（电力系统及其自动化专业论文）基于rtds的交直流系统实时数字仿真方法研究与实现.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg r e a ta d v a n t a g e m e n t so fl o n gd i s t a n ta n db i gc a p a c i t yi ne l e c t r i cp o w e r t r a n s i m i s s i o n ，h i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt e c h n o l o g yp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o j e c t o fw e s t - e a s te l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o na n dn a t i o n w i d ei n t e r c o r m e c t i o no fc h i n e s e p o w e rs y s t e m ， b u ti t b r i n g se n o r m o u si m p a c tt ot h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ee n t i r ep o w e rg r i d t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c - d cp o w e rs y s t e mc a nb er e f l e c t e d a c c u r a t e l yb y e l e c t i c m a g a n e t i cs i m u l a t i o nt o o l e sw i t ht h ee x t e r n a la c t u a ld cc o n t r o la n dp r o t e c t i o nd e v i c e s i nt h i sp a p e r , a na c d cr e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d ，f o u rr e a lf a u l t sh a v e b e e n s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d , t h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ta n de l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t h y b r i dr e a l - t i m es i m u l a t i o na p p r o a c hi sp r o p o s e d ，a n dac o m p l e t es i m u l a t i o nc r e d i b i l i t y e v a l u a t i o nt h e o r yi sf o r m e d t h eg e n e r a lp r i n c i p l eo fa c - d cp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o no nr e a l t i m e d i g i t a l s i m u l a t o r ( r t d s ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ek e yp r o b l e m si nm o d e l i n gs u c ha sd y n a m i c e q u i v a l e n to fa cp o w e rs y s t e ma n dc h o i c eo fs i m u l a t i o nt i m es t e pa r ei n t r o d u c e d a n ds o m e m e a s u r e sa r ep r o p o s e dt oi m p r o v er t d sm o d e l s a na c - d cr e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e m p l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h ee q u i v a l e n tm o d e lo far e a lp o w e rg r i di sb u i l to nr t d s t h e p l a y b a c ka p p r o a c ho f f i e l df a u l tr e c o r d i n g si sd e v e l o p e d f o u rr e a lf a u l t sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d db vu s e o ft h es i m u l a t i o nm o d e lo fr t d s t h er e a l c a u s e so ff a u l t sa r ea n a l y z e d a n ds o m e l m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d a g a i n s tt h ef i e l d f a u l tr e c o r d i n g s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e ds i m u l a t i o nm o d e l sa r eb o t h p r e c i s ea n d r e l i a b l e t h er t d sm o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc a l lr e f l e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e a lp o w e rs y s t e ma c c u r a t e l y b a s e do n r t d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e s a l l e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ta n d e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t h y b r i d r e a l t i m es i m u l a t i o n a p p r o a c h a n dar e a l t i m e e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n ts i m u l a t i o np r o g r a mi s d e v e l o p e du n d e rc b u i l e rc i r c u m s t a n c e t h ep a p e rp r o p o s e st h ee q u i v a l e n tc i r c u i t sb e t w e e n e l e c t r o m a g n e t i ca n de l e c t r o m e c h a n i c a l n e t w o r k , a n dt h e nt h eh y b r i dr e a l - t i m es i m u l a t i o np l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h ev a l i d i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dh y b r i dr e a l t i m es i m u l a t i o na p p r o a c ha r ed e m o n s t r a t e db y s i m u l a t i o nc a s e s i nt h i sp a p e r , r e s i d u a ls i m i l a ri n d e xw a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h eg l o b a le r r o ro fd y n a m i c s i m u l a t i o n ，a n dt h e nf r e q u e n c y , d a m p i n ga n da m p l i t u d es i m i l a ri n d e x e sw e r ee m p l o y e dt o r e p r e s e n tf c 砷叮e se r r o ro f t r a n s i e n ts i g n a l sr e s p e c t i v e l y , w h i c hf o r m e dac o m p l e t es l m u l a t l o n c r e d i b i l i t ye v a l u a t i o nt h e o r y ac a l c u l a t i o np r o g r a mf o rs i m u l a t i o n c r e d i b m lt ye v a l u a t l o n ， w h i c hw a sd e v e l o p e db yl a b v i e w , w a se m p l o y e d t oa n a l y z et h et h e o 他n c a lc u 鹏n t w a y e f o n l = l s 锄dr e s u l t so ff a u l ts i m u l a t i o n s t h r o u g hs i m u l a t i o n c r e d i b i l i t ya n a l y s l s ，t h e m a t e r i a lq u a n t i t a t i v ei n d e xo fs i m u l a t i o ne r r o r s w a so b t a i n e db yw h i c ht h ec r e d i b i l i t yo f s i 舢l 娟0 nr e s u i t sw a se v a l u a t e de x a c t l ya n do b j e c t i v e l ya n d t h en u m e r i c a l 阳f e t e n c ef o rt h e m o d i f y i n g o fm o d e lp a r a m e t e r sw a sp r o v i d e d s i m u l a t i o nr e s u l t sh a sp r o v e dt h ev a l l m t y o f t h ep r o p o s e dp o w e rs y s t e mc r e d i b i l i t ye v a l u a t i o nt h e o r y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m s i m u l a t i 。n ，a c - d cp o w e rs y s t e m ，r e a l - t i m es i m u l a t i o n , e 1 e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ta n d e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n th y b r i d s i m u l a t i o n ，e v a l u a t i o no fs i m u l a t i o nc r e d i b i l i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于r t d s 的交直流系统实时数 字仿真方法研究与实现，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：期：塑萝：垒：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：逊 日期：塑! ：垒：l 华北电力大学博士学位论文 1 1电力系统仿真简介 第一章绪论 1 1 1电力系统仿真的定义 仿真是以系统理论、随机过程、统计学和优化理论为基础，利用某种工具，对 现实或未来系统进行实验研究的理论和方法【l 】。仿真的目的是探索复杂系统的机理 和规律，具有科学的先验性。 电力系统仿真是根据原始电力系统建立相应模型，并进行计算和实验，研究电 力系统在特定时间内的动态行为和运行特性【2 】。电力系统仿真可以把复杂系统的运 行放在实验室中进行，具有良好的可控性、无破坏性和经济性等优点。 在电力系统的发展过程中，仿真一直发挥着极其重要的作用。电力系统的特点 及其对安全性的要求决定了对实际电网的探索与研究很大程度上要依赖于仿真。利 用仿真可以对未来电力系统项目的可行性进行研究，预测系统未来的性能和可能存 在的瓶颈。仿真同样能够有效地分析电网中实际发生的故障情况，并制定正确的保 护和限制措施。利用仿真也可以对电网进行优化，有效地提高系统运行的经济性和 可靠性。随着高压直流输叫3 1 ( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 【”、灵活交流 输电4 1 ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 【4 1 、特高压输叫5 1 和电力市场【6 1 等技术的不断应用，现代电力系统日趋复杂，出现了许多前所未有的新课题，同时 也对电力系统仿真技术提出了越来越高的要求。 1 1 2电力系统仿真的分类 电力系统是一个由发电、输电、配电、用电等设备，以及辅助控制和保护装置 构成的超大规模的复杂系统。电力系统中暂态现象的响应时间可以从几微妙、几毫 秒到几小时，其响应频域范围可以从零赫兹到几千赫兹不等。因此很难用一种仿真 方法准确地模拟实际电网的全部动态过程。通常需根据所研究的具体问题，采用不 同的仿真方法和实验模型。依据不同的标准，电力系统仿真可有如下分类方式。 1 1 2 1 物理仿真、数字仿真和数字物理混合仿真 根据仿真模型性质的不同，电力系统仿真可分为物理仿真、数字仿真和数字物 理混合仿真。 物理仿真基于相似理论，将实际电网各元件按照相似条件设计、建造并组成一 个微观电力系统模型，用此模型代替实际电网进行各种正常与故障状态的实验和研 究【7 】。物理仿真即通常所说的动模实验。 随着实际系统的发展，电网的规模和复杂程度发生了很大变化，物理仿真方法 l 第一章绪论 的局限性日益突出。同时，由于计算机软硬件技术和数字通信技术的进步，电力系 统数字仿真取得了突破性进展，功能强大的数字仿真软件甚至实时数字仿真系统相 继出现。利用这些功能强大的仿真工具，不仅可以对含有h v d c 和f a c t s 的大型 电力系统进行动态仿真，而且可以快速、准确地对复杂系统的控制和保护设备进行 验证。数字仿真已经覆盖了电网规划、设计、测试及运行的所有领域嫡】。 数字物理混合仿真( 又称数模混合仿真) ，通常是用基于微处理器或d s p 芯片 等数字仿真技术模拟电机等旋转元件，而直流换流阀、输电线路和变压器等元件仍 采用基于相似理论的物理模型进行模拟【9 1 。中国电力科学研究院于1 9 9 6 年从加拿大 t e q s i m 公司引进的数模混合式电力系统实时仿真系统就属于这类装置。 1 1 2 2 电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真 根据仿真过程的不同，电力系统仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真与中 长期动态仿真。 电磁暂态仿真主要分析电网故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以 及系统谐波和波形畸变【l 们。电磁暂态过程通常变化较快，一般分析和计算持续时间 在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况，响应频率往往高达几千赫兹，因此仿 真步长通常选择2 0 2 0 0 陋。电磁暂态分析中需要考虑系统元件的非线性、电磁耦合 及三相不平衡等因素。计算变量以a b c 三相瞬时值表示，通常采用具有良好稳定 性的隐式梯形积分法求解各元件的微分方程。仿真规模一般不超过几百个节点或者 线路。 目前，国内外常用的电磁暂态仿真程序有e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ) t - t 2 、加拿大m a n i t o b a 直流研究中心的p s c a d e m t d c t l 3 。4 1 、加拿大r t d s 公司的r t d s ( r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) i s - 1 7 】、德国西门子公司开发的 n e t o m a c 1 8 。1 9 】等。 机电暂态仿真主要分析电网受到扰动后的动态行为和保持同步运行的能力【l 们。 机电暂态过程的持续时间常常在几秒到十几秒，系统频率变化不大，因此仿真步长 通常选择1 0 m s 左右。机电暂态分析中只考虑系统元件的工频特性，各元件均以正、 负、零序下的基波相量形式表示，通常采用交替迭代法求解。仿真规模最高可达到 上万节点。 目前，国内外常用的机电暂态仿真程序有中国版b p a 电力系统分析程序 2 0 - 2 1 1 、 中国电科院的电力系统综合程序p s a s p 2 2 2 3 j 、美国p t i 公司的p s s e 2 4 】、瑞典a b b 公司开发的s i m p o w 2 5 之6 1 、德国西门子公司开发的n e t o m a c 等。 中长期动态仿真主要分析电网扰动以及由此引发的有功和无功、发电量和消耗 量之间不平衡等持续时间较长、动作较缓慢的现象【旧】。中长期现象一般持续十几秒 到几分钟，甚至数小时，因此需要考虑包括发电厂热力系统、水力系统、核反应系 2 华北电力大学博士学位论文 统的动态响应，以及自动控制系统的动态行为等。仿真中采用适合刚性变量法的变 阶变步长计算方法，仿真步长通常选择十毫秒到几秒不等。 目前，国际上主要的中长期动态仿真软件有法国电力公司开发的e u r o s t a g 程序【27 1 、美国电科院的l t s p 28 1 、美国通用电气公司和日本东京电力公司共同开发 的e x t a b 程序等。 1 1 2 3 实时仿真和非实时仿真 根据实际电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系，电力系统仿真可 分为实时仿真和非实时仿真。 实时仿真是指实时模拟电网各类动态过程，并能接入实际物理装置进行实验的 仿真方式【l0 1 。实时仿真能在一个仿真步长内计算完成实际电力系统在该时间内的动 态响应。目前电力系统实时仿真能够模拟一定规模电网的电磁暂态、机电暂态过程。 典型的实时仿真器有r t d s ，t n a ( t r a n s i e n tn e t w o r ka n a l y z e r ) 2 9 - 3 0 】等。 而非实时仿真计算所需时间要比实际电网动态过程响应时间长的得多，实际电 力系统几毫秒的动态过程往往需要几秒钟甚至几分钟才能计算完毕。非实时仿真工 具非常多，包括n e t o m a c ，e m t d c ，e m t p 等。 1 1 3电力系统实时仿真的意义 现代电力系统飞速发展，大量先进的控制、保护和测量装置，如f a c t s 控制 器、直流输电控制器、继电保护装置和安全稳定监控设备( 包括广域测量装置) 等 广泛应用于实际电网中。这些复杂的控制装置提高了电网大容量、远距离输电能力， 保证了电力供应的安全、稳定与优质。但随着越来越多自动控制装置的投运，也极 大地增加了系统的复杂程度。这些设备和装置对整个电力系统的作用需要通过仿真 实验加以研究，而且它们的控制系统要通过实时仿真进行试验验证后，才能投入实 际电网运行。因此，自动装置的试验和检测必然要求实时仿真。 实时仿真是实现高效电力系统稳定分析和在线动态安全评估与控制的基础。当 前电力系统计算机通信网络已初具规模，全国各大电网能量管理系统( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) p l j 也相继建成。从e m s 获取电力系统在线数据，利用 实时仿真平台进行分析计算和稳定性评估，并提出事故处理建议，可以有效地提高 电网应对事故的能力。 另外，利用电力系统实时仿真可以模拟实际电网运行特性，进行电网的实际故 障重现和反事故演习。实时仿真同样可以培训调度及运行部门的工程技术人员；帮 助调度运行人员熟悉系统特性、掌握系统运行规律、分析电网事故原因、提高事故 应变能力等。因此，实时仿真作为电力系统重要的研究手段，其应用非常广泛，对 电网安全稳定运行意义重大，是未来仿真技术发展的必然趋势。 3 第一章绪论 1 2 论文研究背景及意义 随着国民经济的快速发展，电力需求不断增加。但是，我国能源资源主要集中 于西部地区，而负荷中心主要集中在东部沿海地区。因此实施西电东送、全国联网， 以实现能源资源优化配置和供给，是2 1 世纪中国能源和电力工业建设的基本战略。 直流输电技术在远距离、大容量输电和电力系统互联等方面的优势使其在“西电东 送、全国互联 工程中发挥着重要的作用【3 引。截止到2 0 0 9 年，全国共建成1 0 个高 压特高压直流输电工程和2 个直流背靠背联网工程，- 初步实现了各大区电网的相互 连接，有效地解决了地域能源资源分布和经济发展的不均衡，提高了整个电网的运 转效率。同时形成了像中国南方电网和华东电网这样的超高压、远距离、大容量、 交直流并联输电，多回直流落点临近的大规模复杂电力系统，其系统性能发生了本 质性的变化。 在直流多落点系统中，多个直流逆变站间的电气距离很近。交流与直流、直流 与直流之间有着强烈的耦合，并且直流输电的容量很大，其特性直接影响到电网的 安全稳定。因此研究直流多落点结构引起的问题及其解决方法对保证系统稳定运行 具有十分重要的意义。研究直流输电发生闭锁故障情况下系统的稳定性与控制问 题，交流系统故障引起多个直流输电系统同时换相失败及协调恢复控制措施等都是 前所未有的新课题。而且以上问题在实际电网中都是真实地发生过的。实时电磁暂 态仿真工具可以与实际控制和保护装置连接构成闭环实验系统，准确地模拟直流输 电的动态响应，是进行交直流系统分析的有力手段。利用实时仿真可以准确地模拟 实际电网故障，同时又具有良好的可控性、无破坏性和经济性。通过对实际故障的 复现，将有助于运行人员分析故障原因，研究故障后电网中出现的暂态过电压和过 电流；也将为制定故障后正确的协调恢复控制和保护措施奠定坚实的基础。为此电 力工作者进行了大量的实验，通过各种仿真工具，对电网实际故障进行模拟，但其 结果大都不能令人满意。如何保证在仿真中能够准确地再现实际故障过程已成为电 力工业界和学术界都很关心和希望解决的难题。 实时电磁暂态仿真具有仿真精度高、可以与实际物理设备配合等诸多优点。但 由于算法与模型的限制，电磁暂态程序不适用于大规模电网仿真，需要对系统进行 等值简化，这大大影响了仿真的准确性。而在机电暂态程序中，直流输电仅采用准 稳态模型模拟，其对快速暂态特性和非线性元件引起的波形畸变均不能准确反映。 如果能将电磁和机电暂态程序进行接口实现混合实时仿真，将可以充分地利用两种 分析方法的优点，而弥补各自的不足。在对含直流输电的局部电网进行详细分析的 同时，又能准确地考虑交流系统暂态稳定特性的影响。因此实现混合实时仿真对研 究交直流电力系统的动态特性、改善电力系统的控制和保护水平具有重要的现实意 义和理论价值。 4 华北电力大学博士学位论文 另外，随着仿真技术的不断发展和人们对仿真技术应用价值认识的深入，其应 用领域越来越广泛。与此同时，对仿真正确性和可信度的要求也越来越高。仿真系 统能否真实地反映实际电网的动态特性，将直接影响到基于仿真结果所进行的应用 或决策过程。从某种意义上来说，准确、可信的仿真才是有生命力的。但是长期以 来，电力系统仿真可信度问题一直没有得到足够的重视。直到1 9 9 6 年，美国西部 电网发生了大停电事故，事故后期的仿真实验无法再现故障当时的功率振荡和电压 崩溃，由此引发了人们对电力系统仿真可信度的极大忧虑。该事件是电力系统仿真 史上的里程碑，揭开了电力系统动态仿真可信度研究的序幕。如何针对电力系统动 态变量的特点提出合理的仿真可信度评价指标，如何对仿真结果与实际波形之间的 差异进行定量分析，并建立仿真可信度评估理论体系是电力研究领域的难点，很有 研究的迫切性和必要性。 本论文研究属于“十一五国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开 发与示范 课题1 7 的子课题“基于r t d s 的电磁机电暂态混合实时仿真平台研究 与实现”( 课题编号：2 0 0 6 b a a 0 2 a 1 7 ) ，以及中国南方电网有限责任公司重大科技 项目“实时电网仿真与实际故障状况对比研究 。 1 3国内外研究现状 1 3 1电力系统实时数字仿真系统 鉴于实时仿真技术对现代电力系统运行和研究的重要性，国内外许多电力企 业、科研单位和高校都投入了大量的人力物力进行研究，部分成果已经产品化。电 力系统实时仿真按发展阶段可分为物理仿真、数模混合仿真以及全数字实时仿真3 种类型。全数字实时仿真装置基于现代计算机技术和信息技术，其产品造价低、占 地面积小、可扩展性好，是当前国际上实时仿真的主要发展方向。其产品包括： ( 1 ) 基于高速处理器的实时仿真装置r t d s 加拿大m a n i t o b a 直流研究中心开发的实时数字仿真器r t d s 是为实现实时电力 系统电磁暂态仿真而专门设计的并行计算机系统。其建模方便，具有良好的可扩展 性和兼容性，可用于各种控制或继电保护装置的实验。在国际上，它的研制和商业 化运营较早，其对电力系统，尤其是对直流输电和f a c t s 装置的仿真准确性已经 得到了广泛的验证和认可。 ( 2 ) 基于高档计算机的实时仿真装置h y p e r s i m e 3 3 】 加拿大t e q s i m 公司开发的h y p e r s i m 仿真器可分别用于机电暂态和电磁暂 态实时仿真。h y p e r s i m 有两种支撑硬件：基于p cc l u s t e r ( 与日本三菱公司联合 开发) 和基于多c p u 超级并行处理计算机。其仿真规模大，也可用于物理装置试验。 但仿真规模的扩展受计算机型号制约。 5 第一章绪论 ( 3 ) 基于h p 工作站的实时仿真装置a r e n e 3 4 】 法国电力公司开发的全数字仿真系统a r e n e ，有实时仿真和非实时仿真两种 版本。a r e n e 实时仿真器可以进行继电保护装置，自动控制装置，h v d c 和f a c t s 控制器的测试实验，但不能进行机电暂态仿真。a r e n e 采用基于h p 工作站的并行 计算机系统，其软硬件扩展同样受计算机型号制约。 ( 4 ) 基于高速p c 机的实时仿真装置d d r t s ”】 深圳殷图科技发展有限公司开发的数字动态实时仿真系统d d r t s 基于高速p c 机，是全数字动态模拟实验及测试系统，可以进行潮流计算和电磁暂态仿真，主要 用于继电保护和控制设备测试实验。 ( 5 ) 基于高速p c 机群的电力系统全数字实时仿真装置a d p s s 3 6 】 中国电力科学研究院开发研制了基于高速p c 机群的电力系统全数字实时仿真 装置a d p s s 。该装置可以用于电磁、机电暂态分网并行计算，也可以通过数模和模 数变换连接实际控制装置，能够实现大规模复杂交直流电力系统电磁暂态和机电暂 态的实时和超实时仿真。 表1 1 对上述几种实时数字仿真系统，从技术、经济等多方面进行了比较。综 合来看，r t d s 、a r e n e 和h y p e r s i m 都实现了实时电磁暂态仿真。其中，r t d s 是目前最成熟、也是用户最多的实时仿真工具。其对电力系统，尤其是对直流输电 和f a c t s 装置的仿真准确性已经得到了广泛的验证和认可。由于信息技术、软件 技术和计算机硬件系统的发展，开发一个仿真系统并不是不能企及的事情。但是如 何保证仿真所得到的结果经得起实践的考验是非常困难的。r t d s 与h y p e r s i m 都 是直流输电的用户作为最初开发者，对实际系统非常了解。尤其r t d s 经过了全世 表1 1实时数字仿真系统对比 6 华北电力大学博士学位论文 界很多用户多年的检验和测试，这方面是其它问世刚刚2 年到3 年的仿真平台无法 相比的。因此本文选择相对比较成熟的r t d s 作为实时电磁暂态仿真工具。 1 3 2交直流电力系统实际故障仿真技术 现代电力系统正在向着高电压、大规模、交直流并联的方向飞速发展，但电网 事故还是不断出现，有时甚至会造成非常严重的后果口m 0 1 。对这些实际故障进行研 究很重要的手段就是系统仿真，它可以把实际系统的复杂运行放在实验室中进行， 具有良好的可控性、无破坏性和经济性。而且有些故障是无法被监控设备记录下来 的，所以仿真实验就成了研究该问题的唯一手段。通过计算机仿真平台在实验室环 境下将实际故障再现，将有助于运行人员分析故障原因，研究故障后电网中出现的 暂态过电压和过电流，也将为今后避免发生同样的故障和制定故障后正确的限制和 保护措施奠定坚实的基础。 为此国内外电力工作者进行了大量的实验，通过各种仿真工具，对电网实际故 障进行模拟，但其结果大都不能令人满意【4 1 。4 4 1 。1 9 9 6 年和2 0 0 0 年美国西部电网 ( w s c c ) 发生了两次大停电事故。而事后美国邦纳维尔电力局( b p a ) 用w s c c 指导运 行的模型与参数库进行仿真计算，所得的仿真结果与实际情况大相径庭【4 5 钔】。2 0 0 4 和2 0 0 5 年东北电网进行了2 次大扰动试验，并记录了扰动后实际系统的动态过程。 在后期的仿真研究中，通过对各计算模型和参数的改进，使得仿真结果的准确性有 了一定提高，但其与实际录波数据之间还是存在明显的差异【4 9 1 。2 0 0 4 年6 月内蒙 古电网5 0 0 k v 丰万i 线发生c 相接地事故，文献【5 0 】利用b p a 稳定分析程序对该故 障进行了仿真研究，并与p m u 记录的波形进行了比较。由于仿真模型的限制，实 验无法准确地模拟故障当时的电压跌落现象。2 0 0 5 年龙政直流系统因交流保护故障 导致双极闭锁，并引起了逆变侧交流网络频率下降。文献 5 1 】利用数字仿真工具分 析了龙政直流双极闭锁后华东电网的频率响应特性。由于实验中采用了简化的直流 系统模型，很大程度上限制了仿真结果的精确性。如何保证在仿真中能够准确的再 现实际故障过程已成为电力工业界和学术界都很关心和希望解决的难题。 1 3 3电磁机电暂态混合实时仿真技术 电磁机电暂态混合仿真具有非常重要的现实意义和理论价值，从上世纪8 0 年 代以来，一直是电力系统研究的热点问题之一。1 9 8 1 年h a f f e r n a n 首次提出混合仿 真的思想。文献 5 2 5 4 】利用两个不同的仿真程序分别对直流和交流系统进行分析。 文中采用状态变量法对h v d c 建立了详细的模型，对系统其余部分采用常规暂态程 序来模拟，接口位置选在换流器的终端母线，传输变量为有功功率和经f f t 提取的 电压基波相量。该方法充分利用了电磁暂态和机电暂态仿真程序的优点，完成了混 合仿真实验。1 9 8 8 年，加拿大滑铁卢大学r e e v e 教授，在文献 5 5 5 7 】中提出接口位 置不应选择换流变压器的交流侧母线，应该向交流网络进一步延伸。这样可以更好 7， 第一章绪论 地考虑电力电子设备产生的谐波对交流电网的影响。文中电磁暂态部分采用e m t p 仿真程序，并利用插值法替代f f t 提取基波正序相量。而机电暂态部分的仿真时步 可变，因此增加了计算的方便性。1 9 9 5 年，新西兰铝业冶炼有限公司a n d e r s o n 于 文献 5 8 6 0 】中提出在电磁暂态仿真程序中，将机电暂态部分用频变等值模型来模 拟，而不应只用简单的基频等值模型。采用频变模型可以在较宽的频域范围内反映 出外部交流网络的真实响应特性，由此解决了接口处波形畸变问题。2 0 0 0 年，美国 德克萨斯州a & m 大学k a s z t e n n y 教授在文献 6 1 】中对以上电磁机电暂态混合仿真 的方法进行了改进，并提出了采用不同模型进行接口的方法。文中对电磁暂态程序 输出波形的可信性、接口母线位置的选择、基于实时仿真的数据交换的流程等问题 都进行了深入的研究和探讨。2 0 0 0 年香港理工大学c h a n 教授和s n i d e r 教授在文献 6 2 6 4 】中提出了接口母线位置选择的一般标准，如果波形畸变太严重，则需要向交 流网延伸。文中建议采用频变模型等值外部电网( 机电暂态部分) ，并提出了基于 预估校正的并行时序交换方案。 2 0 0 4 年，中国电力科学研究院岳程燕博士在文献 6 5 6 7 】中提出了基于节点分裂 法的电磁暂态计算方法，解决了由接口引起的电磁侧网络导纳矩阵的不对称问题。 文中基于自行开发的电磁暂态仿真程序e t s d a c 实现了混合实时仿真，但交直流系 统仿真还达不到实时程度。2 0 0 6 年，清华大学柳勇军博士在文献 6 8 7 0 】中针对完全 交流系统研究了混合仿真接口电路的等值方法，提出了并行和串行相结合的接口数 据交互时序。基于m y r i n e t 网络，实现了多微机并行实时数字混合仿真实验。但该 接口算法仅在对称故障情况下才能取得较好的仿真结果，而且电磁暂态程序还不能 对含有直流输电的电力网络进行分析。另外，文献【7 l 】也利用e m t d c 及其自定义 功能实现了混合仿真。 综上所述，经过各国学者多年的研究，所提出的电磁机电暂态混合仿真方法有 效地解决了单独的电磁暂态仿真程序和机电暂态仿真程序存在的缺陷。但是目前混 合仿真算法也存在一些问题，主要表现在： 1 ) 电磁暂态与机电暂态计算主要采取自编程序的实现方式，以方便控制程序 的进程与数据交互。但自编程序模拟直流输电的动态特性非常复杂，工作量大，仿 真精度低，缺乏灵活性和通用性。而且自编程序实现电磁暂态实时仿真对计算要求 过高，更难以与外部硬件设备连接构成实时闭环实验。 2 ) 传统机电暂态程序的实时性仅为一种平均概念。其中发生故障或者电网结 构发生改变时计算时间比其它时步可能长得多。如何开发严格实时运行的机电暂态 仿真程序是实现混合实时仿真必须解决的重要问题。 3 ) 电磁机电暂态混合仿真的基本思路都是采用将对方系统等值的方法。求取 电磁侧等值模型，需要将接口母线处的电压和电流三相瞬时值转化成相量形式，目 前主要采用f f t 和曲线拟合法。但两钟方法都存在至少一个周期的延迟，而且不能 8 华北电力大学博士学位论文 很好地处理信号中含有的直流分量。为了保证混合仿真计算的实时性和数值稳定 性，需要提出一种能够更快速、更准确地由三相瞬时值抽取基波正序相量的方法。 1 3 4电力系统仿真可信度评估方法 仿真可信度问题的研究最早始于对仿真模型的检验。上世纪6 0 年代初期，人 们对利用模型代替实际系统进行仿真实验的可信性有了怀疑。美国计算机仿真学会 专门成立了模型可信性技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo nm o d e lc r e d i b i l i t y ， t c m c ) ，其任务是建立与模型可信度相关的概念、术语和规范。并在此基础上，逐 步形成和发展模型与仿真( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，m & s ) 的校核、验证与确认 ( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o na n da c c r e d i t a t i o n ，v v & a ) 技术。 国内方面，上世纪5 0 年代已有仿真技术的应用，但直到8 0 年代才出现关于仿 真可信度问题的论述，而且这些论述大都出自对国外有关文献的理解和体会，名词 术语不统一，缺少共同关注的问题，因此国内仿真可信度问题的研究发展缓慢。近 年来，随着仿真技术的发展，仿真可信度研究工作得到一定程度的推动。许多单位 开展了仿真系统的v v a 及可信度评估方法的研究工作，国内文献中也开始涉及仿 真可信度评估问题，但该问题的研究工作还比较初步。 电力系统仿真可信度研究第一次得到重视源于1 9 9 6 年美国w s c c 大停电事故。 由于p s s 控制器的参数是基于不符合实际的负荷模型整定，导致系统增幅振荡失稳。 而事后美国b p a 用w s c c 指导运行的模型与参数库进行仿真计算，所得的仿真结 果与实际情况大相径庭【4 孓4 。7 1 。由此引发了人们对电力系统仿真可信度的极大忧虑。 近年来，国内外电力工作者针对仿真可信性问题开展了大量的研究工作。美国 能源部和北美电力可靠性委员会成立专门机构负责校正电网动态仿真模型【7 2 】，美国 西部电网提出了新的模型检验和动态数据标准【_ 7 3 】。同时，国内各电网公司也进行了 一系列的参数实测和实际电网扰动实验，广域测量系统( w a m s ) 的广泛应用提供了 电网的同步测量信息，为仿真模型验证提供了重要的现场数据【4 9 1 ，使得对电力系 统仿真可信度的评价成为可能。相关文献对仿真可信度问题进行了探索性研究【74 1 。 但目前研究工作还比较初步，主要内容大多局限于对元件模型准确性的校验，未能 对整个仿真实验结果的可信性给出客观合理的评价。美国w e c c 和b p a 等利用 p r o n y 变换对仿真结果和实测波形的主要特征信息进行了对比分析【7 5 。7 7 1 ，但没有给 出具体的量化指标。 综上所述，电力系统动态仿真可信度研究是个崭新的课题。以前电力系统动态 仿真校验大多指某一元件的模型校验，很少学者研究整个电力系统的仿真可信度问 题。如何针对电力系统动态变量的特点提出合理的仿真可信度评价指标，如何对仿 真结果与实际波形之间的差异进行定量分析，并建立仿真可信度评估理论体系是电 力研究领域的难点，很有研究的迫切性和必要性。 9 第一章绪论 1 4 论文主要工作 结合“十一五 国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范 课题1 7 的子课题“基于r t d s 的电磁机电暂态混合实时仿真平台研究与实现”( 课 题编号：2 0 0 6 b a a 0 2 a i7 ) ，以及中国南方电网有限责任公司重大科技项目“实时电 网仿真与实际故障状况对比研究，本文作者进行了相关理论和技术研究。论文工 作的主要内容如下： ( 1 )提出了交直流系统r t d s 仿真建模的一般原则。介绍了交流系统动态等 值、仿真步长的选择以及处理器分配等关键问题，给出了元件模型的选择原则，针 对部分元件模型存在的缺陷提出了改进措施。在此基础上，建立了交直流系统实时 仿真实验平台。 ( 2 ) 根据某实际交直流混合电网结构和负荷特性搭建了等值电网仿真模型， 提出了利用r t d s 对现场故障录波进行回放的方法，形成了一套较完善的故障录波 数据处理工具和回放流程。对该电网中实际发生的四个典型故障进行了仿真研究。 通过仿真实验成功地再现了实际故障的全过程，并且分析得到事故的真实原因，提 出了合理的改进建议。 ( 3 ) 对比分析了电磁暂态和机电暂态仿真的计算方法和数学模型，提出了基 于r t d s 实现电磁机电暂态混合实时仿真的基本原理。文中推导了适合电磁和机电 暂态并行计算的混合仿真接口等值电路求取方法，阐述了接口等值电路的形成和实 现过程。利用基于d q 变换的单相电压平均值法从离散序列瞬时值中提取了基波相 量，推导了电磁侧等值电路的求解。另外，文中特别提出了一种改进的并行数据交 互时序方案。 ( 4 ) 选择采用r t d s 自定义模型接口方式实现电磁机电暂态混合实时仿真， 含直流输电系统的部分称为电磁侧网络，采用r t d s 电磁暂态程序模拟。常规交流 系统部分称为机电侧网络，采用基于r t d s c b u i l d e r 的实时机电暂态程序模拟。文 中利用多线程和双链表稀疏矩阵等技术在r t d s c b u i l d e r 环境下开发了实时机电暂 态仿真程序。仿真实验证明，提出的接口等值电路模型合理且计算简便，基于r t d s 的电磁机电暂态混合实时仿真方法是正确的。 ( 5 ) 提出使用残差相似度指标来表征动态仿真的整体误差；提出使用频率相 似度、阻尼相