电力系统仿真技术

电力系统仿真技术武汉大学电气工程学院曹玉胜电力系统仿真概述动态模拟仿真技术数模混合仿真技术全数字仿真技术机电暂态仿真软件电磁暂态仿真软件电力电子仿真工具配电网的仿真软件内容一.电力系统仿真概述现代电力系统是集发电、输电、配电和用电为一体的复杂非线性网络系统。对其物理本质的研究涉及到短至1μs到长至1h的动态过程。为了保证实际运行的电力系统的安全稳定性，不便采用在线物理试验的方法对电力系统的动态行为进行研究。目前主要利用电力系统仿真软件离线计算的方法对电力系统及装置的动态行为进行仿真研究。电力系统的仿真技术主要有三大类，即电力系统动态模拟仿真技术、电力系统数模混合式仿真技术以及电力系统全数字仿真技术。电力仿真的时间尺度10-710-510-310-1101103105LightningSwitchingSubsynchronousresonanceTransientstabilityLongtermdynamicsTie-lineregulationDailyloadvariationTimescale(seconds)HVDC,FACTS,etc.GeneratorcontrolProtectionPrimemovercontrolLFCOperatoractions1cycle1sec1min1hr1dayImpulsivetransientsOscillatorytransientsShort-durationvariationsLong-durationvariationsImbalance,harmonics,inter-harmonics,notching,noiseVoltagefluctuationsFrequencyvariationsElectromagnetictransientmodelingandsimulation二.动态模拟仿真技术电力系统动态模拟仿真技术采用物理仿真，其原理是用比原型系统在规格上缩减一定比例的方法建立物理模型系统，通过在物理模型上做试验代替在实际系统中的试验。20世纪60年代以前，电力系统仿真主要采用这种全物理的动态模拟装置。其优点是可以较真实的反映被研究系统的全动态过程，现象直观明了，物理意义明确；缺点是仿真的规模受实验室设备和场地限制，而且每一次不同类型的试验都要重新进行电气接线，耗力耗时，另外，可扩展性和兼容性差。动模实验室三.数模混合仿真技术计算机和数值计算技术的飞速发展，使得电力系统数字仿真技术得到了迅速地发展。电力系统数字仿真包括全数字仿真和电力系统数模混合仿真。电力系统数模混合仿真是仿真的时间刻度与真实物理时间进度严格同步的实时物理仿真。这样可以把仿真与现实物理系统对接起来，把纯软件仿真嵌入到真实世界中，成为在实时仿真器中运行的“虚拟电网”。混合仿真的优点在于综合了数字仿真和物理仿真优势，能够较真实地模拟一些系统电气元件，准确地反映系统的动态过程，缺点是接口环节多、试验接线工作量大和仿真规模受限。电力系统实时仿真器主要有：ADPSS、ARENE、DDRTS、HYPERSIM、RTDS、RT-LAB、dSPACE。RTDS全称为实时数字仿真仪，由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，是最早设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。加拿大魁北克水电研究所的TEQSIM公司开发了电力系统实时仿真系统（HYPERSIM），主要用于电力系统电磁暂态仿真，其核心软件是EMTP程序。法国电力公司（EDF）开发的ANENE实时仿真系统，其核心软件也是EMTP。由殷图科技发展有限公司、东北电力调度通信中心和清华大学联合研制、开发的数字动态实时仿真系统（简称DDRTS），是国内自主研发的实时数字仿真系统。中国电力科学研究院开发了世界上首套可模拟大规模电力系统（1000台机、10000个节点）的全数字实时仿真装置ADPSS，大规模电力系统的实时数字仿真也得以实现。ADPSS实时仿真装置四.全数字仿真技术随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度的增加，采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到限制。全数字仿真系统内所有元件都采用数字仿真模型。由于其具有不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证被研究和试验系统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统性能的预测等优点，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。全数字仿真系统主要使用各类离线数字仿真软件实现，也能以电力系统实时仿真器纯数值计算的方式实现。主要分类根据需要研究的动态过程的作用时间长短，电力系统暂态过程分为机电暂态过程、电磁暂态过程和中长期动态过程仿真。根据仿真研究的对象，分为输电网和配电网仿真。根据对元件描述的精细程度，分为集总元件仿真和分布参数电磁场仿真。机电暂态仿真工具：PSS/E、PSASP、BPA、Simpow、Eurostag、PowerWorldSimulator、POWERTECHDSA、CYME、NEPLAN、ETMSP电磁暂态仿真工具：EMTP/ATP、PSCAD/EMTDC、EmtpE混合仿真工具：NETOMAC、DIgSILENT、SimPowerSystems电磁场仿真工具：ANSOFT、ANSYS、CDEGS、Infolytica、IES电力电子仿真工具:PLECS、PSIM、SABER、Caspoc配电网仿真工具:ETAP、EDSA/DesignBase、PSS/SINCAL、PSS/ADEPT实时物理仿真工具:ADPSS、ARENE、DDRTS、HYPERSIM、RTDS、RT-LAB、dSPACE不同软件仿真的适用范围并无严格定义，通常情况下同样的问题可以选用多种不同的软件进行分析研究,但选取适合的软件工具能够减少不必要的工作量。红色标注了使用频率高的软件。4.1机电暂态仿真软件机电暂态过程的仿真，主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积分法、改进尤拉法、龙格-库塔法等，其中隐式梯形积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应用。代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分方程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。目前，国内常用的机电暂态仿真程序是电力系统综合程序(PSASP)和中国版BPA电力系统分析程序。国际上常用的有美国PTI公司的PSS／E、美国EPRI的ETMSP、ABB的SIMPOW程序、德国西门子的NETOMAC、德国Powerfactory的DIgSILENT。4.1.1PSS/EPSS/E是美国PTI电力技术咨询公司专门为输电系统分析而设计的综合仿真软件包，是世界电力工业最广泛应用的电力系统分析软件之一，用来研究电力传输系统和发电机的稳态和动态功能，能处理潮流计算、故障分析、网络等值、动态仿真和安全运行优化等问题。PSS/E由于其高度模块化的结构使得它能完成很多功能，同时它还鼓励工程人员在标准的计算程序不能满足要求时，可以引入自己的子程序来解决特定的问题。PSS/E具有强大的计算能力，目前PSS/E33版本处理的电力网络的最大规模为15万条母线、30万条线路、30万个负荷以及3.3万台发电机。PSS/E提供了丰富的文档和培训来帮助使用者理解其丰富的功能：在线帮助文档多达9000多页，另外还有大量的辅助教程可供参考；每年在世界各地举办培训班、研讨会，交流用户使用经验。PSS/E操作界面PSS/E仿真规模PSS/E仿真规模PSS/E参考文档C:\ProgramFiles\PTI\PSSE33\DOCS\PSSE33├─WECC├─UsersGUIguide├─TMLC├─SavedCase├─ReleaseNotes├─Reference├─PSSPLT├─PSSExpress├─PSSEAPI├─POM├─PAG│├─PAG-V2│└─PAG-V1├─ModelLibrary├─GUIDEtoPP├─LineProp├─IPLAN├─Installation├─Compatibility├─CLI└─CheatSheetsPSS/E功能结构图PSS/EOPF简介PSS/EOPF（用于电力系统工程的仿真器的优化潮流）是个功能强大，使用方便的电力网络分析工具。它突破了常规的潮流分析，为用户提供了全面优化和调整输电系统运行的能力。PSS/EOPF完全嵌入在PSS/E的潮流程序中，使得这种优化和调整更为容易。PSS/EOPF把职能融入潮流求解过程中，大大提高了分析电力系统性能的效率。常规的潮流依赖于工程师系统地研究各个解后才能找到一个满意的“良好”解，而PSS/EOPF直接改变各种控制从而迅速地确定“最优”解。几乎对于任何一个合理的初始点，OPF肯定能求得唯一的全局最优解，并同时满足系统约束，使成本减少到最小或使系统性能最佳。PSS/EOPF提供经过特殊设计的使用简单的图形断面。该断面可以帮助迅速定义和建立即使是最为复杂的电力系统优化问题。PSS/EOPF完全集成在PSS/E的潮流程序中，可以直接从PSS/E获得所有必要的潮流数据模型，并在每次一个优化潮流求解过程完成后立即自动更新这些潮流数据。因此，这个过程非常有效。优化潮流的数据编辑器可以方便地用来输入和修改所有的约束和控制变量。整个过程的操作是通过一组完整的视窗构成的现代图形断面进行的。程序的每一个功能都可以从驱动菜单中选择。PSS/EOPF简介PSS/EOPF除了能够进行通常的优化分析外（比如使运行费用减到最小），还适用于解决与当今电力市场环境更密切相关的许多问题，这包括：运行费用减到最小（Minimizingoperatingcosts）；无功规划（Reactivepowerscheduling）；电压崩溃分析（Voltagecollapseanalysis）；输送能力分析（Transfercapabilityinvestigation）；基于地点的边际电价分析（Locationbasedmarginalcostassessment）；随时需要的辅助服务费用分析（Ancillaryserviceopportunitycostassessment）；建立用作对系统影响评估的常规潮流（Impactassessmentbasecasedevelopment）。PSS/EOPF简介PSS/EOPF可以提供的目标函数为（可以同时满足一个或多个目标）：使燃料费用减到最小（Minimizefuelcosts）；使平衡母线发电机有功出力减到最小（Minimizeactivepowerslackgeneration）；使平衡母线发电机无功出力减到最小（Minimizereactivepowerslackgeneration）；使有功损耗减到最小（Minimizeactivepowerloss）；使无功损耗减到最小（Minimizereactivepowerloss）；使支路电抗调整量减到最小（Minimizeadjustablebranchreactance）；使母校并联电容调整量减到最小（Minimizeadjustablebusshunts）；使母线负荷调整量减到最小（Minimizeadjustablebusloads）；使断面潮流减到最小（Minimizeinterfaceflows）；使断面有功潮流传输最大（Maximizeinterfaceactivepowertransfer）。PSS/EOPF简介PSS/EOPF允许用户任意选择上述目标函数的组合，只要点击图形断面上的功能键就可容易实现。优化潮流问题的陈述是通过将目标函数与任意数目的约束和控制结合起来而形成的，这些约束和控制可以是：母线电压幅值限制（Busv