基于智能电表的电网广域负荷建模方法_李力

0引言

电力负荷建模是一项十分重要同时也非常困难的工作，是经长期研究而始终没有解决的难题，负荷模型的准确性对电力系统设计、分析和计算有非常重要的影响，特别是对电力系统安全稳定分析的结果有直接的影响。我国将负荷建模工作纳入国家自然科学基金重大项目的研究范围，各科研院所、高校和电网公司也积极开展相关研究工作。美国在2003年8.14大停电之后，联合调查组在其最终报告中指出以往采用的负荷模型不合适，为此美国电科院也进行了负荷建模总体测辨方法的研究。

负荷模型研究的难点在于负荷存在着随机性、时变性、分散性、多样性和不连续性等特点，长期以来，国内外专家学者进行了广泛深入的研究，总体形成了4种方法，统计综合法、总体测辨法、故障仿真法与混合法，这些方法都在不同方面取得了良好的效果。但是，电力系统是个不断发展的系统，随着系统规模的变化、新技术装备的使用、分布式能源的引入都给负荷建模工作带来了诸多挑战。因此，负荷建模仍然是一项长期和艰巨的工作，需要投入更多的努力［1-2］。

一般来说，越接近负荷的末端，负荷成分越简单，辨识越容易，同时选取的样本越多，统计的准确性也会越高。过去，由于技术手段的限制，无法全面地、经常性地开展负荷统计工作，也不可能在所有的负荷点安装在线测辨装置。但随着智能电网建设特别是智能电表技术的发展，完全有可能利用遍布电力系统各电

基于智能电表的电网广域负荷建模方法

李力1，王亮1，侯学勇1，施雄华1，陈松林1，鞠平2

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京211102；2.河海大学，南京210098）

摘要：电力系统负荷建模是一项十分重要，同时也是非常困难的工作，目前为止还没有建立起广域的和常效的机制。本文提出利用各电压等级安装到户的智能电表开展广域的负荷建模工作，分别利用智能电表功率信息，通过在线统计综合法获得负荷模型，以及将智能电表作为在线测辨装置，利用实时采样数据在线测辨获得负荷模型，构建了基于智能电表的广域负荷建模体系。通过自动抄表系统定期将负荷统计与测辨相关信息分层收集，分级建模，逐级向上，可实现电力系统负荷信息的广域统计、分析与校核，从而建立动态和长效机制，有效推动负荷建模的各项研究工作。

关键词：负荷建模；广域；智能电网；智能电表

中图分类号：TM933文献标识码：A文章编号：1001-1390（2012）09-0052-06

Wide Area Electric Load Modeling Based on Smart Meter

LI Li1，WANG Liang1，HOU Xue-yong1，SHI Xiong-hua1，CHEN Song-lin1，JU Ping2（1.NR Electric Co.，Ltd，Nanjing211102，China.2.Hohai University，Nanjing210098,China）

Abstract：Power system load modeling is a very important and difficult work.Up to now there is no wide area and long-term mechanism for it.This paper proposed a wide area electric load modeling measurement based on smart meter installed everywhere in the power grid.It uses online component based methodology with power and reactive power information to get the load model，and the smart meter as online measurement device to get the load model at same time to build up a wide area load modeling structure.The load information can be retrieved from the smart meter through the automatic meter reading system and implement wide area statistic，analysis and verification of electric load and provide precise load composition，proportion and time varying characteristic.The smart meter based load modeling measurement will promote the study and research on electric load modeling greatly.

Key words：load modeling，wide area，smart grid，smart meter

压等级的智能电表开展负荷的统计和建模工作，并使之常态化，随时为电力部门提供准确的、全面的、动态的负荷信息，利用这些统计信息可以开展包括负荷建模、负荷预测等一系列相关的、更加广泛的研究工作。本文就基于智能电表的广域负荷建模方法进行分析和阐述。

1负荷建模方法研究

负荷建模工作历经多年的研究，总体形成4种方法，现简要论述如下：

1.1统计综合法

统计综合法的基本思想把综合负荷看作成千上万用户的集合，在实验室确定各种典型负荷的平均特性，然后统计出各类负荷的比例，估算其平均特性最终得到负荷模型。用统计综合法得到的负荷模型具有物理概念清晰，易于理解的优点，但其核心是建立在“统计资料齐全，负荷特性明确”的基础之上，这一点往往难以做到，而且不能经常进行统计，从而无法考虑负荷随时间变化的特性[2]。

1.2总体测辨法

总体测辨法的基本思想是把负荷看成一个整体（黑盒子或灰盒子），利用数据采集装置采集和记录负荷所在母线的U、f、P、Q等内容，然后进行在线或离线分析计算，再根据系统辨识理论确定负荷模型以及参数。这种方法避免了大量的统计工作，有可能得到实时负荷特性，其最大困难是难以在系统所有的变电站都安装有关装置。

1.3故障仿真法

故障仿真法是以一定有代表性的故障作为激励，输入负荷模型，并观察响应输出，然后与实际系统的响应做对比，分析误差并对模型参数进行修正，以期获得能满足较多实际故障情况的参数，即认可这套参数能够较准确地反映系统的动态特性，但这种方法难以保证适合于所有的故障情况。

1.4混合法

混合法汲取了前3种方法之所长并加以互补，提出了一整套负荷建模新策略和新方法。在技术路线上采取了负荷分类确定、在线刷新的建模策略，综合利用EMS、故障录波、负控装置和建模装置等数据进行系统辨识，从而形成了一套复杂的建模体系，充分的数据来源是混合法建模的关键所在［3-9］。

实际上，任何一种建模方法都需要足够的样本来保证建模的效果，由于缺乏足够的样本以及与之相适应的建模方法，所以难以随时掌握负荷组成以及各类负荷所占的比重。限于人力和物力，从工程实用角度出发，在负荷建模的研究中采取了一些假设和近似，在一定程度上给建模工作带来便利，但也在很大程度上影响了建模的准确性和实用性。同时，由于负荷种类繁多、数量巨大且不断增长变化，同时在地域上有具有分散性，偶尔一次统计工作也很难完成，更不用说经常性的统计了，即使完成了统计工作，但负荷的随机性也无从把握，而智能电表在获取这些信息上却具备天然的条件，若加以利用则可获得良好的效果。2智能电表

电能表是电力系统电能计量设备，是一种分布最广泛、最基本的电力数据采集、测量和处理单元，而且系统的各个层次都有用各种用途电能表计，从最末端的用户电表、配电表到厂站的馈线表、关口表等。

智能电表是全球智能电网建设的一个重点，随着智能电网建设的开展，智能电表的发展和应用也达到了较高水平，现代的电能表是集有功、无功电能表、最大需量表、有功、无功功率表、功率因数表、频率表、电压表、电压合格率表、电能质量监测仪、扰动数据记录仪、负荷控制器等多种功能于一体的电力参数综合监测设备。不但可以监视和记录电气参数，还能形成日典型负荷曲线，甚至可以进行某些就地控制［10-13］。目前很多电表都采用了高性能MCU和DSP芯片，信号处理能力空前提高，随着技术的发展其计算能力将进一步提高，且价格不断下降，这就使得普通电表具有非常高的运算和处理能力。电力线通信、无线通信等技术的应用又极大促进了自动抄表系统的发展，电力部门可以通过电力线载波通信技术（PLC）或通用分组无线业务（GPRS）等技术手段实现远程自动抄取电表读数以及相关信息。

由于芯片处理能力的提高，电能表有较大冗余的处理能力，一般智能电表的采样率都比较高，可达4~ 12.8kHz，即每周波80~256点采样（50Hz系统），测量准确度满足0.1%的要求，因此有可能在未来的电能表中增加负荷参数辨识和统计的软件模块，利用各级电能表特别是分布广泛的用户电能表对所辖负荷进行统计和测辨，然后通过远程集抄系统分层收集这些统计结果，就能实现大范围、不间断的负荷统计和测辨，从而为负荷建模工作提供有力的数据保障。实际上，有智能电表的地方就等于有潜在的在线统计和测辨装置，充分利用好这些基础资源，进行长期有效的负荷统计，将会极大促进负荷建模的研究工作。图1为具有负荷测辨功能模块的智能电表示意图，电表的硬件体系较为成熟，因此工作的重点是负荷模型在线辨识软件的设计和开发。