（电力系统及其自动化专业论文）基于eurostag的大区互联电网若干稳定问题研究.pdf

牮乾电力大学硕士学谴沧文 摘要 本文在2 0 0 5 年某区域网的b p a e u r o s t a g 潮流数据转换的基础上，完成了 b p a e u r o s t a g 稳定及不对称故障计算数据的转换，充分理解了b p a 和e u r o s t a g 的使 耀方法和模墅，对两种软件模型及参数的转换在i e e e 。5 节点系统上进行了详细的 验证。仿真结果表明：b p a e u r o s t a g 模型及参数转换合理面准确。 利用b p a 及实际电网数据对大区互联电网进行了仿真研究，分析了大区域电网 互联后引起系统暂态稳定水平下降的原因，得出了受端系统转动惯量增大对互联系 统豁态稳定水平的受亟影响。 利用e u r o s t a g 进行连锁故障仿真，依据电网连锁故障的概率分析方法，按照历 史统计规律对各继电保护和自动安全装置进行概率分配，并且建立连锁故障评价指 标，应用f c m ( f u z z yc m e a n s ) 算法对连锬故障样本进行分类及确定评价指标的权重 系数，以此来判断随机因素组合对连锁故障的影响程度。 关键谲：b p a ，e u r o s t a g ，受端系统，转动揍量，连锁故障 a 暑s 譬r 矗c 譬 i n t h i sp a p e r , ab p a e u r o s t a gs t a b i l i t ya n da s y m m e t r i cf a u l to fd a t ac o n v e r s i o ni s c o m p l e t e d ，o nt h e b a s i so far e g i o n a ln e t w o r kb p a e u r o s t a gp o w e rf l o wt r e n dd a t a c o n v e r s i o ni n2 0 0 5 b a s e do nf u l la p p r e c i a t i o no fm o d e l sa n dm e t h o d so fb o t hb p aa n d e u r s o t a g , t h er e s u l t so fm o d e l sa n dd a t ac o n v e r s i o nb e t w e e nt h et w os i m u l a t i o ns o f t w a r ea f t v a l i d a t e di ni e e e - 5 t h es i m u l a t i o n so fb p aa n de u r s o t a gi n d i c a t et h a tb p a e u r o s t a gd a t a c o n v e r s i o ni sr e a s o n a b l ea n de x a c t r e s e a r c ho ns i m u t 贰i n gr e g i o n a lp o w e r g r i di n t e r c o n n e c t e dp o w e rn e t w o r kw i t hb p a a n d t h ea c t u a lu s eo fd a t a ，a n a l y z i n gt h er e a s o nw h i c hm a d et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yl e v e lo f i n t e r c o n n e c t e dp o w e rn e t w o r kd e c r e a s e d ，a n dt e s t i f y i n gt h a tt h en e g a t i v ei n f l u e n c eo ft h e m o m e n to fi n e r t i ao fr e c e i v i n gs u b s y s t e mi n c r e a s i n g t h el a s tp a r ti ss i m u l a t i n gc a s c a d i n gf a i l u r e sw i t he u r o s t a g i tb a s e do nt h ep r o b a b i l i t y m e t h o do fc a s c a d i n gf a i l u r e s ，a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i co fh i s t o r yd i s p a t c h i n gp r o b a b i l i t yf o r e a c hp r o t e c t i o nr e l a ya n da u t o m a t i cs a f e t yd e v i c e ，t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n gt h r e ee v a l u a t i o n i n d e x e st oe v a l u a t ec a s c a d i n gf a i l u r e s f i n a l l y , a d o p t i n gf c m ( f u z z yc m e a n s ) a l g o r i t h mt o e v a l u a t et h es a m p l e so f c a s c a d i n gf a i l u r e sa n dd e t e r m i n et h ew e i g h tc o e f f i c i e n to f e a c hi n d e x ， 1 华= | 艺电力大学硕学位沦文 i no r d e rt oe s t i m a t et h ed e g r e eo fr a n d o mf a c t o r sc o m b i n a t i o ni n f l u e n c e sc a s c a d i n gf a i l u r e s k o ul i n g y u e ( p o w e rs y s t e ma 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 s ：b p a ，e u r o s t a g ，r e c e i v i n gs y s t e m ，m o m e m o fi n e r t i a ，c a s c a d i n gf a i l u r e s i l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于e u r o s t a g 的大区互联电网若干稳 定闷题研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期阀，在导师指导f 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j 空和致谢之处外，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 的学位或证书面使用过的材料。与我一固工作的同志对本研究所徽酶任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邃遁垂日期：州形 关于学位论文使用授权的说明 本久完全了鳃华北电力大学有关傺磐、使用学位论文的规定，部：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j i j 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： 日期： 翩签名拯 导师签名：d 型卜 网 期：衄7 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，我国电力系统已经步入大电网、高电压和人机组时代，随着高压电网发 展，超高压设备，大容量机组，远方大容量电厂以及新技术产品引入电力系统，以 及因电网扩大及联系紧密带来的事故影响范围扩大，造成的后果是严重的，因此， 仿真对系统的指导作用越来越重要。如何实仿真更接近实际运行状态? 这对电力系 统仿真软件提出了更高的要求，对比仿真软件间的相同和异同点，可以判断任一仿 真软件仿真结果的准确度和可信度，使仿真结果更好地指导生产实际。 本文所有工作都是在系统仿真研究的基础上完成的，主要涉及区域网互联后大 系统暂态稳定性变化、以及大区电网弱互联后可能引发的连锁反应进行了较为深入 的讨论。文中暂态稳定性研究是针对大区电网互联后，系统惯量发生巨大变化，部 分潮流断面发生较大变化，初始故障引发连锁故障的概率进一步增加，如何防止大 电网发生连锁故障是具有重大现实意义的。本章阐述课题研究的重要意义、课题现 状、课题的研究背景以及本文的主要内容和研究成果。 1 1 课题研究的意义 1 1 1 大区互联电网暂态稳定性研究的意义 华北与东北联网后，对华北电网5 0 0 k v “西电东送”各断面暂态稳定水平均有 负面影响，5 0 0 k v 大房双、丰张双、沙昌双加张顺线断面中一回线路三相短路故障 的暂态稳定极限下降幅度分别为6 il 、2 ；东北电网省间联络线暂态稳定极限 下降幅度较大，吉林一黑龙江省间5 0 0 k v 线路的三相短路故障暂态稳定极限下降幅度 为1 8 1 ，吉林一辽宁省间5 0 0 k v 线路的三相短路故障暂态稳定极限下降幅度为 2 0 6 。联网之前与联网之后，唯一的区别在于联网后系统机组增加，即系统总惯 量增加了，这有可能是引起联网后各自电网内部暂态稳定水平下降的原因吗? 针对这一现象，文中从暂态稳定理论和仿真分析两方面分析了系统惯量增加对 互联系统暂态稳定水平的影响，并指出了受端系统惯量增加引起各输电断面的暂态 稳定水平下降，而受端系统惯量增加会提高输电断面的暂态稳定水平。 1 1 2 系统连锁故障仿真研究的意义 通过区域电网互联形成更大规模的联合电网，已经成为当前电力工业发展不可 逆转的趋势，但是电网规模的扩大也对系统安全提出了新的挑战，例如，一个区域 华北电力大学硕士学位论文 发生的重大扰动或事故可能会影响剑相邻i 又：域，乃至引起连锁反应和相继操作，恶 化系统工况弛1 。近年来，世界范围内发生了许多大停电事故，如1 9 9 6 年夏季美国西 部的两次大停电事故，2 0 0 3 年8 月1 4 日发生的美、加大停电事故1 是有史以来规 模最大的停电事故，影响尤为严重。这次大停电波及了美国的8 个州和加拿大的两 个省，至少2 1 座电厂停运，受影响居民达5 0 0 0 万。在我国，2 0 0 5 年9 月2 6 日， 海南发生了海南电网全网崩溃的事故1 ，2 0 0 6 年7 月1 日河南省发生了一起罕见的 电力故障，五百千伏嵩郑两回线路先后跳闸，造成豫西、豫中部分2 2 0 千伏线路过 载跳闸，电网运行出现波动。 尽管类似北美“8 1 4 ”大停电那样的事故至今没有在我国发生过，但是海南停 电事故和河南停电事故为我们敲响了警钟。我国电网的总体设计水平与发达国家相 比还有很大的差别，电网机构薄弱，电气主设备和线路故障率较高，部分电网电源 供应紧张，因而存在着电网停电的隐患。另一方面，为了满足电力增长的需求，以 大容量远距离为主要特征的全国大联网将是我国电网发展的必然趋势碍，即“西电 东送，南北互供。在巨型互联电网中，当电网发生故障且故障被切除后，系统潮 流将被重新分配，如果不加处理，新的过负荷线路或变压器将被切除，有可能引发 连锁反应，甚至系统崩溃。 综上所述，随着社会用电需求的不断增加，电网规模日益扩大，其具有合理开 发能源、节省投资和运行费用以及增加对用户的供电安全性等优势，但也带来了潜 在的威胁，即局部电网的故障可能诱发连锁反应波及到邻近的区域，一旦出现重大 事故，其规模和造成的损失是巨大的。因此，保证大区互联电网的安全、稳定和经 济运行是一个重大而迫切的问题，必须作为一个重大的战略问题来解决。 1 2 课题国内外研究现状 近年来，世界范围内有不少国家先后发生了大停电事故，这些大停电事故的连 锁反应特征引起了人们广泛的关注，连锁故障也作为项重要课题来研究。我国9 7 3 项目“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”中的子课题“大电网安全性评估 的系统复杂性理论研究”中就有“大型互联电网连锁故障的机理分析 这一项内容。 1 2 1 大区交流互联系统 东北与华北两区域电网互联后，系统中部分线路暂态稳定水平下降，引起电力 系统从业人员的高度重视。由于在联网前后，系统参数并没有变化，而只是发电机 组数量增加了，系统转动惯量增大了，因此，在大区互联电网中，系统转动惯量对 系统暂态稳定的影响是明显的。 文献【6 】应用单机等面判据分析多机系统，并推导出了多机系统的时间等面积判 2 华北电力大学硕士学位论文 据和角度等面积判据，选出临界机组，以第一摆加速和减速而积大小判断系统稳定 性。文献【7 】将互联电网等值为两机系统进行数学推导，得出受端系统惯性时间常数 对互联系统暂态稳定的影响。文献【8 】通过弱互联系统与强互联系统的对比，得出弱 互联系统削弱系统阻尼的机理，并在两机系统中推导出了阻尼矩阵的解析式。 综上所述，大区互联电网中，系统惯量增加带来系统可靠性的同时，给系统安 全带来的问题也随之增加，系统暂态稳定水平下降，将使得系统对电能的输送能力 下降，此时系统由初始故障引发的连锁故障的可能性将进一步加大。如何避免出现 电力系统连锁崩溃的事故发生，找出影响其发生的主要因素，并加以控制是预防连 锁故障的最佳选择。 1 2 2 连锁故障 目前，国内外关于电网连锁故障的研究，绝大多数所考虑的电网连锁故障的发 展模式为：“初始故障切除后，电网因大负荷转移而造成了继电保护相继动作跳开 电网元件”这种模式。具体的研究涉及到物理过程的模拟、抽象的宏观动态模拟等 等诸多层面。大致可以分为如下3 类：( 1 ) 模式搜索法f 9 - f 羽，主要是指通过建立符 合电网实际物理过程的模型和算法对电网的连锁故障进行模拟，包括对初始扰动的 发生、电网电气量的变化以及二次设备的动作( 主要是继电保护的动作) 等主要事 件的模拟；( 2 ) 基于复杂系统理论的模型法纠“，主要有美国的c a r r e r a s 、d o b s o n 等 学者提出的三种模型，分别是：o p a ( o a kr i d e 。p s e r c a l a s k a ) 模型、c a s c a d 模型以 及分支过程( b r a n c hp r o c e s s ) 模型；( 3 ) 基于复杂网络理论的模型法n 7 2 “，是从网 络结构的角度来研究网络对于各种攻击的承受能力及是否具有发生连锁故障的可 能等问题。 以上三种分析方法都是基于确定性分析方法建立连锁故障模型，难以反映电力 系统故障的随机特性，本实验室提出的连锁故障概率分析方法心乱是对传统分析方法 的重要补充，其核心思想是根据概率大小来判断随机因素组合对连锁故障的影响程 度，依据这些重要的随机因素组合，提出保护系统安全的策略。 1 3 课题研究背景 e u r o s t a g 是由法国电力公司( e d f ) 和比利时t r a c t e b e l 共同开发的电力系统 动态仿真软件，但是e u r o s t a g 中所用的电气元件模型所需参数与目前所使用的仿真 软件b p a 数据格式不一致，因此，将现有电力系统的数据由b p a 格式转换到e u r o s t a g 格式，并且对转换数据的潮流和暂态稳定的结果进行仿真验证，为e u r o s t a g 用于电 力系统仿真分析做必要的准备工作，这是本文前期完成的工作。 大区域电网交流互联后，其规模不断扩大，如何保证电力系统稳定运行将变得 3 牮= | | ：瞧力大学硕士学靛论文 更加严峻。系统稳定运行的重要原则之一，是控制输电断丽运行在暂态稳定极限值 以内，因此暂态稳定极限值计算尤为重簧。影确暂态稳定性因素主要有网架结构、 开机方式、自动装置的配置、元件和负荷特性以及电网的负荷水平等，除负荷特性 及负衙水平外，其它因素均是确定的，瑟对特定霹络，受旖模型秘负荷水平变优也 不大，而电网大区域瓦联后，变化最大的是系统惯量的变化，而相对联络线两端发 电机群摇摆更加剧烈，因此，系统撰量对大区域电网的暂态稳定影响是不可忽视的。 在单机无穷大系统中，发电机惯性时间常数的增加将使得系统中暂态稳定水平 上升，因此，某些教材中认为，转动惯量对系统的影响是系统转动惯量增大则系统 暂态稳定水平卜升，系统惯量减小剃系统暂态稳定永乎下降。但是，在两机系统中， 由予转动惯量的变化将改变系统功角变化的速度，当系统转动惯量变化时，受端系 统黧送端系统豹功焦变化速度是不同的，蠢此，两杌系统的两端功蹙摇摆也会随之 发生变化。受端系统镤量的变化，将使得受端系统相对角变化幅度大于送端系统相 对角变化；反之，送端系统惯量的变化，使得送端系统相对角变化幅度大予受端系 统裙对角变化。综上掰述，系统转动惯量对电力系统暂态稳定性的影响，不能简单 定义为增大或者减小，在多节点系统中，如果进行等值处理，不同断面可以等值为 不同的薅络模型，盘越霹得，电网互联将使得系统得暂态水平发生较大变讫，对其 影响应加以重视。 近年来，世界范圈内出现7 一系列由于初始故障弓 发电力系统发生滚雪球式连 锁反应的停电事故。系统发生初始故障籍，潮流发生转移，当系统重载时，潮流转 移引起部分线路过载，从而退出运行，较多线路退搬运行艨，系统中有功功率与无 功功率进行重新分配，有可麓弓l 发变压器过载，发电视母线电压遭低以及发电梳转 速发生激烈变化，导致系统设备逐次退出。目前，对电力系统连锁反应的研究主要 集中在确定性方法的基础上，建立故障模型，实验室豹博士研究基金中，提爨了连 锁故障分析的概率模型，补充了确定性分析的不足，如何评价概率模型对连锁故障 的贡献及运用概率模型划分连锁故障路径是本文所要考虑的目题。 1 4 本文的主要成果和创新点 本文在完成了某区域电网的b p a e u r o s t a g 不对称故障的潮流、稳定数据转换及 验证工作，应用e u r o s t a g 进行区域互联电网的暂态稳定性仿真分析，鼹释了东北与 华北电网互联后造成的部分潮流断面暂态稳定承平下降的现象，并用单祝无穷大系 统和等值双机系统进行数学公式推导，得出了造成暂态稳定水平下降的机理，最后 应焉e u r o s t a g 新建立的继电保护模型，对系统进行连锬故障仿真，得到隧机因素组 合的连锁故障样本，应用模糊c 均值算法进行聚类分析，评价连锁故障样本和造成 连锁故障的隧机因素组合。 4 华北电力大学硕士学位论文 本文所做的工作主要有以下内容： l 、将某区域网2 0 0 5 年的潮流和稳定数据从b p a 格式转换到e u r o s t a g 格式，并且以 b p a 为基准，对转换到e u r o s t a g 的区域网数据的潮流计算、暂态仿真结果进行比较， 验证转换数据及模型的合理性和正确性。 2 、系统转动惯量对电力系统暂态稳定性影响的仿真研究 单机无穷大系统 当故障切除时间不变的情况下，发电机惯性时间常数不断增大时，系统暂态能 量中的加速面积不断减小，减速面积基本不变，因此，系统转动惯量增加则暂态稳 定水平提高了。 等值两机系统 在故障切除时间不变的情况下，系统惯量的变化对送端系统与受端系统的功角 变化影响不同，造成系统摇摆角在系统惯量增加时，受端系统和送端系统相对角变 化不一致：当送端系统转动惯量增大时，送端系统摇摆角变小，而受端系统摇摆角 变化较小，因此，在相同故障情况下，送端系统与受端系统摇摆角变小，则系统暂 态稳定水平提高；当受端系统转动惯量增大时，受端系统摇摆角变小，而送端系统 摇摆角变化很小，因此，在相同故障情况下，送端系统与受端系统摇摆角变大，则 系统暂态稳定水平下降。 3 、应用e u r o s t a g 仿真连锁故障 应用e u r o s t a g 的中长期动态仿真特点，考虑继电保护和系统安全装置的动作， 模拟系统连锁故障。基于连锁故障的概率分析方法，应用模糊c 均值算法对仿真所 得连锁故障样本进行聚类分析，评价对连锁故障影响较大的随机因素组合。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章b p a - - e u r o s t a g 的动态模型转换及验证 电力系统仿真软件在电力系统运行中占有极其重要的地位，是系统研究、规划、 运行、设计等各个方面不可或缺的工具，其仿真结果具有很高的权威性和导向性。 因此，系统仿真软件的准确度和精确度以及仿真范围都应得到高度重视。 我国电力系统内广泛应用的仿真软件是b p a ，其优点是计算速度快、数据稳定 性好，机电暂态仿真准确度高等，但由于电力系统网络规模的增大，系统中的动态 问题突现重要，如何使得更好地保证电力系统中长期稳定运行是一个具有重要意义 的问题。电力系统仿真分析软件e u r o s t a g 可以对系统进行全时问范围内的仿真，国 内目前所用的其他软件不具备这些特点，但e u r o s t a g 所用的电气元件模型要求有详 细的参数，并且相应的模型标准与国内软件不匹配，无法直接用于国内电网的仿真 分析中。 为了准确将2 0 0 5 年某区域网数据转入到e u r o s t a g 中，对数据进行分析，将其 中的数据格式、模型类别等进行统计和分类，找出b p a 格式数据的元件模型、参数 等与e u r o s t a g 定义的模型、参数之问的对应关系，构建将两者准确联系起来的规则， 并验证其等值处理结果及转换的合理性。本章的主要工作是转换b p a e u r o s t a g 的稳 定数据及不对称故障模型，发电机模型、负荷模型、励磁模块、调速模块、p s s 等 模型的转换，并在i e e e 5 节点系统中验证转换模型的正确性。 2 2 模型转换规则 在b p a e u r o s t a g 数据转换中，仿真软件提供的模型不尽相同，通过等值处理后， 转换结果在数学模型和实际仿真中是否一致是检验数据转换是否合理的重要组成 部分。 从计算文件的角度考虑，稳定计算文件在b p a 和e u r o s t a g 中所包含的内容并不 一致，在b p a 中，稳定文件( s w i 文件) 主要包括，故障卡、发电机参数卡、励磁卡、 调速器卡、p s s 卡、负荷卡等稳定计算模型，e u r o s t a g 与b p a 不同的地方在于其有 独立的故障设置文件，且在稳定文件中可加装设备保护及稳定检测装置等。因此， b p a e u r o s t a g 数据转换中，各模型的转换都要进行数学推导和仿真验证两部分。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 发电机模型 发电机模型的等值转换，从物理意义上看，发电机模型主要考虑d 轴上的励磁绕 组f 、阻尼绕纤 d f f l j q 轴上的阻尼绕组q 、涡流绕组g ：从数学模型上看，确定发电机 模型的方程主要有三类，电压方程，磁链方程，功率及转子运动方程：根据计算要 求的精度和考虑参数的多少，发电机模型可以被定义为2 7 阶模型，发电机模型阶 数越高，考虑参数越多，计算越精确，仿真结果越接近实际物理系统【2 3 5 1 。 一、从发电机物理绕组上考虑 在b p a 中，发电机的卡片主要有m 、m f 、m c 卡，其中m 卡为阻尼绕组卡，m f 卡只考虑了d 轴的励磁绕组f 和q 轴的涡流绕组g ，不考虑d 、q 两个阻尼绕组，m c 卡 是经典模型。如下图2 1 所示，b p a 通用发电机模型六绕组模型【2 6 1 ，图中x 绕组是d 轴阻尼绕组，y 绕组q 轴阻尼绕组。 b e a 图2 - 1b p a 通用发电机六绕组模型 在e u r o s t a g 中，发电机模型有外部参数和内部参数两种表示方法，外部参数包 括电抗和时间常数，内部参数包括互感系统和漏抗感应系数。每种方法分为完整模 型和简化模型，完整模型包括四个绕组，分别是励磁绕组、直轴阻尼绕组、交轴的 两个阻尼绕组，其中直轴绕组间是有耦合的：简化模型只计及直轴励磁绕组，不考 虑交轴绕组。 7 华j 艺电力大学硕士学位沦文 图2 2d 轴转子绕缀豳2 - 3q 轴转子绕组 岛： 饧2 上图中艺是定子电阻，毛楚壹轴定予漏抗，膨。是壹轴互感系数，是c a n a y 的互感系数，d 和分别为直轴阻尼绕组的漏抗和电阻值，和0 分别为励磁绕组 的漏抗和电阻值，乞是交轴定子漏抗，致是交轴互感系数，毛和饧，分别为交轴阻 尼绕组的漏抗和电阻值，厶，和砀：为交轴另一阻尼绕组的漏抗和电阻值。 由以上分析可以看出，b p a 中的m 卡和m f 卡组合与e u r o s t a g 中的外部参数完 整模型一一对应，为阔步发电钒穴阶模型，蔼b p a 中m f 崇为蹬阶模型，在e u r o s t a g 没有与之完全对应的模型，凶此在转换过程中，应将相应模型作等值处理，使之与 b p a 中四阶模型对寂。b p a 中m c 卡与e u r o s t a g 中外部参数的简化模型对应，参数 作相应计算即可得出等值参数。 二、数学模型推导 标准d q 0 坐标下发电撬的磁链方程： 岛00 ；0 0 0 厶0 ；00 口 00 厶；0 0 00 3 m , r 2 0 0 ；0 0 0 3 2 0 0 ；朋船t , o 00 0 3 20i 0 0 岛 0 3 7 20 ；0 0m g o 岛 b p a 中，发电机精确模型为六阶模型，其磁链方程为： 婶f 致 p 岛 o 3 m , s 2 3 2 o o o o o 3 2 3 2 oo km 蠹 黻鑫l oo oo 8 o o 忖 m a gm , y0 o o 忙 9 o 蚣 f i 岛j l ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 吃，吨_岛。k 纷吩珞 华j 艺电力大学硕士学位论文 审f 1 2 e u r o s t a g 中，最精确模型为发电机六阶模型，其磁链方程如下： m d + i l m d 醚l o o o o 0 q m q + i q m 。 m l o 0 o m q m 4 + i 醚q o o o m q m l 麓l + l ( 2 - 3 ) 其中， 公式( 2 - 2 ) 孛熬x 、y 和g 绕组分别与公式2 3 ) q a 酌d 、q i 和q 2 绕组 对应。通过对比上式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 得出，b p a 和e u r o s t a g 中的六阶模型是致 的，其参数应可以做等值转换。 b p a 发电视中，只有m f 卡时，如果交轴暂态开路时间常数焉不为0 ，考虑了 g 绕组，应用的是两绕组四阶模型，一般适用于描述汽轮机；如果砾为0 ，没有考 虑g 绕组，茭| j 用的是单绕缝三阶模塑，适瘸于描述承轮机。 e u r o s t a g 中，发电机模型有三阶、五阶和六阶，没有与b p a 中对应的四阶模型， 本文中的处理方法是将e u r o s t a g 中的六阶模型等值处理为网阶模型，即去掉d 轴阻 尼绕组和q 轴的一个阻尼绕组，具体处理办法为将阻尼绕组电阻和漏抗分别记为零 和无穷大。如下图2 4 和图2 5 所示。 毛： t 0 2 蓬2 4e u r o s t a g 四阶模塑宣辕电路图图2 - 5e u r o s t a g 四盼模型交辘电路图 b e 图2 6b p a 巾四阶模型示意图 9 毛00 k 。像 。辑 是鼋。3 妊 唆兰 肇j 艺电力大学硕士学位论文 综上所述，b p a 中所用的发电机模型，二阶、三阶、四阶、六阶模型都可以经 过等值处理在e u r o s t a g 中找舞相应筋模型与之对应，本文分别放物理模型和数学推 导上证明了等值转换的正确性，本节后而将有详细的验证过程。 2 2 。2 电机饱和系数的处理 如果参数模型考虑定子和转子铁心饱和的影响，e 娃羚s t 鑫g 和b 淞中对此参数定义 不致，应做相应的转换。在e u r o s t a g q h ，要求输入发电机d 轴和q 轴的铁磁饱和曲 线方程系数，分别是m d ，m q ，i l d ，n q ，其数值大小如下图2 7 所示。b p a 中提供了发电 机额定电嚣乏时的电概饱和系数s g i 0 藉1 2 倍额定电压时的电视饱裙系数s g i 2 ，其 饱和特性曲线如图2 - 8 所示。 拇惨终炼 e # 突赣褥擐秘撬 镰岁 。 确遵璁 围2 - 7e u r o s t a g 窜电视饱和特性馥线 图2 8b p a 中电梳饱和特健魏线 电机饱和参数的具体计算公式如下表2 1 所示。 表2 1 电机饱和特性曲线参数表达式 b 淞 e u r o s t a g s g l 0 = i b l a 1 曲线b ：i d e = 1 + m d 宰e 喇 s g l 2 = i c ( 1 2 i a ) 一1 曲线c ：l q e = l + m q 牛e “q l d 和l 霉是定予电流 当假设在i d = i q 时，可得到等式m d = m qn d = n q ，h i e u r o s t a g q b 饱和特性曲线b 和曲 线獯合，刘b p a 与e u r o s t a g o g 橇锪帮特性癌线一致，因此，决定了饱和越线的参数对 应关系如下： 1 ) 当电机电压为额定电蕊时，8 p a q 】的饱和系数为s g l 。0 ，求得e u r o s t a g q b 的饱 和系数m d = m q = i t i ； l o 华北电力大学硕士学位论文 l + 所：一i ：生 e 1 4 ，l = 阳1 o ( 2 4 ) 2 ) 当电机电压为1 2 倍额定电压时，b p a d 0 的饱和系数y g s g l 2 ，求得e u r o s t a g 中的饱和系数n d = n q = n 。 1 + r e x l 2 k 三：l e1 2 x - 。 ，g 1 0 x1 2 “= s g l 2 s g 2 i n o l 1 r i 一 s g l 0 i 1 = ! - 公一 ( 2 - 5 ) 需要说明的是考虑电机饱和时，e u r o s t a g 中交轴暂态电抗应小于交轴同步电 抗，但大于定子漏抗，这与b p a 中是一致的，b p a 中隐极机的直轴暂态电抗小于交 轴暂态电抗，交轴暂态电抗小于交轴同步电抗；凸极机有直轴暂态电抗小于交轴暂 态电抗，交轴暂态电抗等于交轴同步电抗。 2 2 3 励磁模型 励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电机端电压或者枢纽 点电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无功功率分配。励磁系统按励磁功 率源的不同进行分类，主要分为三大类：( 1 ) 直流励磁系统，它通过直流励磁机供给 发电机励磁功率；( 2 ) 交流励磁系统，它通过交流励磁机及半导体可控或不可控整流 供给发电机励磁功率；( 3 ) 静止励磁系统，它从机端或电网经变压器取得功率，经可 控整流供给发电机励磁功率，其形式通常为自并励的或自复励的。 b p a 中提供的励磁卞主要有两类，i e e e 的励磁模型e 型卡( 1 9 6 8 年标准) 和励磁 模型f 型卡( 1 9 8 1 年标准) ，其中包含了上述三类励磁系统模型。在e u r o s t a g 中，有 丰富的模型库以及其开放式模块编辑管理模式，可以自定义模型及参数，因此，在 模型转换中，需要在e u r o s t a g 中搭建b p a 中的励磁模型。在b p a e u r o s t a g 模型转 换中，即将b p a 中所提供励磁模型完整地再现于e u r o s t a g 中，由于b p a 中只提供 励磁卡代号和所需参数，而e u r o s t a g 中的模块除了参数和主框图外，还要对励磁模 型中的状态变量进行初始化，初始化的过程是对微分方程状态变量赋值的过程。 一、控制模块转换的方法 下面将用i e e e 标准模型e a 型励磁卡( 连续、旋转直流励磁系统) 为例，阐述如 华北电力大学硕士学位论文 何在e u r o s t a g 中搭建b p a 中的励磁模块。 图2 7i e e e 标准模型( b p a 中e a 型励磁卡) 表2 2 模型中各项参数的意义 编号b p a 参数意义 1 k a 调压器增益 2 k e 与励磁方式有关的常数 3 k f 凋压器稳定回路 4 s e励磁机饱和系数 5 t a 调压器放大器时问常数 6 t a l 调压器放大器时间常数 7 t e 励磁机时间常数 8 t f 调压器稳定同路时间常数 9 t r 滤波器时问常数 1 0 v r m a x v r 的最人值 ll v r m i n v r 的最小值 1 2 v t 发电机机端电压 1 3 v r e f 调压器参考电压基值 1 4 e f d 励磁机输出电压 根据b p a 中提供的励磁卡框图可以得出，励磁卡输入与输出之间的传递函数， 首先画出e a 卡的梅森图，如下图2 8 所示。 l + s r , 图2 - 8 励磁卡的梅森图 1 2 华j 艺电力大学硕士学位论文 由梅森图可以得文传递函数日( s ) ： 捌一瞄母州一轰志志剐 陆6 ， 露= 志志壶 陋7 ， a l = 1 ( 2 8 ) 臀s ) = 霉盏 f 2 - 9 ) 将公式( 2 6 ) 、2 7 ) 、2 8 ) 代入公式( 2 - 9 ) ，鄂可得毒励磁传递羲数的具体表达式， 由此可得，传递函数中每一项的具体表达式。e u r o s t a g 中自定义建立模型，主框图 必须与b p a 中提供的励磁模型致；初始化框图是假定系统零时刻的参数，即系统 稳态时刻的数值；参数部分与b p a 中一致。 图2 - 9e u r o s t a g 中励磁主框图 模块的初始化过程，是对主框图中每个微分方程的初值给定，由于给定的初值 必须是一个特定的数值，所以计算其值大小必须确定输入机端电压和输出励磁机电 垂酶数值，e u r o s t a g 审蔚办法是赣定机端电压和励磁辊电愿值己翔，霹运爝稳态爵 的机端电压和励磁机电压值来确定状态变量的初值。由上图2 8 可以确定梅森图中 的巾问量的函数表达式如下所示： = ( 2 - 1o ) x 4 = ( 是十磊毫+ s t , ) 恐 2 一l1 ) 墨= ( 1 + j 乃1 ) 矗 ( 2 - 1 2 ) 华j 艺电力大学硕士学位淦文 恐= 挈鼍+ 啬1 蕊 2 k l 。 s 0 ： 。五+ 恐 巧= ( 1 + j 最) 1 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 公式( 2 1 0 ) - ( 2 - 1 5 ) 中，各参数是已知的，e f d 和v t 的初值也融知，因此可以看出， 励磁模块中任意变量都可以经过计算雩导出其初值大小。求取中间状态变量的初值过 程为：先求出状态变量的挝普拉斯表达式，其次进行拉普拉斯反变换，将表达式变 换到时域条件下，从而计算出状态变量的初值，下列公式( 2 1 6 ) ( 1 9 ) 表示各状态变 量的初傻计算表达式。 五= 巧( 2 - 1 6 ) x s = ( 2 i 一7 )2 占舾( z 7 戈= 幌+ 磁) ( 2 1 8 ) 鹚= ( 是+ ) ( 2 1 9 ) 憋：鱼学( 2 - 2 0 ) 髟 哪学 ( 2 - 2 1 ) 因此，可以得出励磁模型卡e a 的初始化框图如图2 1 0 所示。 圈2 1 0e u r o s t a g 中励磁模型卡e a 的初始化框图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 二、特殊参数的处理办法 在以上所述躺转换过程中，大部分参数是掌数虫 i e a 卡中比例环节、攒性环节、 微分环节的系数，但也有一部分参数并不是常数，而是非线性的，如参数s e 既不是 常数也不是线性变化量，因此，对于这部分参数要做特殊处理。以下将介绍如何将 b p a 励磁机饱稻系数s e 等蕴转换到e u r o s t a g q h 。 由于磁饱和，励磁机输出电压和励磁机磁场电流。的函数是非线性的，b p a 中 励磁机饱和特性如下图2 1 1 所示。 b p a 程序中应用的饱耩曲线为： s e = m e e m 翘 q 一2 2 ) 其中，m 和n 为常系数。 e x o i 嬉q 网2 1 1 励磁机负荷一饱和曲线 b p a 中所绘参数为最大融磁电压时的饱和系数和7 5 最大励磁电压时的饱和系 数，凼此即可得方程组( 2 - 2 3 ) ，可以计算出公式( 2 - 2 2 ) 中的常系数m 和n 。 式中s e l 和s e 2 已知，e f d 为励磁机输出电压也视为l 。 求得m 和n ，如下式( 2 2 4 ) 所示。 ( 2 - 2 3 ) 麓 矿矿 膨m 嚣 黑 黠，、l 肇耗电力大学硕士学位论文 ( 2 - 2 4 ) 将公式( 2 2 4 ) 代入到公式( 2 - 2 2 ) 中，即可得出励磁机饱和函数的表达式。 砖= 器椭枷 ( 2 - 2 5 ) 因此，在e u r o s t a g 中，考虑s e 并不是常数，其具体函数表达式应该用下罔2 1 2 和阉2 i 3 代替。 在e u r o s t a g 中，搭建b p a 中的控制模块，如何验证其正确性? 在自定义模块过 程中，所有状态变量的初值都是经过数学推导所得，其合理性已褥到证明，在仿真 过程中，只要同样的输入对应相同的输出，即可证明模块转换的正确性，在本节接 下来的部分将若重通过仿真验涯其正确性。 匿2 1 2e u r o s t a g 中考虑饱和参数盼e a 卡主框图 图2 - 1 3e u r o s t a g 中考虑饱和参数的e a 卡燕框图 1 6 r一户疋一篷等畦 = 4 f l l 矗 ，illlllf【 牮北电力大学硕士学位论文 2 3 转换结果仿真验证 仿真验证采用i e e e 5 节点系统，分别用b p a 和e u r o s t a g 进行暂态仿真。 2 i , 6 * j o , s 图2 1 41 e e e 5 节点系统 在b p a 和e u r o s t a g 中，i e e e 5 节点系统潮流计算结果一致，如下表2 - 2 所示。 表2 - 3b p a 与e u r o s t a g 潮流计算练果 母线 母线电压( p u )电压相( d e g r e e ) 8 漩 e u r o s t a g 8 p a e u r o s t a g b u s 10 8 6 20 8 6 2 24 84 7 8 b u s 21 0 7 81 0 7 7 91 7 9 1 7 8 5 b u s 3l 。0 3 61 0 3 6 44 34 2 8 b u s 。41 0 5 01 0 5 0 02 1 82 1 8 4 b u s 51 0 5 0l ，0 5 0 0 o o oo 0 0 由上表1 2 可以看出，b p a 与e u r o s t a g 中潮流计算结果完全一致，差别在于保 留有效数字位数的不同，因此，只要稳定文件中各模型一致，即可验证其转换是否 成功。b p a 中系统发电桃模型采焉礁卡和m f 卡缝合，其与e u r o s t a g 中外部参数的 完整模型相对应，在e u r o s t a g 中采用外部参数完整模型；负荷模型统一采用恒阻抗 模型；励磁、调速、p s s 等控制模块都选择b p a 中提供的i e e e 标准模型，依据其 提供的模型框图在e u r o s t a g 中建立其模型；故障设置为：设置三相短路故障，l s 时 刻发电机2 出口母线发生三相短路金属性接地故障，l 。2 s 时刻故障消失，仿真时闻 长度为6 s 。 一、仿真结果验证( 不加励磁、调遽、p s s 等伺服系统) 不考虑励磁秽调速系统时，发电机励磁电垂和枫械转矩输墨为常数，在e u r o s t a g 中应搭建输m 恒定的励磁模型和调速器模型。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 5 ab u s 1 母线电压 l _ 1 ， 。0 8 9 鼍。7 蚕0 。： a 芝 n ， 图2 1 5 bb u s 5 母线电压 r 圈- o 付同g 凳嘲抽 卸 图2 1 5 cb u s 2 母线电压图2 1 5 db u s 3 母线电压 时m ( c v c t e s ) 图2 1 6 ag e n l 电磁功率图2 1 6 bg e n 2 电磁功率 图2 1 6 cg e n l - g e n 2 功角 图2 - 1 6 d 发电机g e n 2 转速 1 8 华j 艺电力大学硕士学位论文 通过图2 1 5 和图2 1 6 对比，可以得啦在不加控制系统的仿真中，b p a 和e u r o s t a g 仿真结果基本一致，则验证了发电视模型转换正确。在验证励磁释调速器模型的正 确性时，逐项加入控制系统，对比b p a 和e u r o s t a g 仿真结果。 二、加励磁模型( a ) 帮调速模型( g 疆) 比较励磁机输出时，机械转矩输出为恒定常数；验证调速器输出时，励磁电压 输出为恒定常数。励磁系统输出为励磁机电压( e f d ) ，对l t b p a 和e u r o s t a g 的励磁电 压波形，即可验证其搭建的正确性；同理可得机械转矩。 黠隧赫 圈2 - 1 7 ag e n 2 励磁机输出电压 蠢藩自髀e 拄露 瀚2 1 7 bg e n 2 调速器输出机械功率 综上所述，b p a 和e u r o s t a g 数据