国内外电力系统分析软件的功能和特点.doc

国内外电力系统分析软件的功能和特点这是以前我的一个作业，先重新整理出来与大家分享(仅仅作为一个参考)：电力系统是一个极度复杂和难解的系统，对其分析离不开电力系统分析软件的使用。现在国内外电力系统常用软件主要有PSASP(Power System Analysis Software Package)，EMTP(Electromagnetic Transients program)，EMTP-ATP(Alternative Transients Program)，PSCAD/EMTDC?，PSSE(Power System Simulator for Engineering)，SIMPOW，MATLAB分析设计软件包等。5.1 PSASP简介电力系统分析综合程序(Power System Analysis Software Package)简称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。PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析。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，应用于多项大型电力系统工程计算分析，应用于多所大学作为科研和教学的有力工具。PSASP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。从右图可以看出，PSASP包含的电力系统分析各种计算程序模块，方便用户进行复杂电力系统的仿真、计算、建模等。PSASP既包含发电机、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，又具有用户自定义(UD)建模方法，提供了自行建模来研究电力系统新设备、新装置的得力工具。PSASP包含基于公用资源的交直流电力系统分析程序包，方便用户分析复杂电力网络。5.2 EMTP简介EMTP(Electromagnetic Transients program)在二十世纪六十年代后期由Hermann Dommel博士开发，然后将其带到了BPA(Bonneville Power Administration)。1973年，Hermann Dommel博士离开BPA前往UBC(University of British Columbia)。自此，EMTP的两种版本开始形成。一是UBC版，主要用于模型开发；一是BPA版，成为业界标准工具。BPA版是BPA的Scott Meyer博士和Tsu-huei Liu博士以及北美电力业许多工作人员的共同努力的成果。为了使软件的开发更加合理以吸收更多资金，DCG(EMTP Developmen Coordination Group)于1984年成立。早期的成员包括：BPA，the US Bureau of reclamation，WAPA(Western Area Power Administration)，CEA(the Canadian Electrical Association),Ontario Hydro,和Hydro Quebec等。该软件的详细情况请参阅。随着DCG的成立，EMTP的开发团体发生了一系列变化。1986年，出于意识形态上的分歧，Scott Meyer博士离开DCG开发并发布一个EMTP的独立版本-ATP(Alternative Transients Program)。它是免费的，并由使用者自行开发维护。该软件的详细情况请参阅年，UBC进一步开发了EMTP的原始版本，并以MicroTran的品牌名称出售。现在V2.08版本可以从该公司的主页上免费下载(限用18个节点和12条支路)。该软件的详细情况请参阅二十世纪八十年代中期，Manitoba HVDC Research Centre开发了EMTP的另一个版本EMTDC，重点用于高压直流输电系统。现在V3.03版本可以从该公司的主页上免费下载(限用15个节点)。该软件的详细情况请参阅EMTP-ATP简介ATP(Alternative Transients Program)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。在加拿大/美国EMTP中国分委会的联合主席(W.Scott Meyer博士和Tsu-huei Liu博士)的推动下，通过国际间的合作，ATP处在不断发展之中。早在1984年，ATP就诞生了。当时Meyer博士和刘博士不赞成由DCG(EMTP发展合作组织)和EPRI(美国电科院)提出的使BPA(Bonneville水电管理局)的EMTP程序商业化的行为。刘博士辞去了DCG主席的职务，Meyer博士利用业余时间，从BPA的EMTP拷贝中创建了一个新的程序-ATP。ATP发展的需求包括诚信公开和不参与任何EMTP的商业活动。ATP不是一个公开程序，获得ATP资料之前要得到相应许可(参看许可协议)。5.3.1系统原理(1)利用梯形积分法在时域内求解系统元件的微分方程。(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。5.3.2系统元件(1)耦合与非耦合的线性的、集中的R、L、C元件。(2)频率相关的分布参数传输线和电缆模型。(3)非线性电阻和电感、考虑磁滞回线的电抗器、时变电阻、TACS/MODELS控制电阻。(4)非线性元件：考虑磁滞和饱和的变压器、避雷器(无间隙和有间隙)、电弧等。(5)普通开关、时控和压控开关、统计特性开关(蒙特卡洛过程)。(6)阀(二极管、闸闸管、三极管)，TACS/MODELS控制开关。(7)电源：阶跃、斜坡、正弦、指数、TACS/MODELS自定义电源等。(8)旋转电机：三相同步电机和通用电机模型。(9)用户自定义元件模型(包括与MODELS的交互)。5.3.3集成仿真模块ATP的MODELS是一种研究时域系统特性的通用描述语言，也被许多其它仿真工具所支持。(1)每个模型的描述能使用自由格式、无主题词的句法限制上下文，也即主要由自我引证。(2)ATP的MODELS可描述任何用户自定义的控制系统和电路结构，并为其它程序或模块连接到ATP提供了一个简单的接口。(3)作为一个通用的可编程工具，MODELS可用于在频域和时域内处理仿真结果。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。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)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。5.3.4外围程序模块(1)LINE CONSTANTS、CABLE CONSTANTS和CABLE PARAMETERS程序：架空线路和电缆的参数计算。(2)频率相关线路模型数据的生成(Semlyen、J.Marti和Noda的线路模型)。(3)变压器模型数据的计算(XFORMER、BCTRAN程序)。(4)饱和与磁滞曲线的转换。(5)数据模块化。节点数6000支路数10000开关数1200电源数900非线性元件2250同步电机90 5.3.5系统性能ATP-EMTP程序在运行时采用动态分配方法，以降低对系统硬件的要求(如内存)。尚无仿真规模的绝对限制。目前最大规模的仿真计算是在基于英特尔CPU的PC上进行的。下表列出了标准EEUG程序仿真规模的限制情况。5.3.6系统应用ATP-EMTP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5.3.7示例12脉冲HVDC换流站模拟5.4 PSCAD/EMTDC?简介Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。最初EMTDC代表直流暂态。之后程序被不断开发，至今已被广泛地应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。EMTDC开始时在大型计算机上使用。然后在1986年被移植到Unix系统和以后的PC机上。5.4.1系统特点PSCAD一个以图形为基础的电力系统模拟工具族，EMTDC是一套基于软件的电磁暂态模拟程序,可以通过PSCAD进行调用。EMTDC的威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统,包括直流输电系统和其相关的控制系统。PSCAD/EMTDC?在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程(包括电磁和机电两个系统)。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态视定的模拟工具。后者是用稳态解去描述电路(即电磁过程)。但是在解电机的机械动态(即转动惯量)微分方程。PSCAD/EMTDC?的结果是作为时间的即时值被求解。但通过内置的转换器和测量功能(像实有效值表计，或者快速育里叶变换频谱分析等)。这些结果能被转换为矢量的幅值和相角。实际系统的测量能够通过很多途径来完成。由于潮流和稳定的程序是通过稳定方程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此PSCAD的模拟结果能够产生电力系统所有频率的相应，限制仅在于用户自己选择的时间步长。这种时间步长可以在毫秒到秒之间变化。5.4.2典型研究(1)研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压。它也能模拟变压器的非线性(即饱和)这一决定性因素。(2)多运行工具(Mnltiple mnfacilities)经常用来进行数以百计的模拟从而在下列不同情况下发生故障时最坏的情况。故障发生在波形的不同位置，故障的类型不同，故障点不同。在电力系统中找出由于雷击发生的过电压。这种模拟必须用非常小的时间步长来进行。(毫微秒级)(3)研究电力系统由于SVC，高压直流接入，STATCOM，机械驱动(事实上任何电力电子装置)所引起的谐波。这里需要详细的可控硅，GTO，IGBT，二极管等的模型以及相关的控制系统模型(模拟量的和数字量的二种类型)。(4)对给定的扰动，找出避雷中最大能量。(5)调整和设计控制系统以达到最好的性能；多重运行工具常被用来同时自动调整增益和时间常数。(6)当一个大型涡轮发电机系统与吊联补偿的线路或电力电子设备互相作用时，研究次同步谐振的影响。(7)STATCOM或电压源转换器的建模，(以及它们相关控制的详细建模)。(8)研究SVC HVDC和其它非线性设备之间的相互作用；(9)研究在谐波谐振，控制，交互作用等引起的不稳定性；(10)研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响；(11)绝缘配合；(12)各种类型可变速装置的研究，包括双向离子变频器，运输和船舶装置；(13)工业系统的研究，包括补偿控制，驱动，电炉，滤波器等；(14)对孤立负荷的供电；5.4.3示例PSCAD：A COMPREHENSIVE DESIGN AND ANALYSIS ENVIRONMENT 5.5 PSSE简介PSSE是西门子PTI(Siemens Power Technologies International)公司提供的软件产品。PSSE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，另外，该软件灵活的界面促进了PSSE和PSS其它软件产品数据的无缝移植。PSSE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。因此，利用PSSE可以比较有效的进行大型电力网络的分析与设计。5.5.1系统特点(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。5.5.2主要功能稳态时域频域高级模块潮流计算动态仿真小信号稳定分析(NEVA)最优潮流计算短路分析(对称性和不对称性短路故障分析)大量的机电模块库，负荷，FACTS设备，直流线路，风力发电设备等电磁暂态分析图形化模型搭建偶然性和确定性事故分析用户自定义模型保护单元N-1/N-2/N-3检验特定制造商的风力发电设备模块距离保护PV/QV分析完整的绘图工具包限时过流保护周期性潮流估计保护仿真谐波分析5.5.3示例5.6 SIMPOW简介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。自从1971年开始，SIMPOW被应用于多个工程的交互研究，其中包含HVDC,HVDC照明，FACTS和风力发电等。5.6.1系统功能负荷潮流计算；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；原动机转矩异常；机电暂态；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5.6.2典型模块与典型研究(1)电力系统潮流分析模块(Power-flow analysis module)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(Dynamic simulation module)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(Fault analysis module)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(Frequency domain analysis)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。5.7 MATLAB简介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、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础。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(SimPowerSystems)，VST(Voltage Stability Toolbox)，PSAT(Power System Analysis Toolbox)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。5.7.1 MATLAB-电力系统分析工具箱功能对比Table：MATLAB-based packages for power system analysis工具箱标准潮流连续潮流最优潮流小信号稳定分析时域仿真电磁暂态图形化用户交互图形化电网搭建EST MatEMTP Matpower