电力系统仿真技术.doc

电力系统仿真技术题 目：电力系统仿真技术 学 院：自动化工程学院 专 业：电气工程及其自动化姓 名：代兵琪 指导教师：马力 2012 年 9 月 12 日目录摘要3第一章 前言4第1章 电力系统仿真技术的发展历史4第2章 电力系统仿真技术的应用现状42.1电力系统离线仿真技术 42.2 电力系统实时仿真技术 4 2.2.1 RTDS系统 4 2.2.2 HYPERSIM系统 4 2.2.3 ARENE系统 4第3章 电力系统仿真技术的发展趋势43.1电磁暂态与机电暂态混合仿真43.2 全过程动态仿真63.3 大规模实时仿真系统6第4章 电力系统仿真软件比较74.1电力仿真软件74.1.1 EMTP/ATP74.1.2 PSS/E74.1.3 PSASP84.1.4 RTDS84.2 电路仿真软件94.2.1 PROTEL94.2.2 Pspice94.2.3 Matlab10结束语10谢辞10参考文献10摘要电力系统仿真技术已成为电力系统实验研究、规划设计和调度运行的重要工具。文中介绍了电力系统仿真技术的发展现状，讨论了电力系统仿真技术的应用现状及发展趋势，并比较研究了几种常用的电路仿真软件和电力仿真软件的特点、应用范围。认为随着一系列新技术、新方法的进一步完善和应用，电力系统仿真软件必将迎来一个崭新的发展空间。【关键词】 电力系统 仿真技术 仿真软件第一章 前言当今，世界各国的电力系统发展得越来越庞大，电力系统的运行也随之越来越复杂，发生的事故越来越难以用传统的分析方法预测。在我国，随着三峡电站的建设、西电东送工程的实施和全国联网工程的推进，我国大陆部分在本世纪初叶将形成规模巨大的全国性的互联电网，而且，全国联网系统中既有交流线路，又有直流线路，还包括诸如无功静止补偿器之类的电力电子设备和FACTS装置，从而使电网的安全稳定运行控制变得十分复杂。为了提高电网安全稳定运行水平，对电力系统仿真技术提出了更高的要求。本文讨论了现有电力系统数字仿真软件及系统的历史、现状和发展趋势， 并比较研究了几种常用的电力系统仿真软件。第二章 电力系统仿真技术的发展历史电力系统仿真软件的开发研究起源于上世纪五、六十年代，收到当时的计算机价格、内存容量和计算速度等多方面的严重限制。八十年代以来，随着计算机软件和硬件的高速发展，先进数学计算方法的引入，电力系统仿真软件取得了长足进步，功能日益强大，计算效率大大提高，使用也更加方便灵活。日前，国际上有多种电力系统仿真软件，在世界上不同国家和地区的各级电力企业、研究所和高校种得到了较为广泛的应用，对各国电力系统的实践和研究发挥了很大的作用。我国电力系统仿真软件的开发和研究也起步较早，在上世纪七十年代有较大的发展。目前，在我国应用较为普遍的电力系统仿真软件有由中国电力科学研究院开发的电力系统综合分析程序PSASP和引进并有改进的PSS/E,BPA等。第三章 电力系统仿真技术的应用现状3.1电力系统离线仿真技术 电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不等。 根据仿真的目的，电力系统仿真软件所采用的数学模型可以是线性或非线性、定常或时变、连续或离散、集中参数或分布参数、确定性的或随机性的等，建立数学模型时往往忽略一些次要的因素，因而常常是一个简化的模型。 目前，电力系统离线仿真软件，对不同的动态过程采用不同的仿真方法。主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真3种。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息 3.2 电力系统实时仿真技术电力系统实时仿真可分为数字仿真、物理仿真以及数模混合式仿真，其仿真速度与实际系统动态过程完全相同。 3.2.1 RTDS系统 RTDS是国际上最早研制出的全数字实时仿真装置，其技术主要依托于加拿大Manitoba直流研究中心。 RTDS的并行处理器采用NEC公司的高速信号处理器和AD公司的SHARC AD21062高速信号处理器，处理器主板及软件均自行开发。这样做的好处是可以充分利用DSP的硬件资源，但在计算机芯片技术飞速发展的今天，这种开发模式不利于硬件的升级换代。 RTDS的软件核心是EMTDC，图形界面是PSCAD。 3.2.2 HYPERSIM系统 加拿大魁北克的TEQSIM公司的技术依托于魁北克水电研究所(1REQ)。IREQ建立了目前世界上最大的数模混合式实时仿真系统。TEQSIM公司在其数模混合式实时仿真技术的基础上，为了适应电力系统实时仿真技术发展的潮流，也于近期开发出了全数字电力系统实时仿真系统(HYPERSIM)。 HYPERSIM硬件采用基于共享存储器的多CPU超级并行处理计算机如SGl2000或多CPU的并行计算用的Alpha工作站。主要用于电力系统电磁暂态仿真，仿真的规模可以相当大，也可以用于装置试验。其中基于SGl3200服务器的HYPERSIM也可用于直流系统动态特性仿真。 HYPERSIM的软件核心是EMTP程序。 3.2.3 ARENE系统 ARENE是法国电力公司(EDF)研究开发的全数字实时仿真系统。该系统的硬件平台为HP公司生产的基于多处理器的HP-CONVEX并行处理计算机。到目前为止，该并行处理计算机的最大CPU数量已达到64个。 ANENE系统的硬件全部采用市场上能买到的标准组件(如HP的并行处理计算机、IO接口板等)，EDF只研究用于实时仿真电力系统的算法及相关软件。同时，该实时仿真系统还提供了基于C语言的用户自定义功能，使用该功能，用户可以自己定义新的元件模型。 ARENE的软件核心也是EMTP程序。 第四章 电力系统仿真技术的发展趋势随着电力系统的发展，对电力系统的安全可靠提出了更高的要求；同时，随着电力系统大量先进的控制装置的应用，如FACTS和电力电子装置、直流输电系统、继电保护装置、安全稳定监控装置等，对电力系统仿真技术提出了新的要求。 4.1 电磁暂态与机电暂态混合仿真 电磁暂态与机电暂态混合仿真的发展有两种趋势：一种是由成熟的电磁暂态程序向机电暂态方向发展，使电磁暂态程序同时具备机电暂态过程的数学模型和仿真能力，以克服电磁暂态程序仿真规模小的不足。另一种趋势是由成熟的机电暂态程序向电磁暂态方向发展，主要思路是在机电暂态程序中对电力电子等元件对机电暂态过程有重要影响的快速暂态过程和非线性特性进行电磁暂态模拟，以提高机电暂态程序的仿真精度。 4.2 全过程动态仿真 在电力系统远距离输电容量不断增加、输电网络重载问题日益突出的情况下，暂态稳定及电力系统在暂态稳定之后的长过程动态稳定性(包括电压稳定性问题)将逐步成为电力系统安全稳定运行的主要问题，威胁电力系统的安全稳定运行。分析电力系统的长过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故(如1996年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故)，以及研究防止事故扩大的有效措施(即第3道防线)，必将成为电力系统计算分析的一项重要内容。因此，电力系统长过程仿真程序的开发是非常必要的。 4.3 大规模实时仿真系统 电力系统大量先进的控制和测量装置，如FACTS控制装置、直流输电控制装置、继电保护装置、安全稳定监控装置(包括广域测量装置等)都要由电磁暂态和机电暂态的实时仿真装置进行试验验证，才能投入实际系统使用。因此，发展数字式或数模混合式电力系统实时仿真装置都是必须的。 由于受试验室规模和物理设备的限制，数模混合式电力系统实时仿真装置的仿真规模不可能无限扩大。然而，随着计算机软硬件技术的快速发展、计算技术的不断提高、仿真技术的日益完善，全数字式电力系统实时仿真装置可望具备对大规模电力系统进行实时仿真的能力。第五章 电力系统仿真软件比较 5.1电力仿真软件5.1.1 EMTP/ATPEMTP是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件,它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点,对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，它的典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。ATP（The AlternativeTransientsProgram）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本,它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP程序正式诞生于1984年，由Drs. W.Scott Meyer 和Tsu-hueiLiu,所组成的世界各地的用户组不断地发展。ATP还配备有比TACS更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。功能：雷电过电压研究,操作过电压和故障,系统过电压研究,接地等现象的快速暂态分析,设备建模,电机启动过程动态仿真,轴系扭振分析,变压器及并联电抗器/电容器的开断,铁磁共振现象的研究,电力电子设备的研究,断路器电弧、冲击电流,FACTS 设备： STATCOM, SVC, UPFC, TCSC模型,谐波分析与网络共振现象,保护设备的实验.5.1.2 PSS/EPSS/E概述PSS/E(Power System Simulator / Engineering) 是一款优秀的面向工程实际的仿真分析软件。自1976年面世以来，历经多次更新和完善，至今已发行version33。 目前挂靠siemens名下。PSS/E应用PSS/E的用户遍及世界各地。尤其在美国得到广泛使用。 但由于该软件没有中文版本，而且入门相对较难，目前国内只有华东电网和个别高校在使用该程序。PSS/E功能PSS/E功能强大是世所公认的。其优化的数值计算方法，丰富的电力系统模型，灵活的人机交互，使得该程序能够胜任电力系统的大多数仿真计算。5.1.3 PSASPPSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析。基于公用资源的交直流电力系统分析程序包，有以下应用功能：潮流计算,暂态稳定,短路电流，网损分析，电压稳定，静态安全分析，静态和动态等值，直接法暂态稳定，小干扰稳定，最优潮流和无功优化，参数优化协调，继电保护整定与仿真。主要特点：交直流混合电力系统，固定模型库和用户自定义模型支持，提供公户程序接口，实现与用户程序联合运行，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出，开放友好的用户程序接口环境。5.1.4 RTDSRTDS全称为实时数字仿真仪（Real Time Digital Simulator），由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。目前。RTDS已广泛应用于28个国家（地区）的电力企业和研究机构，装机数量超过140台。仿真RTDS模拟器与一个飞行模拟器很相似。不同之处在于RTDS模拟器不是测试人类的反应，而是测试电力系统的装备或网络反应。RTDS模拟器使用户可以研究电力系统装置和网络上的干扰所带来的影响从而防止断电或故障。实时仿真RTDS是“实时的”模似装置。实时是指电力系统的运算法则能被计算得足够快，因而能连续地产生输出，这些输出结果真实地代表了在实际网络中的情形。实时仿真使用户能测试物理设备和更有效更快地完成实时仿真的许多研究。由于RTDS模似器是实时的，因此它能被直接地连接到电力系统控制和保护装置上。例如，RTDS模似器能用于测试HVDC(高压直流)控制器或继电保护装置。在RTDS上的测试比其他测试方法更全面，因为它能模拟许多恶劣的但很现实的情况，而这对于物理系统来说是不可能达到的。数字仿真RTDS不是实现系统元件的物理小型化，其元件参数和电路结构以软件模型为基础。RTDS的研究能被迅速而且方便地修改，从一个问题切换到另一个问题只需要最短的时间。研究序列能被设定并自动运行，批模拟只需要极少甚至不需要用户交互作用。5.2 电路仿真软件5.2.1 PROTELProtel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AUTOCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合。5.2.2 Pspice 用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计：(1)图形界面友好，易学易用，操作简单；（2）实用性强，仿真效果好；（3）功能强大，集成度高。5.2.3 Matlab它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。结束语随着计算