动态等值程序手册汇总.doc

编号：X9341电力系统动态等值程序技术和使用手册（与BPA程序接口版本）电力部电力科学研究院一九九三年九月工作单位：电力部电力科学研究院清华大学电机工程系工作人员:电科院：卜广全、印永华、汤涌、邱群清华大学：倪以信、杨攀峰、张中华报告编写：印永华、卜广全报告审核：系统分析室：胡学浩系 统 所：张文涛院 科 研 处：项立人院学术委员会：周孝信内 容 提 要 本手册为电力系统动态等值程序的技术和使用手册。主要介绍该程序的结构、特点和功能，程序的数学模型、使用方法和典型应用举例，以便于程序使用能应用该程序解决实际工程问题，提高我国电力系统计算分析的水平。目 录前 言11 动态等值原理简介21.1 同调等值法简介21.2 同调机群的判别和划分21.3 同调发电机母线化简31.4 负荷母线的化简41.5 零序网络的化简51.6 同调发电机及其调节系统模型和参数的聚合52 动态等值程序的元件模型72.1 节点模型72.2 线路模型72.3 发电机模型72.4 励磁调节系统模型82.5 调速器原动机模型82.6 负荷模型92.7 直流模型93 程序控制语句介绍103.1 程序输入输出模式简介103.2 程序控制语句说明113.2.1 第一级控制语句113.2.2 第二级控制语句123.3 程序控制语句应用实例184. 实例计算结果234.1 计算系统概况234.2 化简等值的计算结果23参考文献28前 言电力系统的动态等值是复杂电力系统计算分析中一个重要课题。研究这一课题的必要性在于： 随着电力系统的发展和多大区电网互联的出现，电力系统规模和复杂程序大大增加，因此要对全系统进行计算分析，原始数据的收集整理、计算结果的分析等方面都存在很大的难度和工作量。 在电力系统分析中，实际上往往只对某一区域最感兴趣，而其他区域则不必详细描述，完全可以简化，从而有助于突出主要矛盾，抓住感兴趣的区域进行详尽研究。 通过对复杂电力系统进行有效的动态等值，用对等值系统的研究取代对原系统的研究，在保证必要的精度条件下，可极大地节省人力物力，提高工作效率。为此，在中电联科技工作部的支持和组织下，电力科学研究院电力系统研究所和清华大学电机工程系共同合作，对电力系统动态等值程序进行了完善和进一步的开发。该程序经一年多来的试运行，经受了实际工程项目的考核，满足了工程计算的要求。该程序的推广应用，将进一步促进提高我国电力系统计算分析的水平。该程序已与BPA电力系统分析程序（中国版）实现接口，做到了输入数据共享。动态等值程序的输出结果，可直接由BPA电力系统分析程序调用，对简化后的等值系统进行潮流和稳定分析，为用户提供极大的方便性。该程序目前可在VAX系列计算机、386和486系列微机计算机、SUN工作站等上面运行。1 动态等值原理简介1.1 同调等值法简介本程序采用同调等值法进行电力系统的动态等值。同调等值的核心是根据发电机在某种确定的干扰下，在一定时间段内的暂态过程中具有相同形式的摇摆这一原则分同调机群，并在此基础上进行网络的化简和发电机的聚合。采用同调等值法的基本步骤如下：（1） 确定研究系统，即要保留的详细研究系统。（2） 判别同调机群。（3） 网络的化简。（4） 发电机及其控制系统模型的聚合以及参数的确定。1.2 同调机群的判别和划分在用户根据系统结构、运行工况和要研究的问题确定好要保留的研究系统以后，即需对要等值的外部系统的发电机作同调组判别的划分，进而按划分的同调组进行同调等值。本程序中发电机同调组判别的方法有两种：（1） 根据运行经验和网络结构，由用户人为判别和划分同调组。这一方法在跨省区电网和大区互联电网研究中是行之有效的。在一般情况下，如只对本省区的系统感兴趣，则可将外省区的系统按各省区划分同调组，进行化简等值。目前该方法在跨省区和多大区电网互联中得到广泛应用，能满足工程计算精度的要求，并且简便实用。（2）根据某种故障下发电机的摇摆曲线来划分同调组。发电机的摇摆曲线可以由对复杂系统进行稳定计算的结果中获得，也可以由动态等值程序根据线性化模型施加扰动来快速计算发电机摇摆曲线，并根据MAX-MIN判据判别同调组，现简介于下：(a) 系统元件线性化模型 发电机模型发电机模型采用经典二阶同步机线性化模型，即： 网络方程由于发电机采用经典二阶模型，电力系统高压网络参数X/R比值相当大，因此，网络方程可解耦，并近似取为： 负荷模型：负荷近似作为线性负荷处理。(b) 扰动模拟扰动模拟有以下四种： 短路故障； 断线故障； 切机； 甩负荷。(c) 计算判别方法给定上述模型，采用隐式梯形积分法(数值解法)求解发电机摇摆曲线，然后根据Max-Min原则来划分同调机群，Max-Min判据如下：则i、j两机在T时段内相对于同调，一般地人为给定（510），T取13秒。1.3 同调发电机母线化简同调组内发电机母线采用恒等功率技术来化简，恒等功率技术就是保证等值前后每条边界母线的注入功率相等，同调机群发出的功率也恒定不变。用节点导纳所表示的网络方程为：其中，C为将要合并的母线；B为与同调机组母线相联的边界母线；A为其余母线。用一条母线t代表一个同调机群母线C，取等值母线电压为，则，则采用恒等功率技术，可方便求出及。1.4 负荷母线的化简负荷母线的化简采用了电流变换法，即CSR（Current Sink Reduction）法，这种方法把高斯消元法推广到处理非线性负荷而化简网络。若非线性负荷模型为：这里 CSR法在处理要消去非线性负荷节点时，将负荷的恒定阻抗部分折合成等值阻抗，加到节点导纳阵中；负荷的恒电流部分转换成一个电流变换器，即一个电源(流)源It。负荷的恒定功率转换成一个电流变换器Is。则式中下标1为保留的母线，为节点注入电流矢量。下标2表示要消去的母线。由Gauss消去法，可得到：其中，=，、即为从消去母线转到保留母线上的等效电流源，将、由电流源式返回到相应的负荷形式，和保留母线上同类负荷合并，即完成非线性负荷节点的消去。1.5 零序网络的化简考虑到用户要对等值系统作不对称故障计算分析，本程序开发了零序网络的化简等值功能。在零序网化简等值过程中，程序将自动地读取BPA暂态稳定程序输入文件*.SWI中的零序网络参数，并对用户指定的化简系统进行零序网络的化最后生成化简后等值系统的零序网络，并将其放入等值系统的稳定数据文件中，用户可直接利用该数据文件，对等值系统进行不对称故障下的稳定计算分析。1.6 同调发电机及其调节系统模型和参数的聚合(1) 同调发电机及其调节系统（励磁调节器和调速器、原动机）模型和参数的聚合主要是确定等值模型及其参数。程序中提供了两种聚合方法（Powell优化法，加权平均法），用户可任意选择使用。(2) Powell优化法在用Powell优化法进行发电机及其调节系统模型聚合时，作了如下假定：(3) 线性与非线性部分可以分别聚合；(4) 发电机各个环节可以分别聚合。依照上述假定，可以按照下面的步骤来进行同调发电机的聚合：(1) 确定待合并的各单机传递函数的集合函数，；(2) 确定等值机的数学模型，并给出等值机的传递函数形式，参数待定；(3) 给等值机参数以初值，用Powell法进行参灵敏优化，使等值机传递函数与各机传递函数的集合函数，有最接近的频率特性。即取下面目标函数：一般地在010Hz内进行曲线拟合，使目标函数达到最优，从而确定等值最佳动态参数。(2) 加权平均法加权平均法是一种经典的等值方法，采用该方法进行同调发电机的调节系统模型参数的聚合，仍能保证一定的工程精度（说明比较简化？）。因此，该方法仍可以作为Powell优化法的和种补充。对于包含有汽轮发电机组和水轮发电机组的同调机群，当用一个单一的机组聚合相当困难时，可对水、火机组分别聚合成两个发电单元，挂在同一等值母线上。2 动态等值程序的元件模型本动态等值程序已为与BPA电力系统分析程序（中国版）相结合，做到了输入和输出结果共享，因此动态等值程序的元件模型与BPA电力系统分析程序的元件模型相一致。有关这些模型的详细信息请参阅文献2和3BPA电力系统分析程序用户手册（潮流和暂态稳定）。本节仅作扼要介绍。2.1 节点模型本程序能处理BPA潮流程序中的节点模型及其数据。等值以后生成的节点模型和数据可直接供BPA程序使用。2.2 线路模型本程序的线路模型与BPA程序的模型相一致，包括：对称线路（L卡）；不对称线路（E卡）；变压器支路和移相器支路（T卡）；带负荷调压变压器控制卡（R卡）；两端直流线路（LD卡）等等。等值后生成的线路模型和数据可直接供BPA程序使用。2.3 发电机模型发电机模型采用BPA暂态稳定程序中的模型。从实用角度考虑，对于化简系统，等值发电机的模型采用四绕组模型足够，因此目前程序中采用以下的模型： 经典模型，即恒定（MC卡）； 恒定模型（MF卡）； 、变化模型（MF卡）。发电机组在等值前和等值后的模型保持一致。2.4 励磁调节系统模型本程序能处理BPA暂态稳定程序中的励磁调节系统模型（EAEK共计9种模型）。等值以后的模型如下：(1) 对于Powell优化法，由程序根据优化后的参数选择EA或者EG型励磁调节器。(2) 对于加权平均法，由程序根据等值后的参数选择EA、EG或者EC型励磁调节器。EA型为连续旋转直流励磁系统。EG型为可控硅励磁系统。EC型为无刷旋转交流励磁系统。各型励磁调节器详细传递函数框图见文献3。2.5 调速器原动机模型本程序能处理如下的BPA暂态稳定程序中的调速器原动机模型详见文献3：(1) 调速器和原动机组合在一起的模型： GG型水轮机和汽轮机通用模型； GH型水轮机调速器、原动机模型； GC型双轴汽轮发电机调速器和原动机模型。(2) 单独的调速器模型： GS型汽轮机调速器模型； GW型水轮机调速器模型；(3) 单独的原动机模型TATF型原动机模型，与GS型调速器配合使用；TW型原动机模型，与GW型调速器配合作用。等值以后的模型如下：(1) 对于Powell优化法，等值以后的模型为GG型。如果等值系统内有水轮发电机组和汽轮发电机组，程序将分别等值成两台机组后，挂在同一等值母线上。(有两台机，但是只有一台挂在母线上啊)(2) 对于加权平均法，等值以后按照水轮发电机组和汽轮发电机组，分为如下模型： 如果等值前模型为GH和GS+TA（或TB、TC等等），则等值后仍为GH和GS+TA等模型。 如果等值前模型为GG型，则等值后仍为GG型，并且水轮机和汽轮机分别等值成两台机，挂在同一等值母线上。为了不致于引起混乱，在准备等值前的原始数据时，用户应或者全部用GG卡表示调速器原动机系统，或者全部用GH和GS+TA等卡表示调速器原动机系统，应注意两者不要混用在同一个等值系统内。2.6 负荷模型采用综合静特性负荷模型；LA和LB（之前没有注意到这一点，都删了）（详见文献3）。等值以后，对于保留系统，仍保持等值前的负荷构成比例；对于等值系统，则由程序计算出新的负荷构成比例。2.7 直流模型程序能处理BPA程序的两端直流模型。在等值过程中，直流系统予以保留，不作化简。3 程序控制语句介绍3.1 程序输入输出模式简介程序的输入输出模型可用以下简图表示。动态等值程序输入文件(1) 程序控制文件（*.CON） （2）*.DAT（3）*.BSE（4）*.SWT（5）*.GRP输出文件* *.DAT (1)* *.SWT (2)* *.EQU (3)* *.GRP (4)对上图说明如下：1. 输入部分(1) 程序控制文件（*.CON）-在哪儿编写？它用来指定程序输入文件和输出文件的名字；选择动态等值的方法；设定计算误差的控制值等等。由它来引导程序完成动态等值过程，并输出动态等值的结果文件。(2) *.DATBPA潮流程序的十进制输入数据文件，动态等值程序从该文件中取得潮流控制语句。(3) *.BSEBPA潮流程序的二进制结果文件，它向动态等值程序提供原系统在等值以前的网络及潮流数据。(4) *.SWIBPA暂态稳定程序的十进制输入数据文件，动态等值程序从该文件中取得原系统在等值以前的发电机及其调节系统数据，负荷特性数据等等。(5) *.GRP由前一次动态等值过程中生成的同调组划分文件，它给出了系统中共分为几个同调组、每个同调组包含哪些发电机组等信息。当用户在对原系统参数进行修改并需重新进行等值时，如果仍想沿用前一次作业的同调组划分结果，则可将此文件作为输入文件，程序将优先按此文件的要求划分调组，进行动态等值。需特别指出的是，如果用户不想沿用已有的*.GRP文件中的同调组划分结果，则应该在进行本次动态等值计算以前，删除掉*.GRP文件，程序将按照用户新的要求，重新划分同调组，并生成新的*.GRP文件。如果用户不删除掉已有的*.GRP文件，则程序将仍按此文件划分同调组，用户当前在*.CON文件中的划分同调组要求将无效。. 输出部分(1) *.DAT由动态等值程序生成的等值后简化系统的潮流十进制数据文件（BPA潮流程序格式），可直接供BPA潮流程序进行潮流计算分析，它包括网络数据，机组出力和负荷等等。(2) *.SWI由动态等值程序生成的等值后简化系统的稳定计算用十进制数据文件（BPA潮流程序格式），可直接供BPA暂态稳定程序调用，它包括动态等值后的发电机及其调节系统参数、负荷特性等等。(3) *.EQU计算过程信息文件。用户可通过程序控制语句来指定需要输出哪些计算过程信息。(4) *.GRP本次动态等值计算所采用的同调组划分文件。用户可从中查看同调组划分情况，并可作为下一次计算的同调组划分输入文件。3.2 程序控制语句说明与BPA潮流程序的程序控制语句相似，动态等值程序的控制语句也由一系列控制语言组成。这些语言分为两个层次，或称为两个级别，每个第一级控制语句一般有若干从属于它的第二级控制语句，本节将对此作出说明。3.2.1 第一级控制语句第一级控制语句用/来表示。程序共采用10句第一级控制语句。(1) /INPUT_DATA该语句用来指定程序的输入数据文件名字。(2) /OUTPUT_DATA该语句用来指定程序的输出数据文件名字。(3) /STUDY_AREA该语句用来指定用户要研究的区域，即保留区域。(4) /PROCESS_CONTROL该语句是控制程序的计算过程。包括同调组划分、网络化简和动态等值方法选择等等。(5) /LINSIMULATION该语句提供划分同调组用的故障（扰动）方式，程序将按此故障进行线性仿真，快速计算发电机摇摆曲线，并判别同调组。(6) /GROUP_GENERATOR该语句指定程序依据摇摆曲线划分同调组的控制参数。(7) /MANUAL_GROUP_GEN该语句表明由用户人为划分和指定发电机的同调组。(8) /CSR_REDUCT该语句指定程序用CSR法化简网络时的控制参数。(9) /AGGREGATE_GENERATOR该语句的作用是给定发电机聚合时的控制参数。(10) /END控制文件的结束语句。3.2.2 第二级控制语句第二级控制语句用DATA_FROM=BPAOLD_DAT=* *OLD_SWI=* *OLD_BSE=* *OLD_TO=BPA*NEW_DAT=* *NEW_SWI=* *NEW_BSE=* *SAVE_ZONES=* *，* * SAVE_BASE=* *，* * SAVE_BUSSAVE_GNOSAVE_GEN=ON，PMIN=（num）SAVE_LINEEXCLUDE_BUSDIVIDE=COHERENT DIVIDE SWING, SWINGFILE= * * NOCOHREDUCT=ON OFFCOHREDUCT=CSR NOAGGREGATE=AGG AA NODEBUG*NUMBER=(num)，ERROR=（MIN），（MAX）ERROR=（num），NUMBER=（MIN），（MAX）ACCORDING_AREA=ONOFFGROUP=(num) GROUP 0GROUP=（num）GROUP 0GROUP 1GROUP 2GROUP 0MIDERROR=0.001 (num)FINERROR=0.01 (num)ERROR=0.01 (num)FREQUENCY=0.012，POINT=10 (num)，（max） （num）DATA_FROM=BPAOLD_DAT=LGOLD_SWI=LGOLD_BSE=LGDATA_TO=BPANEW_DAT=NLGNEW_SWI=NLGNEW_BSE=NLGSAVE_ZONES=GXDEBUG 00011111111222DIVIDE=COHERENTCOHREDUCT=ONREDUCT=CSRAGGREGATE=AGGNUMBER=8，ERROR=5，15ACCORDING_AREA=ONMIDEROR=.001FINERROR=.01ERROR=.001FREQUENCY=.01，2，POINT=10DEBUGDATA_FROM=BPAOLD_DAT=LGOLD_SWI=LGOLD_BSE=LGDATA_TO=BPANEW_DAT=NLGNEW_SWI=NLGNEW_BSE=NLGSAVE_ZONES=GDDEBUG 00011111111222DIVIDE=NOCOHREDUCT=ONREDUCT=CSRAGGREGATE=AAGROUP 1GROUP 2GROUP 0MIDEROR=.001FINERROR=.01DATA_FROM=BPAOLD_DAT=PSS1OLD_SWI= PSS1OLD_BSE= PSS1DATA_TO=BPANEW_DAT=PSS1RNEW_SWI= PSS1R NEW_BSE= PSS1R SAVE_ZONES=HA，HB，HC，HD，HE，HF，HG，HH，IISAVE_BUSBFANGSHAN525.BFENGZHEN230./PROCESS_CONTROLDEBUG 00011111111222DIVIDE=NOCOHREDUCT=ONREDUCT=CSRAGGREGATE=AGGGROUP 1GROUP 0MIDEROR=.001FINERROR=.01/END（2） 潮流计算结果系统化简以后全网节点数为176个，支路数为199条，发电机台数为42台（包括等值发电机组）。系统等值前后（原始网和化简网）潮流计算结果的比较见表4.1和表4.2。表4.1 系统等值前后节点电压对照表节点名等值前节点电压幅值（PU）/相角（度）等值前节点电压幅值（PU）/相角（度）FANGSHAN 525.0.973/-15.00.973/-15.0DATONG525.0.989/-5.80.988/-5.8SHENTOU525.0.987/4.40.987/4.4TAIER1230.0.970/-8.90.970/-9.0ZHANGZE230.0.990/-10.70.990/-10.6NANSHE230.0.961/-9.70.961/-9.7FENGZ