（电力系统及其自动化专业论文）面向对象的电力系统暂态稳定仿真系统研究.pdf

五原理1 _ = 大学坝1 ：ty t 究生学位泛文 a b s t r a c t w i t ht h ef a c t t h a tp o w e rs y s t e ms o f t w a r eh a se v o l v e dt ob es o c o m p l i c a t e dt h a ti ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yd i f f i c u l tt om a i n t a i na n de n h a n c e t h es o f t w a r e t h i st h e s i sh a sm a d ea ni m p o r t a n ta t t e m p tc o n c e r n i n gt h e a p p l i c a t i o no fo b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u e ( o o t ) i nt h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ms o f t w a r e t h em a i ns u b j e c ti sf o c u s e do nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t y s i m u l a t i o no fp o w e rs y s t e mu s i n go o t t h et h e s i sh a sm a i n l yf i n i s h e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： a no b j e c t o r i e n t e dm o d e lo fp o w e rs y s t e mi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e d e t a i l e dd y n a m i cm o d e l i n go ft h ec o m p o n e n t si np o w e rs y s t e m t h em o d e li s p e r t i n e n tt ot h er e a lc o n d i t i o no fp o w e rs y s t e ma n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f g r e a tg e n e r a l i t ya n df l e x i b i l i t y b a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dm o d e lf o u n d e d ，a no b j e c t o r i e n t e d p o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n a l y s i sp a c k a g ei sd e v e l o p e d u s i n gv c 十+ p r o g r a ml a n g u a g e b o t hc o m p l i c a t e da n ds i m p l em o d e lo ft r a n s i e n ts t a b i l i t y a n a l y s i sa r ei n t e g r a t e di nt h es o f t w a r e ，a p p l y i n gt h em o d e lo fe a c hc o m p o n e n t t od i f f e r e n td e g r e eo fp r e c i s i o nr e s p e c t i v e l y j o i n e dw i t ht h ep o w e rs y s t e m d i a g r a me d i t o r ，t h et r a n s i e n ts t a b i l i t ya n a l y s i sc a nb ec a r r i e do u ti nag r a p h i c a l w a y s o m ea u x i l i a r y , m o d e l sa r ei n t r o d u c e d ，s u c ha st h ec l a s s e so ff a u l t i n f o r m a t i o na n ds w i n gc u r v e s ，e t c t h e s em o d e l st u r no u tt ob ee s s e n t i a lt o m a k et h ep r o c e d u r eo ft r a n s i e n ts t a b i l i t ys i m u l a t i o nv i v i da n di n t u i t i o n i s t i c w i t ht h es w i n gc u r v e so fd i f f e r e n tv a r i a b l e sd u r i n gt h et r a n s i e n tp e r i o db e i n g s h o w e da n dp r i n t e dc o n v e n i e n t l y t h eo b j e c t o r i e n t e d p o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t ys i m u l a t i o n s o f t w a r e p r o v i d e s av i 、i da n df r i e n d l yn l a n m a c h i n ei n t e r f a c ef m m i ) a c c o r d i n gt ot h et e s lo fag i v e ns y s t e m ，t h ew h o l es o f t w a r ei sp r o v e dt oh a v e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e c i s ec a l c u l a t i o na n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，w h i c h f u r t h e rp r o v e st h ei m m e n s ep o t e n t i a l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no fo o ti nt h e d e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ms o f t w a r e k e y w o r d so o t ( o b j e c l o r i e n t e dt e c h n i q u e ) ：p o w e rs y s t e m ；t r a n s i e n t s t a b i l i t y ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 第一章绪论 l - 1引言 第一章绪论帚一早三百了匕 电力系统的一个显著特点是电力系统在运行中有可能面临突发性的 事故扰动，电力系统承受这种突发性事故扰动的能力被称为电力系统的 稳定性。稳定性是电力系统的个非常重要的特性，而稳定性分析则是 电力系统的三大分析计算功能( 包括潮流计算、故障训算和稳定计算) 之一。，且稳定性问题在建模和求解方法上要远比其它二者复杂，电力系 统的动态建模本身就是一个内容丰富而又十分复杂的课题，本文的目标 则是致力于开发一套比较完整的电力系统暂态稳定仿真软件。 随着软件规模的日益庞大和结构的日益复杂，用传统的结构化程序 设计方法进行软件开发面临着日益突出的开发效率低、软件可重用性差、 难以维护和扩充等问题，因而导致了所谓的“软件危机”。2 0 世纪8 0 年 代初，面向对象技术( o o = i _ o b i e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y ) 作为一种新的 程序设计技术越来越被人们所了解和重视，其以独特的封装性、继承性 和多态性为软件工程带来了一场变革，同以前的结构化技术相比，其具 有能更好地抽象现实世界、软件开发效率高、软件运行可靠，软件调试、 维护和扩充方便等优点，因此，面向对象技术将成为新+ 代的占主导地 位的软件工程技术。 电力系统高级应用软件既是大型的软件工程，又是系统工程。随着 电力系统的发展，无论是电力系统的分析和应用软件，还是管理、监视 和控制等系统，其规模都越来越大，软件的开发工作量也随之加大，但 是受迅速发展的硬件的影响，软件的生命周期越来越短，这就为软件版 本升级和移植带来了巨大困难，为此，一些学者提出将面向对象的方法 引入电力系统应用软件开发领域，以提高软件的灵活性和可移植能力 一f 。目前，面向对象技术在电力系统软件设计中的应用主要集中于专 家系统、知识库等的建立，用于数字计算的较少，本文则尝试将面向对 第【 太原理t 人学碗上研究生学位论文 象技术用于电力系统暂态稳定仿真系统的开发。 1 2 o o t 简介 面向对象技术不仅是。种新的程序设计技术，还是一种全新的软件 设计思维方法，其基本原理是：按问题领域的基本事物实现自然分割， 按人们通常的思维方式建立问题领域的模型，设计尽可能直接自然表现 问题求解的软件系统5 1 。因此，面向对象技术引入了对象( o b j e c t ) 来表 现事物、用消息( m e s s a g e ) 来传递和建立事物间的联系；类( c l a s s ) 和 继承( i n h e r i t a n c e ) 性是适应人们一般思维方式的描述模型。 1 2 1 基本概念和特征7 1 1 、对象和消息 对象是具有特殊属性和行为方式的实体，而消息则是指可在对象上 执行的操作。在面向对象的程序设计中，对象是系统中的基本运行实体， 对象之间通过传递消息进行联系，即每个被接收的消息将引起一个对应 操作的执行，并由接收消息的对象解释该消息的执行。 采用对象的概念有两种好处：一是促进对现实世界的理解；二是为 计算机实现提供实际基础。对象提供一组操作供外界通过消息驱动观察 和改变对象的属性值和对象的内部状态，而对象属性值的改变是功能模 型的反映，对象内部状态的改变则是动态模型的反映。 2 、类和实例 类是表示多个对象的模板，是对具有公共特性的多个对象的一种抽 象描述，由类生成的对象称为该类的实例，因此常常将对象和实例作为 同义词来使用。实例对象是在程序执行过程中由类动态生成的，一个类 可以生成许多实例对象，类是一个静态概念，而对象则是一个动态概念。 虽然一个特定的类的所有实例呈现共同的行为，但它们并不是完全 相同的，它们在接口和实现上是同一的，然而每个对象拥有自己的状态， 第2 页 第一章绪论 并且该状态依赖于在对象上所进行的操作调用而随时间变化。 3 、继承 继承是面向对象设计的关键概念之一。一个类上层可以有基类，下 层可以有派生类，所谓继承便是指派生类可以完全获得基类的所有数据 和方法，其实质是如何从已存在的类构造新类，即让新类继承已存在的 类以达到最大程度的重用。 通过继承机制，我们可以比较类之间的相似性，并可以描述类和其 派生类之间的相似性，同时又可以很好地控制系统的变化性：派生类继 承了基类的属性和操作，同时也声明了新的属性和新的操作，剔除了那 些不适合于其用途的继承下来的操作。这样，继承可以使人们重用基类 的代码，专注于为派生类编写新代码，从而有效地避免了代码重复，降 低了程序的开发费用，大大提高了程序的可重用性和可扩充性。 4 、封装 封装是整个面向对象技术的基础，主要用于数据外围构造保护层， 限制外界变化的影响，所有的数据访闽都由保护层内过程间接处理。对 象提供给外界的只是与其他对象的接口，对象的使用者只能通过消息来 访问该对象。 封装机制使得对象的设计者与使用者可以分开，使用者不必知道对 象行为的实现细节，只需用设计者提供的消息来访问对象，这样保密性 很强，同时由于对象功能的修改、完善、扩充等操作均限于对象内部， 而不对外界产生影响，从而有力地保证了使用面向对象技术所开发的软 件具有良好的可维护性。 5 、多态和多态束定 多态的含义是指一个消息可以与不同的实例结合，并且这些实例属 于不同的类，或者说对于相同的消息，不同类的对象可以有不同的响应。 多态是靠面向对象程序语言的动态束定特性所支持的，动态束定是指函 数调用与其所执行的代码的束定工作是在程序执行时d 。进行。与动态柬 搀3 豇 太腺理工大学蛳士研究生学位论文 定相对应的是静态束定，静态束定的束定工作是在程序编译时即完成了 的。 多态是面向对象技术中的一个非常重要的概念，同一消息可以用不 同方法解释，由消息的接收者确定该消息应如何解释，而不是由消息的 发送者确定，消息的发送者只需知道另外的实例可以执行一种特定操作 即可，这一特性对于可塑系统的开发是特别有用的工具，因而非常有利 于对象模型的设计，使得程序有很强的灵活性和可扩充性。另外，由于 多态性增加了一些数据存储和执行指令的代价，使得运行效率有所降低， 这是多态性的一个缺点。 1 2 2o o t 的优点 o o t 以一种更加接近于人类思维过程的方法来描述和处理现实世界 的各类问题，其作为一种新颖的技术，有着传统开发技术所无法比拟的 优越性。 1 、可维护性强 o o t 使开发人员摆脱了具体的数据格式和搡作的束缚，可以集中精力 去研究所要处理的对象，并且数据抽象和信息隐藏等机制使得对象的内 部与外部隔离，对象模块的独立性很高，新的对象可以通过继承已有的 对象数据结构和操作来建立。因此，采用o o t 所建立的可维护性的软件 系统比传统的结构化方法更具灵活性与扩充性。 2 、可重用性高 软件的可重用性包括使用可重用的软件成分或软件系统，经过些 局部性的修改并保持整体稳定性以适应新的环境和应用需求。可重用性 不仅包括编程，还包括软件设计成分的重用，并且，设计时期的软件重 用要比编程时的软件重用更为重要。 o o t 的软件可重用性要比传统的结构化方法好得多，在o o t 方法中， 对象的数据和具体实现细节是包含在对象内部的，用户与对象间的通信 第一章绪论 只能通过发送消息来进行，对象间的独立性很强。虽然结构化方法也强 调模块的高内聚和低耦合原则，但是这些原则很难应用到实际问题中去， 其只能通过不断地修改模块结构图来努力提高模块间的独立性。 3 、效率高 用o o t 开发软件的生产率要明显高于结构化方法。由于o o t 具有很 高的代码可重用性，采用o o t 的程序设计所产生的程序代码要比面向过 程的结构化程序设计产生的程序代码少得多，因为对象具有继承性的特 点，功能的增加和修改只需通过类的继承和派生增加或重载一些操作就 可以了，其基本的对象结构并不发生变化。 另外，用o o t 提高软件生产率主要是恰当地利用为各种应用所开发 的类库。类库是一种可重用的软件资源，在软件开发和维护过程中充分 利用类库来进行设计和代码编程，节省了建立、改善以及研究这些类库 的过程，从而大大减少开发的工作量，软件质量也得以提高。 4 、可读性好 o o t 的出发点和基本目标是使描述问题的问题空间和解决问题的方 法空间在结构上尽可能一致。面向对象的分析与设计方法有利于开发人 员和用户之问的交流，有助于使有关开发人员与用户从一开始就考虑程 序的易理解性、易维护性及软件质量等因素，便于开发小组人员之间的 合作，避免重复工作。 1 2 3 采用o o t 设计软件的主要步骤 面向对象的软件开发模式主要由以下三个步骤组成：( 1 ) 面向对象 分析( 0 ( ) a 珈b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s ) 。该阶段的任务主要是了解问 题域每个问题所涉及的对象、对象问的关系和操作，然后构造该问题的 对象模型，力争使该“模型”能够真实地反映所要解决的“实质问题”， 从而实现现实世界到概念模型的面向剥象转化；( 2 ) 面向对象设计( o o d o bj e c t - o r i e n t e dd e s i g n ) 。该阶段的任务是设计软件的对象模型，根 第5 甄 太臆理工 学坝土研究生学位论文 据开发环境，在软件系统内设计各个对象、对象问的关系以及对象间豹 消息模式，是实现概念模型到计算机模型的面向对象转化过程：( 3 ) 面 向对象实现( o o i - - o b j e c t o r i e n t e di m p e m e n t a t i o n ) 。该阶段是将没 计阶段所形成的对象类利关系最后转换为特定的计算机语言的过程，从 而最终用面向对象的编程实现该模型。 需要指出的是，采用面向对象技术进行软件开发作为一种新的思维 方式，面向对象分析和面向对象设计对整个软件系统的质量具有举足轻 重的作用，只有在整个过程中始终贯穿面向对象的思想，使现实世界中 的对象和特性最终和计算机模型中的类和方法一一对应。整个系统才会 具有很好的可读性和可维护性。另外，在实际应用中，以上三个阶段并 不是截然分开的，建立一个完善的面向对象系统的模型往往需要反复的 修改，这是因为对象属性和行为的确定、描述对象的数据结构的确立等 等不仅仅要考虑问题本身的影响，还要考虑实际实现是否方便等因素， 因此，整个软件的程序设计也是一个不断修复和完善的过程。 1 3 0 0 1 在电力系统软件开发中的应用 随着电力系统的发展，无论是电力系统的分析和应用软件，还是管 理、监视和控制等系统，其规模均是越来越庞大，如果仍采用面向功能 的方法进行软件设计，就会使这些系统的开发、修改和扩充越来越困难， 不必要的重复越来越多，生产率很难提高。o o t 是一种用来解决大型软 件的扩充、维护和更新的新技术，从而为解决上述问题提供了可能。早 在2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，一些学者就提出将面向对象的方法引 入电力系统应用软件开发领域，以提高软件的灵活性和呵移植能力“。 随着实践的深入，逐渐有一些实际系统开始应用面向对象的思想进行设 计，并且取得了良好的效果。有关o o t 在电力系统软件开发中的应用， 已有不少文献在不同方面进行了尝试。 1 3 1o o t 在电力系统应用软件设计中的应用 第6 虹 第一章绪论 文献 1 首先将面向对象程序设计引入电力应用软件p a s ( p o w e r a p p l i c a t i 0 1 qs o f t w a r e ) ，作者以潮流计算的程序设计为例，介绍了o o t 的应用，详细讨论了电力系统模型的类表示和潮流算法的面向对象实现， 该文献还表明了对象模型建立的好坏对系统性能的影响很大。文献 2 利用所建立的对象模型进行网络拓扑处理和潮流计算，充分发挥了对象 的消息传递特点，其优点是实现了数据库、人机界面和网络分析的统一 设计。文献 3 针对a c 潮流和d c 潮流问题进行了面向对象的对象建模， 所建的对象模型能充分地同电力系统的特点相结合，建立了有效的电力 系统仿真平台。此外，还实现了对任何类型的稀疏网络方程的求解，系 统最后采用c + 十实现潮流程序，实现中充分利用了面向对象编程继承的 优点。测试结果表明其速度显著地快于采用非o o t 的f o r t r a n 潮流程序， 从而打消了采用o o t 会造成系统性能下降的疑虑。 文献 4 及文献 8 卜 1 0 致力于将0 0 t 应用到电力系统分析与安全控 制中。文献 4 提出了一个大对象的概念，应用通过一个执行者作用于大 对象。该文献建立了一个配网的大对象模型，实现了一个配网系统的分 析控制中心。文献 8 提出了适合电力系统安全分析的面向对象电力系统 模型结构，并以实例说明了面向对象编程的优点：灵活性、模块化和软 件重用等。其阐述了虚函数或动态束定等的面向对象技术特征在电力系 统建模中的应用，并提出了运用电力系统对象模型渐进开发电力系统安 全与最优分析软件包的方法，利用其类层次递阶关系，后继的应用很容 易在已有软件的基础上通过进化的方式开发出来，从而节约大量的开发 时间，并减轻了以后软件维护的工作量。文献 9 非常严格地依据面向对 象的建模技术和方法论，通过面向对象分析、面向对象设计和面向对象 程序设计，实现了一个电力系统的恢复控制软件包。文献 1 0 根据电力 系统应用提出物理对象、应用对象和概念对象，物理对象构成一个对象 数据库，应用对象和概念对象通过接口与物理对象作用，物理对象的封 装性确保了系统修改和扩充的灵活性。 o o t 在电力系统专家系统和智能软件开发中的应用也已成为一个研 究的重点。o o t 技术在人1 智能软件设计中已有许多应用的例子，主要 有故障诊断“、警报处理“”i ”。、电网继电保护运行和管理”等。文献 太原理上火学硕卜研究生学位葩史 1 3 卜 1 5 根据开发报警处理专家系统的要求，对系统的各个阶段进行了 面向对象分析，建立了适合报警处理的对象模型，其对于开发面向对象 的电力系统专家系统有一定的参考价值。文献 1 6 以采用o o t 开发一个 电网继电保护运行和管理专家系统为例，讨论了应用o o t 进行电力系统 专家系统开发时的一些关键问题，如对象的确定、知识的表示以及基于 消息传递的推理机制等。已有的经验表明，由于o o t 以更接近于人类分 析、解决问题的思维方式进行软件的开发，其非常适合于人工智能软件 的实现、集成、查错、修改和扩充等，从而必将大大简化人工智能软件 的开发、维护、扩展等过程。 1 3 2o o t 在数据库系统中的应用 数据库管理系统( d b k s ) 在现代电力系统的应用软件中占据着重要 的地位，软件所有的分析功能、图形界面等都通过它存取数据。以往的 电力系统应用软件一般都采用专用数据库，其具有较高的数据交换速度、 较大的信息量和分散的数据特性，以满足实时运行性能要求。但是方 面由于当前电力系统体制的重大变化和电力市场的逐渐引入，电力系统 行政上具有了明确的分布性特点，另一方面由于系统的深度互连，要求 计算必须考虑全系统的工况，这就要求建立一个分布式开放的 e m s s c a d a m i s 综合系统，其数据库管理系统要有开放性，以用来满足 电力系统应用软件不断发展的要求。 随着面向对象概念的引入，由于电力系统应用软件不断发展的需求 与o o t 的概念和方法不谋而合，从底层开发完整的面向对象的数据库管 理系统o o d b m s ( o b j e c t o r i e n t e dd a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 已 成为目前研究的热点“7 “1 。文献 1 7 采用o o t 设计的一个数据库系统可 以适用于e m s d m s 的多种应用。文中给出了其实现的主要数据结构、 与高级应用程序的接口和数据访问方法。文献【1 8 给出了开发一个面向对 象的e m s 数据库的思路，依据陔思路设计出的数据库大大节省了对存储 空间的需求，方便了各种应用程序对数据库的共享，使得e m s 各种功能 之问的协调和增加新的功能非常方便。该文强调了数据库在e m s 中的核 第一章绪论 心位置，任何应用之间的协调都是通过数据库之间的映射转换来完成的。 应用o o t ，既可以用来对传统的层次、网络和关系型数据库进行封装， 也可以设计全新的面向对象型的数据库。前者只实现一个核心的数据库 系统部件，然后根据不同的应用再开发不同的前端应用程序，从而可以 实现各种不同应用的o o d b m s 版本；后者则支持各种非传统功能，且针对 性强，效率高，但系统实现的周期长、难度大，尤其是为支持各种不同 的应用时难度更要加大。需要指出的是，由于面向对象数据库还是一门 薪兴的技术，将其应用于电力系统中也还有许多需要解决的问题，如相 关标准的制定、与传统数据库的接轨以及电力系统数据库的性能要求等 方面仍存有问题，这些都有待于o o t 的进一步成熟。 1 3 3o o t 在人机界面设计中的应用 人机界面( 删i m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 是系统软件是否成功的 一个重要方面，一个好的人机界面必须对用户友好、简单易用，且易维 护和易移植。人机界面是o o t 引入电力系统的一个最早的方面。用面向 对象方法实现e m s 的图形处理部分，应首先有一个好的显示数据库接口， 它必须和内部数据库及各具体应用相互独立通过前述的显示数据存取 对象来与核心数据库交互；其次，各种计算的结果也通过图形界面直观 地显示出来，同时它还是对系统配置和操作的工具，必须使界面有足够 的仿现场性，将操作图形化、直观化：最后从扩展性方面考虑，同一层 次的类应有相同的图形操作消息接口，以利于增加新的元件。 文献 1 9 首次采用o o t 在x w i n d o w s 环境下实现了一个适用于 e m s 软件的图形用户界面( g u i - - g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 的设计， 其按照电力系统的物理特点，建立了图形类的递阶层次关系。这个模型 的最底层类就是晟后要在屏幕上显示的对象，这些对象都是从电力系统 的实际设备对象中抽象出来的，对实际问题表达得非常直观、自然，同 时，根据类的层次关系，可实现子类对父类的继承，并由子类进一步派 生出子类，从而允许方便地加入新的对象进行扩充，显示了采用o o t 进 行g u i 设计的强大的灵活性。针对运用o o t 开发e m s 的人机界面的问 第9 贝 太原理l 大学蛳土研究生学位论文 题，文献 2 0 提出了进行类的划分与设计时应遵循的原则，以保证软件 的模块化和继承性的有效利用，其提出了量化的“依赖性指标”和“继 承性指标”，并以“依赖性指标”最小和“继承性指标”最大为晶标，给 出了采用o o t 进行e m s 软件g u i 设计的一般步骤。 采用o o t 设计出的电力系统应用软件的m m i ，不仅可以提供强大的 图形功能，而且容易与外部仿真程序连接，为动态显示仿真结果以及应 用程序之间的数据通信提供了有力的保证“。并且，采用o o t 设计出的 m m i 可以有良好的开放性和分布性“，这对实现分布式的e m s d m s 系 统等都是非常有利的。 上述仪列举了o o t 用于电力系统软件开发的一些主要方面。除此之 外，随着时间的推移和经验的丰富，o o t 已经开始应用于调度员培训i 系 统“、波形分析“”等软件的开发过程中，其优点也得到了充分体现。已 有的经验表明，o o t 在电力系统软件开发中具有非常好的应用前景，是 解决电力系统软件系统结构复杂、难以维护和扩充等问题的有效方法， 因此，随着o o t 的进一步成熟和电力系统开发系统规模的不断增大，其 在电力系统软件开发中的应用将会越来越普遍。 1 4 本文的主要框架 本文主要研究面向对象技术在电力系统暂态稳定仿真系统开发中的 应用，内容涉及电力系统的面向对象建模、电力系统暂态稳定分柝的面 向对象实现、暂态稳定计算结果的图形显示等方面。 本文在组织结构上分为六章： 第一章根据电力系统稳定性的特点提出了本文工作的主要目标，简 要介绍了丽向对象技术的基本概念，并对其在电力系统软件丌发中的应 用现状进行了综述。 第二章首先对电力系统各元件的动态特性及数学模型进行概括。主 要讨论同步电机、励磁系统、原动机及调速系统和负荷等元件的动态特 性和不同精确程度的数学模型，它们在本文的电力系统暂态稳定仿真程 第一章绪论 序中均要用到。 第三章简要叙述了电力系统暂态稳定计算的基本原理。其中包括复 杂模型和简化模型的暂态稳定计算，_ 者对系统元件采取了精确程度不 同的数学模型。 第四章介绍了本文的面向对象电力系统暂态稳定仿真分析所采用的 面向对象模型。其中先简要介绍了电力系统面向对象模型的层次结构， 然后再对具体对象的模型进行进一步的描述，包括每类对象的属性和行 为及其简要的c + + 类描述。 第五章主要介绍电力系统暂态稳定仿真的面向对象实现，即暂态稳 定计算对象的具体实现闽题。其中将电力系统暂态稳定分析抽象为一个 分析对象：暂态稳定计算对象，其封装了电力系统暂态稳定分析功能。 这样，电力系统暂态稳定分析便通过暂态稳定计算对象与电网对象之间 的交互来完成。另外，本章还对故障信息对象和变化曲线对象进行了简 要的介绍，其在电力系统暂态稳定仿真中是一个不可多得的组成部分。 第六章对本文的电力系统暂态稳定仿真软件的功能进行了介绍，并 给出一个示例系统进行了暂态稳定的仿真测试，其计算结果通过了b p a 程序的验证，且整个操作过程简单易行，界面形象直观，从而得出结论， 进一步证明了面向对象技术在电力系统软件开发中应用的巨大潜力。 最后结束语部分对本文所做的工作进行了扼要的概括。 第l i 负 太踉理工夫学碗：1 5 0 1 究生学位论义 第二章电力系统元件的动态特性及数学模型 2 1引言 电力系统的机电暂态过程及其稳定性与电力系统各元件的动态特性 有密切的关系，为此，首先需要研究各元件的动态特性，建立其数学模 型。在此基础上根据系统的具体结构，即各元件之间的相互关系，组成 全系统的数学模型，然后采用适当的数学方法进行求解，这便是电力系 统暂态分析的一般方法”“。 在电力系统稳定性分析中，通常忽略发电机定子回路和电力阔中的 电磁暂态过程，而将线路和变压器等元件用它们的等值阻抗来描述。另 外，就同一种系统暂态过程来说，对于不同的分析精度和速度要求，元 件所用数学模型的精确程度也不相同。因此，在建立元件数学模型时， 不但需要研究它们的精确模型，而且需要考虑各种简化模型，以适应不 同的需要。本章主要讨论同步电机、励磁系统、原动机及调速系统和负 荷等元件的动态特性和数学模型，它们在本文的电力系统暂态稳定仿真 程序中均要用到。 2 2 同步电机的数学模型 电力系统暂态稳定计算中采用的同步电机数学模型包括转子运动方 程、电流电压方程以及电磁暂态过程方程三部分。其中转子运动方程描 述转子运动的机械暂态过程；电流电压方程式反映同步电机接入网络后， 其电势与机端电压、电流的关系；电磁暂态过程方程式描述同步电机次 暂态和暂念电势的变化规律。 2 21 同步电机转子运动方程式 钨1 2m 第二章电力系统元件的动态特性及数学模型 当原动机和发电机的转子视为一个刚体时，同步电机转子的机械角 加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之涮有如下关系： 乃皇警：l ，。一疋+( 2 1 ) a t 式中巧= 2 名为发电机组的惯性时间常数，单位取s ：峨为转予在同 步转速下的动能，单位取j ；s 。为基准容量，单位取v a ：l 。和瓦。分别 为原动机机械转矩和发电机电磁转矩的标幺值。 根据转速转矩特性，且有甜+ = 形，可以导出用标幺值表示的原动 1 机机械功率b 、发电机电磁功率只。与转矩乙。和巧的关系分别为 巴。= 乙。，= t + 戤( 2 2 ) 在般的稳定计算中，由于机组转速变化不大( 即+ “1 ) ，因此转矩 l 。和瓦。可近似用只，。和。来代替。当转子q 轴与系统同步转速旋转 参考轴x 之间的电角度6 以弧度为单位时，6 对时间的导数便是转子与同 步转速之间的相对转速，则式( 2 1 ) 可改写成如下的状态方程形式 d d ：( 彩。一1 ) 。 d t 2 ( 彩一l j v d a b ：一1 ( 只，。一只+ ) d t t ， 2 2 2 同步电机电流电压方程式 ( 2 3 ) 电力系统暂态分析是研究系统在给定稳态运行方式下遭受扰动后的 暂态过程行为，因此需要知道扰动前系统稳态运行方式下的各个运行参 数或它们之间的关系。 按照数学模型的精确程度，同步电机有如下三种形式的稳态方程： ( 1 ) 用同步电抗表示的稳态方程式。 e m = f ( 2 - 4 ) 第i3 负 太版理t 大学碗爵究生学位论立 uu。+rr。o，i。d+-x。q，l。q：=ou x e 。， c z - s ， q + r 。i + d id = ” 。 其中式( 24 ) 用于建立稳态下空载屯势e 。与励磁电压u ，之间的关系。 ( 2 ) 用暂态电抗表示的稳态方程式。 u d + r 。，d x q ，q = e d 1 u v + r 。+ x 。u l ：e 1 v ( 2 - 6 ) 由于暂态电势e 。与励磁绕组的总磁链成比例，而在扰动前后励磁绕 组的总磁链是不能突变的，因而e 。也不能突变，即扰动后瞬问它将保持 扰动前瞬间的数值。如果扰动前系统处于正常运行情况，则e 。的大小可 由正常运行时的参数代入式( 2 - 6 ) 求得。在通常的稳定计算中，当分析的 过程较短或对计算精度的要求不高时，计算过程中可假定e 。的数值保持 不变，本文的简化模型暂态稳定分析便采用了该假设，这样可以使得整 个计算过程得阱简化。 ( 3 ) 用次暂态参数表示的稳态方程式。 u d + r d i d zq jh = e 。d u 。+ 尺。+ x “。：。e “。 2 7 ) 该模型可用于比较精确的计算，既考虑定予绕组的暂态过程，又计 及阻尼绕组对暂态过程的影响，模拟了同步电机的次暂态电磁过程。本 文复杂模型暂态稳定分析中的发电机便采用了该种计及阻尼绕组的双轴 模型。 需要指出的足，由于系统中同步电机的转子位置一般各不相同，因 此需要在全系统中设置统一的坐标参考轴x 、y ，以便建立各同步电机d 、 q 轴运行参数之间的联系。d 、q 分量与x 、y 分量之间的坐标变换关系如 下式所示 阡卜i s i n 耐6 c 出o s 小d f a a j ，阱岫s i n6 - c 。o s b i a , 陋s ， 式中a 可表示电流、电压、磁链和各种电势。 第1 4 虹 第一章 电力系统元件的动态特性及数学模型 2 2 3 同步电机电磁暂态过程方程式 同步电机的暂态电势e 。、e 。，和次暂态电势e “。、e 一的变化过程与 转子绕组的暂态和次暂态电磁过程有密切关系，描述e ，、e 1 。、。、e ”。， 电势变化规律的微分方程式实际上是同步电机转子电磁暂态过程的一种 表达形式。用电机参数表示的同步电机方程如下“： _ t p7 一= - x 扩, z i + e q i 引 p ， 2 vv e 一p d 2i 、 e 。叫。叫砒+ e 一篇 e ”q = 一( x 一x 。d ) + e 卅+ e q 2 ed = ：t xq x j q 、i q + e d t + x x 。? - x x ? q ：e d ： e ”d = ( x q x q ) i q + p d l + p d 2 td o p eq2 e 自一e 丁岬e 。v 一等 t q o p e 。d 。p 丁椰e 1 一等 ( 2 一】o ) ( 2 - 1 1 ) 纂冀：爱：月r ：i 斟 口z ， “q = p 甲g + 吐岬d 一。q 、 。 本文的简化模型暂态稳定分析对上述方程进行的简化有： ( 1 ) 不考虑阻尼绕组影响并假定暂态电势e 。保持不变，为此上式中将有 e q 2 = 】= g d 2 = 0 ，并去掉p ”v 、p j 、p ”d 、r d 。p e ”q 、t u o p ej 和 r q o p e ”d 的表达式，且令t 。a o p e q = 0 。相应地，式( 2 - 9 ) 变为 警“：，以 ( 2 - 1 3 ) 叫q2 一x q i qj 第15 负 太原理工大学坝士研究生学位论文 ( 2 ) 在定子电压平衡方程式中，不计转速变化所产生的影响，即在式 ( 2 一t 2 ) 中令甜= l ：同时也忽略定予回路的电磁暂态过程，则式( 2 一1 2 ) 将变为 荨蠢引( 2 - t 4 )= l r 。 由于定子同路的电磁暂态过程时删常数非常小，通常可不予考虑， 故本文在复杂模型暂态稳定计算中亦采取了第二种假设。 2 3调节系统的数学模型口卯7 h 3 叫 对于一般电力系统来说，通常失去暂态稳定的过程发展很快，在遭 受扰动后l 2 秒以内就能判断系统是否失去稳定，在这种情况下，暂态 稳定的计算容许采用比较多的简化；而对于有远距离输电或弱联系的联 合电力系统中，有时系统失去稳定的过程发展比较慢，往往计算到几秒 甚至十秒以上才能判断系统是否稳定，此时必须计及发电机励磁调节系 统以及原动机调速系统的暂态过程。 2 3 1 励磁调节系统的数学模型 同步发电机的自动调节励磁系统确定发电机励磁绕组两端的励磁电 压，因而影响发电机的电动势，对发电机的电磁功率和系统的稳定性 均有较大的影响。励磁系统由主励磁系统和自动励磁调节系统两部分组 成，前者用来提供发电机的励磁电流，后者用于对励磁电流进行调节和 控制。 根据产生励磁电流方式的不同，励磁系统可以分为直流励磁机励磁 系统、交流励磁机励磁系统和静止励磁系统三类。本文采用了我国应用 较为广泛的直流励磁系统和交流励磁系统各一种：( 1 ) 采用可控硅调节 器的直流机励磁系统：( 2 ) 采用可控功率整流器的交流励磁机励磁系统。 其数学模型呵用图2 一l 所示的传递函数框图描述。 第二章电力系统兀件的动态特性及数学模型 较负反馈环节 ( u r m 收岫 ( b ) 图2 1 励磁调节系统的数学模型 ( a ) 采用可控硅调节器的直流机励磁系统；( b ) 采用可控功率整流器的交流励磁机励磁系统 2 3 2 原动机及调速系统的数学模型 在电力系统暂态过程中，发电机组转速的变化将引起调速器动作， 从而改变汽轮机调速汽门或水轮机导水叶的开度，使原动机机械转矩发 生相应的变化。 原动机及调速系统的种类很多，本文采用了最为常用的三种调速系 统模型：( 1 ) 功率一频率电气液压调速系统；( 2 ) g s 型一汽轮机原动机 调速器模型；( 3 ) g h 型一水轮机调速器原动机模型“。其各自的数学模 型如图2 - 2 所示的传递函数框图所描述。 第1 7 且 太原理工大学硕十研究生学位论文 缘台放大环节 ( c ) 图2 2 原动机及调速系统的数学模型 抽) 功频电液调速系统传递函数框图；( b ) g s 型一汽轮机原动机调速系统传递函数框图 ( c ) g h 型一水轮机原动机调速系统传递函数框圈 在考虑调节系统的暂态稳定计算中，本文对调节系统的处理方法是， 根据其传递函数框图列出丰h 应的微分方程式，由所采用的数值积分方法 对这些微分方程式形成相应的差分方程式，具体方法将在后文中进行仔 细论。 第二二章电力系统元件的动态特性及数学模型 2 4 负荷的数学模型 负荷是电力系统的一个重要组成部分，其数学模型的准确程度对于 电力系统暂态稳定分析结果的精度有很大的影晌。在电力系统暂态稳定 分析中，需要知道的是反映某一个节点的全部负荷，即所谓综合负荷动 态性能的数学模型，由于综合负荷由各种不同种类的负荷所组成，不仅 其组成情况随时变化，而且各个节点的负荷组成情况也不相同，因此要 精确地模拟负荷特性是困难的“。本文对负荷采取了四种模拟方法，用 于在不同程度上或从不同的侧面近似地描述负荷的变化特性。 2 4 1 恒定负荷模型 该模型是稳定计算巾最简单的负荷特性模型，其根据正常运行方式 下负荷点的电压吼和功率= 置+ j 垃，用下式求出负荷的阻抗值： ，t 2 z ，= 二l( 2 1 5 ) 圪一- ，垃 、。 并假定在整个暂态过程中该等值阻抗保持不变，即采用恒定阻抗来模拟 负荷。 用恒定阻抗模拟负荷，方法比较简单，但计算结果与实际负荷特性 相差较大，因而只适合于某些近似计算或者模拟端电压变化不大、本身 容量较小从而对电力系统影响也较小的负荷。 2 4 2 负荷的静态特性模型 所谓负荷的静态特性是指当电压或频率变化比较缓慢时，负荷吸收 的功率与电压或频率之间的关系。不同类型的负荷静态特性不同，其用 曲线表示时的静态特性曲线的形状也不相同。 在应用电子计算机计算时，负荷静态特性的模拟通常不直接用静态 销1 9 负 太原理t 大学硕。i 研究生学位论文 特性曲线的数据，而是用一个函数式来模拟负荷功率随电压和频率变化 的关系。本文则采取用二次多项式拟台的负荷的电压静特性，其数学模 型可表示为 筮三糍端u l 刘 倍，s ， q = u 矗+ 。+ 吲 其中，只。、q + 、u l 。的基准值一般取扰动前稳态运行情况下负荷本身所 吸收的有功、无功和负荷节点的电压，上式中的各个系数满足以下关系 d p + b e + c p = 1 ，q ，+ 十q ) = 1( 2 - 1 7 ) 上述模型实际上相当于将负荷分成了恒定阻抗、恒定电流和恒定功 率三部分。 243 考虑感应电动机机械暂态过程的典型综合负荷动态特 性 感应电动机是电力系统负荷的主要成分，因此暂态稳定计算中采用 的综合负荷动态特性应该主要考虑感应电动机的暂态过程。考虑感应电 动机机械暂态过程的综合负荷动态特性是指仅考虑负荷中感应电动机的 机械暂态过程而忽略其电磁暂态过程，此时感应电动机的动态过程可以 用图2 - 3 所示的感应电动机等值电路来模拟。 j 割2 - 3 感应电动机等值电路 当采用上述模型时，负荷仍然用阻抗来模拟，由图2 3 可以得出感 应电动机的等值阻抗为 第2 0 负 第二章电力系统元件的动态特性及数学模型 乙= s4 - j x , 十等鬻 ( 2 _ 1 8 ) 但该阻抗不是恒定的，丽是随综合负荷电动机的滑差不断变化，转差变 化的规律可以用电动机的转子运动方程来描述 罢= 瓦，。一 ( 2 1 9 ) 其中电磁转矩7 0 、机械转矩瓦，。的计算公式参见文献“。 实际上，一个节点处的综合负荷中总是含有