（电力系统及其自动化专业论文）基于eurostag的北京电网动态稳定分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文研究了电力系统动态仿真软件e u r o s t a g 的主要功能，并将e u r o s t a g 引入北 京电网动态分析中。 本文研究了e u r o s t a 9 4 2 版的主要功能，并与b p a 的仿真功能进行了比较。随后 分析了前人丌发的数据转化程序，验证了其对于2 0 0 4 年夏季最大负荷北京电网数据的 通用性，并对源程序进行了注释和修改，以使其适用于北京电网的数据转换。 本文研究了北京电网b p a 数据中所涉及的励磁系统模型、调速器和原动机模型， 并在e u r o s t a g 的宏模块下选取和建立了模型。 在北京电网的动态稳定分析中，研究了不同励磁系统模型和负荷模型对动态稳定 型的影响。对于出现的低频振荡现象进行了分析，提出了抑制的措施和研究方法。把 e u r o s t a g 应用于北京电网的动态稳定分析对于研究提高北京电网动态稳定性的措旌 和提高电力系统小扰动下的中长期稳定性有蓑实际的意义。 关键词：北京电网，e n r o s t a g ，动态仿真 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h em a i nf u n c t i o no fp o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o np m g r a m e u r o s t a ga n da p p l i e se u r o s t a gi nt h ed y n a m i ca n a l y s i so fb e i j i n gn e t w o r k t h i sp a d e rs t u d i e st h em a i nf u n c t i o no fe u r o s t a g4 2v e m i o na n dc o m p a r e sw i t ht h e s i m u l a t i o nf u n c t i o no fb p a t h e n ，t h ea n a l y s i so fd a t ac o n v e r s i o np r o g r a mp r o d u c e db y p r e c u r s o rh a sb e e nd o n e t h i sp a p e rv a l i d a t e st h ec o m p a t i b i l i t yo fd a t ac o n v e r s i o np r o g r a m w i t h2 0 0 4s u m m e rm a x i m u ml o a do fb e r i n gn e t w o r ka n dc o m p l e t e sn o t a t i o na n d a m e n d m e n to ft h es o u r c ep r o g r a m t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ee x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l 、s p e e d g o v e r n o rs y s t e ma n d t u r b i n e sm o d e lu s i n gi nb e i j i n gn e t w o r kb p ad a t a t h e n ，s o m ec o r r e s p o n d i n gm o d e lw e r e c h o s e na n db u i l ti nm a c r o b l o c ko fe u r o s t a g t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c hw o r ki nt h ei n f l u e n c eo fd i f i e r e n te x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l a n dl o a dm o d e lt od y n a m i cs t a b i l i t yd u r i n gt h ed y n a m i cs t a b i l i t ya n a l y s i so fb e i j i n g n e t w o r k f o rt h el o wf r e q u e n c yo s c i l i a r i o na p p e a r e di nt h es i m u l a t i o n ，s o m em e t h o d st o r e s o l v ea n ds t u d yt h i sp h e n o m e n ah a sb e e ng i v e na tl a s t w o r k so ft h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tm e a n i n gt od y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i so f b c u i n gn e t w o r ko ro t h e rn e t w o r k su s i n ge u r o s t a g w a n gx i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e y w o r d s ：b e i j i n gn e t w o r k ，e u r o s t a g ，d y n a m i cs i m u l a t i o n 声明 y8 6 8 1 4 0 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 的北京电网动态稳定 分析，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：圣氢日期：2 。6 7 i 多 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：王毳 导师签名：强碑 日 期：竺：! ：! ：堡 日期：d - 歹- 7 芦 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 电力系统稳定性的概念与分类 电力系统的根本任务，是在国民经济发展计划的统筹规划下，合理开发能源， 用综合最低成本，向国民经济各部分和各电力用户提供充足、可靠而质量合格的 电能。对于电力系统来说，安全和稳定都是电力系统正常运行所不可缺少的最基 本条件。所谓安全，是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电流、 电压的频率和幅值，时间限额内运行。所谓稳定，是指电力系统可以连续向负荷 诈常供电的状态。 在电力系统运行中，有三种必须同时满足的稳定性要求，即同步运行稳定性， 频率稳定性和电压稳定性。失去同步运行稳定性的后果，是系统发生振荡，引起 系统中枢点电压，输电设备中的电流和电压大幅度地周期性波动，电力系统因不 能继续向负荷正常供电而不能继续运行。如果处理的不好，其后果是电力系统的 长期大面积停电；失去频率稳定性的后果是发生系统频率崩溃，引起系统全停电； 而失去电压稳定性的后果，则是系统的电压崩溃，使受影响的地区停电。 1 2 三种稳定性的内容和分类 1 2 1 同步运行稳定性 电力系统的同步运行稳定性，是摄受关注也得到认真考核的一种稳定性。按 照我国的现行规程，把电力系统的同步运行稳定性分为三类，即静态稳定、动态 稳定和暂态稳定。 国际上对于电力系统同步运行稳定性并没有统一的标准定义，根据i e e e 的新 建议，定义如下： “电力系统的静态稳定性：如果在任一小扰动后达到和扰动前运行情况一样 或相接近的静态运行情况的话，电力系统对该特定静态运行情况为静态稳定。又 称为电力系统的小干扰稳定。 电力系统的暂态稳定性：如果在该扰动后达到允许的静态运行情况，电力系 统对该特定运行情况和对该特定扰动为暂态稳定。” 需要注意的是，在i e e e 对于电力系统的暂态稳定性的定义中包括了一般意义 上的暂态稳定和动态稳定。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 2 频率稳定性 所谓频率稳定性问题，就是指电力系统是否按照额定频率运行的问题。频率 是电力系统运行的一个重要质量指标。它反应了电力系统中的有功功率供需平衡 的基本状态。在电网正常运行情况下，电网各点都处在基本上同一运行频率下。 当电力系统中有功功率的总供给，即各发电厂的总有功出力满足了全网电力负衙 的总需求，并能随负荷的变化而及时调整时，电网的平均运行频率将保持为额定 值。如果电力系统的有功功率供大于求，电网的平均运行频率将高于额定值：反 之，则将低于额定值。受到普遍关注的是低频率运行问题。 1 2 3 电压稳定性 系统的电压水平，是电力系统无功功率供需平衡情况和具体表现。系统运行 电压也有稳定性问题。电压稳定性问题一般是区域性质的。当然，在一定条件下， 由区域性的电压稳定性问题开始，诱发其他关联性的事件。而扩大为全网性的系 统大停电事故的情况也是有的。用来表示负荷与运行电压关系的特性有两种：第 一种是得到广泛介绍的负荷电压特性，即某一固定负荷本身的有功功率或无功功 率值随供电电压而变化的特性；另一种是系统受端电压功率特性。从扰动大小出 发，k u n d u r 和t a y l o r 仿照角度稳定问题的分类将电压稳定分为小扰动电压稳定 和大扰动电压稳定。大扰动电压稳定性关心的是大扰动( 如系统故障、失去负荷、 失去发电机等) 之后系统控制电压的能力。小扰动电压稳定性关心的是小扰动( 如 负荷的缓慢变化) 之后系统控制电压的能力。 根据研究的时间范畴，还将电压稳定分为暂态电压稳定、中期电压稳定和长 期电压稳定。暂态电压稳定的时间范围为0 一l o s ，主要研究感应电动机和h v d c 的 快速负荷恢复特性引起的电压失稳。中期电压稳定的时间范围为卜5 m i n ，包括 o l t c 、电压调节器及发电机最大电流限制的作用。长期电压稳定的时间范畴为 2 0 3 0 m i n ，其主要相关的因素为输电线过负荷时间极限、负荷恢复特性的作用、各 种控制措施等。 根据研究的方法，可将电压稳定问题分为三类，即静态电压失稳、动态电压 失稳和暂态电压失稳。静态电压失稳是指负荷的缓慢增加导致负荷母线电压缓慢 的下降，在达到电力系统承受负荷增加能力的临界值时导致的电压失稳。动态电 压失稳是指系统发生故障后，为保证其功角暂态稳定及维持系统频率，除进行网 络操作外，也可能进行切机、切负荷等操作，由于系统结构变得脆弱或者全系统 由于支持负荷的能力变弱，缓慢的负荷恢复过程导致的电压失稳。暂态电压稳定 问题是指电力系统发生故障或其他类型的大扰动后，伴随系统处理事故的过程中 2 华北电力大学硕士学位论文 发电机之间的相对摇摆，某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程。 根据e u r o s t a g 动态仿真软件的特点和北京电网作为典型受端电网的特点，在 本文的仿真过程中侧重于中长期的动态电力系统稳定性问题的研究和分折。主要 涉及到仿真中出现的低频振荡和电压稳定的方面稳定性问题的研究。 1 3 北京电网动态稳定分析的意义 1 3 1 国内外电力系统动态仿真分析现状 电力系统仿真目前已经成为电力系统研究、规划、运行和设计各方面不可缺 少的工具，其仿真结果具有很高的权威性。虽然国内外对于电力系统仿真的研究 已经有了比较长的时间，然而利用动态仿真软件对电力系统进行仿真分析还是近 一、二十年才出现的。国内外利用动态电力系统仿真软件进行动态分析已经取得 了一些成果。在国外，例如法国和比利时的电力调度部门利用e u r o s t a g 进行离线 的动态电力系统仿真分析。在国内，从事电力系统研究的院校和科研部门比较多 的是使用p s s e 对实际电力系统进行动态稳定分析研究，而使用e u r o s t a g 对实际 电网进行动态分析研究的并不多。 分析其原因主要是由于e u r o s t a g 中的动态元件模型与i e e e 的标准模型有一 定的差别，另外e u r o s t a g 的潮流数据与国内普遍使用的b p a 潮流数据格式差别也 比较大。因此e u r o s t a g 在我国的实际电网动态仿真分析中并没有得到广泛的应 用。本文将使用e u r o s t a g 对北京电网进行动态稳定分析，首先要解决的就是b p a 的潮流数据向e u r o s t a g 的潮流数据转化的问题，然后还要建立适合的动态元件模 型。 1 3 2 北京电网概况 北京是全国的首都，既是全国政治文化和国际交往中心，又是区域性经济、 科技、交通运输中心，因此为保证政治、经济、文化活动顺利进行，北京电网的 安全运行具有特别重大的意义。北京电网是京津唐电网的重要组成部分，负荷约 占京津唐电网总量的4 5 。北京电网是全国最大的城市电网，具有 5 0 0 k v ，2 2 0 k v ，1 i o k v ，3 5 k v ，l o k v 和6 k v 六个电压等级的输、供电网。5 0 0 k v 电网已 经形成昌平一顺义一安定一房山一昌平的环形网络，2 2 0 k v 主网架已实现了分区 供电，l i o k v 电网呈放射状网络运行。 1 。3 3 北京电网的主要特点 ( i ) 负荷增长快。2 0 0 0 年以来，北京地区负荷逐年以1 0 以上的速度快速增 一3 一 华j 匕电力人学硕十学位论文 长。2 0 0 3 年最大负荷已超过了8 0 0 0 m w 。而且可以预测随着人民生活水平的提高和 北京经济的高速发展，对电力的需求一定会持续下去。据估计在未来的2 - 3 年时 间里，北京的最大负荷会超过1 0 0 0 0 m w 。到2 0 3 0 年，北京的总负荷将达到东京目 前的水平。 ( 2 ) 典型的受端电网。北京电网6 0 以上的电力主要通过昌平、房山、安定、 顺义4 个5 0 0 k v 变电站供电。北京地区发电容量较小，系统无功备用容量不足， 北京电网的频率、电压调整能力较弱。2 0 0 3 年北京电网统配机组发电容量仅占北 京地区负荷的1 3 。尤其在负荷高峰时段北京地区的发电机组往往在零备用下运 行。 ( 3 ) 5 0 0 k v 网架结构坚强，城区配电网建设相对滞后。北京的5 0 0 k v 网架由 三条双回线和一条单回线构成，5 0 0 k v 网架输电能力较强。但是2 2 0 k v 及以下的 配电网建设相对落后，配电网结构不合理，很多设备比较陈旧。例如伸入市区的 2 2 0k v 变电站，上级电源多为一个方向且又是同杆并架双回电源。 ( 4 ) 特级用户、一级用户点多面广。由于北京作为首都的特殊情况，使得北 京电网的重要用户中的特级用户、一级用户数量众多，布局分散。为保证电网稳 定运行，按规定装设的低频减载容量中，所切负荷又不得不包括一部分重要用户。 并且随着社会的发展和人民生活水平的提高，社会对电的依赖程度提高，对停电 的承受能力迅速下降。 ( 5 ) 用电波峰波谷差距大。这个问题是很多大城市都存在的问题，例如我国 的上海、广州。最大负荷一般出现在夏季，夏季高温持续时间直接决定了用电波 峰持续的时闻。对地区电源较少，负荷高峰时调压、调频能力差，同时对电网运 行安全性要求很高的北京电网来说，这个问题很值得重视。 1 3 4 北京电网动态稳定分析的重要意义 北京电网安全运行的重要地位以及北京电网的主要特点决定了北京电网动态 稳定分析的重要意义。 首先，北京电网作为典型的受端电网，自身的电源容量比较小，需要外界提 供比较多的电力，因此北京电网比较容易出现电压稳定问题。2 0 0 4 年底，北京电 网虽然完成了静态电压稳定分析，但是理论上的分析表明，在不考虑实际励磁系 统、调速器、原动机等动态元件的模型下，所得到的静态电网稳定分析结果难以 准确的反映系统电压稳定性方面的实际情况，往往会得到偏于乐观的结果。因此 需要对北京电网进行动态电压稳定分析，考虑北京电网的发电机和励磁系统等动 态元件特性对于电压稳定性的影响； 其次，北京电网大量的电能由外部电源提供，在大量电能远距离传输的情况 4 华北电力人学硕十学位论文 下，再加上目前发电机所普遍采用的高倍数快速励磁系统的使用，就使系统阻尼 减小，非常容易造成系统的低频振荡即功率振荡的情况。低频振荡会减少外部电 源的输送功率，并且严重威胁北京电网的安全运行。要对北京电网可能出现的低 频振荡现象进行研究和分析就必须对北京电网进行动态稳定分析。 最后，北京电网负荷快速的增长使线路传输的功率越来越接近功率极限。如 何添加p s s 或者s v c 等设备以提高电网的传输功率极限和改善电网的稳定水平， 研究这个问题需要对北京电网进行动态稳定分析。 另外，北京电网动态稳定仿真分析，还有利于明确不同励磁系统、调速系统 等动态元件对于实际复杂电网稳定性的影响。 综上，对北京电网进行动态稳定分析是很必要的。其对于北京电网的实际运 行和稳定性水平的提高都有重要的现实意义。 1 4 本论文所做的主要工作及流程 本论文所做的工作都是围绕北京电网的动态仿真稳定分析进行的，因此本论 文所做的主要工作实质上就是北京电网动态仿真中各步骤的工作内容。 北京电网动态仿真过程是一个比较复杂的过程，主要包括了软件学习、数据 准备和调试、仿真分析这三个阶段。其具体步骤见图卜1 的流程图。由流程图可 见，这个过程包含了任务量很大的前期准备工作，需要花费大量的时间进行软件 使用和数据整理工作，而对于仿真结果的研究相对内容比较少。这也正是所选研 究对象的复杂性决定的本论文的特点。 | 学习e n ，h 窖说嬲书 j 7 l 小同络e n r m t 犍仿真 乡 潮渣数据车孽化 e u r o s t a g 潮流数据的 转化；b p a 稳定数据一一) e u r o s t a g 动态数据的转化。这个数据转化程序不是为 北京电网的数据专门设计的，它的通用性需要进一步得到验证。 根据对于该数据转化软件源程序以及用于转化的对象数据文件的分析，可以 确定该转化软件的通用性。同时可以明确在进行其它电网数据转化时，对源程序 所应该进行修改的程序代码。首先对于该软件的源程序进行分析，该软件是使用 d e l p h i 6 0 进行编写的。按照软件实现的功能来分，源程序主要分为潮流数据格 式转化部分和稳定数据格式转化部分。虽然源程序有部分注释，但是并不详细， 在阅读源程序的过程中，我也完成了添加注释的工作，以便今后完善软件的人员 阅读。 1 ) 潮流数据转化分析 潮流数据转化部分源程序的流程图如图3 一l 所示。其中矩形框为程序流程， 梯形为手动界面操作，平行四边形为数据。流程图主线上有1 1 个步骤，按照执行 的功能及操作总体上可以分为两个部分。第一部分包括了第1 个步骤，主要目的 就是定义b p a 的所有潮流和稳定数据卡的数据和字符变量。第二部分包括了其余 的1 0 个步骤，其作用是结合手动操作界面输入各种数据，通过赋值和对于数据的 处理，最后生成e u r o s t a g 的潮流数据文件，并通过手动操作界面输出e c h 文件。 下边对于两个部分的源程序进行比较具体的说明： 第一部分，根据b p a 潮流和稳定数据卡定义数据和字符变量。 包括了第1 步骤，这个部分定义了潮流和稳定数据卡所对应的数据和字符变 一1 5 型幽型趟堡主堂壁堡塞 量a 其中潮流数据卡包括了b 卡、e 卡、i 卡、t 卡、p f o 卡、l o a d 卡、a r e a 卡、 b u s 卡；稳定数据卡包括了m f 卡、m 卡、f z 卡、e a 卡、g s 卡、g h 卡、1 b 卡、t a 卡、m i 卡、x o 卡、x r 卡、l o 卡。从卡的类型来看，潮流卡包括了所有b p a 潮流 卡的类型，而稳定卡也包括了大部分b p a 中所涉及到的稳态卡。 图3 - j 数据转化 2 序流程图 一1 6 一 华北电力大学硬十学位论文 第二部分，通过手动操作界而输入数据，经过对于变量的赋值和处理，由手动操 作界面输山e u r c s t a g 的潮流数据。 包括了第2 到黄1 1 步骤，其中第2 到第7 步骤为b p a 潮流数据和字符的录入 和赋值部分，第8 到第1 1 步骤为b p a 潮流数据和字符转化、处理为e u r o s t a g 的 潮流数据并输出。这1 0 个步骤都作了详细的程序注释，在本文中就不进行详细的 描述了。关于b p a 潮流数据和e u r o s t a g 潮流数据的具体转化和对应方法，见相关 的毕业论文。 2 ) 潮流部分转化软件使用i 疗法 该数据文件转化软件的主界面见图3 - 2 所示： 口匝墨鼐礴蕊熊熬一： 数据文件转换 。堂兰兰兰堡式立件输入i兰兰兰! 羔兰兰竺竺! 一 翌兰竺塑文件输出i稳定数据文件输出，i 一一= = ：= = = = ：= = 一：一一一：= = = = = j 2 = ：= = = = = = = = = = ：= 二= = ：o 图3 - g 数据转忧软件界面 这里介绍一下数据文件转换软件的使用方法，在北京电网的数据转化过程中， 由于稳定数据转化部分的不确定性，并没有采用该数据文件转化软件进行处理， 只使用了该软件进行了潮流数据的转化。因此下边的介绍以潮流数据的转化过程 为主。潮流数据转化的过程如下： 首先打开d a t a c o v e r e x e 文件，进入如图3 2 的主界面； 点击“潮流数据格式文件输入”这个按钮，弹出一个对话框，要求载入后缀 名为d i c 的文件； 后缀名d i c 文件是一个地名对照文件。由于g u r o s t a g 不支持中文的地名输 入，而b p a 支持中文地名输入，存b p a 向e u r o s t a g 的潮流数据转化过程中，需要 把b p a 的中文地名转化为e u r o s t a g 支持的字母名称。后缀名为d ic 的文件就是 描述这个地名对应关系的文件。 一1 7 一 生i ! 坐查叁：兰堡堂焦迨苎 载八后缀名为d i c 的文件后，再点击“潮流数据文件输入”按钮，会弹出 个对话框，要求载入后缀名为d a t 的b p a 潮流数据文件； 载入d a t 文件之后，会弹出另外一个对话框，要求载入后缀为p f o 的b p a 潮 流计算结果文件； 载入p f o 文件的目的是提供用于初始e u r o s t a g 潮流计算的节点电压角度值。 载入p f o 文件之后，再点击“潮流数据文件输出”，会弹出对话框，要求再 次载入后缀名为d i c 的地名对照文件，载入后再弹出一个对话框，要求为转化生 成的e u r o s t a g 潮流数据e c h 文件命名。这样就完成了潮流数据的转化。 3 ) 稳定数据转化的过程 稳定数据转化过程与潮流数据转化的过程类似。需要注意的是对于不同的电 网，在进行数据转化时，其涉及到的b p a 稳定数据卡也是不同的，通过阅读该转 化软件的源程序，发现该部分的数据转化缺乏通用性。 4 ) 潮流数据转化中的注意事项 a 首先，使用者要按照转化程序的使用步骤来进行数据转化。即先准备好需要转 化的b p a 的潮流数据文件( d a t 文件) ，潮流结果文件( p f o 文件) 以及地名对 照文件( d i c 文件) ，准备好后按照上边介绍的操作顺序来加载文件进行数据转 化： b 其次，在数据转化过程中要特别注意数据格式的要求。其中无论是地名文件 ( d i c 文件) 的格式还是b p a 的潮流数据及潮流结果文件，其数据格式必须符合 b p a 的标准格式，否则就会出现无法转化或者转化结果缺失的情况。例如，地名 文件中要求b p a 节点数据只能包括2 个汉字字符，否则数据转化过程中就会报错， 具体的数据格式要求见已存在的各种数据； c 最后，数据转化软件在编写时考虑到了数据转化时的通用性问题，尤其该软件 的潮流数据转化部分具有比较好的通用性，但在潮流数据的实际转化过程中，还 是要改变一些源程序中参数才能使软件正常工作。其中比较关键的数据就是源程 序中潮流转化部分中的地名对照文件的地名数这个参数，原转化程序对应的电网 地名对照文件地名数为6 3 0 ，而北京电网为8 0 ，因此这个参数必须改变。另外还 有节点类型对照方面，需要满足转化软件默认的要求，这些参数都需要在转化前 进行修改。 31 2 潮流数据转化的验证 对于转化程序所得到的e u r o s t a g 潮流数据，需要通过其计算模块进行潮流计 算，如果能够正常的进行潮流计算得到结果，需要再把其潮流计算结果与b p a 潮 流计算结果进行比较，以检验潮流数据转化的正确性。由于b p a 和e u r o s t a g 都足 1 8 华北电力人学硕十学位论文 国际上权威的电力系统仿真软件，因此它们的潮流计算的计算过程都是能够信任 的。因此对它们的潮流计算结果的比较就能够准确的验证潮流数据转化程序的通 用性。 在e u r o s t a g 的潮流计算完成后，从计算结果中任取6 个节点的电压( 电压幅 值和相角) 和功率( 发出有功和无功) 结果与b p a 的相应节点的电压和功率进行 对比，以检验数据转化软件的通用性和准确性。所选择的6 个节点的数据比较表 如表3 1 所示： 表3 - 1b p a 与e u r o s t a g 节点潮流计算结果比较 节点名仿真软件电压幅值电压相角 发出有功功 发出无功功 ( k v ) ( 度)率( m w )率( 驸a r ) l a 安定2 1 b p a2 2 8 68 400 e u r o s t a g 2 2 7 3 38 5 3 o o 1 a 八里1 2 b p a1 1 1 31 2 3oo e u r o s t a g 1 1 0 6 9一1 2 4 90 o 1 a 昌平5 1b p a5 1 7 94 2oo e u r o s t a g 5 1 5 6 l一4 3 0oo l a 高并2 l b p a2 2 5 27 70 o e u r o s t a g 2 2 3 9 37 7 5 0 o 1 k 大同g 3 b p a1 5 81 6 02 0 07 7 6 e u r o s t a g 1 5 8 01 6 1 12 0 08 1 3 2 l a 华能g 4 b p a1 5 6- 4 02 l o 66 0 e u r o s t a g 1 5 54 0 42 1 0 6 06 0 0 0 从上表的比较可以看到，任意选取的节点在两种仿真软件下的潮流计算结果 中的电压和功率差别很小。以b p a 结果为基准，其中电压幅值最大偏差率为0 6 4 ， 电压相角最大偏差率为2 4 ，发出有功最大偏差率为0 ，发出无功最大偏差率为 4 8 ，并且b p a 潮流计算的节点电压幅值普遍比e u r o s t a g 潮流计算结果偏高。 因此由两种软件的潮流计算结果比较可以得出结论：潮流数据转化软件的转 化是成功的，从北京电网的潮流数据转化验证可见软件具有较好的通用性和准确 性的。而且两套仿真软件的潮流计算结果差别也不大，证明了仿真软件的权威性 和通用性。 一1 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 北京电网电气接线图的形成 在对于转化所得的潮流数据的验证通过之后，可以在e u r o s t a 9 4 2 的n e t w o r k e d i t o r 下载入北京电网的潮流数据。e u r o s t a g 会根据潮流数据的对应关系，自动 形成需要在电气网络接线图中添加的各种节点、线路、变压器和负荷的列表。北 京电网主要包括了5 0 0 k v 、2 2 0 k v 以及1 1 0 k v 三个电压等级，具有众多的发电机节 点、负荷节点和三相对称、不对称线路。由于b p a 在潮流计算中把一个三相变压 器作为三个两相变压器来处理。对于e u r o s t a g ，其潮流计算中虽然有三相变压器 的模型，但是由于北京电网的潮流数据是直接由b p a 的潮流数据转化来的，因此 可以在如图3 - 3 所示看到，其中只存在两相变压器。下边简单介绍一下北京电网 电气接线图的情况。 如图3 3 所示，图中红色线路为5 0 0 k v 线路，蓝色线路为2 2 0 k v 线路，绿色 线路为l l o k v 线路。通过北京电网的电气接线图，很容易了解北京电网的实际结 构和变电站分布情况。红色线路上有4 个5 0 0 k v 变电站，分别是房山站、昌平站、 顺义站、安定站。北京电网作为一个典型的受端电网，其所消耗的近2 3 电能来 源予外网，而外网的电能主要通过5 0 0 k v 线路，通过这四个5 0 0 k v 变电站送入北 京电网，因此这四个变电站担负了为北京地区供电的主要任务。 图3 - 3 北京电网电气接线图 一2 0 华北电力大学硕士学位论文 在g u r o s t a g 的n e t w o r ke d i t o r 模块下建立北京电网的电气接线结构工作量 很大，不过这项工作具有实际意义。 a 北京地理接线图的形成，一方面有利于熟悉e u r o s t a g 的n e t w o r ke d i t o r 的模 块功能，充分利用e u r o s t a g 的功能；另外有利于使用者对北京电网结构有个直观 的了解，尤其加深对运行方式和薄弱点等方面的认识。 b 形成北京电网结构后，能够在地理接线图界面上直接对线路和变压器的运行情 况进行操作，然后对于重新生成的网络结构进行潮流计算，然后把潮流计算结果 显示在图上。这样大大简化改变运行方式后潮流计算的操作方式。 c e u r o s t a g 具有很强大的数据处理功能，能够完成对结果数据的曲线和表格分析。 北京电网电气接线的完成，有利于进一步利用e u r o s t a g 的结果数据处理能力，对 于北京电网潮流和动态仿真结果进行分析，并且把结果和运行方式显示在电气接 线图上。 3 2b p a 稳定数据转化为e u r o $ i a r 的动态数据 e u r o s t a g 的动态数据主要包括了两个部分，一个部分是以d t a 文件的形式存 在的，另外一部分是宏模块部分。关于宏模块部分的信息也存在于d t a 文件中， 只不过其在d t a 文件中并没有详细的描述其物理量的数学关系，只说明了该宏模 块指向的控制对象。宏模块的具体描述是通过在m a c r b l o c ke d i t o r 下建立模型、 填写相关参数，然后通过编译得到的。 这一节主要介绍e u r o s t a g 数据的d t a 文件部分。 3 2 ，1 北京电网的稳定数据分析 要进行北京电网的b p a 稳定数据向e u r o s t a g 的动态数据转化，首先需要了解 北京电网b p a 稳定数据的具体内容，以及进行e u r o s t a g 动态仿真计算时所需要考 虑的模型类别。 下边分析一下对于一般系统的动态数据要考虑哪些模型，同时分析一下对于 北京电网必须要考虑哪些模型。对于一个含有发电机的一般系统，使用e u r o s t a g 进行动态仿真，当选用三阶及以上的发电机模型，在动态数据中必须要考虑励磁 系统模型和调速器模型。另外必须在动态数据文件中描述负荷模型以及负荷行为。 因此对于一般的含有发电机的电网，在动态仿真中必须具备发电机模型、励磁系 统模型、调速器模型( 部分调速器模型中包含了原动机的模型) 以及负荷模型a 总体来说动态数据部分主要考虑到了各个电气元件的模型。为了尽可能全面 的计及北京电网所涉及的动态模型，这罩使用了一种解决复杂问题的图解法一一 鱼骨图法，如图3 - 4 所示。从图中可以看到，根据目前的北京电网的b p a 稳定数 一2 l 一 坐i ! 皇塑盔堂堡堂垡迨塞 据，可能涉及到的元件模型主要有以下几种：发电机模型、励磁系统模型、负荷 模型、调速器模型、原动机模型、p s s 模型、无功补偿装置模型，如果要对于直 流输电引入北京电网进行分析，还要涉及到直流输电系统的模型。 为了简化在动态仿真中起作用的元件，在初步对北京电网进行仿真过程中， 只考虑对于一般电网所必须考虑的发电机模型、励磁系统模型、调速系统模型以 及负荷模型。在北京电网的动态仿真过程中，初步确定的研究方法是：首先以研 究这些主要动态元件的动态响应为基础，逐步添加其它动态元件，观察对于电力 系统动态稳定性的影响。 囊皇机熊薹曩髓 簇扩 图3 4 北京电网动态仿真模型选择鱼骨图 对于北京电网动态仿真初步需要考虑的四个动态元件中，发电机模型和负荷 模型是在动态文件d t a 文件中被描述的，下边详细介绍一下如何在d t a 文件中选 取这两个模型，以及如何确定参数。 3 2 2 北京电网发电机模型的选取 发电机的模型根据所计及的发电机绕组情况的不同，一般可以分为从二阶到 七阶六种不同的发电机模型。其中二阶发电机模型只考虑发电机转子机械过渡过 程，以m 和6 为状态量，不考虑任何绕组的影响；三阶模型除了考虑转予机械过 渡过程，只考虑了励磁绕组f 绕组，由于其比较简单又能够计及励磁系统的动态 过程，因此广泛用于精度要求不高但是需要计及励磁系统动态的电力系统动态分 析中，三阶模型比较适合用于凸极机；四阶发电机模型，考虑了转子机械过渡过 程以及励磁系统f 绕组和反映瞬变过程的g 绕组：五阶发电机模型，在绕组方面 计及了f 绕组、转子d 绕组和反映超瞬变过程的q 绕组，五阶模型一般比较适用 于水轮机；六阶模型主要计及了f 绕组，g 绕组、d 绕组和q 绕组，加上反映转子 机械过渡过程的两个状态量，一共为六阶。六阶发电机模型能够比较精确的描述 一2 2 华北电力人学硕士学位论文 实心转子的汽轮机。当单独考虑定子d 绕组、q 绕组，以及f 绕组、d 绕组、q 绕 组和转子机械过渡过程时，发电机为七阶。对于一个具有几十台，甚至上百台发 电机的多机实际系统，若再考虑励磁系统、调速系统和原动机的动态方程，将会 出现“维数灾”，给分析计算带来极大困难。因此在实际工程计算的分析过程中， 常对发电机数学模型作不同程度的简化。 b p a 和e u r o s t a g 这两套仿真软件也根据实际计算分析的不同需要，对发电机 模型作了不同程度的简化，它们包括了二阶到六阶发电机模型，这两种仿真软件 的发电机模型比较见下表3 2 ： 表3 - 2b p a e u r o s t a g 发电机模型比较 北京电网的b p a 稳定数据中，发电机模型是由m 卡和m f 卡来描述的，是六阶 发电机模型。在e u r o s t a g 中，发电机六阶模型有两种，分别是由内部参数定义的 完整模型和外部参数定义的完整模型，同时根据是否考虑发电机饱和分为考虑饱 和状态的发电机模型，以及不考虑饱和的发电机模型。北京电网b p a 稳定数据中 的六阶发电机模型的参数与e u r o s t a g 中外部参数定义的完整模型的参数是可以 直接对应的，因此在e u r o s t a g 动态仿真中，对b p a 稳定数据中所描述的4 0 台发 电机选取外部参数定义的完整模型进行表述。 3 2 3 北京电网负荷模型的选取 发电机模型选取完成后，在d t a 文件中还需要考虑的就是负荷模型的描述。 在b p a 中，基本负荷模型有三种：恒功率、i - 百d a 流、恒阻抗负荷模型。而在e u r o s t a g 中，基本负荷模型是以静态负荷模型的形式来描述的，其数学表达式见3 - 1 和3 - 2 式。 一2 3 华北电力大学硕士学位论文 p = p 。( 昔) p ”( 盖) p q o o 删谢。 ( 3 一1 ) ( 32 ) 这种静态负荷模型也称为对电压和频率敏感的负荷，在不考虑频率对负荷影 响的情况下，即p 。、q 。为0 ，0 情况下，当p u 、q u 为0 ，0 时，为恒功率负荷模型； 当p 1 ，、q u 为1 ，l 时为恒电流负荷模型，当p u 、q u 为2 ，2 时为恒阻抗负荷模型。 在北京电网动态仿真过程中，由于北京电网负荷结构的不确定性，拟采用多种负 荷模型，以及某些特定参数负荷模型来考察北京电网的动态稳定性，并进行分析 和比较。 一2 4 华北电力大学硕士学位论文 第四章北京电网仿真动态元件模型的选取与建立 在完成动态数据( d t a 文件) 的填写后，还不能进行动态仿真，还需要完成 控制类动态元件宏模块的建立。这个部分是动态仿真过程中的重点和难点。为了 简化动态仿真的宏模块建立过程，本章只考虑励磁系统和调速系统宏模块的选取 和建立。 要建立对应于b p a 稳定数据中的励磁系统和调速系统，首先要分析b p a 稳定 数据中励磁系统和调速系统的类型，以便选取e u r o s t a g 中相应的宏模块建立数学 模型。 4 1 北京电网b p a 稳定数据分析 北京电网b p a 稳定数据中一共包含了4 0 台发电机以及它们相应励磁系统、调 速系统和原动机等的数据，分别为高井g 卜g 6 ，华能g 卜g 5 ，石景g 卜g 4 ，京一g y 和g x ，京二g 卜g 2 ，京三g 6 一g 7 ，十三陵g 卜g 2 ，三河g 卜g 2 ，盘山g 卜g 2 ，沙岭 g 卜g 7 ，大同g 卜g 6 。通过对以上l l 处电厂稳定数据的分析，可阻得到北京电网 励磁系统所涉及的模型类型。1 1 处电厂所涉及的b p a 稳定数据卡类型如表4 一l 所 示： 表4 - 1 北京电网中电厂稳定数据卡列表 电厂名 发电机名稳定数据卡类别 1 高井 g i - g 4 、g 6m 卡、肝卡、f q 卡、f + 卡 ( g l - g 6 )g 5 m 卡、m f 卡、队卡、t b 卡、g s 卡 2 华能 g 1 一g 4 m 卡、m f 卡、f v 卡、f + 卡 ( g l g 5 ) g 5肝卡、e a 卡、t b 卡、g s 卡 3 石景g l 、g 4 m 卡、m f 卡、f r 卡、f + 卡 ( g 1 一g 4 )g 2 、g 3 m 卡、 l f 卡、f q 卡、f + 卡 4 京一 g x 、g y m 卡、m f 卡、f v 卡、f + 卡 ( g x 、g y ) b 尿一 g l 、g 2m 卡、m f 卡、f q 卡、f + 卡 ( g 1 、g 2 ) 6 京三 g 6 、g 7 m 卡、m f 卡、f q 卡、f + 卡 ( g 6 、g 7 ) 7 十三陵 g 1 、g 2m 卡、m f 卡、f v 卡、f + 卡、g h 卡 ( g 】一g 2 ) 一2 5 华北电力人学硕士学位论文 8 三河 g l 、( ；2 m 卡、m f 卡、f v 卡、f + 卡 ( g l 、g 2 ) 9 盘山g l 、g 2m 卡、m f 卡、f u 、f t 异、s p 卡 ( g l 、g 2 ) 1 0 沙岭 g 1 、g 2 m 卡、m f 卡、f q 卡、f + 卡 i ( g i g 7 ) g 3 - g 7 m 卡、m f 卡、f v 卡、f + 卡、s p 卡 1 1 大同 g 1 一g 6 m 卡、m f 卡、f q 卡、f + 卡 ( g 1 一g 6 ) 附注：m 卡：发电机组尼绕组卡；m f 卡：发电机卡；f q 卡：新励磁系统母线卡；f + 卡： 新f 型励磁系统继续卡；e a 卡：连续旋转直流励磁系统卡；t b 卡：串联组合、单再热器 汽轮机模型( 原动机) ：g s 卡：汽轮机调速模型卡( 调速器) ：f v 卡：新励磁系统母线卡； f r 卡：新励磁系统母线卡；f u 卡：新励磁系统母线卡；g h 卡：水轮机调速器和原动机模 型卡；s p 卡：电力系统稳定器卡( p s s ) 。其中s p 卡的输入量为加速功率值。 由上表可以发现各发电机的模型都是类似的六阶模型( 其中一台发电机没有 m 卡，疑为数据丢失，可以根据型号相同的发电机补上m 卡，也成为六阶电机模 型) ，然而励磁系统和调速系统，以及原动机有比较大的差别，并且有的发电机添 加了p s s 。这些模型的区别都是要在宏模块的建立过程中加以考虑的。为了简化 网络，在北京电网的初步动态仿真中不考虑p s s 的影响，如有需要再添加p s s 模 型。 4 2 北京电网稳定数据中发电机励磁系统模型的分析 通过北京电网稳定数据的分析，了解了北京电网所涉及到的励磁系统模型， 下一步需要对这些励磁模型的具体结构进行进一步的分析，以找到对应的 e u r o s t a g 模型。北京电网中励磁系统模型卡有五种：f q 卡、f v 卡、f u 卡、f r 卡、 e a 卡。对于这几种励磁系统模型，在b p a 的稳定计算说明书中都给出了其完整模 型的传递函数图。以f q f r 类的励磁系统为例，其传递函数如图4 - 1 所示。 2 6 华j b 电力大学硕士学位论文 图4 - 1f q f r 类励磁系统模型传递函数 但实际北京电网稳定数据给出的数据并不全面，所有励磁系统卡中都缺少了 e l 卡，即励磁系统限制卡。因此在励磁系统传递函数中，就缺少了低励限制和过 励限制两个功能部分。所以在北京电网的动态仿真过程中一般不考虑低励限制， 按照李电流参数设置过励限制，其b p a 的传递函数也发生了变化，无e l 卡约束的 f q f