天津电网负荷模型及适应参数

黄志刚，郑卫洪

（天津电力调度通信中心，天津 300010）

随着对电网安全要求的日益增高，电网仿真计算结果的准确性问题愈来愈得到关注。在东北—华北联网及后续的三华电网联网工程调试中电网调度部门及相关研究单位发现在具有较详细的发电机模型和电网模型的基础上进行的仿真计算结果仍然与电网运行实际存在较大差距，经研究发现导致这种差距的重要原因之一就是电网的负荷模型不够完善。为了进一步提高电网仿真精度，探索与电网实际发展相一致的负荷模型和建模方法已成为亟待解决的问题。

1 负荷模型对电网仿真计算的影响

电力系统仿真计算通常包括电力系统模型的建立、模拟过程计算和计算结果梳理显示3大部分组成。电力系统模型的建立是整个仿真计算的基础。电力系统模型的建立又是由发电机及其励磁，调速系统模型的建立，电网模型的建立和负荷模型的建立3部分组成。因此负荷模型建立的恰当与否往往对电力系统仿真计算结果产生重要影响，有时甚至是质的结论性的影响[1-3]。

1.1 负荷模型对潮流计算的影响

仿真计算实践表明，当电网运行条件良好时，节点电压运行于额定值附近，采用恒定功率负荷模型的潮流计算一般不存在收敛问题。但对于运行条件恶化的电网，例如故障后断开线路或切除发电机组等，系统电压偏离额定值较大时，采用恒定功率负荷模型的潮流计算则存在收敛问题，而采用考虑实际负荷功率随电压变化的负荷模型（例如，幂函数等模型）时，潮流计算的收敛性就可以得到改善[4]。

笔者查阅发现IEEE负荷建模工作组1988年对北美电力系统85个企业的调查结果也有同样的结论[4]。

1.2 对暂态稳定计算的影响

以前笔者在实践中曾试图寻找一种“全面保守”的负荷模型以确保系统的安全运行，但经研究发现实际上由于电力系统的复杂性，同一种负荷特性处于系统的不同地点和在不同的故障条件下对系统稳定的影响不同，很难找到一个负荷模型使得系统的分析结果总是偏于“保守”。例如假设实际负荷特性为恒电流，其功率随电压幅值变化，而采用恒阻抗来表示时，则负荷功率随电压的平方变化，当负荷点位于加速的发电机附近，得到的分析结果偏于“保守”，因为恒阻抗模型加剧了发电和功率消耗的不平衡；若负荷位于减速的发电机附近，则得到的分析结果偏于“乐观”。相反，用恒功率模型表示恒电流特性时，若负荷位于加速的发电机附近，得到的分析结果偏于“乐观”；若负荷位于减速的发电机附近，得到的分析结果则偏于“保守”。

在国外也有类似情况，例如在研究加拿大安大略西北部一个局部系统从互联大系统解列后的动态行为时，人们发现采用静态负荷模型和采用动态模型的计算结果相差甚远[5]。

1.3 对电压稳定计算的影响

电压稳定的计算与电力系统其他的定量计算相比较，对负荷模型的依赖程度更强。以1983年瑞典电压崩溃事故为例，按当时的简单的静态模型根本无法解释电压崩溃现象的出现，而后经采用计及感应电动机、照明、冰箱、空调等用电设备特性的比较详细的负荷模型时才得以仿真整个电压崩溃的过程[6]。

除上述方面外，负荷模型还对系统的小干扰稳定计算等其他方面产生影响。

2 综合负荷模型（SLM）框架

目前常见的负荷模型有ZIP负荷模型、指数负荷模型、静态频率特性组合模型、感应电动机模型、D.J.Hill负荷恢复模型以及相关的变种和组合等。笔者认为电网负荷模型的建立必须以电网运行实际为基础，且经过较好的实际检验。中国电力科学研究院曾提出一种考虑配电网络的综合负荷模型（SLM）框架（见图1），在对东北电网2004年和2005年所做的4次三相短路试验进行的仿真中使用，并取得了较好的仿真计算效果[7]。

图1 综合负荷模型（SLM）框架

综合负荷模型（SLM）框架本身具有如下特点：

1）静态负荷和电动机负荷都可以考虑配电系统阻抗的影响；

2）模拟了配电系统的无功补偿；

3）可以方便地考虑配电系统的小机组；

4）通过引入负荷功率因数，可使静态无功负荷不会出现负的恒定电流和恒定功率。

结合以上特点，笔者认为采用综合负荷模型（SLM）框架来构建天津电网的负荷模型是较为适宜的。

综合负荷模型（SLM）目前没有被广泛使用，主要原因是：

1）需要的模型参数较多；

2）各个不同地区的负荷特性本身差别较大，给使用统一参数带来困难。

3 天津电网负荷模型的具体表述

在综合负荷模型（SLM）框架下对天津电网的负荷模型进行具体描述如下：

1）依据LOADSYN的基本思想负荷模型对符合模型的表述，见图2。对任一配电网络，不同类型的负荷通过馈线和变压器在节点A处与系统相连。每个负荷元件都含有一套静态和动态参数。所有本级的负荷元件（含配电网络无功补偿）按并联考虑，下一级负荷则以递推形式表述。采用统计方法形成各级节点的负荷特性参数，经转化为指定格式的负荷模型参数后，则递归的求出整个负荷参数。

图2 LOADSYN负荷模型图

2）对静态负荷模型按如下考虑。

式中，Pa1为有功功率中与频率相关部分负荷占有功功率的比例；KPV1为有功的频率相关部分的电压指数；KPV2为有功的频率无关部分的电压指数；KPF1为有功负荷的频率灵敏系数；△f为频率与额定值的偏差，标么值；V为节点电压；V0为节点电压初值；P0为节点有功负荷初值。

进一步可将静态负荷模型转换为由恒功率、恒电流、恒阻抗组成的表达形式

式中，LDP和LDQ为频率因子。

3）对感应电动机按如图3考虑。

图3 感应电动机模型图

4）对配电网的等值电抗的考虑。由于天津电网调度管理较为到位，天津电力调度中心和天津地区各个基层调度单位具有较为完备的配电网的等值电抗数据，可以直接使用。

4 天津电网负荷模型参数的形成

对于负荷模型的参数拟合是负荷模型能否实际适用的关键。天津电网到目前为止一直安全稳定运行，没有发生大的稳定破坏事故，没有十分典型的可供进行参数拟合的故障录波数据。又由于天津电网处于华北电网的核心区域，负荷性质重要，进行大的系统性的扰动试验将带来极大的系统运行风险，还有可能造成较大的经济、社会影响，因此也是不宜采取的。综上，笔者认为统计综合法是获得天津电网负荷模型参数的较为可行的方法。

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特殊时刻（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比例，以及配电线路和变压器的数据，最后综合这些数据得出该负荷点的负荷模型。统计综合法的特点是技术成熟，具有商业化软件支持，统计调查不依赖现场试验，但需要动用较大的人力进行调查。

2007年国家电网公司启动了深化研究电网负荷模型及其参数工作。在华北电网有限公司、天津市电力公司的支持下，笔者有幸组织天津电网调度系统人员和营销系统人员对2007年8月15日10：00和2008年1月15日10:00 2个典型时刻的天津电网的实际负荷进行了调研；调研的地域包括中心市区、环城地区、滨海地区及农村地区；电压等级从220 kV到居民的220 V民用电；调研的厂站包括3个220 kV专用变电站，4个220 kV公用变电站及其下属的34座110 kV、35 kV变电站；涉及35 kV及以上主变110余台，10 kV及以上线路600余条；并走访了大量的各类电力用户实地了解负荷情况。

根据调研的实际情况，天津地区的负荷大致可以分为居民负荷、商业负荷、工业负荷、农业负荷4个基本类别。其中居民负荷大致可以分为供暖负荷、制冷负荷、一般家电负荷、照明负荷等。商业负荷是一种比较复杂的负荷，本次研究中我们按照建筑形式分为商店、旅馆、仓库等，对工业负荷分为生产加工、制造、采矿、食品、烟草、纺织、木材加工、家具、造纸、印刷、化学、石油化工等。

对统计结果利用式（4）、式（5）进行处理，以确定负荷的静态特性。

如果含马达则调研出马达功率占整个负荷功率的比例，拟合出定子电阻Rs、定子电抗Xs、激磁电抗Xm、转子电阻Rr、转子电抗Xr、低压释放电压Vi、低压释放延迟Ti、机械转矩系数A和B、惯性时间常数Tj和负载率LFm等。

5 实例研究

以鄱阳路220 kV站为例，进行研究和对比。依据本次研究形成的工业220 kV站参数结果如表1、表2。

采用如图4所示的等值网络。

表1 马达参数

表2 静态负荷构成

图4 鄱阳路站系统负荷模型图

采用单机无穷大系统模式向鄱阳路220 kV变电站送电，同杆并架线路送端发生三相故障，0.2 s切除模拟，对比实际的详细的未等值的系统（原系统）、采用天津电网负荷模型及参数系统（SLM等值模型）及华北电网常规稳定计算模型，对电压、有功、无功的结果如图5、图6、图7所示。

仿真计算结果表明依本文方法获得的天津电网负荷模型及参数系统比华北电网常规使用的模型及参数系统更加负荷天津电网实际。

图5 鄱阳路110 kV电压图

图6 鄱阳路110 kV有功图

图7 鄱阳路110 kV无功图

对以居民、商业、农业为典型负荷的220 kV站的仿真计算结果，也都依本文方法获得的天津电网负荷模型及参数系统更加负荷天津电网实际，这里因篇幅所限不再列举。

6 推广与应用

根据本次研究出的负荷模型及其参数，天津电力调度通信中心对天津电网内所有220 kV站进行了归类。依据归类结果在稳定计算中使用本次研究出的相应的负荷模型及其参数系统，取得了较好的仿真效果。检验出了柳曹I、II线在单套全线快速保护检修条件下，I段距离保护范围外（距杨柳青站线路全长70豫处）发生三相永久故障，II段距离保护经0.5 s延时切除故障，杨柳青电厂机组失稳的安全隐患[8]。经天津电力调度通信中心提出，天津市电力公司已经对该线路已加装了双套全线快速保护，消除了安全隐患。

现《天津电网负荷模型及适应参数研究》项目已获得天津市电力公司科技成果进步奖，本文所提出的天津电网负荷模型及适应参数正在天津电网稳定计算中推广应用。

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[7]张红斌，汤涌，张东霞，等.考虑配电网络的感应电动机负荷模型聚合方法研究[J].中国电机工程学报，2006，26（24）：1-4.

[8]黄志刚.2008年天津电网运行方式分析报告[R].天津：天津电力调度通信中心，2007.