本发明涉及灾后电网恢复技术领域，尤其是涉及一种灾后电网恢复过程中电网冷负荷的建模方法、设备及应用。
背景技术：
通常，在长时间停电后恢复配电线路时，负荷需求会比停电前更大。因为相当长一段时间以来系统电源无法对负荷供电，所以负荷在重新通电之前已达到“冷”状态。在负荷恢复阶段由于大范围的电力设备重新投入使用，负荷需求量会突然骤升。对于此类情况下出现的负荷增长现象称之为冷负荷启动。
冷负荷现象产生的原因如下：1)由于变压器的励磁涌流，这个过程一般不会超过1s；2)异步电动机的启动电流的突变，这个过程一般小于10s；3)由于启动过程中负荷多样性的丢失，这种现象在自动控制设备或自动调温设备(如空调、冰箱、热水器、热泵等)渗透率高的电网终端尤其显著，过程一般持续十分钟甚至几个小时。前两个因素通常仅影响保护协调，并且可以通过保护设备的适当协调来解决。第三个因素引起了更大的关注，因为长期持续存在的负载电流会增加设备的热负载，增加恢复时间并可能损坏设备。目前针对灾后电网恢复过程中冷负荷的研究较少，因此亟需一种针对灾后电网恢复过程中冷负荷的建模方法，为后续冷负荷的研究提供研究基础。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可靠性高的电网冷负荷的建模方法、设备及应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电网冷负荷的建模方法，所述的建模方法包括：
步骤1：将灾后电网恢复过程中的负荷分类为温控负荷和非温控负荷；
步骤2：针对温控负荷和非温控负荷对电网冷负荷建立初步模型；
步骤3：对步骤2建立的模型进行简化，获得简化模型；
步骤4：在简化模型中增加冷负荷恢复过程中影响因素；
步骤5：完成灾后电网恢复过程中冷负荷的建模，获得冷负荷模型。
优选地，所述的温控负荷包括降温负荷或采暖负荷和自动降温设备负荷；所述的非温控负荷包括人工控制负荷和非控制负荷。
优选地，所述的步骤2具体为：
建立如下模型：
其中，ptem(t)为温控负荷随时间变化的功率函数；t0为恢复开始时间；t1为衰减开始时间；α为冷负荷衰减因子；u(t)为单位阶跃函数。
优选地，所述的步骤3具体为：
只考虑负荷恢复的稳态过程，将模型进行如下简化：
其中，p(t)为故障恢复过程中负荷所需的有功负荷；pbase为正常情况的负荷值；λclpu和τ分别为冷负荷现象的初始增长系数和持续时间；
对简化模型进行离散化处理：
其中，δti为每个时步的时间间隔，i＝1,...,n，n为离散时间间隔的个数。
优选地，所述的步骤4具体为：
步骤4-1：在简化模型中加入环境温度影响ptem′；
步骤4-2：在简化模型中加入停电时间影响ptem″；
步骤4-3：在简化模型中加入温控负荷比例影响ptem″′。
更加优选地，所述的环境温度影响具体为：
冷负荷恢复时的功率与环境温度关系为：
ptem′＝ηtemptem
ηtem＝0.0024t2-0.06147t 1.375
其中，ηtem为环境温度影响因子；ptem′为考虑环境温度因素的温控负荷功率。更加优选地，所述的停电时间影响具体为：
ptem″＝ptemηtout
式中：ptem″为考虑停电时间因素的温控负荷功率；ηtout为停电时间影响因子；tout为停电时间，单位为小时；a和b均为时间系数。
更加优选地，所述的温控负荷比例影响具体为：
由系统故障发生前所有温控负荷的功率值与总负荷的比值μtem表示，即
ptem″′＝μtemptem。
一种电网冷负荷的建模设备，所述的建模设备包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的电网冷负荷建模方法。
一种用于上述任一项所述电网冷负荷建模方法的应用，所述的电网冷负荷建模方法用于构建灾后电网冷负荷恢复模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、可靠性高：本发明中的电网冷负荷的建模方法，考虑了灾后各个需要恢复的负荷特性，并在冷负荷模型中加入了环境温度、停电时间和温控负荷比例等影响因素，保证了冷负荷恢复模型的可靠性，能够为后续灾后负荷恢复研究提供有效的模型支撑。
二、安全性高、稳定性好：基于上述建模方法构建出的电网冷负荷模型可用于灾后电网冷负荷的恢复，使用该模型进行负荷恢复时的安全性高、稳定性好。
附图说明
图1为本发明中电网冷负荷建模方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中ncl的启动特性示意图；
图3为本发明实施例中mcl的启动特性示意图；
图4为本发明实施例中冷负荷启动模型特性曲线；
图5为本发明实施例中简化的冷负荷启动模型特性曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种电网冷负荷的建模方法，其流程如图1所示，包括：
步骤1：将灾后电网恢复过程中的负荷分类为温控负荷和非温控负荷；
步骤2：针对温控负荷和非温控负荷对电网冷负荷建立初步模型；
步骤3：对步骤2建立的模型进行简化，获得简化模型；
步骤4：在简化模型中增加冷负荷恢复过程中影响因素；
步骤4-1：在简化模型中加入环境温度影响ptem′；
步骤4-2：在简化模型中加入停电时间影响ptem″；
步骤4-3：在简化模型中加入温控负荷比例影响ptem″′；
步骤5：完成灾后电网恢复过程中冷负荷的建模，获得冷负荷恢复模型。
冷负荷现象会造成恢复时间缓慢甚至可能导致二次停电现象，尤其是对于目前城市配电网或微电网负荷恢复过程中，由于空调负荷等温控负荷比例不断提高，则故障恢复过程中冷负荷启动产生的影响会更大，所以建立详细的冷负荷模型是有必要的。
由于负荷的多样性，因此建立合适的冷负荷模型应根据冷负荷的类型分析其变化特性。众多因素决定着冷负荷恢复过程的负荷冲击程度和持续时间，其中包括：停电持续时间、连接的负载类型、天气、恢复策略、停电原因、分布式电源供电以及故障时间以及负载水平。
从负荷启动特性的角度来分类，主要分为恢复供电时的功率变化具有周期性的温控负荷和与故障前功率大小基本不变的非温控负荷两类。
(1)温控负荷
温控负荷可分为两部分，即降温负荷或采暖负荷和自动调温设备负荷。在配电系统中，由于恒温/自动控制的终端负荷的高度渗透率，当在长达10分钟的停机时间后恢复负荷时，配电系统就会表现更高的负荷需求。受环境温度的影响，电力设备会出现集中启动的现象以恢复到原来设定的恒定温度，负荷状态的多样性趋于统一。造成clpu的几个原因中，温控负荷的多样性丢失更值得关注，持续时间数十分钟甚至几个小时，会阻碍网络的恢复进程，是造成冷负荷启动冲击的主要原因。
(2)非温控负荷
人工控制负荷(manually-controlledloads,mcl)和非控制负荷(non-controlledloads,ncl)均为非温控负荷，在正常系统运行过程中，基于综合负荷模型特征可以建立mcl和ncl的负荷分布模型。mcl在重新通电瞬间具有不同的启动行为。有些设备，如洗衣机，会有突然的反应，而另一些设备，如计算机，在待机模式下重新启动。在系统重新激活的瞬间，ncl和mcl启动，ncl输出在中断之前和之后相同，mcl的输出则表现为从重新激活瞬间到开始正常工作的梯度爬升，这个梯度是可视为mcl设备的一个随机变量，ncl和mcl的启动特性如图2和图3所示。
手动重新启动的负载主要为电动机负荷，它会在电压降低时跳闸，并且只有在电压恢复后才会手动重新启动。电动机负载在住宅、商业和工业上有广泛的应用，一般情况下，工业生产中使用的大型电动机有一个用于启动电动机的接触器机构，需要电压来保持接触器关闭。当电源中断时，接触器自动打开，防止电源恢复时电机自动启动。在整个重新启动过程中，通常需要手动干预来重新启动电机。人控负荷中的电动机对冷负荷启动暂态过程影响较小，故只需引入电动机的静态模型。照明、计算机/电子设备和一些机械驱动负载等非控制负荷在恢复前后不变。综上分析可得出非温控负荷的表达式如下：
式中：pntem表示非温控负荷的负荷量，pmcl表示人控负荷的负荷量，tc表示开始恢复供电的时间，te表示重新供电后恢复正常的时间，pncl表示非控制负荷的负荷量。
(3)冷负荷模型
已有的研究中，已经提出了几种模型来估计clpu条件下的荷载行为，包括物理模型、指数模型、概率模型和基于回归的模型。峰值和持续时间对于正确量化对电气设备的热影响以及制定恢复计划都是必不可少的。clpu特性与数学表达的延迟指数模型更为接近，如图4所示，其数学表达式如下：
其中，ptem(t)为温控负荷随时间变化的功率函数；t0为恢复开始时间；t1为衰减开始时间；α为冷负荷衰减因子；u(t)为单位阶跃函数。
系统未发生故障时的温度控制负荷为ptem，遇到故障后断电时间为tout，t0时刻冷负荷开始恢复，冷负荷保持在ppeak不变并持续δt直到负荷开始恢复多样性，冷负荷功率从ppeak按照冷负荷衰减因子α开始逐渐减小，经过几小时恢复到正常功率ptem。
本实施例研究主要考虑负荷恢复的稳态过程，因此可将模型简化为：
式中：p(t)为故障恢复过程中负荷所需的有功负荷；pbase为正常情况的负荷值；λclpu和τ分别为冷负荷现象的初始增长系数和持续时间。由于停电持续时间、停电原因、负荷种类、天气、恢复方式以及发生故障的时间等因素均影响参数λclpu和τ的值，因此，这两个参数在以往文献中并没有被量化定义，一般通过计算数据采集与监控(scada)系统中的历史数据或者通过多次仿真获得，然后汇编成册以方便参阅决策。简化后模型的特性曲线如图5所示。
对简化模型进行离散化处理：
其中，δti为每个时步的时间间隔，i＝1,...,n，n为离散时间间隔的个数。
由于故障发生时的实际数据采集十分困难，本实施例只选择通过对环境温度、停电时间和温度控制负荷比例3个主要影响因素进行分析，研究其对冷负荷启动的功率幅值的影响，并在模型中加入三种影响因素。
(1)环境温度的影响
由于环境温度的影响，温度控制设备将大量地投入或切除，负荷的需求量会有较大幅度的变化。环境温度从两个方面对冷负荷恢复产生影响。一方面，由于在某些季节内气温严峻，温度控制设备比如空调等将被大量使用，整个电网的负荷需求量都会增加。另一方面，环境温度直接影响冷负荷恢复时的负荷量。因此，在考虑环境温度的作用时，需综合考虑两方面因素。冷负荷恢复时的功率与环境温度关系可以表示为：
ptem′＝ηtemptem
式中：ηtem为环境温度影响因子；ptem′为考虑环境温度因素的温控负荷功率。冷负荷恢复时的功率幅值与环境温度呈二次函数关系：
ηtem＝0.0024t2-0.06147t 1.375
当环境温度为18.3℃时，功率幅值取得最小值。
2)停电时间的影响
负荷的停电时间是预测冷负荷恢复时负荷功率幅值的重要指标。随着断电时间的增加，负荷多样性的缺失更加严重，负荷恢复需求逐步上升。针对不同的温度控制设备，现有研究给出了相应的负荷量变化曲线。从电网角度出发，找到停电时间和负荷量变化的关系，可以成功估计冷负荷恢复时的功率幅值。
ptem″＝ptemηtout
式中：ptem″为考虑停电时间因素的温控负荷功率；ηtout为停电时间影响因子；tout为停电时间，单位为小时；a和b为时间系数，此处取a＝0.908，b＝9.346。
(3)温控负荷比例的影响
正常工作状态下的温控设备处于周期性工作状态，非温控负荷处于随机状态，系统负荷具有很强的多样性。冷负荷恢复期间，大量温控设备为保持设定的温度会同时启动，导致系统负荷多样性丢失。冷负荷恢复期间的负荷增大量主要与温控负荷部分有关，而非温控负荷基本保持原有大小。因此，需要考虑温控负荷比例对负荷恢复峰值的影响。温控负荷比例通常由系统故障发生前所有温控负荷的功率值与总负荷的比值μtem表示。
因此，根据上述三种影响因素，不同场景下冷负荷恢复的负荷功率峰值可以表示为：
ppeak＝pbaseηtemηtoutμtem
本实施例还涉及一种电网冷负荷的建模设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的电网冷负荷建模方法。
一种用于上述电网冷负荷建模方法的应用，电网冷负荷建模方法用于构建灾后电网冷负荷恢复模型。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的建模方法包括：
步骤1：将灾后电网恢复过程中的负荷分类为温控负荷和非温控负荷；
步骤2：针对温控负荷和非温控负荷对电网冷负荷建立初步模型；
步骤3：对步骤2建立的模型进行简化，获得简化模型；
步骤4：在简化模型中增加冷负荷恢复过程中影响因素；
步骤5：完成灾后电网恢复过程中冷负荷的建模，获得冷负荷模型。
2.根据权利要求1所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的温控负荷包括降温负荷或采暖负荷和自动降温设备负荷；所述的非温控负荷包括人工控制负荷和非控制负荷。
3.根据权利要求1所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：
建立如下模型：
其中，ptem(t)为温控负荷随时间变化的功率函数；t0为恢复开始时间；t1为衰减开始时间；α为冷负荷衰减因子；u(t)为单位阶跃函数。
4.根据权利要求1所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：
只考虑负荷恢复的稳态过程，将模型进行如下简化：
其中，p(t)为故障恢复过程中负荷所需的有功负荷；pbase为正常情况的负荷值；λclpu和τ分别为冷负荷现象的初始增长系数和持续时间；
对简化模型进行离散化处理：
其中，δti为每个时步的时间间隔，i＝1,...,n，n为离散时间间隔的个数。
5.根据权利要求1所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：
步骤4-1：在简化模型中加入环境温度影响ptem′；
步骤4-2：在简化模型中加入停电时间影响ptem″；
步骤4-3：在简化模型中加入温控负荷比例影响ptem″′。
6.根据权利要求5所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的环境温度影响具体为：
冷负荷恢复时的功率与环境温度关系为：
ptem′＝ηtemptem
ηtem＝0.0024t2-0.06147t 1.375
其中，ηtem为环境温度影响因子；ptem′为考虑环境温度因素的温控负荷功率。
7.根据权利要求5所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的停电时间影响具体为：
ptem″＝ptemηtout
式中：ptem″为考虑停电时间因素的温控负荷功率；ηtout为停电时间影响因子；tout为停电时间，单位为小时；a和b均为时间系数。
8.根据权利要求5所述的一种电网冷负荷的建模方法，其特征在于，所述的温控负荷比例影响具体为：
由系统故障发生前所有温控负荷的功率值与总负荷的比值μtem表示，即
ptem″′＝μtemptem。
9.一种电网冷负荷的建模设备，其特征在于，所述的建模设备包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1～8中任一项所述的电网冷负荷建模方法。
10.一种用于如权利要求1～8中任一项所述电网冷负荷建模方法的应用，其特征在于，所述的电网冷负荷建模方法用于构建灾后电网冷负荷恢复模型。
技术总结