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1、电力系统仿真,仿真是对实际系统或者过程的模拟。 电力系统仿真就是根据原始电力系统或者过程建立模型进行模拟。是通过在数字计算机上建立适当的数学模型，来模拟电力系统物理过程的一种研究方法。,定义,1. 电力系统仿真概述,电力系统(power system) 发电机(generator) 变压器(transformer) 输电线路(transmission line) 负荷(load) 具有发电、变电、输电、用电的功能 动力系统是电力系统动力部分(锅炉、汽轮机、水轮机、大坝等） 电力网络变压器输电线路,电力系统运行的特点 发供用点的连续性 与国民经济各部门关系密切 过渡过程的短暂性,对电力系统的基本
2、要求 保证可靠持续供电 保证良好的电能质量 保证电力系统运行的经济性,大系统的优点 提高了供电可靠性 提高了电能质量 减少系统备用容量，提高设备利用率 便于安装大机组，技术经济效益好 合理利用动力资源，提高系统运行的经济性,电力系统仿真的必要性,由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。,电力系统仿真的发展过程,物理仿真 数字仿真,电力系统数字仿真建模,(1) 元件级建模 元件级的模型包括电感、电容、电阻等常规元件和电力电子开关器件等。 (2) 装置级建模 电力电子装置(FACTS装置)、发电机、变压器、开关、负荷、分布参数线路等。 (3
3、) 系统级建模 电力系统装置和与之相连的电网的相互作用,电力系统暂态仿真,电磁暂态(Electromagnetic Transient) 机电暂态(Electromechanical Transient),机电暂态仿真,电力系统在正常运行点受到大扰动或小扰动后机械转矩和电磁转矩(或功率)之间的不平衡而引起的动态过程。 在仿真时，步长一般为毫秒级，可以仿真较长的时段。,电磁暂态仿真,电力系统电磁运动过程，即电场和磁场能量相互转换的过程，其表现为电压、电流的变化过程。 电磁暂态过程很快，需要计及电压、电流等变量的瞬时变化(毫秒级以内)及其丰富的频谱，所以采取的仿真步长非常小，一般为微秒。,并行仿真
4、和混合仿真,(1) 并行仿真 (2) 混合仿真,(1) 并行仿真,为了提高仿真算法的计算速度，利用电力系统区域特性，对网络进行分块，有效的降低网络方程的维数，加快仿真速度。,(2) 混合仿真,把大规模电力系统分为需要进行电磁暂态仿真的子系统和进行机电暂态仿真的子系统 对机电暂态过程有重要影响的快速暂态过程和非线性的元件采用电磁暂态仿真 对传统的交流系统采用机电暂态仿真 在各子系统的交界处进行电磁暂态仿真和机电暂态仿真的交接,电力仿真新技术,图形建模技术 数字实时仿真 模型自动修正 多媒体仿真 虚拟DPU技术,电力系统仿真软件,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
5、制保护仿真等。,现在国内外电力系统常用软件主要有 PSASP (Power System Analysis Software Package) EMTP-ATP（Alternative Transients Program） PSSNETOMAC ,PSCAD/EMTDC PSSE ( Power System Simulator for Engineering) SIMPOW，MATLAB分析设计软件包等。,BPA程序,BPA程序是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局(Bonneville Power Administration，BPA)计算方法开发组自二十世纪60年代初期开发的大型电力系
6、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。 BPA程序的结构分为潮流程序和稳定程序两部分，主要用来计算潮流和暂态稳定。,BPA软件 The Bonneville Power Administration, headquartered in Portland, Oregon, is a federal agency under the U.S. Department of Energy. 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。 从1984年开始在我国推广应用以来，已在我国电力系统规划部门
7、、调度运行部门、试验研究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。 程序中包括详细的发电机模型和各种励磁模型，主要由潮流和暂态稳定程序构成，具有计算规模大、计算速度快、数值稳定性好、功能强等特点。,电磁暂态程序(Electromagnetic Transients Program EMTP),EMTP是目前国际通用的一种数字程序。它规模大、功能强，最初由加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的H.W.Dommel教授创立，又经过很多专家的共同努力而不断完善。 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。 ATP程序(The Alternative Trans
8、ients Program)是目前世界上电磁暂态分析程序(EMTP)最广泛使用的一个版本。 ATP-EMTP主要用于电力系统电磁暂态计算、谐振过电压计算和机电暂态计算。,EMTP-ATP （Alternative Transients Program）,ATP是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包。 ATP可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统。 ATP具有很强的扩展能力，除暂态计算之外，还有其它一些重要的特性。,12脉冲HVDC换流站模拟,EMTP-ATP （Alternative Transients Program）,系统原理,（1）利用梯形积分法在时域内求解系统元件
9、的微分方程。 （2）非零初始状态的确定通过以下两种方式：由稳态相量解法自动确定或者由用户通过简单元件输入。 （3）与TACS程序模块（控制系统的暂态分析模块）和MODELS（一种仿真语言）的接口能力可以模仿控制系统和非线性元件，如电弧等。 （4）可分析对称与不对称故障和扰动，如雷击浪涌、开关操作和包括阀换流等。 （5）运用频率扫描方法计算相量网络的频率响应特性。 （6）运用谐波频率扫描方法（谐波电流注入法）进行频域的谐波分析。 （7）无电网络的动态系统也可使用TACS控制系统和MODELS语言来进行模拟。,EMTP-ATP （Alternative Transients Program）,EM
10、TP-ATP广泛应用于开关和雷电冲击分析、绝缘配合和轴系扭振研究、继电保护模拟、谐波和电能质量研究以及HVDC和FACTS装置的模拟。 典型的EMTP研究应用如下： 雷击过电压研究 开关暂态与故障 统计和系统过电压研究 GIS和接地系统的甚高速暂态过程 电机模拟 暂态稳定、电机起动 轴系扭转 变压器和并联电抗器/电容器开关 铁磁谐振 电力电子应用 断路器拉弧 FACTS设备：STATCOM、SVC、UPFC、TCSC等装置模拟 谐波分析、网络谐振 继电保护装置测试,PSSE,PSS/E(Power System Simulator for Engineering) 由美国电力技术公司(Powe
11、r Technologies Inc，PTI)开发 主要有潮流计算、故障分析、动态仿真、小扰动稳定性分析、动态等值等功能。,直流电磁暂态计算程序(PSCAD/EMTDC Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current ),EMTDC的最初由Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局(Manitoba Hydro)开发完成，随后不断完善了EMTDC的元件模型库和功能，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完成电力电子仿真及
12、非线性控制的多功能工具(Versatile tool)。特别是PSCAD图形界面(GUI)的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统仿真计算，而且该软件可以作为实时数字仿真器(real time digital simulator， RTDS)的前置(front end)部分。 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。,NETOMAC程序（Network Torsion Machine Contro
13、l）,NETOMAC是德国西门子公司研制的电力系统仿真软件。 自1970年代初期开发，经过多年开发和使用，现在NETOMAC程序较为完善，功能很多，在世界各国尤其是欧洲拥有众多用户。 德国西门子公司在新产品开发、大型工程项目设计、保护和自动装置测试中均利用该程序设计校验，以保证工程项目的顺利完成。 该软件除了常规的电力系统稳态和暂态仿真外，还可以进行特殊情况的仿真，如模拟变压器合闸冲击时的瞬态过电压，饱和/非饱和变压器暂态过程，仿真高压异步电动机启动及退出时出现的电弧重燃引起的过电压，研究机组轴系振荡等。,电力系统分析综合程序(PSASP Power System Analysis Softw
14、are Package),电力系统分析综合程序是一套具有高度集成性、开放性和自主知识产权的大型软件包。 PSASP与Excel、AutoCAD、MATLAB等通用的软件包分析工具有方便的接口，可充分利用其它软件包的资源。 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。,PSASP（电力系统分析综合程序 ）,发展历史,1、自1973年开始 1973-1980 早期的机器指令版 19
15、80-1986 大中型机 FORTRAN 语言版 1986-1995 微机 DOS 版 1995至今 微机 Windows 版 2、全国各省市、香港地区电力规划设计、生产调度运行、科研教育等 超过400家用户 3、应用于多项大型电力系统工程计算分析 4、应用于多所大学作为科研和教学的有力工具 5、1985年荣获首届国家科技进步一等奖,PSASP（电力系统分析综合程序 ）,基于公用数据和模型的三层体系结构,第一层：公用数据和摸型的的资源库第二层：基于资源库的应用程序包 第三层：计算结果库和分析工具- 极大地资源共享，高度集成和开放,PSASP（电力系统分析综合程序 ）,文本和图形两种录入编辑方式
16、的电网基础数据库,1、是支持 PSASP 各种计算的公用数据 2、包含发电机、变压器、交流线、负荷、直流线、静止无功补偿器 等电网基本元件 3、有文本和图形两种数据录入编辑方式 4、可提供各种分析计算的基本数据支持 5、可按地区、年度、运行方式从中抽取计算的基本数据,PSASP（电力系统分析综合程序 ）,直观方便、功能强大的用户自定义模型方法,1、可自由建立任何元件的模型（电源、负荷、各种控制保护装置、FACTS元件 等），作为各种计算的模型库 2、直观方便的文本和图形两种模型编辑方式 3、调用简单，计算快速,PSASP（电力系统分析综合程序 ）,基于公用资源的交直流电力系统分析程序包,潮流
17、暂态稳定 短路电流 网损分析 电压稳定 静态安全分析 静态和动态等值 直接法暂态稳定 小干扰稳定 最优潮流和无功优化 参数优化协调 继电保护整定与仿真,SIMPOW,SIMPOW是一个完整的电力系统仿真软件。 它涵盖了电力网络分析的各种应用领域，但其主要专注于时域和频域的动态仿真。 用户可以利用编程语言进行自行设定仿真模型和计算方法，以便进行在线分析和工程研究。 1971年开始，SIMPOW被应用于多个工程的交互研究，其中包含HVDC，FACTS和风力发电等。,SIMPOW,负荷潮流计算； 短路计算； 电力系统稳定性研究（同步稳定性，电压稳定性，暂态稳定性等）； 负荷切除； 负荷波动； 原动机
18、转矩异常； 机电暂态；,系统功能,同步谐振； 电磁频域谐振分析； 特征向量； 特征值灵敏度； 频率扫描； 参数扫描和模态分析； 谐波分析,MATLAB,Matlab含有多个专业性的工具箱，其中主要用于电力系统分析的有EST(Educational Simulation Tool )，MatEMTP，Matpower，PST (Power System Toolbox)，PAT（Power Analysis Toolbox），SPS（Sim Power Systems），VST（Voltage Stability Toolbox），PSAT（Power System Analysis Toolb
19、ox）等工具箱，而且工具箱还在不断增加，这些工具箱给电力系统的研究和工程应用提供了有力的工具。,Matlab由美国MathWorks软件公司于1984年推向市场，历经十几年的发展和竞争，现在己经成为(IEEE评述)国际公认的最优秀的科技应用软件之一。 该软件有三大特点:一功能强大;二.界面友好、语言自然;三.开放性强(仅MathWorks软件公司就推出30多个应用工具箱) 已成为应用科学计算机辅助分析、设计、仿真、教学不可缺少的基础。,MATLAB,电力系统分析工具箱功能对比,电力系统仿真器,自从20世纪80年代以来，我国电力系统仿真器的开发与应用得到了飞速发展，也取得了巨大的成绩。现已有数百
20、台各种类型的仿真器应用于电力系统的各个领域，取得了良好的经济效益和社会效益，为我国电力系统的技术进步做出了贡献。,电力系统仿真是系统仿真的一个分支，是计算机科学、计算数学、控制理论和电力系统专业技术等学科的综合。 电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学研究水平。已在研究、试验、工程、培训等多方面获得广泛的应用。 电力系统事故所造成的损失很大，因此提高运行人员技术水平，防止事故发生及在事故发生后避免事故扩大很重要。培训仿真器以其极佳的经济性、有效性而受到电力部门的重视，并迅速发展成为一种新兴的产业。,电力系统培训仿真器分类,电力系统调度人员培训仿真器 系统运行人员培训仿真器 变电站运行人员培训
21、仿真器 发电厂单元机组运行人员培训仿真器 %,仿真机主要分类依据,仿真对象：是一般的典型机组，还是专门针对某一套机组； 仿真范围：是覆盖一套火电机组的全部内容，还是部分内容； 仿真深度：是仿真机组的全工况范围，还是部分工况； 仿真用途：用于培训或工程设计、分析；,电力系统仿真准确度评估,动态仿真准确度的问题主要体现在两个方面: 保守型仿真-实际系统没有稳定问题，动态仿真结果却发现有稳定问题，运行部门不得不降低运行极限，造成经济上的巨大损失 乐观型仿真-实际系统有稳定问题，动态仿真没有将其正确的描述出来，无法制定相应的控制措施，给电力系统安全运行带来隐患,仿真的有效性,建模过程的正确性 用仿真结果反映真实对象性能的有效性 有关人员对仿真模型和仿真结果的信心,电力系统对其进行仿真准确度研究时存在的四大难点,1 )电力系统规模庞大，电网的结构总是在不断变动中，电力系统的运行方式也灵活多样。 2)由于电力系统的规模十分庞大，各个元件之间祸合十分紧密，每个元件对系统的输出都有一定影响，只是程度不同。 3)电力系统中各个元件都有其特点，但是负荷与其他元件有本质的区别。 4)电力系统的特点决定不能随便在系统上做实验，而且电力系统的实测扰动数据很少，能够让整个电网发生动态过程的扰动就更少。,