（电力系统及其自动化专业论文）dts动态仿真中的用户自定义建模.pdf

浙江丈学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ( d t s ) s i m u l a t e sr e a lp o w e rs y s t e mb yc o m p u t e r t e c h n o l o g yt oi m p r o v ed i s p a t c h e r sa b i l i t y d y n a m i cs i m u l a t i o no fd t si sv e r y i m p o r t a n tb e c a u s ei tc a nm o r er e a l l ys i m u l a t et h ed y n a m i cp r o c e s so fp o w e rs y s t e m w h i c hh a so p e r a t i o no rf a u l t t h e r ea l em a n yi m e r i o rm o d e l si nt h em o d e ll i b r a r yo f d y n a m i cs i m u l a t i o n b u tg o i n gw i t l lt h ep o w e rs y s t e m sd e v e l o p m e n t m a n yn e w e x c i t o rm o d e l s ，p s sm o d e l s ，t u r t i n em o d e l s ，g o v e r n o rm o d e l sa n db o i l e rm o d e l s a p p e a r i t sn o ts a t i s f i e dt oi n c r e a s en e wi n t e r i o rm o d e l si nm o d e ll i b r a r y f u r t h e r m o r e o p e n n e s si sab a s i cc h a r a c t e r i s t i co fd t s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n s t i t u t eav e r y h i 曲e f f i c i e n t ，c o n v e n i e n ta n du n i v e r s a lt o o lf o ru s e r sw h o c a l ls e tu pn e wm o d e l sb y t h e m s e l v e s s ot h eu s e r d e f i n e dm o d e l i n g ( u d m ) i nd y n a m i cs i m u l a t i o no fd t si s c o n c e i v e d a tf i r s t ，t h ep r i n c i p l eo f d t sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d b a s e do n t h i s ，an e wg r a p h i cm e t h o do fu d mi nd y n a m i cs i m u a t i o no fd t si sp r o v i d e d d e t a i l l y t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o ni np r o g r a mo f u d m a l ed i s c u s s e d a n di t i sd i s c u s s e dd e t a i l l yh o wt or e a l i z eu d mi nd y n a m i cs i m u l a t i o nw h i c hu s e s i m u l t a n e i t ys o l v em e t h o d n es i m u l a t i o nr e s u l t so fd y n a m i cs i m u l a t i o ni nh a i n a n p o w e rs y s t e ms h o wt h a tt h ep r e c i s i o na n ds p e e d i b i l i t yo f u d mi ss a t i s f y i n g k e yw o r d s ：d t s ：d y n a m i cs i m u l a t i o n ；u d m ；i t e r a t i o ns o l v em e t h o d ； s i m u l t a n e i t ys o l v em e t h o d n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 调度员培训仿真器的重要性 随着电力工业的迅速发展，电网规模和单机容量日益扩大，电压等级越来越 高，输电距离越来越远，现代化的继电保护及安全自动装置越来越复杂，对供电 可靠性的要求也越来越高。然而由于各种各样人为的、气候的、设备的原因，电 力系统的故障时有发生。电力系统故障是由调度员统一协调、指挥处理的，如果 处理不当可能会发展成大面积、灾难性故障，造成大面积停电，严重影响工农业 生产和人民生活，给国民经济带来巨大的损失。2 0 0 3 年8 月1 4 日发生的美加大停 电造成了上百台机组跳机，超过5 0 0 0 万人的大面积区域失电，大批工厂停产，在 美国的经济损失每天大约有3 0 0 亿美元，同时造成了严重的社会影啊l 】。 为实现电力系统的经济安全运行，一方面要求组成电力系统的元件和自动装 置可靠性高；另一方面在目前调度自动化尚不能很好处理系统中所有故障的情况 下，培养一批训练有素、经验丰富的高水平调度人员显得至关重要。对许多重大 事故的分析表明，运行人员临时慌乱作出错误判断和处理不当，往往是事故扩大 的主要原因之一。提高调度员的调度水平，增强反事故能力成为很迫切的任务。 现代电力系统要求调度人员准确无误的进行运行操作，尤其在紧急状态下必 须具有快速的应变能力，能应付突然来临和未能预测的严重运行状态。一旦系统 进入紧急状态，他们能够根据自己的经验及时作出反应，进行有效的紧急控制和 恢复控制，使系统恢复到安全状态。而运行人员的经验过去主要来自实际的工作 积累和培训，通常的培训方式有跟班学习、课堂式反事故演习和事故处理经验总 结等。但当实际事故出现时，调度员往往仍不知所措。造成这种问题的原因是： 电力系统事故率很小，即使发生事故也往往由于事故过程很短，很难在一两次事 故中积累足够的经验，调度员没有机会在电网多次异常和事故中得到磨练，而实 际电网是不允许人为制造事故的，这就要求采用其他方式对电力系统进行模拟。 随着计算机在线控制的应用，调度员培训仿真器( d i s p a t c h e rt r a i n i n g s i m u l a t o r ，简称d t s ) 日益成为培训电网调度员的重要手段之一”1 。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 调度员培训仿真器是一套数字仿真系统，它运用计算机技术，通过建立实际 电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障后的系统工况，并将这些信息送 到电力系统控制中心的模型内，为调度员提供一个逼真的培训环境，以达到既不 影响实际电力系统的运行而又使调度员得到身临其境的实战演练的目的。其主 要用途为在电网正常安全状态、正常不安全状态、紧急状态与恢复状态下对系统 调度员进行培训，训练他们的正常调度能力和事故时的快速决策能力，提高调度 员的运行水平和分析处理故障的技能”“”。 d t s 不仅可用于调度员的日常培训、考核和进行反事故演习，以提高调度人 员的运行水平，而且还可作为电网运行、支持、决策人员的分析研究工具”1 ： ( i ) 运行方式科通过d t s $ i j 定合理的运行方式，研究电网的特殊运行方式； ( 2 ) 继电保护科通过d t s 进行继电保护整定值和安全自动装置配置的校核和研 究； ( 3 ) 调度科利用d t s 事故预演、事故反演、事故分析，进行反事故措施的研究； ( 4 ) 第二天的运行方式、新投产的设备及变电站均可以在d t s 系统上进行校验 以及事故模拟； ( 5 ) 还可以和变电站仿真培训系统相联作电网生产全过程的培训仿真。 因此d t s 对提高电网安全运行水平是一个十分有用的现代化工具。 1 2d t s 的发展现状 调度员培训仿真的概念是w i s s c o s i n 公司于1 9 7 3 年在e m s 软件设计中形成的。 1 9 7 7 年美国连续发生了多次大面积停电事故，引起了人们对d t s 系统的重视。1 9 7 8 年美国电力科学研究院( e p r i ) 组织了第一次电力系统调度员培训模拟的研讨会， 会上由美国c d c 等三家公司介绍了他们的数字型模拟器，美国爱迪生电力公司、 佛罗里达电灯公司( f p i ) 、通用公共电力公司( g p u ) 、宾夕法尼亚电力公司介 绍了采用模拟器培训调度人员的情况。随后d t s 技术得到了飞速地发展。 d t s 技术的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 7 0 年代采用c i ) 1 2 - 1 7 为硬件平台，电力系统模拟子系统主要应用潮流解法。 ( 2 ) 8 0 年代以小型机为硬件平台，逐步以中长期动态过程为基础仿真电力系统。 ( 3 ) 9 0 年代硬件平台主要采用分布式工作站组成的开放系统，对电力系统的模 2 浙江人学硕士学位论文第章绪论 拟己逐步向考虑暂态过程的d t s 系统发展。 总体看来，d t s 硬件技术的发展与计算机技术的发展紧密相关，硬件配置由 单机向多机系统发展。而d t s 软件技术随硬件水平的提高也有了很大进步，由最 初的动态潮流程序，发展到包括中长期动态甚至机电暂态过程的仿真研究。 目前，美国、日本、香港等国家和地区的电力公司已经先后装设了d t s ”。 我国的d t s 研究从8 0 年代末开始，中国电力科学研究院科东公司开发的c c - - 2 0 0 0 系统、清华大学开发的t h 一2 1 0 0 系统和t h p s s 系统在华北电网及东北电网得到 了应用；国电自动化研究院电网所开发的s d - - 6 0 0 0 系统、o p e n - - 2 0 0 0 系统和o p e n - - 3 0 0 0 系统已经在江苏省调、浙江省调、华东网调、广东省调、南网总调以及一 大批地区调度中投入运行。事实证明这些d t s 确实提供了一种有效的调度员培训 手段。 1 3d t s 的基本要求与组成部分 d t s 的主要用途是对电网调度员进行培训。为了使培训及反事故演习取得逼 真的效果，d t s 首先必须满足以下要求： ( 1 ) 一致性：力求d t s 环境与实际系统的控制、操作环境一致，能真实地再现 主控制室中s c a d a m s 系统环境。尽量采用与调度中心相同的计算机、控 制台、c r t 以及人机界面，使学员在培训中有一种身临其境的感觉，从而 训练系统故障时的快速反应能力，以获得较好的培训效果。 ( 2 ) 真实性：d t s 应对所模拟的电力系统的静态和动态过程作准确、可靠的描 述，包括实际系统中的发电机、线路、变压器、电抗器和断路器等输变电 设备。并根据不同的运行方式，真实的再现电网的潮流分布和系统的动态 过程，同时对操作或扰动应能有快速的实时响应。 ( 3 ) 灵活性：d t s 要有灵活的培训支持功能。教员可以很方便的执行学员下达 的各种调度命令或任意设置故障，操作应灵活方便，使系统能尽快进入新 的运行状态，有足够的教案进行演示，并可进行必要的培训控制和评估， 以满足对各种运行方式研究和培训的需要以及提高效率。 ( 4 ) 开放性：在电力系统以及计算机技术飞速发展的今天，一个成功的d t s 应 具有可移植性、可扩充性和可升级的特点。u n i x 、t c p i p 、w i n d o w s 和c + + 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 的应用，在一定程度上解决了操作系统、网络通信和数据库不标准造成的 扩充、升级和维护等问题，d t s 的设计必须遵循开放式系统标准，尤其应 适应s c a d a e m s 系统的不断更新。 为了实现以上要求，d t s 由三个子系统组成： ( 1 ) s c a d a e m s 仿真子系统( 或称控制中心子系统c c l l ) 该子系统基本模拟调度中心的s c a d a e m s 系统( 与调度值班的实际操作环境 一致) ，在值班操作环境能看到的图形、报表，学员在这个子系统上同样看得到。 该子系统由以下模块构成： a s c a d a 数据库系统； b 在线图形和人机接口； c s c a d a e m s 信息处理； d 模拟通信设备。 该子系统用于完成d t s 数据采集及监控的过程。d t s 可用在线实时的s c a d a 数 据或历史数据进行培训，也可脱离在线系统采用独立的数据。采用s c a d a 数据时， 由于遥测点不足和数据通道不良的原因，会有一些坏数据和缺少的数据，因此应 作状态估计，对不良数据进行检测；而不采用在线数据时，电力系统模型、负荷 分配等可由教员设定。 ( 2 ) 电网仿真子系统( 或称电力系统模型子系统p s m ) 电网仿真子系统将模拟学员所在电力系统的主要物理过程。该子系统由以下 模块构成： a 网络拓扑模块； b 动态潮流计算模块； c 中长期动态仿真模块； d 准实时暂态仿真模块； e 继电保护仿真模块； f 自动装置仿真模块。 该子系统的主要任务是描述电力系统的静态和动态过程，尤其是逼真的、实 时的模拟电力系统的静态和中长期动态行为。该模块要求详细模拟各元件特性， 尤其是超高压主网；模型应具有良好的适应性，在可能的电压、频率变化范围内 保证足够的精度；适应各种电网运行状态；与e m s 系统相配合。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 无论是电网的静态仿真还是动态仿真，都应详细模拟系统内的继电保护和自 动装置。对于快速动作的主保护和部分后备保护，为保证仿真的实时性，一般可 采用逻辑判别法进行模拟；对于反映系统不正常运行方式的后备保护和自动装 置，则按其动作原理采用定值判别法进行模拟，此外还可以模拟继电保护和自动 装置的拒动和误动以及开关的拒动。 ( 3 ) 教员和控制子系统( 或称教育子系统e s ) 该子系统用于建立培训的教案、控制培训进程及记录培训过程，由下列模块 构成： a 初始条件生成模块； b 教案准备模块； c 培训控制模块； d 培训评估模块； e 操作接收及校核模块。 教员在此设定电网的方式、发电机出力、负荷情况及联络线潮流，设置故 障的种类、地点及时间，很方便的建立培训的初始条件。培训时，教员可以很方 便的设置、修改、删除和插入各种事件，控制和监视培训过程。同时，教员可充 当下级调度和厂站值班员，按受训调度员下达的调度令，逐步的操作。学员席上 将显示每一步操作的状态变化、仿真出电网潮流的变化。培训结束后，可以方便、 准确的对培训作出评估和分析，分析学员每步操作的正确性和事故的全过程，指 导学员以提高其调度水平。 以上三个子系统是相互联系、缺一不可的。三个子系统的关系如图1 - 1 所示。 其中电网仿真子系统是整个d t s 的核心，该子系统性能的好坏直接决定了d t s 功能 的强弱。 电秘辏意 攀爱_ 羲篓 图卜1d t s 及其子系统 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4d t s 中的静态仿真和动态仿真 d t s 中，电网仿真子系统的实现方法可以分为两类：静态仿真和动态仿真。 1 4 1 电网静态仿真 要逼真的反映所辖电力系统的实际运行情况，应实时准确的仿真电力系统的 动态行为。然而，由于受计算技术和计算机速度的限制，d t s 中的电力系统动态 仿真很难真正做到实时，并且要真正实现动态仿真，还需要有准确的系统动态元 件包括发电机、气轮机、水轮机和锅炉等的动态特性和参数，特别是负荷的特性、 分布和参数。当然，采用典型参数及通过调整参数的方法也适应电网某几个特定 的事故，是可以得出比较满意的动态仿真结果的，但这种方法需要很强的专业知 识和极大的调整工作量，并且随着电网结构和容量的扩大和改变，这种方法难免 难以适应。此外，调度员在实际的调度过程中，对系统内事故的感知，是通过事 故后的结果来判断的，大部分情况下，他看不到系统的动态过程。因此，在目前 的条件下，一个准确、逼真、适应性强的电网静态仿真软件，应成为d t s 电网仿 真的最基本软件。静态仿真包括了负荷模型、网络模型、继电保护模型等的建立 及拓扑处理和潮流求解。它假定全网同一频率，忽略机组间的摇摆，用动态潮流 的分析方法来模拟电力系统。它应在以下的系统变化下，给出合理的潮流和电压 分布以及频率变动。 ( 1 ) 开关的投切操作，包括线路、电容器、电抗器和变压器的投切操作，倒 母线操作( 包括隔离开关的操作) ； ( 2 ) 开停机操作及发电机处理调节； ( 3 ) 变压器分接头操作； ( 4 ) 发电机、调相机无功调节及发电机的进相运行； ( 5 ) 负荷调节； ( 6 ) 水轮发电机发电转调相运行或者相反； ( 7 ) 系统的并列、解列、合环、解环操作。 对于一般的地调调度员，他们并不负责监视和处理稳定破坏问题，也不负责 控制频率和发电机出力，因此，地调的d t s 有以上的静态仿真功能就可以了。对 于网调、省调，培训倒闸操作，调压操作，联络线功率的调整，处理频率、负荷、 发电机出力小扰动的操作，设备检修时的停送电操作以及事故后的系统恢复操作 6 浙江大学硕。l 学位论文第一章绪论 等，在电力系统静态仿真环境下进行也可以基本满足要求。电网静态仿真的这种 潮流型解法具有简单快速的优点，但不能真正反映电力系统的暂态与动态行为。 1 4 2 电网动态仿真 对于网调、省调的调度员，在出现诸如线路或者母线故障、发电机或者变压 器的事故时，仅采用静态仿真不足以使调度员了解事故的全过程，特别是对国内 许多结构比较薄弱的电力系统而言，使网调、省调的调度员通过d t s 掌握系统在 暂态过程中的行为是十分重要的。考虑到仿真计算的速度和整个动态过程的物理 特性，整个动态过程可以划分为短期( 暂态过程) 、中期动态过程和长期动态过 程。这三个阶段是相互联系的，中期过程是暂态过程的延续，长期过程又是中期 过程的扩展。在不同阶段采用不同精度的元件数学模型，并根据系统所处的状态 自动进入三个不同阶段的仿真计算，通过加人工阻尼的方法实现从中期过程到长 期过程的平稳过渡。此外，还利用稀疏技术和变步长控制等手段以保证仿真计算 的快速性j 动态仿真除包含了静态仿真所有的模型外，还考虑了网络频率模型和 发电机及其调节系统模型。正是由于各元件的动态模型的建立，因而能更详细地 描述由操作、故障引起的暂态过程以及随后延续下来的中长期动态过程，也正确 的描述了自动装置及继电保护的行为1 。 1 5 本文研究的内容和意义 本文在详细介绍了d t s 的重要作用、发展现状、基本要求和组成部分，动态 仿真的基本原理的基础上，针对d t s 动态仿真提出了一种图形化的用户自定义建 模方法，讨论了其基本原理和程序的实现。 本文的第二、三章详细介绍了d t s 动态仿真的基本原理和四大模块。在此基 础上，第四章提出了用户自定义建模的基本原理；第五章探讨了d t s 动态仿真中 用户自定义建模的程序实现；第六章在海南电网d t s 上的试验验证了用户自定义 建模的有效性。第七章对本文的工作进行了总结。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章d t s 动态仿真的基本原理 第二章d t s 动态仿真的基本原理 动态仿真的数学模型为一非线性动力系统，它由描述系统元件动态的高维非 线性微分方程和描述电力网络功率与拓扑关系的大规模非线性代数方程共同组 成，可由如下方程表示“： ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中的第一组方程式表示描述电力系统有关元件动态特性的微分方 程式；第二组方程式表示电力网络的代数方程式。其中x 为系统的状态变量矢量， 不可以突变；y 为系统的运行变量矢量，是可以突变的量。 由于方程( 2 一1 ) 非常复杂，且因系统含有非线性环节使其具有很强的非线 性，因而其解析很难得到，即便得到，也难以满足工程计算的要求，因此一般利 用数值方法对其进行求解。微分方程的解法有单步法和多步法、显式法和隐式法 等多种数值解法，由于动态仿真对数值稳定性和算法的收敛性均有较高的要求， 而隐式梯形积分法有较好的数值稳定性和二阶收敛精度，计算速度较快，而且隐 式梯形积分法对步长没有严格的要求，可以采用大步长，从而可以提高仿真的实 时性，因此采用隐式梯形积分法来求解微分方程“”。为此将式( 2 - 1 ) 化为： 以+ - 2 以+ 兰叭以，) + f c x “，) 】( 2 2 ) 【0 = g ( 以+ ，艺+ 。) 其中j 0 + j ，x 。和k + l ，l 分别表示第n + l 和第n 时步的系统状态变量矢量 和运行变量矢量；h 为时间步长。 方程式( 2 2 ) 的求解通常有2 种：交替求解和联立求解。交替求解每次迭 代只需要求解2 个较小规模的方程，同时由于动态方程与网络方程之间有明显的 接口，动态模型的修改和增加并不影响网络方程的求解，有利于动态模型的修改 和动态仿真新元件的增加，但是不能满足状态变量与运行变量的同时性，会造成 交接误差；联立求解是将式( 2 2 ) 的差分方程和网络代数方程联立，用牛顿法 求解，在求解过程中形成统一的雅可比矩阵，这种方法避免了交替求解微分方程 8 浙江大学硕士学位论文 第二章d t s 动态仿真的基本原理 和代数方程引起的“交接误差”，也避免了迭代解法中系统动态元件和系统网络 的接口误差。此外牛顿法对元件非线性适应能力强、收敛性好、累积误差相对较 小。d t s 动态仿真是一个长期的计算过程，为尽量减少累积误差，我们采用了联 立求解的方法。 d t s 动态仿真的总框图如图2 - 1 ： 图2 id t s 动态仿真总框图 9 时间 浙江大学硕上学位论文第二章d t s 动态仿真的基本原理 上图由四大功能模块构成，它们是：拓扑处理模块、网络求解模块、事件处 理模块和模型处理模块。 2 1 拓扑处理模块 d t s 动态仿真要逼真的模拟实际电网的运行情况，而实际电网中的发电机、 变压器、输电线路、电容器、电抗器、负荷、开关、闸刀等设备之间存在一定的 连接关系，而且这种连接关系会随着电网的运行方式不同发生变化。拓扑处理模 块的作用就是将物理网络的变化反映到计算用逻辑网络中去。拓扑分析主要由厂 站组态分析和网络组态分析两部分组成。无论是厂站组态分析还是网络组态分 析，都是采用广度优先搜索的方法”“。 2 1 1 广度优先搜索 广度优先搜索”是一种按层次遍历、逐步推进的搜索方法。 假设从某个顶点出发，依次访问该顶点所有未曾访问过的相邻顶点，再分别 从这些顶点出发，继续在广度上遍历下一层顶点，直至所有与己访问过的顶点相 邻的顶点都被访问过。如这时网络中尚有其他顶点未被访问，则另选其中之一作 起点，重复上述过程，直至网络中所有顶点都被访问过为止。 对于图2 2 ，按广度优先访问顶点的序列是： v 1 一v 2 一v 5 一v 7 一v 3 一v 6 一v 8 一v 4 v l v 4 图2 2 无向图示例 具体搜索过程为： 从v 1 出发，遍历其所有邻边，找出第一层未访问过的顶点( v 2 、v 5 、v 7 ) ； l o 浙江大学硕士学位论文第二章d t $ 动态仿真的基本原理 然后依次从第一层顶点出发，遍历它们各自的相邻顶点，找到第二层未访问过的 顶点( v 3 、v 6 、v 8 ) ；同样，找出第三层顶点( v 4 ) ；从第三层顶点出发，已经 没有新的未访问过的相邻顶点，所有节点访问完毕。 2 1 2 厂站组态分析 厂站组态分析是根据厂站内开关的状态，将由闭合着的开关或闸刀相连的所 有母线段集合成一个计算用节点，即将所有连接阻抗为零的物理节点( n d ) 都划 归同一逻辑节点( b s ) 。划归的方法就是将厂站接线图中的电气连接点和开关、 闸刀转化为顶点一边的无向图形式，再通过广度优先搜索将它们集结为若干逻辑 节点。 厂站组态分析后要为每个生成的逻辑节点或支路分配相应的电气量，包括所 连的机组、负荷、线路、变压器和补偿设备等，从而形成一个包括逻辑节点、逻 辑支路和电气设备在内的逻辑网络。 2 1 3 网络组态分析 网络组态分析则是根据网络中串联支路( 线路或变压器) 的连接关系，将有 电气联系的逻辑节点归结为一个子系统，即将所形成的逻辑网络划分出若干处于 实际运行中的孤岛。这些孤岛必须既存在发电功率，也存在负荷功率，从而是可 以独立运行的。形成的方法是将逻辑网络也转化为顶点一边的无向图形式，运用 广度优先搜索，形成分别连通的孤立子系统，再从中筛选出同时具有发电和负荷 功率的孤岛。这些孤岛，以及其中的逻辑节点、逻辑支路和电气设备就组成了赖 以进行网络计算的逻辑网络。 由于网络导纳矩阵具有高度稀疏的特点，不同的逻辑节点顺序对网络求解的 影响比较大，因此需要对计算用逻辑节点进行一次优化排序，优化方法采用粕 一删p 算法“。 基于广度优先搜索的拓扑分析模块的流程如图2 3 所示。 浙江大学硕士学位论文第二章d t s 动态仿真的基本原理 l 预处理l i l 厂度优先搜索 形成逻辑节点 l 分配节点和支 路的电气量 i 厂厦优先搜索形成 孤岛子系统 t 选出可买际压行的 计算用孤岛 计算用逻辑节 点的优化排序 站组态分析 图2 3 电网拓扑分析框图 2 2 网络求解模块 网络组态分析 设电力系统有n 个节点，m 台发电机，那么根据这r 1 个节点可以形成n 个网 络方程；m 台发电机可以形成5 m 个方程( 如果发电机采用五阶模型的话) ，如 果把这5 m 个方程直接与n 个网络方程联立求解，将会极大的增加网络方程的维 数，严重影响求解的速度。因此并不直接把发电机方程和网络方程联立求解，而 是首先形成1 3 个节点的网络方程，然后对m 台发电机的方程做一定的处理，以发 电机的五阶模型为例“”： 塑堡盔兰堡：! 兰竺丝奎 笙三兰堕! 垫查堕塞竺苎查壁墨 a 发电机的定于电雎万栏： e ：一y q r 0 1q x j l i = 0 e ：一- r 。j d + x ：，。= o 转换为x y 坐标为： 工= e ：一v ，c o s 5 一v , s i n s - r 。( ，c o s $ + i ，s i n s ) 一x ：( j ，s i n 8 一j ，c o s 8 ) = 0 ( 1 ) 五= 巧一吒s i n j + v y c o s 8 一心( ，s i n s - 1 ，c o s s ) 一x ：( ls i n 8 一l , c o s s ) = o ( 2 ) b 发电机的转子运动方程： 百d c o = f l ( 只一只一d ) 等刮州) 通过隐式梯形法差分化之后可得( 考虑原动机调速器模型) ： 六= ( 1 一口6 屈) 缈+ 口6 【圪，十一，+ 凡( e + ，；) 卜口6 只。一( 7 0 0 = 0 ( 3 ) = 8 - 嘶缈一磊= 0 ( 4 ) c 发电机转子绕组的暂态方程： 誓= t i t o e ：一纠牛砒】 誓= 扣一e 哪一一x ) ) i a 等= i 1 心啦- 一砒1 根据隐式梯形法差分化，并消去e 后可得( 考虑p s s 、励磁模型) ： 石= e 一盯们( i ，s i n 艿一c 。s 回一：口芦o ) + t t g q ：了石歹一：_ 。一乓。= o ( 5 ) 五= e 一口j ( lc o s s + l ，s i n 艿) 一e o = 0 ( 6 ) d 发电机所在节点的网络方程： 石= i x z ( q - b j ) = 0 ( 7 ) 五= j ，- z ( g + 马) = o ( 8 ) 根据以上方程( i 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 ) 形成发电机的雅可比矩阵及其右端偏 浙江大学硕七学位论文 第二章d t s 动态仿真的基本原理 差量为： 0 l 000000 醴。 酗。 珊 艿 皿 a e d 圪 ( 2 3 ) 通过矩阵的线性变换计算出芋粤毋的修正导纳阵匕= 笺爱 ，用它去修 正发电机节点的导纳阵，形成的右端偏差虬= 瞄 做为发电机节点的注入电 流，形成机网接口。如图2 4 所示： 同样，动态负荷也以相似的方法形成机网接口；故障形成故障接口。然后用 形成的机网接口和故障接口去修正网络雅可比矩阵，其关系如图2 5 ： 1 4 职一职堕叱识一职识一职阢一叱盟叱。阢一识一嘭识一彬识一识一彤阢一嵋。萌一峨阢一嘭识一l盟嘭识一峨既一峨。锐一晖阢一晖既一晖识一晖识瓦矾一晖。阢丽识面识丽识丽识丽盟掰。阢丽玩丽识石阢石识石阢石。 盟识一虬识一弘识一阢一啡钒一弘。堕弘阢一虬识一致盟虬阢一虬识一以， 领瓠矾甑瓠甑虬q 浙江大学硕士学位论文第二章d t s 动态仿真的基本原理 网络雅可比矩阵 图2 5 网络接口 通过这种处理后，形成统一的y a v = ，然后通过形成因子表、路径树， 快速前代、回代处理进行求解“。 网络求解的框图如图2 6 所示： 图2 6 网络求解框图 浙江大学硕士学位论文第二章d t s 动态仿真的摹本原理 由于网络雅可比矩阵具有高度稀疏性的特点，为了节省内存和提高仿真计算 的速度，动态仿真中采用了稀疏存储技术、稀疏向量法、因子表修正等稀疏技术 。 2 3 事件处理模块 事件处理模块是d t s 中必不可少的一部分，它能实现各种既定或随机的操作 或故障，正确反映事件对电力系统的影响。 所谓事件就是在仿真中可能对整个电网产生影响的故障、操作或负荷扰动。 事件的来源有三： ( 1 ) 教员离线设定事件，规定事件发生的时间，按既定时间在实时培训中让事 件自动发生： ( 2 ) 在实时培训过程中由教员或学员干预设置的事件； ( 3 ) 定时发生的事件，如整个电网负荷沿负荷曲线的变化每6 0 ”发生一次。 不论事件来自何处，它们对电网的影响只能有以下三种： i 直接改变节点导纳阵的事件； i i 故障； i i i 改变动态元件特性的事件。 对三种不同类型的事件分别进行处理，一般先处理直接改变节点导纳阵的事 件，完成对因子表的修正，再根据当前网络状况进行故障分析，最后处理动态元 件特性的变化。 2 3 1i 类事件的处理 i 类事件主要有三相开关动作和元件参数改变两类。三相开关动作可能会引 起节点合并或分解，造成网络雅可比矩阵结构性或非结构性的变化，从而形成五 类网络雅可比矩阵节点：无变化节点、新增加节点、被删除节点、直接变化节点、 邻近变化节点。变压器、电容器、电抗器、负荷等元件参数的变化只对网络雅可 比矩阵的某些元素作数值上的修正，只形成直接变化节点。根据形成的这五类节 点去修正因子表。 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章d t s 动态仿真的基本原理 2 3 2i i 类事件的处理( 故障处理) 对于三相对称金属性短路故障，只需要在故障点对地插入一个微小电阻( 比 如l o _ 4 + j o _ 4 q ) ，拓扑形式不变；对于三相对称非金属性短路故障，只要在故 障点对地插入故障过渡电阻，拓扑形式也不变。 对于不对称故障，在形成网络正序、负序、零序导纳阵的基础上，将故障点 a b c 三相电压、电流关系转化为该节点处序网电量间关系，并将负序网、零序网 的影响转化为正序网的追加综合导纳，从而各时步的计算都在正序网中进行。 2 3 3i i i 类事件处理 i i i 类事件包括发电机有功无功调节、负荷功率调节、发电机失磁故障与失 磁恢复。发电机的有功调节是通过改变调速器的整定值来实现的，发电机的无功 调节是通过改变励磁电压整定值来实现的。负荷的功率变化是通过改变负荷的恒 阻抗、恒电流、恒功率比例因子来实现的。发电机失磁故障的种类有完全失磁、 部分失磁、励磁绕组开路失磁及经灭磁电阻短路失磁，发电机失磁故障与失磁恢 复的处理将在用户自定义建模中详细介绍( 见第五章) 。 2 4 本章小结 本章介绍了d t s 动态仿真的基本原理和三大模块，为实现用户自定义建模提 供理论基础。 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 第三章d t s 动态仿真的模型 真实性是d t s 的基本要求之一。电力系统分析计算与实际情况的吻合程度取 决于所采用模型的准确性。d t s 动态仿真必须正确反映系统的动态过程，在发生 负荷变化、联络线潮流变化、发电机出力及电压变化、变压器分接头的调节以及 各种故障时，应能真实的再现各种运行方式下的潮流分布和系统的动态过程。因 此所选的元件模型必须具有足够的精度。另一方面，d t s 动态仿真又必须满足实 时性的要求，对各种操作或扰动应有快速的实时响应。这又要求在保证一定精度 的前提下，对元件的动态模型作适当的简化。这样才能给调度人员一种真实感。 为了让调度人员比较全面的了解电力系统中各种元件的动态特性，同时也为了便 于进行综合性应用和研究性仿真，d t s 动态仿真中对每一种元件都采用了多种不 同复杂程度的动态模型，用户可以根据需要任意选择并自动组装，以形成仿真用 比较完整的系统模型。为了提高动态仿真的整体效率，可将整个动态过程划分为 暂态过程和中长期动态过程两个阶段，在不同阶段采用不同精度的元件模型，并 根据系统所处的状态自动进入不同阶段的仿真计算。 同步发电机组是影响电力系统动态特性最主要的元件之一。在电力系统动态 仿真建模过程中，必须给予详细的模拟。由于d t s 动态仿真的时间很长，除了要 计及励磁系统模型、p s s 模型、调速器模型和原动机模型之外，还必须考虑具有 较大时间常数的元件( 如锅炉等) 的动态特性”。 3 1 发电机模型 为了满足不同的仿真精度要求，提供了e 电势恒定的二阶模型，e 电势变 化的三阶模型，e 、历电势变化的四阶模型，乓、或、e 变化的五阶模型。 对短期过程发电机自动的选用二阶模型，不计及调节系统对发电机动态行为 的影响。而对中长期过程，发电机可以选择二阶到五阶模型。选用发电机模型的 一般原则是若要较精确的模拟某台发电机，则应选用阶数较高的、较精确的发电 机模型。因此，在d t s 动态仿真过程中，在故障、操作地点附近的应选用阶数较 1 8 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 高的发电机模型，对于远离故障、操作地点的发电机则可选用阶数较低的发电机 模型，如e 电势恒定的二阶模型。 3 2 励磁系统模型 用于同步发电机的励磁调节系统具有各种各样的形式。励磁方式的不同，励 磁回路的响应特性也各不相同。但总体上讲，我们在d t s 中把它们归纳为五种典 型的形式。据此，在模型库中，提供了五种类型的励磁系统模型供用户选择，即 直流励磁系统、交流励磁系统、无刷励磁系统、自并激励磁系统和复式励磁系统 模型。用户可以根据仿真的要求，选择适当的参数。这5 种系统的框图如图3 - 1 所示： v v ( a ) 直流励磁系统 ( b ) 交流励磁系统 1 9 浙江大学硕j ：学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 v k 8 v v ( c ) 无刷励磁系统 ( d ) 自并激励磁系统 3 3p s s 模型 ( e ) 复式励磁系统 图3 1 励磁系统模型框图 浙江大学硕士学位论文 第三章d t s 动态仿真的模型 p s s 模型种类较多，而且发电机组情况不同，p s s 模型的类型及参数都将有 所不同，这里，我们提供了两种通用模型。用户可以根据情况，通过对参数的适 当选取，满足仿真的要求，图3 2 给出了p s s 的模型框图： 频差 加速功率 ( a ) 糍趣剐蛩圜乒 ( b ) 图3 - 2p s s 模型框图 其中： r 、r 、k $ 、：分别为电压差和滑差等输入环节的放大倍数和时间 常数； ：p s s 惯性微分环节，或称清洗环节( w a s h o u t ) 时间常数； 砀、：分别为第一个超前及滞后相位补偿环节时间常数； 、。：分别为第二个超前及滞后相位补偿环节时间常数； ，、。：分别为第三个超前及滞后相位补偿环节时间常数； 、。：分别为第四个超前及滞后相位补偿环节时间常数； ，r ：p s s 输出最大值； 3 3 原动机模型 这里，我们提供了非再热式汽轮机组模型、一段再热式汽轮机组模型、以及 水轮机模型等原动机模型。模型框图见图3 3 ： 2 i 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 ( a ) 非再热式机组模型 ( b ) 一段再热式机组模型 ( c ) 水轮机模型 图3 3 原动机模型框图 其中： 瓦：从锅炉到高压缸入口处因管道引起延时的时间常数； ：再热器时间常数； 乙：中压缸与低压缸间管道延时的时间常数； 、死：分别表示高、中、低压缸输出功率比例系数； l ：水轮机模型中的水流时问常数。 ：原动机机械输出功率； 尼，：调速系统输出功率； 3 4 调速器模型 调速系统提供了机械油压式调速器、g e 系列和西屋系列电液式调速器典型 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 模型，并介绍了一种通用模型。其中通用模型既可用于汽轮机又可以用于水轮机。 模型框图见图3 4 ： c a ) 机械油压式调速器模型框图 ( b ) g e 系列电液式调速器模型框图 ( c ) 西屋系列电液式调速器模型框图 其中： ( d ) 一种通用型调速器模型框图 图3 4 调速器模型框图 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 k 。：硬反馈放大倍数； x ：测速部件放大倍数； ：软反馈放大倍数； k ，、k ，：与蒸汽流量有关的反馈放大倍数； 瓦、疋：测速部件时间常数； 乙：控制阀伺服马达时间常数； r ：水轮机调速系统中配压阀和阀门操作伺服马达的时间常数； z ：软反馈时问常数或缓冲时间常数； ，帐、，k ：由于限幅环节引起的输出功率变化的上、下限值； 3 5 锅炉模型 现有的锅炉模型较多，然而由于大多数较为复杂，适用于d t s 动态仿真的则 不多。文中提供了直流炉和汽包炉等典型模型供用户选择。模型框图如图3 5 ： 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 设定 设定 c a ) 汽包炉模型i 喷嘴前压力 ( b ) 汽包炉模型2 喷嘴静压力 ( c ) 直流炉模型 图3 5 锅炉模型框图 其中： x ，：压力调节环节放大倍数； k 。：压力调节环节放大倍数； k ：、毛：放大倍数； 频率 浙江大学硕士学位论文第三章d t s 动态仿真的模型 k 。：反馈环节放大倍数； 、耳：给水和燃料等延时环节的时间常数； 、瓦：压力调节环节的时间常数； c 。、k 。：第一级压力反馈环节放大倍数； a u x ：计及电压( v ) 和频率( f ) 影响的环节，a u x = f 一4 0 2 4 + ( 1 一v ) 2 ； 3 6 本章小结 本章介绍了d t s 动态仿真程序内部的发电机动态模型，包括励磁系统模型、 p s s 模型、原动机模型、调速器模型和锅炉模型。本文提出的用户自定义建模的 主要对象就是发电机的动态模型。 浙江大学硕士学位论文第四章用户自定义建模技术评述 第四章用户自定义建模技术评述 4 1 用户自定义建模的目的和意义 电力系统控制理论的发展和各种新型控制、保护装置的不断研制开发和投入 运行，要求动态仿真能够考虑各种新型一次设备和二次系统装置的动态特性以及 实现各种调控策略，如各种f a c t s 装置、随不同工程而异的超高压直流输电线路 及其控制系统、各种各样的继电保护和安全自动装置以及各种新型的励磁系统模 型、p s s 模型、原动机模型、调速器模型、锅炉模型等，以满足电力系统规划设 计、运行、调度以及科学研究对系统分析的要求。 为了满足上述要求，国内外大型电力系统分析程序均在程序内部设置了大量 固定模型供用户选用。如中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序 p s a s p 的暂态稳定计算部分，程序内部考虑设置了7 种同步机模型、3 种负荷模型、 2 种无功静止补偿模型、2 种发电机励磁调节系统、2 种调速器、1 种p s s 装置、2 种高压直流输电摸型，还模拟了各种提高电力系统稳定措施的功能；南瑞稳定所 开发的f a s t e s t 程序内部考虑设置了6 种同步机模型、3 种负荷模型、2 0 种励磁机 模型、2 种调速器模型等，还模拟了多种提高电力系统稳定的控制功能；而国电 自动化研究院电网所开发的d t s 动态仿真软件中也设置了大量的固定模型，如直 流励磁模型、交流励磁模型、无刷励磁模型、自并激励磁模型、复式励磁模型等。 国外一些大型离线仿真软件如n e t o m a c 等考虑的模型更加繁多，有的将i e e e 推荐 的全套典型模型装入程序，以此表明其模型的完善。 传统的仿真软件由软件厂商按事先确定的模型编写，用户无法改动原有模 型。对于这种纯粹基于模型库的分析软件，模型的变动或增加只能由原厂商通过 改写源程序来实现。由于这些改动必须与原先的程序严格对应和协调，开发周期 长，可靠性测试困难，故很难及时满足众多用户的不同要求。这种被动的开发方 式势必大大落后于实际的需要。 仿真软件不可能、也没有必要为用户提供包罗万象的内部模型，而应提供一 个高效、方便的通用机制和平台，让用户方便的自行构造所需模型。解决上述问 浙江大学硕士学位论文 第四章用户自定义建模技术评述 题的一个很好的方法就是为电力系统仿真计算程序增加用户自定义建模 ( u s e r d e f i n e dm o d e l i n g ，简称u d m ) 。u d m 技术就是为了满足数值仿真的灵活 性和开放性而发展起来的。 u d m 是在不改变程序本身的条件