母线负荷预测技术及负荷特性对电网影响的研究

摘要

准确的短期母线负荷预测是实现节能降耗与调度精细化管理的基础，研究电力系统母线负荷预测技术具有重要的实用价值和理论意义。本文在分析短期母线负荷预测特点、内容的基础上，结合当前国内外研究现状，对研究中存在的问题进行阐述。电气化铁路负荷是一类单相、非线性、冲击性强的母线负荷，220kV高铁负荷在运行中对电网的影响，110kV电铁负荷的电能质量问题对电网的危害值得关注和研究。围绕短期母线负荷预测工作中坏数据预处理、相似日选择、预测方法，以及高铁负荷在运行中的仿真计算、电铁负荷的负序与谐波特性等问题展开分析与研究，具体工作如下:
　　 原始数据分析是提高短期母线负荷预测精度的重要环节，提出了一种基于特性矩阵分层分析的坏数据处理策略。首先研究划分样本集最优簇结构的AFS聚类算法。参照特征曲线，计算反映负荷点性质的横向及纵向特征向量，进而形成特性矩阵。运用判别准则对日负荷曲线的特性矩阵进行分层分析，并针对不同变化特性的母线负荷制定相应的坏数据处理策略。
　　 合理的相似日选择结果可有效提高母线负荷预测精度，提出了一种基于最优相似日选取的综合预测方法。计算日特征相关因素对负荷水平的影响，并将各因素的重要程度加权于模糊目标函数，得到目标日的负荷水平相似集。建立各类形状相似集的判别函数，并将目标日归类。对待预测日的负荷水平与曲线形状相似集，取两者的交集作为相似日选择结果。以该交集中与目标日日期差最小的样本为虚拟预测对象，计算综合预测中各算法的权重。
　　 提出了一种基于解耦机制的预测方法。将预测过程分为负荷水平预测和标幺曲线预测两部分，并制定适应其各自特点的预测策略。利用负荷水平相似选择结果，由最小二乘支持向量机训练相似集进而做出预测;将目标日的标幺曲线归类，并根据相似度加权平均该类历史标幺曲线。
　　 高铁负荷是典型的大功率冲击型母线负荷，将其作为研究对象，分析它在运行中对电网的影响。首先对高铁负荷特性作出分析。利用PSCAD搭建了适用于高速铁路的牵引供电仿真系统。设置UMEC模型中分段线性的U-I曲线来等效铁芯的饱和特性，并进行空载合闸仿真。在此基础上，对电网侧进行单相短路故障仿真、三相短路故障时的有载合闸仿真。
　　 以电铁负荷作为单相非线性母线负荷的代表，分析它的负序与谐波特性。为深入研究电铁负荷的负序分量对电网的影响，建立适合于负序特性分析与潮流计算的电铁牵引负载负序源模型至关重要。提出了一种基于负序特性分类与综合的建模方法。选取基波负序电流的实测响应空间与机车的实际运行状态为特征向量，对样本集进行聚类趋势分析。在确保样本集可聚的前提下，利用聚类有效性函数得到最优分类结果。通过对牵引负载的负序特性机理分析确定模型的结构，并采用逐步多元回归的方法得到最优模型表达式。对新增样本，将其归入与聚类中心欧氏距离最小的那个类，并对该类模型进行检验。
　　 在大量实测电铁录波数据的基础上，运用总体测辨的建模思想，首先建立了在不同牵引工况下以机车与网侧系统交换的三相基波正序有功功率、无功功率为激励，谐波电流的实部和虚部为响应的谐波源模型，而后确定了每类模型的推荐参数。
　　 在所建负序及谐波电流源模型的基础上，编制了负序与谐波潮流计算系统。程序包括基波负序潮流计算和谐波潮流计算。用户只需输入发电机、变压器、输电线路、普通负荷、牵引负荷的相关数据，就可得到网络中各节点的谐波或负序电压，进而可以求解网络中各条支路的谐波或负序电流。
　　 为便于电力调度中心更好地实现分散式的负荷管理，研发了一套湖南电网母线负荷预测系统。该系统采用先进的多层体系Browser/Server(B/S)结构，基于Microsoft Visual Studio.NET平台和Microsoft SQL Server数据库，由母线负荷预测、母线数据查询、母线负荷分析、母线负荷统计、上报与考核、系统管理中心六个大模块组成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 母线负荷预测的研究现状分析

1．2．2 单相冲击型母线负荷在运行中对电网影响的研究现状分析

1．2．3 研究存在的问题

1．3 本文主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要创新点

第2章 短期母线负荷预测坏数据处理

2．1 引言

2．2 AFS聚类算法

2．2．1 确定聚类数的搜索范围

2．2．2 最优聚类

2．3 坏数据处理策略

2．3．1 数据预处理

2．3．2 精细辨识与调整

2．3．3 坏数据处理算例

2．4 本章小结

第3章 选取最优交集相似日的短期母线负荷综合预测

3．1 引言

3．2 相似日选取与预测的基本思想

3．3 最优相似日选取

3．3．1 负荷水平相似选择

3．3．2 曲线形状相似选择

3．3．3 相似日选择的理论依据

3．4 基于相似日选择结果的综合预测方法

3．5 算例分析

3．6 本章小结

第4章 采用解耦机制的短期母线负荷预测

4．1 引言

4．2 负荷水平预测

4．2．1 基于外部优化的预测算法

4．2．2 预测算法的内部参数确定

4．3 标幺曲线预测

4．4 算例分析

4．5 小结

第5章 大功率冲击型母线负荷在运行中对电网的影响

5．1 问题的提出

5．2 高铁负荷特性分析

5．3 牵引变压器暂态模型

5．3．1 变压器铁芯

5．3．2 V／v牵引变电路暂态模型

5．4 励磁涌流仿真

5．5 单相故障及牵引变有载合闸仿真

5．5．1 单相短路故障仿真

5．5．2 牵引变压器有载合闸仿真

5．6 本章小结

第6章 单相非线性母线负荷的负序与谐波特性分析及其对电网的影响

6．1 引言

6．2 电铁负荷的负序特性分析与负序源建模

6．2．1 反映负序特性的特征向量选取

6．2．2 聚类趋势分析

6．2．3 负序源特征向量的最优分类

6．2．4 负序源的逐步多元回归建模

6．2．5 负序建模的实例分析

6．3 电铁负荷的谐波特性分析与谐波源建模

6．3．1 谐波特性及其模型结构分析

6．3．2 谐波源建模

6．4 牵引负载的负序与谐波特性对电网的影响

6．4．1 负序电流对电网的影响

6．4．2 谐波电流对电网的影响

6．5 本章小结

第7章 电铁负序及谐波潮流计算系统研发

7．1 引言

7．2 含电力机车的谐波潮流计算的特点

7．3 相分量法谐波潮流计算

7．3．1 相分量法变压器模型

7．3．2 相分量法负荷模型

7．3．3 谐波潮流的计算方法

7．4 序分量法谐波潮流计算

7．4．1 序分量法变压器模型

7．4．2 序分量法负荷模型

7．5 基波负序潮流计算

7．6 负序及谐波潮流计算系统

7．6．1 基波负序潮流计算模块

7．6．2 谐波潮流计算模块

7．6．3 应用实例

7．7 小结

第8章 湖南电网母线负荷预测系统的研发与应用

8．1 引言

8．2 总体规划

8．2．1 系统部署的科学性与合理性

8．2．2 系统结构图与关键技术

8．3 系统特点

8．4 系统功能说明

8．4．1 客户端模块描述

8．4．2 后台模块描述

8．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参与的科研项目与科研成果