电力系统分析课程论文

论电力系统仿真分析在《电力系统基础》课程中的作用学院：电子电气工程学院专业班级：电气工程及其自动化1班姓名：向宏伟学号：201308324026指导教师：穆星星-1-论电力系统仿真分析在《电力系统基础》课程中的作用一、课程介绍及教学现状电力系统分析课程是电力系统自动化专业的重要专业课程，涉及一系列电力系统的核心技术：潮流计算、调频调压、经济运行、同步发电机电磁暂态过程、短路计算及机电暂态稳定性分析等。讲授电力系统的基本概念、基本原理、基本问题及基本计算等内容。开设该课程的目的主要是让学生建立起电力系统的基本概念、掌握电力系统及组成部分的基本模型、基础的稳态和暂态计算分析方法、系统正常运行与控制的基本方法和原理。该课程也是其他专业课的基础。学好电力系统分析对于电力系统专业的学生来讲至关重要。（一）电力系统分析课程教学现状电力系统分析课程虽然重要，由于前修课程电机学没学好，以及电力系统分析课程知识点较多，理解起来有难度，部分同学没有养成良好的学习习惯，课下没有及时巩固复习，课堂内容掌握不好时容易产生畏难情绪。此外，即使部分同学理论知识掌握较好，但感觉较抽象，对某些知识持怀疑态度，如：调频时，增大气门开度，实际生产中发电机转速的变化，输出功率的变化，频率的变化等是否如课本上所写;调压时，负荷的波动对系统中各节点电压的影响究竟如何，那些调压措施能不能真正起到调压的效果。学生无法看到相关的现象，所以很难产生浓厚的学习兴趣和热情，即使当时掌握了，遗忘也会比较快，印象不深刻。为了解决以上问题必须借助与相关实验课程，让学生在实验操作中将理论和实际很好的联系起来，既能及时巩固相关知识，又能提前接受实际生产操作培训，为以后踏上工作岗位打下坚实的基础。（二）电气工程虚拟仿真实验的主要功能1.电力系统仿真实验电气工程虚拟仿真实验包括电力系统仿真实验和水电站仿真实验，电力系统仿真实验主要针对电力系统的相关设计，包括电网的主接线设计、设备选型及校验、故障计算、保护配置等;潮流、短路、稳定性等分析计算;运行过程、控制方法及原理的学习研究。提供了相关软件平台，实验室的软件平台包含两大类，一类是机电暂态过程仿真软件，一类是电磁暂态过程仿真软件，除了PSASP软件外，还有PSCAD、PSS/E、BPA、ATP/EMTP及EMTP-RV、CDEGS等软件，可以供学生进行课程实验、综合设计、毕业设计以及相关科学研究。开发了系列的课程实验、综合设计及研究项目，对于提高学生课程的学习效果、综合运用所学专业知识进行发电厂、变电站以及电网的设计、分析计算以及运行与控制的能力起到了很好的辅助作用。2.水电站虚拟仿真水电站虚拟仿真提供了与现场效果一致的大型水电站仿真培训系统的实践教学环境，在水电站监控系统中涵盖了水电站的所有主要机电设备，包括：水电站水轮机、发电机、发动机出口短路器、主变、500kVGIS系统、厂用电系统、调速系统、励磁系统、监控系统、继电保护系统、安全自动装置系统、气系统、排水系统、机组及变压器技术供水系统、油系统、消防系统、闸门系统、流量水位曲线、（含黑启动系统）、AGC/AVC等系统及厂房场景、设备系统运行、维护、检修、拆装过程的多维立体展现。学生可以-2-亲自动手操作实验，可进行水电站正常工况运行操作过程培训;异常工况运行操作过程培训;紧急事故工况处理操作培训;计算机监控系统培训;综合反事故培训;生产过程运行知识与专业理论培训。解决了传统课堂学习中学生“只能动口，不能动手”的难题，通过“操作、观察、分析、记录、总结”，激发了学生的学习兴趣和主动参与的学习热情，提高了理论和实践教学效果。（三）电气工程虚拟仿真实验的主要特点1.虚实结合，互为补充“虚”是指采用虚拟的仿真实验平台为学生提供亲自动手操作实验或培训的机会，由于电力生产的特殊性，考虑到生产的安全性和学生自身的安全性，实验操作不可能在实际系统中进行，必须借助于软件平台。“实”则是通过校外企业作为实习基地提供学生参观实习的机会，建立学生对现场的感性认识。虚实结合的教学模式可以有效提高学生对电力系统运行特点及控制过程等知识的掌握。2.运维合一，多媒体一体化教学多维多媒体仿真能极大增强仿真临场感和沉浸感。借助多维多媒体手段，创造一个虚拟现实培训环境，让学生在虚拟场景中上完成对调速、调压、AGC＼AVC等相关电力系统方面的操作。可对设备进行拆卸和装配，让学生看到平时不易见到的设备构造、工艺及内部运行情况，做到对设备的组成、结构、拆卸顺序及操作过程等了然于胸。还可实现事故场景真实再现，便于学生对暂态过程进行分析，可大大提高学生学习的积极性和学习效率。二、电力系统分析软件介绍随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。PSCAD／EMTDC程序，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。PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。还有MathWorks公司开发的MATLAB软件。（一）PSASP（电力系统分析综合程序）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。交直流混合电力系统，固定模型库和用户自定义模型库支持，提供用户程序接口，实现与用户程序联合运行，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出。自1973年开始的长期开发应用历史；1973-1980早期的机器指令版；1980-1986大中型机FORTRAN语言版；1986-1995微机DOS版；1995至今微机Windows版PSASP拥有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。这造就了其极大地资源共享，高度集成和开放等优点。其主要有以下几个模块：1.文本和图形两种录入编辑方式的电网基础数据库：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2.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-3-2)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3.基于公用资源的交直流电力系统分析程序包：潮流、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。（二）EMTP-ATP（AlternativeTransientsProgram）EMTP-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。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，可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统，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。TACS为进行控制系统时域分析的模块。最初开发TACS是为了模拟HVDC换流器的控制系统。TACS采用控制系统的结构图表示法。电网与TACS之间的接口是通过信号量的交互：如节点电压、支路电流、开关状态、时变电阻、电压源和电流源等。TACS可用于模拟：1）HVDC换流器的控制系统；2）同步发电机的励磁系统；3）电力电子及其驱动；4）电弧（断路器和故障电弧）（三）PSS®NETOMAC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，运行与Windows环境下。1.潮流计算：可进行单相、三相潮流计算，计算时可以考虑负荷电压特性、变压器分接头、HVDC及SVC；也可进行电感、电容耦合的多相线路潮流计算，得到分布式多相线路上的电压随距离的变化曲线。2.暂态计算：分为电磁暂态计算和机电暂态计算。电磁暂态部分采用差分导纳法、变积分步长等方法和技巧有效地处理了开关操作产生间断点、非线性连接等问题；机电暂态部分可用自定义地负荷模型考虑频率、电压特性，自定义的继电保护断开线路仿真。在暂态计算中不同的时段可采用不同的数学模型，可变积分步长。3.参数辨识和优化：在频域或时域内使用Quas－Newton，ModifiedPowell或最小二乘法进行辨识；能在等式、不等式约束条件下对用户自定义的目标函数进行优化；能对发电机电压调节器的参数进行优化甚至可以解决一些较难优化的数学问题。4.频率响应：计算网络和电机的频率特性以便于为发电机励磁等的参数设计提供依据、计算无源网络的谐波分布、分析网络中出现的周期性干扰、研究与频率和电压有关的负荷的影响等。5.动态稳定性分析：应用收敛性较好的QR算法求出全部特征值，来判断系统在小扰动下的动态稳定性；若考虑发电机轴系方程后，也可进行次同步振荡的研究。面向模块的仿真语言：采用模块化语言来模拟发电机励磁，原动机调速器、汽轮机等。具有80多种模块，其中有积分、惯性等基本积分环节，也有较大的组合模块。（四）PSS®EPSS®E是西门子PTI（SiemensPowerTechnologiesInternational）公司提供的软件产品，是一个完整的电力系统分析软件工具库。该软件提供了一个非常优越的潮流计算，短路故障分析和动态仿真的环境.PSS®E采用最新的计算机技术和数值计算方法，提供与电力系统技术发展同步的元件模型，如传统和新型高压直流（HVDC）模型、灵活-4-交流输电系统（FACTS）模型等，并提供用户可自定义的模型和用户可编程的计算过程等功能。1.输入数据方式及与其他程序数据文件共享的方便性；2.程序缺省模型包括发电机模型、励磁系统模型、调速器模型、HVDC模型、FACTS模型、负荷模型等的完整性；3.用户自定义模型功能和程序接口功能；4.用户自定义计算顺序与用户自定义计算功能；5.分析计算功能的多样性；6.计算方法的透明性与文档的完整性；7.国际交流的方便性。（五）SIMPOW典型模块与典型研究：1.电力系统潮流分析模块（Power-flowanalysismodule）电力系统潮流模块基于频率，电压和电流，对于稳态对称的电路进行仿真。系统中采用动态算法或者牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）法进行潮流计算，并且针对变量设定了各种各样的约束条件。2.动态仿真模块（Dynamicsimulationmodule）在SIMPOW软件中包含两种动态模型：暂态稳定和瞬时值模型。每种模型都能模拟稳态，对称和不对称电力网络。暂态稳定模型通过交流系统相量和直流系统电压电流进行计算，输出正序，负序，零序分量。瞬时值模型计算瞬时电压和电流，输出dqo分量。SIMPOW软件提供了完整的动态仿真模块库，包含HVDC和SVC系统。3.故障分析模块（Faultanalysismodule）故障分析模块用于仿真分析稳态对称和不对称故障，计算短路电流，序分量，节点短路阻抗等。4.频域分析模块（Frequencydomainanalysis）SIMPOW可用以频域特征值计算和频域响应计算，这对于电机的小信号稳定和自动控制系统方面的研究将有莫大的帮助。（六）MATLABMatlab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:功能强大；界面友好、语言自然；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