一种适用于大区互联电网的负荷模型参数拟合方法

王吉利，柯贤波，李卓然，李威，霍超，程林，张正利

（1.国家电网公司西北分部，陕西西安 710048；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100；3.南京南瑞集团公司，江苏南京 211100）

一种适用于大区互联电网的负荷模型参数拟合方法

王吉利1，柯贤波1，李卓然2，李威3，霍超1，程林1，张正利2

（1.国家电网公司西北分部，陕西西安 710048；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100；3.南京南瑞集团公司，江苏南京 211100）

电力负荷模型是电力系统分析计算的基础，模型参数的准确性关系到电力系统的安全稳定分析结果的可靠性。基于现代大区互联电网规模过于庞大、传统建模方法用于实际工作时仍存在很多问题，提出了一种针对大区互联电网的负荷模型参数的拟合方法。统计大电网内的负荷特性，根据以往的工程经验或负荷手册的推荐参数初步估计其负荷参数。将大电网按照管理和结构特征，划分为若干较小区域，调节每个小区域中负荷模型的某些重点参数并进行仿真计算，得到重点参数对全网仿真结论影响的灵敏度。根据实际电网的录波场景，分区调节负荷的重点参数，使得最终的仿真拟合效果满足一定的精度要求，得到适用的负荷模型参数。采用实际的电网扰动场景验证了该方法的正确性与实用性。

大区域；互联电网；综合统计法；故障仿真法；负荷参数分区调整

大区互联电网占地广阔，电力元件众多，负荷量巨大。因此，对大区互联电网进行准确的仿真分析，对电网的安全稳定运行具有重要的理论意义和实际工程价值[1-3]。

理论上，为了对大区互联电网进行准确的仿真分析，需要对各个电力元件进行精确的建模。对于发电机、变压器、FACTS设备等数量有限的元件而言，建模工作相对容易。但负荷是由成千上万个用电设备所组成的，各类用电设备的特性又不相同。因此，对于数量庞大的负荷设备，其建模工作非常困难。当然，若全网采用一种模型参数，也与实际的负荷分布存在较大误差。因此，工程上可以根据负荷的特点，总体分为几类较合适。

在进行电力系统计算和分析时，既无必要、也不可能对所有用电设备都逐个加以精确地建模。人们所关心的是负荷群对外部系统所呈现的总体特性。因此，需要建立一组“总体”的负荷模型。这个模型应能代表某个地区（变电所）负荷群的总体外部特性。

实际工程中，甚至希望负荷实用模型与其未知的精确模型间存在稍许误差，从而可以覆盖电力系统中存在一些不确定因素，使得最终的仿真结果与电网实际更吻合，即一种通过电网实际录波场景进行仿真拟合的模型。然而，对于大区互联电网而言，该项工作非常复杂，难以实施。

因而，本文提出了一种针对大区互联电网的负荷模型参数的拟合方法。统计大电网内的负荷特性，根据以往的工程经验或负荷手册的推荐参数初步估计其负荷参数。将大电网按照管理和结构特征，划分为若干较小区域，调节每个小区域中负荷模型的某些重点参数并进行仿真计算，得到重点参数对全网仿真结论影响的灵敏度。根据实际电网的录波场景，调节负荷的重点参数，使得最终的仿真拟合效果满足一定的精度要求，并最终得到全网的负荷模型参数[4-5]。通过基于实际录波场景的仿真算例进行了验证。

1 负荷建模的方法

目前电力负荷建模方法可以归纳为3类：第一类是统计综合法；第二类是总体测辨法；第三类是故障仿真法。统计综合法的基本思想是将负荷看成个别用户的集合，首先将这些用户的电器分类，并确定各种类型电器的平均特性；其次统计出各类电器所占的比重，最后综合得出总体的负荷模型。总体测辨法的基本思想是将负荷群体看作一个整体，首先从现场采集测量数据；其次确定负荷模型的结构；最后根据现场采集的数据辨识出模型参数[6-8]。故障仿真法主要步骤是：对于负荷模型的未知参数先采用典型参数，仿真实际系统事故；将仿真输出曲线与实际曲线进行对比，分析误差；作参数敏感度的分析，进行参数修正，直到仿真输出能够最好地拟合实际曲线。

故障仿真法的优点是参数确定过程与现在程序计算时选择参数的过程一致，而且在某些故障下能获得重现[9-10]。但实际上这是一种试凑的方法，在某些故障下的负荷参数是否适用于其他故障难以保证，而且认为全系统负荷参数统一相同、恒定不变显然不符合负荷的实质。

综上所述，统计综合法比较适合于宏观定性，总体测辨法比较适合于微观定量，故障仿真法比较适合于最终校验，单一地采用某一种方法都是困难或者不妥的。为此，本项目采用了一种综合建模方法，即结合了传统的统计综合法和故障仿真法，并根据其在大区互联电网中的应用提出了新的实施方案。

2 大区互联电网负荷模型参数拟合方法

2.1 方法的原理概述

大区域互联电网规模过于庞大，不同地区的负荷特性是不一样的，因此对电网的分析计算可采用不同的分地区负荷模型。地区的划分，可依照实际的行政区域划分，也可以按照相应的网络结构特性划分。另外，负荷模型的参数众多，他们对电网的影响程度是不一样的，因此从工程角度而言，需要确定若干重点参数，进行下一步的参数拟合。

本文中的负荷模型均采用如图1所示CLM模型，即将综合负荷模型（由等值静态负荷和等值电动机并联组成）直接接在110 kV母线上。SLM模型中共有12个参数待定。通过灵敏度分析，确定电动机定子电抗X1、电动机初始负载率KL和负荷电动机比例PMP为重点辨识和拟合参数，其余参数通过综合统计和经验给出[6]。大区互联电网的负荷模型参数拟合整体架构如图2所示。

图1 CLM模型结构Fig.1 Model structure of CLM

1）首先，根据负荷建模的统计综合法，将负荷看成个别用户的集合，并将这些用户的电器分类（一般可分为工业负荷、商业负荷、居民负荷和农业负荷等），确定各种类型负荷的平均特性。其次需统计出区域内各变电站不同类型负荷所占的比重，最终按所占比重最多的负荷类型将变电站分类。

图2 适用于大区互联电网的负荷模型参数拟合方法框图Fig.2 Block diagram of parameters fitting the load model of the large-scale interconnected power grid

2）由负荷的统计特性结果，根据过往的经验或查询相应的技术手册，确定各类负荷的初始参数，并作为待拟合的负荷模型参数（即初始负载率、感应电动机比例和定子电抗）的初值。与此同时，根据电网的实际运行特点，考虑包容各种不确定因素后，得到相应的极端情况下的运行方式，作为典型运行方式。再由负荷模型的初始参数及其他元件的参数，得到典型运行方式下的仿真算例。对典型运行方式下的仿真算例进行分析，分析过程为：将划分好的各区域与3个参数随机组合，计算各组合中参数取不同值对典型观测量的影响（如A、B两区域的PMP分别取10%、15%、20%3个参数进行仿真，记录其对典型观测量的影响。），从而得到一个包括地区划分、参数和典型观测量的三维电力负荷参数灵敏度排序表。

3）由分布式的量测设备，记录下电网发生故障时实际动态过程的录波场景。并基于实际的录波场景，得到相应的基于实际场景的仿真算例。

4）针对电网实际故障场景，根据得到的三维电力负荷参数灵敏度排序表进行仿真拟合，以调节负荷参数到更合适的值。

2.2 负荷参数分区调整对仿真的影响

根据电网的典型算例，以负荷模型初始参数为基准并分区地改变参数，研究参数变化对仿真结果的影响。可得到一个三维表，第一维是地区划分（包括地区组合），第二维是参数（包括参数组合），第三维是典型观测量。表格的内容是典型观测量的变化幅度，可用最小二乘拟合误差表示：

式中：N为数据的长度；Pi为变化后的观测量；为原始的观测量。

观测量可选择故障点附近联络线的有功、负荷节点电压或者送端容量较大的发电机功角等。收敛精度的选择需要视具体情况以及负荷模型的精度要求而定。

根据不同观测量的需求，以一个观测量或多个观测量的组合为目标，重新制定一系列排序表，即负荷参数灵敏度排序表。该表的内容为三维表的相关内容的加权组合。

式（2）表示参数改变后，仿真的误差与m个地区，n个参数，k个观测量相关。

式（3）表示Fi是关于第i个观测量的一个排序函数。

2.3 仿真拟合

对基于实际场景的仿真算例，施加与实际相对应的扰动，其输出结果与实际录波数据进行比较。对于多个观测量而言，如果输出误差都小于设定值，则当前的负荷参数即是期望的值；否则将偏差的观测量及其偏差输入到灵敏度排序表。根据灵敏度排序表，调整参数值，然后再用于基于实际录波场景的仿真算例计算，并继续判断与实际录波场景的误差，直到误差小于设定值，并结束迭代过程。其中迭代过程如图3所示。

图3 仿真拟合及参数调整流程图Fig.3 Flow chart of the simulation fitting and parameter adjustment

3 算例分析

西北电网覆盖了西北五省区，电网规模快速发展，随着与新疆联网、750 kV同步交流电网、跨区直流输电等建设，电网运行边界条件发生深刻变化。负荷增长迅速，其中高耗能负荷占比很高。此外，风电、光伏装机速度很快。因此，迫切需要对西北电网展开深入的仿真研究，而负荷模型的适用性是其中的关键问题。

3.1 假定故障录波场景算例

2014年夏季大负荷方式下，仿真敦煌到酒泉的单回线三相永久故障，作为假定的故障录波场景。

根据2.3节所提大区互联电网的负荷模型参数拟合流程，对负荷参数设定了初始值，并进行了仿真拟合。最终的拟合结果是：新疆地区的定子电抗比设定初值减小了28%左右，甘肃的电动机比例比设定初值增加了37%左右，甘肃青海定子电抗比初始设定值增加了17%左右，全网电动机初始负载率比初始设定值增加了0.14左右。

分别采用负荷模型的假定真实参数、拟合前初始参数、拟合后模型参数的仿真曲线如图4所示。由图4可见，采用拟合后参数的仿真曲线与模拟实测曲线拟合度更好，验证了本文所提出参数分区拟合方法的可行性与正确性。

3.2 实际故障录波场景算例

2014年1月16日，天山换流站在进行极II高端大负荷试验过程中，天中直流金属回线转大地回线时，直流极II高端闭锁，闭锁前直流单极功率2 030 MW。故障发生后，PMU记录了哈密、敦煌、沙洲、酒泉、天山等站点附近的动态数据。根据区互联电网的负荷水流程，对负荷参数进行了仿真拟合，哈密站近区母线电压和线路有功随时间相应曲线如图5—图8所示。

图4 负荷参数拟合的仿真结果对比Fig.4 Comparison of simulation results of load parameter fitting

图5 不同初始负载率的拟合曲线Fig.5 Simulation curves with different initial KL

由于初始潮流调节存在一定偏差，因此仿真曲线的前稳态与后稳态见都存在一定的偏差。通过实际仿真算例可知：

1）通过本文提出的基于灵敏度排序的大电网负荷模型自动拟合法在工程上是可行的。

2）通过改变负荷参数，可以改变大电网某些观测量的仿真值，是它们与测量值总体拟合效果更好。

3）本算例中线路功率波动比实际功率波动大，说明实际阻尼更大。因此有些观测量靠调节负荷参数来拟合，效果是不好的，需要调节发电机等其他参数，这也是符合实际的。

图6 不同初始电动机比例的拟合曲线Fig.6 Simulation curves with different initial PMP

图7 不同初始负载率的拟合曲线Fig.7 Simulation curves with different initial X1

图8 陕西、甘肃不同初始电动机比例的拟合曲线Fig.8 Simulation curves with different initial PMP in Shaanxi and Gansu

4 结语

本文针对大区互联电网的负荷建模问题，提出了一种基于调查统计与仿真拟合相结合的方法，并提出了相应的工程化、实用化的方案。通过对西北电网的仿真场景和实际录波场景进行拟合，验证了本文所提出方法的可行性与有效性。

由于实际发生的扰动相对较小，因此对实际的工程实施造成了困难。若适当降低PMU装置故障录波的门槛值，可获得更多的可用实际拟合场景。

针对某些特性靠改变负荷参数进行拟合效果不明显，在下一步工作中需要同时调节发电机、补偿器等参数进行故障拟合。

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（编辑 董小兵）

Parameters Fitting of Load Model for Wide-Area Interconnected Power Grid

WANG Jili1，KE Xianbo1，LI Zhuoran2，LI Wei3，HUO Chao1，CHENG Lin1，ZHANG Zhengli2
（1.Northwest China Grid Company Limited，State Grid Corporation of China，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China；3.NARI Group Corporation，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

Power load model is the basis of power system analysis and calculation，and the accuracy of model parameters is related to the reliability of power system security and stability analysis results.Because the scale of the modern large interconnected power grid is too large，there are still many problems in the existing traditional modeling method in practice.To this end，this paper proposes a fitting method of load model parameters for large interconnected power network.Based on the statistics of the load characteristics of the large power grid，according to the previous engineering experience or the recommended parameters of the load manual，the load parameters are estimated.The large grid is divided into certain small areas according its management and structure features，and then some key parameters of the load model in each small area are adjusted，simulated and calculated to obtain the the sensitivity of the parameters affecting the simulation conclusion of the entire grid.According to the recorded scene of the power grid，the key load parameters are adjusted so that the final simulation results meet the requirements of a certain precision，and the suitable load model parameters are obtained.The correctness and practicability of the proposed method is verified by the actual power grid disturbance scenarios.

wide-area；interconnected network；synthetic statistical method；fault simulation method；load parameter adjustment by areas

2015-12-02。

王吉利（1981—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统安全稳定分析与控制；

柯贤波（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定运行与控制；

李卓然（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定运行与控制。

国家自然科学基金（51137002，51377046）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB228204）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51137002，51377046）；National Key Basic Research Development Program（Program 973）（2013CB228204）.

1674-3814（2016）05-0034-06

TM714

A