基于现场环境信号的负荷聚合与动态分量百分比关系揭示

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Revealing the Relationship Between Load Aggregation and the Percentage of the Dynamic Component with Field Ambient Signals

　　

采用不同的动态分量百分比对聚合电力负荷进行建模会对电力系统分析产生不同影响。同时，在仿真系统中应用固定的动态分量百分比无法表征电力负荷的时变性和分布性特征。本文基于相量测量单元的发展以及近期提出的基于环境信号的负荷模型参数辨识方法，分析了利用现场环境信号辨识得到的动态分量百分比，指出了固定百分比的不足。通过综合考虑输电阻抗和支路并联的影响，本研究通过等效计算和仿真验证，论证了多电压等级负荷聚合与电力负荷动态分量百分比之间的关系，从而更好地理解辨识所得的动态分量百分比。最终，中国南方电网的现场相量测量单元辨识结果表明，有必要重新考虑接入220/110 kV等效负荷的动态分量百分比仿真设定，而非沿用当前的固定值。

论文解读：基于现场环境信号的负荷聚合与动态分量百分比关系研究

一、研究背景与问题提出

电力负荷建模是电力系统仿真的基础环节，不恰当的负荷模型可能导致错误的分析结果，甚至得出相反的稳定性结论。随着配电网日益复杂，获取准确的负荷模型、尤其是追踪电力负荷的时变性和分布性特征，变得既重要又具有挑战性。在复合负荷模型中，动态分量百分比是一个关键参数，它描述了动态负荷消耗的有功功率比例。研究表明，应用不同的动态分量百分比会对电力系统分析产生显著影响，包括仿真精度、系统稳定性和功率传输极限等。

然而，当前仿真系统中普遍采用固定的动态分量百分比设定，例如中国国家电网和中国南方电网各调度部门均使用统一的负荷模型参数，这无法反映实际电力负荷的时变性和分布性特征。与此同时，随着相量测量单元的发展，研究人员提出了基于环境信号的负荷模型参数辨识方法，能够利用正常运行条件下由负荷随机变化引起的小扰动数据进行机电暂态分析和参数辨识。这为获取更符合实际的动态分量百分比提供了新的技术途径。

因此，本研究的核心问题是：基于现场相量测量单元数据辨识得到的动态分量百分比与仿真系统中的固定设定之间存在怎样的差异？负荷聚合过程如何影响动态分量百分比？这些问题的解答对于改进电力系统仿真中的负荷模型设定具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员首先对比分析了仿真系统设定与基于现场相量测量单元数据的辨识结果之间的不一致性，发现不同变电站、不同时间段的辨识结果均不相同，体现了负荷的时变性和分布性特征。在此基础上，研究人员从理论上分析了负荷聚合对动态分量百分比的影响机制，并通过等效计算和仿真验证进行了论证。最后，利用中国南方电网的现场实测数据进一步验证了理论分析的正确性。主要结论表明，有必要重新考虑接入220/110 kV等效负荷的动态分量百分比仿真设定，而非沿用当前的固定值。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：1）基于环境信号的负荷模型参数辨识方法，利用正常运行条件下由负荷随机变化引起的微小扰动数据进行参数估计，该方法以电压相量为输入，以预测有功和无功功率与实际测量值的误差最小化为目标函数，采用改进差分进化算法进行优化求解；2）负荷聚合过程的等效计算方法，将复杂的低压侧网络简化为多个独立并联支路，分别分析输电阻抗和支路并联对动态分量百分比的影响；3）基于电力系统分析工具箱的仿真验证方法，在3机9节点系统中设置具体负荷结构，利用仿真数据进行参数辨识并与预设真实值对比。现场实测数据来源于中国南方电网，包括广东、广西、云南、贵州、海南五个省级电网的相量测量单元数据，采样间隔为20 ms或40 ms。

四、研究结果

A. 仿真设定与现场辨识结果的不一致性

通过对中国国家电网和中国南方电网常用负荷模型的统计，研究发现各区域采用的动态分量百分比从0%到65%不等，且同一省份内采用相同的负荷模型结构和参数。而基于中国南方电网500 kV变电站现场相量测量单元数据的辨识结果显示，不同变电站的辨识结果各不相同，且在一小时内呈现小幅波动，体现了负荷的分布性和时变性特征。特别地，某些变电站的辨识结果明显低于仿真系统中的固定设定值0.5。

B. 输电阻抗对动态分量百分比的影响

通过等效计算，研究人员证明考虑了输电阻抗后，复合负荷模型加上输电阻抗可以表示为原始负荷模型并联一个新的电阻，这表明动态分量百分比会因输电阻抗的存在而降低。具体而言，增加的功率可描述为一个并联电阻的功率消耗。

C. 支路并联对动态分量百分比的影响

通过理论推导，研究人员证明支路并联后的动态分量百分比等于各支路动态分量百分比的加权平均值，权重为各支路消耗的有功功率比例。在两条支路功率相等的特殊情况下，并联后的动态分量百分比即为两个支路动态分量百分比的算术平均值。

D. 仿真验证结果

在3机9节点系统的仿真实验中，辨识得到的参数与预设真实值一致，验证了基于环境信号的负荷模型参数辨识方法的有效性。具体而言，考虑输电阻抗影响后，某节点的动态分量百分比从0.4848降至0.3155；考虑支路并联后，动态分量百分比表现为各支路的加权平均；综合考虑两种因素后，动态分量百分比进一步变化，验证了理论分析的正确性。

五、总结与讨论

讨论部分：准确获取电力负荷的动态分量百分比对于电力系统稳定性分析日益重要。不同变电站、不同时间段的辨识结果各不相同，体现了负荷的时变性和分布性特征。现场辨识结果明确了有必要对每个负荷母线频繁进行负荷模型参数辨识。此外，现场辨识得到的动态分量百分比与仿真系统中的固定设定不一致，这是本研究的出发点。为更好地理解辨识结果，研究人员研究了负荷聚合与动态分量百分比的关系，以揭示这种不一致性的原因。

研究结论：本文对仿真设定与现场相量测量单元辨识结果中的负荷模型进行了新颖的比较分析。基于环境信号的负荷模型参数辨识方法被应用于现场测量数据，揭示了电力负荷的聚合特性，并从现场辨识结果的角度指出了固定动态分量百分比设定的局限性。通过等效计算和仿真验证分析了负荷聚合对动态分量百分比的影响，为涉及负荷聚合的辨识结果提供了重要指导。中国南方电网的现场测量辨识结果明确指出，有必要重新考虑接入220/110 kV等效负荷的动态分量百分比仿真设定，而非沿用当前的固定值。