云南电网电力系统动态模型仿真实验室建设可行性研究.pdf

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1、 第 3 6卷 2 0 0 8年 1 0月 云南电力技术 YU NNAN EL EC T R I C P O WE R Vo l _ 3 6 No 5 0c t 2 0 0 8 云南电网电力系统动态模型仿真 实验 室建设可行性研究 杨 晴 陈 晶 ( 云南电力试验研究院 ( 集团)有限公司电力研究院，云南昆明6 5 0 2 1 7 ) 摘要 ：介绍 了电力 系统动 态模型仿真 系统的基本功能要求、国内电力系统动 态模 型仿真 系统建设概 况、 以及建立云南电网电力系统动态模型仿真实验室的意义。 关键字：电力系统动 态模型仿真 实验 室 中图分类号：T M7 4 3 文献标识码 ：B 可行 性

2、云 南 电网 文章编号 ：1 0 0 6- 7 3 4 5 ( 2 O O 8 )0 5- 0 0 0 1 0 4 1 前言 电力系统动态模 型仿真系统是在满足相似理 论的三个相似判据 和三个附加条件的情况下建立 的。把三个相似判据和三个 附加条件应用于 电力 系统 ，可以概括为 ：原型 ( 实际电力系统 )各元 件及其连接情况均用特殊设计制造 的相应缩小了 容量的物理模型元件 和相 同的连接方式 来模拟 ， 只要原型及模型系统各对应元件用标么值 描述 的 稳态和动态方程完全相 同，且每个元件相 应的非 线性特性 ( 如发电机、变压器等的标 么值空载特 性 )也完全相 同，则模型电力系统与原

3、型电力系 统就是相似的，模 型系统 的正常或 动态情况下呈 现的稳态或动态特性 ，便可以反映原型系统 的特 性。动态模型仿真系统能完整地将动力 环节、机 电能量转换、能量传输各环节有机结合起来 ，以 模拟电力系统的发、输、变电运行全过程。 2 系统的基本功能要求 2 1 模拟发电机组与机组原动机控制系统 以 3 0 k W、1 5 k W、5 k W 的同步发 电机为模拟 发电机 ，原动机部分为其相 应直流 电动机 ，其功 率与控制应使发 电机满足各种运行 工况 的要求 ， 能完整的模拟发 电机组 的调速特性 与控制特性 ， 能满足模拟水锤效应等特性，实现启动、空载、 负载、功率分配与调节 的

4、运行和控制 ；在云南 电 网工程应用研究方面 ，可 以进行原动机 、发 电机 及其调速系统 建模试验 、一次调频试 验等机 网协 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 4 2 5 调试验项 目研究和发电机轴 系次同步振荡研究。 2 2模拟发电机励磁 自动控制系统 发 电机励磁 自动控制系统为 实际系统 ，励磁 功率与发 电机配套 ，并 满足手自动、强励 、强 减 、灭磁 、响应速度 、单 机运行、并列运行 、无 功功率分配及实现恒无功 ，恒功率因数等的运行 要求 。通过设置 ，可针对系统静态 和动态稳定性 进行可观测的实训控 制；在云南 电网工程应用研 究方面，可以进行励磁系统建模试验及控制参数

5、优化和 P S S试验及参数优化等机网协调应用研究。 2 3 模拟无穷大系统及控制 测量屏装有 电压互感器和电流互感器用 于仪 表的测量 ，可以测量无穷大系统的有功 ，无功输 出功率、无穷大系统 的三相电流、频率及其变压 器高压侧的线电压等。 2 4 模拟发电机测量与保护控制屏 模 拟发 电机测量控制屏可 以将变压器分离模 拟发电机单独进行实训 。当做发 电机变压器组进 行实训 时，可再将变压器接人。可进行发电机 的 多种故 障类 型实训 ，并配置微机保护系统 ，在发 电机定子匝间短路等难 以进 行现场试验 的项 目， 进行保护装置动模试验研究 。 2 。 5 模拟线路测量保护与控制屏 以配置

6、模拟线路和微机保护系统，辅以合适 的控制环节与设备，适合进行线路的切换，线路 的故障设置与测控。其中2 2 0 k V的线路保护也可 考虑不重复设置。 2 0 0 8年第 5期 云南电力技术 第3 6卷 2 6 主变压器配置与保护控制屏 配置模拟变压器和相应的开关 、微机保护系 统 ，适合进行变压器的操作与不同保护的实训。 2 7 监控 系统 “ 模拟电力系统 ” 中的计算机监控 系统是 多 目标 ，多参数 ，多功能的实时系统。系统配置应 先进合理 ，具有 良好的开放性、操作性与扩展性。 监控系统功能完善，具备 S C A D A A G C的功能， 可以显示发 电机、变压器 、线路 的基本状

7、态 ，电 压和电流等一些基本电量 ，还应支持系统不同运 行方式的改变切换 ，进行跳合 闸控制 ，可 以进行 发电机的增 ，减速控制及其励磁控制等；还可 以 保存各种实训试验数据 ，打印数据表格和潮流分 布等。 2 8 功率放大装置 配置多组功率放大装置 ，可 以将实际电网的 故障录波数据播放输 出，实现继 电保护装置故障 重现研究 ；更重要的是 ，可以基于 已有的电网电 磁暂态仿真软件 E M T D C ，对云南 电网的各种复杂 扰动过程进行仿真研究并将仿真结果播放输 出， 对各种继电保护和 自动装置进行数字仿 真动模研 究 ；此外 ，功率放大装置支持 6 1 8 5 0协议 的数据 格式

8、，所以可实现数字变 电站有关控制、保护装 置的数字动模仿真验证。 3 国内系统建设概况 1 )清华大学建有 电力系统及大型发 电设备 安全控制和仿真 国家重点实验室，研究方 向和任 务包括灵活交 流输 电装置、微机励磁调节器和保 护装置 、电网谐波等。 2 ) 中国电力科学研究 院的数 模混合式 电力 系统仿真装置是 目前实验室的核心设备 ，它可 以 分别与原有的 T N A和 H V D C仿真系统联合运行 ， 还配备 了一套全数字实时仿 真装置 ( R T D S ) ，并 备有 目前国际国内通用 的电力系统分析软件。开 展了 “ 串补装 置对 线路保护装 置 的动模仿 真研 究” ，目前

9、开发的 T C S C可控串补装置，已进人工 程化阶段。对可控 串补系统分析 的数学模型、系 统控制和策略、可控串补的电磁暂态和绝缘配合， 可控串补对次 同步谐振 的抑制作用 ，可控串补对 继电保护装置的影响进行了应用理论基础 、关键 技术和工程应用研究 ，取得一批具有创新和重要 意义的研究成果； “ 串补线路继 电保 护的研究与 同杆双回线继电保护及重合闸的研究 ” 阐述 了同 杆并架双 回线保护 的配置原则 和应注意的问题 ， 提出了适用于同杆双回线的自适应重合闸方案。 3 )华北 电力 大学 电力 系统 动态模 型仿真 系 统规模大且全面 ，共有九台模拟发电机组 ，其 中 有国内唯一研究

10、大机组轴 系扭振专用机组；有 目 前国内模拟容量最大、功能最齐全的3 0 K V A模拟 机组 。开展了 “ 汽轮发电机组次 同步谐振的数字 仿真分析”研究 ，建立了机 电互作用下汽轮发 电 机组轴系扭振 的数字仿真分析 ，分析了不同补偿 度下的扭振响应和次同步谐振电流 ，为轴系的结 构动态设计和机 组安全可靠运行提供重要价 值； “ 汽轮发 电机组 次 同步谐 振 及轴 系扭 振 试验 研 究” ，分析了串补 电容 电力 系统机 电扭振互 作用 的机理 ，构建 了次 同步谐振下 的扭振测试 系统 ， 进行了机电耦合互作用下 的同步谐振及轴系扭振 的试验。试验结果与模拟 系统在电网故障工况下

11、次同步谐振的数字仿真结果一致 ，说明了试验的 有效性和它的实用价值。 4 )华中科技大学动模实验室有 已有 4套模 拟机组在第二期扩建的实验室 中运行 ，新扩建部 分有 5套及相配套的变压器等元器件和三峡巨型 多分支物理模拟机组系统，可以模拟三峡及我国 后续投运的巨型多分支发电机组内部短路、变压 器 、母线故障、机组系统稳定等试验研究 。开展 的试验研究 ：为我国当时最大的水 电站葛洲坝电 厂的相复励式励磁方案论证进行 了大量试验 ，研 究和解决了葛洲坝电厂投运后快速励磁低频振荡 问题 ；研究了华 中与湖南联 网、广州与香港联 网 的低频振荡问题 ；为西北 电网 7 5 0 k V输 电系统

12、的 保护装置进行了模拟试验 ，此外还为大量的继 电 保护 、自动装置、微机励磁、故障录波等的现场 实际设备进行了大量的投运前试验。 5 )西安交通大学拥有动模实验室及 R T D S实 验室。 6 )四川 电力试验研究院建有一套较为完整 的动模仿真系统及 R T D S实时仿真系统。 4 建立仿真实验室的意义 1 )云南 电网在规模和复杂程度方面不断深 化 ，对继电保护和 自动装置提出了新的要求，需 要建设物理动模仿真系统对保护和 自动装置在复 杂工况和故障下的控制策略和动作行为进行系统、 第 3 6卷 云南电网电力系统动态模型仿真实验室建设可行性研究 2 0 0 8年第 5期 深人的研究和测

13、试 。 2 )可实现云广直流输 电控 制系统在各 种复 杂工况下的控制策略分析及验证。 3 )可运用于云南电网南通道运用串补装置 后输电线路保护装置的适应性分析和可能引起发 电机组轴系次同步振荡的防御措施研究等工作。 4 )可运用 于超 高压输 电线路采 用 同杆 多 回 并架 的继电保护 的 自适应选 相和重合闸技术等研 究工作 。 5 ) 可 运用 于 数字 化 变 电站相 关 设 备 满 足 6 1 8 5 0协议的动模验证工作 。 6 )结合云南 电网配网 电磁式 电压互 感器 真 实励磁特性研究铁磁谐振和超低频振荡 过电压 和 过电流发生机理和抑制措施 。 7 )可运用于 电能质量

14、治理 方案 的动模 验证 和相应治理设备的人网技术检测。 8 ) 电网难 以实 现 的人工 试验 以简 便易 行 、 真实反映实际物理特性的动模试验来替代。 9 )可以切实加强厂 网协 调控制 的发 电机励 磁系统和调速器参数辨识和控制参数优化 和 P S S 参数鲁棒性优化整定等。 l O )由于装置微机化 ，封装性强 ，仅仅通过 常规测试 ，保护专业技术 人员难 以对装置技术 内 核有充分了解，动模仿真 系统可 以实现对装置各 种特性的精细试验验证 ，摆脱在装置 内核分析方 面对厂家的技术依赖 ，使装 置的特性分析更具有 独立性和客观性，充分建立 云南 电网在保护和 自 动装置分析方面的主

15、动话语权。 1 1 )动模仿真系统可 以为保护专业技术人员 提供一个不受 限制 的动手 实践平 台，对各种装置 进行全面、深入 的试验 ，对云南电网继 电保护专 业人员的培训和新人行技术人员 的快速成长将有 极大促进作用。 5今后的研究内容 1 )保护及自动装置的入网测试和复杂故障 的重现验证测试，以确 保保 护和 自动装置在各方 面满足云南电网要求 ，并切实保证云南电网在装 置方面的话语权。 2 ) 电网安稳装 置和年 度更新 的稳定 控制方 案的仿真评估和验证。 3 )数字化变 电站 已在云南 电网进人 实用化 研究 ，有许多工程应用 问题需要解决 ，功率放大 装置可以按照 6 1 8 5

16、 0协议的数据格式输 出仿真结 果 ，可用于数字化 变电站 的数字动模仿真测试和 研究，使研究成果具有充分的工程实用性。 4 )为云南 电网发 电机励磁 系统 A V R及 P S S 参数的全网优化整定工作提供仿真评估和验证 平台。 5 )云南电网超高压输电南通道将广泛采用 串联补偿以提高输电容量，有必要在串补装置对 相关线路保护装置 的适用性和可能导致的机组 次 同步振荡方面进行充分的仿真研究。 6 )多回同杆并 架超高压线路保 护及重合 闸 选型和配置研究 ，为保证线路保护和重合 闸在跨 线故障等复杂情况下有必要的选择性 ，应对此类 故障做全面的仿真研究 ，E M T D C软件可 以对

17、多 回 同杆并架线路进行建模 ，并可 以对其复杂过渡过 程进行精细的时域仿真 ，仿真结果 可以经功率放 大装置输出至保护和重合 闸装 置，进行数字动模 验证。 7 )机 、网保 护及 自动 装 置 的协 调 和配合 ， 进行机组励磁调节器低励限制及保护和机组失磁 保护与系统失步保护和安稳 装置稳控策略的整定 配合进行仿真研究 ，保证上述实现有机配合。 8 )复杂故障 的重演和 回放 ：仿真 系统配置 的功率放大装 置，既可以播放离线数字仿真系统 E M T D C的仿真结果 ，还可以播放电网故障实际录 波数据 ，多点同步输 出，以检验相关多套保护装 置动作的必然性和正确性。 9 )新 型保 护

18、和 自动装置仿真 验证 ，开展 超 快速暂态行波保护 、自适应重合闸装置等 的仿真 验证，为云南电网继电保护技术更新提供具有工 程实用意义的评估 。 l 0 )应用动模 系统研究 云南 电网巨型水 电、 火电机组保护配置方案的合理性 ，以及对特殊故 障 ( 如机组定子匝间短路、变压器励磁 涌流 、变 压器低压侧故障时 电容器等补偿设备的助增谐波 电流对差动保护影响等)下元件保护行为进行仿 真验证。 1 1 )基于已经建成的云南电网电能质量数据 在线采集监控系统 ，对于直流换 流站 的交 、直流 侧谐波治理和分布 的电网用户侧谐波治理，提出 合理的治理方案 ，并通过动模和离线数字仿真系 统进行治

19、理方案的可行性仿真验证 ，特别是对有 源滤波器的控制策 略进行重点仿真研究 ；此外 ， 3 2 0 0 8年第 5期 云南电力技术 第 3 6卷 对于其他电能质量问题 ，如 电压闪变、电压陡降 等，在实际电网难以找出扰动源时，通过动模和 仿真系统模拟电网扰动事件，为查找电能质量扰 动源提供线索。 1 2 )云南 电 网配 电典型 的铁磁 谐振仿 真研 究，运用动模和 E M T D C研究铁磁谐振发生的工 况和参数配合等条件 以及治理措施 ，对 当前云南 电网运用的电压互感器一 、二次侧接人消谐电阻 、 4 P T等治理方案通过仿真验证进行有针对性 的评 估和甄别。 1 3 )云南小水 电机组

20、众多 ，各种励磁调节器 和调速器产品众多 ，少数产 品不满足机网协调要 求 ，有必要对励磁调节器和调速器进行入网检测。 6 结束语 云南电网在规模和复杂程度方 面都在持续增 长，云南电网的安全稳定需要更加有力 的技术支 持和更有效的研 究平 台，建立云南 电网电力系统 动态模型仿真实验室可以为电网继 电保护 、系统 分析 、自动化专业提供物理和数字仿真研究及验 证平台，对电网复杂工况和扰动事件下 的响应过 程进行精细的研究 ，为云南电网安全稳定运行提 供切实的技术保障，在这些方面，动模仿真系统 是无可替代的。 参考文献 1 M C L A R E N P G ， H E N V I L L E

21、 C ， S KE ND Z I C V， e t a 1 S o f t wa r e mo d e l s f o r r e l a y s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y ，2 0 0 1 ， l 6 ( 2 ) 2 赵洪山，米增强，杨奇逊，等 利用混 杂系统理论进行电力系统建模的研究 J 中国 电机工程学报 ，2 0 0 3 ，2 3 ( 1 ) 3 吴文传，孙宏斌，张伯明，等 新一代 E MS D T S一体化 系统中基于 自定义建模的 自动装 置模拟 J 电力系统自 动化， 2 0 0

22、 0 ，2 4( 4 ) F CI 热式流量计的测量优势 在大型电厂中，通常存在直管段长度受限、方形管道、风道 内含有一定量的粉尘、风 道 内风压较低等问题。F C I 公司的产品除具有一般热质量流量计的优点外，在安装前，首 先还通过 自主开发的 A V A L在线仿真 系统，按照用户不同的管径、负荷、直管段长度进行 现场标定 ，取得 真 实的流量方程 ，再按仿 真 系统提供的最佳安装位置 、精度保证 、 系统修 正等参数进行流量计的安装调试3 - 作。在现场进行的修正对仪表的性能不会造成影响，因 为F C I 的操作 菜单是分级保护 的。现场进行修正时可 以使 用 F C 8 8手操器或 P

23、 C机 ( 用 WI N D O WS的超级终端)进行。当现场是方管或直管段很小甚至几乎没有的情况下 ( 特别 是大尺寸管道测量时) ，仍然可以保证 1 的测量精度，而且是全量程范围内的标定。并 且在 F C I的标定实验室中可以测量出不同上 下游流阻、不同直管段长度、不同管径、不 同负荷的流速分布，最终的流量方程将以此为依据。例如 “-3上游为 2 D，下游为2 D时，通 过这套在线仿真 系统的标定，仍然可以保证 1 的测量精度。对于流阻 ( 风 门挡板、弯头 等)所带来的误差，首先要看是安装在流量计的上游还是下游?管径是 多少?得到这些参 数后 可以通过 F C I的 A V A L专 家系统 准确得到不 同流 阻所造成的误 差 ，得到这些误 差后 可 以在工厂标定时或现场安装后进行修正。 4