本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)分析與控制技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷建模方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)運(yùn)運(yùn)行決策的基本依據(jù)，也是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本分析工具。而電力系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型是電力系統(tǒng)數(shù)字仿真計(jì)算的基礎(chǔ)，元件模型的合理性與精確度決定了仿真結(jié)果的可信度，其中綜合負(fù)荷模型對(duì)仿真結(jié)果的有效性有著十分重要的影響，不恰當(dāng)?shù)呢?fù)荷模型可能會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況不相一致甚至相反的結(jié)論，基于此種條件下的仿真結(jié)果增大了電力部門在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行等方面的決策風(fēng)險(xiǎn)。

在現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真程序中，根據(jù)仿真目不同選擇的負(fù)荷模型不盡相同，但在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真程序中，多采用微分方程描述的負(fù)荷模型，其中等值感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)恒阻抗的綜合負(fù)荷模型應(yīng)用最為廣泛。綜合負(fù)荷模型目前主要由兩種型式：一是不考慮配電網(wǎng)影響的綜合負(fù)荷模型，動(dòng)靜態(tài)負(fù)荷直接接至變電站高壓母線上；二是部分考慮配電網(wǎng)影響的綜合負(fù)荷模型，動(dòng)靜態(tài)負(fù)荷通過(guò)一個(gè)等效阻抗接到高壓母線，模型考慮了配電網(wǎng)的功率損耗和電壓損失，在一定程度上提高了模型精度，但是模型中沒(méi)有考慮配電網(wǎng)中的降壓變壓器的作用。事實(shí)上，負(fù)荷都是接于中低壓母線上，配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)用以連接高壓母線和中低壓負(fù)荷區(qū)，從變電站到負(fù)荷有一個(gè)變壓的環(huán)節(jié)，因此目前的綜合負(fù)荷模型機(jī)理上并不完全符合配電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)；并且，在實(shí)際電網(wǎng)中，高壓母線電壓總是存在大于、等于、小于其額定電壓的情況，而對(duì)應(yīng)配電網(wǎng)中的調(diào)壓裝置總是能夠維持負(fù)荷區(qū)電壓在額定值附近，此時(shí)，既使是同構(gòu)負(fù)荷，在以標(biāo)幺值表示的電力系統(tǒng)中，高壓母線電壓的標(biāo)幺值可能大于、等于、小于負(fù)荷區(qū)電壓的標(biāo)幺值，顯然，目前的綜合負(fù)荷模型并不能反映此種情況，即模型不能反映電網(wǎng)電壓特性，而這種狀況可能導(dǎo)致同構(gòu)負(fù)荷在高壓母線電壓不同的情況下辨識(shí)所得的模型參數(shù)差異很大，使得電網(wǎng)仿真所得到的結(jié)果偏離實(shí)際值很大以致影響仿真可信度?；谏鲜龇治?，現(xiàn)有的綜合負(fù)荷模型在機(jī)理上與反映電網(wǎng)電壓特性兩方面存在不足，其應(yīng)用場(chǎng)景有一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有負(fù)荷模型的不足，提供一種反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷建模方法，在現(xiàn)有的綜合負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上，考慮高壓電網(wǎng)與中低壓負(fù)荷區(qū)之間傳輸網(wǎng)絡(luò)的電壓特性影響，在負(fù)荷模型中加入變壓器來(lái)模擬電網(wǎng)調(diào)壓結(jié)果，以達(dá)到綜合負(fù)荷模型反映電網(wǎng)調(diào)壓特性的目的，機(jī)理上符合電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，能有效提高電力系統(tǒng)數(shù)字仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行提供高可信度的決策依據(jù)。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷建模方法，采用一個(gè)等值的阻抗Z_L和一臺(tái)等值的降壓變壓器等效配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)；采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型并聯(lián)靜態(tài)負(fù)荷模型等效包括負(fù)荷在內(nèi)的配電網(wǎng)中低壓網(wǎng)絡(luò)，由此得出反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所述阻抗Z_L和降壓變壓器有兩種組合方式：

第一種組合方式是將降壓變壓器的阻抗Z_tr合并到阻抗Z_L中得到阻抗Z_D，Z_D再串聯(lián)理想降壓變壓器，理想降壓變壓器用π型等值電路逼近，由此得到反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型的第一種等值電路；

第二種組合方式是將阻抗Z_L合并到降壓變壓器的阻抗Z_tr中，構(gòu)成阻抗為Z_T的廣義降壓變壓器，廣義降壓變壓器用π型等值電路模擬，由此得到反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型的第二種等值電路。

上述第一種等值電路中阻抗Z_D和理想降壓變壓器的數(shù)學(xué)模型為：

1)理想降壓變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比k等于穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)高壓母線電壓的算術(shù)平均值；

2)以高壓母線電壓U為參考相量，通過(guò)阻抗Z_D后的功率和電壓滿足公式(1)和公式(2)：

其中，P_D和Q_D分別表示通過(guò)阻抗Z_D后的有功功率和無(wú)功功率；P和Q分別表示高壓母線流出的有功率和無(wú)功功率；U_D表示通過(guò)Z_D后的電壓，U_Dx和U_Dy分別表示U_D對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸分量；

3)理想降壓變壓器π型等值電路兩端功率和電壓滿足公式(3)至公式(6)：

其中，P_A和Q_A分別表示流進(jìn)π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；P_B和Q_B分別表示流出π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；U_L為負(fù)荷母線電壓、P_L和Q_L分別為負(fù)荷總有功功率和負(fù)荷總無(wú)功功率；Z_e＝R_e+jX_e為用來(lái)逼近理想變壓器的阻抗，其值為極小的正常數(shù)，參考取值范圍：0<R_e<10^-5且0<X_e<10^-5，上標(biāo)^*表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算。

上述第二種等值電路中廣義降壓變壓器的數(shù)學(xué)模型為：

1)廣義降壓變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比k等于穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)高壓母線電壓的算術(shù)平均值；

2)以高壓母線電壓U為參考相量，廣義降壓變壓器π型等值電路兩端功率和電壓滿足公式(7)至公式(10)：

其中，P_A和Q_A分別表示流進(jìn)π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；P_B和Q_B分別表示流出π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；U_L為負(fù)荷母線電壓、P_L和Q_L分別為負(fù)荷總有功功率和負(fù)荷總無(wú)功功率；上標(biāo)^*表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型的輸入功率和計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)負(fù)荷模型輸入功率滿足公式(11)：

其中，P_m和Q_m分別為動(dòng)態(tài)有功功率和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率，即感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型輸入功率；P_S和Q_S分別為靜態(tài)有功功率和靜態(tài)無(wú)功功率，即為計(jì)及了無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)負(fù)荷模型輸入功率。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型的暫態(tài)過(guò)程采用三階微分方程描述；在初始化過(guò)程中，如果Q_S大于零，則靜態(tài)負(fù)荷模型采用ZIP模型，如果Q_S小于零，則靜態(tài)負(fù)荷模型采用Z模型，即ZIP模型中I和P的系數(shù)均為零的恒阻抗模型。

本發(fā)明原理為：

配電網(wǎng)中，電能是從高壓變電站高壓母線通過(guò)配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)輸送至中低壓負(fù)荷區(qū)，依據(jù)此基本原理，采用一個(gè)等值的阻抗模擬配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)損耗，一臺(tái)等值的降壓變壓器模擬高壓網(wǎng)絡(luò)的變壓功能，中低壓負(fù)荷接于等值降壓變壓器二次側(cè)母線上(即負(fù)荷母線上)，其中動(dòng)態(tài)負(fù)荷采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，靜態(tài)負(fù)荷采用ZIP模型(忽略頻率的影響)，由此得出反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；依據(jù)變壓器π型電路等值原理，等值阻抗與等值降壓變壓器的組合方式有兩種：一是將等值降壓變壓器的阻抗合并到等值阻抗中，再串聯(lián)一個(gè)理想降壓變壓器，二是將等值阻抗合并到等值降壓變壓器的阻抗中，構(gòu)成一個(gè)廣義的降壓變壓器；由此可以得到反映電網(wǎng)電壓特性綜合負(fù)荷模型的兩種等值電路。

π型等值電路包括串聯(lián)支路、左邊對(duì)地導(dǎo)納支路和右邊對(duì)地導(dǎo)納支路三個(gè)支路；三個(gè)支路構(gòu)成一個(gè)諧振三角形：三條支路的阻抗之和等于零，假設(shè)k為變壓器非標(biāo)準(zhǔn)變比，Z_tr為變壓器阻抗，Y_tr為變壓器導(dǎo)納，并且Z_tr和Y_tr滿足：i_c為π型電路中環(huán)形電流，U_D和U_L分別為π型電路兩端的電壓，則π型電路變壓原理推導(dǎo)如下：

流過(guò)左邊對(duì)地導(dǎo)納支路的電流滿足以下方程式：

$i_c=-U_D{\left(\frac{1}{1-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}$

流過(guò)右邊對(duì)地導(dǎo)納支路的電流滿足以下方程式：

$i_c=U_L{\left(\frac{1}{k^2-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}$

因?yàn)榱鬟^(guò)左右兩邊對(duì)地導(dǎo)納支路電流相等，即由以上兩個(gè)方程式可以得到：

$i_c=-U_D{\left(\frac{1}{1-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}=U_L{\left(\frac{1}{k^2-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}\&DoubleRightArrow;\frac{U_D}{U_L}=k$

由上式可以得出，π型電路兩端電壓成比例關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了變壓功能。

有益效果：

本發(fā)明涉及的綜合負(fù)荷模型考慮配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗、模擬了配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)的變壓功能、計(jì)及了配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，從機(jī)理上模擬了實(shí)際配電網(wǎng)中電能從高壓變電站經(jīng)高壓網(wǎng)絡(luò)輸送至負(fù)荷區(qū)的傳輸過(guò)程，非標(biāo)準(zhǔn)變比取值依據(jù)電網(wǎng)逆調(diào)壓原理，能反映電網(wǎng)電壓特性。

本發(fā)明機(jī)理上符合電能流動(dòng)的一般原理，從結(jié)構(gòu)上保證了同構(gòu)負(fù)荷在不同高壓母線電壓下的模型參數(shù)穩(wěn)定性，有效提高電力系統(tǒng)有關(guān)仿真結(jié)果的可信度，為電力部門制定電網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃方案和電網(wǎng)安全運(yùn)行方式提供有效的決策依據(jù)，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，具有良好的工程意義和應(yīng)用前景。

說(shuō)明書(shū)附圖

圖1是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型阻抗合并之前的等值電路；

圖3是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型第一種等值電路；

圖4是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型第二種等值電路；

圖5是變壓器π型等值電路。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明所涉及的一種反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷建模方法，適用于配電網(wǎng)綜合負(fù)荷建模，圖1是本發(fā)明對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)拓?fù)鋱D，圖2是相應(yīng)的等值電路；高壓母線與中壓母線之間的配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)用阻抗Z_L和降壓變壓等效，降壓變壓器用π型電路等值，其阻抗為Z_tr，包括負(fù)荷在內(nèi)的配電網(wǎng)中低壓網(wǎng)絡(luò)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)ZIP模擬。

所述阻抗Z_L和降壓變壓器有兩種組合方式：第一種組合方式是將降壓變壓器的阻抗Z_tr合并到阻抗Z_L中得到阻抗Z_D，Z_D再串聯(lián)理想降壓變壓器，理想降壓變壓器用π型等值電路逼近，由此得到反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型的第一種等值電路；第二種組合方式是將阻抗Z_L合并到降壓變壓器的阻抗Z_tr中，構(gòu)成阻抗為Z_T的廣義降壓變壓器，廣義降壓變壓器用π型等值電路模擬，由此得到反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型的第二種等值電路。第一種等值電路和第二種等值電路分別如圖3和圖4所示。

圖3是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型第一等值電路，其中阻抗Z_D和理想降壓變壓器的數(shù)學(xué)模型為：

1)理想降壓變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比k等于穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)高壓母線電壓的算術(shù)平均值；

2)以高壓母線電壓U為參考相量，通過(guò)阻抗Z_D后的功率和電壓滿足公式(1)和公式(2)：

其中，P_D和Q_D分別表示通過(guò)阻抗Z_D后的有功功率和無(wú)功功率；P和Q分別表示高壓母線流出的有功率和無(wú)功功率；U_D表示通過(guò)Z_D后的電壓，U_Dx和U_Dy分別表示U_D對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸分量；

3)理想降壓變壓器π型等值電路兩端功率和電壓滿足公式(3)至公式(6)：

其中，P_A和Q_A分別表示流進(jìn)π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；P_B和Q_B分別表示流出π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；U_L為負(fù)荷母線電壓、P_L和Q_L分別為負(fù)荷總有功功率和負(fù)荷總無(wú)功功率；Z_e＝R_e+jX_e為用來(lái)逼近理想變壓器的阻抗，其值為極小的正常數(shù)，參考取值范圍：0<R_e<10^-5且0<X_e<10^-5，上標(biāo)^*表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算。

圖4是反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型第二等值電路，其中廣義降壓變壓器的數(shù)學(xué)模型為：

1)廣義降壓變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比k等于穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)高壓母線電壓的算術(shù)平均值；

2)以高壓母線電壓U為參考相量，廣義降壓變壓器π型等值電路兩端功率和電壓滿足公式(7)至公式(10)：

其中，P_A和Q_A分別表示流進(jìn)π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；P_B和Q_B分別表示流出π型等值電路中串聯(lián)支路的有功功率和無(wú)功功率；U_L為負(fù)荷母線電壓、P_L和Q_L分別為負(fù)荷總有功功率和負(fù)荷總無(wú)功功率；上標(biāo)^*表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算。

反映電網(wǎng)電壓特性的綜合負(fù)荷模型兩種等值電路中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型的輸入功率和計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)負(fù)荷模型輸入功率滿足公式(11)：

其中，P_m和Q_m分別為動(dòng)態(tài)有功功率和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率，即感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型輸入功率；P_S和Q_S分別為靜態(tài)有功功率和靜態(tài)無(wú)功功率，即為計(jì)及了無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)負(fù)荷模型輸入功率。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型的暫態(tài)過(guò)程采用三階微分方程描述，對(duì)應(yīng)的基于X-Y坐標(biāo)系下的微分方程見(jiàn)式(12)至式(14)：

其中，E'＝e'_x+je'_y為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)暫態(tài)電勢(shì)，e'_x和e'_y分別為E'對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸分量；f₀為電網(wǎng)頻率；u_x和u_y分別為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子端口電壓的X軸和Y軸分量；I＝I_x+jI_y為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的電流，I_x和I_y分別為I對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸分量；T_m為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩；T_e為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；H為慣性常數(shù)；T₀為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初始負(fù)荷率；X＝X_s+X_m為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)暫態(tài)等效電抗；X'＝X_s+X_m//X_r為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)暫態(tài)電抗；ω_r為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)暫態(tài)電勢(shì)衰減時(shí)間常數(shù)，ω_o為同步轉(zhuǎn)速；R_s、X_s、R_r、X_r、X_m和s分別為電動(dòng)機(jī)定子電阻、定子電抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電抗、勵(lì)磁電抗和轉(zhuǎn)差率；A、B和C表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系系數(shù)；

在初始化過(guò)程中，如果Q_S大于零，則靜態(tài)負(fù)荷模型采用ZIP模型，如果Q_S小于零，則靜態(tài)負(fù)荷模型采用Z模型(恒阻抗模型，即ZIP模型中I和P的系數(shù)均為零)；所述的ZIP模型數(shù)學(xué)方程為式(15)：

其中，a_p、b_p、c_p、a_q、b_q、c_q分別為有功功率和無(wú)功功率恒阻抗系數(shù)、恒電流系數(shù)、恒功率系數(shù)，并且滿足：a_p+b_p+c_p＝1，a_q+b_q+c_q＝1。

圖5是變壓器π型等值電路，π型等值電路中三個(gè)支路構(gòu)成一個(gè)諧振三角形：三條支路的阻抗之和等于零，圖中k為變壓器非標(biāo)準(zhǔn)變比，Z_tr為變壓器阻抗，Y_tr為變壓器導(dǎo)納，并且Z_tr和Y_tr滿足：i_c為π型電路中環(huán)形電流，U_D和U_L分別為π型電路兩端的電壓，則π型電路變壓原理推導(dǎo)如下：

流過(guò)左邊對(duì)地導(dǎo)納支路的電流滿足方程式(16)：

$i_c=-U_D{\left(\frac{1}{1-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}---\left(16\right)$

流過(guò)右邊對(duì)地導(dǎo)納支路的電流滿足方程式(17)：

$i_c=U_L{\left(\frac{1}{k^2-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}---\left(17\right)$

因?yàn)榱鬟^(guò)左右兩邊對(duì)地導(dǎo)納支路電流相等，即由式(16)和式(17)得到式(18)：

$i_c=-U_D{\left(\frac{1}{1-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}=U_L{\left(\frac{1}{k^2-k}{Z}_{tr}\right)}^{-1}\&DoubleRightArrow;\frac{U_D}{U_L}=k---\left(18\right)$

由式(18)可以得出，π型電路兩端電壓成比例關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了變壓功能。

本發(fā)明涉及的綜合負(fù)荷模型考慮配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗、模擬了配電網(wǎng)高壓網(wǎng)絡(luò)的變壓功能、計(jì)及了配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，從機(jī)理上模擬了實(shí)際配電網(wǎng)中電能經(jīng)高壓網(wǎng)絡(luò)輸送至中低壓負(fù)荷區(qū)的傳輸過(guò)程，非標(biāo)準(zhǔn)變比取值依據(jù)電網(wǎng)逆調(diào)壓原理，能反映電網(wǎng)電壓特性，有效提高了電力系統(tǒng)數(shù)字仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。