电力系统仿真课件

1、江涵1.电力系统仿真分析综述2.PSS/E基本操作3.BPA基本操作4.PSASP基本操作及多种稳定分析问题仿真电力系统稳定分析暂态稳定小扰动稳定电压稳定潮流计算电电力系统力系统分析仿真技术主要包分析仿真技术主要包括括物物理动态模拟技理动态模拟技术术数数字仿真技字仿真技术术数数模混合式仿真技模混合式仿真技术术 人们在相似理论的指导下设计并构成物理模型系统。通过在物理模型系统上做实验来代替在实际系统上的试验，这就是动态模拟。优点是可以较为真实的反映被研究系统的全动态过程，包括同一系统内不同时间常数的动态过程。局限性1.仿真的规模受实验室设备和场地限制.2.每一次不同类型的试验都要重新进行电气接线

2、，费力耗时。随着实际系统的发展，系统的规模和复杂程度发生很大变化，采取物理模型的动态模拟方法受到很大限制。与此同时，数字计算机和数值计算技术飞速发展，数字计算机的性价比不断提高，出现了用数字模型代替物理模型的新型模拟系统，建立数学模型并在数字计算机上做实验的过程称为系统数字仿真。电力系统数字仿真可分为研究仿真和培训仿真2类。研究仿真包括各种电力系统电磁暂态和机电暂态稳定仿真软件，如电磁暂态软件EMTP和国内电力部门普遍采用的综合稳定程序等。培训仿真包括属于EMS的调度员培训仿真器DTS、变电站运行人员培训仿真器和发电厂机组运行人员培训仿真器。研究仿真又可分为非实时仿真和非实时仿真。实时仿真软件

3、必须在一个实际步长内完成所有状态变量和非状态变量的求解计算和与实物相联系的参数转换、功率放大与连接。因此多数实时仿真系统采用并行计算机和并行算法，把计算任务分摊到各并行计算机上进行并行计算和信息交换。BPAPSASPPSS/ENetoMACDigSilent中国版的BPA程序是由中国电力科学院引进、消化、吸收美国BPA程序开发而成。主要计算分析功能包括：稳态计算分析：潮流计算、灵敏度分析、静态电压稳定分析、网损分析、最优潮流和无功优化计算、谐波分析等；暂态稳定计算分析：暂态稳定计算分析、稳定极限求取等；全过程计算分析：电力系统电磁、机电暂态及中长期的全过程动态仿真;短路电流计算、小干扰稳定分析

4、、电压稳定分析。电力系统分析综合程序(Power System Analysis Software Package,PSASP)是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序,它具有我国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包 PSASP是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案的重要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施的有效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助手；是高等院校用于教学和研究的软件设施。PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输电、供电和配电

5、系统)的各种计算分析。 PSS/E是美国PTI电力技术咨询公司专为输电系统分析而设计的综合仿真软件包,主要用于电力系统机电暂态仿真和计算，是世界电力工业中最广泛应用的电力系统分析软件之一。（现在被西门子收购）PSS/E的p ssds4的功能强大,但较复杂,其稳定计算程序结构图如下。与BPA的稳定计算不同, p ssds4多一中间环节。它们由PSS/E自动产生,在动态仿真中有很关键的作用。PSS/E将模型子程序库中的许多模型(包括用户自定义模型)交给CONEC和CONET处理,通过编译、链接这些模型后形成的数据与稳定计算数据库一起组成完整的动态仿真数据。PSS/E的稳定计算程序的主要特点为:提供

6、了丰富的模型库、提供了强大的数据纠错检查调试功能、用户自定义模型功能较强大、提供IPLAN语言全面控制仿真过程、采用高效算法,计算速度快、可进行电力系统暂态和中长期动态仿真。德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的 FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。该软件元件模型全，仿真频带宽。机电+电磁暂态德国DIgSILENT GmbH公司推出的电力仿真软件，被广泛应用于风电行业的电力系统的发电、传输和风电场的模拟仿真，以及风机并网发电质量的分析。EMTP是加拿大H.W.Dommel

7、教授首创的电磁暂态分析软件,它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点,可作为电网稳态和暂态的仿真分析及电力系统谐波分析的有力工具。美国邦纳维尔电力局(BPA)对程序的开发做了很大的贡献。近年来成立的包括美国、加拿大、日本及欧洲一些国家在内的EMTP联合发展中心(DCG)和在欧洲成立的另一个EMTP用户协会(LEC)，都还在为该程序的改进提高和推广进行着大量的工作。EMTP的UBC版本、BPA版本、DCG版本分别为以上机构各自开发的产品1984年以后，EMTP程序主要分为两支：一支以DCG(EMTP Development Coordination Group，1982年由北美6个大型电

8、力机构组成)/EPRI(美国电力科学研究院)为代表，试图将EMTP程序商业化；另一支即EMTP-ATP，它继续保持EMTP程序的可免费使用性。1984年初，原EMTP的开发者之一Dr.W. Scott Meyer终止了12年的EMTP开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序，从此EMTP-ATP程序正式于1984年秋诞生了。ATP（The Alternative Transients Program）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本, 它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。A

9、TP程序正式诞生于1984年，由Drs. W.Scott Meyer 和Tsu-huei Liu所领导的世界各地的用户组不断地发展。现在在全世界范围内已相继成立了十多个区域性的用户组，拥有大量的用户。The U.S. Government built Bonneville and Grand Coulee Dams in the 1930s and 1940s.Congress created BPA in 1937 to deliver and sell the power from Bonneville Dam. The first line connected Bonneville Da

10、m to Cascade Locks, just three miles from the dam. Major construction from the 1940s through the 1960s created networks and loops of high-voltage wire touching most parts of BPAs service territory. During that time, Congress authorized BPA to sell and deliver power from more federal dams on the Colu

11、mbia and its tributaries.About 45 percent of the power consumed in the Pacific Northwest comes from BPA. Northwest utilities and a few large industries buy BPA power; utilities resell it to homes, businesses, and other consumers.BPA operates and owns one of the nations largest high voltage transmiss

12、ion systems.BPA provides transmission to direct service industries and public and private utilities. This safe and reliable service provides low-cost power to markets throughout the west.在PSS/E中，所有的功能模块都是通过“Activity”来实现的。对“Activity”类似DOS操作命令，可以在命令行中输入，也可找到对应进行操作； “Activity”是PSS/E的难点，也是其优点，是二次开的基础；初学

13、者可以先掌握菜单操作，然后进一步掌握指令输入操作。这是熟练掌握和应用PSS/E必不可少的。 潮流计算的输入文件存储于“*.raw”文本文件中，可以使用文本编辑器编辑，也可以由PSS/E程序生成。数据文件包括17项数据内容，根据实际网络的情况可以有所增减，但前5项数据不可缺少，它们是：（1）母线数据；（2）负荷数据；（3）发电机数据；（4）无变压器支路数据；（5）变压器支路数据；了解数据格式的细节内容，参照“POMVolum14.1 ACTIVITY READ”。其中给予了每项数据的详细说明。 数据格式自由，可以用空格和逗号格开，17项数据的顺序不可颠倒，但各种数据内部顺序任意。每条数据之间不能

14、有空行，且每条数据只能占一行。这相对于后面要介绍的稳定数据要严格些。每项数据结束，用“0”结束。每行数据注释用单斜杠“/”。数据的输入用“READ”指令。利用菜单操作为“File-input-Read power flow data”；也可在命令行中直接键“read”，根据提示输入文件。注意：在输入文件时一定要包含路径名。 潮流计算的方法包括两大类5种： 牛顿法：固定坡度的解耦法，完全牛顿拉夫逊法，解耦法（PQ分解法）； 高斯塞德尔法，改进高斯塞德尔法。牛顿法以功率迭代变化值为收敛判据，默认值为0.1，高斯法以电压迭代变化值为收敛判据，默认值为0.0001。根据需要，可适当减小收敛判据值。修改

15、计算参数的命令为“CHNG”，也可以在菜单“edit-load flow data-solution parameters”里面修改参数。各参数的具体命令与细节，参见相应的“ACTIVITY”说明。它们是“SOLV”、“MSLV”、“NSOL”、“FNSL”和“FDNS”。 在条件较好的算例中迭代几次便可达到收敛；允许在网络中出现负阻抗；非零的小阻抗支路可能削弱牛顿法的收敛能力，但在这样的计算条件下仍能使功率失配小于0.2MVA。迭代次数对系统规模不敏感；在初始条件较弱的情况下，牛顿法可能要发散；无功问题可能导致不收敛问题；对于局部区域的数据错误和不可解条件，牛顿法的容忍能力较弱；支路中负电阻

16、的出现高通常使斯法发散。非零的小阻抗支路（如j0.0001）会通常导致收敛速度很慢，并使得相关母线功率失配严重；当系统规模增大时，达到收敛条件的迭代次数也要增大；如果缺乏初始条件，则可应用高斯；高斯对无功问题具有很大适应性。在计算实际大电网时，可能出现潮流不收敛的情况。这时，首先检查有功无功的功率的平衡。其次，在计算的条件选择时，可以选择“平滑启动（flat-start）”和取消无功约束的等条件。计算迭代收敛后再取消该选项，把原始的约束条件加上，这样可在较好的初值条件下得到收敛的潮流。 和潮流计算结果相关的输出文件主要有三个：（1）和BPA相似的潮流输出“*.dat”文件。可用记事本打开。主要

17、输出电网的潮流分布和统计信息；通过“IO control-open reporting device”菜单，设置输出文件，再通过“Power flow-report”输出相应的内容。（2）求解后的“*.raw”文件，其区别于输入“*.raw”文件之处在于，母线节点的电压和相角，各发电机的有功无功出力已经求出。该文件可用于其它电力系统稳定分析程序中，如SSAT就直接使用了该文件中的潮流求解结果。通过“File-output-powerflow data”菜单输出。（3）二进制文件“*.sav”文件。该文件将潮流计算结果以二进制格式保存，在计算动态稳定时需要该文件。通过“file-save(或 s

18、ave as )”保存。 动态仿真模块和BPA的稳定计算模块类似，也是计算系统在受到扰动后的暂态稳定过程。计算动态稳定数据需要如下：潮流计算结果数据 潮流计算结果数据通过工作空间变量传递至动态计算程序。潮流计算结果数据的获取可以从“*.sav”文件中获得，也可以由“*.raw”计算获得。动态模型数据 动态模型数据包括发电机、励磁器、调速器、稳定器、负荷模型等模型数据。该数据保存于文件“*.dyr”中。“*.dyr”文件可以用文本编辑器生成，也可以用PSS/E附带程序生成 动态仿真的基本操作过程和BPA有着很大区别。BPA有专门的故障操作卡，当往卡中填上适当的操作命令后即可让程序自动的生成。而P

19、SS/E则需要在计算时用户参与至每一步的计算控制中去。这对初学者而言是一个很繁琐的操作，但也是充分体现PSS/E仿真程序计算过程透明之处。 （1）根据网络规模选择运行合适的动态仿真程序；（2）进入动态仿真界面后点击界面上的快捷菜单“LOFL”，返回潮流计算界面；（3）输入“*.raw”文件进行计算；（4）执行“EditConvertGenerators”菜单，选择转换发电机内阻抗。在对话框中选择“ZSORCE”；（5）执行“EditConvertConvert/Restructure loads”菜单，进行负荷模型转换，即分配负荷模型中ZIP模型的比例。值得注意的是，我们所采用的动态负荷模型是

20、在衡功率模型中的；（6）执行界面快捷菜单“FACT/Rtrn”，回到动态仿真计算界面，至此，得到了动态运行所需要的网络潮流数据； （7）点击“File-Input-Read dynamic model data”，根据弹出的对话框选择动态模型数据文件输入；（8）点击 “Edit-simulation outputs（CHAN）”，选择需要观测的变量。（9）点击“simulations-initialize for dynamic simulation (STRT)”，进行仿真初始化。初始化过程即根据网络潮流解给各动态变量赋初值的过程。如果初始化失败，则证明动态数据有问题，需要进行数据错误检查。

21、如果成功，则在界面上将弹出“INITIAL CONDITIONS CHECK O.K.”字样，此时，方可进行下一步计算。（10）点击“simulations-run dynamic simulation”进行动态过程仿真计算。一般在初始阶段建议无故障运行1秒左右的时间，这样可以发现初始化时没有发现的问题 （11）两种故障施加方式： 1）用PSS/E的 “Disturbance”菜单中施加故障。 2）利用“ALTR” (editLoadFlow date)改变网络结构；（12）故障的切除： 1）菜单中切除； 2）用ALTR将网络故障网络参数。 （1）通道文件（channel file outpu

22、t）输出： PSS/E将动态仿真过程中的每一个选定观测的变量视为一个“channel”。必须在进行初始化之前选定需要观测的“channel”，初始化结束，系统将提示选定通道输出文件。这时输入“*.out”名称的文件名，该文件将以二进制的方式记录仿真过程中的所有选定变量的时间序列数值。 （2）迭代屏幕输出： 默认情况下，程序在计算过程中将选定通道的每次迭代结果输出在屏幕上。以便于实时观察程序计算的情况。 （3）迭代屏幕输出转文件输出 迭代结果屏幕输出的缺点在于，屏幕输出将严重影响仿真的速度。因为程序须经屏幕输出完成方可进行下一步迭代。这在大批量，长时间仿真时对速度的影响尤为严重。另外屏幕输出有一

23、定容量范围，超过该范围将不能输出迭代结果。这时需要将每次迭代的结果用“*.dat”文件输出。该文件为文本文档文件。具体的设置为，在“IO control-redirect progress output ”菜单下，在输出设备选项中选择文件输出，并在下面的“file name”中给出要输出的文件名。 （4）屏幕图像输出； 屏幕图像输出是实时地用描点的方式输出变量的时间序列曲线，并在屏幕上输出。屏幕图像输出可同时输出6个通道变量。设置屏幕输出的方法为， 1）点击“Misc-Change program setting(OPTN)”菜单，在弹出的对话框中，点击“Granphic output dev

24、ice”选项，在弹出的子对话框中选择“26 / MS-windows (color)”或“29 / MS-windows (B&W)”。此步骤为设置输出设备。 2）接下来点击“Edit-Dynamic data(ALTR)”在弹出的对话框中点击“CRT plot channel”按钮，在弹出的子对话框中选择需要输出的通道，并设置变量的最大最小值。一般情况下，只需将最大值设得比最小值大即可。程序运行过程中将自动调整最大最小值。（这一步可以不设置，在RUN后还会出现设置选项的）PSS/E提供了专门的数据分析程序PSSPLT，可以进行数据后处理功能。它包括变量时间序列的图形化输出，二进制文件

25、的文本化输出，变量的数学分析，如傅立叶，prony分析等。根据前段时间的使用情况，这里只介绍画图和文本文件导出两项功能，其它功能请在使用中阅读文档补充。这里以输出变量的基本时间序列图形为例来介绍整个操作过程：（1）点击程序界面快捷菜单“CHNF”或主菜单“File-CHNF”选定“*.out”二进制输入文件；（2）点击程序界面快捷菜单“RANGE”设置变量的数值范围的设置方式，在输出变量大小未知的情况下，一般选定第一项。它可根据变量时间序列上的大小来自动调节画图的坐标的上下限。（3）点击程序界面快捷菜单“SLCT”，选择输出变量；（4）点击程序界面快捷菜单“PLOT”，在弹出的对话框中选择输出

26、设备。输出变量的时间序列图形曲线。 PSS/E动态计算结果的输出文件是二进制文件，这使得我们不能直接查看分析该结果。为此，PTI专门在PSSPLT中定义了文本文件输出功能。这样，我们可以将数据导出，进行特定目的画图或其它数据分析工作。其操作过程可依如下步骤进行： （1）点击程序界面快捷菜单“CHNF”或主菜单“File- CHNF”选定“*.out”二进制输入文件；（2）点击“Misc-POPT(change program option setting)”，在弹出的对话框中选定选项“file output （19）”，此选项为设置每页输出的文本行数。将其设定为最大值“200”，但很多时候并不

27、能满足要求，需要在命令行中输入该指令，这样没有最大行数的限制。（3）点击菜单“output-PRNT”，在弹出的对话框中的子框“output device”下选择输出设备为“file”，在“filename”框中输入需要输出的文件名。输出文件为“*.dat”格式。选项设置完成，点击“OK”即可输出文本格式数据。程序内部认为BE节点是无功出力没有上下限的PV节点，一般潮流在粗调阶段或潮流收敛较困难时使用（高压母线上也可以使用），潮流在微调阶段应尽量将该类型的PV点转化为其它类型节点，否则需要特别关注该节点的无功出力是否在实际的发电出力范围内。若BE节点在填写卡片时无功出力有上下限，并且无功出力在

28、限制的范围外时，将在输出结果中给出超过上限或下限值的量，称之为未安排无功（Unscheduled），如果该值较大，应继续调整潮流，减小该值，否则潮流计算结果不符合实际情况，且稳定计算时将把未安排无功作为恒定阻抗功率处理，将存在一定的误差。BQ、BG等节点类型的发电机无功出力有一定的限制。对潮流计算结果应注意检查PV及缓冲节点的无功出力是否在合适的范围内，缓冲节点的有功出力是否越限，PQ节点的电压是否合理等等。(POWERFLOW,CASEID=IEEE9,PROJECT=IEEE_9BUS_TEST_SYSTEM) /SOL_ITER,DECOUPLED=2,NEWTON=15,OPITM=0

29、 ./P_INPUT_LIST,ZONES=ALL /P_OUTPUT_LIST,ZONES=ALL /RPT_SORT=ZONE /NEW_BASE,FILE=IEEE90.BSE /PF_MAP,FILE = IEEE90.MAP /NETWORK_DATA BS GEN1 16.501 999. 999. 1.04 B GEN1 230.01 B STATIONA230.01 125. 50.0 0. B STATIONB230.01 90. 30.0 0. B STATIONC230.01 100. 35.0 0. 000 B GEN2 230.01 BE GEN2 18.001 16

30、3. 999 1025 B GEN3 230.01 BE GEN3 13.801 85. 999. 1025 .L - transmission lines -L GEN1 230. STATIONA230. .0100 .0850 .0440 .L GEN1 230. STATIONA230.2 .0100 .0850 .0440 L GEN1 230. STATIONB230. .0170 .0920 .0395 L STATIONA230. GEN2 230. .0320 .1610 .0765 L STATIONB230. GEN3 230. .0390 .1700 .0895 L G

31、EN2 230. STATIONC230. .0085 .0720 .03725 L STATIONC230. GEN3 230. .0119 .1008 .05225 .T - transformers - T GEN1 16.5 GEN1 230. .0576 16.5 230. T GEN2 18.0 GEN2 230. .0625 18.0 230. T GEN3 13.8 GEN3 230. .0586 13.8 230. (END) 潮流计算结果文件内容主要分下述几个方面： 1）程序控制语句列表。 2）输入、输出文件及输出的内容列表。 3）错误信息。如为致命性错误，则中断计算。 4

32、）误差控制参数列表。 5）迭代过程。 6）计算结果输出： 详细计算结果列表按节点、与该节点相联接支路顺序，并根据用户的要求（通过控制语句控制）可按照字母、分区或区域排序输出潮流计算结果。分析报告列表并根据用户的要求（通过控制语句控制），输出各种潮流分析报告。 7）错误信息统计。 单线图格式潮流图主要功能该软件主要用来绘制电力系统单线图格式潮流图，也可以绘制电力系统短路电流分布图。可画元件包括： （1） 母线， （2） 交流线路， （3） 直流线路， （4） 两卷变压器， （5） 三卷变压器， （6） 发电机， （7） 负荷（包括等值负荷）， （8） 并联电抗器和电容器。 程序算法（1） 网络方

33、程解法 主要采用三角分解法或牛顿法对系统网络以及稳态的发电机、负荷等构成的稳态代数方程进行求解。一般程序缺省采用三角分解迭代法解代数方程。（2） 常微分方程的解法 程序应用隐式梯形积分法对所有描述发电机及其控制系统、异步马达、直流 调节控制系统等构成的微分方程进行差分化，再用差分方程与网络方程交替求解。（3） 故障模拟 程序中对于对称或不对称、单重或多重故障采用补偿算法，发生故障后在稳定计算过程中，不修改导纳阵，这样可以提高计算速度，按照叠加原理将网络分为有源网络和无源网络，根据故障口的注入电流和故障口的综合阻抗，修正故障情况下的节点电压向量，可以作为下一时间步的初值，继续计算。CASE IE

34、EE9 C IEEE 9 Nodes System LS STATIONB230. GEN1 230. 1 0.0 LS -STATIONB230. -GEN1 230. -1 10. M GEN1 16.5 247.5 1.0 H .04 .06 .04 .06 MF GEN1 16.5 2364. 100. .0608.0969 .146.09698.96 .0336 M GEN2 18.0 192. .85 S .089 .089 .033.078 MF GEN2 18.0 640. 100. .1189.1969.8958.86456.00.54.0521 EA GEN2 18.0 0

35、.06 20. 0.2 0. 0. .314.104.293-.3983.98.063.35 .2160 0.1118 0.1118 LO STATIONC230. GEN3 230. .0357 .3024 0.1568 0.1568 XO GEN1 16.5 GEN1 230. 2 .0576 XO GEN2 18.0 GEN2 230. 2 .0625 XO GEN3 13.8 GEN3 230. 2 .0586 XR STATIONA230. -5.0 XR STATIONB230. -10. XR STATIONC230. -5.0 .XR GEN1 230. -10. LB STA

36、TIONA230. 1.0 1.0 LB STATIONB230. 1.0 1.0 LB STATIONC230. 1.0 1.0 FF 300. 1 1 90 MH BH 1 B GEN1 230. 3 3 B GEN2 230. 3 3 B GEN3 230. 3 3 B STATIONA230. 3 3 B STATIONB230. 3 3 B STATIONC230. 3 3 GH 1 GEN1 16.5 G GEN1 16.5 3 3 G GEN2 18.0 3 3 G GEN3 13.8 3 3 99 稳定计算结果主要分下述内容： 1）稳定计算数据列表 缺省列出CASE、LS、FF卡2）输入数据初始化检查 输入数据有错误时，给出错误信息。 3）计算过程信息 有切机、切负荷操作或低压、低周装置动作时，给出动作等信息。 4）输出卡片整理 5）计算过程统计信息 统计故障操作后的计算过程中20个母线电压最低的节点，给出列表。统计故障操作后的计算过程中20个母线电压最高的