【正文】 計一些特殊時刻的負荷 (如冬季峰值負荷、夏季峰值負荷)的組成,即每種典型負荷所占的百分比,以及配電線路和變壓器的數(shù)據(jù),最后綜合這些數(shù)據(jù)得出該負荷點的負荷模型。經(jīng)過多年的努力,到了1987年完成的EL25003計劃, 一個在統(tǒng)計綜合法負荷建模中最具影響的軟件包EPR I 的LOAD SYN開發(fā)完成了[ 17 ]。該軟件包使用時雖然需要三種數(shù)據(jù): 負荷組成, 即各類負荷(民用、商業(yè)、工業(yè)等)所占的比例。 各類負荷中各用電設(shè)備(熒光燈、電動機、空調(diào)等) 所占的比例。 各用電設(shè)備的平均特性。但對于使用者來說,必須提供的只有第一種數(shù)據(jù),后兩種數(shù)據(jù)可以利用該軟件包所給的典型值,這給該軟件包的使用者提供了一定的方便。 60年代開始迅速發(fā)展起來的系統(tǒng)辨識理論到了80年代前后已取得了許多令人矚目的成就,加之計算機數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的發(fā)展,為另一種新的負荷建模方法總體測辨法的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。該方法的基本思想是將負荷群作為一個整體, 先在現(xiàn)場進行人為擾動實驗或捕捉自然擾動，采集并記錄該擾動數(shù)據(jù)，然后由現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)辨識負荷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù),最后再由大量的實測數(shù)據(jù)驗證所建模型的有效性。中國、美國、日本、加拿大和澳大利亞等國在實際系統(tǒng)研制和投運了一大批電力負荷特性數(shù)據(jù)在線記錄裝置,記錄了大量數(shù)據(jù),借此開展了大量的基于總體測辨法的研究 。 GIGRE和IEEE都設(shè)有負荷建模工作組,其不定期的發(fā)表一些專題報告,以指導負荷建模方面的研究和及時總結(jié)負荷建模方面的進展。1990年GIGRE發(fā)表的專題報告,結(jié)合荷蘭FGO電網(wǎng)對各種負荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定計算效果為例論證了負荷模型的重要性,并對建立實際負荷模型的方法及負荷測試的有關(guān)問題進行了論證。IEEE在1993年發(fā)表的報告統(tǒng)一了負荷建模中的許多術(shù)語和定義, 總結(jié)了負荷模型從建立、驗證到應用的有關(guān)問題。IEEE在1995年2月的報告列出了國際上學者在負荷建模研究中提出的許多有價值的負荷模型以及他們的文獻和著作,以期推動負荷建模的進一步研究和實際應用。在1995年8月的報告中推薦了用于電力系統(tǒng)潮流計算和動態(tài)仿真的標準化負荷模型,為各種仿真程序的使用者指明了方向[7]。 研究現(xiàn)狀 電力負荷建模的總體原則 （1）可用性原則 電力負荷建模具有時變性、隨機性、分布性、多樣性、非連續(xù)性等特點，多年來雖然人們做了大量努力，但要對所有負荷點、所有時間點建立“精確”的模型是不現(xiàn)實的。雖然不能做到定量完全精確，但至少要做到定性正確。所以，在目前只能考慮建立“可用”的負荷模型，對該模型的最基本的要求是能夠反映負荷的實際本質(zhì)特征。 （2）實用性原則 電力負荷建模的目的當然是為了應用。這就要求模型在能夠反映負荷本質(zhì)的前提下要盡量簡單，最好與現(xiàn)有電力系統(tǒng)計算程序能夠銜接。同時要求方法也要盡量簡單，最好少做全系統(tǒng)性的大規(guī)模試驗尤其是穩(wěn)定試驗。 （3）針對性原則 國外對電力負荷建模已有大量研究，美國等國家進行了大量實際負荷參數(shù)的研究，給出了推薦參數(shù)。但不同國家的管理體制和負荷情況具有明顯差異，國外的做法不一一定就能夠照搬，國外的數(shù)據(jù)也不一定能夠照用。我國開展負荷建模工作，一方面要借鑒國外的經(jīng)驗，但另一方面要針對我國的實際，立足國內(nèi)，走1條 有中國特色的負荷建模之路[8]。 電力負荷建模的基本概念電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、電力網(wǎng)及電力負荷三大部分組成的能量生產(chǎn)、傳輸和使用系統(tǒng)。發(fā)電廠是電能的發(fā)出者，這些電能經(jīng)高壓輸電網(wǎng)及低壓配電網(wǎng)被傳送到各個用戶，并由安裝在用戶處的用電設(shè)備所消耗。電力負荷就是這些用電設(shè)備的總稱，其中有時也包括配電網(wǎng)絡(luò)，并簡稱為負荷。電力系統(tǒng)中有各式各樣的負荷，可以從不同的角度進行分類。從用電部門來看，可以分為城市民用負荷、商業(yè)負荷、農(nóng)業(yè)負荷、工業(yè)負荷及其它負荷。城市民用負荷主要是城市居民的家用電器負荷。商業(yè)和工業(yè)負荷是為商業(yè)與工業(yè)服務(wù)的負荷。農(nóng)業(yè)負荷是農(nóng)村所有負荷的統(tǒng)稱，包括農(nóng)村民用電、生產(chǎn)與排灌用電及農(nóng)村商業(yè)用電等。其它負荷包括市政用電、公用事業(yè)用電、政府辦公用電、鐵路與電車用電等等。家用電器大致有如下幾類。1） 照明電器：熒光燈、白熾燈；2） 備餐電器：電爐、電飯鍋、電烤箱、烤爐等等；3） 洗熨電器：洗衣機、電熨斗、烘干機等；4） 食品儲存電器：電冰箱及其它冷凍設(shè)備；5） 調(diào)溫電器：電風扇、空調(diào)等；6） 電視音響電器：收錄機、電視機、錄像機等。 工業(yè)負荷中電力設(shè)備種類更多，最主要的是感應電動機和同步電動機，其它還有整流型負荷、電弧爐、阻抗型負荷（如工廠照明）等等。配電網(wǎng)主要有配電線路、變壓器和補償電容等。 負荷吸收的有功功率(P)及無功功率（Q）是隨著負荷母線的電壓（U）和頻率（f）的變動而變化的，這就是負荷的電壓、頻率特性，用于描述負荷特性的數(shù)學方程稱為負荷模型。建立負荷模型就是要確定描述負荷特性的數(shù)學方程的形式及其中的參數(shù)，簡稱為負荷建模[19]。 分類按照是否反映負荷的動態(tài)特性,負荷模型一般可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩類,前者通常用代數(shù)方程來描述,后者通常用微分方程或差分方程描述。每一類都有多種結(jié)構(gòu)。 （1） 靜態(tài)模型在穩(wěn)態(tài)條件下，負荷功率與端電壓及頻率之間的非線性函數(shù)關(guān)系稱為負荷的靜態(tài)模型[19] ?；镜撵o態(tài)負荷模型的結(jié)構(gòu)為:冪函數(shù)模型。多項式模型。通常一個冪函數(shù)在電壓變化范圍比較大的情況下仍能較好地描述許多負荷的靜態(tài)特性。多項式模型由恒功率、恒電流、恒阻抗三部分組成,它可以看作是三個冪函數(shù)相加的特例，這三個冪函數(shù)的冪指數(shù)分別為0,1,2。靜態(tài)的負荷模型主要適用于潮流計算和以潮流計算為基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)分析中。在電力系統(tǒng)動態(tài)分析中,靜態(tài)負荷模型一般適用于計算結(jié)果對負荷模型不太敏感的負荷點。目前國內(nèi)電力系統(tǒng)潮流計算所采用的負荷模型多是恒功率模型,暫態(tài)計算所采用的負荷模型也多是多項式模型(多為40% 的恒功率+60%的恒阻抗)。與有些文獻所述不同的是,由于大部分的計算程序采用的多項式負荷模型, 在低電壓下() 多相應的轉(zhuǎn)化為恒阻抗模型,所以對多項式的負荷模型并不存在電壓為零時功率不過零點的問題[4]。 （2） 動態(tài)模型動態(tài)負荷模型又可進一步分為機理模型和非機理模型。其中機理模型通常就是感應電動機模型。相應的還有采用一臺等值感應電動機, 兩臺或更多的等值感應電動機 , 以及將感應電動機并聯(lián)上有關(guān)的靜態(tài)模型等幾種形式。非機理模型則是在系統(tǒng)辨識理論發(fā)展過程中,從大量的具體動態(tài)系統(tǒng)建模中概括出來的,對一大類動態(tài)系統(tǒng)具有很強的描述能力。每一種非機理模型模型都有其普遍適用的范圍, 也正是由于其普遍適用性也掩蓋了它作為具體系統(tǒng)的具體物理機理。目前常用的非機理動態(tài)負荷模型的形式有:常微分方程模型, 傳遞函數(shù)模型 , 狀態(tài)空間模型 ,時域離散模型 。此外還有考慮描述負荷模型非線性而提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]。負荷模型的評判是困難的，因為不同的應用目的對負荷的要求不同，不同的研究人員看問題的出發(fā)點可能也不一樣。一般來說，需要考慮以下幾個方面：(1)精確度；(2)計算量；(3)物理背景；(4)參數(shù)獲?。?5)應用方便?？梢哉f，目前沒有一種統(tǒng)一的負荷模型在各方面都可以適用。事實上，上述幾個方面有的有時甚至是互相矛盾的。因此，往往要根據(jù)應用者關(guān)心的主要方瑤，選擇一種折中的負荷模型。 實用化負荷建模思想 負荷建模：兩大方法、特點、不足時至今日，人們已提出了不少負荷建模方法，這些方法可以歸納為兩大類：一類是“統(tǒng)計綜合法”，另一類是“總體測辨法”。 統(tǒng)計綜合法 統(tǒng)計綜合法的基本思想是將負荷看成個別用戶的集合，先將這些用戶的電器分類，并確定各種類型電器的平均特性，然后統(tǒng)計出各類電器所占的比重，最后綜合得出總的負荷模型，其典型成果體現(xiàn)在EPRI聯(lián)合研究集團開發(fā)研制的LOADSYN軟件中。這套軟件的理論部分是由美國Texas大學的Arlington分校負責的，GE和其他電力公司負責在電網(wǎng)上進行實驗驗證?，F(xiàn)在許多國家的電力部門都采用這類辦法。在采用這類方法時，需要3種數(shù)據(jù)資料：①負荷組成及各類負荷所占的比重；②配電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；③各類負荷的平均特性。一般來說，后兩種數(shù)據(jù)變化較小，而第一種數(shù)據(jù)變化較大。據(jù)文獻報導：①有功功率的電壓特性系數(shù)隨運行條件的變化較小，從而使綜合得到的有功電壓特性與實際的比較吻合；而無功功率的電壓特性系數(shù)則變化較大，使綜合得到的無功電壓特性與其試驗結(jié)果相差較大；②綜合得到的頻率特性與試驗結(jié)果相差較大；③對負荷動態(tài)特性也不能很好地模擬。統(tǒng)計綜合法是一種傳統(tǒng)的做法，比定性估計負荷參數(shù)前進一大步。它不依賴現(xiàn)場試驗，花費的代價較小。但這種方法存在著下列問題：（1） 需事先統(tǒng)計成千上萬個用戶的負荷組成及參數(shù)。這種統(tǒng)計工作不但耗時費力，而且難以統(tǒng)計準確。（2） 各類電器的“平均特性”難以確定。（3） 統(tǒng)計綜合工作不可能隨時進行，甚至不能經(jīng)常進行。而負荷特性是經(jīng)常變化的，甚至變化很大。因此，這種方法不能適應負荷特性的時變性。（4） 對無功電壓特性、頻率特性及動態(tài)特性難以模擬準確。（5） 負荷成分往往比較復雜，包含的用電設(shè)備可達數(shù)十種，如電動機、電阻負荷、電壓器、熒光燈等等。若將所有這些類型的負荷都考慮進去，則因各類用電設(shè)備的模型不同，從而導致總的模型難以應用。隨著負荷成分的日益復雜化，這個問題將更加突出。 總體測辨法 總體測辨法的基本思想是將負荷群看作一個整體，先從現(xiàn)場采集測量數(shù)據(jù)，然后確定負荷模型的結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)辨識出模型參數(shù)，其典型成果體現(xiàn)在加拿大Quebec及Ontario水電研究所開發(fā)的在線監(jiān)測裝置上。他們設(shè)計了一套微機控制的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，收集了大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)資料。在此基礎(chǔ)上，離線或在線辨識出負荷特性系數(shù)?？傮w測辨法是一種比較新穎的方法，目前正處于開發(fā)研究中。這種方法所必需的現(xiàn)場測量工作比較復雜，甚至會受到實際條件的限制，例如電壓波動難以做到超過10%。但與統(tǒng)計綜合法相比，它具有如下優(yōu)點：（1） 無需知道各個用戶的負荷組成及參數(shù)，不依賴于用戶統(tǒng)計資料。（2） 在負荷母線處長期裝設(shè)測量裝置，可以根據(jù)各個時刻的測量數(shù)據(jù)得到相應的負荷特性參數(shù)，從而解決了負荷特性的時變性問題。（3） 有希望獲得較好的參數(shù)估計值。（4） 當負荷組成比較復雜時，仍可以用簡單的輸入/輸出模型來描述。這種模型的參數(shù)易于辨識，模型結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，便于處理。（5） 總體測辨法實質(zhì)上是將負荷看作“灰色系統(tǒng)”或“黑色系統(tǒng)”，而現(xiàn)代系統(tǒng)理論為總體測辨法提供了有力的理論依據(jù)和分析工具[19] 。 聚類分析在負荷特性分析中的應用現(xiàn)狀 聚類分析是一種新興的多元統(tǒng)計方法，是當代分類學與多元分析的結(jié)合。聚類分析是將分類對象置于一個多維空間中，按照它們空間關(guān)系的親疏程度進行分類。也就是說，對彼此不同屬性的事物進行辨認，將具有相似屬性的事物聚為一類，使得同一類的事物具有高度的相似性[8]。 聚類分析指將物理或抽象對象的集合分組成為由類似的對象組成的多個類的分析過程。它是一種重要的人類行為。聚類與分類的不同在于，聚類所要求劃分的類是未知的。聚類是將數(shù)據(jù)分類到不同的類或者簇這樣的一個過程，所以同一個簇中的對象有很大的相似性，而不同簇間的對象有很大的相異性。　　聚類分析的目標就是在相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)來分類。聚類源于很多領(lǐng)域，包括數(shù)學，計算機科學，統(tǒng)計學，生物學和經(jīng)濟學。在不同的應用領(lǐng)域，很多聚類技術(shù)都得到了發(fā)展，這些技術(shù)方法被用作描述數(shù)據(jù)，衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，以及把數(shù)據(jù)源分類到不同的簇中?！　慕y(tǒng)計學的觀點看，聚類分析是通過數(shù)據(jù)建模簡化數(shù)據(jù)的一種方法。傳統(tǒng)的統(tǒng)計聚類分析方法包括系統(tǒng)聚類法、分解法、加入法、動態(tài)聚類法、有序樣品聚類、有重疊聚類和模糊聚類等。采用k均值、k中心點等算法的聚類分析工具已被加入到許多著名的統(tǒng)計分析軟件包中，如SPSS、SAS等。　　從機器學習的角度講，簇相當于隱藏模式。聚類是搜索簇的無監(jiān)督學習過程。與分類不同，無監(jiān)督學習不依賴預先定義的類或帶類標記的訓練實例，需要由聚類學習算法自動確定標記，而分類學習的實例或數(shù)據(jù)對象有類別標記。聚類是觀察式學習，而不是示例式的學習　　從實際應用的角度看，聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘的主要任務(wù)之一。而且聚類能夠作為一個獨立的工具獲得數(shù)據(jù)的分布狀況，觀察每一簇數(shù)據(jù)的特征，集中對特定的聚簇集合作進一步地分析。聚類分析還可以作為其他算法（如分類和定性歸納算法）的預處理步驟。 本文主要研究內(nèi)容 負荷建模領(lǐng)域的研究目前大多仍以理論研究為主，尚未很好地推廣到工程應用。隨著當前電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，對于一個廣域電力系統(tǒng)分析人員而言，如果該區(qū)域的所有負荷站點均采用同一種負荷模型，該負荷模型必定是非常保守和粗糙的。而如果將每個負荷站點均根據(jù)總體測辨法建立起相當精確的負荷模型，這將需要大量的設(shè)備和資金的投入，無論是從人力、財力和物力上考慮都是不可取的。這一問題是近來負荷建模工作一直不斷探討的熱點，目前正在逐步形成一類基于統(tǒng)計與基于量測相結(jié)合的負荷建模新方法。在初步探討了聚類分析技術(shù)在負荷建模中的應用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點研究了模糊C均值法的基本原理和實現(xiàn)過程，并將其用于統(tǒng)計負荷特性數(shù)據(jù)的分類，從而驗證了聚類技術(shù)在負荷特性分類中應用的工程實用性，為統(tǒng)計綜合法和總體測辨法的融合提供了有效的途徑。第2章 聚類分析聚類分析就是如何對樣品（或變量）進行量化分類的問題。通常聚類分析分為Q型聚類和R型聚類。Q型聚類是對樣品進行分類處理，R型聚類是對變量進行分類處理。 聚類分析的基本概念 在實際研究中，既可以對樣本個體進行聚類，也可以對研究變量進行聚類，對樣本個體進行的聚類通常稱為Q型聚類，對研究變量進行的聚類稱為R型聚類。本文采用的是對樣本個體進行聚類分析。所謂樣本，就是指待分類的對象全體。每個樣本都由一系列指標表示，這些指標形成樣本矢量，全體樣本矢量構(gòu)成的集合稱為樣本矢量集，這里設(shè)樣本矢量集合為X={}，每一個對象(i=?m)都由一組n個指標刻畫：。定義為樣本與的距離，常用的距離有：1． 閔氏距離 如 當q=l時,稱為絕對值距離。