（电力系统及其自动化专业论文）混合实时仿真中机电暂态模型的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 l u lllll l lll lll lli ll u i 、t17 9 6 8 8 0 电力系统电磁机电暂态混合实时仿真是近年来电力系统数字仿真研究领域的 前段课题。基于r t d s 实现混合实时仿真是一种新的方法和挑战。作为其重要的子 课题之一，有必要在r t d s 下建立实时机电暂态仿真模型。本文首先研究了机电暂 态仿真的基本原理和计算流程，分析了电力系统中各元件的数学模型，在此基础上 重点研究了r t d s 仿真环境的功能特点，阐述了c b u i l d e r 自定义模型仿真时所受到 的实时性和内存容量上的限制，通过运用包括多线程技术、g a u s s 网络化简等方法 建立了基于r t d s 的机电暂态仿真模型，并通过算例的对比分析验证了其正确性。 为实现电磁机电暂态混合实时仿真中机电侧的实时数据交换与配合，对部分接口方 式进行了合作研究，阐述了机电侧所采用的等值模型。最后以南网6 机实际系统为 典型算例进行了仿真实验，证明了所建立的机电暂态仿真模型扩大了r t d s 的仿真 规模，为电磁机电暂态混合实时仿真的进一步深入研究奠定了坚实的基础。 关键词：机电暂态，混合仿真，r t d s ，电力系统数字仿真 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h eh y b r i ds i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ta n dt h e e l e e t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n tp r o c e s si sb e c o m i n gal e a d i n gs u b j e c ti nt h ep o w e rs y s t e m s i m u l a t i o nf i e l d h o wt oe s t a b l i s ht h er e a l t i m ee l e c t r o m e c h a n i c a l 仃a n s i e n ts i m u l a t i o nm o d e l u n d e rr t d si so n eo ft h ek e yi s s u e so ft h eh y b r i dr e a l t i m es i m u l a t i o n m sp a p e l f i r s t l y s t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds i m u l a t i o np r o c e s s e so ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t p r o c e s s a n da n a l y s i st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep o w e rs y s t e r nc o m p o n e n t o nt h i sb a s i s f o c u s e so nt h ef e a t u r e so ft h er t d s c b u i l d e rs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h e nd e s c r i b e dt h e r e s t r i c t i o n so ft h er e a l t i m ea n dm e m o r yc a p a c i t y t h r o u g ht h eu s eo fm u l t i t h r e a d i n g , g a u s s n e t w o r ks i m p l em e t h o d se s t a b l i s h e dt h ee 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 nm o d e l sb a s e d o nc b u i l d e r a n dl e e e 9a n di e e e 3 9b u ss y s t e ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a v et a k e na n dh a v e ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i mb p as o r w a r e w h i c hp r o v et h ec o r r e c t n e s so fs i m u l a t i o nm o d e l f i n a l l y , t h er e a ls o u t h 酊ds i xm a c h i n es y s t e ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti l l u s t r a t e st h a tt h e e s t a b l i s h e de 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 nm o d e lc a ne x p a n dt h es i z eo fs i m u l a t i o n s c a l eo fi h d s k e yw o r d s ：e l e e t r o m e e h a n i c a lt r a n s i e n t s i m u l a t i o n ，h y b r i ds i m u l a t i o n ，r e a lt i m ed i g i t a l s i m u l a t i o n ，p o w e rs y s t e md i g i t a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 目录i 第一章绪论1 1 1电力系统仿真1 1 1 1电力系统仿真定义1 1 1 2电力系统仿真分类1 1 2 论文研究背景和意义3 1 2 1电磁机电暂态混合仿真的意义3 1 2 2电力系统实时仿真的意义4 1 2 3基于r t d s 的机电暂态仿真的意义5 1 3 国内外研究动态及发展趋势7 1 4本文的主要工作1 0 第二章机电暂态仿真的基本原理和数学模型1 l 2 1电力系统暂态稳定计算基本原理1 1 2 2机电暂态仿真计算流程1 4 2 3电力系统各元件的数学模型1 5 2 3 1同步发电机数学模型15 2 3 2调节系统的数学模型。1 7 2 3 3负荷模型2 0 2 3 4 电力网络的数学模型2 1 2 3 5 x y d q 坐标变换2 1 2 4 本章小结一2 2 第三章基于m s c b u i l d e r 的机电暂态仿真2 3 3 1r t d s c b u i l d e r 运行环境。2 3 3 1 1r t d s 的仿真特点2 3 3 1 2 c b u i l d e r 的仿真特点2 4 3 2c b u i l d e r 下实现机电暂态仿真的难点和解决方法2 6 3 2 1c b u i l d e r 下仿真实时性和多线程技术。2 6 3 2 2 内存容量的限制以及解决方法2 9 3 3机电暂态仿真模型外观界面3 1 3 4机电暂态仿真系统等值电路计算3 2 3 5r 1 d s c b u i l d e r 上的i e e e 9 节点系统仿真算例。3 3 3 5 1稳态仿真实验3 3 l 华北电力大学硕士学位论文 3 5 2对称短路故障仿真算例3 4 3 6 本章小结3 6 第四章仿真实验3 7 4 1 i e e e 3 9 节点系统仿真实验3 7 4 1 1稳定性实验3 7 4 1 2故障实验3 8 4 2 南网六机等值系统仿真实验3 9 4 2 1系统结构图3 9 4 2 2 稳态仿真实验结果4 0 4 2 3 负极直流线路故障仿真分析4 2 4 3 高肇直流+ 双i e e e 9 试验系统仿真分析4 5 4 4 本章小结4 8 第五章结论与展望4 9 5 1 基于c b u i l d e r 的机电暂态仿真总结4 9 5 2 对未来的展望4 9 参考文献5 1 致 谢5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 i l 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 电力系统仿真 1 1 1 电力系统仿真定义 第一章绪论 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【1 1 。电力系统仿真是系统仿真的一个分 支，即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f 2 1 。电力系统的科学研究和试验从来都离不开系统仿 真技术。某种意义上，电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学的研究水平。 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。现代电力系统日趋复杂，出现了很多新课题，同时也对电力系统仿真技术 也提出了越来越高的要求。 1 1 2 电力系统仿真分类 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。一般情况下，可将电力系统仿真进行如下分类，如图1 1 所示。 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【3 1 。物理仿真即通常所说的动模实验。数字仿真是根据所要仿真的对象， 建立数学模型并设计一个可以在数字计算机上执行的仿真程序，成为在数字计算机 上“活的 数学模型。电力系统数字仿真具有不受原型系统规模结构复杂性限制、 保证被研究系统安全、方便经济灵活等特点【4 】。数字物理混合仿真( 又称数模混合 1 - r l r卜t 华北电力大学硕士学位论文 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 【5 1o 图1 - 1 电力系统仿真分类 电力系统数字仿真可以分为研究仿真和培训仿真两类，研究仿真包括电磁暂态 仿真、机电暂态仿真和各种中长期仿真等。培训仿真包括属于e m s 的调度员培训 仿真器、变电站运行人员培训仿真器等。 按照仿真时间和实际时间的关系，电力系统数字仿真又可以分为实时仿真和非 实时仿真。目前，实时仿真主要用于继电保护装置、系统二次控制装置等试验，由 于有实际装置参与，因此要求仿真系统必须是实时的，即实时仿真软件必须在一个 实际步长内完成所有状态变量和非状态变量的求解计算和与实物相联系的参数转 换与通信联系等。非实时的研究仿真软件有很多，它们可以仿真各种电磁暂态和机 电暂态过程，以及系统长期稳定性等。 电磁暂态仿真和机电暂态仿真结合即构成电力系统电磁机电暂态混合仿真， 如果仿真中可以和实际物理装置构成数字物理闭环实验，那么这样的混合仿真就是 实时的。在混合仿真中，主要包含几个方面的问题：一是如何建立电磁暂态和机电 2 l。 华北电力人学硕士学位论文 暂态仿真系统，二是两侧不同仿真模型、不同仿真步长系统的接口问题。本文主要 研究的是r t d s 下实时机电暂态的仿真，为配合完成电磁机电暂态混合仿真课题， 还对机电侧的接口等值问题做了一些研究工作。 1 2 论文研究背景和意义 1 2 1 电磁机电暂态混合仿真的意义 随着经济和科技的发展，现代电网规模越来越大，渐渐形成了具有许多非线性 瞬时变化，包含大量交交和交直流输电的复杂系统。在如此复杂的交直流互联大系 统中，交流与直流、直流与直流之间存在着强烈的耦合【6 儿1 7 1 ，而且功率可控的直流 输电系统容量巨大，其特性直接影响电网的安全稳定性。不难看到，在用常规的仿 真方法和工具对这样复杂的交直流系统进行仿真实验时，会遇到许多新的难题。 由图1 1 可以看到，电力系统数字仿真研究分析中主要采用机电暂态、电磁暂 态以及中长期稳定分析。电磁暂态过程主要指电力网络中电磁能量转换所引起的各 个电量变化过程，其主要目的在于求解电力系统状态发生变化时，各个元件之间的 运动形态和相互作用。电磁暂态过程分析中，电压电流通常都以瞬时值表示，其计 算过程往往取步长1 0 1 0 0 i t s 左右。电磁暂态的模型建立十分复杂，不适合计算较长 时期的动态过程，也不适合仿真大规模的电力系统。而机电暂态稳定计算，则是电 力系统最基本的计算之一【8 】- 【1 1 】。机电暂态过程针对发电机和电动机电磁转矩的变 化，以及相关的电磁转矩与转子机械运动的变化过程。机电暂态模型仿真主要任务 在于系统受到扰动以后，发电机的电磁转矩，转子的运动以及整个网络各个节点电 流、电压以及相角的变化进行分析和运算。仿真在相量范围内进行，旋转相量的变 化是与6 0 相关的，而( f ) 的变化是与有功功率变化相关的，功率变化是受到惯性、 阻尼特性影响的，而机械惯性和机电阻尼的作用较之电磁暂态，其变化过渡过程是 缓慢的。线路等用相量代数方程表示，而发电机的运动方程，调速器等用相应的微 分方程表示，网络内也仅仅考虑正弦稳态的基波作用，因此，机电暂态的步长一般 为1 0 m s 左右。电力系统机电暂态过程的仿真主要用于分析电力系统的稳定性，即 用来分析当电力系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间 后回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态的问题。机电暂态变化过程 的持续时间常常在几秒到十几秒。在电力系统规划、设计、运行等工作中都要进行 大量的暂态稳定分析，因为系统一旦失去暂态稳定就可能造成大面积的停电，给国 民经济带来巨大损失。 综合以上分析，现有的基于基波相量模式的机电暂态程序难以模拟高压直流输 电( h v d c ) 和柔性交流输电( f a c t s ) 等电力电子装置的快速动态特性和一些非 3 华北电力大学硕士学位论文 线性元件引起的波形畸变特性。研究器件内部故障过程、控制方法及其对整个系统 的影响也具有很大的局限性。而由于瞬时值模式的电磁暂态程序受模型和算法的限 制，仿真规模有限，不得不对系统进行一定的简化和等值，这样可能会丧失部分原 始信息，影响仿真效果，即使采用并行算法求解，也难以对大规模电力系统进行电 磁暂态仿真。特别是，在包括直流输电或f a c t s 设备的系统中，为了分析这些元 件引起的快速动态过程和波形畸变对系统机电暂态过程的影响，进行工程分析时往 往需要通过系统等值来进行，大大影响了系统分析的准确性和可靠性。 在实际工程中，当对复杂系统的动态行为进行研究时，由于直流输电系统和 f a c t s 等电力电子装置由大量的非线性元件构成，这些元件引起的波形畸变( 如换 相失败、谐波不稳定等现象) 及其快速暂态过程对系统机电暂态过程的影响已经无 法予以忽略。而在直流侧电磁暂态仿真时，交流机电暂态侧的状态量( 如故障、重 合闸等) 也会对直流系统产生很大的影响，这主要表现在交流侧接口母线的电压变 化以及交流电网频率的变化对直流系统的干扰。因此，相互独立的电力系统电磁暂 态、机电暂态的分析手段，已经无法满足现代复杂、广域、非线性的大型电力系统 研究和分析的要求。应建立准确的机电暂态和电磁暂态混合模型，兼顾机电暂态便 于进行大系统建模分析和电磁暂态便于对直流非线性元件的精确描述的优点，准确 揭示非线性元件在大系统中的影响作用机理，为大型系统采取符合工程实际的有效 措旌提供有力的手段和工具。 因此，将电磁暂态仿真和机电暂态仿真进行连接，完成电磁暂态、机电暂态的 混合仿真，在一次仿真过程中实现对大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的 电磁暂态仿真，对研究大规模电力系统的暂态稳定和动态特性具有很强的现实意义 和理论价值。但是，现有的仿真软件中，能同时进行电磁暂态和机电暂态运算的几 乎没有，而混合仿真的一个基本方面就是要有能同时进行两种仿真的平台和环境。 机电暂态仿真作为混合仿真的一个方面，是混合仿真能正确建模仿真的一个基础， 因此，有必要开发实时机电暂态仿真模型。 1 2 2 电力系统实时仿真的意义 实时仿真是指仿真模型的时间比例与真实系统的时间比例完全相同的仿真，要 求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时的动态输出。 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【l2 1 。这些复杂的控制装置提高了电网大容量、远距离输电能 力，同时保证了电力供应的稳定、安全与优质。这些复杂的设备和装置在投入现场 实际运行前必须通过仿真实验加以研究，这样的实验通常是闭环数字物理实验。因 4 i t 华北电力大学硕十学位论文 此，自动装置的试验和检测必然要求实时仿真。 另一方面，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 ) 1 3 】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。实时仿真也可以培训调度及运行部门的技术人员， 用来帮助系统运行人员熟悉系统特性、掌握系统运行规律、分析事故原因、提高应 变能力等。 总之，实时仿真不但可以应用于控制系统的分析、研究和设计，而且可以广泛 的应用于大型控制系统操作人员的培训和教育，从而避免了在实际控制系统中由于 操作不当所带来的危险性及高昂的代价。 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 稳定运行具有重大的意义，是未来仿真技术发展的必然趋势。 1 2 3 基于r t d s 的机电暂态仿真的意义 本论文研究属于国家“十一五 科技支撑计划“特高压输变电开发与示范子课 题 项目课题1 7 8 0 0 k v 直流输电对系统影响及仿真技术的研究子课题中 的“基于r t d s 的电磁一机电暂态混合实时仿真平台研究与实现”。 当前电力系统区域电网互联使得网络的规模越来越大，各个区域性电网的关联 性不断增强；同时，高压直流输电( h v d c ) 系统和柔性交流输电( f a c t s ) 系统 中大功率电力电子设备的应用，使得反映不同物理特征的动态过程相互交织在一起 【l4 1 。例如南方电网，天广、贵广、三广等直流输电线路相继投运，溪洛渡、向家坝 等水电站也通过直流向外送叫”】，形成交直流并行输电的大系统。在如此复杂的交 直流互联系统中，交流和直流、直流和直流之间存在着强烈的耦合，功率可快速调 节的直流系统特性将直接影响电网的安全稳定运行。直流输电换流站的接入和运行 方式对于系统的影响、直流系统故障下交流系统稳定和控制问题、交流系统的稳定 对于直流系统的影响等，都是急待解决的问题。 传统的数字仿真作为电力系统常用的分析解决问题的手段再一次面临着新的 挑战。总所周知，现有的两类分析软件主要包括电磁暂态分析软件和机电暂态分析 软件。电磁暂态分析模型主要采用a b c 三相瞬时值描述，系统所有元件的动态特 性均采用微分方程表达，计算步长小、计算量大，因此，其仿真规模极受约束，一 般进行规模比较大的电磁暂态仿真时，需要对电力系统进行等值化简，这会影响系 统分析的准确性和可靠性。另一方面，机电暂态分析模型是基于基波相量、序分量 的，在仿真高压直流输电系统和f a c t s 装置等电力电子设备时采用准稳态模型模 5 r 华北电力火学硕士学位论文 拟，对其快速暂态特性和非线性元件引起的波形畸变均不能反映【1 6 j7 1 。因此，兼顾 二者优点，将电磁暂态仿真和机电暂态仿真进行连接，完成电磁暂态、机电暂态的 混合仿真，在一次复杂过程仿真中实现对电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电 磁暂态仿真，对研究系统的暂态稳定和动态特性具有很强的现实意义和理论价值。 在电力系统实时仿真领域，实时数字仿真器( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r r t d s ) 已能实现电力系统全电磁暂态实时仿真。它是由加拿大曼尼托巴h v d c 研 究中心下属的r t d s 公司开发研制，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态 现象实时仿真的工具【1 8 。9 1 。r t d s 硬件部分的基本单元称作r a c k ( 机柜) ，一套r t d s 装置可包括几个或几十个r a c k 。r a c k 的数量决定了仿真系统的规模。每个r a c k 包 含了多块通信、处理和接口板卡，同一个r a c k 的处理和通信板卡都插在通信背板 上。 由于r t d s 在电磁暂态仿真方面的实时性和准确性已经得到公认，本次混合实 时仿真平台将在r t d s 上建立，因此，其中重要的不可或缺的研究工作是在r t d s 平台下建立机电暂态仿真模型，要能准确仿真交流侧电网的机电暂态过程，进而最 终完成与电磁侧的混合仿真。这也是本此论文将要研究的主要方面，即机电暂态仿 真的设计与开发，使之能满足在r t d s 上实时运行的要求。 目前，r t d s 提供了自定义环境c b u i l d e f 工具，相比较以前的版本u d c 开发环境，c b u i l d e r 环境下的自定义二次开发更加方便，例如加入了循环、程序分 块等功能，这些重要的改进为利用其开发类似于机电暂态这种复杂的大型计算程序 提供了可能。c b u i l d e r 自定义环境下的模型编译主要采用类似c 语言的一种程序语 言，但是它比c 语言要低级一些，后文会有详细描述。只要所编译的程序和模型能 在r t d s 下顺利编译通过，即可在r t d s 上实时运行，由r t d s 仿真系统自身来保 证所定义模型运行时的实时性。这样自定义的模型可以像r t d s 软件中已有的模型 一样，随时在仿真中调用，共同完成仿真。 从另一方面来看，尽管r t d s 的计算速度很快，具有实时性，但是其仿真规模 还是和r a c k 数目密切相关的，仿真的规模受到用户所购买r a c k 设备数的限制。 而r t d s 每个r a c k 的造价很高，约十万美元左右。正因为此，用户也不能无限制 的增加r a c k 数目，因此这种开发模式不利于大规模电网进行全电磁暂态仿真。例 如南方电网技术研究中心已经具有二十八个r a c k 的硬件资源，但是对大规模的电 网进行全电磁暂态仿真时这些r a c k 仍然不够用。如果可以在r t d s 上开发相应的 实时机电暂态仿真软件，则意味着在有限的硬件条件下可以扩大r t d s 的仿真规模。 这在充分利用有限的硬件平台，降低投资成本，适应规模化实时仿真方面，是极有 现实意义的。 基于以上对混合仿真的实际需要和扩大r t d s 实时仿真规模的想法，本文引出 了一个新的思路，即利用c b u i l d e r 来进行r t d s 下的实时机电暂态仿真，通过专门 6 i i i 1 华北电力大学硕十学位论文 研发的接口电路实现r t d s 下电磁暂态网络和机电暂态网络的混合数据交换与计 算，从而实现可用于电磁机电暂态混合实时仿真的实用仿真工具，在一次仿真中 同时实现对大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电磁暂态仿真。 综上所述，正是由于r t d s 本身成熟的电磁暂态建模仿真特性，采用r t d s 平 台进行电磁机电暂态混合仿真可以充分发挥其电磁暂态实时计算的功能。在r t d s 下开发机电暂态实时仿真模型，一方面可以和已有的电磁暂态仿真一起完成电力系 统电磁机电暂态混合实时仿真，进一步研究交直流复杂输电系统之间的相互作用， 为现场工程实际采取有效措施提供一种新的仿真手段和工具；另一方面，可以利用 r t d s 有限的硬件平台，减少硬件投资成本，积极扩大r t d s 的实时仿真规模。因 此，在r t d s 建立机电暂态实时仿真模型，无疑是一件十分有意义的，具有挑战性 的工作。 1 3 国内外研究动态及发展趋势 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 代由学者h a f f e r m a n 提出以来，一直是电力系统研究的热点问题之一。近年来，电 磁机电暂态混合仿真更是发展成了电力系统数字仿真领域的前段课题之一。 1 9 8 1 年，h a f f e m a n 首次提出了混合仿真的思想。文献 2 0 2 2 利用两个不同的 仿真程序分别对交流系统和直流系统进行了分析：对直流系统部分采用状态变量法 建立了详细的模型，对系统其余部分采用常规的机电暂态程序来模拟，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。这种方 法利用了电磁暂态和机电暂态仿真程序各自的优点，首次完成了简单的混合仿真实 验。1 9 8 8 年，加拿大滑铁卢大学的r e e v e 教授，在文献 2 3 2 5 】中提出接口位置应该 向交流电力网络进一步延伸，这样可以更好地考虑电磁机电网络接口处谐波对交 流电网的影响，这些谐波主要是由换流站大量电力电子装置产生的。文中电磁暂态 部分采用e m t p 仿真程序，接口上利用插值法替代f f t 提取基波正序相量。1 9 9 5 年，新西兰的a n d e r s o n 在文献 2 6 2 7 q b 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，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。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 2 8 】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。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 2 9 3 1 中提出了接口 母线位置选择的一般标准，对于接口处波形畸变严重的系统，接口的选择需要向交 流网延伸，文中还提出了基于预估校正的并行时序交换方案。此外，加拿大r t d s 公司对基于r t d s 下的混合仿真进行了研究，提出了接口的f d n e 频变等值模型， 利用建立的混合仿真模型进行了仿真实验，并提出对于机电侧规模较大的网络可以 7 华北电力大学硕士学位论文 在等值化简后进行仿真计算。 2 0 0 4 年，中国电力科学研究院岳程燕博士在文献 3 2 3 4 1 q b 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【3 5 3 7 】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。仿真基于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。2 0 0 9 年，清华大学又有研究者基于r t d s ( 电磁侧网络计算) 和并行计算机( 机电侧网络计算) 完成了混合仿真实验，开发 了嵌入式接口通信平台，提出了数据交换并行交互过程中的预估校正机制。 机电暂态仿真方面，电力系统暂态稳定模型由描述发电机、电动机及控制器等 的微分方程组和描述电网络的代数方程组组成。常微分方程的解法种类很多，一般 解法是针对状态变量当前时间点的值及其一阶导数值的某种代数组合来逼近下一 时间点上的值。按照这种思路，目前形成的方法主要有改进e u l e r 法、龙格一库塔 法和隐式梯形积分法1 3 8 1 。动态仿真计算 3 9 4 5 】中阶数和步长的选取对于提高计算 效率具有重要意义。文献 4 6 4 9 从满足计算精度的角度出发，在阶数和步长选取上 做了大量工作。文献 5 0 5 1 根据局部截断误差从数学角度对不同变化速率的变量进 行分组，动态控制各变量分组之间的步长，有效地提高了计算效率。 目前国内外已经实用化的机电暂态仿真程序主要有【5 2 。5 3 】： 1 ) 中国电科院开发的电力系统分析综合程序( p s a s p ) ； 2 ) 改进的中国版b p a 电力系统分析程序； 3 ) 美国p t i 公司的p s s e ； 4 ) 瑞典a b b 公司开发的s i m p o w 程序： 5 ) 德国西门子公司开发的n e t o m a c 等。 这些机电暂态仿真软件可以研究的问题主要有：电压稳定问题、功角稳定问题、 电力系统小干扰稳定问题、短路电流计算。但是它们多是离线计算，在与电磁暂态 进行的实时混合仿真中尚不能很好的应用。 机电暂态程序开发是一个相对比较成熟的技术，上面介绍了一些成熟的商业化 软件，但是还有很多关于机电暂态仿真的新技术，主要是从优化程序设计原理、提 高计算速度等方面入手。 优化程序设计原理可以从根本上改善机电暂态仿真的开发难度以及计算效率， 文献【5 4 】介绍了采用面向对象的方法开发机电暂态程序的思想，用面向对象的方法 设计了发电机，励磁系统、原动机以及调速器系统、电力系统稳定器以及负荷。这 个文献将面向对象封装性、继承性、多态性思想引入暂态仿真，从设计原理上改进 r 华北电力大学硕十学位论文 了机电暂态仿真。文献 5 5 介绍了一种电力系统动态过程中发电机状态变量估计的 新方法，将发电机转子运动方程与外部网络解耦，进而给出对w a m s 实测功角轨 迹进行估计的模型，提出了相应的坏数据检测和剔除方法以及整体算法流程。真结 果表明该方法可以实时提供估计后的发电机状态信息，有效减小w a m s 量测数据 误差及坏数据的影响，为基于w a m s 的各种动态应用与实时控制打下了基础。 提高计算速度可以增加仿真规模，甚至于达到大规模电网实时仿真的效果，因 此恨多文献致力于提高机电暂态程序的计算速度，包括从计算原理上、从硬件设备 上增加计算速度，文献 5 6 】介绍了阐述了双向模块简化方法的基本原理，将其应用 到电力系统暂态仿真当中。按照双向模块简化原理对与电力系统中主要的发电机和 控制器等模型进行了推导。编写了电力系统暂态仿真程序，用以研究电力系统各种 故障情况下的系统稳定性。在不同规模的实际电网进行试算，计算结果与电力系统 暂态仿真软件的结果进行比较。比较结果说明本文提出的改进算法的正确性和有效 性。文献 5 7 】介绍了基于不完全l u 分解的预处理共轭梯度迭代法和直接求解法相 结合，提出了一种新的混合仿真算法。该方法的绝大多数计算均由基于预处理共轭 梯度法的迭代法完成，且结合了伪牛顿法的特点，具有较快的计算速度并易于在并 行计算平台上实现。文章 5 8 】介绍了基于p c 机群的电力系统机电暂态仿真并行算 法，综述和讨论了几种机电暂态并行算法，特别是在p c 机群上实现这些算法的有 利和不利条件，讨论了网络分割、线性方程并行求解、牛顿类算法和一些时间并行 算法。说明基于p c 机群的大规模电力系统机电暂态并行计算已经成为可能。文献 【5 9 介绍了从改善暂态稳定分布式计算数值系统收敛特性的角度，提出了基于积分 步初值估计和积分步内交接变量修正调节的改进方法，该改进算法在较大程度上提 高了暂态稳定仿真分布式计算的效率。 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和 机电暂态运算方法一定程度上解决了部分问题，但是目前混合仿真和机电暂态计算 也还存在一些问题，主要表现在： 1 ) 混合仿真采用的平台。当电磁侧和机电侧计算采用两种不同平台时，两侧 的数据交换多采用数模、模数转换的方式，这样的通信方法对硬件要求很高，且 误差较大，有延时，不利用实时混合仿真的实现。r t d s 作为准确的具有公认力的 电磁暂态仿真工具，在其上开发机电暂态仿真模型进而研究混合仿真是种很新的 思路。 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。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 结合国家“十一五 科技支撑计划“特高压输变电开发与示范子课题”项目课 题1 7 一一8 0 0 k v 直流输电对系统影响及仿真技术的研究子课题中的“基于 r t d s 的电磁一机电暂态混合实时仿真平台研究与实现”项目( 项目编号： 2 0 0 6 b a a 0 2 a 1 7 ) ，本文主要工作如下： 1 ) 研究电力系统各元件的动态特性和数学模型，包括发电机、励磁系统、原 动机及调速系统、负荷等元件以及变压器等，分析机电暂态仿真计算基本原理和仿 真计算过程； 2 ) 剖析r t d s 的建模仿真特点，总结c b u i l d e r 自定义模块开发环境的优缺点， 提出解决方法，实现在r t d s 下的机电暂态仿真； 3 ) 为进一步实现r t d s 下的电磁机电暂态混合仿真，提出机电暂态网络对电 磁侧的等值模型和计算方法； 4 ) 利用开发的机电暂态模型实现r t d s 下的电磁机电混合仿真，给出仿真算 例，并和全电磁模型进行结果对比分析。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章机电暂态仿真的基本原理和数学模型 电力系统的机电暂态过程与稳定性分析和电力系统各元件的动态特性有着密 切的关系。采用时域仿真法研究电力系统暂态稳定性时，需要将电力系统个元件模 型根据元件间的拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立微分方程组和代数方程 组，然后采用适当的数学方法进行求解，这就是通常的电力系统暂态稳定的分析方 法。为此，需要建立各种不同的电力系统元件的数学模型，由于分析精度和计算速 度不同，元件可采用的模型的精确程度也不一样。本章首先介绍了电力系统暂态稳 定计算的基本原理和仿真计算过程，然后分析建立了同步电机、励磁系统、原动机 和调速系统、负荷、电力网络等元件的数学模型。 2 1 电力系统暂态稳定计算基本原理 电力系统暂态稳定性是指系统突然经受大扰动后，各个同步电机能否继续保持 同步稳定运行的能力。通常所考虑的扰动包括各种短路故障、切除大容量发电机或 输电设备以及某些负荷的突然变化等。 在正常的稳定运行情况下，电力系统中各发电机组输出的电磁转矩和原动机输 入的机械转矩平衡，因此所有发电机转子速度保持恒定。但是电力系统经常遭受到 一些大干扰的冲击，例如发生各种短路故障，大的负荷、重要输电设备的投入或切 除等等。在遭受大的干扰后，系统中除了经历电磁暂态过程以外，也将经历机电暂 态过程。事实上，由于系统的结构或参数发生了较大的变化，使得系统的潮流及各 发电机的输出功率也随之发生变化，从而破坏了原动机和发电机之间的功率平衡， 在发电机转轴上产生不平衡转矩，导致转子加速或减速。一般情况下，干扰后各发 电机组的功率不平衡状况并不相同，加之各发电机转子的转动惯量也有所不同，使 得各机组转速变化的情况各不相同。这对角度的变化又反过来影响各发电机的输出 功率，从而使各个发电机的功率、转速和转子之间的相对角度继续发生变化。 与此同时，由于发电机端电压和定子电流的变化，将引起励磁调节系统的调节 过程；由于机组转速的变化，将引起调速系统的调节过程；由于电力网络中母线电 压的变化，将引起负荷功率的变化，网络潮流的变化也将引起一些其他控制装置( 如 s v c 、t c s c 、直流系统中的换流器) 的调节过程，等等。所有这些变化都将直接 或间接地影响发电机转轴上的功率平衡状况。 以上各种变化过程互相影响，形成了一个以各发电机转子机械运动和电磁功率 变化为主体的机电暂态过程。 11 华北电力大学硕士学位论文 电力系统遭受大干扰后所发生的机电暂态过程可能有两种不同的结局。一种是 各发电机转子之间的相对角度随时间的变化呈摇摆( 或振荡) 状态，且振荡幅值逐 渐衰减，各发电机之间的相对运动将逐渐消失，从而系统过渡到一个新的稳态运行 情况，各发电机仍然保持同步运行。这时，我们就称电力系统是暂态稳定的。另一 种结局是在暂态过程中某些发电机转子之间始终存在着相对运动，使得转子间的相 对角度随时间不断增大，最终导致这些发电机失去同步。这时称电力系统是暂态不 稳定的。当一台发电机相对于系统中的其他机失去同步时，其转子将以高于或低于 同步速运行，旋转的定子磁场( 相应于系统频率) 与转子磁场之间的滑动将导致发 电机输出功率、电流和电压发生大幅度摇摆，使得一些发电机和负荷被迫切除，严 重情况下甚至导致系统的解列或瓦解。 电力系统正常运行的必要条件是所有发电机保持同步。因此，电力系统在大干 扰下的稳定性分析，就是分析遭到大干扰后系统中各发电机维持同步运行的能力， 常称为电力系统的暂态稳定分析。 判断电力系统在预想事故下能否稳定运行，需要进行暂态稳定分析。当系统不 稳定时，还需要研究提高系统稳定的有效措施；当系统发生重大稳定破坏事故时， 需要进行事故分析，找出系统的薄弱环节，并提出相应的对策。 下面首先讨论电力系统暂态稳定分析的全系统数学模型的构成。 在电力系统稳定分析中，各元件所采用的数学模型，不但与稳定分析结果的正 确性直接相关，而且对稳定分析的复杂性有很大的影响。因此，选用适当的数学模 型描述各元件的特性，使得稳定分析的结果满足合理的精度要求并且计算简单，是 电力系统稳定分析中一个至关重要的问题。对于包含众多发电机、输电线路、负荷 及各种控制装置的实际电力系统，考虑到任何冲击后果的复杂性，使得各元件的建 模遇到很大的困难。所幸的是，各种现象时间常数的明显差别允许我们把注意力集 中在影响暂态过程的关键元件和所研究的区域。 在进行电力系统稳定分析时，由于在遭受干扰后电力网络的电磁暂态过程衰减 很快，因此忽略其暂态过程是合理的。采用这种简化后，电力网络的模型中就仅包 括代数方程。另外，在发电机定子电压方程中，p 和p 虬反映了定子绕组本身的 暂态过程，忽略这两项，意味着忽略了定子中的直流分量，因此定子中仅包含基频 电气分量，定子电压方程也就变成代数方程。很明显，同时忽略发电机定子和电力 网络的暂态过程，能够使得定子电压方程和网络方程保持一致，即均为代数方程， 且仅包含基频电气分量，因而可以用稳态关系式描述，这样做显然还使全系统微分 方程的数目大大减少，从而可提高系统稳定分析的效率。由于系统中所有的电气量 在交流系统中是基波交流分量的有效值，故可用相量描述；在直流系统中是直流分 量的平均值。描述各元件电压、电流关系的方程都为代数方程( 和潮流计算中