（电力系统及其自动化专业论文）基于psse的适用于电磁暂态仿真的动态等值方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t a s 也ei i e v e l o p m to fc h i i l aa c - d cl a 唱e - s c a l ep o w e rs y s t 锄s ，m o r ea n dm o 陀l 鹕e - c a p a c i 够 d i 陀c t 饥l r r e i l t 们n 锄i s s i o nl i l l e sl o c a t ei i ln l es 锄ep o w e rs y s t 锄e r r o r sm a yo c c u rw h 肌i l s i i l g e l e c t r o m e c h m i c a l 胁s i e n ts 妇u l a t i o np r o g r a mt o 锄a l y z et h ea s y m m 秭cf a u l ti i lt 1 1 ea g - c ) c l a 唱es c a l ep o w 盯s ) r s t 锄s e l 黜伽a 印e t i ct 啪s i 锄ts i m u l a t i o nm e t h o di sn e c e s s a d ，i n 廿l i sc 雒e e l e c 打o m a 星叫i c 仃锄s i 饥ts i i i l u l a t i o no nm ei a 玛e - s c a l ep o w e rs y s t 锄d i r e c t l yi sv e d ，d i 硒c u k t l l i sp a p l e r 妣u s e so nt l l ep h y s i c a le q u i v a l c eo fn l ed ) ，i l 锄i ce q u i v a l e n tm e t h o db yu s i i l gp o w c r 科s t 锄s i m u l a t i o n f t w a r ep s s ，e t h i sm e t l l o dc 锄b eu s e di i le l 洳m 赠l e t i c 觚i 锄t s 曲u l a t i o n 觚a l y s i s ，i i l c l u d i l l gt h e 向玎o w i l l 喀t i i r 优p o i f l 缸 1 ac o m p a r i s o ni sm a d eb e 附e n l e 咖i ce q u i v a l e i l c em 础o da p p l i c a b l et 0t l l ec x i s t i i l g e l e c t r o m e c h a i l i c a l 口址1 s i e n ts i l i l u l a t i o n 柚dm ep h y s i c a l l u i v a l e n c eo f 廿l ed y n 锄i c c q u i v a l 饥tm e 也o da p p l i c a b l et 0e l e c 仃0 m 唧e t i c 咖s i 蚰ts i i i l u l a t i o n i nt l l i sp a p e r 1 1 l e d i 仃e r 饥c eo fa p p l i c a t i o ni s f o u i l do u tb e t 、v e e l e c 们m e c h 锄i c a l 呦s i 咖s i i i l u l a t i 觚d e l 劬伽a 印e t i cn 锄s i 舶ts 曲u l a t i 蛐t l l i sp a p 盯l 瑚at 量l o r o u 曲i i e a r c h t l l ed ”锄i c c q l l i v a l e n tm 劬0 d 印p i i c a b i et 0e l e c 咖m a 印甜c 呦s i ts i l i l u l a t i o i l s 仃a t i f i e st l l es y s t 锄 c o r d i l l gt ov o l t a g el e v e l 1 1 1 es h 砥- c i r c u i tc 印a c i 饥t l l er e s u l to fp o w 盯n o w 肌dn l e c a p i 锣锄da c t i v ep o w e ro fg 舶e m t o r sr 锄a i l l 也es 锄ea f i e rm ee q u i v a l c e s t 印s 粕du l e p 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n ；d y n 锄i cs i m u l a t i o n 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的背景和意义 我国煤炭能源主要分布在山西等西北部地区，水力资源主要分布在四川、西 藏等西南部地区，而经济发达的中东部沿海地区能源储备消耗殆尽【1 1 ，地区间经 济发展不平衡，不同地区电力负荷的互补性很强，大规模远距离输送能源成为必 然。“一特三大即特高压电网、大型煤电基地、大型水电基地和大型核电基地， 利用特高压电网将电能从西部和北部输送到经济发达的中东部地区，是我国新时 代下电力发展的必然选择。建设“三大基地能更好地开发利用能源，合理优化 资源配置，提高电力生产能力：发展建设特高压电网，加强跨区域电网互联，促 进“三大基地 建设，具有巨大的经济效益和环境效益，是实现中国电力可持续 发展的必由之路【2 】【3 1 。 随着我国社会经济的飞速发展，人民生活水平的日益提高，电力扮演着越来 越重要的角色，需要电能安全稳定可靠地输送到用户端。特高压输电技术和柔性 交流输电等新技术的应用在改善电网结构，加强全国联网，提高电网安全稳定运 行水平的同时大大增加了系统复杂性，电力市场不断发展引入了诸多不确定因 素，新型能源的发展如风能发电，导致电网更加复杂，运行条件更加苛刻，更难 以预测【4 】。我国幅员辽阔，各个地区的负荷特性差异较大，通过大规模系统互联， 可以有效地利用各区域间的负荷错峰特性；而且，我国水、火电等资源分布不平 衡，通过互联运行，可以带来巨大的经济效益，但是随着互联系统规模扩大，系统 运行和调度变得越来越困难和复杂，也意味着系统故障的严重程度大大增加【5 1 。 一旦发生故障就有可能在互联系统中蔓延并发生连锁反应，甚至发生大面积停电 事故，对人民生活、安全、财产以及社会稳定造成巨大的危害【6 j 。我国为了避免 发生大面积停电事故，要强化保电网稳定的“三道防线，切实加强对设备运行 维护，维护电网安全，确保可靠供电叼。所以，对大规模互联电力系统进行稳定 分析控制，建立系统在不同运行条件下的预防应对措施，确保系统安全稳定运行 具有非常重要的意义。 电力系统迅速向多机( 上百甚至上千台) 、大规模电网( 成千上万条线路和 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 母线) 、交直流混合输电及全国大规模互联运行，使电力系统的动态分析即使在 离线状态下进行也非常困难，尤其是当系统全部用详细模型描述时尤其困难【8 】。 因为，大规模互联电力系统是由高维，强时变、强非线性、多时间尺度( 电磁暂 态、机电暂态、中长期动态) 、多类稳定( 静态、动态、暂态、周期、结构) 和 多空间尺度( 局部模式、全局模式) 以及微分一差分一逻辑一代数方程组成的一个 非常复杂的混合系统。对如此复杂的系统进行计算求解，为系统规划和运行控制 提供指导也是很难实现的。因此，如何保留系统的主要动态特性同时又能大规模 缩减数据规模一直以来都是人们非常关注并一直在研究的重要课题，利用动态等 值技术对大规模电力系统进行动态等值使系统简化意义重大【4 】。 现有的交直流电力系统机电暂态仿真程序只能模拟基波对称情况下的系统， 而偏离理想假设条件下的运行状态则不能给出精确和严格的分析；交直流混合系 统不对称故障情况下，再按照机电暂态仿真程序的正序分量计算会得出与实际情 况不符合的结果，所以目前应用于电力系统中的机电暂态仿真程序无法满足系统 不对称故障期间的仿真分析计算。 为了准确模拟含有多回路大容量直流输电线路的交直流大电网不对称故障 期间的暂态特性，必须采用计算量非常大的电磁暂态仿真分析方法。而电磁暂态 仿真计算量实在太大，一般计算前都要对被仿真网络进行简化等值。 1 2 交直流电力系统的机电暂态仿真和电磁暂态仿真 1 2 1 机电暂态 机电暂态过程是指电力系统中发电机和电动机电磁转矩变化引起的电机转 子机械运动变化的过程以及机组励磁、调速系统的响应等，持续时间常常在几秒 到十几秒。机电暂态过程的仿真，主要研究电力系统稳定性，包括受到大扰动后 的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定【9 1 。 1 2 2 机电暂态仿真程序的特点 机电暂态仿真是从电力系统整体考虑的稳定性分析，核心问题是研究发电机 转子相互之间的摇摆过程，因此主要关注的是能量的传递，与能量传递关系不密 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 切的因素都可以忽略不计；并且在数学模型上忽略发电机的定子侧暂态过程，网 络用正序基频阻抗表示1 1 0 】。 机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以获 得物理量的时域解。微分方程组的数值解法主要有隐式积分法、欧拉法、改进欧 拉法等，其中隐式积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应用；代数方程组 的求解方法主要采用求解非线性代数方程组有效迭代的牛顿法。微分一代数方程 组的数值解法有交替求解法或联立求解法。 电力系统机电暂态仿真中一般采用集中参数模型，系统变量采用基波向量表 示，因此，只能反映系统的工频等特性，元件的快变过程和波形畸变通常被忽略， 不能准确模拟不对称故障时换流阀的工作情况、换相失败等现象。但是机电暂态 仿真的规模较大，理论上没有限制【l l 】。 电力系统机电暂态仿真程序常见的有美国p t i 公司的p s s e ，德国西门子公司 的n e t o 姒c ，瑞典a b b 公司的s i m p 0 w ，加拿大p o w e r t e c h 公司的d s ap o w e r t 0 0 1 s ，中 国电力科学研究院的p s a s p 和b p a 等【1 0 1 。 1 2 3 电磁暂态 电磁暂态过程是指电力系统受到扰动的故障后瞬间，由于各元件中电场和 磁场以及相应的电压和电流的变化，会产生持续时间为纳秒、微秒、毫秒的快速 暂态过程。分析中需要考虑元件的非线性、电磁耦合，计及输电线路分布参数所 引起的波过程，还要考虑线路三相结构的不对称、线路参数的频率特性以及电晕 等因素的影响。因此，电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数 或微分、偏微分方程。一般采用的数值积分方法为隐式积分法1 9 】【l l 】。 1 2 4 电磁暂态仿真程序的特点 电磁暂态仿真是考虑系统某个局部的详细动态过程，通常将待研究部分之外 的系统做一定的等值；传统上，只用于研究持续时间很短的过程，如大气过电压 和操作过电压等问题，过程的持续时间在几十毫秒之内；但目前电磁暂态仿真程 序可能更多地被用于研究h v d c 输电和f a c t s 等电力电子装置以及次同步振荡、铁 磁谐振等问题上，因而被研究过程持续时间也可能很长，达数十秒并不稀奇【1 0 1 。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 由于电磁暂态仿真不仅要求对电力系统动态元件采用详细的非线性模型，还要 计及网络暂态过程，也需采用微分方程描述，使得电磁暂态仿真程序的仿真规 模受到了限制【9 】o 电力系统电磁暂态仿真程序常见的有e m t p 程序，由加拿大m a n i t o b a 直流输电 研究中心开发的p s c a d e m t d c 程序和德国西门子公司开发的n e t o m a c 程序等【1 0 1 。 1 2 5 机电暂态和电磁暂态的应用区别 电力系统的电磁暂态过程涉及的频率范围非常宽广，而机电暂态分析程序对 交流网络的模拟仅仅采用了基波频率下的正序相量描述，直流系统的响应特性只 能基于交流系统的正序基波相量，交直流系统机电暂态分析程序无法描述交直流 系统之间非基波频率下的相互作用特性。随着我国交直流大电网的发展，有越来 越多的大容量直流输电线路落点在同一个交流系统中，且落点之间距离很近。采 用机电暂态仿真程序分析交直流大电网在交流系统发生不对称故障下的暂态特 性时，可能会由于程序固有的局限性，而得出错误的结果。因此，为了准确模拟 含有多回大容量直流输电线路的交直流大电网在不对称故障下的暂态特性，不得 不采用计算量大得多的电磁暂态仿真方法【l3 1 。 1 3 动态等值 1 3 1 动态等值的概念 实际上对一个大电力系统的动态研究一般只对其中的某一个区域感兴趣，需 要保留并详细描述，这个区域称之为研究系统( 通常称为内部系统) ，而其余的 区域不必详细描述，可以降阶简化，只考虑其对研究区域的影响，以节省人力物 力，这个可以简化的区域称为外部系统。 系统划分为外部系统和内部系统如图卜1 所示： 4 浙江大学硕士学位论文第章绪论 l g 图卜l 内部和外部系统：( b ) 表示边界节点， l ) 表示外部系统的负荷节点， g ) 表示外部系统的发电机节点 系统简化可以突出主要矛盾，对于掌握研究系统的主要特征，是十分必要的。 保留研究系统不变，对外部系统在保证其对研究系统的动态影响不畸变的条件 下，进行简化的过程称为动态等值。 对外部系统进行模式简化如图卜2 所示： g l g 2 l 叼 图卜2 外部系统的等值简化 根据上文可以发现，系统简化只是减少了系统的动态元件，数学模型基本上 和原型系统数学模型相似。所以对外部系统进行简化的动态等值，大大减少了系 统的动态元件数量，因此也使得等值系统的状态量和微分方程数量大大减少。 对外部系统进行简化的前提是假设故障只发生在内部研究系统区域。等值发 生前，内部系统与外部系统通过边界节点相连接；等值后，外部系统被简化，内 外部系统的关系通过边界节点被保留了下来。动态等值方法实施的前提是必须保 持研究系统和边界节点处的初始潮流不变，必须保证在内部系统施加故障后，内 部研究系统的主要动态特性保持不变。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 动态等值方法以及研究现状8 】【1 7 l 现代的动态等值方法是和对系统进行何类物理问题的研究密切相关的，一般 对以下三种状态进行动态等值： ( 1 ) 大规模电力系统的离线暂态( 大扰动) 稳定分析。特点是系统结构和 参数已知，要分析大扰动下的系统暂态过程，系统呈强非线性。对动态等值的要 求是研究系统应在同一大扰动下，等值前后有接近的转子摇摆曲线。 ( 2 ) 大规模电力系统的离线动态( 小扰动) 稳定分析。特点是系统结构和 参数已知，在小扰动下系统可用线性化的微分方程描述。对动态等值的要求是研 究系统在等值前后应该有接近的模式( m o d e ) 及振型( m o d es h a p e ) 分布。 ( 3 ) 大规模电力系统的在线动态安全分析。特点是系统工程多变、结构多 变，但有大量的实测数据( 如节点电压、线路功率等等) 可利用，要求快速( 实 时或准实时) 对外部系统进行辨识等值，以便对研究系统作动态安全分析，并应 保证研究系统在等值前后有接近的动态安全分析结果。 与这三种状态相适应，实用的动态等值方法也可分为三大类。 ( 1 )同调等值法。主要适应大扰动下的暂态稳定分析。 ( 2 ) 基于线性化系统状态方程的模式等值法。主要适应小扰动下的动 态稳定分析。 ( 3 ) 基于系统动态响应( 或量测量) 来估计和辨识外部系统及其等值 参数的方法。主要适应在线动态安全分析。 以上三种方法中的前两种理论比较成熟了，也有相应的软件与之对应，第三 种现在也有越来越多的人研究，也慢慢趋于成熟。总之以上三种算是大范围内划 分的动态等值方法。 1 、同调动态等值法 同调等值法一般分为五个步骤： ( 1 ) 划分研究系统和外部系统，等值过程中保留研究区域不变，仅对外部区 域作等值简化； ( 2 ) 判别外部区域中的同调( 同摆) 发电机群( 设研究区域中发生大扰动) ； ( 3 ) 对同调发电机母线作合并化简； ( 4 ) 网络化简； 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 同调发电机作动态聚合，得聚合后等值机的参数。 同调动态等值物理透明度大，系统等值模型和电力系统元件模型一致。可直 接应用于暂态稳定分析。可是实际上，同调性与系统拓扑结构、运行工况、扰动 发生地点等因素密切相关，同调识别只能客观反映这些规律，而不能控制这些规 律。因此很难选定一种方法识别同调机群而将其应用到所有的工况和扰动情况。 尽管同调等值法存在一定的局限性，但是同调等值的研究以及实际应用仍是 很有价值的，并处于不断完善发展的过程。早期的同调动态等值法依赖于专家经 验选择同调特征然后根据模式识别的方法划分同调。后来发展了基于线性化模型 的特征矢量法【1 4 1 、弱耦合法1 1 5 】，基于发电机转子同摆的同调等值法【1 6 l 等。近年 来又提出了一些新的方法，文献 1 8 给出了一种能识别电力系统同调机群的模糊 聚类方法，对线性化后的系统状态矩阵采用最大一最小方法进行标定，得到反映 机组间动态相关程度的模糊等价关系矩阵，然后采用模糊聚类方法识别同调机 群。文献 1 9 提出了基于弱耦合算法的子系统内同调机群的分布式识别方法，在 相邻区域子系统间通过交换少量的边界母线信息可形成子系统状态矩阵，从而实 现对子系统内同调机群的识别，是针对电力市场条件下的区域互联电力系统同调 发电机的识别展开的。文献 2 0 利用了大型机电暂态仿真软件p s s e 建立了大系 统动态模型，采用了时域仿真的方法对同调机群进行识别，用经典模型表示同调 聚合的发电机，网络化简采用拓扑化简。文献 2 1 提出了基于系统失稳时刻状态 矩阵分析的同调识别方法，目的是为准确预测系统失稳模式。经过验证，基于灵 敏度的切机策略能抑制系统暂态失稳。还有一些方法比如说神经网络法【2 2 1 ，改 进的模糊控制法【2 3 】等等也开始运用到同调等值中。 2 、模式等值法 模式等值法简化的外部系统模型是用一组线性化的微分方程组表示的，通过 线性化模型和特征值性质进行降阶简化。一般分为两个步骤： ( 1 ) 划分研究系统和外部系统，并假定研究系统内的扰动对外部系统影响不 大，故外部系统可线性化； ( 2 ) 待等值的外部系统只要求保留对研究系统影响较大的特征根( 一般是低频 振荡类型的特征根) ，而外部系统中那些频率较高，衰减较快的特征根可 以忽略不计，即认为其对研究系统的影响甚小，从而可形成一个低阶的外 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 部等值系统。 模式等值法数学基础严格，物理概念清晰，对选择的扰动没有依赖性，可在 保留系统主特征根的情况下对外部系统进行高度简化；缺点是模态等值后的系统 模型不适应现有的电力系统仿真软件，需要对标准化的仿真软件进行扩充，而这 代价太大了，所以现阶段模式等值法很少实际应用。 3 、估计等值法 动态等值中根据是否需要知道外部系统的结构和参数把等值方法分为离线 和在线系统分析方法两大类。同调动态等值和模式等值法需要知道外部系统的具 体结构和参数，一般用于离线暂态( 动态) 稳定分析；不需要知道外部系统具体 结构和参数的估计等值法用于在线安全评估，是在电力市场环境下产生的理论方 法。 估计等值法基于参数辨识技术，目前估计等值法分为两大类：一类是利用人 为的确定性扰动信号，记录系统响应，由此估计外部系统的等值参数；另一类是 利用随机或伪随机扰动信号，记录系统响应，经过滤波及信息处理，获得等值 系统的参数估计。一般分为四个步骤： ( 1 ) 求系统的初始稳态值； ( 2 ) 施加扰动，记录响应； ( 3 ) 预估参数值，计算系统矩阵和输出矩阵，得出响应输出值，计算误差函 数； ( 4 ) 根据算法修正参数值，使得误差函数达到最小，得到参数值的最优估 计。 虽然不需要知道外部系统的具体模型和参数，可是由于动态等值模型的非线 性以及在线辨识的特殊要求，估计等值法的研究比较困难。 文献 2 4 在采用传统的r e i 网络等值的基础上，分析了产生误差的原因，利 用最小二乘估计法进行等值优化改进，并用实例验证了改进的方法具有更好的收 敛性和准确性。文献 2 5 在可辨识性分析的基础上提出了一种进化策略法，利用 华中电网的实际仿真证明进化策略法具有较高的精度和较少的计算量，适合于 动态等值参数辨识。 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文所做的工作 前面一节介绍的等值方法是适合于机电暂态分析的，在等值过程中会在连接 内外部系统节点间引入等值的阻抗支路，有些支路会出现负电刚2 6 1 。但是电磁 暂态仿真分析中无法处理负电阻支路，因此要有一套行而有效的适用于电磁暂态 仿真的动态等值方法。 本文所做的工作就是利用电力系统机电暂态仿真程序p s s e 对适用于电磁暂 态仿真的动态等值方法进行较为深入的研究和实现，该方法基于等值前后系统的 发电机总容量和总的出力应该保持不变以及主干网架母线的短路电流容量等值 前后应该保持不变的原理对大系统进行动态等值简化。 对基于物理等效的动态等值方法用公式进行了详细的说明和实现，并对浙江 电网2 0 0 8 年典型运行方式下的若干个5 0 0 k v 母线进行等值，验证了该方法的可行 性和准确性，并根据实际情况提出了合理的假设条件以及改进算法。在应用该算 法进行等值的基础上，总结了规律，利用大型电力系统仿真软件p s s e 的二次开 发工具i p l a n 的编程功能实现这一方法，并且用该程序对浙江电网2 0 0 8 年系统进 行了等值处理，并对等值系统进行5 0 0 k v 母线三相短路故障分析，动态仿真分析 结果表示等值前后系统的动态特性一致，从而验证了该程序的可行性和有效性。 9 浙江大学硕士学位论文第二章基于p s s e 的适用于电磁暂态仿真的动态等值方案 第二章基于p s s e 的适用于电磁暂态仿真 的动态等值方案 2 1p s s e 概述2 7 1 p s s e ( p o w e rs y s t e ms i u l a t o rf o re n g i n e e r i n g ) 是由美国p t i ( p o w e r t e c h n 0 1 0 9 i e si n c ) 公司开发的电力系统高级仿真软件，在欧美电力系统中广 泛的应用，近年来，国内也有多家电力公司、高校和研究单位引进了p s s e 。主要 功能有潮流计算、故障分析、动态仿真、小扰动稳定性分析、系统等值等。 与同类软件相比较，p s s e 在如下几个方面具有优势：( 1 ) 输入数据方式及 与其他程序数据文件共享的方便性；( 2 ) 程序缺省模型包括发电机模型、励磁 系统模型、调速器模型、h v d c 模型、f a c t s 模型、负荷模型等的权威性和完整性； ( 3 ) 用户自定义模型功能和程序接口功能；( 4 ) 用户自定义计算顺序与用户自 定义计算功能；( 5 ) 分析计算功能的多样性；( 6 ) 计算方法的透明性与文档的 完整性；( 7 ) 掌握使用的简易程度： ( 8 ) 世界市场上的占有率；( 9 ) 进行国 际交流的方便性。 本文所做的工作主要基于p s s e 一3 0 版软件，使用了包括潮流计算，短路电流 计算，暂态仿真分析，交直流故障分析以及利用p s s e 的二次开发工具i p l a n 编程 功能。 2 1 1p s s e 潮流计算 p s s e 已成为当今电力系统分析软件事实上的工业标准，能满足用户各种各 样的分析需求。p s s e 提供了丰富的潮流计算方法，即g a u s s s e i d e l 法、改进的 g a u s s s e i d e l 法、f u l ln e w t o n r a p h s o n 法、固定斜率的解偶n e w t o n r a p h s o n 法、 解偶n e w t o n _ r a p h s o n 法等。p s s e 的潮流计算程序具有下列特点： 1 ) p s s e 能考虑变压器的3 0 。相移，对系统有功和无功的分布不会造成影响，但 会影响母线电压的相角。如不考虑变压器的相移，在不对称故障分析中会导致计 算结果的错误： 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章基于p s s e 的适用于电磁暂态仿真的动态等值方案 2 ) p s s e 提供了通用f a c t s 控制器卡，系统中含有f a c t s 控制器时，用p s s e 处理很 方便。 3 ) b p a 对输入原始数据的格式有很严格的要求，而p s s e 采用的是自由格式，显然 它大大减少了原始数据的输入工作量。 4 ) p s s e 提供了电力网络数据编辑器，可以图形用户界面形式浏览和修改电网结 构和参数。 5 ) p s s e 提供了方便的外部接口，可与e x c e l 和f o r t r a n 接口。 6 ) p s s e 提供单线图和潮流结果报告图，利用i p l a n 编程语言产生地理接线图。 2 1 2p s s e 短路电流计算 1 、对称分量法 电力系统对称运行方式遭到破坏时，三相电压和电流将不对称，不对称运行 方式分析可以简化为正弦电势作用下三相不对称电路分析，可以用相量法计算。 个别地点发生不对称短路或者开断导致三相阻抗不相等，而系统其他各个元件的 三相阻抗以及三相之间互感仍保持相等，因此可以使用对称分量法进行分析，而 不使用直接求解复杂的三相不对称电路的方法【2 引。 对称分量法将三相不对称系统分解为正序、负序、零序三序对称网络。 c 瓦 c e 。 c 2 c 。 再应用叠加原理，将各序网的电压、电流分解为正常分量和故障分量，如图 2 1 正常分量和图2 2 故障分量所示。 图2 1 正常分量图2 2 故障分量 1j l 1 1 2 口 口 2 口 口 -。l i l 浙江大学硕士学位论文第二章基于p s s e 的适用于电磁暂态仿真的动态等值方案 根据故障点故障类型的边界条件，将三个序网连成一个完整的网络，计算出 三个序网电压、电流的故障分量。 三个序网相对于故障点的电压方程： q ( 1 ) = q ( o ) 一乃( i ) 。t ( 1 ) ( 2 ) = 一乃( 2 ) t ( 2 ) ( o ) = 一磊( o ) t ( o ) 三序边界条件： 1 ) 单相接地短路： ( 1 ) = ( 2 ) = 0 o ) ，( 1 ) + ( 2 ) + 哆( o ) = o 2 ) 两相短路：( 1 ) = 一0 ( 2 ) ，t ( o ) = o ，( 1 ) = ( 2 ) ，( o ) = o 3 ) 两相短路接地：( i ) + ( 2 ) + t ( o ) = o ，q ( 1 ) = q ( 2 ) = ( 0 ) 4 ) 三相短路：t ( 2 ) = 0 ( o ) = o ，( 2 ) = ( o ) = o 1 ) 单相接地短路：。m = 乏二彘 2 ) 两相短路：。m = 瓦煮手宅：i 3 ) 两相短路接地：m = j ： 乃m + 瓮 4 ) 三相短路：t ( 1 ) ：等煦 将节点电压的正常分量和故障分量相加，便得到各节点三序的实际电压： ( 1 ) = u ( o ) 一z ( i ) 0 ( 1 ) 弘( 2 ) = 一z i ，( 2 ) t ( 2 ) q ( o ) = 一z 矿( o ) ( o ) 最后由各节点的三序电压计算出各支路的三序电流和三相电流。 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章基于p s s ，e 的适用于电磁暂态仿真的动态等值方案 流计算( 2 ) 简单故障方式短路电流计算，其中包括指定区域各母线短路电流的 扫描计算以及指定母线或线路上任意点的短路电流的计算( 3 ) 复杂故障方式短 路电流计算( 4 ) 能够计算短路电流过渡过程( 5 ) 能够计算不对称故障的正序 等效阻抗( 6 ) 能处理两相或单相系统。 用p s s e 进行短路电流计算首先要建立序网数据文件，将负序和零序数据添 加到工作算例中，为不对称短路电流计算做好准备。根据所需要计算的短路电流 的详细程度选择短路电流模块的不同功能，包括详细短路电流计算( s c m u ) ，简单 短路电流计算( f l a t ，c l ) ，短路电流扫描计算( a s c c ) ，a n s i 短路电流计算( a n s i ) ， 线路断路器开断计算( b k d y ) ，正序等值阻抗( s p c b ) ，网络化简( s c e q ) 。不 同短路电流计算的方法所考虑的网络数据参数条件不同，侧重点不一样，所以忽 略的参数条件也不同，可以根据需要进行选择。 本文中计算5 0 0 k v 主干网架的短路电流就是基于详细短路电流计算功能 ( s c 删) ，此时计算出的短路电流值是起始次暂态电流周期分量，对应发电机的 次暂态电抗，等值前后主干网架母线的短路电流( 包括三相对称短路和不对称短 路) 相等。 2 1 3p s s e 一3 0 动态仿真 动态仿真和潮流计算功能对本文所需要做的工作来说都是很重要的衡量标 准，等值前后系统必须保持潮流基本一致，这对于任何一种等值方法来说都是必 须满足盼；本文是基于p s s e 的适用于电磁暂态仿真的动态等值方法，无论是适 用于电磁暂态也好机电暂态也罢，首先是一种动态等值方法，所以要求等值前后 系统的动态特性也必须保持一致，这才能保证方法的正确性。 验证动态特性一致必须用到p s s e 的动态仿真分析功能，本文所作动态仿真 工作基于p s s e 3 0 的p s s d s 4 功能，在p s s d s 4 下既可以进行潮流计算功能也可以进 行动态仿真功能，故障分析也是在这个界面下进行，如图2 3 所示。 * 学确 位立第= 莘fp s 螈适用f 电鞋* 去仿真自态等值女寨 ，! 竺* 里! 型! 唑j ! ! j ! 二_ 一 业一i ! 茁2 3p s s 甩的p s s d s 4 功能界面 2 2 适用于电磁哲态仿真的动态等值方法”l 为了克服第一章绪论中所描述的传统动态等值方法的缺点，本文采用了基于 物理等效的系统动态等值方法。该方法主要是将系统按照电压等级进行分层，认 为变直流互联大系统的动态特性主要取决大容垂直流线路接入层的系统强度，即 所谓的发电机对主干网架的支撑强度。 等值前后需要满足以下几个条件： ( 1 ) 等值前后系统的发电机总容量和总出力应该保持不变， ( 2 ) 等值前后主干网架上各个母线的短路电流( 包括三相短路电流和单相 短路电流) 应该保持不变 ( 3 ) 等值前后系统的潮流应该保持基本一致， ( 4 ) 等值前后系统的动态特性应该保持一致，从而达到动态等值的目的。 进行动态等值时应该对以下系统进行保留： 北仑发电机功角 浙江大学硕士学位论文 第三章基于物理等效的等值方法的算例验证 2 0 2 5 - 3 0 o 援3 5 督 4 0 4 5 - 1 0 12 4 ，、16 o 援。1 8 雷 2 0 - 2 2 - 2 4 2 6 6 o 、一8 援 蠡 1o - 1 2 1 o 23 c ) 嘉兴二期发电机功角 4 t ( s ) 5 o 23 d ) 兰溪发电机功角 4 t ( s ) 5 o1 e ) 2 强蛟发电机? 功角 4 t ( s ) 5 浙江大学硕士学位论文第三章基于物理等效的等值方法的算例验证 。 嘏8 留 o v 援 督 一1 0 一1 2 1 4 1 2 3 1 4 5 1 6 1 7 1 8 1 9 3 2 3 3 6 ：。3 8 艇! 一4 0 蚤 - 2 4 4 4 6 8 o23 f ) 乌沙山发电机功角 t ( s ) 5 o234 g ) 乐清发电机功角 t ( s ) 5 o 123 h ) 秦山二期发电机功角 3 5 4 t ( s ) 5 浙江大学硕：t 学位论文 第三章基于物理等效的等值方法的算例验证 一4 4 - 4 6 4 8 一5 0 o 躲5 2 督5 4 5 6 5 8 6 0 6 2 o1 i ) 秦山三期发电机功角 234 t ( s ) 5 o 4 5 5 0 名一5 5 援6 0 罄 - 6 5 7 0 7 5 8 0 o 234 j ) 天荒坪发电机功角 t ( s ) 5 o 234 k ) 桐柏发电机功角 图3 2 凤仪5 0 0 k v 母线三相短路故障 t ( s ) 5 州 郴 = ； 枷 m 训 m 枷 枷 撒 o v 援薄 浙江大学硕士学位论文第三章基于物理等效的等值方法的算例验证 由图3 2 可以看出在富阳等值数据的基础上进行了风仪5 0 0 k v 母线节点等值 的系统与原来系统的动态响应特性曲线拟合非常好，进一步地验证了本文提出的 等值方案。表3 4 ，3 5 分别给出了等值前后系统的潮流比较结果和短路电流计算 结果。 表3 4 风仪5 0 0 k v 母线节点等值前后系统潮流结果比较 母线电压等级回原型系统等值系统 名称 k v 路( m w ：m 、r ，m 、，a )( m w m r ，m v a ) 凤仪5 2 5 o o有功潮流无功潮流视在功率有功潮流无功潮流视在功率 16 5 1 86 3 76 5 4 9 6 5 1 76 3 86 5 4 9 丹溪 5 2 5 o o 2- 6 5 4 26 0 46 5 7 o6 5 4 26 0 。46 5 7 o 丹溪 5 2 5 o o 17 8 7 23 97 8 7 27 8 7 33 97 8 7 3 富阳 5 2 5 o o 2 7 8 2 62 67 8 2 6 7 8 2 72 67 8 2 7 富阳 5 2 5 o o 1“8 o2 3 71 2 0 41 1 8 02 3 61 2 0 4 兰亭 5 2 5 o o 21 2 1 92 7 o1 2 4 91 2 1 92 6 91 2 4 8 兰亭 5 2 5 o o 风仪2 2 3 0 o o 1 5 3 6 5 7 6 3l l l l 33 0 8 i1 1 5 3 2 15 5 5 5 风仪3 2 3 0 0 0 l5 5 6 11 5 4 45 7 7 1已经被等值了 15 7 0 1- 2 4 3 66 1 9 9- 5 7 0 12 4 3 66 1 9 9 桐柏 5 2 5 o o 25 6 5 3- 2 4 5 86 1 6 45 6 5 32 4 5 86 1 6 4 桐柏 5 2 5 0 0 表3 5 系统等值前后凤仪5 0 0 k v 母线节点三相短路电流结果比较 母线编号母线名称电压等级故障类型等值前正序电流等值后正序电流偏差 5 4 l o l l风仪5 2 5 o o三相短路4 1 0 7 6 1 6 么- 6 9 4 0 9 93 9 7 8 5 7 5 么- 6 9 0 7 7 0 0 0 3 1 4 由表3 4 可以看出等值了两个5 0 0 k v 母线节点后的系统潮流和原型系统潮流 结果基本一致，注意潮流正方向是从凤仪流向其他各节点，等值系统把凤仪下属 2 2 0 k v 母线合并为一条，等值负荷挂在保留的2 2 0 k v 母线上；由表3 5 可以看出系 统等值前后风仪5 0 0 k v 母线节点的三相短路电流基本相等，偏差很小：潮流结果 比较和短路电流比较结果都满足基于物理等效的动态等值方法的要求。 浙江大学硕士学位论文第三章基于物理等效的等值方法的算例验证 3 4 本章小结 在本章一开始就如何根据实际的p s s e 格式的数据实现基于物理等效的动态 等值方案以富阳5 0 0 k v 母线节点的动态等值为例作了详细阐述，对富阳5 0 0 k v 母线 节点等值后的浙江电网数据潮流计算结果和短路电流计算结果与原型系统相差 甚微，对富阳5 0 0 k v 母线节点做三相短路故障后的动态仿真分析结果也证明等值 系统和原型系统吻合相当良好，不过由于只验证了一个节点，所以不能十分把握 本文的方法的可行性与有效性。 为了进一步验证该方法，又在等值数据的基础上进行了风仪5 0 0 k v 母线的等 值，无论是潮流计算结果还是短路电流计算结果都能满足基于物理等效的动态等 值方法的要求，并且系统等值前后的动态响应特性吻合良好，至此认为本文提出 的基于物理等效的动态等值方案是可行和有效的，可以根据该方案利用p s s e 的 二次开发工具i p l a n 编程实现该方法。 浙江大学硕士学位论文第四章适用于电磁暂态仿真的动态等值方法i p l a n 程序实现 第四章适用于电磁暂态仿真的动态等值方 法i p l a n 程序实现 4 1 引言 i p l a n 是p s s e 提供的一种编程语言，作为二次开发工具对p s s e 功能进行了 大大地扩展。i p l a n 提供了完善的逻辑判断控制功能和丰富的计算功能，通过p u s h 和p u s h x 作为与p