电力系统课程设计

青岛大学自动化学院 电力系统仿真技术研究

课程设计

学校名称 青岛大学 学院名称 自动化工程学院 专业班级 电气 学号 2009 姓名 老师

2012年9月

【目录】

一、摘要„„„„„„„„„„„„„3 二、电力系统仿真技术的发展历史„„„4 三、电力仿真应用现状„„„„„„„5 四、电力仿真的发展方向和趋势„„„7 五、结束语„„„„„„„„„„„„8 六、参考文献„„„„„„„„„„„8

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一、摘要

随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，因此在电力系统的生产和研究中仿真软件的应用越来越广泛，研究电力系统仿真软件技术对于提高研究、设计的效率和可行性有十分重要的意义。简要介绍了电力系统仿真技术的发展历史过程，重点分析了BPA、EMTP、PSCAD／EMTDC、NET0MAC和PSASP等几种主要的电力系统仿真分析软件的结构、功能特点和应用现状，综合比较了它们的优势，并简要介绍了MATLAB、PSPICE、PSS／E、ETMSP、SYMPOW 和EDSA等仿真软件，最后展望了电力系统仿真软件的未来发展方向。

关键词：电力系统仿真软件；BPA；EMTP；PSCAD／EMTDC；PSASP；PSS/E

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二、电力系统仿真技术的发展历史

仿真技术和仿真科学是建立在计算机技术和数学模型基础上的一门新兴科学。

早在20 世纪50 年代, 采用运算放大器的电子模拟式电路(Analog Computer) 刚刚出现, 就被立即应用于核电培训仿真机的研究工作中。但是, 一方面模拟式电路的不稳定性使得仿真精度很低, 另一方面运算放大器的阶数受技术条件的限制,以及难以对机理建模的非线性大规模偏微分方程进行实时运算, 从而达不到对生产过程中正确处理事故的仿真及实时培训的目的。因此在电力工业中, 真正实用性仿真机的研究和开发始于20 世纪60 年代数字式电子计算机(Digital Computer) 被采用之后。

2.1、国外电厂仿真技术及仿真机发展概况

各国的电力工业历来把安全运行作为行业的首要技术指标。电力生产和传输过程的任何故障都将大面地影响辖区内的生产和生活, 因此很多国家( 例如美国、加拿大、日本和中国) 规定电力工业的运行操作人员必须经过严格的训练之后, 才允许值班和上岗操作。1968 年, 通用电气公司建立了世界上第一台完全复制800 MW 沸水堆控制室仿真机;1970 年, B&W公司建立了913 MW沸水堆蒸汽发生器系统仿真机; 1972 年西屋(Westing House) 电气公司建成1 100 MW的压水堆仿真机; 1973 年, CE(Combustion Engineering) 公司建立了880 MW 压水堆仿真机。这4家动力公司建立核电仿真机的目的是为购买其核电设备建立发电厂的客户培训运行操作人员。之后, 1977 年美国在TVA( Tennessee Valley Agency) 建立了第一台火电仿真机。1973 年, 法国建立了第一个火电仿真培训中心;1976 年, 日本关西电力公司建立火电培训中心, 安装了两台仿真机, 仿真的发电设备容量分别为250 MW 和450 MW。1978 年之前, 世界上共建成52 台电站仿真机, 都是用于培训运行操作人员的, 其中核电35 台、火电17 台。1979 年3 月, 著名的美国三哩岛核电站核泄漏事故为电力工业仿真技术敲起了警钟。至1988 年, 美国建成约100 台核电和50 台火电仿真机; 加拿大建成22 台核电仿真机和9 台火电仿真机; 日本建成11 台核电仿真机和17 台火电仿真机; 全世界总已有250 台仿真机,其中火电仿真机78 台。20 世纪90 年代, 由于发达国家劳动密集型企业,特别是用电量大的制造业外迁至发展中国家, 使发达国家国内用电量减少, 电力工业发展缓慢, 仿真机的研发也几乎陷于停顿状态。前述美国4 大动力

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集团的仿真公司无一例外地被关闭。以美国曾经较大的仿真公司Singer - Link 公司和GPI (General Physics International Engineering and Simulation) 公司为例, 1979- 1988 年它们建立的核电仿真机为41 台, 其中36 台安装在美国各电力公司, 只有5 台是为其他国家生产的。即从1979 年开始的10 年里, 大部分仿真机是为美国本国建立的, 而且数量相当可观。实际上这些仿真机是三哩岛事件后用来取代不合格的老仿真机而开发的。90 年代初, 这两家公司合并为S3T( S3 Technologies) 公司。

2.2、我国电站仿真技术和仿真机发展历程

我国的电厂仿真技术研究起步较早, 成果显著[0]。早在1975 年, 原水利电力工业部支持清华大学研制“大型火电机组仿真系统”, 并指定以200 MW燃煤发电机组作为仿真对象。该系统于1982 年研制成功,中国成为当时世界上少数有能力建立仿真机的国家之一。这项研究成果获得1983 年电力工业部优秀科技成果一等奖和1985 年国家科学技术进步一等奖, 被电力部门誉为中国电力培训的里程碑。清华大学成立的中国第一个火电运行培训中心, 在5 年时间里为电力部门培训了约2 000 名运行技术人员。1984 年, 清华大学开始研发中国第一台完全复制电厂控制室的全范围高逼真度仿真机, 于1988 年完成, 安装在东北电管局沈阳电力高等专科学校。

三、电力仿真应用现状

电力系统仿真软件主要用来进行潮流计算、电磁暂态仿真、机电暂态仿真、控制保护仿真等。这些电力系统仿真软件主要有：(1)邦纳维尔电力局(Bonneville Power Administration，BPA)开发的BPA 程序和EMTP(Electromagnetic Transients Program)程序；(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心(Manitoba HVDC Research Center)开发的PSCAD／EMTDC(Power System Computer Aided Design／Electromagnetic Transients Programincluding Direct Current)程序；(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件(Network Torsion Machine Control，NETOMAC)；(4)中国电力科学研究院开发的电力系统分系综合程序(Power Systep Analysis Software Package，PSASP);(5)Math Works公司开发的科学与工程计算软件MATLAB. 3.1、BPA 程序

BPA程序概述uqBPA程序是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局(BPA)计

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算方法开发组自二十世纪6O年代初期开发的大型电力系统离线分析程序。该程序采用稀疏矩阵技巧的牛顿-拉夫逊法，并将梯形积分法运用于暂态稳定的计算，形成较为稳定的数值解。目前电力系统多数单位所用的BPA程序是中国电力科学研究院在美国BPA程序1983年9月版本的基础上。经过消化吸收。开发而成的中国版程序。且已在我国电力系统规划设计、调度运行和试验研究等各部门得到了广泛的应用，成为我国电力系统分析计算的重要工具之一。 3.2、电磁暂态程序(EMTP)

EMTP概述EMTP程序主要用于计算电力系统中电磁暂态过程，目前的EMTP程序

是在原美国邦纳维尔电力局(BPA)编制的电磁暂态程序基础上由W．Sxott Meyer等开发完善形成的。现已有许多国家使用该程序进行电力系统各种暂态过程的研究，其中ATP程序(Alternative Transients Program)是较为广泛使用的一个版本，ATP—EMTP可在大多数类型的计算机上运行。EMTP由电磁暂态计算程序、辅助支持子程序及绘图功能子程序组成。主要包括磁饱和曲线转换子程序(CONVERT)，变压器阻抗矩阵子程序(XF0RMER)，磁滞回线子程序(HYSDAT)氧化锌避雷器子程序(ARRDAT)，线路参数计算子程序(LINE C0NSTANT)，与频率相关的计算子程序(JMARTI SETUP)等。该软件典型应用为计算电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律。EMTP程序主要功能有：计算网络的稳态解，也可把此稳态解再作为暂态计算的初始条件。计算网络中交直流电源频率从厂m。 到厂m 以步长Lxf变化时各个频率下的稳态解，以求得网络频率特性。所计算的网络暂态过程包括：各种电气设备和外来因素引起的暂态过程；由各种故障引起的故障暂态及由系统各种元件参数的相互影响引起的谐振现象；控制系统和一次系统相互影响的暂态过程。还可计算发电机不同期并网时，机组轴系扭动力矩。此外，还可根据需要将计算中得到的各个暂态量在某一时间段进行傅里叶级数分解，得到各次谐波分量。 3.3、直流电磁暂态计算程序(PSCAD／EMTDC)

PSCAD／EMTDC 的程序结构和功能特点:PSCAD／EMTDC软件的主要功能是进行

电力系统时域和频域仿真，还可以进行交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。EMTDC程序具有“拍照”功能，可记录下某个时刻系统中工作状态，为重新计算提供正确的条件，可以在此基础上进一步研究系统的暂态过程。PSCAD／EMTDC典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律，此外PsCAD／EMTDC软件广泛应用于高压

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直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。 3.4、NETOMAC程序

NETOMAC软件程序结构和特点[10．11]1)程序元件模型健全该软件模型库几乎包

含了当前电力系统所有的元件。2)仿真频带宽该软件既可模拟0．01Hz的雷电波过程，又能进行电磁暂态、机电暂态、稳态等电力系统过程的仿真计算。3)功能多且强 该软件可进行潮流、短路、稳定、动态等值、电动机启动、参数辨识、机组轴系扭振、优化潮流等多种计算。4)NETOMAC的微机版本可以计算包含数千条线路和数百台发电机的大型网络，能较好地满足大规模实际电力系统仿真的需要。 NET0MAC的主要功能1)潮流计算NET0MAC除能进行常规三相潮流计算外，还可进行单相潮流计算。计算时可考虑负荷电压特性、变压器分接头、HVDC及SVC；亦可进行电感、电容耦合的多相线路潮流计算。2)电磁暂态计算和机电暂态计算电磁暂态计算中的电网络由微分方程描述，使用梯形积分法求解。机电暂态计算着重研究电机的振荡过程，采用复阻抗描述电网，微分方程描述电机及其励磁系统和调速系统；可用自定义的负荷模型考虑电压、频率特性。该软件在整个仿真计算中，可分时间段采用不同的数学模型。3)参数优化参数辨识和优化是NET0MAC程序的一大特色，辨识在频域和时域内都可进行。还可以进行负荷动态等值，能在等式、不等式约束条件下对用户自定义的目标函数进优化。还能对发电机电压调节器的参数进优化，使其具有更好的动态性能指标。甚至还可以解决一些较难优化的数学问题。

3.5、电力系统分析综合程序(PSASP)

PSASP的体系结构和功能特点n ]PSASP结构分为三层，第一层是公用数据和模

型的资源库，其中包括：电网基础库、固定模型库、用户自定义模型库和用户程序库等。第二层是基于资源库的应用程序包，包括稳态分析、故障分析、机电暂态分析和暂态稳定计算。第三层是计算结果库和分析工具，软件进行各种分析计算后，生成的结果数据以多种形式输出或转换为Excel、AutoCAD、MATLAB等其他数据格式。PSASP的功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。稳态分析包括潮流分析、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析和静态等值等。故障分析包括短路计算、复杂故障计算及继电保护整定计算。机电暂态分析包括暂态稳定计算、电压稳定计算、控制参数优化等。

3.6、其它电力系统仿真软件

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电力系统分析软件除了以上几种，还有MathWorks公司开发的MATLAB软件，美国加州大学研制的PSPICE，美国PTI公司的PSS／E，美国EPRI的ETMSP，ABB公司开发的SYMPOW程序和美国EDSA公司开发的电力系统分系软件EDSA等等。MATLAB是高性能、通用的科学与工程计算软件，它功能强大，在电气、化工、制造、医疗等多个行业均有应用。

四、电力仿真的发展方向和趋势

随着电力系统的发展，对电力系统的安全可靠提出了更高的要求；同时，随着电力系统大量先进的控制装置的应用，如FACTS和电力电子装置、直流输电系统、继电保护装置、安全稳定监控装置等，对电力系统仿真技术提出了新的要求。

4.1 电磁暂态与机电暂态混合仿真

基于基波、单相和相量模拟技术的电力系统机电暂态仿真程序不能仿真HVDC

和FACTS等电力电子装置的快速暂态特性和MOV等非线性元件引起的波形畸变特性。目前的仿真程序对HVDC和FACTS的模拟采用的是准稳态模型。

电磁暂态仿真程序受模型与算法的限制，其仿真规模不大，一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值化简。

随着直流输电和FACTS等电力电子装置和其他非线性元件广泛应用于电力系统，这些元件引起的波形畸变及其快速暂态过程对系统机电暂态过程的影响越来越大，相互独立的电力系统电磁暂态仿真程序和机电暂态仿真程序，已难以适应现代电力系统对仿真的要求。因此，很有必要开发能进行仿真电磁暂态过程和机电暂态过程混合仿真的电力系统仿真软件。

4.2 全过程动态仿真

在电力系统远距离输电容量不断增加、输电网络重载问题日益突出的情况

下，暂态稳定及电力系统在暂态稳定之后的长过程动态稳定性(包括电压稳定性问题)将逐步成为电力系统安全稳定运行的主要问题，威胁电力系统的安全稳定运行。分析电力系统的长过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故(如1996年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故)，以及研究防止事故扩大的有效措施(即第3道防线)，必将成为电力系统计算分析的一项重要内容。因此，电力系统长过程仿真程序的开发是非常必要的。

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4．3 大规模实时仿真系统

电力系统大量先进的控制和测量装置，如FACTS控制装置、直流输电控制装

置、继电保护装置、安全稳定监控装置(包括广域测量装置等)都要由电磁暂态和机电暂态的实时仿真装置进行试验验证，才能投入实际系统使用。因此，发展数字式或数模混合式电力系统实时仿真装置都是必须的。

但是，目前的实时仿真装置(包括全数字和数模混合式)的仿真规模都不大，在大电网仿真试验时，都要进行大规模的等值化简，使实时仿真装置的应用，特别是大电网机电暂态和动态特性仿真研究方面，受到了很大的限制。因此，需要发展大规模电力系统实时仿真装置。

五、结束语

随着计算机通信技术、网络技术、数据库技术、面向对象技术、INTERNE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。

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