（电力系统及其自动化专业论文）bpa—psse模型对比计算研究及数据接口程序开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力系统仿真是电力系统设计、规划、运行的基础。它已经成为研究整个电力 系统动态特性不可缺少的工具。随着国外电力系统仿真软件的引入，研究这些软件 与原有软件之间的异同，并且进行软件之间数据文件的转化就成为了必然。本文所 作的主要工作为：研究电力系统仿真软件p s s e 和b p a 发电机模型和负荷模型之间 的异同，并且进行了两种软件模型及其参数之间的转化；通过仿真对比了b p a 和 p s s e 的计算结果，并且利用电力系统仿真误差评估指标进行了误差分析，充分证 明了两种软件模型转换的有效性；编写了b p a 和p s s e 的数据接口程序，成功的将 华北电网数据从b p a 格式转换到p s s e 格式数据，在仿真中得到较好的吻合效果。 关键词：电力系统仿真，b p a ，p s s e a b s t r a c t p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ni st h ef o u n d a t i o no fp o w e rs y s t e md e s i g n i n g ，p l a n n i n ga n d o p e r a t i o n ，i t h a sb e c o m et h ee s s e n t i a lt o o lt or e s e a r c ht h e p o w e rs y s t e md y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a l o n gw i t l lt h ei n t r o d u c t i o no f o v e r s e a sp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ns o r w a r e i t b e c o m e st h en e c e s s i t yt os t u d ys i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e ma n dt h eo r i g i n a l s o f t w a r e ，a n dd e v e l o ps o t t w a r ed a t ai n t e r f a c ep r o g r a m t h i sa r t i c l ed o e st h em a i nw o r ka s f o l l o w ：r e s e a r c ht h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fg e n e r a t o rm o d e la n dl o a dm o d e lb e t w e e n p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n s o f t w a r e p s s ea n db p aa n dc a l 2 r y o l lt h em o d e lp a r a m e t e r t r a n s f o r m a t i o n ；c o n t r a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb p aa n dp s s e ，a n dc a l t yo nt h ee r r o r a n a l y f i sb yu s i n gt h ep o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ne r r o ri n d i c a t o r , w h i c hf u l lp r o v et h ev a l i d a t i o n o fm o d e lt r a n s m i s s i o no ft h et w os o f t w a r e ；d e v e l o pt h ed a t ai n t e r f a c ep r o g r a mo fb p aa n d p s s e ，a n dt r a n s m i tt h en o r t h - c h i n ap o w e rg r i dd a t af r o mb p a f o r m a tt op s s ef o r m a t , w h i c hg e tc l o s er e s u l t si ns i m u l a t i o n y a n gr u ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db yp r o f h er e n - m u k e yw o r d ：p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n ，b p a ，p s s e 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文b p a p s s e 模型对比计算研究及数 据接口程序开发，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：盘盔 日期：塑曼：堡! 鱼 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：盘塞 日期：塑! ：! ：! ，占 导师签名： 力幢 日期：丝：鱼：! ，仫 华北电力大学硕i ，学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 电力系统仿真的重要性 随着电子计算机技术的迅猛发展，数字仿真技术在电力系统中也得到了迅速和 广泛的应用。目前电力系统数字仿真已成为研究整个电力系统动态特性不可替代的 工具。它是电力系统设计、规划、运行的基础。电力系统调度规划中都是以数字仿 真的结果为依据，数字仿真结果的准确度直接影响运行和规划决策的正确性 1 。 1 1 2 国内外电力系统分析软件现状 目前国内广泛采用的电力系统分析软件有中国版b p a 电力系统潮流及暂态稳 定分析程序、电力系统分析综合程序( p s a s p ) 。其中“b p a 电力系统分析程序” 是由中国电力科学研究院从美国b p a ( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ) 引进的： 电力系统分析综合程序( p s a s p ) 是由中国电力科学研究院自主研发的电力系统综 合仿真程序。国内一些电网公司及研究机构为了提高自己电网的分析仿真能力，又 先后从国外引进了一批新的电力系统仿真软件作为自己验证计算的后备软件。这对 于确定分析计算的准确性，保证软件的可靠性上还是很有必要的。例如：华北电网 引进了法国e d f 和比利时t r a c t e b e l 共同开发的动态仿真软件e u r o s t a g 、华东电 网引进了由美国电力技术公司( p t i ) 开发的商业软件p s s e ，这两个软件目前还是 处于消化研究阶段只有部分功能已经在实践中应用 7 。还有一些从国外引进的仿 真软件正处于学习阶段，并没有得到广泛应用，例如：a b b 公司开发的s i m p o w 、 德国西门子公司开发的电力系统分析软件n e t o m a c 和加拿大曼尼托巴水电局开 发的p s c a d e m t d c 电磁暂态仿真软件等等 2 。 国内外大型电力系统分析软件都在向多功能、综合分析的方向发展。针对共有 的计算功能，到底哪一个软件表现较为出色? 哪些软件更具有较高的可靠性和可信 度? 不同软件之间的比较计算和仿真分析也就成为研究的必然。对比研究不同软件 的计算准确性，对于提升我国电力系统仿真结果的精确度有着很大的帮助。提高电 力系统仿真结果与实际运行工况的贴近度，为电网分析、决策提供有效的依据，是 电力系统仿真工作的目标。 一一 兰苎皇垄查兰壁兰兰篁堡苎 1 2 b p a 和p s s e 软件的特性 1 2 1b p a 软件特性 b p a 电力系统分析程序是中国电力科学院从美国b p a f b o n n e v i l l ep o w e r a d m i n i s t r a t i o n ) 弓i 进的具有国际先进水平的电力系统分析软件包。自从1 9 8 4 年以来，经 过大量的消化吸收、开发创新和推广应用工作，形成了适合我国电力系统计算分析要求 的中国版b p a 电力系统潮流及暂态稳定分析程序。目前的中国版b p a 潮流及暂态稳定 程序是在1 9 9 0 版b p a 程序的基础上经不断的完善和开发而形成的 3 ，4 。 b p a 系统潮流计算的收敛性很好，仿真过程计算稳定性也很好，已经在我国电力系 统规划、调度、生产运行及科研等部门得到了广泛的应用，并且各网、省局均拥有详细 的b p a 格式的电网数据。 b p a 软件是以填数据卡片为主，每一个数据都有固定的列数和位置。在填写b p a 卡片的时候，就需要十分的小心。b p a 电力系统分析程序又分为教育版和商业版。教育 版的界面非常友好，填写数据也较为方便，但是它能够解算的节点较少，只能适合初级 的学习者；商业版的b p a 可以解算的节点数目较多，但是只能适合对b p a 数据格式较 为熟悉的用户。 1 2 2p s s e 软件的特性 电力系统仿真软件p s s e ( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o rf o re n g i n e e r i n g ) 是由美国电力技 术公司( p o w e rt e c h n o l o g i e si n e 简称p t i ) 开发的商业软件，主要用于电力系统仿真和 计算。此软件自7 0 年代推入市场后，不断得到修改和完善。到目前为止，世界上已经 有1 0 0 多个国家，超过6 0 0 多家公司在使用该软件 6 ，7 。 在国内，p s s e 以其特有的魅力正受到各研究机构的青睐。继华东电网公司率先引 进该软件后，浙江大学，华北电力大学，西安交通大学等等，紧跟其后，也相继引进该 软件。目前国内各大电网公司和电力设计院也正紧锣密鼓地在引进该软件。可以预见， 在不远的将来，p s s e 在国内必将成为主流计算软件之一。 p s s e 包含了电力系统机电暂态分析计算的常见模块。其最大的优点在于： ( 1 ) 仿真的规模非常大，利于超大规模系统的计算。与目前国内的其他的仿真软 件相比较而言，p s s e 可以计算得母线数目达到5 0 0 0 0 个，远远超过了其他的电力系统 仿真软件。目前我国正在实施全国联网，针对这样大的网络进行仿真并不是一般仿真软 件所能胜任的 5 。 ( 2 ) 灵活的模型自定义功能。它是第一个含有用户自定义动态模型功能的商业化 软件。对模型的复杂性没有任何限制，可以适用于暂态及中长期稳定计算。不仅可以使 用p s s e 自带的编程语言进行编写，飚且针对模型种类较多的励磁模型和调速器模型可 2 兰苎皇塑查堂堡主兰堡垦墨 以在m a t a b - - s i m u l i n k 中搭建传递框图，参与到p s s e 的动态仿真去f 5 。 ( 3 ) 强劲的交互式计算过程控制。用户可以根据需要随时随地观测或修改仿真计 算中的各变量。由于p s s e 对于程序的控制分为两种方式：一种是菜单式的输入；另一 种就是通过命令窗输入仿真命令。第二种方式就可以很方便的修改仿真计算中的各个变 量f 5 】。 在版本的定期更新方面，p s s e 做的更好。随着版本的不断更新，p s s e 模型库中 的各种元件模型更加完善。 1 3 开发b p a - - p s s e 数据接口程序的必要性 由于电力系统仿真软件是指导电力系统运行、规划和决策的最基本工具，所以，一 般网省局都规定：对新引进的程序必须与现有程序进行认真的比较，证明其结果一致， 方可在实际电网中推广应用。为了正确使用p s s e 在电力系统仿真分析方面的强大功 能，对p s s e 和b p a 的模型及参数的转换进行验证显得尤为重要。 针对简单的网络，手动的模型转换和仿真验证还是可以接受的。但是如果面临较大 的网络，手动的转换是十分耗费人力和时间的。 然而，现有的分析软件或多或少都存在数据兼容的问题：即不同的软件开发商定义 了不同的数据格式，而这些数据格式不被其它软件所识别。虽然有些软件自带了一些数 据格式的转换程序，但其功能只限于少数软件间的格式转换，对某些具体情况并不适用。 例如，p s s e 这种在国际上有着众多用户的软件并且针对国际上常用的数据格式也有数 据转换接口程序，但针对我们常用的b p a 和p s a s p 软件，就没有相应的转换程序。因 此，需要开发第三方提供的数据接口程序。 数据接口程序的开发和实现，为仿真分析软件间数据的共享和对比分析计算提供了 必要的前提。本论文研究的内容就是开发b p a 软件至p s s e 软件的数据接口程序，并 进行对比分析计算。 我们课题组和华北电网自2 0 0 1 年达成合作协议，共同开展负荷实测建模问题的研 究。并且在华北电网的张家口地区选择了三个变电站候家庙变电站、沙岭电厂升压 站、东三坡变电站，装设负荷动特性记录装置，以观察负荷特性。研究出一套适用于 b p a 计算的综合负荷模型，该模型分为动态部分和静态部分，动态部分采用型三阶感 应电动机数学模型，静态部分采用负荷静特性z i p 模型结构。 在“大区电网负荷测试技术及模型完善研究”项目中，本课题组于2 0 0 3 年在东北 地区的7 个变电站安装了负荷特性记录装置。通过负荷特性记录装置的数据，得到七个 变电站的负荷模型。然后将我们所得到的模型加入到电网中进行仿真，对比实测与仿真 结果的差异，从而验证其有效性。 课题组的以上研究项目和目前所从事的其它项目都具有b p a 格式数据，而没有相应 的p s s e 格式的数据。2 0 0 3 年，课题组引进p s s e 软件后，并没有在实际工程中得到 华北电力大学硕士学位论文 应用。其原因在于，引进了p s s e 后除了软件自身所带的算例，没有其它的算例可以利 用研究。所以迫切需要开发出一套功能较为完善的数据转换程序。 本课题正是在这样的背景下提出的。b p a 至p s s e 数据接口程序的开发，对于我们 充分应用p s s e 的强大功能，提升我们的分析仿真能力，增强课题组的项目竞争力具有 重大的意义。 1 4 论文所做的工作 本课题研究的主要内容为电力系统仿真软件b p a 到p s s e 模型转换及其数据接口 程序的开发。论文的工作主要从以下几个方面展开： ( 1 ) 论述了电力系统仿真的定义及其基本理论。引用了华北电力大学动态仿真与 控制研究所提出的7 个仿真误差量化指标，并且将其应用于b p a - - p s s e 发电机模型和 负荷模型的仿真结果对比中。通过大量使用这些指标，笔者发现其中故障时段误差和稳 态超调量这两个指标在个别情况下不能很好的体现实际误差的大小，进而对这两个指标 有所改进。在接下来的工作中应用了改进后的指标，发现改进后的指标能够更好的反映 各个时段误差的大小。 ( 2 ) b p a - - p s s e 发电机模型的转换。发电机模型一直以来都是被认为在数字仿真 中非常重要的。在b p a 和p s s e 中，它们对于发电机的模拟却不完全一样。笔者首先 仔细研究了两种软件中发电机模型的结构及其参数的特点，认真对比了b p a 和p s s e 这两种软件的发电机模型之间的异同，找出了b p a 和p s s e 发电机模型的对应关系， 实现了模型参数之闯的等效转换。利用i e e e 9 节点算例进幸亍仿真验证，完成了b p a 和 p s s e 之间仿真结果的对比，效验发电机模型转换的有效性，并且应用误差量化指标将 仿真对比结果进行了误差的量化评估。 ( 3 ) b p a p s s e 负荷模型的转换。电力系统负荷模型分为：静态负荷模型、动态 负荷模型以及实测的负荷模型。这部分完成的主要工作为：深刻理解负荷模型的含义， 能够有很好的掌握各种负荷模型的结构特点以及模型参数的意义；仔细研究b p a 和 p s s e 各种负荷模型之间的异同点，并且得出它们参数之间的对应关系；成功的将实测 负荷模型的模型结构和参数加入到p s s e 中去。应用i e e e 9 节点系统进行了b p a 和 p s s e 的仿真对比，并且通过误差量化指标将误差量化，充分证明了静态负荷模型和动 态负荷模型转换的有效性，和在p s s e 中加入实测负荷模型方法的正确性。 ( 4 ) b p a - - p s s e 数据接口程序的开发。据笔者了解多数从事电力系统仿真研究工 作的人员，都是通过手动完成一些电网数据格式的转换。手动转换是比较耗费人力和时 间的。b p a - - p s s e 数据接口程序提供了b p a 到p s s e 的潮流数据，发电机模型和负荷 模型的转换功能，并且程序扩展能力较强，。这一程序的开发为p s s e 这一强大的电力 系统仿真软件在我国的实用化研究有着较大的帮助。这一程序的开发是十分有实用价值 的。 4 华北电力人学硕士学位论文 由于本课题的研究针对性较强，其中选取b p a 中转化的模型类别都是本课题组项 甘的需要以及常用的一些模型。在编写程序时考虑到，随着对仿真精度的要求越来越商， 那么也就会出现一些新的模型，而且会扩充励磁模型和调速器模型的转换等等，所以程 序编写力求能够有很好的扩展能力。 希望通过本文所的工作能够对p s s e 这一软件在中国的实用化研究提供一些便捷。 华北电力大学硕 ：学位论文 第二章电力系统动态仿真及其准确度评估指标介绍 众所周知，在电力系统上人为制造故障进行试验研究是十分困难的。目前对于电力 系统研究的主要手段也就仅限于“电力系统仿真”。无论在电力系统设计、规划部门还 是运行、调度部门，无一不依赖与电力系统仿真软件。 本章将主要介绍，电力系统仿真的基本概念和仿真的基本原理，这是电力系统数字 仿真的基础。在此基础上还将介绍目前电力系统仿真准确度的评估指标。经过一段时间 的应用，笔者发现了其中两个误差量化指标还存在一定的问题，将它们进行了改进。 2 1 电力系统动态仿真的概念 电力系统的动态过程可以分为三部分：电磁暂态过程、机电皙态过程，和中长期动 态过程。一般暂态过程持续0 至1 0 秒，中期过程持续1 0 秒至几分钟，而长过程则可持 续几分钟至十几分钟，甚至数小时【2 】。 目前对于电力系统的动态仿真主要采用的是：时域仿真法( t i m es i m u l a t i o n ) ，又称 为逐步积分法( s t e pb ys t e p ) 。时域仿真法将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形 成全系统模型，这是一组联立的微分方程和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初 值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发 电机转子摇摆曲线来判别系统再大扰动下能否保持同步运行。 ( 1 ) 电磁暂态过程仿真 电磁暂态仿真是对电力系统微秒至数秒级的时间段进行仿真：该仿真必须考虑 输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以及一系 列元件( 避雷器、变压器、电抗器等) 的菲线性特性。不仅考虑动态元件的暂态过程， 还要考虑网络的暂态过程并建立相应的微分方程，所以其计算规模较小。 由于电磁暂态仿真不仅要求对电力系统的动态元件采用详细的非线性模型，还 要计及网络的暂态过程，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。一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值化简。 ( 2 ) 机电暂态过程仿真 机电暂态过程的仿真，主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰 动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除 线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统 的动态行为和保持同步稳定运行的能力。 ( 3 ) 中长期过程仿真 电力系统中长期动态过程仿真是电力系统受到扰动后较长过程动态仿真，要计 入在一般暂态稳定过程仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，包括发 6 华北电力大学硕士学位论文 电厂热力系统和水力系统以及核反应系统的动态响应，以及继电保护系统、自动控 制系统的动态行为等。长过程动态稳定计算的时间范围可从几十秒到几十分钟，甚 至数小时。主要用来分析电力系统较长时间的动态特性。 上述仿真过程数字仿真技术在电力系统规划、设计、运行等方面获得了长足的 应用。 2 2 电力系统动态仿真的基本原理 电力系统基本上是由发电机、励磁系统、原动机及调速器以及网络和负荷组成的。 它们每一部分都是相互联系的。各种元件模型中既有微分方程又有代数方程，那么整个 电力系统的动态仿真就成为了，联立求解微分方程组和代数方程组的问题f 1 1 】。 所谓求解微分方程组是指在一定的初值条件下，求微分方程的数值解，即对于离散 的时间序列t o ，t l ，t 2 ，t 。逐步求出相应的系统状态矢量值y 。，y 。，y 。实际系统 的微分方程般可表达为一阶的常微分方程组，如下所示： d俄y=g(y，f)(2-1) 设初值为y ( t 0 ) ，若步长为h = t n t n 一1 ( n = 1 ，2 ，) ，则t 1 时刻的y 的精确值y ( t 1 ) 应为 y ( ) = y ( t o ) + 1 1 9 ( y ，) 西 ( 2 - 2 ) 实际计算时，对积分项近似计算，从而形成了各种不同的数值解法。 所谓求代数方程组，就是求解网络方程和元件的代数方程。 系统方程组是： d 耐y ：g ( y 一)( 2 - 3 ) if ( y ，z ) = 0 其中，y 为状态变量，z 为代数变量：f 、g 为适当维数的函数。若设t 。时刻的y n 和 z 。已解出，并据式( 2 - 3 ) 的第一式，用某种数值积分法估计状态变量y 在t n + l 时刻 的值粥，再将粥代入式( 2 3 ) 的第二式通过求解代数方程计算z 黠，这样求得的 圯和嘏一般不能严格满足式( 2 - 3 ) 的第一式。为改善精度，可进一步根据y n ， z 。，粥，嘏和式( 2 - 3 ) 第一式，作y 。+ l 的校正计算，得校正后得y n + l ，然后代入 式( 2 - 3 ) 第二式计算z n + t ，如此迭代直到计算收敛。 时域仿真分析的核心是当t l l 时刻的变量值已知时，如何求出t n + 1 时刻的变量值，以 便由t o 时的变量初值( 般是潮流计算得到的稳态工况下变量值) ，逐步计算出t 1 ，t z 时刻的变量值，并在系统有操作或发生故障时作适当处理。 华北电力太学硕l 学位论文 方程组建立后，需要选择合适的数值算法进行时域上的积分迭代计算。针对不同的 动态过程，其计算方法不尽相同。机电暂态过程仿真的算法主要有隐式梯形积分法、改 进尤拉法、龙格一库塔法等，其中隐式梯形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适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分 方程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。而中长期动态过程中由于电力 系统长过程动态的响应时间常数从几十毫秒到1 0 0s 以上，是典型的刚性系统，需要采 用隐式积分算法。为避免计算时间过长，还必须采用自动变步长计算技术。 2 3 电力系统动态仿真误差量化指标 目前华北电力大学( 北京) 电力系统动态仿真与控制研究所提出了用于动态仿真误 差评估的七个指标。这七个指标又分为单个仿真模型的仿真误差指标和完整模型的电 力系统动态仿真误差指标。单个仿真模型的仿真误差指标包括：动态变异率、故障 时段误差和稳态超调量；完整模型的电力系统动态仿真误差指标包括：一摆误差、 频率相似度、阻尼相似度和误差能量比。 在b p a p s s e 模型转换后的仿真结果对比中，笔者使用了电力系统动态仿真误差 量化指标。这些误差指标本来是用作量化仿真曲线与实测曲线的误差的。但是在这一课 题中，主要是对比转换成为p s s e 的数据与b p a 数据的仿真结果，如果将b p a 的仿真 结果视为实测曲线，将p s s e 视为仿真曲线，这样就可以将误差指标用在这一课题中， 来量化p s s e b p a 的仿真对比误差。 2 3 1 误差指标介绍 由于单个仿真模型的仿真误差指标是针对单个负荷模型的电压，以及有功和无 功与实测数据的误差对比。完整模型的电力系统动态仿真误差指标是针对全网仿真 中振荡现象的分析。虽然这些指标的提出有它们的局限性，但是根据这些指标的物 理含义，是可以很好的运用到b p a 和p s s e 仿真结果的误差分析中去。 ( 1 ) 单个仿真模型的仿真误差指标l ，j 1 ) 动态变异率 j d 凇= 其中： 多( i ) 一一仿真数据序列 y ( ) 实测数据序列 i 多( 七) 一) ，( 七) 点三l 一 l y ( 七) 一y 。i ( 2 4 ) ! 型! 旦边查兰堡土兰焦堡塞 实测数据序列扰动前稳态值。 该式选取数据信号的残差二次范数和作为误差度量的值。误差基准值为实测信 号的扰动二次范数和。其数学意义是实测变量和仿真变量的残差信号能量与原始实 测信号的扰动能量的相对值。 该指标反映了在定扰动深度下仿真误差的大小，表征总体误差水平。此处将 其定义为动态变异率( d y n a m i cv a r i a t i o nr a t i o ，d v r ) 。 2 ) 故障时段误差 ：竺丝堕丝盟 吼n m a x ( 15 “2 。y ( k ) - y 0 2 1 ) k 2 1 ，n ( 2 - 5 ) 其中： 【”一一故障时段仿真数据； y 缸( 庀) 一一故障时段实测数据； y ( k ) 全时段实测数据； 蜘实测稳态数据； 故障时段误差( e d i s ) ，反映了故障发生时段误差的最大值。 3 ) 稳态超调量 一m a x ( 阮( 后) 一蜘( 刮) 一、赢顶而习厂 其中： 丸( 七) 一一电压稳定阶段仿真数据； y a ( k ) 一一电压稳定阶段实测数据； 稳态超调量( e s t ) ，反映了故障恢复阶段仿真的误差大小。 ( 2 ) 完整模型的电力系统动态仿真误差指标1 9 1 ) 一摆误差 f s e ：丝业：丝型 m n g m 。 其中，朋堙。和 妇分别为实测变量和仿真变量的第一摆幅值。 一摆误差( f s e ) ，反映了振荡第一摆幅值的差距。 2 ) 频率相似度 9 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 芝韭皇垄查堂堡主兰生堡苎 频率相似度，反映了在后续摇摆中曲线之间的频率相似程度。 3 ) 阻尼相似度 阻尼相似度，反映了在后续摇摆中曲线之间的阻尼相似程度。 计算频率相似度和阻尼相似度这两个指标，首先要转换动态数据的数据格式以适用 p r o n y 分析；然后运行m a t l a b ，在其中调用p s m 工具箱的r i n g d o w n 图形界面进行p r o n y 分析；通过p r o n y 分析的结果文件计算得出仿真误差的量化指标。 4 ) 误差能量比 ( 。( f ) 一。( ) ) 2 e e = 型r ( 2 8 ) ( 。c 0 - y 。) 2 其中，y 一( f ) 为仿真变量序列，y 一( f ) 为实测变量序列，y 。为实测变量未发 生振荡时的值，n 为实测变量与仿真变量的个数。 误差能量比( e e ) 的意义为，实测数据和仿真数据的偏差能量相对于实测变量 扰动能量的比值。反映了一定扰动强度下，仿真误差整体值的大小，是一个宏观的 误差指标。当该值接近零的时候，仿真与实测完全吻合；该值越大，误差越大。 2 3 2 误差指标的改进 我们一直用故障时段误差和稳态超调量这两个指标来衡量：扰动时段的仿真误差大 小和稳定时段仿真误差的大小。但是从这两个指标的计算公式可以看到；分子部分采用 的是扰动时段和稳定时段的误差的最大值。这样会带来这两个指标计算的不精确。 如下所示的两组曲线，扰动大小一致。目测的话，图2 1 中两条曲线吻合的不如图 2 2 的好，通过误差量化指标的计算结果来看，d v r 这个指标能够较好的反应整体仿真 误差的大小，而稳态超调误差这个指标确不能正确反应误差的真实情况。 出 脚 盆 薹 m 出 脚 雹 1 0 毕北电力大学硕 。学位论文 表2 - i 误差指标计算结果 i 计算名称 d v r 故障时段误差稳态超调误差 l 图2 - 10 4 5 o 3 2 1 8 4 l 图2 - 2 0 0 3 8 1 3 8 2 7 2 在上面两幅图中可以明显看到，在扰动后稳定时段，图2 ，l 的误差是明显大于图2 2 的误差，但是稳态超调误差指标计算的结果却和目测判断的结果相反。这是很不符合实 际的。造成指标计算错误的原因就是：指标分子的定义有问题。在图2 2 中，由于在电 压恢复阶段瞬时出现了误差的最大值，之后两条曲线吻合还是比较好。但是这个误差最 大值却大于图2 1 稳定阶段误差最大值，经过指标计算，才会出现指标计算结果和目测 判断结果相反。 笔者认为故障时段误差和稳定时段误差这两个指标需要改进，并且故障时段误差和 稳定时段误差这两个指标的计算应该分别在自己时段进行计算，不应该放在整个时段。 下面介绍几种误差的表示方法： ( 一) 绝对误差 这种表示方法是用误差绝对值的大小来表示误差和评定实验的精确度。绝对误差为 = i 测量值一真值l 绝对误差虽然重要，但是它不能给出实验精确度的完整概念。在绝对误差数值相等 的情况下，实验精度可能存在很大的差别。 ( 二) 相对误差 为了解决绝对误差的上述不足，引入了相对误差的概念。实验的相对误差等于实验 的绝对误差与实验数值的绝对值之比，通常用百分数表示。即 相对误差= ( 绝对误差真值的绝对值) 1 0 0 ( 三) 算术平均误差 绝对误差和相对误差都是指一次实验测定中的误差，对于大量的测定而言，为了更 好地表示误差的整体情况，引入了算术平均误差的概念。算术平均误差可表示为： 蚓。乙j i 。，i 占= 皇l 一 ( 2 - 9 ) 聍 式中n 为采样次数，算术平均误差是一种比较常用的误差表示方法。 ( 四) 标准误差 为了更好地表示误差的统计学特性，引入了标准误差这一误差表示方法。 标准误差，又称为均方根误差。当测量次数n 为无限大时，均方根误差为： 当测量次数n 为有限次时，则均方根误差的计算式为： ( 2 一1 0 ) 兰些型型垒堡墨 ( 2 1 1 ) 电力系统仿真中，在次固定的仿真中每个步长所产生的误差不满足一态分步，即 不属于随机误差。用标准误差来衡量是不合适的。而算术平均误差不包含统计学特性， 可以应用到这类误差的计算中去。 电力系统仿真中故障期间和稳定期间的算术平均误差计算公式为： i 多( 七) 一y ( 七) i 占= 型 其中： 多( 七) 一一仿真数据序列： ( 2 1 2 ) y ( 七) 实测数据序列； 艿这一指标受时间的影响较小。这个指标是每一时步绝对误差的平均值，若要把这 指标表示为相对误差的形式，使其能够描述误差的精度，就需为其选择合适的分母。 经过仔细思考，笔者选择时段实攒4 值的平均值作为分母。 通过计算得到改进后的两个指标如下： 其中： i 萝( 七) 一y ( _ | ) i 故障时段误差= 捌了_ n 为故障切除点； ( 2 1 3 ) l y ( k ) i f 多( 七) 一y ( 七) i 稳定时段误差= 虹、f 一 n 为中止点； ( 2 1 4 ) i y ( ) i 夕( 七) 仿真数据序列； j ，( 七) 实测数据序列； 运用这两个指标来计算前面两组图的故障时段误差和稳定时段误差指标，结果 如下； 1 2 华北电力大学硕士学位论文 表2 2 改进误差指标计算的结果 计算名 故障时段算术平均稳定阶段算术平均故障时段误差百稳定阶段误差百 称误差误差分比分比 图2 1 0 0 0 0 8 6 50 0 0 6 3 2 6 o 1 6 o 6 5 圈2 2 0 0 0 3 9 8 80 0 0 0 7 1 8 0 7 1 0 0 7 从上表中可以看到在故障时段，图2 - 1 的算术平均误差是小于图2 2 的算术平 均误差，说明了在故障阶段图2 - 1 的误差小于图2 2 误差；在稳定阶段，图2 1 的 算术平均误差是大于图2 2 的算术平均误差，也就是符合目测结果，图2 1 的误差 要大。通过改进后指标计算的误差百分比也是符合目测的结果。 从公式分析，故障时段误差百分比和稳定时段误差百分比指标的分子是每时步误 差的绝对值之和，当实测曲线和仿真曲线越接近时，指标的计算结果就越接近零值。而 且通过算术平均值体现了整体时段的误差，而不是个别误差。并且指标的计算结果受时 间的影响较小。将故障时段误差指标和稳定时段误差指标分时段计算，更加体现了误差 的相对大小，更加符合目测的结果。 2 4 本章小练 本章主要介绍电力系统动态仿真的概念和基本原理，以及介绍了电力系统动态 仿真误差量化指标。在误差量化指标的应用过程中，笔者发现故障时段误差和稳态 超调量这两个指标不能完全正确的符合目测的结果，故对这两个指标进行了改进， 使其能够更好的反应故障阶段和稳定阶段误差的整体大小。通过对仿真误差指标的 应用，使得笔者更加体会到用肉眼评估误差是十分不客观的，有些误差也是根本无 法用肉眼观测到的，只有通过指标计算比较才能客观的衡量误差的大小。在下面几 章的仿真结果对比中，笔者都采用了仿真误差量化指标，这样使得对比结果更加可 靠和直观。 华北电力大学硕士学位论文 第三章b p a 与p s s e 同步发电机模型对比及其仿真研究 同步发电机模型在电力系统仿真计算中是非常重要的，而同步发电机是一种集旋转 与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能和机械能变换的元件，其动态性能十分 复杂，而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大的影响。 本章是对电力系统仿真软件b p a 和p s s e 发电机模型的对比考核。由于各种电力系 统仿真软件对于发电机的模拟并不是完全一致，所以对不同软件之间发电机模型的对比 研究就显的非常重要。 b p a 和p s s e 都是机电暂态仿真软件，而p s s e 的中长期仿真模块还未购买，在此 就不做研究。b p a 和p s s e 之间的仿真验证是这样进行的：首先转换两种软件的输入文 件；然后针对两种软件各自的功能，分别进行仿真；最后就是仿真输出结果对比，进行 误差量化指标计算。 鉴于小网手动转换较为方便，论文工作的顺序的就是：首先手动转换i e e e 9 节点b p a 格式的数据到p s s 但格式的数据，经过仿真结果对比，证明模型转换的有效性之后，再 编写b p a p s s 厄模型转换程序用于大网的转换。在论文的第五章既是用b p a p s s ，e 模型转换程序转换了华北网的数据，并且进行了仿真结果对比及其误差量化。 这一章p s s e 所用的输入数据是由b p a 格式的i e e e 9 节点数据手动转换而来，为了 比较系统的动态行为并且校核数据从b p a 转换到p s s e 的正确性，分别在两个程序中进 行了仿真计算，并做了相应的分析比较和误差量化。 3 1b p a 与p s s e 发电机模型及其参数转换 3 1 1b p a 与p s s e 中发电机模型的对比 在b p a 中可供选择的发电机模型有： 不考虑阻尼绕组的双轴模型( 暂态模型) ； 值负荷表示( 【，n 卡) 。 1 考虑阻尼绕组的双轴模型( 次暂态模型) ；2 3 经典模型e = c ；4 将影响较小发电机用等 p s s e 中发电机的模型种类较为丰富，有g e n c l s ( 经2 典模型) 、g e n t r a ( 凸极机暂 态模型) 、g e n s a l ( 凸极机次暂态模型) 、g e n r o u ( 隐极机次暂态模型) 、g e n s a e ( 指数饱和曲线的凸极机次暂态模型) 、g e n r o e ( 指数饱和曲线的隐极机次暂态模型) 、 g e n d c o ( 考虑定予暂态的隐极机次暂态模型) 。可以看到在p s s e 软件中唯独缺少隐极 机暂态模型。表3 1 是b p a 和p s s e 发电机模型的对应关系。 4 华北电力人学硕j 二学位论文 表3 1b p a 和p s s e 的发电机模型的对应关系 阶数所考虑的绕组 bp _ ap s s ，e 隐极机次暂态模型( 6 阶)f 、g 、d 、q 考虑阻尼绕组的双轴模型 g e n r o u 凸极机次暂态模型( 5 阶) ，、d 、q 不考虑g 绕组的双轴模型 g e n s a l 隐极机暂态模型( 4 阶)f 、g 不考虑阻尼绕组的双轴模型无此模型 凸极机暂态模型0 阶) 不考虑阻尼绕组的双轴模型g e m a 2 阶不考虑任何绕组 经典模型( e = c ) g e n c l s 上表中，、g 、d 、g 在b p a 中分别为励磁绕组、g 绕组( 由于g 轴铁芯内部构成 的短路阻尼线圈) 、d 轴阻尼绕组、q 轴阻尼绕组。 通过对比发现，b p a 的发电机模型基本上都能与p s s e 的发电机模型相对应。在 p s s e 中，由于程序设定x d ”= x q ，忽略了发电机的次暂态凸极效应。这样在与b p a 的 对比计算中是不理想的。但是由于p s s e 中提供了c g e n l 这个全阶模型，它不仅能够很 好的模拟x d ”x q ”的情况，而且能够模拟p s s e 中独缺的隐极机暂态模型 1 3 1 。 然而，p s s e 还提供了其它的三种发电机模型g e n s a e ( 指数饱和曲线的凸极机次 暂态模型) 、g e n r o e ( 指数饱和曲线的隐极机次暂态模型) 、g e n d c o ( 考虑定子暂态 的隐极机次暂态模型) ，前两种模型考虑的是发电机指数饱和效应，而后一种是考虑定子 暂态的隐极机次暂态模型。可以看到p s s e 这一软件所包含的发电机模型十分全面，这 是十分有利于电力系统的仿真分析。 3 1 2b p a 发电机模型探究及其推导 b p a 程序的通用发电机模型是六绕组的模型( d 轴、q 轴) 。其示意图如下： b c 图3 1b p a 发电机模型示意图 上图是双极理想电机的示意图，转子励磁绕组中心轴为d 轴，q 轴领先于d 轴9 0 0 电 角度，在d 轴上有励磁绕组f 及一个等值阻尼绕组d ，在q 轴上有一个等值阻尼绕组q 。 华北电力大学硕十学位论文 对1 二汽轮机实心转子，转子q 轴的暂态有时还另需个等值阻尼绕组来描述，即g 绕组。 通过p a r k 变换和标么化得到，d q 0 坐标下b p a 的标么电压方程为： u d 2 p c d 一，口l d 一融妙q “g 2 p q r ao q + 脚d u f 2 r f i f + p f 0 = r of d + p c d 0 = r gi g + p c g 0 = r qi q + p c 0 d q 0 坐标下b p a 的标么磁链方程为： 妒d = 一xd i d 七x 。d i f + x n d i d l ，f = 一x 积i d + x f i f + x 。d i n l ，d = 一x a d i d + x n d if + x d i d l ，q = 一xq j q + xn q g + x n q i q 舻g = 一xd 乒q + xg g + x n q i q l ，q = 一x n q i q 七xd q i g + x q i q d q 0 坐标下b p a 的标么力矩方程： t e = 中d i q v d 3 1 3p s s e 发电机模型探究及其推导 p s s e 是遵照i e e e 标准制定的模型【5 】。其方程为： 标么定子转子电压方程 2 0 ，2 l 】： p d = 一r 。i d + 0 9 ，g + p d e 口= 一r 。i g 一国，d + p5 f ，q er d = r f d lf d 七vr d 0 = r 1 d i l d + p g l d 0 = r l g i l g + p y l q 0=r 2 口i 2 日+ p 2 9 1 6 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 兰些生查尘兰堡：兰兰垡堡兰 标么定子转予磁链方程： 妒d = 一l d i d + l a d i 隰+ l o d i t d y 掰2 一l d d i d + l 即i 捌+ l n d i l d 1 d = 一l d d i d + lr l d i 脚+ l l l d i l d g2 一l q i p + l 4 9 i 1 9 + 三卵i 2 p 0 5 ) i q2 一。口+ l i g g + l 。9 i 2 9 2 q2 一l 口9 + 4 9 q + l 2