基于聚类分析法的电力系统负荷建模.pdf
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1、总第5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r ume n t a t i o n V0 1 5 0 No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 基 于聚类分析法的 电力 系统负荷建模 郭永鑫 , 庞松岭 , 闫琚 , 刘耀年 , 龚卫国 ( 1 东北电力大学 电气工程 学院, 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ; 2 海南电力技术研究院, 海口 5 7 0 0 0 0; 3 河南省电力公司洛阳供 电公 司, 河南 洛阳 4 7 0 1 2 3 ; 4 河南许 昌许继变压
2、器有限公司, 河南 许 昌4 6 1 0 0 0 ) 摘要: 提出一种基于聚类分析的负荷建模方法 , 通过求取变 电站实测数据的 P S Q、 P S F 、 S P R S Q三个指标 , 确定 数据分类 的最优分类数 , 对数据进行聚类分析 , 分别建立不 同的负荷模 型。仿真结果表 明, 本文方法不仅能够 描述短路时电动机负荷向系统倒送无 功的现象 , 还 能反映故障清除后 负荷节点 中感应电动机对 电压恢复 的 影响。 关键词: 聚类分析法 ; 负荷模型 ; Z I P模型 ; 动态负荷模型 ; 综合模型 ; R 2统计量 ; 伪 F统计量 ; 半偏统计量 中图分类号: T M 7 1
3、 1 文献标识码: B 文章编号: 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 1 0 0 5 Th e Po we r Sy s t e m Lo a d M o de l Ba s e d o n Cl u s t e r i n g An a l y s i s G UO Y o n g x i n ,P ANG S o n g 1 i n g ,Y AN J u n ,L I U Ya o n i a n ,GON G We i g u o ( 1 D e p t o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g , N
4、 o r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y , J i l i n 1 3 0 1 2 , J i l i n , C h i n a 2 Ha i n a n El e c t r i c Po we r Re s e a r c h I n s t i t u t e,Ha i k o u 5 7 0 0 0 0,Ch i n a 3L uo y a n g p o we r S u p p l y Co mp a n y,Lu o y a n g 4 7 01 2 3,He n a n,Ch i n a 4 H e i n a n X
5、 u c h a n g X u j i T r a n s f o r m e r C o , L t d , X u c h a n g 4 6 1 0 0 0 , He n a n ,C h i n a ) Ab s t r a c t : A mo d e l i n g me t h o d b a s e d o n s t a t i s t i c a l c l u s t e r a n a l y s i s i s p r e s e n t e d t o c r e a t e a ma t h e ma t i c a l mo d e 1 Th r o u g
6、h t h e c a l c u l a t i o n o f t h e t h r e e i n d i c a t o r s s u c h a s P S Q、 P S F a n d S P R S Q o f t h e s u b s t a t i o n , t h e me t h o d d e t e r m i n e s t h e o p t i ma l n u mb e r o f c a t e g o rie s o f d a t a c l a s s i fic a t i o n,d o e s c l u s t e r a n a l
7、y s i s o f t h e d a t a,a n d c r e a t e s d i f f e r e n t l o a d mo d e l s S i mu l a t i o n r e s u l t s S h o w t h a t t h i s me t h o d i s n o t o n l y a b l e t o d e s c ri b e t h e p h e n o me n o n o f mo t o r l o a d t r a n s mi s s i o n o f r e a c t i v e p o w e r t o t
8、 h e s y s t e m,b u t a l s o r e fl e c t s t he i n d u c t i o n mo t o r i mpa c t o n v o l t a g e r e s t o ring a f t e r t h e f a u l t c l e a r e d Ke y w o r d s : c l u s t e r a n a l y s i s ,l o a d mo d e l ,t h e Z I P m o d e l ,t h e d y n a m i c l o a d m o d e l ,s y n t h e
9、 s i s l o a d m o d e l ( S L M) , R S Q P S F , S P R S Q 0 引 言 电力系统负荷建模是 实现系统安全、 经济远行 的基础 , 负荷模 型和参数对 电力 系统稳定性分 析的 影响, 越来越得到研究人员 的重视 J 。在了解负荷 的动态行为 以及对 电网影 响的机理后 , 充分利 用现 场实测数据 , 建立反映电网特性的负荷模型是 电网 安全、 经济运行分析的关键环节。 1 传统的负荷建模理论概述 1 1 负荷建模的基本方法 1 1 1 统计综合法 首先通过实验确定各种典型负荷的平均特性方 程 , 然后统计每 个负荷点上在 一些特殊
10、时刻 ( 如 季 节、 节假 E t 等) 负荷的组成, 确定每种典型负荷所 占 的百分 比, 最后综合以上数据得出该负荷点的负荷 模型 。 1 1 2总体测辨法 将负荷群看成 一个整体 , 通过 在负荷点 的测量 记录装置 现场采集 负荷所在 母线 的 电压 、 频率 、 功 率、 相角等数据 , 然后确定负荷模型结构并辨识未知 参数 。 1 2负荷模型的分类 1 2 1 静态负荷模型 在稳态条件下, 负荷功率与端电压及频率之间 的非线性函数关系称为负荷的静态模型, 例如典型 的多项式静态负荷模型 : 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6
11、5期 电测与仪表 2 0 1 3年 第 1期 E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 5 0 No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 P P o = P z ( ) + P I ( )+ P P ( , + D P f f o ) 【 Q Q 。 = Q ( ) + Q ( ) +Q ( , + 。 ) ( 1 ) 式中 P为有功功率 ; Q为无功功率 ; U为电压 为频 率 ; 下标 0代表初始运行点。式中各 系数满足 : P + P I +P P =1 , Q z +Q I
12、+Q P =1 。 1 2 2 机理动态模型 机理动态模型是通过列写负荷的各种平衡关系 式而获得的负荷在非稳态条 件下的模型 , 例如传 统 的机理动态负荷模型如图 1 所示 J 。 图 1 三阶感应 电动机模型等值电路图 F i g 1 Th r e e o r d e r mo de l o f i nd u c t i o n mo t o r di a g T a m 图 1中 , R 为定子电阻 ; 为定子漏抗 ; X 为激 磁 电抗 ; 尺 为转子 电阻 ; X 为转 子漏抗 , 5个参数均 为标么值。此外 , 等值电路还包括 3个机械参数 : 转 动惯量 、 转矩系数 和 B。
13、1 2 3 非机理动态模型 非机理动态模型也称作输入、 输出模型, 简称为 I 0模型_ 7 。将研究的负荷看作为一个“ 系统 ” , 其输 入变量是负荷母线电压 及频率厂, 输 出变量是负荷 群吸收的总的有功功率 P及无功功率 Q, 如图2所示。 图 2 非机 理 动 态模 型 的 系统 F i g 2 S y s t e m o f no n- me c h a ni s m d y n a mi c mo de l 1 2 4 综合负荷模型( S ML ) 综合负荷模型考虑了配电网负荷区域中主要的影 响因素 : 静态负荷、 动态负荷、 配电网馈线支路 和配电 变压器、 配电网无功补偿 以
14、及配 电网中的小机组。计 算综合模型参数的数据包括: 变电站负荷站点 ( 2 2 0 k V 变电站) 的供电支路的详细负荷构成、 主要的网络拓扑 数据、 无功补偿数据和小机组数据等。最终计算得到 的S L M模型参数包括: 如式( 1 ) 所示的静态负荷模型 的Z I P比例系数( 对于解态负荷并不考虑频率变化的t 影响) ; 如图1 所示的电动机模型参数; 配电网等值阻 抗和等值补偿 ; 配电网中小机组的功率大小。本文综 合负荷模型采用文献 3 的三阶感应电动机并联静态 负荷模型的结构, 如图 3 所示 。 图3综合类负荷模型结构 图 F i g 3 Co mp r e h e n s i
15、 v e l o a d mo d e l s t r uc t u r e 2 基于聚类分析法的负荷建模 2 1 聚类分析法 基于聚类的思想 , 根据样本的多个观测指标 , 具 体找出一些能够度量样本或指标之间相似程度的统 计量 , 以统计量作 为划分类 型的依据。把一些 指标 相似程度较 大的样本 聚合为一类 , 把另外一些指标 彼此之间相似程度较大的样本聚合为另一类, 直到 把所有的样本聚合完毕为止 。 K值聚类法又称为快速聚类法, 优点是占用内存 少、 计算量小 、 处理速度快 , 特别适 合大样本 的聚类 分析 。 K均值聚类方法如下 : 设待分类的观测量集为 , : , , , 凡
16、为观 测量数 目, m为聚类变量数 目, 表示第 i 个观测量 的第 个变量值。 ( 1 ) 按某种方法选择某些观测量 , 依据分类数 目 r t , 确定初始聚类中心 , , ; ( 2 ) 计算每个观测量到各聚心的欧氏距离 : 厂 一 d = JI x 一 弓 Il = ( 一 ) ( 2 ) 按就近原则选择 d = m i n d d , , d , 将每个观测量选人一个类 中, 然后计算 各个类 中的 中心位置( 均值 ) , 作为新的聚类 中心。 ( 3 ) 按照计算出来的新聚类 中心重新进行分类 , 分 类完毕后继续计算各类的中心位置, 作为新的聚心, 如 此反复操作, 直到两次迭
17、代次数的上限时 , 停止迭代。 2 2 聚类分析方法的荷建模思想 无论是统计综合法还是总体测辨法的负荷建模 都需要大量的负荷数据, 如果分别对每个负荷节点 建模, 工作量巨大, 很难实现; 若采用一个或几个固 定的模型来建模, 所建立的负荷模型很难精准地模 困 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n
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