（电力系统及其自动化专业论文）电力系统仿真软件的比较研究.pdf

一一一兰些皇垄查堂堡主堂垡鲨苎 摘要 电力系统仿真软件在电力系统的计划、调度、运行的安全性与可靠性等方面， 都提供了强大的技术支持，已经成为电力系统研究、计算、运行的有力工具。一般 电力系统单位都已具有某种或某几种仿真软件的数据文件，因此在各种电力系统仿 真软之间实现系统数据共享是非常必要的。本文主要针法国电力公司e d f 和比利时 t r a c t e b e l 公司共同开发的电力系统动态仿真软件e u r o s t a 9 4 2 ，与华北电网使用 的由中国电力科学院开发的中国版b p a 程序进行了比较，主要是在模型、结构、软 件的灵活性等方面的比较，针对2 0 0 5 年华北电网数据，开发了b p a e u r o s t a g 的数 据转换程序，利用标准的i e e e 3 9 节点系统和2 0 0 5 年冬季运行方式下华北和东北联 网数据进行潮流结果的校验，验证了潮流数据转换的正确性。 关键词：e u r o s t a g ，b p a ，潮流计算，数据转换 a b s t r a c t p o w e r - s y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g ep l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l e si nt h e l a y o u t ，d i s p a t c h ，s t a b i l i t y , a n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i th a sb e e nap o w e r f u l t o o li np o w e r - s y s t e mr e s e a r c h ，c a l c u l a t i o na n do p e r a t i o n u s u a l l yt h e s ea r es e v e r a l k i n d so fd a t af i l e so fm a i n l yp o w e r s y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ei nad i s p a t c h i n g c e n t e r t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os h a r et h ed a t ao fa l lk i n d so fs o f t w a r e t h i s p a p e rs t u d i e st h e m a i nf u n c t i o n sa n dt h e s y s t e mp o w e r - f l o wo fa na n a l y z i n g s o f t w a r e p a c k a g en a m e de u r o s t a gd e v e l o p e db yt h ee d fa n dt r a c t e b e lo f b e l g i u m t h e nc o m p a r ew i t hb p ai nm o d e l ，s t r u c t u r ea n dad a t a c o n v e r s i o n p r o g r a mo fb p a e u r o s t a gi sd e v e l o p e di n t e g r a t e dw i t ht h ed a t ao fn o r t hc h i n a n e t w o r ki n2 0 0 5 t h ep r o g r a mi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v eb ya p p l y i n gi nt h es t a n d a r d i e e e 39n o d e ss y s t e ma n dt h en o r t h c h i n an e t w o r kc o n n e c t e dw i t hn o r t h e a s tc h i n a n e t w o r k3 0 0 9n o d e ss y s t e mi n2 0 0 5 s u nf e n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n ga n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e y w o r d ：e u r o s t a g ，b p a ，p o w e r - f l o w ，d a t ac o n v e r s i o n i 一 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统仿真软件的比较研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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：纽：i 圣日期： ，o 5 j i ； 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：盟导师签名_ 邀 日期： 0 印弓f 弓 日 期：挖3 ：! 够 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 电力系统在国民经济中有着非常重要的作用，随着电力系统技术的发展，针对 大型电力系统的仿真计算不仅为电力系统的规划，而且为电力系统的计划、调度、 运行的安全性与可靠性等方面，都提供了强大的技术支持，电力系统无法离开仿真 这个工具已是不争的事实。电力系统规划的方案是靠仿真得到的；新元件的接入、 运行方式的确定是用仿真结果作为依据的；新方法研究、新装置设计、参数确定是 用仿真来确认的。电力系统仿真软件已经成为电力系统研究、计算、运行的有力工 具。 当今国内外在电力系统仿真方面具有代表性的软件包括美国西部电力公司开 发的b p a 暂态稳定计算程序、加拿大和美国等e m t p t 作组开发的e m t p 电磁仿真计 算程序、德国柏林工业大学与西门子公司合作开发的n e t o m a c 仿真计算程序、中 国电力科学研究院开发的综合稳定计算程序、美国p s s e 电力系统仿真计算程序等。 上述电力系统仿真计算软件都具有各自的特点，在国内应用广泛。国内各调度局、 试验中心目前或拥有上述仿真软件中的几种，或需要添置某些新的软件，以满足现 今电力系统日益发展的需要。一般应用单位都已具有某种或某几种软件的数据文 件，例虫1 b p a 数据文件形式。如何运用已有的数据资源，准确快速的进行数据的整 理和编辑，是研究人员和工程师们经常遇到的问题。如果对每种电力系统分析软件 都从新填写一份数据，需要耗费大量的人力和物力，并且以人工方式填写数据，出 现错误的可能性也会很大，所以解决这个问题最好的方式是根据实际工作的需要， 编写一些数据转化程序，来解决这个问题。这些转化程序多是两种软件之间的数据 转换工具，根据特定系统数据的特点进行编写，来满足电力系统仿真计算工作的需 要。 另外，电力系统数字仿真就是用数学模型代替实际的电力系统，在计算机上用 数值方法对系统的运行特性进行实验和研究的过程。采用的数学模型正确与否通常 有三种方法进行验证，一是将仿真的结果与实际系统测量的结果进行比对，结果一 致则模型正确；二是通过事故的反演，把故障录波器等元件记录的系统故障数据利 用系统仿真软件进行系统故障的重现，能够重现系统故障情况，则说明仿真模型是 下确的：三是采用不同的系统仿真软件进行相同的计算，结果一致则结果正确。在 这种情况下，经常需要根据计算的需要进行系统数据格式的转换。 因此，编写数据转换程序使各种电力系统仿真软之间实现系统数据共享是非常 华北电力大学硕士学位论文 必要的。 1 2 电力系统仿真软件的介绍 目前国内获得广泛应用的电力系统仿真软件主要有3 大类： 1 机电暂态仿真，如中国电力科学研究院开发的p s a s p 、b p a 以及p s s e 等； 2 电磁暂态仿真，如e m t p 、a t p 、e m t d c 等； 3 数模混合实时仿真，妻n r t d s 。 其中机电暂态仿真类软件主要用于大型电力系统的分析研究，对实际电网的规 划运行起重要的作用。 1 2 1 电力系统分析综合程序p s a s p 电力系统分析综合程序p s a s p 是一套具有高度集成性、开放性的大型软件包。 p s a s p 与e x c e l 、a u t o c a d 、m a t l a b 等通用的软件包分析工具有方便的接口，可充 分利用其它软件包的资源。该软件在我国高校研究人员和电力系统现场都有广泛应 用。 p s a s p 结构分为三层，第一层是公用数据和模型的资源库，其中包括：电网基础 库、固定模型库、用户自定义模型库和用户程序库等。第二层是基于资源库的应用 程序包，包括稳态分析、故障分析、机电暂态分析和暂态稳定计算。第三层是计算 结果库和分析工具，软件进行各种分析计算后，生成的结果数据以多种形式输出或 转换为e x c e l 、a u t o c a d 、m a t l a b 等其他数据格式。 p s a s p 的功能主要有稳态分析、故障分柝和机电暂态分析。稳态分析包括潮流 分析、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析和静态等值等。 故障分析包括短路计算、复杂故障计算及继电保护整定计算。机电暂态分析包括暂 态稳定计算、电压稳定计算、控制参数优化等。 1 2 2 电磁暂态程序( e m t p ) 电磁暂态程序( e m t 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开发完 善形成的。现己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。我国于 1 9 8 0 年初在水电部计算机办公室的领导下，从美国b p a 公司引进了e m t p 程序，1 9 8 8 年通过电力部引进了微机版电磁暂态计算程序a t p 。中国电力科学研究院在引进的 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 华北电力大学硕士学位论文 化时各个频率下的稳态解，以求得网络频率特性。所计算的网络暂态过程包括：各种 电气设备和外来因素引起的暂态过程；由各种故障引起的故障暂态及由系统各种元 件参数的相互影响引起的谐振现象；控制系统和一次系统相互影响的暂态过程。还 可计算发电机不同期并网时，机组轴系扭动力矩。此外，还可根据需要将计算中得 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。 e m t p 由电磁暂态计算程序、辅助支持子程序及绘图功能子程序组成。主要包 括磁饱和曲线转换子程序( c o n v e r t ) ，变压器阻抗矩阵子程序( x f o r m e r ) ， 磁滞回线子程( h y s d a t ) 氧化锌避雷器子程序( a r r d a t ) ，线路参数计算予程 序( l i n e c o n s t a n t ) ，与频率相关的计算子程序( j m a r t i s e t u p ) 等。该软件 典型应用为计算电力系统在某个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时 问变化的规律。 e m t p 程序主要功能有： 计算网络的稳态解，也可把此稳态解再作为暂态计算的初始条件。计算网络中 交直流电源频率从厂m i n 至咿m a x 以步长$ 厂变到的各个暂态量在某一时间段进行傅里 叶级数分解，得到各次谐波分量。 e m t p 的应用： 1 电力系统电磁暂态计算：电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择， 高压并联电抗器的选择，氧化锌避雷器选择等； 2 电力系统的谐振过电压计算：计算由于磁饱和元件造成的铁磁谐振问题； 3 机电暂态计算：汽轮发电机的轴系扭振问题，发电机组的次同步振荡问题等。 1 2 3 n e t o m a c 程序 n e t o m a c 是德国西门子公司研制的电力系统仿真软件。自七十年代初期开始 经过多年开发和使用，现在n e t o m a c 程序较为完善，功能很多，在世界各国尤其 是欧洲拥有众多用户。 n e t o m a c 软件程序结构和特点： 1 程序元件模型健全该软件模型库几乎包含了当前电力系统所有的元件。 2 ，仿真频带宽，该软件既可模拟0 1 0 1 h z 雷电波的过程，又能进行电磁暂态、机电 暂态、稳态等电力系统过程的仿真计算。 3 功能多且强，该软件可进行潮流、短路、稳定、动态等值、电动机启动、参数 辨识、机组轴系扭振、优化潮流等多种计算。 4 n e t o m a c 的微机版本可以计算包含数千条线路和数百台发电机的大型网络， 能较好地满足大规模实际电力系统仿真的需要。 华托电力大学硕士学位论文 n e t o m a c 的主要功能： 1 潮流计算 n e t o m a c 除能进行常规三相潮流计算外，还可进行单相潮流计算。计算时可 考虑负荷电压特性、变压器分接头、h v d c 及s v c ：亦可进行电感、电容耦合的多 相线路潮流计算。 2 电磁暂态计算和机电暂态计算 电磁暂态计算中的电网络由微分方程描述，使用梯形积分法求解。机电暂态计 算着重研究电机的振荡过程，采用复阻抗描述电网，微分方程描述电机及其励磁系 统和调速系统；可用自定义的负荷模型考虑电压、频率特性。该软件在整个仿真计 算中，可分时间段采用不同的数学模型。 3 参数优化 参数辨识和优化是n e t o m a c 程序的一大特色，辨识在频域和时域内都可进行。 还可以进行负荷动态等值，能在等式、不等式约束条件下对用户自定义的目标函数 进优化。还能对发电机电压调节器的参数进优化，使其具有更好的动态性能指标。 甚至还可以解决一些较难优化的数学问题。 4 频率响应 n e t o m a c 可以计算网络和电机的频率特性，根据频率响应特性，可以为发电 机励磁调速系统的设计及脉动转矩影响下柴油发电机的参数设计提供依据及计算 无源网络的谐波分布。 5 模块化的仿真语言 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。 6 具有良好的开放性 通过b o s l 可嵌入用户自己编制的f o r 2 t r a n s n 言数学表达式、逻辑表达式和 子程序。 n e t o m a c 程序的应用： 德国西门子公司在新产品开发、大型工程项目设计、保护和自动装置测试中均 利用该程序设计校验，以保证工程项目的顺利完成。该软件除了常规的电力系统稳 态和暂态仿真外，还可以进行特殊情况的仿真，如模拟变压器合闸冲击时的瞬态过 电压，饱和、非饱和变压器卸载暂态过程，仿真高压异步电动机启动及退出时出现 的电弧重燃引起的过电压；研究机组轴系振荡等。该软件在我国部分高校科研人员中 应用。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 4 直流电磁暂态计算程序( p s c a d e m t d c ) 为了研究高压直流输电系统，d e n n i sw o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在加拿大曼尼托巴 水电局开发完成了e m t d c 的初版，随后在曼尼托巴大学创建高压直流输电研究中 心，多年来该直流输电研究中心不断完善了e m t d c 的元件模型库和功能，使之发展 为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功 能工具。特别是p s c a d 图形界面( g u i ) 的开发成功，使得用户能更方便地使用 e m t d c 进行电力系统仿真计算，而且该软件可以作为实时数字仿真器( r t d s ) 的 前置( f r o m e n d ) 部分。因其具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳 定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点，已经被世界各国的科研机 构、学校和电力生产部门电气工程师广泛使用。 f s c a d e m t d c 软件的主要功能： 逊行电力系统时域和频域仿真，还可以进行交流系统的谐波研究、暂态扭矩的 分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电 磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。e m t d c 程序具有“拍照”功能， 可记录下某个时刻系统中工作状态，为重新计算提供正确的条件，可以在此基础上 进一步研究系统的暂态过程。 p s c a d e m t d c 的应用： p s c a d e m t d c 典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间 变化的规律，此5 - p s c a d e m t d c 软件广泛应用于高压直流输电、f a c t s 控制器的 设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。 1 3 研究现状及本论文的主要工作 1 、研究现状 系统仿真软件e u r o s t a g 为大范围的系统研究打开了方便之门，不管系统规模有 多大，也不管什么类型的扰动( 电磁过渡过程除外) ，它能够显示出系统的行为直 到它回到稳定的状态。也可以对大型电力系统进行长时间的研究而不用改变模型。 除了通常仿真软件的一般功能以外，它还具有以下一些优点：可以对系统进行全时 间范围内的仿真，仿真时间可以从系统机电振荡开始到直到一天范围内的负荷变 化，这是目前国内所使用的其它软件所不具备的，仿真的范围也很全面；可以根据 用户的需要，在仿真过程中使用模糊同步综合的方法，自动修改仿真步长，可以同 时处理系统中变化比较快的现象以及慢得现象，可以真实得仿真系统的情况；有自 己非常丰富的标准模型库，用户可以直接调用、升级自己的标准模型库，也可以自 华北电力大学硕士学位论文 己定义新的模型；有非常良好的用户交互界面，提供了图形化的后处理程序，可以 从大量的数据中提取所需的数据进行详细的分析，也可以比较不同故障下同种曲线 的差异，还可以自定义曲线的坐标；提供开放的数据接口，并且可以和m t l a b 和 e x c e l 进行数据的输入、输出。 在国内，e u r o s t a g 仅在一些高校和科研院所中进行了应用，并没有在电力系统 实际生产运行部门进行广泛的应用。其主要原因是e u r o s t a g 所使用的发电机、感应 电动机和变压器模型和国内通常所使用的仿真软件如b p a 等有较大的差别，造成在 实际使用中存在一定的困难。另外，将现有的电网数据填入e u r o s t a g 也需要大量的 工作，这也是阻碍其在国内推广应用的原因之一。 对于e u r o s t a g 实际使用中存在的这些问题，研究人员已经进行了研究和解决。 现在已经针对华北电网数据所涵盖的元件模型，对于中国版的b p a 和e u r o s t a g 中的 潮流和稳定部分的发电机和负荷模型数据进行了比对，并编写了数据转换程序，用 华北网的数据进行了验证。但是对于变压器零序数据，由于b p a 中变压器模型比较 简单，数据提供的信息量少，在向e u r o s t a g 转换时，缺少相应的数据，所以该转换 程序并没有考虑变压器零序数据的转换。另外，完成了两种软件中的发电机和感应 电动机模型的等值理论推导和验证，并应用该软件进行了电力系统失稳后的稳定性 进行了分析、静态稳定极限计算以及对电力系统中长期稳定性进行了初步的研究。 在国外，e u r o s t a g 的应用已经比较广泛，在比利时和法国的国家电力调度中心 进行了现场应用。并且在l e , n 时的国家电力调度中心与s c a d a 系统相连接，用来 进行系统实时状态评估。另外，在控制中心的应用中，针对电压崩溃事故发生的可 能性，还可以进行在线的电压稳定评估；大停电和恢复过程的仿真；确定电网的转 移容量等。在互联系统的应用研究方面，e u r o s t a g 被用来对欧洲东西部系统的互联， 即欧洲联合电力系统u c p t e 与独联体国家电力系统的互联情况进行了研究。在新 技术方面，应用其对综合潮流控制器u p f c 、可控串联电容补偿器t c s c 、灵活交流 输电技术f a c t s 和超高压直流输电技术h v d c 进行研究。在防御性安全措施方面， 对于大范围的系统失步：系统低压减载、低频减载方面的措施进行了研究。当然， e u r o s t a g 还可以进行一些最基本的计算，如极限切除时间、无功管理等。 2 、本论文的主要工作 本论文的主要工作是学习使用法国电力公司e d f 和比利时t r a c t e b e l 公司共 同开发的电力系统动态仿真软件e u r o s t a 9 4 2 ，并将其和目前华北电网使用的由中国 电力科学院开发的中国版b p a 程序进行了比较，主要是在模型、结构、软件的灵活 性等方面的比较，针对2 0 0 5 年华北电网数据，开发了b p a e u r o s t a g 的数据转换程 序，利用标准的i e e e 3 9 节点系统和2 0 0 5 年冬季运行方式下华北和东北联网数据进 华北电力大学硕士学位论文 行潮流结果的校验，验证了潮流数据转换的正确性。 具体工作如下： 1 学习使用电力系统仿真软件e u r o s t a 9 4 2 ，掌握了该软件的主要功能和系统流程。 2 比较了e u r o s t a 9 4 2 和中国版b p a 在电力系统潮流计算等方面的差别。 3 对华北电力调度局提供的2 0 0 5 年冬季运行方式下华北和东北联网数据进行了分 析，将其中的数据格式，模型类别等进行识别。 4 分析了华北电网数据中所包含的b p a 模型与e u r o s t a g 中所定义的模型之间的一 一对应关系。 5 根据以上的分析结果，针对华北电网数据开发了b p a e u r o s t a g 的数据转换程序， 对原有的b p a 格式的潮流数据进行了转换，使之可以应用于e u r o s t a g 中进行潮 流的分析计算。 6 利用已有的i e e e 3 9 节点典型数据和2 0 0 5 年冬季运行方式下华北和东北联网数 据，验证了b p a 格式的潮流文件中的各个模型转换的正确性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力系统仿真软件b p a 及e u r o s t a g 介绍 2 1 电力系统仿真软件b p a 介绍 2 1 i b p a 程序概述 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 ) 计算方法开发组 自二十世纪6 0 年代初期开发的大型电力系统离线分析程序。该程序采用稀疏矩阵技 巧的牛顿拉夫逊法，并将梯形积分法运用于暂态稳定的计算，形成较为稳定的数 值解。目前电力系统多数单位所用的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，开发而成的中国版程序，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。 2 1 2 电力系统分析软件包b p a 总体概貌 平台： p s a p 界面 潮流计算界面 稳定计算界面 数据文件编辑器界面( t e x t e d i t ) 核心程序： 中国版b p a 潮流计算程序 中国版b p a 暂态稳定计算程序 辅助分析程序： 单线图格式潮流图程序( j o y ) 地理接线图格式潮流图程序( c l i q u e ) 稳定曲线作图工具( c u r v e m a k e r ) 潮流计算界面、p f a e x e 、单线图格式潮流图程序 j o y e x e 、潮流数据文件 上述各软件相互之间的关系及相关的输入输出文件： 华北电力大学硕士学位论文 + t 酶能 一 敬聃能 图2 1b p a 文件输入输出关系 程序算法： 潮流程序的计算方法采用p q 分解法和牛顿一拉夫逊法相结合，以提高潮流计 算的收敛性能，程序通常先采用p q 分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿一拉夫 逊法求解潮流。 程序主要功能： 1 基本功能 可进行交流系统潮流计算，也可进行包括双端和多端直流系统的交直流混合潮 流计算。 2 自动电压控制 多种类型的发电机节点电压控制。除一般的p q 、p v 及缓冲节点外，还具有发 电机远方控制高压等级母线电压等多种控制节点类型。自动投切电抗器和电容器电 压控制功能。自动带负荷调节变压器分接头电压控制功能。 3 联络线功率控制 通过自动发电控制( a g c ) 功能，自动控制联络线的功率交换为给定值。 9 华北电力大学硕士学位论文 4 系统事故分析( n 1 开断模拟) 用断线补偿法快速检查指定系统中的每个元件故障后的系统运行状态，找出系 统运行的薄弱环节，为电网运行、规划提供依据。 5 网络等值 可采用r e i 法，对指定区域进行静态等值，能保证等值网潮流结果与原始网一 致。 6 灵敏度分析 能够按指定的扰动量，给出功角、电压灵敏度以及线路功率、线路损耗、网损 等灵敏度分析报告。 7 节点p v 、q v 和p q 曲线 在系统旋加一定的电压、无功或有功扰动后，程序可自动给出p v 、q v 和p q 变化模拟曲线。 8 ，确定系统极限输送水平 可方便地使系统发电机出力和负荷成比例地增加或减少，以预测网络对负荷的 适应能力。 9 负荷静特性模型 可以模拟由恒定功率、恒定电流和恒定阻抗构成的静态综合负荷模型，用来模 拟电压变化对负荷的影响。 1 0 灵活多样的分析报告 程序可由潮流计算结果整理出1 6 种类型的分析和统计报告，也可由用户自己定 义分析报告。 1 1 详细的检错功能 程序中有9 0 0 多种检错信息，表示出错的原因及性质，便于用户根据检错信息 发现和纠正错误。 输入、输出相关文件： * d a t 潮流计算数据文件。 t b s e 潮流计算二进制结果文件( 可用于潮流计算的输入或稳定计算) 。 。p r o 潮流计算结果文件。 * m a p 供单线图格式潮流图及地理接线图格式潮流图程序使用的二进制结果文 件。 + p f f ，+ ，p f d 中间文件( 正常计算结束后将自动删除。不正常时，将留在硬盘上， 可随时删除) 。 p w r f l o d i s 储存一个潮流作业计算时屏幕显示的信息。 华北电力太学硕士学位论文 2 2 电力系统仿真软件e u r o s t a g 介绍 2 2 1 e u r o s t a g 程序概述 电力系统分析软件e u r o s t a g 是由法国的d e l 公司和比利时的t r a c b e l 公司 开发研制的。是目前世界上使用最为广泛的系统仿真软件之一。在我国，2 0 0 3 年5 月由华北电力集团公司引进。它使用预报校正型变阶、变步长的隐式积分算法， 能够根据截断误差自动调整积分步长，从而保证仿真计算的精度恒定。在一个长期 动态仿真中，时间步长可以在1 0 0 0 毫秒到几十秒之间变化。仿真的时间范围可以从 暂态、中期到长期，并且在仿真过程中不用改变模型。 2 2 2 电力系统分析软件包e u r o s t a g 总体概貌 图2 - 2e u r o s t a g 主界面 华北电力大学硕士学位论文 e u r o s t a g 各模块的主要功能： 1 d a t ac o n v e r s i o n 模块：该模块的功能主要有两方面，一方面可以将其它格式的 数据文件转化为e u r o s t a g 的格式，具体的说就是可以将i e e e 格式的潮流文件转 化为e u r o s t a g 格式，将p s s e 的数据文件、潮流文件和稳定文件，转化为e u r o s t a g 格式；另一方面它可以在e u r o s t a g 的内部进行数据转换，就是说，可以将计算 中产生的数据文件转化成我们可以阅读的文件，比如说潮流计算中产生的s a v 文件是一个表示网络结构的二进制文件，该模块可以将其转化为我们所熟悉的 潮流文件e c h 文件。 2 n e t w o r k e d i t o r 模块：该模块的功能主要有绘制网络结构图，网络的基本组件。 由此产生两个相应的文件，潮流文件e c h 和网络结构文件n w k 。根据仿真结果 和潮流文件e c h ，绘制网络结构图进行仿真结果分析。可以在图上显示潮流计算 和仿真计算的结果，显示每个元件的相关数值，也可以用不同的颜色标明。 3 f i l e se d i t o r 模块：该模块主要用来进行数据文件的编写和修改。使用该模块可 以在图形界面下添加或删除数据文件中的各个部分，如节点、支路、变压器、 发电机、负荷等等，而且可以选择各个部分的特性参数。这里可以建立的数据 文件有潮流文件e c h 稳定文件d t a 故障文件s e q 。 4 m a c r o b l o c km o d e l i n gt o o l 模块：一些元件的控制器部分，如发电机的励磁调节 器、调速器、可调分接头的变压器的控制等等，在该模块中可以用一系列的基 本传递函数模块搭接而成。传递函数中的很多参数需要提前设置，其中一些积 分过程也要对变量进行初始化，所以需要用该工具搭接两个模块g r m 和g r i ，其 中g r i n 是反映控制器功能的主模块，g r i 则是主模块的初始化模块，通过该部分 的编译功能，同时产生模块相应的参数表文件s p b 和供仿真计算使用的r c p 和p c p ，文件通过编译后，我们就可以将控制器部分加入到仿真程序中。 5 c o m p u t a t i o nm o d u l e s 模块：主要功能有两部分 1 ) l o a d f l o w 该模块主要是执行潮流计算的功能。经过计算可以得到潮流计算 结果的输出文件1 f 和供仿真计算使用的二迸制文件s a c 。 2 ) s i m u l a t i o n 该模块主要执行仿真计算的功能。执行该模块需要有三个相关文 件s a c 、d t a 、s e q 。对于d t a 文件，如果有相关的m a c r o b l o c k 则还需要相应 的r c p 和p c p 文件。计算结束后会产生一些供分析和保存的相关的数据文件 和计算结果的输出文件o u t 。 6 p o s t p r o c e s s o r 模块：该模块也叫e u r o s t a g a n a l y s i s 模块，它提供了一个图形显示 仿真计算结果的平台。可以显示仿真过程中节点电压、线路电流、功率以及相 角等变量的变化曲线。通过它，我们可以直观的了解系统变量在仿真过程中的 变化。 7 t a b u l a ro u t p u t s 模块：与分析模块相比较，该模块可以提供更精确的变量值，以 12 兰! ! 皇查查堂堡主堂焦堡塞 表格的形式给出。它也可以在大量的结果数据中提取一定特征的数据集，如网 络中节点电压在一定范围的节点等。 上述各模块相互之间的关系及相关的输入输出文件： 图2 - 3e u r o s t a g 文件输入输出关系 e u r o s t a g 程序的结构和功能特点： e u r o s t a g 是电力系统中长期稳定计算软件，使用范围广泛，可以覆盖电力系统 从机电振荡到负荷变化的暂态、中期和长期稳定的所有问题，其主要功能如下： 1 可以考虑电力系统中所有可能发生的动作，包括励磁调节器、调速器、各种继 电保护和自动装嚣等，用户可以根据实际情况和要求尽可能地将仿真计算接近 于运行实际。 2 对一些较先进但目前使用较少的技术，如i f a c t s 、s c 、t c s c 、h v d c 等，e u r o s t a g 1 。 华北电力大学硕士学位论文 均有专用的模型及完备的控制措旋，不需要用户做任何等值或近似的处理，简 单准确。 3 除了可以进行动态仿真计算外，e u r o s t a g n 以对故障极限切除时间进行自动搜 索，减轻了使用人员的重复工作量。另外，该软件还能够计算特征值，为稳定 分析提供依据。 4 优良的计算性能。e u r o s t a g 采用变步长搜索法，兼顾计算速度和计算准确度 的双重要求。 5 友好的使用界面。用户直接从元件库中选择元件，构建电力网络的单线图，输 入对应的元件参数后即可进行计算。对于励磁调节器、调速器、p s s 等控制逻辑， 用户可以根据实际需要自行构建，而不是拘泥于几种典型的结构，因而也具有 广阔的使用前景。 6 人性化的设计和自动语法检查。e u r o s t a g 可以对用户输入的元件参数进行自 动的越限检查，诊断出用户数据输入过程中的错误。 e u r o s t a g 的应用范围： 确定临界故障切除时间； 检测各种扰动后系统的同步性； 自动减载策略研究； 非正常运行状态下的事故分析( 预防性安全措施) ： 系统处于紧急状态或极端状态下( 电压崩溃、失步、再同步) 的行为： 系统运行点下，发电机、调节器和输电系统的动态稳定性： 局部控制系统( 调速器、自动电压调节器、变压器分接头控制等) 的设计和调 制； 设计、协调和调整发电厂及输电网络的保护系统； 设计集中的控制和保护系统； 新技术的可行性研究； 工业系统的分析等。 2 3e u r o s t a g 和b p a 的比较 这里的比较主要是指两个软件在潮流计算分析方面的比较。所用的版本是 华北电力大学硕十学位论文 e u r o s t a 9 4 2 和中国舨b p a 基于w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 平台2 1 版。 1 数据的输入： b p a 主要是通过数据卡片来建立或修改系统，通过直接在数据文件上修改参数 值来完成各种操作。潮流计算的d a t 文件和稳定计算的s w i 文件都是可以用b p a 自 带的文本编辑器来修改。e u r o s t a g 界面很友好，菜单式的主界面，用户可以根据具 体的需要从界面上修改数据而不是直接修改数据文件。e u r o s t a g 的数据文件分3 块， 潮流文件、稳定文件、故障文件，每个文件都可以通过友好的界面进行创建和修改。 但是b p a 数据的默认格式比较复杂，在人工进行识别时很不方便。 2 数据类型设置： 1 ) b p a 潮流文件中，节点类型比较多，也比较复杂，而e u r o s t a g 中的节点类 型很简单。 2 ) b p a 中传输部分的变压器类型比较单一，只有双绕组一种如果是三绕组变压 器，必须按常规方法化为三台两绕组变压器，才能模拟，这样对于大的系统 来说，节点数增加了和实际情况有些脱离。e u r o s t a g 中变压器模型很丰富， 包括了双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器，并且还分为简单模型和 详细模型。 3 ) 在潮流文件中，b p a 的负荷模型采用恒功率、恒电流和恒阻抗模型，模型比 较丰富，e u r o s t a g 在潮流计算中仅有恒功率负荷模型一种，相对比较简单。 4 ) 在潮流计算中，b p a 具有数据修改卡，可以对全网或者部分网络的发电出力 或者负荷按指定的百分数进行修改，使得数据的修改更加灵活，e u r o s t a g 则 不具备此项功能，因此对于大范围的此类修改相对来谎会比较困难。 5 ) 对于电容器和电抗器等补偿设备，在e u r o s t a g 中具有专门的原件模拟，而 b p a 中则不具备此类原件，需要在节点的对地并联负荷中填写或是通过不对 称线路进行填写。 3 潮流计算： b p a 计算潮流时，由于电网中不同变量的容许误差并不是相同的数量级，比如 收敛时线路潮流的容许误差数值上远远大于节点电压的容许误差，b p a 可以这些不 同性质的状态变量分别设定容许误差，而e u r o s t a g 对所有的状态变量值设定一个容 许误差。由此可以看出，e u r o s t a g e p 设定的容许误差不必太严格就可以达到所要求 的结果。如果容许误差值设定得太小，将会造成计算时间的巨大浪费，同时还有可 能造成系统收敛困难。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 华北电网数据从b p a 到e u r o s t a g 的数据格式转换 3 1 潮流部分b p a 数据格式和类型的识别 b p a 潮流数据的填写是基于卡片格式的。例如： p r o p e r c y iv a l u ei jj ? ? ：_ i 固c a e dt y p e ( 1 ，1 ，a 1 ) b 圈必须为空( 2 ，2 ，a 1 ) i a l 修改码( 3 ，3 ，a 1 ) 剧所有者( d ，6 ，i 3 ) 刨b u sn a m e ( t ，1 4 ，a 8 ) l a 安定s 1 f l b u sb a s e ( k v ：) ( 1 5 ，1 8 ，f 4 0 ) 3 t o l a l z o n e 。分区名( 19 ，2 0 ，a 2 ：) a 吲恒定有功负荷( 删) ( 2 1 ，2 5 ，f 5 o ) f f l 恒定无功负荷( m v a r ) ，十表示感性( 2 6 ，3 0 ， 1 f l 并聪导纳有功负荷( 唧) ( 3 1 ，3 4 ，f 4 o ) 同并联导纳无功负荷( 胛螈) ，十表窖性( 3 5 ，3 8 1 3 5 【f i 最大有功出力p m 强( 删) ( 3 9 ，4 2 ，f 4 o ) fl 实际有功出力p g e n ( m ) ( 4 3 。4 7 ，f 5 o ) 园壹排的无功出力值，。嚎窑性c 4 8 ，5 2 ，：f 5 o ) 同无功出力最小值( 肘墟) ，此处螭o ( 5 3 ，5 t ， i f l 安排的电压值或v m 挂( 标么值) ( 5 8 ，6 l ，h 3 ) f l 安排的1 n ( 标矗值) ( 6 2 ，6 5 ，f 4 3 ) l确定暖取捅”l 华北电力大学硕士学位论文 4 )b g 为p v 节点( 其为发电机节点) ，缺省电压在o 9 5 1 15 之间变化，并 去控制b c 节点的电压。其无功q 也有限制，当q 越限时，终止电压控 制。被控节点不可以是平衡节点、b g 节点或者其他已处于被控状态下 的节点。 5 )b q 为p v 节点，但节点无功功率有限制值：q m i n q q m a x ，当节点无 功越界时该节点自动转化为p q 节点。 6 ) b c 为p q 节点，但节点电压受某些发电机节点控制。 7 )+ 号卡为延续节点数据卡，该卡用于补充交流节点的数据，指定在节点 上附加的发电出力、负荷、并联导纳负荷，并可补充数据的分类和使用 情况，以及模拟负荷静特性的功能。每个节点可以有多个延续节点数据卡， 但必须在次要的标识符中做出说明。 2 、线路卡： 在b p a 中，有l 卡、e 卡两种。 1 ) l 卡为对称线路数据卡，该卡用于模拟对称的n 型支路。在模拟母线之 间连接线或者母线的常闭分段断路器时，可使用电抗值x = 0 0 0 0 1 ( 标么 值) 的一条线路。一般情况下，支路x 的最小值为o 0 0 0 0 5 。 2 )e 卡为不对称线路数据卡，该卡可用于模拟不对称的兀型线路，即具有 不均匀分布参数的输电线路，例如装有电抗器或电容器并联补偿设备的 线路。 3 变压器： 在b p a 中，t 卡为变压器数据卡，模拟的是双绕组变压器。三绕组变压器先按 常规方法化为三台双绕组变压器后再用此卡模拟。变压器抽头为固定的，如果抽头 为可调的，则要附加填写r 卡。 4 数据修改： b p a 数据p z 卡为节点数据修改卡，按分区进行百分数修改，此卡跟在子过程 语句c h a n g e s 之后，对指定分区内的交流节点和延续节点的负荷和发电出力及负 荷按给定的因子修改。 修改公式是：新的注入量= 老的注入量修改因子 如果空白或者填1 o 因子表示保留原值。 3 2 e u r o s t a g 数据格式和类型的识别 潮流和故障文件可以在f i l e e d i t o r 中直接输入，其中潮流文件还可以由n e t w o r k e d i t o r 可视化产生。最后形成的潮流文件为e c h 文件，用于进行系统潮流仿真计算。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2e u r o s t a g 编辑界面 1 节点： e u r o s t a g 节点类型分为p q 节点、p v 节点和平衡节点。起始行第一个字符1 表示数据类型为节点数据，后面各列根据定义分别写入各个子类型的值，节电名称、 节点所在区域、节点电压、节点相位、节点并联有功损耗、节点并联无功损耗等。 由于p v 节点和平衡节点的特殊性，在定义完节点后，还有再填写一行来分别定义 该节点。p v 节点在该行填入节点名称、无功的上下限，节点类型标识为1 平衡节 点则填入出初始相角和电压，节点类型标识为“3 ”。 2 线路： e u r o s t a g 线路类型分为对称线路、不对称线路两种类型 对称线路，用于模拟对称的n 型支路，不对称线路用于模拟不对称的兀型支路。 正常情况下，默认的线路最小电抗值x = 0 0 0 0 2 ( 标么值) 。如果