（电力系统及其自动化专业论文）基于ipmt的励磁系统用户自定义模型设计与仿真研究.pdf

a b s t r a c t s i n c et h eg r e a ti m p o r t a n c eo fe x c i t a t i o ns y s t e mf o rv o l t a g es t a b i l i t y , m o r e a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oe x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l i n gi nt h ef i e l do f 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 n n em a i np u r p o s eo ft h ep a p e ri st os e tu p u s e rd e f i n e dm o d e lo fe x c i t a t i o ns y s t e mv i aan e wm e t h o d f i r s t l y , t h ep a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ef u n c t i o no fe x c i t a t i o ns y s t e m , i t sd e v e l o p m e n ta n ds t a t eo fa r t s 。b e s i d e s , t h ec o m p o s i t i o no fe x c i t a t i o ns y s t e m , i n c l u d i n gm a i ne x c i t a t i o ns y s t e m , v o l t a g em e a s u r e m e n ta n dl o a d sc o m p e n s a t i o n , p r o t e c t i o nw i t ht h el i m i t ，a u x i l i a r ya d j u s t e ra n df i e l dr e g u l a t o r , i sa l s oi l l u s t r a t e d s e c o n d l y , i n v e n t i o na n dd e v e l o p m e n to fu s e r 盎蠡n e dm o d e l ( u o m ) a r e i n t r o d u c e d t h e n , t h ep r i n c i p l eo fu d ma n di t sc o n s t i t u t i o na r ee l a b o r a t e d 。i t sa l s o m e n t i o n e dd i s a d v a n t a g e so ft h eu d mi ns o m ed o m e s t i ca n df o r e i g np o w e rs y s t e m s i m u l a t i o ns o f t w a r e s ：u s i n g s p e c i a l i z e ds i m u l a t i o nl a n g u a g ea c t u a l l y i n c r e a s e s 蠡蘑。滋移o fu s a g e ；t h em a j o r i t yo fu d md a t ai se x c h a n g e dt h r o u g hr e a d - v a - i t ed i s k f i l e s ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo ft h es i m u l a t i o n ；l a s tb u tn o tt h el e a s t , t h e c o m p l e t e dm o d e l sa r en o ts u f f i c i e n t l yu s e dw h e nb u i l d i n gt h en e wo l l e t h i r d l y , i m p r o v e dp l u g - i nm o d u l et e c h n i q u e ( m m t ) i sp r o p o s e d f r j 惦p a p e r e x p l a i n st h a th o wt ob u i l du s e d e f i n e dp r o c e d u r ew i t hi p m t a n dt h ef o r m a to ft h e i n p u t f i l oa n dt h ek e yt of i n do u tb a l a n c i n gp o i n tf o rb a l a n c ep r o b l e mo fu d m a r e a l s op r e s e n t e d a tl a s t ，t h ef l o wc h a r t o fe l e c t r o m e c h a n i c a lw a n s i e n ts i m u l a t i o nb a s e d o n u d mi sg i v e n f i n a l l y , s e v e r a ls e t so fe x a m p l e sa r eu s e dt ov c r i f 3 ，t h ea c c u r a c ya n dr e u s a b i l i t y o f t h eu d mw i t hi p m x 显yw o r d s ：p o w e r s y s t e ms i m u l a t i o n , e x c i t a t i o ns y s t e m , u s e rd e f i n e dm o d e l 。 i m p r o v e dp l u g - i nm o d u l et e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入巴经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤茎基堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扬立南 签字日期： 娟年汐月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文诈者完全了解苤鲞盘堂有关傈留、使用学位论文的规定。 特授权墨星盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适属本授权说明) 学位论文作者签名：杨辅 签字网期：唱年嘭月汐鼹 导师签名：著耐 签字日期：砷。占年厂月f p 尽 第一章绪论 第一章绪论 我国社会主义现代化建设的蓬勃发展，正在促进电力系统以空前的规模和 速度扩大，发电装机容量以每年7 以上的速度增长，2 0 0 0 年接近3 2 亿千瓦， 丽到了2 0 0 7 年燹| j 达捌7 1 3 亿于瓦，中国已成为全球范围内发电装机规模仪次 于美国的第二大电力大国。 保持电力系统发电机的同步运行是电力系统正常运行和安全供电的必要 条件，在现代化的电力系统中，保诞电力系统事故时安全供电已成为电力系统 研究发生系统性故障原因、事故发展过程的规律以及造成故障的环境因素等的 最终目的。 在诸多改善发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被公认为 是改善稳定性最有效和经济的措施之一。励磁系统在电力系统中的作焉可以焉 图1 1 来表示。励磁系统的基本功能是给同步发电机励磁绕组提供直流电流， 以在发电机定子空间产生磁场。励磁系统通过励磁电压控制转子磁势的大小， 实现控制帮保护功能。控制功能可以实现电压和无功潮流的控制著提高系统稳 定性。保护功麓可以保护同步电机、励磁系统和其他设备不超过容量极限。励 磁系统作为发电机的重要组成部分，是提高电力系统运行稳定性、挖掘稳定储 备和改善系统动态品质的有力手段。 图1 1 励磁系统在电力系统中的作用示意图 1 1 励磁系统的发展 历史上，旱裳的励磁系统是通过手动控翻来调节励磁绕组的电压以维持所 需的发电机端电压和相应的无功出力。电压控制首次自动化时，它的动作非常 缓慢，基本上充当一个警惕的操作员的角色。2 0 世纪2 0 年代，人们初步认识 到连续、快速动作豹调解器对提高小信号和电力系统暂态稳定性的积极俸耀。 自此，各种励磁方式和励磁调解器先后被提出和采用，有较快响应的励磁机和 第一章绪论 电压调解器很快被引入工业，励磁系统引起了越来越多研究人员的重视。2 0 世纪年代，电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , p s s ) 的提出纛寂焉 进一步扩展了励磁控制系统对提高电力系统稳定性的作用。随着自动控制理论 和计算机控制技术的发展，不断有新的励磁调解器被提出。调节功能从单一的 发电机机端电压控制发展到多功能豹励磁控制；控制器的反馈信号胰单一的机 端电压偏差发展到以电压偏差为主，驸加发电机电磁功率、发电机电焦速度、 系统频率、发电机定子电流、励磁电流或励磁电压的偏差以及它们的组合；控 制策略从简单的比例反馈调节发展到比例积分微分调节，从线性励磁调节发 展到窦校正励磁调节、皇适应励磁控制、模糊励磁控毒等善塞线性励磁调节；在 实现手段上从早期的机电式或电磁式发展到晶体管式或集成电路式等模拟调 解器，直到近代的基于微处理器或微型计算机的数字式励磁控制器。应用现代 控制理论的设计思想，由微型计算机实现的数字式励磁控制系统是未来十数年 的主要研究发展方向疆一。慧之，融于励磁控制投资相对较小，效益却裾对较 高，因而对励磁控制以及励磁系统的研究受到了广泛的重视。 1 2 励磁系统的组成 时至今日，一般的发电机励磁系统可以用图1 2 来表示。在其中，主励磁 系统为发电机的励磁绕组提供励磁电流；励磁调节器处理和放大输入控制信号 达到一定水平，用于对励磁电流进行调节和控制；发电机端电匿测量与负载补 偿环节测量发电机的端电压7r ，将其整流和滤波成直流量，并与表示理想端电 压值得参考信号相比较，从而对发电机负载电流。c 进行补偿；辅助调节器对励 磁调节器输入辅助控制信号，以减小电力系统震荡。基本的辅助控制信号有； 转子速度偏差、加速功率和频率偏差。最常用的辅助调节器为电力系统稳定器 ( p s s ) 。保护与限幅环节用以确保机组的各种运行参数不越过其限值。常用 的功能是磁场电流限制器、最大励磁限制器、端电压限制器、v 恐调节器和 保护和过励欠励限制器。它俄通常有不同的电路，并且它们的输蠢信号作蕉予 不同的地方，作为励磁系统综合输入，为方便起见将其组合起来并在图1 2 中 表示为一个方框。 2 篇章绪论 参考 缓 1 3 主励磁系统的分类 图1 2 发电机的励磁控制系统 励磁系统可以按照励磁功率源的不同进行分类，主要分为 直流励磁机系统 交流励磁机系统 静止励磁系统 以下分别奔绍三类主励磁系统。 1 3 1 直流励磁机 这类励磁系统焉壹流发电枫作为励磁功率电源，并通过淆环给同步电机的 转子提供电流。励磁机由一个电动机或与发电机同轴拖动。它可以是自励或他 励。当他励时，用一个永磁发电机组成的副励磁机来供给励磁机的磁场。 直流励磁系统代表了早期的系统，从2 0 世纪2 0 年代一直跨越到6 0 年代。 壶于它们的运行维护成本过大，以不焉于薪建的大容量的发耄棍维。但是某些 电力系统中仍可能有未退役的直流励磁机 6 q o 】。 第一章绪论 直流励磁机传递函数如图1 - 3 ， 图1 3 赢流励磁机传递函数 其中磁、五和足分别称为励磁机的自励系数、时间常数和复励增益。而饱 和系数是可以近似为式( 1 - 1 ) s e = 口占哆b e ( 1 1 ) 1 3 。2 交流励磁枧 这类励磁系统利用交流电机作为主发电机励磁功率电源。该励磁机通常与 汽轮发电机同轴。励磁机输出经可控或不可控整流器整流，产生发电机磁场需 要的直流电流。整流器哥以是静止的也可以是旋转的。 早期的交流励磁系统将磁放大器和旋转放大器结合起来作为调节器，大多 数新的系统采用电子放大器的调解器。 交流励磁机传递函数如图l4 ， 图l 珥交流励磁机传递函数 其中巍励磁祝力它励对趸= l ，鬈d 为去磁因予。 4 第一章绪论 1 3 3 静止励磁系统 静止励磁系统也是交流励磁的一种，其功率源不是旋转电机，而是励磁变 压器，它的电源来自发电机或系统。与传统三机交流励磁系统相比静止励磁系 统的最大优点是机组轴长减少、振动特性改善，这对大型汽轮发电机来说具有 明显的优越性。可以说无刷励磁与静止励磁代表了当今同步发电机励磁系统的 主流。 在静止励磁系统中，发电机的励磁电源曲子发电机自身的端电压或端电压 和端电流。前者称为自并励系统，后者称为自复励系统。在自并励系统中，发 电机电压经过励磁变压器降压后，经可控整流器供给发电机励磁电流。可控整 流器的触发角由励磁调节器控制。其传递函数框图如图1 5 。 晒蚴一k c l f 图1 5 静止励磁机的传递函数 在自复励系统中，可控整流器的电源由励磁变压器和励磁变流器同时供 给，他们可以在整流前或整流后串联或并联，类型较多，数学模型不再一一列 举。 1 4 电压测量与负载补偿环节 自动电压调解器的作用是控制发电机的端电压为理想值。电压测量环节把 发电机的端电压以经过降压、整流和滤波等环节后处理成一个直流信号。整 个测量环节通常用一个一阶惯性环节来描述，其传递函数框图如图1 - 6 所示。 第一章绪论 z t le 图1 - 6 电压测量与负载补偿环节的传函框匿 负载补偿环节的功能是对发电机负载电流，进行补偿以使稳态时负载发 生变化仍能保持电压控制点的电压基本不变。阻抗砰+ 所模拟了所控制的电 压点到发电机极端之间的阻抗。r c 和x c 为正值是电压控制点在发电机内部； 反之，电压控制点在发电机之外。另外，电器琵离很近的发电机之间的无功受 载的自动分配与发电机的电压调差特性有关，而发电机的电压调差特性是通过 调节参数辟和砟来实现的。为简化起见，砰经常被忽略而令其为零，这时坼 大于零则为正调差，郾控制结果为负载电流越大，极端电压差越高；反之，置。 小予零煲| j 为负调差，郾端电压岁负载增大面降低。在不进行负载补偿的情况下， 参数群、x r 都取为零。 电压测量环节和负载补偿环节可能有各自得时间常数，为简化模型起见， 逶常只有一个时闻常数疋来箍述它们。不被称为测量骂节时闷常数，其僮一 般小于6 0 m s ，很多系统甚至接近予零，因此，计算中常近似取其值为零。输 出电压与设定的电压参考之吒，相比较，所得的误差信号经过放大后作为发 电机励磁系统的控制信号。 顺便指出，励磁调解器的电压参考值虽然是人为设定，但是它表钲了 发电机的电压控制点的理想值并且必须满足整个系统的初始稳态运行状况。 王。5 幅值限制环节 在励磁系统的数学模型中，由于功能上的需要或者实际存在的饱和特性， 有一些环节静输出幅值受到限制。这些幅僮限翩环节可以分为两类，朗终端陬 制型( w i n d u p ) 和非终端限制型( n o n - w i n d u p ) 。限幅环节经常在积分环节、 一阶惯性环节和超前，滞后环节中遇到。 如隰l 一7 ( a ) 和( b ) 所示，两图分别给出了积分环节中的这两种限幄珂 节的传递丞数。下边我们以积分环节为铡介绍它们的输入输粥之闻的关系。 6 第一章绪论 p 。 l v y 一 - ” s ， | ( b ) 带非终端限制的积分环节 黧1 7 限幅环节 积分环节的方程为d v d t = 。但是这两种限幅环节在具体限制作用上有 所区别。 对予终端限制型，若变量v 大予下界暑且小于上界么时，输出交量y 鼗为 v ：若变量v 大于或等于上界么时，输出变量y 被限制为上界值么；若v 小于 或等于下界b 时，输出变量y 被限制为下界b 。在这种模型中，变量v 是不受 限制的，而下一个环节的输出变量y 是受限制的。只要y 是越界的，输出变量 y 就被限制在爨值上。 对于非终端限制型，输出变量y 是直接受限制的。若y 在界内，则输入输 出之间的关系是d v d t = ，若y 等于上界彳并且有随时间增大的趋势，即 方d t 0 ，则置d y d t = 0 ，并且使y 取上界值a ；丽当y 等于下界b 并且有 随时间减小的趋势，即方，盔 0 ，则置d y d t = 0 ，著且使y 取下界值君。 非终端限制型的限制环节的输出变量y 被限制在界值时，只要输入变量 改变正负号，y 就立即进入界内。但是终端限制型则需要v 回到界内，输出变 量y 才能回到界内。 第一章绪论 1 6 辅助调解器电力系统稳定器的数学模型 电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , p s s ) 是广泛应用于励磁控 制的辅助调解器，其功能是抑制电力系统的低频震荡或者增加系统阻尼。其基 本原理是通过对励磁调解器提供个辅助的控制信号使得发电机产生一个与 转子电角速度偏差同相位的电磁转矩分量。p s s 有数种形式，这里给出一种常 用形式的传递函数框图，如图1 8 。 图1 8 电力系统稳定器的传递溺数框图 框为p s s 的增益。框为测量环节，其时闻常数为露，由于其数僮较 小，可以忽略面取其值为零。框为隔直环节，也称为高通滤波器，其作用是 阻断稳态输入信号，从而使p s s 在系统稳态运行是不起作用。时间常数正的 值通常较大。框和框分别为两个超前一滞后环节。p s s 至少应有一个超前 滞后环节，瑟且大多数情况下是一个。将时闻常数五，互取为零时圈檩当子只 有一个超前滞后环节。框为限幅环节。p s s 的输入信号通常为发电机的 电角速度、端电压、电磁功率、系统频率中的个或者它们的组合。输出信号 珞作为励磁调解器的一个输入信号。 p s s 在系统中的安装位置及其参数必须全部正确选择才能起到应有的积 极作用。 1 7 励磁调节器 励磁调节器的作用是处理和放大输入的控制信号，从而生成合适的励磁控 制信号。励磁调节器中通常包括功率放大环节、励磁系统稳定环节和扶埴蔽制 环节。下面我们结合具体的励磁系统介绍其数学模型。以下各个框图中的基本 输入信号为图1 - 6 种电压测量与补偿环节的输出；v s 为励磁调节器的辅助 调节信号，例如p s s 的输出信号。 麴制剧 l 崮颤一多也 一 第一章绪论 1 7 1 直流励磁机励磁系统 根据调节器的不同类型，分为可控相复励调节器、复式励磁加负载补偿和 带可控硅调节器的直流机励磁系统等三种。前两种系统大多用于1 0 0 m w 及以 下的小型机组，目前已逐渐淘汰。采用可控相复励调节器的励磁系统，传递函 数框图如图1 - 9 。 图1 - 9 采用可控相复励调节器的直流励磁机励磁调节系统传递函数框图 图中k 和l 分别为发电机的机端电压和电流。框反映相位复式励磁； 框和框为负载补偿和测量环节；框为综合放大环节。为了改善励磁系统 的性能，经常通过框所示的软负反馈环节对发电机励磁电压进行并联校正。 运行控制中可以正定的参数为k 矿、k r 、r c 、x c 、k pk 彳、l 、k ，和耳。 对于调节器采用复励加负载补偿的励磁系统仍可用图1 - 9 表示，但是需要 将其中的框换成1r 的简单放大环节。 采用可控硅调节器的直流机励磁系统，其框图如图1 1 0 。 图1 1 0 采用可控硅调节器的直流及励磁系统传递函数框图 9 第一章绪论 用时间常数死和矗描述历次调节器的固有等值时间常数，它们的值通常 比较小，因磊也常常被略去悉取其值为零。综会放大环节的时闻常数和增益分 别为乃和k 。由于放大器的饱和特性以及功率限制，因而放大器的框图带有 非终端限制型限幅环节。以为励磁电压软负反馈环节的输出，用以改善整个 励磁调节系统的动态特性。磙为奁流励磁机的励磁电压。运行控制中可以整 定鹩参数为群、x f 、k 芽、k 。、疋、爱f 帮0 。 1 7 2 交流励磁机励磁系统 交流励磁祝励磁系统蠢前广泛应震于1 0 0 m w 以上翡发电视组中。交流励 磁机采用不可控功率整流器的励磁系统类型比较多，1 大类分为静止整流与旋转 整流。这里介绍常用的一种，其框图如图1 1 1 所示。 图1 1 l 交流励磁机采用不可掇功率整流器的励磁系统传递灏数框图 图中由、砭、以、k 。、k f 和昂表征的三个传输框属于励磁调节器部分， 其意义与图5 1 0 中的励磁调节器相同。图中并联校正环节的输入信号为交流 励磁机的空载电势，也有将发电机励磁电压矿，作为反馈输入的接线。励磁电 流j ，作力励磁调节系统得一个输入信号并通过常数趸d 来等僮交流励磁桃的 负载效应。图中的励磁机是自励式，当采用它励式时，彭r + s f 就应该改为 1 + s 。k + s e 分别为交流励磁机的自励系数和饱和系数。 ，由予整流器的输入要求珞非负，因丽在励磁机的框图中，由夏表征的积 分环节带有终端限制型的单向限幅环节，以禁止励磁机的输如电压k 为负值。 运行控制中可以正定的参数为、k 、k e 、彪。、l 、k p 和砟。 对于交流励磁机经可控整流器供发电机励磁的励磁系统，其框图如图1 1 2 所示。 1 0 第一章绪论 圈1 1 2 交流励磁机经可控整滚器供发电机励磁的励磁系统传递悉数框图 由于整流器受独立的电压调节器控制而使整流器的输出近似为常数，因而 交流励磁机和可控整流器的模型为图中k 部分。在图1 1 2 中已将其与系统的 综合等值放大环节棚结合，其中等值时闻常数疋和增益k 。描述了可控整流器 自身及其调节器的动态特性。为改善系统昀动态特性，在这种励磁系统中通常 用串联校正环节而不用并联校正环节。串联校正环节的时间常数为乃和砟。 必须指出，可控整流器的负载被限制在使，非负而且小于0 4 3 3 的范围内。 励磁系统的负载效应被反映在双惫限幅环节的主限蕾孛。运镗控制孛可以整定 的参数为心、丘、影。、l 、五和。顺便指出，此处因是独立的交流励磁机 作为电源，故而双线非终端限制型限幅环节的上下限限值与发电机机端电压无 关。 1 7 3 静止励磁系统 图1 1 3 所示为囱并励系统的框图，可控整流器用双向限幅环节描述。 图1 1 3 自并励静止藏磁系统铃递函数框图 笫章绪论 前己述及，对静止励磁的情况，电源取自发电机机端，故上限限制值和发 电机梳端电压有关。这种励磁系统可以有很高的强励电压，为了防止发电机转 子和整流器过负载，对发电机励磁电流j ，由图中的x ：。和五：柠给予限制。注意 到比例环节k 聃带有终端限制型的下限限幅，其限制作用可以因k ，。置零而忽 略不计。芷。和疋分别为系统的综含等值增益和时间常数。图中同时绘出了串 联校砭环节和并联校芷环节，僮通常二者只雳箕一。如用串联校正环节则可置 k p 为零；反之，若采用并联校正时，图中串联校正环节的等值时间常数疋和耳 同时置零。 顺便指出图l - 1 3 适震于采用全波可控直流桥的情况，当采蔫半波整流挢 时，只需将出口处的双向限幅环节的下限限值取为零即可。运行控制中可以整 定的参数为r c 、丘、k 4 、l 、毛、墨、k 从、酢、靠和，从。 1 8 本章小结 本章详细阐述了电力系统中励磁的发展历史、现状及其功能。着重分绍了 励磁系统的组成五部分：主励磁系统、发电机端电压测量与负载孝 偿、保护与 限幅环节、辅助调节器和励磁调节器。然后详细阐述了这5 部分具体的作用以 及它们的传递函数框图。本章的主要作用就是为了后面用用户囱定义程序建立 励磁系统的仿真模型打下基础，尤其是励磁系统约组成五部分盼作震和丞数框 图，它们是分割合并用户自定义传递模块的直接依据。 1 2 第一章绪论 第二章用户自定义建模方法 在电力系统暂态稳定性仿真试验中，需要模拟各种各样的系统元件和自动 控制装置，比如：不同型号的静止无功补偿器、各种类型的调压器、调速器电 力系统稳定器( p s s ) ，随不同工程而异的超高压支流输电线路以及其控制系 统，还骞各种各样静继电保护和安全自动装置等，从瑟达到电力系统翘划设计、 运行、调度和科学研究的对系统的不同要求。 为此，国内外大型电力系统分析软件都在程序内部建立了大量的固定模 型，以方便用户根据实际系统的需要选焉不同模型。比如：中黧电力科学院开 发盼电力系统分析综合程序的暂态稳定计算部分，程序内部考虑设置了两 种静止无功补偿器模型，两种发电机励磁调机系统模型、两种调速器模型、一 种电力系统稳定器( p s s ) 模型，还有两种高压直流输电模型。国外的一些电 力系统仿真软件，笼其是一些商业软件，所考虑盼模型种类爱加繁多，院如在 美国p t i 公司开发的p s s e 软件中设置了“种励磁系统，几乎包括了i e e e 规定的全部励磁系统典型模型。 然焉，随着电力系统的发展，各种新模型不断魄现，原有程序中的固定模型 已不能满足需要。对此可以有2 种解决办法：一是在原有程序中由程序开发者 继续增加新的模型；另外一种就是五是研究和开发用户自定义建模的方法。前 者开发周期长，编写程序复杂，可靠性测试困难，耗时费力，并且需要用户不断 更薪其软件，这耪被动的开发方式势必落后于实际的需要，故很难及时满足众 多用户的不同要求；丽后者是在不改变程序本身的条件下，由用户自行构建新的 模型，它具有开发周期短，可以及时更新，省时省力等一系列优点。 2 。l 用户自定义建模方法的发展历史 在毫力系统领域关于用户鲁定义模型的研究最早见于1 9 7 7 年【1 1 硼，盎加 拿大的l d u b e 和h d o m m e l 在电磁暂态计算中用于模拟调节系统。在1 9 8 5 年， 加拿大魁北克水电局研究所采用信息编码建立控制数据文件的方法，根据需要 指明各种基本传递函数以及这些函数之间的联结形式，用以定义和研究高压直 流输电系统和继电保护装置。这是震户耋定义建模方法，第一次被正式的提出。 第二章墙户自定义建模方法 到了1 9 8 8 年，瑞典的a b b 公司开发了一种动态仿真语畜d s l 可以作为 一种震户自定义的支持语言，焉以擒述编写所需的系统元件的程序，再通过变 异、连接，从而形成可以执行的程序。至此，业已成熟的用户自定义建模方法 被电力系统的商业软件所采用，得到了人们足够的重视，并成为了成熟电力系 统仿真软件的必要组成部分。 豳内的仿真软件泷如电力系统分析综合程序( p s a s p ) 也将用户自定义建 模方法加入到程序中，提高了它的开放性和共享性。 2 2 用户自定义建模方法( m ) 的原理 u d m 并不是一个孤立的个体，它必须与主程序相互联系，进行数据的交 换，才能发挥其功能和作蔫。 2 2 1 用户系统和主系统之间的关系 潮流计算是联立求解代表主系统的j # 线性代数方程缱( 2 1 ) 和代表u d m 的代数方程组( 2 2 ) 三。( 匕，虼) = 0 ( 2 1 ) 毛( 匕，艺) = 0 ( 2 2 ) 其中l m = ( 1 x ，如，厶) 7 为主系统方程组；l 。= ( “1 2 ，厶) r 为用户程序方程组；l 为主程序求解变量；z ，为用户程序求解变量。 主系统和u d m 处于不同的程序环境中，泰于无法直接褥到0 l 。o y 等待 息，故不能直接联立求解，只能交替求解：在第k 次迭代中，在主系统中将拶 看作常量，求解式( 2 1 ) 得到嘭“1 ) ；然后再u d m 中，将瓒+ 1 看作常量，求 解式( 2 2 ) 得到誓；“。) ；反复迭代，直至收敛。如图2 1 所示 f 以= c ( 丘，k ，x 。，匕) 1 _ i 五= e ( 丘，艺，以，匕) 【0 = g 卅( 匕，匕) 砭。 【o = q ( 艺，k ) 图2 1 主系统和u d m 在潮流计算时的数据交换 暂态计算时，具有u d m 功能的电力系统动态仿真程序的主系统和用户系 统在数学上可分别表示为： 1 4 第二章溺户自定义建模方法 纸篇疋( 五，艺，纸，矗( 2 - 3 ) t o = o m ( 艺，鼍) j 置= 玩( 以，艺，以，匕( 2 - 4 ) l o = 瓯( k ，匕) 式中投和匕分裂为主系统的微分变量和代数变量；x 。和扳分别为霜户系统 的微分变量和代数变量。 主系统和用户系统处在不同的程序实现单元中，用户系统对主程序而言是 一个黑籍，由于无法褥到差分式的偏导值，故式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 不能壹接 联立求解，用户系统只能与主系统交互交替求解。 在一个步长内，主程序和u d m 反复迭代，直至收敛。在其第k 次迭代过 程中，在主程序中将x 和曩”看作常量，求解式( 2 - 3 ) 得到x 和碟n ， 然爱在u d m 中露将x 竺卅和瑶榭作为常量，用来求解式( 2 - 4 ) ，零譬到 石：“”和巧榭。如图2 - 3 ： 一 h ，” l 以= ，k ，疋，匕) 攀曼，艺，以，匕) = 瓯艺，匕) 1 0 = 蛾伐，) 图2 2 主系统群i u d m 在暂态计算时的数据交换 2 2 2u d m 的功能构成 u d m 为用户提供了一个统一平台，用户无须了解程序内部的结构和算法， 该平台囊动与原先钓程序接墨，用蛊观的方式鸯动建立薪模型，从两增强软件对 系统元件装置和控制功能扩展的适应能力。 u d m 的平台应该能够以与原仿真软件相匹配的精度来考虑用户模型对 主系统的影响，用户模型的求解方法应该具有良好的适应性，能够处理更一般化 的数学模型，其功能的实现如图2 3 所示。， 基本功能框库 一- 模型文件 用户环境 接口变量主系统 图2 3 u d m ：r j j 戆既实现 、 u d m 功能由以下几部分构成： ( 1 ) 基本功能框库 每今基本功能框实现一个特定的数学运算，鲡初等函数运算、逻辑运算、 第二章糟户自定义建模方法 非线性函数运算、微积分运算等，如图2 4 所示。基本功能框库包含完备的基 本功髓框，是满足用户建模需要的基础。 囊 蚤。 = l 】， 17 ly f ( x 。，x 2 ，以) ： l 。 圈2 _ 4 基本功能橇 ( 2 ) 接口变量 用户自己定义的模型遥过接嗣变量与主系统交换数据，交互交替求解，来 完成仿真。如图2 。5 所示： 图2 - 5u d m 与主系统麓接霜 接口变量包括用户模型的输入、输出信息。预先在实时数据库中定义一定 的接1 ：3 变量，动态仿真主系统和用户模型在计算前从实时库中读取数据，计算究 之后将结果写入实时痒，有些主程序与用户模型的数据交换可以在志存中完 成，有些用户自定义模块的数据读取是通过读取和写入固定文件来完成的。只 要程序设定了完备的接口变量集，就能够实现任何自定义模型与主系统的连 接，从而完成仿真试验。 u d m 谡焉接翻对u d m 的输入、输遗变量与主系统物理璧作必要的处理， 包括接口变量约定和内部处理、人机界面设计。为保证灵活性，应约定足够的 接口变量。 与潮流有关的接口变量包括作为u d m 输入的母线电压、糨角、发电机凑 力、负荷吸收功率、节电有功、无功、线路阻抗、导纳和变压器变比等，以及 作为u d m 输出的一些变量。 考虑暂态计算需要，接口变量除了以上潮流计算所需变量以外，还包括反 映系统动态特征、不对称运行状态以及各种网络操作等的变量，懿发电机功燕、 1 6 第二章用户自定义建模方法 转速，正、负、零序网络参数，开关状态等。 接园入规赛面用于设定m 相关信惠，如u d m 文件名、输入，输篷变量 的类型及其对应主系统内部物理量的信息等。可用6 个字段来表征： 变量名：u d m 实现文件中输入输出变量名称； 属性：变量的输入、输出属性； 线路始端母线名； 线路末端母线名； 相关联的发电机或者线路的i d 号； 该交量的类型。 节点电压等接口变量可以直接得到，但诸如线路两侧功率等接口变量则需 要根据当前量计算得到。因此，需要内部处理来实现所定义的关联。 u d m 的输出量分为两部分： 反映系统暂态行为的状态量( 如励磁电压) ； 等效电压源、阻抗和变比； 前者可以直接修改主系统的相应变量：后者则需等效为节点注入量后爵修 改楣关变量。 接口变量的内部处理模块实现接口变量的计算和关联。 ( 3 ) u d m 环境 u d m 环境提供界面友好的建模平台，使工程人员能用简单、直观的方法建 模。震户根据模型的传递丞数，将其拆成各个基本功能框的组合，并给各个基本 功能框编号。然后在基本功能框库中选择适当的功能框，通过基本功能框的拖 放和连接，构造出所需要的数学模型，并且指定用户模型和主系统的接口变量。 形成模型文件。 有些用户建立的模型可以自动增加为功能模块，以供重复使用，并具有与 已有用户模型互相组合的能力。目前，不同软件提供的用户建模环境不尽相同， 模型构建过程要遵从的约束也不相同，例如功能框之间的组合、输入和输出信 息的制定、参数翡设定等。 成熟电力系统商业仿真软件的用户建模平台可以分为以下三种： 图形建模：即在软件包提供的图形平台上通过基本功能框的选择、连线、 参数设置以及接口变量设定等来完成建模。 宏语言建模：鄄通过程序预定义的宏指令来指定组成鬟户模型的基本功 能框之间的关系和相应参数。 类高级语言建模：即通过程序提供的文本编辑环境直接描述用户模型的 数学关系、编写实现程序，通过内建麓编译系统在主程序调用时鲁动执行。 第二章用户自定义建横方法 前两种建模方式都需要事先将需要模拟的系统转换成由程序提供的基本 功畿模块梅成的框图表达形式。 ( 4 ) 用户自定义模型的计算程序 模型的调用过程应该独立构建模型的过程。但是，不同的仿真软件包可能 将用户模型转换成不同的数学描述形式。用户模型转换后的方程组通过接蹬变 量帮原系统方程组联立求鬃。数学描述形式对数值求解算法的设计有很大的影 响其完善程度决定了用户能够创建模型的数学功能。 自定义模型的计算程序分为模型的读入和拓扑分析、模型的预处理、模型 的迭代计算三部分，它们分裂加裂动态仿真主程廖的窟动部分、初始化部分以 及迭代计算部分。 模型的读入和拓扑分析部分将用到的模型文件读入到程序中，并对模型进 行拓扑分析，找出其中的反馈环节。 系统豁动态计算以菜一稳态运行方式为初始条件。如果没有发生扰动，则 系统状态变量均保持在对应的稳态值。在计算扰动前u d m 的稳态值时，往往 要对用户模型部分参数进行处理，使得初始状态下模型的输出值与主系统的稳 态相吻会，鄂初僮平衡。 模型的预处理部分对模型读取输入、输出变量，计算各个基本功能框的输 入、输出的初值，并检查模型是否初值平衡。如果初值不平衡，需要重新修改。 在模型的迭代计算部分，主程序在一个步长内把自定义模型的输出作为鬻 量，完成一次计算矗，将计算结采写入实时库，然后启动用户冬定义模型的计 算程序。用户自定义模型从实时库中读取用到的输入量，采用前向法完成一次 计算，然后将计算结果写入实时库。 2 3 用户自定义建模方法( m ) 的发展现状 鉴予用户自定义方法的种种优越性，现在绝大部分的电力系统仿真软件都 有用户程序接口( u s e rp r o g r a mi n t e r f a c e ，u p i ) 处加入了用户囱定义程序，用 以满足用户的需要。 以下介绍几种世界上主要的电力系统仿真软件以及其用户自定义部分的 特点。 2 3 1 常用商业软件u d m 模块介绍 b p a ( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ，b p a ) 程序 第二章用户自定义建模方法 b p a 程序是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局( b p a ) 计算方法 开发缝鱼二世纪酌年代初期开发的大型电力系统离线分析程序。该程序采 用了牛顿一拉夫逊法，并将隐式梯形积分法和稀疏矩阵技巧运用于暂态稳定的 计算。形成较为稳定的数值解。 圈前我国电力系统多数单位所焉的b p a 程序是中国电力科学研究院在美 国b p a 程序1 9 8 3 年9 月版本的基础上，经过消化吸收，开发褥成的中国舨程 序，且已在我国电力系统规划设计、调度运行和试验研究等各部门得到了广泛 的应用，成为我国电力系统分析计算的重要工具之一。 b p a 突凄的优点是具有独特的地理接线篷格式潮流图程廖，方便工作人 员绘制潮流图及测览潮流分布。但是b p a 无用户臼定义模型功能h 孓溷，而且对 高压盥流输电( h 旧c ) 、灵活交流输电( f a c t s ) 及其控制系统模型只能进 行有简单的模拟。 所以b p a 程序主要震来计冀潮流和暂态稳定，并在上世纪末应焉较广， 后来随着其它各仿真软件的开发、完善和推广，应用b p a 进行电力系统分析 的科研人员相对减少。 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 sp r o g r a m ) 程穿 狲盯p 程序主要用于计算电力系统中电磁暂态过程，目前的e m t p 程序是 在原美国邦纳维尔电力局( b p a ) 编制的电磁暂态程序基础上由w s x o t t m e y e r 等开发完善形成的。现已有许多国家使用该程序进行电力系统各种暂态 过程的研究，其中a t p 程序( a l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是较为广泛使用 的一个版本，a t p 。e m t p 可在大多数类型的计算机上运行。 到目前为止，在世界上已形成了多个程序的用户协会，这些用户协会通常 按地域划分，主要有勰拿大，美匡e m t p 震户协会( c a e u g ) 、欧洲耀户协会 ( e e u g ) 、日本用户协会、韩国用户协会以及台湾地区的用户协会等。 我国于1 9 8 0 年初在水电部计算机办公室的领导下，从美网b p a 公司引进 了e m t p 程序，1 9 8 8 年通过电力部弓l 进了微机版电磁暂态计算程序a t p 。中因 电力科学磺究院在零| 进的程序基础上进行了调试、修改以及功能二次开发，并 且在全国范围内推广使用，完善了中文使用说明及相关技术资料，编制了人机 会话式数据输入程序及a t p i 作环境软件包，提供了与用户友好的人机界面 f 1 7 1 8 】 # 在e m t p 软件的t a c s ( t r a n s i e n ta n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m s ) 部分有用户 自定义模块，但它具有很明显的缺陷： ( 1 ) 它的模块过于简单，用户使用时很容易发现自己所需要的模块，t a c s 中并不具备； 1 9 第二章用户自定义建模方法 ( 2 ) 由于软件本身的问题，使得当用户所编写的模块复杂程度上升时， 系统计算速度下降j 常快； ( 3 ) 由于用户需要用f o r t r a n 或者p a s c a l 语言进行自定义模型的编写来进 行人机的信息交流，再通过内部的编译系统在主程序调用时自动执行。这种方 法不够盘观，并且要求使用者必须具有这两种语言的一些基本知识，然而并不 是新有的使用者都能够达到此要求的。如此一来就大大限制了其使用的入群， 降低了软件的普及性。 n e t o m l a c ( n e t w o r kt o r s i o nm a c h i n ec o n t r 0 1 ) n e t o m a c 是德蓬莲羹子公霹研制的电力系统仿真软件。鸯七十年代初 期开始经过多年开发和使用，现在n e t o m a c 程序较为完善，功能繁多，在 世界各国尤其是欧洲拥有众多用户。 n e t o m a c 程序己成为科研和工程实践中的有力工具。在德国，西门子 公司在新产品开发( 如f a c t s 装置) 、大型工程项日、保护和自动装置测试 之前均利用n e t o m a c 进行详细的仿真研究，降低了开发成本，保证了s v c 安装等工程项日的顺利完成。 1 9 9 5 年9 男，德国柏林工业大学k u l i c k e 教授判杭斓讲学，将n e t o m a c 多 r 绍 到浙江大学。之后，我国的一些单位也开始应用n e t o m a c 进行有关课题的研究 工作眇2 0 1 。 n 嚣t o m a c 的用户自定义模型： ( 1 ) 励磁、嚣c ，s v c 及其它f a c t s 装置； ( 2 ) 考虑电压、频率特性的负荷模型； ( 3 ) 信号发生器功能( 各种频率的理想电压源、电流源可为正弦波亦 可为方波、二焦波或其它鲁定义类型信号) 。 n e t o m a c 采用模块化语言模拟发电机励磁系统、原动机调速器、汽轮 机等与控制理论中各种环节的框图相似。控制系统由比例、微分、积分、惯 性环节等基本模块构成。这种方法被称为面向模块的仿真语言( b o s l 。b l o c k o r i e n t e ds i m u l a t i o nl a n g u a g e ) 。 n e t o m a c 具有8 0 种模块，其中有积分、惯性等基本环节，也有较大的 组合模块。例如汽轮机调节中的功率跃变接力器和功率调节开关等专用模块； 逻辑连接模块( 与门、或门) 和条件及非条件转移；加、减、乘、除、乘方、 对数、二角蘧数等数学模块；锁楣环、死区、采样保持模块；还有快速傅立叶 变换( f f t ) 、自相关或互相关函数计算等数字信号处理模块。 n e t o m a c 的用户自定义模型具有良好的开放性。通过b o s l ，可嵌入用户 鲞行编制的f o r t r a n 语言数学表达式、逻辑表达式、子程亭。 第二章用户自定义建模方法 但是这种采用宏语言的方式来建模，即通过