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电力系统仿真软件综述,武汉大学电气工程学院 曹玉胜,内部交流 谢绝公开,电力系统仿真概述 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1s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。 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和电磁暂态过程两大类。 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。,电力仿真的时间尺度,10-7,10-5,10-3,10-1,101,103,105,Timescale (seconds),1 cycle,1 sec,1 min,1 hr,1 day,Imbalance, harmonics, inter-harmonics, notching, noise,Voltage fluctuations,Frequency variations,Electromagnetic transient modeling and simulation,机电暂态仿真工具： PSS/E 、 PSASP 、BPA 、Simpow、Eurostag、PowerWorld Simulator、POWERTECH DSA、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 电力电子仿真工具: PLECS、PSIM 配电网仿真工具: ETAP 、EDSA/DesignBase、 PSS/SINCAL、 PSS/ADEPT 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。,我收集整理的常用电力仿真软件 名称 版本 PSS/E v28、v29、v30、v31、v32、v33 PSS/SINCAL v5.2、v5.3、v5.4、v6.5 PSS/ADEPT v5.2 PSCAD v3.8、v4.2、v4.2.1、v4.3.1、v4.4 EMTPRV v2.02、v2.1、v2.2 EMTPE v1.0 NETOMAC v7.52、v33、v34 CDEGS v8.1、v12、v13 DSATools v4、v5、v6、v7、v9、v11 POWERWORLD v8、v10 Eurostag v4.2、v4.4 Simpow v10 Liveware v2.3 TPLAN v8.2、v8.5 E-TRAN v1 BPA v3.0、v4.0 PSASP v6.0、v6.13、v6.22、v6.24、v6.25、v6.26、v7.0 PLECS v1.52、v1.60、v1.61、v1.62、v2.x、v3.2 Digsilent v13.1、v13.2、v14.x ETAP v4.0、v5.5、v6.0、v7.x EDSA v2005、v3.0、v4.0 Sigra v4 WASP v9.x、v10.x CYME v4.x HyBrid v2.x NEPLAN v5.1、v5.2 Windpower v30.2 PSIM v6.0 PSS/Viper v3.0 PLS_CADD v11.1 TOMLAB v7.7 版权归各软件开发商，仅供学习科研提供参考。 PowerDoc 3卷1.5G, 汇集了20092011年更新的软件说明文档。,二. 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PSSE、美国EPRI的ETMSP、ABB的SIMPOW程序、德国西门子的NETOMAC、德国Powerfactory的DIgSILENT。,1.PSS/E PSS/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7000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（2011年度PSS/E中国用户会议将于2011年11月11日在浙江大学召开，会议的主题是学习PSS/E最新版（33版）的新增功能，交流PSS/E的使用心得）。,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:Program Files PTIPSSE33DOCS,PSSE33 WECC UsersGUIguide TMLC SavedCase ReleaseNotes Reference PSSPLT PSSExpress PSSEAPI POM PAG PAG-V2 PAG-V1 ModelLibrary GUIDEtoPP LineProp IPLAN Installation Compatibility CLI CheatSheets,PSS/E功能结构图,2.PSASP 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。 开发历史： 自1973年开始开发 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 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 。1985年荣获首届国家科技进步一等奖。,PSASP功能简介 主要包括如下模块：,PSASP图模一体化平台 PSASP潮流计算模块（LF） PSASP暂态稳定计算模块（ST） PSASP短路计算模块（SC） PSASP最优潮流和无功优化计算模块（OPF） PSASP静态安全分析模块（SA） PSASP网损分析模块（NL） PSASP静态和动态等值计算模块（EQ） PSASP用户自定义模型和程序接口模块（UD/UPI） PSASP直接法稳定计算模块（DST） PSASP小干扰稳定分析模块（SST） PSASP电压稳定分析模块（VST） PSASP继电保护整定计算模块（RPS） PSASP线性/非线性参数优化模块（LPO/NPO） PSASP谐波分析模块（HMA） PSASP分布式离线计算平台 PSASP电网风险评估系统 PSASP暂态稳定极限自动求解程序 PSASP负荷电流防冰融冰辅助决策系统,PSASP功能结构,PSASP操作界面,3.PSD-BPA PSD-BPA是一个大型电力系统分析软件包，是中国电力科学研究院系统所电力系统分析软件包的统一标志，简称PSD 软件或PSD 程序，PSD 是电力系统研究所的英文缩写，PSD 软件主体由下述程序组成： （1） PSD-BPA 潮流及暂态稳定程序（原中国版BPA 程序）； （2） PSD-PSDB 电网计算数据库系统； （3） EMTPE 电力电子与电磁暂态仿真程序； （4） PSD-FDS 电力系统全过程动态仿真程序； （5） PSD-SCCP 电力系统短路电流计算程序； （6） PSD-DEQU 电力系统动态等值程序； （7） PSD-SSAP 电力系统小干扰稳定性分析程序； （8） PSD-OPF 无功优化程序； （9） PSD-VSAP 电压稳定分析程序； （10）PSD-NET 电力系统快速分布式统一计算平台 （11）PSD 软件辅助分析工具系统： PSD-PCS 电力系统数字平台； PSD-Clique 地理接线图格式潮流图绘制程序； PSD-Joy 单线图格式潮流图绘制程序； PSD-CurveMaker 曲线绘制工具； PSD 数据编辑器（PSD-PSAW 系统分析集成平台、PSD-TextEdit）,PSD 总体框图,PSD-BPA 结构示意图,PSD-PSAW系统分析集成平台,4.DSATools 加拿大Powertech Labs Inc.的电力系统安全分析软件包(DSAToolsTM)是分析研究现代大规模互联电力系统的理想工具。从最基本的潮流短路分析，电网电压水平，元件热过载计算到复杂电力系统暂态稳定，中短期动态稳定，小干扰稳定与电压稳定分析，直至各种电力系统控制器和稳控装置的设计，调制等，DSATools 可以满足现代电网规划，运行以及控制等各方面的要求。 先进的仿真计算技术与强大的模型解算能力，赋予DSATools 具有分析研究当今世界任何规模互联电网的能力。强大的用户图形界面和计算结果分析处理功能更使得DSATools的运行操作以及研究报告的制作轻松，容易。,DSATools组成模块 Powertech的电力系统动态安全综合分析软件包DSATools 目前包括下列功能模块： 潮流及短路分析程序PSAT (Powerflow 用户自定义模型图形编辑器(UDM Editor)； 电力系统稳定器PSS设计及整定(CDT)； 在线动态安全分析平台(DSA Manager)。,DSAToolsTM主要应用领域 电力系统中长期规划 电源（包括新能源）接入分析 电力系统运行方式分析 电力系统在线安全分析，包括系统安全稳定预警，调度辅助决策，稳控系统决策表在线更新及验证等 风电等新能源的实时安全运行分析 特殊稳控问题的分析 各类电力设备的建模及分析 各种控制器及稳控措施设计及分析 事故的仿真复现及分析 科研及教学,在线动态安全分析（On-Line DSA）,DSA操作界面,三. 电磁暂态仿真软件,电磁暂态过程数字仿真是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态过程仿真必须考虑输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以及一系列元件(避雷器、变压器、电抗器等)的非线性特性。因此，电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数或微分、偏微分方程。一般采用的数值积分方法为隐式积分法。 由于电磁暂态仿真不仅要求对电力系统的动态元件采用详细的非线性模型，还要计及网络的暂态过程，也需采用微分方程描述，使得电磁暂态仿真程序的仿真规模受到了限制。一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值化简。 电磁暂态仿真程序目前普遍采用的是电磁暂态程序(electromagnetic transients program，简称为EMTP)，1987年以来，EMTP的版本更新工作在多国合作的基础上继续发展，中国电力科学研究院(简称电科院)在EMTP的基础上开发了EMTPE。具有与EMTP相似功能的程序还有加拿大Manitoba直流研究中心的EMTDCPSCAD、加拿大哥伦比亚大学的MicroTran、德国西门子的NETOMAC等。,1. EMTP-RV简介 历史背景。 EMTP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 Development Coordination Group）于1984年成立。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。 1989年，UBC进一步开发了EMTP的原始版本，并以MicroTran的品牌名称出售。 1998年，DCG在Hydro-Qubec的支持下，开始重写EMTP程序，并于2003年推出重构的版本EMTP-RV。,Reference in transients simulation Solution for large networks Provide detailed modeling of the network component including control, linear and non-linear elements Open architecture coding that allows users customization and implementation of sophisticated models New steady-state solution with harmonics New three-phase load-flow Automatic initialization from steady-state solution New capability for solving detailed semiconductor models Simultaneous switching options for power electronics applications,EMTP-RV key features:,EMTP-RV Applications:,Lightning surges Switching surges Temporary overvoltages Insulation coordination Power electronics and FACTS General control system design Power Quality issues Capacitor bank switching Series and shunt resonances,Ferroresonance Motor starting Steady-State analysis of unbalanced system Distribution networks and Distributed generation Power system dynamic and load modeling Subsynchronous resonance and shaft stresses Power system protection issues,EMTPWorks的基本原理 EMTP-RV使用面向对象的编程模式，根据所处理对象的不同分为 EMTP-RV 核心数据处理引擎、EMTPWorks图形化编辑界面和ScopeView可视化数据处理程序三个不同的部分。,EMTP-RV组织结构图,EMTPWorks提供给用户一个图形化的建模环境，它将使用者用图形模块搭建的系统模型转换为EMTP-RV计算引擎可识别的网络表*.NET 文件。 EMTP-RV计算引擎则根据读入的网络表*.NET文件，分析网络拓扑结构，解析元器件模型，构成系统计算矩阵并按给定的条件进行仿真，最后将仿真结果写入二进制的数据文件*.mda和相关ASCII文本绘图文件*.m。 可视化数据处理程序ScopeView对EMTP-RV计算引擎输出的数据做进一步的加工处理，最终以多组彩色曲线图的形式显示仿真结果。 这三个组成部分为用户提供了一个完善的集成开发环境，同时，各部分又有其相对独立的不同特征。,EMTPWorks为创建复杂电网络模型提供了一个直观且功能强大的图形化编辑界面。它支持以拖放（Drag and Drop）方式添加电气元件；元件连接可选单相或三相信号连线的方式；元件和信号均被视为具有属性的对象，可随时对其特征属性进行编辑；内置的符号编辑器可用于编辑元件的图形标识。EMTPWorks提供无限层次子网络的封装功能：用户可将一部分子电路封装起来，用特定的符号表示，并以子模块嵌套的方式构建大规模的电网络模型。对于常用的电气设备模型，EMTPWorks提供了丰富的元件库可供选择，并能按照用户需要对库中的元件进行修改；EMTPWorks提供自定义元件编辑功能，可以方便地对现有元件库进行扩展。,EMTP-RV 核心计算引擎使用最新Fortran-95标准编写，具有非常快的运算速度和较高的存储器利用率。新的网络方程稀疏矩阵表述形式使它可以处理巨型网络，消除了对网络拓扑结构的限制，并提供对插件模型的接口功能；非线性模型求解方法的改进极大提高了计算收敛速度，同时消除对网络拓扑的限制。对同一网络模型，它提供频域、时域、稳态和统计分析四种可选计算模式；还能够自动初始化稳态求解过程，并可提供稳态模型的谐波求解。其开放的体系结构允许用户使用自定义的复杂模型，并对现有的专用工具箱进行扩展。,ScopeView可视化数据处理程序能够对Matlab、Comtrade和EMTP-RV格式的数据文件进行处理。它提供了基本的图形缩放、叠印、多列和多页图形显示功能；能够动态跟踪显示光标所在处数据值，显示节选图形区域内的最大值、最小值、均值和有效值。内建的函数编辑器可以对数据进行后处理，实现从简单的加减乘除类算术运算到复杂的离散傅立叶变换、谐波分析等函数功能。支持线性和指数形式的坐标轴表示，并能方便地使用属性页编辑显示曲线的标题、坐标轴标签、显示线型和图例等属性。能够将当前显示模式和数据处理过程保存为模版，方便今后载入对多组数据进行处理。支持Windows剪贴板功能，能够将图形拷贝到其他程序进行处理；并可使用Matlab binary、Comtrade、pdf、jpg、png、eps等多种图形格式导出显示数据，供其他程序进一步进行处理。,主要元件和模型库 EMTP-RV的元件分为内置元件、内置封装组件和用户自定义元件三大类型。 内置元件是由 EMTP-RV支持的基本功能模块，它们具有独立的数学模型并可直接被EMTP识别 。 内置封装组件是由EMTP-RV内置元件相互连接组成的子功能模块封装后形成的，它们提供了常用设备的模型表示。 用户自定义元件是用户根据自己的需要用内置元件自行搭建的模型，或是直接通过动态连接库DLL提供的用户功能模块。,advanced.clf：提供包括STATCOM、SVC、可变负荷模型等一系列电力电子设备模型 。 RLC branches.clf：提供电阻R、电容C、电感L和它们相互组合而成一系列RLC电力设备。 control.clf：包含比较器、增益、延迟、积分、微分、采样、保持、加法器等基本控制元件的元件库。 control functions.clf：提供了对常用控制算法的支持，包含PI、PID、PWM、PLL等控制算法实现。 control of machies.clf：这是包含多种励磁调节器和调速器在内的设备库。 flip flops.clf：各种D、J-K、S-R和T触发器模型库。 hvdc.clf：收集了常用的6脉冲和12脉冲触发高压直流应用的控制信号发生装置。 lines.clf：各种传输线和电缆模型的集合。 machines.clf：包含同步机、异步机、直流电机、永磁电机、双相感应电机在内的电机模型库。,meters.clf：集合了各种电压、电流和控制信号输出测量元件。 meters periodic.clf：用于测量电压、电流有效值和有功、无功输出等周期量的元件集合。 nonlinear.clf：提供了SiC和ZnO避雷器、时变电阻、非线性电阻和电感等非线性元件。 phasors.clf：提供极坐标系的加减乘除、旋转、坐标变换等矢量运算功能。 sources.clf：各种交直流标准电流源、电压源和脉冲电流源、电压源模型库。 switches.clf：包含断路器、放电间隙、二极管、晶闸管等类型的开关元件库。 transformations.clf：Park变换、谐波分析等常用数学变换库。 transformers.clf：包含多种类型和不同连接方式的电力变压器模型。,仿真实例 EMTP Examples。,2.PSCAD 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/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(象实有效值表计，或者快速傅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。,应用范围 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。 多运行工具(Multiple run facilities)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) 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)。 对给定的扰动，找出避雷中最大能量。 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。 当一个大型涡轮发电机系统与串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。 STATCOM或电压源转换器的建模，(以及它们相关控制的详细建模)。 研究SVC HVDC和其它非线性设备之间的相互作用； 研究在谐波谐振，控制，交互作用等引起的不稳定性； 研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响； 绝缘配合； 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； 工业系统的研究，包括补偿控制，驱动，电炉，滤波器等； 对孤立负荷的供电；,PSCAD 4.4新界面,PSCAD 4.4新特性,New File Formats: The extensions are now *.pslx and *.pscx for library and case projects respectively. Component definition file extensions have been changed from *.cmp to *.psdx. Upwards Compatibility: PSCAD X4 supports the import of *.psc and *.psl file formats that have been generated by PSCAD v4.1 or v4.2 only. Downwards Compatibility: The PSCAD X4 release is not backwards compatible. That is, X4 format project files (*.pscx and *.pslx) cannot be converted back to *.psc or *.psl format. New Look and Feel: Ribbon Control Bar: The ribbon control bar is featured prominently across the top of the application environment. Tabbed Document Interface (TDI): A modern working environment including custo