智能電網(wǎng)中實時負荷模型建立研究

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 豐臺供電公司運維檢修中心，北京 100161；3.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，保定 071003）

0 引言

近年來，為適應(yīng)堅強智能電網(wǎng)的快速推進，提高智能電網(wǎng)預(yù)防和抵御事故的能力，電網(wǎng)實時仿真分析計算技術(shù)得到大力發(fā)展。此技術(shù)依靠電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)和并行計算，能夠?qū)崟r分析當前電網(wǎng)的風(fēng)險點和薄弱點，為調(diào)度人員預(yù)防事故發(fā)生提供強有力的支持。在實時仿真計算系統(tǒng)模型中，發(fā)電機、勵磁、調(diào)速等模型的參數(shù)大都經(jīng)過實測，唯有負荷模型一直采用不隨時間變化的靜態(tài)或動態(tài)模型，將一成不變的負荷模型用在反映實時變化的實時仿真計算當中必然會對結(jié)果精度造成影響。在負荷建模方面，目前廣泛采用的建模方法主要有實測建模法和統(tǒng)計綜合法兩種。實測建模法通過在選取的典型負荷變電站安裝負荷記錄裝置，并對記錄到的擾動數(shù)據(jù)進行辨識來獲取本地區(qū)的負荷模型參數(shù)，這也是最常用的負荷建模方法。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荷模型，隨著以后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的增強和智能化的提高，能夠造成電網(wǎng)大的擾動的事故越來越少，而且實測建模法只能得到擾動當時的負荷模型，無法獲取實時負荷特性，因此實測建模法在實時性方面有一定的缺陷。統(tǒng)計綜合法［1-4］通過統(tǒng)計各類負荷的構(gòu)成，并依據(jù)典型負荷的特性通過聚合的方法來獲取統(tǒng)計地區(qū)的負荷模型。統(tǒng)計綜合法負荷建模雖然具有思路清晰、便于理解等優(yōu)點，但由于此方法需要統(tǒng)計大量客戶側(cè)負荷的數(shù)量及運行狀態(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時負荷狀態(tài)的統(tǒng)計成為了現(xiàn)實。本文以智能電網(wǎng)為背景，提出了一種實時統(tǒng)計負荷建模方法，依托智能電網(wǎng)克服了原有實測建模法無法同時采集大量客戶側(cè)負荷特性數(shù)據(jù)的缺點以及實測建模法無法建立實時負荷模型的弊端，為電網(wǎng)實時仿真計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和智能家居來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、設(shè)備的控制，進而實現(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量的基本功能以外，還具有配網(wǎng)狀態(tài)估計、客戶能量管理、負荷遠程控制、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一步獲取終端用電客戶的詳細用電信息，包括客戶內(nèi)部的智能用電設(shè)備運行狀態(tài)、用電量、電能質(zhì)量等有利于電網(wǎng)運行的信息，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。文獻［8］指出電網(wǎng)的智能化需要電力供應(yīng)機構(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［9］指出智能化的表計是我國智能電網(wǎng)的第一步，客戶調(diào)度是智能電網(wǎng)建設(shè)的出發(fā)點，并給出了智能調(diào)度的基本架構(gòu)，其中重要一點就是智能負荷控制。文獻［10］詳細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)來進行客戶電力負荷預(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)備信息的特性來進行實時負荷建模的。

2 電網(wǎng)實時仿真

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、計劃校核和調(diào)度運行模式，推進穩(wěn)定分析計算向更短周期、更加精細方向拓展，具有強自適應(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)定運行必不可少的工具。文獻［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)定分析的實時化和在線化。文獻［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時仿真，為調(diào)度人員提供輔助決策支持。文獻［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)展在線實時安全穩(wěn)定分析，已經(jīng)取得了長足的進展，國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)絕大部分省級及以上調(diào)度機構(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、短路電流計算6個功能（見圖1），大大推進了調(diào)控運行的精細化管理［11-12］。

圖1 在線穩(wěn)定分析功能

3 實時負荷模型建立策略

在線穩(wěn)定分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括實時運行數(shù)據(jù)、靜態(tài)模型及參數(shù)、動態(tài)模型及參數(shù)（計算所用故障集）等。在某一實時斷面，實時運行數(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)電機勵磁、調(diào)速器等參數(shù)都是準確的，而應(yīng)該實時變化的負荷模型參數(shù)卻被人為設(shè)置成典型參數(shù)，這在無形當中降低了實時計算的精度。

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

圖2 傳統(tǒng)的統(tǒng)計綜合法建模流程

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

（1）通過智能電表實時獲取客戶側(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)用戶負荷區(qū)域，在客戶負荷區(qū)域內(nèi)，各類用電設(shè)備的運行狀態(tài)及功率消耗通過智能電表和高速網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)中心。

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

（3）根據(jù)所獲取的各類負荷的功率、占比以及各類負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)點的負荷模型。這里的典型參數(shù)庫包含電網(wǎng)中主要負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)電動機的動態(tài)模型，如圖4所示。為了與傳統(tǒng)模型進行比較，以框圖形式表示的建模過程如圖5所示。

圖3 智能電網(wǎng)中負荷數(shù)據(jù)實時采集與傳輸

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

圖4 智能電網(wǎng)中實時負荷模型建立流程

圖5 智能電網(wǎng)中實時負荷模型建立框圖

4 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，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)運行帶來的挑戰(zhàn)，而在線實時仿真因其實時、快速等優(yōu)點，越來越受到運行人員的關(guān)注。在實時仿真模型當中負荷模型受傳統(tǒng)建模方法的限制，一直無法實時獲取，這也成為制約實時仿真精度提高的主要原因。在智能電網(wǎng)中電網(wǎng)的運行模式發(fā)生了很大變化，電網(wǎng)與客戶之間的互動性得到了提升，這也為實時負荷模型的活動提供了契機。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)計綜合法負荷建模進行改進，提出了一種新型的實時負荷模型建立方法，新方法的提出不僅有效簡化了建模流程，更提高了建模的實時性，為實現(xiàn)電網(wǎng)真正意義上的實時仿真計算奠定了基礎(chǔ)。

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