含感应电动机配电网的综合负荷模型分析

王迥源

摘 要：随着全球能源互联网的大力推进，电网将变得更加复杂，电网将会遇到各种运行的挑战。电压稳定性首当其冲成为电网稳定运行的关键问题，电网中负荷稳定性是电网稳定性的一个重要的方面，构建适合的负荷模型是电力行业人员进行电力系统稳定性分析的关键。电网系统综合负荷最为主要的动态负荷是感应电动机，感应电动机的运行特性对电力系统的稳定运行极为重要。文章对国内外常用的综合负荷模型进行了详细介绍，并简单介绍了现有的综合负荷模型的不足之处，就现有的感应电动机的负荷模型进行了详细分析。

关键词：综合负荷模型；电力系统稳定性；感应电动机模型

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0069-02

1 负荷建模的背景与意义

电力系统是由发电、输电、配电、用电等环节组成的电能生产与消费系统，主要由发电厂、输配电线路和电力负荷三大部分组成。配电网是电力系统重要的配电环节，能将电能输送给各电力负荷。随着科技与时代的发展，形形色色的电力负荷出现在配电网中，为了能充分保障配电网的稳定运行，必须对配电网进行良好的设计与规划。

目前在配电网中一般采用数字仿真来实现对配电网的设计、运行与规划，数字仿真的结果成为了实际中配电网管理的主要依据。为了得到精确的配电网系统的数字仿真，必须对配电网系统中的各个环节进行模型分析，建立精准是实现配电网系统精准管理的关键。

配电网系统的模型分析包含以下几个环节得建模：电网系统的建模，输电线路的建模，用电负荷的建模。配电网系统中负荷的建模是关键，随着电力市场化日趋成熟与全球能源互联网的发展，用电负荷模型的研究也越来越得到重视。大量的实验与理论分析表明，负荷模型对配电网系统中的潮流分析、电压稳定性分析以及配电网系统的安全性分析有重要的影响，甚至影响对整个配电网系统的运行状态分析与判断，以至于造成电力灾害的发生。

配电网长时间的管理与维护经验表明综合负荷模型是一个重要工具，能有效的帮助电力工作者进行配电网系统维护、配电系统故障预测与诊断以及寿命的评估。现有的电力系统中综合负荷模型十分的粗糙，进行更深入、更精准的研究是很有意义的。

随着配电网的不断发展与革新，系统中的发电机与输电线路的建模技术已经比较成熟，由于电力负荷的分散性、间歇性、多样性等特点，对电力负荷的精准建模相比电力网络中的其他元件就显得更加复杂与困难。随着电网的不断复杂化，现有的综合负荷模型已经不能保障对电力网络进行精准的计算与预测，对良好精准的负荷模型的研究迫在眉睫。

2 综合负荷模型的发展历程

随着配电网络的不断壮大与数字电力仿真软件不断发展，人们逐渐意识到精准电力负荷模型对系统的安全稳定运行具有重要意义，系统中电力负荷的建模技术也越来越得到重视。

电力负荷建模技术发展至今，电力负荷建模的方法大致可以总结为两类：①统计综合法；②总体辨识法。

把系统中的电力负荷看成一个集合是综合统计法的中心思想，然后统计出电力负荷中各种负荷所占的比例，计算出电力负荷的平均特性，根据所得的负荷平均特性以及负荷比例得出综合负荷模型。相比于统计综合法，总体辨识法不需要统计系统中各类电力负荷所占的比例以及负荷的特性，只需要研究每一负荷端口的电力特性。在利用总体辨识法进行建模的过程中可以将系统母线中的所有负荷视为一个集合，对系统中的各负荷端口的电压、电流、频率、功率等电气量进行测量，利用所侧的各负荷电气量与系统辨识理论建立负荷模型。

负荷建模技术发展至今，各种各样的负荷模型呈现在人们面前。根据所构建的模型是否能反映负荷工作过程中的动态特性，将电力负荷模型大致分为两大类：①静态负荷模型；②动态负荷模型。

动态负荷模型能充分的反映负荷的动态特性，一般在进行建模的过程中通常用微分方程、状态方程描述。电力负荷建模技术发展之初，人们首先提出了恒功率、恒电流、恒阻抗等静态负荷模型，随着计算机技术不断地发展，在这三种静态模型的基础上提出了更精准的静态模型，更加精准的描述电力负荷的静态特性，主要包括：幂函数负荷模型，多项式负荷模型。

动态负荷模型主要包括机理式负荷模型与非机理式负荷模型，在动态建模的过程中若负载的动态过程能用物理模型对其动态过程进行描述，一般采用机理式负荷模型；若所建模的负荷对象，动态过程较为复杂，面对此类型的负载时通常采用非机理式的负荷模型，即将整个负荷整体看成一个节点，利用非机理模型来描述负荷的性质与动态过程。

随着电网复杂化，单一的静态与动态负荷模型很难精准的反映系统中的电力负荷，且在配电网络中无功补偿和网络阻抗对系统的负荷建模也会产生一定的影响，面对现有模型的不足有关学者提出了综合负荷模（SLM）。

综合负荷模型是一种将静态负荷模型与动态负荷模型结合的技术，综合负荷模型中充分反映了电动机负荷、无功补偿等对负荷特性的影响。

3 配电网中感应电动机模型

随着工业不断发展，感应电动机是配电网中最为常见的负荷，对整个系统的安全稳定运行具有深远的影响。根据感应电动机所应用的领域，多种感应电动机的模型相继被提出，最为常见的有以下几种：①五阶电磁暂态模型；②三阶机电暂态模型；③一阶机械暂态模型；④一阶电压暂态模型。

其中五阶电磁暂态模型不仅充分考虑了感应电动机的定子与转子绕组中的电磁的暂态过程而且还充分体现了感应电动机的机械暂态过程。相比之下三阶机电暂态模型忽略了对感应电动机内部定子的电磁的暂态过程，若在三阶机电模型的基础上进一步忽略感应电机转子绕组内部的电磁暂态过程，则将得到我们比较熟悉的一阶模型。

不同的感应电动机模型都有自己的优势与劣势之处，针对不同的应用领域在对感应电动机建模时，选用最适合的感应电动机模型进行建模。对配电网系统中感应电机的建模中计算量不是大问题，一般会采用三阶的电机模型，既能很好的展现电机转子绕组的电磁暂态过程又能相应的减少建模过程中的计算量；若为了体现和解决系统内部的无功动态问题时，一般采用一阶的电压暂态模型；若为了体现和解决系统内部的有功动态问题时，一般采用一阶的机械暂态模型对感应电动机进行建模。至今一般在配电网系统中，对感应电动机的综合负荷系统建模时一般采用的感应电动机模型，如图1所示。

4 结 语

配电网中综合负荷建模是对配电网进行潮流分析、故障预测与诊断的关键工具，精准的负荷建模能很好的体现负载的实际特性，更加准确的反映实际应用中的负荷的动态与静态特性。本文详细阐述了负荷建模技术的发展历程，经过几代科研工作者的不断努力，从最初的恒功率、恒阻抗、恒电流的静态建模发展到能充分体现实际负荷的动态与静态特性的综合负荷建模，并介绍了实际数字仿真中常用的综合负荷模型的物理结构。感应电动机是配电网系统中最为常见的负荷之一，但由于其结构与实际工作过程较为复杂，单一的静态或动态建模很难充分体现感应电动机的实际工作状态，必须采用综合负荷模型对感应电动机进行建模。

文章中总结了现有的感应电动机模型，主要包括：五阶电磁暂态模型；三阶机电暂态模型；一阶机械暂态模型；一阶电压暂态模型，并简单介绍了每一种感应电动机模型优劣势与每一种模型的实际应用领域。随着电网的不断发展，系统中的负荷也会变得更加的复杂，现有的负荷建模技术必须紧跟电网的发展，以保障能充分体现随机多变的负荷的实际静态与动态特性，保障数字仿真能更加精准的反映实际模型，保障能安全有效的管理整个系统。

参考文献：

[1] 汤涌，张东霞，张红斌，等.东北电网大扰动试验仿真计算中的综合负荷 模型及其拟合参数[J].电网技术，2007，（4）.

[2] 汤涌，张红斌，侯俊贤，等.考虑配电网络的综合负荷模型[J].电网技术，2007，（5）.

[3] 马进，贺仁睦，王景钢，等.综合负荷模型参数的简化辨识策略[J].电网技 术，2006，（9）.

[4] 赵兵，汤涌，张文朝，等.基于故障拟合法的综合负荷模型验证与校核[J].电网技术，2010，（1）.

[5] 王卫国，贺仁睦，王铁强.反映综合负荷动特性机理的感应电动机模型 [J].电力系统自动化，2002，（4）.

[6] 贺仁睦，周文.电力系统负荷模型的分类与综合[J].电力系统自动化，1999，（19）.

[7] 洪志鹏，马进，贺仁睦.基于统计学分类的综合负荷模型实测建模[J].现 代电力，2008，（2）.

[8] 王成山，柴华，谢小荣，等.综合负荷模型动静负荷比例的在线辨识[J].电 力系统及其自动化学报，2008，（3）.