论电力系统仿真软件的选择

1、论电力系统仿真软件的选择    摘 要：针对电力系统仿真软件的选择问题，本研究选取了国内应用比较普遍和易用的三款仿真软件：Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP，通过软件特点的列举及算例介绍，分析了每种仿真软件的功能强项。为针对不同的仿真对象时选取仿真工具提供参考。关键词：电力系统仿真软件；Matlab/Simulink；PSCAD/EMTDC；PSASP中图分类号：TM7431 引言随着计算机技术的不断发展，电力系统仿真软件已发展成为种类繁多、各有侧重的一系列软件，它们在电力系统的规划、设计、研究中发挥着越来越重要的作用。目

2、前，在工程实际中应用的主流电力系统仿真软件有：EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC、PSS/E、PSASP、BPA、SIMPOW 等1。面对众多的电力系统仿真软件，如何选择合适的仿真软件成为广大高校师生及工程技术人员的一道难题。本研究列举了三种国内比较流行的电力系统仿真软件的特点，并通过实例分析了它们的适用性。2 电力系统仿真软件对比和选择电力系统仿真指的是利用数字模型复现实际系统中发生的本质过程，并且通过对实际系统模型的实验来研究存在的或计划中的系统2。仿真软件的开发初衷、建模思路、所用算法都会对仿真结果产生一定的影响，所以不同的电力系统仿真软件的功能强项和适用范围会有所不同。下

3、面就以PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 为例，分析说明它们在实际运用中的异同，为我们选择合适的软件提供参考。2.1 电力系统仿真的分类及本研究的定位根据实际电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系，电力系统仿真可分为实时仿真和非实时仿真3，由于现实软硬件条件的限制，这里主要考虑的是非实时仿真。根据仿真所采用的数据来源，电力系统仿真可分为在线仿真和离线仿真，这里考虑的是离线仿真。根据仿真变量的不同，电力系统仿真可分为频域仿真和时域仿真，这里主要考虑的是时域仿真。根据考察的动态过程的不同，电力系统仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真，这里主要考

4、虑电磁暂态和机电暂态仿真。2.2 软件对比表1 PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 功能对比仿真软件 PSCAD PSASP Matlab/Simulink仿真对象 电磁暂态 机电暂态 电磁暂态功能强项交直流系统特性分析、交直流相互影响、直流工程系统研究、FSC 和TCSC性能研究可计算大规模交直流混合电力系统，并保存各种计算的历史结果；潮流、稳定计算，短路电流计算，静态安全分析，小扰动分析，电压稳定分析，系统等值以数学函数和传递函数表达的系统，尤其是控制系统设计与分析；计算简化,仿真细致,反映很细微的变化过程。优点HVDC 和FACTS 模型完备、图形化界面能

5、绘制潮流图，具有用户自定义功能，提供用户程序接口，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出具有良好的通用性，Simpower库中含有丰富的电力系统元件模型缺点大规模电网仿真计算速度较慢、模型搭建工作量较大、需要进行电网等值HVDC、TCSC 等FACTS 设备模型不够详细，自定义功能在实际使用中有局限性计算过程建立在最基本的电路原理和微分方程求解的基础上并同步计算电磁过程和机电过程,几乎没有考虑电力系统的特性应用情况国内外应用广泛 在我国国家电网系统有较广泛的应用国内外应用非常广泛3 算例分析3.1 电力系统稳态分析计算潮流计算、短路计算和网损计算是最常用的电力系统稳态计算，对规划中的电力系

6、统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；短路电流值则用来做继电保护的整定依据；网损计算则可对不同运行方式做经济性分析。PSASP 在对一个较大的供电网络进行潮流计算、短路计算和网损计算方面有着明显的优势：作为一款机电暂态仿真软件，它的收敛速度较电磁暂态仿真软件快很多，因而适用于大规模电力系统的仿真计算；由中国电科院开发，中文界面，有独立的潮流计算、短路计算和网损计算的按钮，操作简单，易于初学者上手；有方便的接口程序，可直接以Excel 表格或是文本文档输出计算结果，方便数据的阅读和保存；能绘制潮流图；图1 PSASP 绘制的某煤矿井下高压供电系统图（局部）图

7、1 为某煤矿的一条下井线路及其所带的众多采区变电所供电系统图，按照系统图在PSASP 中绘制出相应的供电系统图并填入相应参数后，只需按相应的计算按钮就能方便地得到潮流、短路、网损计算的结果，从而极大地节省了工作量。3.2 HVDC 仿真为了研究某背靠背换流站在交流系统发生故障时的换相失败过程,利用PSCAD/EMTDC对背靠背高压直流输电系统进行了建模,并在此基础上对高压直流输电系统中常见的故障进行了仿真分析,其中包括逆变侧交流系统发生三相故障和单相故障的情况。仿真结果表明,在PSCAD/EMTDC 环境下建立的模型能够比较准确地描述在暂态过程中背靠背直流输电系统的动态特性,可以为现场运行以及

8、故障分析提供参考。在系统中加入故障检测控制环节,根据电压和电流的变化,适时增大提前触发角,可以有效地预防换相失败4。图2 换流站主接线图本研究之所以采用PSCAD/EMTDC 来进行建模，并取得了良好的仿真效果，是因为PSCAD/EMTDC 在直流输电方面有着天然的优势：它的设计初衷就是应用于直流输电系统的动态性能研究。PSCAD/EMTDC 计算步长采用几十微秒（甚至可以更小），能比较精确地模拟交直流输电系统中的电磁暂态特性。另外，PSCAD/EMTDC 采用了插值算法，即使电压电流过零点、开关投切或晶闸管通断等物理过程发生在计算步长之内，PSCAD/EMTDC 也能通过插值算法精确确定电压

9、电流过零点、开关投切或晶闸管通断的时刻，所以能精确地测量出直流系统的触发角和息弧角，因为触发角和息弧角是通过换向电压过零点和阀的通断信息计算而得的。比如，当计算步长采用50s 时，如果不采用插值算法，息弧角的测量误差大约为1°，如果采用差值算法，息弧角的测量误差大约只有0.001°。换流阀的息弧角是判断直流系统是否发生换向失败的重要参数。所以，PSCAD/EMTDC可以对交流系统在对称故障和不对称故障情况下直流系统的响应进行准确的分析，包括判断是否发生换向失败以及失败后的恢复等。同时，利用PSCAD 的控制元件可以搭建起直流输电详细的控制系统和保护系统，与换流阀的触发控制和

10、解闭锁控制接口后形成完整的换流系统，纳入整个交直流主回路中后，可以对直流动态性能和交直流系统互相影响等涉及暂态过程和直流控制保护系统行为的问题进行研究。正是由于PSCAD/EMTDC 有以上优点，它被广泛地用于直流输电动态性能、交直流互相影响、直流输电控制及保护整定等方面的研究。3.3 电力设备的控制系统仿真针对SVC 控制器的非线性特点，结合模糊控制和PID 控制的优缺点，提出了一种采用模糊和PID 双模控制的控制策略，并利用MATLAB 的SIMULINK 搭建了仿真实验模型。经过对不平衡负荷和结合实际设备矿井提升机的仿真结果可以看出采用模糊和PID 双模控制的SVC 调节器不仅可实现对无

11、功功率、三相不平衡等多个因素的综合补偿，而且具有较高的鲁棒性、响应速度和补偿精度。图3 Matlab/Simulink 中SVC 针对不同负荷的一次系统仿真图图4 Matlab/Simulink 中模糊PID 控制系统仿真模型本研究用Matlab/Simulink 进行建模，仿真效果良好。Matlab/Simulink 中自带的模糊逻辑工具箱大大方便了其中的模糊控制系统的搭建和参数调试。Matlab 一开始只是作为一款数值计算工具被开发出来，Simulink 作为Matlab 的一个附加组件，为用户提供了一个建模与仿真的工作平台。结合Matlab 强大的数值计算能力及S函数的方便调用，当面对以

12、数学函数和传递函数表达的系统（如控制系统设计与分析）时，Matlab/Simulink 模型的搭建及仿真就显得更加简单方便，所以Matlab/Simulink 越来越成为从事包括电力网络、电力电子和控制系统等的完全电力系统学习和研究的重要仿真工具之一。4 电力系统仿真软件的发展趋势及选择软件时考虑的几个问题随着计算机通信技术、网络技术、数据库技术、面向对象技术以及软件标准化技术的飞速发展,电力系统仿真软件将向网络化、专业化、实时化和具有更高的开放性、可移植性和可扩展性方向发展。电力系统仿真软件也将逐步向电磁暂态与机电暂态混合仿真,全过程动态仿真和大规模实时仿真系统方向发展。面对种类繁多的电力系

13、统仿真软件，可以按以下思路来筛选合适的仿真软件：自己要具体从事哪个方面的研究开发分析工作，需要仿真工具软件具有哪些功能，即该软件能否满足你的工作需要；要使用的软件能否方便地找到；该软件的价格性能，可以进行研究的规模；该软件对硬件的要求，硬件可否满足；该软件的权威正确性，发展性，应用普遍性。5 结论本文通过算例分析了不同电力系统仿真软件的功能强项和适用性，并给出了选择适用仿真软件的思路。应该指出的是，算例中的仿真模型通过不同的仿真软件都可以搭建，仿真结果也不会相差太大，但是仿真精度、收敛速度和工作量都会有所区别5。通过分析可以看出，MATLAB 主要适用于小规模电力系统仿真,优势是可以实现复杂的

14、控制方法和模型的自定义,PSASP 更适合仿真大规模的电力系统，PSCAD/EMTDC 则在直流输电相关仿真方面具有优势。参考文献1 李广凯，李庚银电力系统仿真软件综述J电气电子教学学报，2005，27（3）：61-65        2 陈礼义，顾强电力系统数字仿真及其发展J电力系统自动化，1999，12（12）：1-63 中国南方电网公司交直流电力系统仿真技术M，北京：中国电力出版社，2007.1。4 高晓旺，周勇，康鲁豫基于PSCAD/EMTDC 的背靠背高压直流输电系统仿真J电力自动化设备，2007，27（

15、2）：69-745 高伟，何瑞文基于MATLAB 和PSASP 的电力系统仿真研究J广东电力，2005，18（1）：9-11Discussing on Selection of Power System Simulation SoftwaresShi Chaoyue, Lv Kangfei, Guo Fang, Deng Wei, Zhang XiaoqingSchool of Information and Electrical Engineering, China University of Mining&Technology,Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractAiming at the selection of power system simulation soft wares ,Three power system simulation softwares applied widely and easily use were concerned, Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP,by enumerated the software characteristics and introduction of examples,