智能电网中实时负荷模型建立研究

郑晓雨，郑静媛，王彦博

（1.国家电力调度控制中心，北京 100031；2.国网北京市电力公司 丰台供电公司运维检修中心，北京 100161；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定 071003）

0 引言

近年来，为适应坚强智能电网的快速推进，提高智能电网预防和抵御事故的能力，电网实时仿真分析计算技术得到大力发展。此技术依靠电网实时数据和并行计算，能够实时分析当前电网的风险点和薄弱点，为调度人员预防事故发生提供强有力的支持。在实时仿真计算系统模型中，发电机、励磁、调速等模型的参数大都经过实测，唯有负荷模型一直采用不随时间变化的静态或动态模型，将一成不变的负荷模型用在反映实时变化的实时仿真计算当中必然会对结果精度造成影响。在负荷建模方面，目前广泛采用的建模方法主要有实测建模法和统计综合法两种。实测建模法通过在选取的典型负荷变电站安装负荷记录装置，并对记录到的扰动数据进行辨识来获取本地区的负荷模型参数，这也是最常用的负荷建模方法。但此方法所用模型比较单一，而且必须记录到大的扰动数据才能辨识出较为理想的负荷模型，随着以后网架结构的增强和智能化的提高，能够造成电网大的扰动的事故越来越少，而且实测建模法只能得到扰动当时的负荷模型，无法获取实时负荷特性，因此实测建模法在实时性方面有一定的缺陷。统计综合法［1-4］通过统计各类负荷的构成，并依据典型负荷的特性通过聚合的方法来获取统计地区的负荷模型。统计综合法负荷建模虽然具有思路清晰、便于理解等优点，但由于此方法需要统计大量客户侧负荷的数量及运行状态，这在以往客户侧测量装置匮乏的情况下是很难实现的，因此该方法很少被采用。

近年来随着智能电网的飞速发展，开放、互动的智能电网实现了客户侧与电网侧的互动，高效、智能的家居设备以及通信手段使得实时负荷状态的统计成为了现实。本文以智能电网为背景，提出了一种实时统计负荷建模方法，依托智能电网克服了原有实测建模法无法同时采集大量客户侧负荷特性数据的缺点以及实测建模法无法建立实时负荷模型的弊端，为电网实时仿真计算的开展奠定了基础。

1 智能电网的互动性优势

智能电网［5-7］与传统电网的差别之一就是互动性［8］。与传统电网不同，在智能电网中客户通过智能表计和智能家居来实现数据的读取、设备的控制，进而实现用电侧与电网侧的互动。智能电表是智能电网中最重要的智能终端，它与传统电能表有着本质的区别。智能电表除了具有双向计量的基本功能以外，还具有配网状态估计、客户能量管理、负荷远程控制、故障分析、电网与客户双向通信等功能。因此，通过智能电表可以进一步获取终端用电客户的详细用电信息，包括客户内部的智能用电设备运行状态、用电量、电能质量等有利于电网运行的信息，也正是有了智能电表，才使得客户与电网的互动成为现实。文献［8］指出电网的智能化需要电力供应机构能够精确地获得客户的用电特性和规律，以便对供应和需求做出更合理的规划。文献［9］指出智能化的表计是我国智能电网的第一步，客户调度是智能电网建设的出发点，并给出了智能调度的基本架构，其中重要一点就是智能负荷控制。文献［10］详细阐述了智能电表的概念、功能及在各国的发展概况，在智能功能应用中指出智能电表能够采集水、气、热能消耗数据来进行客户电力负荷预测，为优化电网规划和调度提供便利。本文正是应用智能电表能够实时采集并传输客户设备信息的特性来进行实时负荷建模的。

2 电网实时仿真

随着智能电网的快速发展，电网形态的快速变化以及新能源发电的大规模接入，迫切需要改变现有系统分析、计划校核和调度运行模式，推进稳定分析计算向更短周期、更加精细方向拓展，具有强自适应能力的在线安全稳定分析及辅助决策系统，将成为提高智能电网安全稳定运行必不可少的工具。文献［5］指出智能调控中心在功能上应该具备快速安全分析功能，必须推动安全稳定分析的实时化和在线化。文献［7］指出在智能电网的发展趋势中，必须包含快速仿真决策技术，主要增加故障快速实时仿真，为调度人员提供辅助决策支持。文献［8］指出面对未来的智能电网，智能调度是未来的发展趋势，对智能调度应具备的功能进行了阐述，其中第一条就是系统快速仿真与模拟。

目前国家电网调度系统大力发展在线实时安全稳定分析，已经取得了长足的进展，国网系统内绝大部分省级及以上调度机构都安装了在线安全稳定分析模块，能够同时具备静态稳定分析、静态安全分析、暂态稳定分析、动态稳定分析、电压稳定分析、短路电流计算6个功能（见图1），大大推进了调控运行的精细化管理［11-12］。

图1 在线稳定分析功能

3 实时负荷模型建立策略

在线稳定分析基础数据包括实时运行数据、静态模型及参数、动态模型及参数（计算所用故障集）等。在某一实时断面，实时运行数据、静态模型参数以及动态模型参数中的发电机励磁、调速器等参数都是准确的，而应该实时变化的负荷模型参数却被人为设置成典型参数，这在无形当中降低了实时计算的精度。

因为传统的统计综合法无法实时统计负荷的构成，所以第一步需要选取典型负荷变电站，然后制作负荷统计表格，由站内人员填报典型负荷的比例［1-4］，再根据典型负荷自身模型，通过数学方法来获取整个变电站负荷的模型，其流程如图2所示。这样做会产生很大的误差，因为首先是靠选取一个典型区域变电站来代替其余区域的负荷特性，而各地区的负荷特性是不同的，所以会产生一定的误差；其次，制作负荷统计表进行人工填写时有很大的随意性，而且负荷是实时变化的，表格只能体现一个或几个时间点的负荷构成，无法提供实时的负荷构成。

图2 传统的统计综合法建模流程

在智能电网中，智能电表的实时数据采集以及通信的快速传输，使得电网侧很容易获得负荷侧详细的负荷构成，因此智能电网条件下统计负荷建模就可以简化为以下步骤。

（1）通过智能电表实时获取客户侧用电设备的状态及功率消耗情况，如图3所示。图3中，1～n表示配网用户负荷区域，在客户负荷区域内，各类用电设备的运行状态及功率消耗通过智能电表和高速网络实时传输至电网侧数据中心。

（2）电网侧数据中心将负荷节点下采集的所有负荷数据按照与典型负荷特性的相似性进行归类，获取各类负荷的功率及其所占比例。

（3）根据所获取的各类负荷的功率、占比以及各类负荷的典型模型和参数，通过叠加的方法就可以获得所求主网节点的负荷模型。这里的典型参数库包含电网中主要负荷的模型及典型参数，可以是静态模型，也可以是含感应电动机的动态模型，如图4所示。为了与传统模型进行比较，以框图形式表示的建模过程如图5所示。

图3 智能电网中负荷数据实时采集与传输

通过图2和图5的比较可以看出，在智能电网中进行统计综合法负荷建模既简单精度又高，而且最重要的是实现了实时负荷建模，适应了电网实时分析的发展趋势。

图4 智能电网中实时负荷模型建立流程

图5 智能电网中实时负荷模型建立框图

4 结语

随着电网规模的不断扩大，电网特性变得越来越复杂，离线仿真已经不能应对电网方式快速变化给电网运行带来的挑战，而在线实时仿真因其实时、快速等优点，越来越受到运行人员的关注。在实时仿真模型当中负荷模型受传统建模方法的限制，一直无法实时获取，这也成为制约实时仿真精度提高的主要原因。在智能电网中电网的运行模式发生了很大变化，电网与客户之间的互动性得到了提升，这也为实时负荷模型的活动提供了契机。本文利用智能电网在客户信息采集和信息传输方面的巨大优势，通过对原有的统计综合法负荷建模进行改进，提出了一种新型的实时负荷模型建立方法，新方法的提出不仅有效简化了建模流程，更提高了建模的实时性，为实现电网真正意义上的实时仿真计算奠定了基础。

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