高泽明，贾京华，王 琦

(1.河北省电力公司，石家庄 050021；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

在电力系统稳定性的分析计算中，发电、输电、用电等各环节中设备的模型和参数都是直接组成部分。在以往的工作中由于负荷模型和参数较为复杂并且不易获取，造成了针对负荷长期使用简单模型、简单处理的工作方式。为了进一步提高计算分析的准确性，必须应用新的、贴近实际的负荷模型和参数辨识方法。

目前，河北南网均采用相同的负荷模型及参数(采用40%恒阻抗+60%Ⅲ型电动机模型)，但是随着网架结构及负荷水平的发展，原有的负荷模型已经不适应工程需要。考虑配电网络的综合负荷模型(SLM)可以很好的解决这一问题[1]。综合负荷模型确定的关键主要取决于两个方面：负荷模型的辨识和参数的确定，这两个方面都依赖于详细的负荷调查。以下基于综合负荷模型理论，以周密组织的负荷调查为基础，提出并完善了河北南网实际综合负荷模型及其参数，提高了电网仿真计算的精度，增加了仿真结构的可信度。

1 负荷模型结构分析

负荷模型特别是动态负荷模型对电网动态安全分析有着重大影响，在部分情况下可能影响计算分析的结果，因此，合理选择负荷模型对于提高计算分析的准确度有重要意义。

1.1 不同负荷模型对电网仿真计算的影响

1.1.1 对潮流计算的影响

目前，电网潮流计算中采取恒功率模型。仿真计算实践表明，当在额定电压附近，其收敛性较好；但在无功功率平衡不佳、潮流过重等情况下，迭代方程经常出现不收敛的问题，而采用考虑更加贴近实际的动态模型时，收敛性得到加强。

1.1.2 对暂态计算的影响

在系统发生机电暂态过程(如异步振荡)时，电网的频率和电压会发生变化。负荷模型对暂态稳定性的影响主要表现在随着电压、频率的变化，负荷的大小随之变化，发电机转子上机械功率与电功率的平衡即随之变化，造成发电机转子摇摆特性发生变化。通常认为采用“保守的”负荷模型可以确保系统安全运行，实际上由于电力系统的复杂性，很难找到一个负荷模型使得系统的分析结果总是偏于“乐观”或总是偏于“保守”。而且由于上述原因，静态负荷模型无法准确反映在电压和频率变化较大的情况。

1.1.3 对电压稳定计算的影响

电压稳定的实质即为负荷稳定，电压稳定计算更加依赖于负荷模型的准确性。通常在大多数论证中经常采用异步发电机的P-U曲线、Q-U曲线来阐述电压崩溃的正反馈过程，然而在复杂的生产运行环境中往往需要更加精细的考虑的多种类型用电设备共同作用下的模型才能合理解释或者较好拟合真实的电压崩溃过程。由此可见，负荷模型准确度决定着电压稳定性分析结果准确度。

1.2 现有负荷模型存在的局限性

目前，河北南网采用40%恒阻抗+60%电动机的负荷模型。存在如下局限性：模型静态部分没有考虑配电系统阻抗的影响；模型的电动机定子电抗计及配电系统电抗时，没有考虑配电系统的无功补偿以及静态负荷的影响；模型静态部分的无功功率可能有负的恒定电流和恒定功率成分，即被处理成无功电源。

1.3 考虑配电网络的综合负荷模型的优点

考虑配电的综合负荷模型示意[2]，见图1。模型采用调整后的励磁模型，计及小机组的影响，并应用综合负荷模型及参数。对东北电网2004年和2005年所做的四次三相短路试验的仿真计算结果表明，仿真曲线与实测曲线吻合较好，表明考虑配电网的综合负荷模型结构合理，可以比较完整地模拟负荷与配电系统。其优点有：静态负荷和电动机负荷都可以考虑配电系统阻抗的影响；模拟了配电系统的无功补偿；可以方便地考虑配电系统的小机组；静态无功负荷不会出现负的恒定电流和恒定功率。

图1 考虑配电网络的综合负荷模型示意

2 利用统计综合法建立综合负荷模型

统计综合法是获得综合负荷模型的常用手段[3]，从综合负荷模型本身的特点来看，其最终模型组成和参数确定也需要用统计综合的方法来完成。

2.1 统计综合法建模的原理

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的数学模型，然后在一些典型节点上统计某些典型时刻(如早高峰负荷、晚高峰负荷、冬季大负荷、夏季大负荷等)各种负荷的组成比例，最后综合这些数据得出该负荷点的负荷模型[4]。

2.2 统计综合法建模的基础条件

2.2.1 负荷类型信息

电力系统负荷是由许多不同的用电设备组成的。通常情况下，负荷大致可以分为如下几种类型：居民负荷，主要指城市居民用电，包括照明、家电等；商业负荷，指用于商业方面的机构；工业负荷，主要指工业企业；农业负荷，指农村地区用电，包括灌溉，农业居民用电等。

2.2.2 用电设备的比例

电力系统中包含不同的负荷类型，而且各个用电设备的特性不同，因此每种用电设备在各类负荷中所占的比重也是很重要的数据组成部分。

2.2.3 用电设备的负荷特性参数

负荷特性通常是由有功功率、无功功率相对于电压、频率的关系曲线给定的。对于负荷，可以对有功功率、无功功率相对于电压、频率的关系曲线进行线性化，可以得到：

(1)

(2)

对于某一负荷，要求给出整个负荷的特性参数和功率因数，这样可以确定整个负荷的静态特性参数。

如果含有马达，则需要给出马达功率占整个负荷功率的比例、马达参数和除马达负荷外的负荷特性参数。这样可以得到整个负荷的静态参数和动态马达参数。

2.3 静态负荷模型的统计综合

静态负荷模型有很多种形式，不同电力系统分析程序采用不同形式的静态负荷模型。文中采用了式 (3)、式(4) 所示的静态负荷模型。

(3)

(4)

有功负荷模型式(4)中含有2个部分，都是电压的指数函数，第一部分综合所有与频率相关的负荷，第二部分为综合所有与频率无关的负荷。无功负荷模型式(4)中也含有2个部分，第一部分包含所有负荷元件消耗的无功功率，第二部分为节点和负荷之间配电网的无功补偿和无功损耗。

以上模型在实际应用中需要转化成有恒功率(P型)、恒阻抗(Z型)、恒电流(I型)组成的静态模型。

2.4 动态负荷模型的统计综合

多个感应电动机可以综合为1台感应电动机，综合过程基于如下原则：感应电动机参数以感应电动机的额定容量(相对于节点总负荷的标么值)为加权因子进行综合；假定所有的感应电动机等值支路中3个支路的两端都直接并联；等值感应电动机的临界滑差等于所有感应电动机临界滑差的加权均值。

3 河北南网负荷的普查分析

统计综合法调查的数据量很大，主要包括：220 kV变电站的变压器、线路、无功补偿等相关数据； 220 kV变电站的接线结构；220 kV变电站所有负荷出线调查时刻的有功功率、无功功率、电流、电压、功率因数负荷数据；线路的详细负荷组成数据，主要有居民、商业、农村、纺织、造纸、医药、食品、机械等负荷类型。

根据河北南网负荷类型普查结果，需要选取工业负荷、工业居民混合负荷、工业农业混合负荷、工业居民农业混合负荷4种类型的典型220 kV站点，开展配电网络、负荷构成和负荷特性的详细调查。本次研究调查包括河北南网共82座220 kV负荷站点，每座220 kV变电站均调查了所带工业负荷、居民负荷、商业负荷、农业负荷的有功功率、无功功率大小和所占百分比，以及工业负荷的具体负荷构成情况。河北南网负荷调查情况，见表1。

表1 河北南网负荷调查情况

4 河北南网不同类型负荷的建模分析

4.1 工业负荷

如果某220 kV变电站所带工业负荷的有功功率占该变电站总有功功率的百分比大于75%，则将该变电站归类为工业负荷类型变电站。通过调查，安托(石家庄)220 kV变电站的负荷构成包括85%的工业负荷，可以作为工业负荷类型的典型站点。安托220 kV变电站负荷类型，见表2。

由统计综合法得到综合负荷模型中的静态负荷参数和动态负荷参数分别见表3和表4。

表2 安托220 kV变电站负荷类型

表3 安托220 kV变电站静态负荷及配电网络等值阻抗

表4 安托220 kV变电站动态负荷参数

4.2 工业居民农业混合负荷

如果某220 kV变电站所带工业负荷的有功功率占该变电站总有功功率的百分比大于20%，居民和商业负荷有功之和所占百分比大于20%，而且农业负荷所占百分比也大于20%，则将该变电站归类为工业居民农业混合负荷类型变电站。南郊(保定)220 kV变电站的负荷构成包括29.0%的工业负荷，11.0%的居民负荷，16.0%的商业负荷，以及40.0%的农业负荷，为典型的工业居民农业混合负荷站点。南郊220 kV站负荷类型见表5。

表5 南郊220 kV变电站负荷类型

由统计综合法得到综合负荷模型中的静态负荷参数和动态负荷参数分别见表6和表7。

表6 南郊220 kV变电站静态负荷及配电网络等值阻抗

表7 南郊220 kV变电站综合负荷模型动态参数

5 负荷模型的仿真对比

5.1 安托220 kV变电站仿真对比

仿真系统采用单机无穷大系统经三回线向安托220 kV变电站供电，稳定条件下将综合负荷模型与原系统(安托220 kV变电站详细系统，包括110 kV线路、35 kV线路、变压器、无功补偿装置等)、现有模型(60%马达+40%恒阻抗)进行仿真对比，故障条件为三回线单回送端三相永久性故障，0.06 s跳单回线，仿真结果见图2、图3、图4。

图2 安托220 kV 变电站110 kV侧母线电压

图3 安托220 kV 变电站110 kV侧母线有功功率

图4 安托220 kV 变电站110 kV侧母线无功功率

5.2 南郊220 kV变电站仿真对比

仿真系统采用单机无穷大系统经三回线向南郊220 kV变电站供电，稳定条件下将南郊220 kV变电站综合负荷模型与原系统(南郊220 kV变电站详细系统，包括110 kV线路、35 kV线路、变压器、无功补偿装置等)、现有模型(60%马达+40%恒阻抗)进行仿真对比，故障条件为三回线单回送端发生瞬时三相短路故障，故障后0.06 s故障消失，仿真结果见图5、图6、图7。

图5 南郊110 kV变电站110 kV母线侧电压

图6 南郊110 kV变电站110 kV母线侧有功功率

图7 南郊110 kV变电站110 kV母线侧无功功率

6 结论

为提高电网计算分析的准确性和可信性，提出在生产实践中建立综合负荷模型，且通过大规模负荷调查得出了综合负荷模型所需要的较为准确的参数，用以提高仿真计算的准确性。对比计算分析表明，原有负荷模型与综合负荷模型在仿真过程中存在部分差异，由于综合负荷模型相对原模型更加丰富，考虑更加全面，参数选取更加严谨，因此，其可信度高于原负荷模型。实践证明，基于实测的河北南网综合负荷模型应用于生产工作后会大大提高仿真计算结果的可信度，为保障电网安全运行提供支持。

[1] 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.

[2] 邱丽萍，赵 兵，张文朝，等.综合负荷模型对大区互联电网稳定性的影响[J].电网技术，2010，34(10)：83.

[3] 汤 涌，赵 兵，张文朝，等.综合负荷模型参数的深化研究及适应性分析[J].电网技术，2010，32(2)：58.

[4] 陈 谦，孙建波，蔡 敏，等.考虑配电网络综合负荷模型的参数确定[J].中国电机工程学报，2008，28(16)：46-47.

本文责任编辑：齐胜涛