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1、電力系統負載模型參數之研究 1 電力系統負載模型參數之研究電力系統負載模型參數之研究 A Study of Load Model Parameters for Power Systems 曾國雄曾國雄1* 黃逢佑黃逢佑1 高文秀高文秀2 Kuo-Hsiung Tseng1* Feng-Yo Huang1 Wen-Shiow Kao2 1國立臺北科技大學電機工程系 2聖約翰科技大學自動化及機電整合研究所 摘摘 要要 本文首先利用元件聚集法，搜集變電所負載特性及負載組成比例，輸入負載組合程 式(LOADSYN)，獲得變電所之負載模型參數，並使用監錄量測法，搜集台電公司近兩年 變電所監錄之資料，利用
2、模擬退火法求得近似最佳解或整體最佳解的能力，獲得變電所 之負載模型參數。利用元件聚集法與監錄量測法求得之參數，分別模擬其波形並與實際 量測之波形作一比較，本研究結果顯示以監錄量測法求得之負載模型參數較具準確性。 關鍵詞：負載模型、元件聚集法、監錄量測法、模擬退火法。 投稿受理時間：95 年 11 月 29 日 審查通過時間:96 年 1 月 30 日 Abstract This paper adopts Component-based Approach to collect load characteristics and load compositions of substation. We
3、 apply it to Load Model Synthesis Computer Software (LOADSYN) to obtain the load model parameters, and use Measurement-based Approach to collect the recent two years data that recorded by Taipower. Utilize Simulate Annealing algorithm can find out the global or near global optimum solutions to obtai
4、n the load model parameters of substations. Finally, we use foregoing parameters to simulate and compare with field measurement. The results show load model parameters obtained by Measurement-based Approach is better than Component-based Approach. Keywords: Load Model, Component-based Approach, Meas
5、urement-based Approach, Simulated Annealing. 17 2 臺北科技大學學報第四十之一期 壹、前言壹、前言 負載特性對系統負載潮流及穩定度包 括暫態穩定度、電壓穩定度及動態穩定度 的分析皆扮演著非常重要的角色1-3。合 理反映真正的負載特性，始能進一步提高 電力系統規劃與分析之整體準確性4,5。 早期由於測試的設備及儀器幾乎是類比 式，故非常不易建立完整而有意義的負載 特性參數或模型。自 1970 年代起，數位式 資料收集系統的廣泛應用，使得收集負載 特性數據能力提升，漸能建立完整而有意 義之負載模型。目前負載特性研究方法可 分為負載元件聚集法與負載監錄
6、量測法兩 種 。 美 國 電 力 研 究 院 (Electric Power Research Institute) 與 奇 異 公 司 (General Electric Company)共同發展出一套以聚集 法為基礎之負載組合程式(Load Model Synthesis Computer Software， LOADSYN)，使得電力工程人員可利用此 程式找到適當的負載模型，進而進行負載 潮流或穩定度之研究6。近年來因電腦普 及與處理速度提升，可應用各種解最佳化 之演算法來求取負載模型參數7-9，或以 人工智慧等方式建立負載模型來描述系統 負載特性10。 本 文 分 別 使 用 負 載
7、元 件 聚 集 法 (Component-based Approach)與負載監錄量 測法(Measurement-based Approach)求取負 載 模 型 參 數 ， 元 件 聚 集 法 主 要 使 用 LOADSYN 程式來獲得負載模型參數，監 錄量測法主要使用變電所監錄之資料，再 利用模擬退火法求解組合最佳化問題之能 力來求得負載模型參數。並比較兩種負載 特性研究方法之優缺點。 貳、負載模型貳、負載模型 電力系統是否能穩定的操作，端賴於 系統中發電設備的發電量輸出是否能隨負 載的需求持續不斷供應到系統中，所以， 負載特性對於系統的穩定有極大的影響。 故若能正確地將負載特性以數學模
8、式表示 出來，將有助於正確地評估電力系統操作 的穩定度。 負載模型一般是以數學表示式或等效 電路表示，反應負載有效功率、負載無效 功率和電壓、頻率之間的瞬間相互關係 2。負載模型之定義是由匯流排的電壓(大 小及頻率)與匯流排功率(有效功率及無效 功率)相互間的關係以數學式來表示。而負 載的有效功率及無效功率相對於系統電壓 及頻率的關係式，可由式(1)及式(2)表示：ffPVVPP+= (1) ffQVVQQ+= (2) 其中P及Q表示某一負載元件受電 壓與頻率變動時之有效功率及無效功率之變化量，某一負載元件之特性係數VP 、fP 、VQ 、fQ 可在已知的電壓、頻率範圍內求得常數。 靜態負載模
9、型是將負載特性表示為當 時電壓大小之函數的代數和，與時間特性 無關，把有效功率負載及無效功率負載分 別模擬成定阻抗(Z)、定電流(I)及定功率(P) 之線性組合2，簡稱為 ZIP 模型，可由式 (3)及式(4)表示。 )(112 10cvbvaPP+= (3) )(222 20cvbvaQQ+= (4) 18 電力系統負載模型參數之研究 3 其中 0VVv =，1111=+cba，1222=+cba QP,：分別為實際有效功率及無效功 率負載 00,QP：分別為額定電壓及頻率時之 有效功率及無效功率負載 V：實際電壓 0V：額定電壓 21,aa：定阻抗負載成份 21,bb：定電流負載成份 21
10、,cc：定功率負載成份 參、研究方法參、研究方法 目前負載特性的研究方法，基本上可 區分為元件聚集法及監錄量測法二大類。 負載模型特性之研究簡單地說就是負載參 數的確認工作11。 元件聚集法主要是搜集負載基本元件 特性、負載組成及網路結構等資料，再以 聚集法則計算出負載特性。監錄量測法主 要是在變電所裝設負載特性監錄設備，記 錄系統發生事故時之負載響應波形，也就 是直接量測系統的瞬間三相電壓、電流和 頻率信號，再以數學演算法計算出系統負 載特性。 一、元件聚集法一、元件聚集法 負載元件聚集法首先搜集變電所組合 結構後，依用電契約容量將用電類別分為 燈力用電及動力用電兩種。一般契約容量 在 30
11、0kW 以下為燈力用戶，300kW 以上 為動力用戶。燈力用電包括住宅及商業用 戶，而工業用電則屬於動力用電，台電系 統用電分類圖，如圖 1 所示。在負載資料 分析中，將農業區歸於住宅區，辦公區歸 於商業區以簡化分類過程，因此，台電系統變電所負載類別可分為住宅區、商業區 及工業區等三類。依據用戶電費帳單將各 饋線負載屬性劃分後，可得板橋變電所之 負載分類百分比，如表 1 所示。 由於每種用電類別所使用之電氣元件 不同，故所聚集之元件成份亦有不同。經 由統計調查所得各典型負載區下所慣用之 電氣元件種類，住宅區、商業區及工業區 常見之電氣元件種類，如表 2 所示。依據 全國住宅、商業及工業用電慣用
12、的器具種 類與數量統計普查報告，台電系統板橋變 電所下的負載元件組成百分比，如表 3 所 示。輸入負載組合程式之負載元件電氣特性dfdP及dfdQ值12，如表 4 所示，而負載元件電氣特性dVdP及dVdQ值則使用LOADSYN之預設值。 圖 1 用電分類圖 表 1 板橋變電所負載分類百分比 變電所名稱 地區住宅 商業 工業 板橋 北 30 15 55 19 4 臺北科技大學學報第四十之一期 表 2 典型負載分類元件名稱 住 宅 區 商 業 區 工 業 區 A.電視 (TVSN) B.家用電鍋 (ELRA) C.家用電熱 水器 (ELWH) D.火爐風扇 (FFAN) E.燈泡 (ILIT)
13、F.冰箱 (REFR) G.家用冷氣 (RRAR) H.洗衣機 (CWSH) I.烘乾機 (DRYR) J.中央空調 (CCAR) K.商業用冷氣機 (CRAR) L.日光燈(FLIT) M.幫浦風扇、馬 達(METC) N.灌溉用抽水馬 達(APMP) O.電解器(ELTR) P.重工業大馬達 (LMOT) Q.重工業小馬達 (SMOT) R.鋼鐵業大馬達 (LINM) S.鋼鐵業小馬達 (SINM) 表 3 負載元件組成百分比 元件代號 A B C DEFG HI J 板橋 變電所 7 8 8 2658 5 4 7 元件代號 K L M NOPQ RS 板橋 變電所 8 7 2 3267
14、3 2 當負載分類、分類組成元件及負載元 件電氣特性資料收集齊全後，即可做為 LOADSYN 程式之輸入資料，流程如圖 2 所示。執行 LOADSYN 程式，分別使用一 般化負載模型程式及特殊化負載模型參數 程式，求得靜態 ZIP 模型負載模型之參 數，如表 5 所示。 表 4 負載元件特性值 元件 代號dfdP dfdQ元件 代號 dfdPdfdQA 0.0 -4.86K 0.56 -2.68 B 0.0 0.0 L 1.02 -2.25 C 0.0 0.0 M 2.74 1.83 D 2.741.83N 5.7 4.33 E 0.0 0.0 O -0.3 0.6 F 0.48-1.3P 1
15、.9 1.21 G 0.56-2.68Q 2.60 1.70 H 2.641.6 R 1.9 1.21 I 0.23-2.9S 2.56 1.76 J 1.3 -1.57 負載分類(住宅、商業、 工業區)百分比各負載分類區慣用之電 氣元件種類負載組成元件百分比負載元件電氣特性dfdQ dVdQ dfdP dVdP、執行LOADSYN程式產 生一般化及特殊化負載 模型參數圖 2 負載元件聚集法流程圖 20 電力系統負載模型參數之研究 5 表 5 靜態 ZIP 負載模型參數 有效功率 變電所 名稱 定阻抗定電流 定功率 板橋 1.07 -0.14 0.07 無效功率 變電所 名稱 定阻抗定電流 定功率 板橋 0.87 0.31 -0.18 二、監錄量測法二、監錄量測法 負載監錄量測法首先搜集裝設於變電 所之負載特性監錄設備所量測之 V、I 資 料，透過 EMOSTM 3.0 動態數據處理系統， 利用離散傅立葉轉換、相量轉換與對稱成 份計算後，得到 P、Q、V、f 值13，再以 模擬退火法求出最佳負載模型參數，流程 如圖 3 所示。 首先將靜態 ZIP 模型當成模擬之基本 模型，並以式(5)當作模擬退火法之目標函 數。 =niiiYX12)(目標函數 (5) 其中 n：取樣點數 iX：模擬值 iY：實際值 監 錄 之 原 始 資 料 (V,I,f)EMOS
