特性对电力系统分析计算结果具有重要影响。不同的负荷模型对电力系统的事故后潮流计算、短路电流计算、暂态稳定、动态稳定、电压稳定和频率稳定的仿真计算都具有不同程度的影响，在严重情况下，不同的负荷模型可能会使计算结果发生质的变化。以往，当缺乏详细负荷模型时，在仿真计算中常常试图采用某种“保守”的负荷模型，但这种做法是有风险的。由于负荷模型对现代复杂电力系统的总体影响事先难以预计，在某种情况下“保守”的负荷模型在另一种情况下可能产生“冒进”的结果，并且不同的问题对负荷模型的要求也不尽相同。因此，必须建立和推广符合实际的负荷模型。随着我国特高压大电网的建设、新能源发电和新型电力电子设备的引入，我国电网的规模不断扩大，复杂程度不断增加，电力系统的短路电流、动态稳定性及电压稳定性问题更加突出，负荷模型对电力系统仿真计算结果的影响已变得不容忽视。在“东北-华北交流联网”等多项工程项目的研究中，负荷模型和参数对电力系统稳定性仿真计算结果的影响变得非常突出，影响了仿真计算结果的可信度，给决策方案的取舍带来了困难，也因此受到了广泛重视。为了解决这一问题，必须研究适应于我国电网实际的负荷模型和建模方法。 1.2 电力负荷建模的基本方法目前，电力负荷建模方法可以归纳为三类：统计综合法（component-based modeling approach）、总体测辨法（measurement-based modeling approach）和故障拟合法(fault-based modeling approach)。在过去的20年中，电力负荷建模技术基本上是沿着统计综合法和总体测辨法这两条道路不断发展和完善的，并已分别取得许多可喜成果。在实际工程中则更多地采用故障拟合法。 IEEE和CIGRE设有负荷建模研究的专门小组，发达国家的电力公司几乎都在负荷建模研究方面做了大量工作。北美主要使用的负荷建模软件包，是在美国电力研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）委托美国得克萨斯州大学（The University of Texas）和美国通用电气公司（General Electric Company，GE）所作的大量统计负荷组成基础上，用统计综合法形成的软件包。它的结果并不精确，但经过电力公司在实际运行中不断修正，现在每个电网基本形成了自己的负荷静特性模型，同时仍在实际运行中不断修正，力求更加符合实际。澳大利亚采用了总体测辨法（主要靠在现场试验）来建立负荷模型［1］。总之，国际上许多电力公司都在开展这方面的研究，力求采用基本符合自己电网实际的负荷模型。多年来，我国各大区电网在电力系统分析计算时，负荷模型的选取通常按照一定的经验选定某种常见的负荷模型（如ZIP模型、感应电动机+恒定阻抗模型等），并定性地确定模型参数，然后通过对本网内发生的典型事故的模拟计算，不断地对负荷模型进行修正。随着我国电网的发展，电网越来越复杂，电压等级越来越高，各元件之间的电气距离越来越小，负荷对仿真计算的结果会产生重大影响。因此，按照经验确定负荷模型的方法已不能满足要求。另外，由于负荷特性与地区的气候、资源、经济发展情况和生活水平等有关，造成了不同地区之间负荷模型及参数的差异性。因此，现有的负荷模型和参数很难准确描述负荷动态特性，负荷模型已经成为提高电力系统仿真准确度的瓶颈。 1）统计综合法［2］统计综合法首先通过试验和数学推导得到各种典型负荷元件（如荧光灯、家用电子设备、工业电动机、空调负荷等）的数学模型，然后在一些负荷点上统计某些典型时刻（如冬季峰值负荷、夏季峰值负荷等）各种负荷的组成，即每种典型负荷所占的百分比，以及配电线路和变压器的数据，*后综合这些数据得出该负荷点的负荷模型。美国EPRI的LOADSYN软件为其中的代表。 2）总体测辨法［3～9］ 20世纪80年代以来，随着系统辨识理论的日趋丰富与完善，加之计算机数据采集与处理技术的发展，一种新的负荷建模方法——总体测辨法以其简单、实用、数据直接来源于实际系统等多种优点受到电力负荷建模工作者的关注。该方法的基本思想是将综合负荷作为一个整体，先从现场采集测量数据，然后根据这些数据辨识负荷模型的结构和参数，*后，用大量的实测数据验证模型的外推、内插的效果。 3）故障拟合法长期以来，在工程实际中应用*广泛的是基于故障拟合的负荷模型建模方法。通常的做法是：参照一定的经验（如负荷的基本构成、系统的运行特性等）首先选定某种常见的模型，并定性地选定模型中的参数，随后通过对典型故障的录波数据或专门的扰动试验得到的系统响应曲线进行仿真对比分析，在保证系统其他动态元件的模型和参数基本准确的条件下，不断调整负荷模型和参数，使仿真结果尽量接近系统的实际动态过程，从而得到适用于实际电网的负荷模型和参数。美国西部系统协调委员会（Western Systems Coordinating Council，WSCC）在对1996年8月美国西部电力系统大面积停电事故的仿真分析的基础上，采用故障拟合法，提出了WSCC系统仿真计算中负荷模型的修改意见［10］。应该指出的是，故障拟合法是一种系统性的建模方法，并不针对具体的负荷元件或一个变电站的负荷进行建模，主要根据系统受扰动后的动态过程，对负荷的模型和参数进行调整，以获得较好的仿真精度。因此故障拟合法更适用于电力系统仿真模型参数验证与校核。 1.3 国内外负荷建模技术的发展与现状早在1935年就提出了确定电力系统负荷与电压扰动之间的关系要求。自此之后也发表了很多关于描述负荷与电压和频率关系的文献，如文献［11］～［19］。这些文献一致指出了负荷模型的合理描述对电力系统规划、设计、运行的重要性。随着电力系统的发展，使用建立*“保守”的负荷特性的传统负荷建模方法已经不再适应，尤其是在考虑电力系统运行工况更接近安全稳定极限的情况下，需要建立更符合实际的负荷模型。 20世纪60～70年代，由于数字电子计算机及控制理论的发展，电力系统这门工程学科焕发了新的活力。人们大量采用计算机进行复杂电力系统的仿真计算，与其他系统元件模型一样，负荷建模工作有了一定的进展，除提出了*常用的恒定阻抗、恒定电流和恒定功率负荷模型以外，还在计算中采用了感应电动机、多项式和幂函数等负荷模型。这些负荷模型参数的确定当时主要靠定性估计，并辅以静态函数拟合，系统辨识理论尚处在发展阶段，还没有广泛引入到电力负荷建模中来。 20世纪70年代以来，美国EPRI一直致力于统计综合法负荷建模的研究。早年的研究工作在加拿大和美国同时展开，美国的得克萨斯州大学负责建模方法的研究，GE公司负责通过现场试验对建模方法进行评价。该方法是在实验室里确定每种典型负荷（如荧光灯、电冰箱、工业电动机、空调等）的平均特性方程；然后在一个负荷点上统计一些特殊时刻（如夏季峰值负荷、冬季峰值负荷）负荷的组成，即每种典型负荷所占的百分比，以及配电线路和变压器的数据，*后综合这些数据得出该负荷点的负荷模型。经过多年的努力，发表了许多研究报告［2，20，21］，并且开发了到目前为止统计综合法负荷建模中*具影响的软件包EPRI LOADSYN。该软件使用时需提供三种数据：负荷组成，即各类负荷（民用、商业、工业等）在总负荷中所占的百分比；各类负荷中各用电设备（荧光灯、电动机、空调等）所占比例；各用电设备的平均特性。但由使用者必须提供的只有**种数据，后两种数据可以采用软件包提供的典型值。这给软件包的使用者提供了一定的方便。 IEEE负荷建模工作组自1982年成立以来，对归纳总结负荷建模的研究成果和指导负荷建模的研究发挥了重要作用。IEEE 1993年的报告［11］统一了负荷建模中的许多术语和定义，总结了不同类型负荷、不同分析目的的负荷模型的构造技巧和需要考虑的重要方面。1995年2月的报告［22］列出了许多有价值的负荷模型以及重要的文献和著作，以期望推动负荷建模的进一步研究和实际应用，同时也作为负荷建模标准化的补充。1995年8月的报告［23］推荐了用于电力系统潮流计算和动态仿真的标准化负荷模型。 20世纪80年代前后，随着系统辨识理论的发展以及计算机数据采集与处理技术的发展，产生了一种新的负荷建模方法——总体测辨法。该方法的基本思想是将负荷群作为一个整体，首先采集现场进行的人工扰动试验或系统随机扰动的测量数据，然后用现场采集的数据辨识负荷站点的总体负荷模型的结构和参数，*后用大量的实测数据对所辨识的负荷模型进行验证。这种方法就是根据现场测量的数据和辨识确定负荷有功功率和无功功率与电压和频率之间的关系表达式。中国、美国、加拿大等国相继研制了电力负荷特性记录仪用来记录负荷扰动数据，并以这些测量数据作为依据和*终检验标准开展负荷建模的研究，不断吸收系统辨识理论的*新成果，推动负荷建模工作不断向前发展，发表的论文如文献［3］～［5］、［12］、［24］～［30］。虽然这种方法具有固有的实用特性，但是需要在现场安装大量精确的测量装置，加之实际系统中很少发生可用于负荷建模的较大扰动事件，因而该方法的广泛应用受到了限制。长期以来，在工程实际中应用*广泛的则是基于事故仿真的负荷模型建模方法。美国WSCC在对1996年8月美国西部电力系统大面积停电事故的仿真分析的基础上，采用故障拟合法，提出了WSCC系统计算分析中负荷模型的修改意见。1996年8月10日和2000年8月4日发生在美国WSCC的两次停电事故，促使由WSCC更名的美国西部电力协调委员会（Western Electricity Coordinating Council，WECC），于2002年用包含20%～30%电动机负荷的临时负荷模型（interim load model）替代纯静态负荷模型。自此WECC成立了负荷建模工作组，对负荷模型和建模技术开展持续深入的研究。自1990年以来，美国加利福尼亚（California）南部地区发生多次故障后电压缓慢恢复的事件，相似的事件同样发生于佛罗里达（Florida）电力和照明公司，而采用过渡负荷模型依然无法模拟出这些故障后母线电压缓慢恢复的特性，于是2006年WECC负荷模型工作组提出了更为复杂的模型结构［31，32］。国内从80年代中期就开始了负荷建模的研究工作，主要的研究单位有中国电力科学研究院、华北电力大学、河海大学、清华大学、湖南大学、郑州大学、上海交通大学和西安交通大学等高校和科研单位。华北电力大学和河海大学在基于现场测量数据对负荷特性进行建模方面展开了大量的研究工作，并取得了很多的研究成果。华北电力大学贺仁睦教授领导的研究团队长期从事负荷模型的实测辨识和模型的有效性研究。1999年6月华北电力大学与广东省电力调度中心合作，在广州地区安装了负荷特性辨测系统，经过现场运行得到了大量的数据，并通过对负荷特性的分类和综合得到了具有统计规律的负荷特性模型。2002年1月又与华北电力调度局合作，分别在张家口地区的侯家庙、东山坡等变电站安装负荷特性记录仪进行负荷模型的实测辨识。 20世纪80年代以来，河海大学鞠平教授领导的研究团队一直开展着负荷建模的研究工作，与河南省电力调度中心、福建省电力调度中心等单

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