（电力系统及其自动化专业论文）基于psse的电力系统混合仿真的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 电力系统仿真的可信度直接关系到系统的安全经济运行。提高仿真可信度离不开电 力系统仿真验证工作。然而，电力系统区域大，所包含的元件多，不准确的模型及参数 较多，仿真验证工作一直以来是个难点。本文的主要内容如下： 1 提出基于w a m s 的电力系统动态仿真验证策略，从理论上解决了电网各元件相 互耦合，致使仿真验证工作难以进行的难题； 2 给出了实现电力系统动态仿真验证策略的具体途径基于p s s e 的电力系统 混合仿真。并以算例系统验证了该方法的正确性； 3 电力系统混合仿真的实际应用。利用东北电网大扰动试验p m u 数据，对某电厂 进行仿真验证和参数调整工作； 4 介绍p s s e 励磁系统模型自定义的方法。 关键词：仿真验证，混合仿真，p s s e ，模型自定义 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 nt e l i a b i l i t yh a sad i r e c tr e l a t i o nw i t ht h es e c u r ea n de c o n o m i c o p e r a t i o no ft h es y s t e m t h ei m p r o v e m e n to ft h es i m u l a t i o nr e l i a b i l i t yr e l i e so nt h es t u d yo f p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nv a l i d a t i o n h o w e v e r , b e c a u s eo ft h el a r g es c a l eo ft h ep o w e rs y s t e m a n dt h eg r e a tn u m b e ro fs y s t e me l e m e n t s ，m a n yi n a c c u r a t es y s t e mm o d e l sa n dt h e i r p a r a m e t e r se x i s t t h u s t h es i m u l a t i o nv a l i d a t i o nw o r kh a sa l w a y sb e e nd i 伍c u l t t h ep a p e r s m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 p r o p o s et h es t r a t e g yo fp o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nv a l i d a t i o nb a s e do nw a m s t h e o r e t i c a l l ys o l v e st h ep r o b l e mo fi n t e r c o u p l i n go fs y s t e me l e m e n t sw h i c hm a k e st h e s i m u l a t i o nv a l i d a t i o nw o r kd i 街c u l t 2 g i v et h em e t h o do fr e a l i z i n gt h ep o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nv a l i d a t i o n s t r a t e g y - p o w e rs y s t e mh y b r i ds i m u l a t i o nb a s e do np s s e u s et h ee x a m p l e so ft e s ts y s t e m t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em e t h o d 3 p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fh y b r i ds i m u l a t i o nu s i n gp m ud a t af r o mt h el a r g ed i s t u r b a n c e t e s t so fn ep o w e rs y s t e m c a r r yo u tt h ew o r ko fs i m u l a t i o nv a l i d a t i o na n dp a r a m e t e r m o d i f i c a t i o ni nap o w e rp l a n to fn e 4 i n t r o d u c et h em e t h o do f e x c i t i n gs y s t e mm o d e lw r i t i n gi np s s e s h e n gw e n j i n ( 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 h er e n m u k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nv a l i d a t i o n ，h y b r i ds i m u l a t i o n ，p s s e ，m o d e lw r i t i n g 声明 户口明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p s s e 的电力系统混合仿真 的研究，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：盛敖递 日期：之! 墨! 兰! & 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：麈些导师签名： 日 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 电力系统动态仿真的意义 第一章绪论 电力系统动态仿真是人们认识电力系统的基本工具。它是在数字计算机上为电 力系统发生扰动后的动态物理过程建立数学模型，用数学方法分析，以进行仿真研 究的过程。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己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j 下确 性。 1 1 2 电力系统动态仿真可信度 电力系统无法离开仿真这个工具已是不争的事实。电力系统规划的方案是靠仿 真得到的；新元件的接入、运行方式的确定是用仿真结果作为依据的；新方法研究、 新装置设计、参数确定是用仿真来确认的。但是，人们对这样一个权威性工具的准 确度如何，不同的参数和模型对结果的影响如何却知之甚少，这方面的研究成果发 表得也不多。究其原因，是因为这类研究对现场的依赖性很大，如果不是现场需要， 研究人员一般是很难得到电力系统的动态数据的。然而，由于模型和参数的分离， 方法和数据的脱节，很多从事仿真的人并不相信得出的结果【i 】。电力系统动态仿真 可信度问题主要体现在两个方面：一是实际系统没有稳定问题，动态仿真结果却发 现有稳定问题，运行部门不得不降低运行极限，造成经济上的巨大损失；二是实际 系统有稳定问题，动态仿真没有将其j 下确的描述出来，无法制定相应的控制措施， 给电力系统安全运行带来隐患。 由此可见，仿真的可信度将直接关系到系统的安全经济运行。过于保守的动态仿真 结果使电网运行在较低的传输容量下，网架结构得不到充分利用，不但形成巨大的浪费； 而且对于我国这样一个典型的送受端系统，形成了送端窝电、受端缺电的问题。另一方 面，冒进的仿真结果将系统置于不安全的运行状态下，小的扰动有可能激发连锁故障， 造成大面积停电，带来无法估计的经济损失。1 9 9 6 年美国西部系统( w s c c ) 大停电后， 美国邦纳维尔电管局( b p a ) 用当时w s c c 指导系统运行的数据库重现停电过程时发现， 华北电力大学硕士学位论文 仿真结果表明系统非常稳定，根本无法再现系统振荡失稳的动态过程【2 。3 】，这引起了电 网调度人员对电力系统动态仿真可信度的极大忧虑。在我国各大电网的方式计算中，也 发现采用不同的模型，仿真结果相差较大。如何正确认识并提高电力系统动态仿真的 可信度，确保仿真能够正确地反映电力系统的动态特性成为目前迫切需要解决的问 题。 尽管电力系统动态仿真的可信度如此重要，但长久以来，这项工作未能完成每 一个工程学科发展所需要的闭环过程，缺少验证和修正的环节。仿真的准确度如何， 不同的参数和模型对仿真结果的影响如何，长期以来由于客观和主观方面的原因没 有得到重视1 4 j ： ( 1 ) 客观上，仿真的准确度研究对现场的依赖性很大，如果不是现场需要，研究 人员很难从现场获取电力系统的动态数据。此外，计算机软硬件技术的发展也曾制 约着仿真准确度的研究。在g p s 技术出现以前，很难获得统一时钟的现场数据。时 钟不统一，不同地点，不同故障记录装置对同一事故记录的动态数据，其时标可能 不统一，很难根据测量数据正确观测到系统的全部动态行为。从而无法根据现场数 据对仿真结果做出准确的评判。 ( 2 ) 既然客观上无法获得对于仿真准确度的认识，那么在电力生产实践中便采用 了主观保守的方法：用典型的“保守 模型和参数进行电力系统的规划、设计、确 定运行方式等，以使得电力系统处于远离稳定极限的较低运行水平上。在过去很长 的时间内，“保守”的方法对于电力系统的安全运行曾起到了重要的作用，由仿真 模型及参数引发的系统稳定问题井没有凸现出来。 基于以上两个原因，电力系统动态仿真的可信度和模型参数的有效性及其校正 研究一直没有展开。但随着社会经济的发展和技术的进步，研究仿真可信度成为时 代的要求： ( 1 ) 经济性要求 原有的“保守”模型所确定的电力系统“保守运行方式造成了极大的资源浪 费。最为突出的是联络线功率的运行水平低，造成电源“窝电”现象严重。随着电 力市场化改革在各国的推进，利用现有线路挖掘输电潜力，提高电能输送极限成为 各大区运营商的必然要求。然而安全与稳定是电力生产运行需要首先考虑的问题。 确定安全的新运行方式，提高现有线路的输电能力，是以仿真这个重要的工具作为 保障。改进仿真模型和参数的有效性，使电力系统动态仿真的结果更接近于真实系 统的运行状态成为迫切的要求。 ( 2 ) 安全性要求 由于电力系统中负荷的分散性，时变性和随机性，负荷建模一直是仿真中的难 题。以往一直采用简单的，对系统影响“保守的模型来代替负荷动特性模型，然 而在电力系统中大量使用各类控制器的今天，在控制器的作用下，“保守”的模型 2 华北电力人学硕十学位论文 反而会带来乐观的结果。1 9 9 6 年美国w s c c 大停电事故后仿真结果与现场记录的 结果不符( 即系统发生了低频振荡，仿真结果却没有振荡) 时，研究人员将功率送出 端的负荷模型由本来是保守的静态指数模型改为电动机模型后，仿真结果就得到了 振荡。经分析，这是负荷模型和发电机组稳定器( p s s ) 参数整定相互影响引起的【2 】。 由此可以看出，保守的模型、参数并不能保证系统的安全运行。 ( 3 ) 技术支持 随着全球定位系统( g p s ) 技术进入民用领域，高速通信技术在电力系统中得到 应用，计算机存储容量的大大增加，测量、传输和存储电力系统动态过程成为可能。 近年来，以相角测量单元( p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 为基础的动态测量系统 在电力系统中得到了广泛的应用，这使得测量并观测电力系统的动态成为现实。这 也使得利用测量到的动态数据研究电力系统动态仿真的准确度成为可能。 仿真可信度的研究在广域测量系统( w a m s ) 在电力系统大规模应用之前是不可 能的。w a m s 提供了具有统一时标的同步相量，这才使得大区电网中分布于各处的点 可以在同一时间尺度下进行比较。w a m s 的广泛应用，特别是近年来在我国各大区电 网中的推广为仿真可信度的研究提供了良机。但是电力系统地域广，涉及到的元件 多，动态过程复杂1 5 j ，因此w a m s 虽然记录下故障扰动时的数据，但是如何充分利用 这些数据有效的进行电力系统动态仿真可信度的验证，仍然是一个摆在全世界电力 工作者面前的难题。 6 7 提出了建立电网实时监控系统进行动态仿真可信度研究 的基本思想； 8 1 1 应用轨迹灵敏度的理论研究电力系统仿真的准确度；e 1 2 开发 了d s i t o o l b o x ( 动态系统辨识工具箱) 提取w a m s 记录的系统振荡频率与阻尼，并 与仿真结果进行对照；基于类似的思想， 1 3 提出了进行仿真验证的误差评定准则； 1 4 进一步将系统相似度理论应用于动态仿真的误差评定准则， 1 5 针对电力系统 区域大，涉及到的元件多，动态过程复杂的特点，提出了电力系统分层、分区、分 时的仿真验证准则。但是如何有效的在仿真验证中实现分层、分区、分时的构想， 仍然需要进行深入的研究。 1 。1 3 电力系统动态仿真验证 电力系统可信度的研究离不开仿真验证。图1 1 显示了仿真验证的基本步骤。 华北电力大学硕十学位论文 图1 1 仿真验证基本步骤 图1 1 对仿真验证工作提出两个要求：一是电力系统动态仿真准确度评估，也就是 误差评估；二是误差定位。 一、电力系统动态仿真准确度评估 电力系统仿真准确度评估即在电力系统建模、仿真及仿真结果应用过程中通过对仿 真模型的验证、确认、认定以及仿真系统的测试和评估等手段判定针对某一特定目的电 力系统仿真模型是否客观的反映系统实际，以及从预期应用角度准确的表达实际系统的 准确程度的理论和方法的总称【4 】。是通过与系统实际的输出进行比较，来正确认识后验 仿真的准确度和模型、参数的有效性，也就是对仿真产生的误差进行评估。 如何描述电力系统仿真的误差水平，表征仿真的准确程度，是可信度研究首先要解 决的问题。电力系统中广泛安装的w a m s 系统为我们观测实际电力系统的动态提供了 丰富而相对准确的数据。将同一故障下实际系统所测得的响应变量和仿真系统的响应变 量相分析比较，可以获得对仿真准确度的认识。这一过程也是一个误差分析的过程，称 之为电力系统动念仿真误差分析。通过对误差的分析可以获得对仿真准确度的认识。 针对电力系统仿真可信度研究的匮乏，贺仁睦教授在国际上率先提出了动态仿真误 差定量计算的思想，并在这方面进行了探索性的研究。华北电力大学电力系统动态仿真 与控制课题组根据分时分层的研究方法，针对不同时段分别提出仿真误差量化指标，并 根据相似度理论，利用p r o n y 分析结果，相继提出了阻尼相似度、频率相似度和幅值相 似度等误差指标，取得了开创性的进展【1 5 】。 二、误差定位 当经过可信度评估后确认仿真不够准确时，下面要面对的问题就是电力系统动态仿 真误差定位。即当仿真输出与实际系统的输出不一致时，如何才能找到导致仿真失真的 4 华北电力大学硕十学位论文 原因。电力系统包含数量庞大的发电机、各种控制与补偿设备和负荷等元件。它们通过 结构复杂的输配电网络联系在一起，各部分紧密耦合，相互影响。当发现仿真计算不能 重现实际系统的动态行为，可能会有多种模型、参数调整方案能使仿真结果与实测数据 相符合，如何找到符合实际情况的方案，即如何进行正确的误差定位异常困难。 电力系统动态仿真误差定位包含两个部分：一是定位到某个或者某些较小的子网范 围内，二是定位到某个或某些模型、参数上。模型、参数的误差可能由两种情况造成。 一是仿真所用的模型过于简单忽略的因素过多；二是模型中的参数选取存在误差。近年 来，运行部门对电力系统动态仿真准确性越来越重视，很少采用低阶的模型，一般都采 用比较详细的高阶模型。因此，参数的误差将是造成误差的主要因素。 如果能够准确的将误差定位到具体的模型或者参数上，那么再根据一定的修改策略 来改善这些模型和参数的有效性，最后就能够达到提高仿真可信度的目的。 1 2 本文的主要内容 针对上一节仿真验证工作提出的要求，本文结合w a n s 实测数据以及电力系统仿真 软件p s s e ，给出了行之有效的电力系统仿真验证策略及其实现方法。主要工作如下： ( 1 ) 提出了基于w a m s 的电力系统动态仿真验证策略，这是分层、分区电力系统动态 仿真验证构想的实现策略，也从理论基础上解决了电网各元件相互耦合，致使仿 真验证工作难以进行的难题； ( 2 ) 给出了实现电力系统动态仿真验证策略的具体途径基于p s s e 的电力系统混 合仿真，因此也就使得这个策略的工程化实现成为可能，并以i e e e 3 机9 节点系 统和i e e e l 0 机3 9 节点系统为测试系统，验证该方法的正确性； ( 3 ) 利用我国东北电网几次大扰动试验提供的w a m s 实测数据，将电力系统混合仿真 的方法应用于实际电力系统，对内蒙古伊敏电厂设备模型参数的准确性进行验证， 并给出了参数灵敏度的分析方法，为参数的调整提供了有效的依据； ( 4 ) 出于论文需要，文章最后简要介绍了b p a 到p s s e 数据转换内容以及详述了p s s e 仿真软件中励磁系统模型自定义的方法。 华北电力大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章电力系统混合仿真与动态仿真验证策略 本章提出基于w a m s 的电力系统动态仿真验证策略，这是分层、分区电力系统动 态仿真验证构想的实现策略，也从理论基础上解决了电网各元件相互耦合，致使仿真验 证工作难以进行的难题。本章首先介绍电力系统混合仿真的概念，然后详述电力系统动 态仿真验证策略。 2 2 电力系统混合仿真的概念 图2 - l 是一个三区域系统示意图，区域l 到区域2 和区域3 的联络母线f ，j f 上分 别装设了p m u 装置，在系统发生扰动时，它们记录了联络母线处的同步相量数据 v l ( t ) ，q ( f ) ，曰( f ) ，q l ( f ) 和v 2 ( t ) ，幺( f ) ，最( f ) ，q 2 ( f ) ，即母线电压，母线相角，母线注入有功功 率和无功功率。 图2 - 1 三区域系统示意图图2 - 2 移除区域2 和3 对于这样的一个系统，若要知道仿真跟实测是否一致，通常的做法是将这三个区域 作为一个整体系统进行仿真计算，然后比较仿真结果与实测数据，最后得出结论。若现 在要研究区域l ，但不想区域2 和区域3 的模型和参数对区域1 产生影响，这时需要将 区域2 和3 移除，而联络母线f ，上分别以p m u 实测量的注入来代替，然后对区域1 进行仿真，如图2 2 所示。这种仿真与实测相结合的方法称之为混合仿真。此时，对于 区域1 ，无论区域2 和3 是多么复杂的模型，只要边界母线f ，的注入量为 巧( f ) q ( f ) ，p z ( t ) ，q i ( f ) 和圪( f ) ，岛( f ) ，最( f ) ，9 _ 2 ( f ) ，则区域2 和3 完全可以被移去，只保留边 界母线“，对区域l 进行数字仿真，这就实现了将区域l 与区域2 和3 的解耦，由于 6 华北电力人学硕士学位论文 我们采用w a m s 的实际测量值作为区域1 动态仿真的等值注入信号，因此这种等值完 全脱离了模型与参数；从动态仿真的角度来看，这种等值是完全准确的。 就仿真软件而言，电力系统动态特性可以由一组微分代数方程来描述。如式( 2 1 ) 所示： 其中工= ( _ ，石2 ，h ) 是状态变量，y = ( y ly 2 ，y 村) 是代数变量。厂包含n 个方程， g 包含m 个方程。 如果事先知道边界条件代数变量的值( 比如图2 - 1 母线f ，j 处的v l ( t ) ，q ( f ) ，f i ( t ) ，g ( f ) 和v 2 ( t ) ，8 2 ( 0 ，p 2 ( t ) ，q 2 ( f ) ) ，记为y j = y 事( f ) ，那么式子( 2 1 ) 可以重写为： 其中y = ( 乃，y 2 ，咒中儿l ，y m ) ，9 7 是新的代数方程，它比g 少一个代数变量y 。， 因此g 包含m 1 个方程和m 1 个代数变量，便可以求解。对于变化的时问t ，y ，= y 宰( t ) 以t 时刻的值代入方程( 2 2 ) 来表示边界条件的改变。若积分步长为f ，整个积分过程可 以用下面的步骤来表示： 1 、在t 时刻，已知x ( f ) ，y 7 ( f ) ，j ，幸( f ) ，计算微分方程出出= f ( x ，y 7 ，y 幸) ； 2 、计算状态变量的在t l = t + a t 时刻的新值，工( f 1 ) = x ( t ) + 等拳a t ； 口f 3 、根据代数方程0 = g ( x ( ) ，y 7 ，少宰( f ) ) 计算代数变量y 在t ，时刻的值y 7 ( f 1 ) ； 4 、更新积分时间为t 。= t + a t ，更新所有变量为x ( ) ，y 7 ( ) ，y 宰( ) 5 、返回l 重复以上步骤直到仿真结束。 从以上可以看到，实测量y 母( t ) 作为边界条件，它参与仿真过程中每一步积分的计 算。因此，这种方法从理论上讲是完全可行的。 2 3 基于w a m s 的电力系统动态仿真验证策略 电力系统仿真验证的难点在于电力系统区域大，所包含的元件多，不准确的模型及 参数较多，因此当电力系统仿真结果与w a m s 的实际记录不一致时，很难定位究竟是 哪些元件或参数造成了仿真结果与真实动态的差异。另一方面，电力系统自身确实具有 分块、分层的特点。图2 3 将包含2 个电压等级的i e e e 3 机9 节点的标准测试系统【1 6 】 7 0 力，他 = g 出一班忙 ，l 乏q 力脚m = g 出一出忙 华北电力大学硕十学位论文 示意性的分为三个区域。 、， 、7 图2 3i e e e3 机9 节点测试系统 电力系统仿真验证的分层策略正是利用电网是由不同电压等级所组成的特点将电 网分层，在不同层次上进行仿真验证。不同级别的电网所辖的电压等级是不同的，如在 目前的网调计算中，2 2 0 k v 母线以下均作为负荷模型；而在省调计算中，l1 0 k v 以下均 为负荷模型；这样电网就根据不同的电压等级分为不同的层，可以设想，对于以5 0 0 k v 为主网架的网调计算，如果2 2 0 k v 及以下电压等级的所有元件模型及参数都是正确的， 而仿真结果却与p m u 实际记录值不一致，那么一定是5 0 0 k v 的电网中存在不准确的模 型及参数，需要进行修正。同样，对于省调计算而言，如果2 2 0 k v 以上与11 0 k v 以下 所有元件模型及参数都是正确的，而仿真结果却与实际录波相距甚远，那一定是2 2 0 k v 到1 1 0 k v 的网内元件模型及参数不够准确。这就是通过电压的分层来实现仿真验证的解 耦，从而缩小定位引起仿真误差的区间。 观察图2 3 ，电网的分块解耦有两种方法，一是按照元件的解耦，电力系统总是由 发电机系统，变压器，输电线路与负荷所构成，可以设想，如果每一种元件模型及参数 都是正确的，都能够真实反映实际系统的运行状态，那么仿真结果一定是j 下确的。如果 上述四类模型中，有三类模型是正确的，只有一种模型是不准确的，例如变压器、输电 线路与负荷模型都是准确的，那么如果仿真结果与实际值相一致，就证明了发电机系统 模型是准确的；如果不一致，就说明发电机系统模型是有误差的，需要进行校正。这种 按照元件分块的思想还可以进一步细化，比如将发电机系统的模型可进一步细分为发电 机模型及参数，励磁系统模型及参数，调速器模型及参数等，从而进行更细致的误差定 位。 电网分块解耦的另一种方法是按照区域解耦。我国的大区电网具有明显的区域特 性，如东北电网是由蒙西电网，黑龙江电网，吉林电网与辽宁电网组成；各个区域电网 之间通过联络线相联。如果所有的区域电网模型及参数都是准确的，那么整个电网的仿 r 华北电力大学硕十学位论文 真结果与实测值一定是一致的；对于一个聍区域的电网，如果已知其中的伽一1 ) 个区域 电网的模型及参数都是准确的，然而仿真结果却与实测值不一致，则可以将引起仿真误 差的因素缩d , n 剩余的那个区域，在这个区域内进行模型与参数的校正工作。如在图2 3 中，如果区域2 与区域3 的元件模型及参数都是准确的，那么引起仿真误差的原因只能 是区域1 中的元件模型与参数。进一步又可以在区域1 中应用按元件分块的仿真验证策 略，确定引起仿真不准确的元件。这样反复应用电网分块、分层仿真验证策略，就可以 将误差定位区间逐步缩小，直至发现引起仿真误差的真实原因，并进行相应的模型及参 数校正。 从以上分析可以看出，由于电力系统区域广，涉及到的元件多，因此利用电力系统 分层、分块的特点进行解耦就成为进行仿真验证的关键。然而事实上电力系统的动态解 耦是一个非常难的问题，因为当意图将仿真误差定位于某一个区域或某一个元件时，就 需要对该区域或该元件外的所有系统进行电力系统动态等值，由于外系统的动态过程是 随时问演变的，因此将仿真验证的问题转化为对外系统进行动态等值的问题，其难度并 没有降低；而且这种动态等值是建立在现有模型与参数的基础上的，因此现有模型与参 数的不准确将不可避免的导致动态等值模型的错误，仿真验证的工作也就无法进行。 然而w a m s 系统的推广应用使得分块、分层仿真验证的解耦策略真正得以实现。 从仿真验证的角度来看，w a m s 系统有两个很重要的特点：一是w a m s 提供了电网中 p m u 安装点整个动态过程中的同步数据；二是w a m s 的数据是量测值，因此其是独立 于模型与参数的，换而言之，与数字仿真相比，w a m s 提供的是真值。基于这两个特点， 就可以实现基于w a m s 数据的动态解耦。 仍然以图2 2 为例，在母线f ，处注入w a m s 量测值。对该系统进行仿真，此时 任何仿真值与w a m s 量测值之间的差异只能由区域l 内的模型与参数的不准确所引起， 这就将仿真误差定位于区域l 。 图2 - 2 将区域2 和3 移除，注入实测值 依同理，对于电力系统中的特定元件，如发电机，负荷都可以通过母线处等值的 w a m s 注入信号将其从系统中解耦，将仿真误差定位缩小到相应的元件。如果通过调整 模型结构与参数，使解耦后的元件在母线处的数字仿真值都与w a m s 实测值相一致， 则对于这一次仿真验证，这些解耦后的元件模型及参数就不会对系统产生误差。例如如 9 华北电力大学硕十学位论文 果所有负荷节点的模型在w a m s 电压激励输入下，输出的有功与无功都与w a m s 实测 值相一致；在此基础上，对全系统仿真发现仿真值与w a m s 量测值有差异，则此差异 一定是由非负荷模型的其余元件所引起，这就大大缩小了仿真误差的定位范围。值得指 出的是，模型参数空间到仿真结果空间是一个多对一的映射，即不同的模型参数有可能 产生相同的仿真结果，因此某一次仿真验证所获得的与实测值拟合较好的模型未必是真 正正确的模型【1 7 1 8 】，只有在对w a m s 长期所积累数据分析的基础上，不断修正模型与 参数才能逐渐获得准确的模型。 2 4 小结 电力系统仿真验证的解耦策略离不开动态等值，动态等值又离不开w a m s 实测数 据，而将两者结合起来的是电力系统混合仿真方法。本章首先介绍电力系统混合仿真的 概念，从理论上说明该方法的可行性；接着提出了电力系统仿真验证策略，将电力系统 实施分层、分区解耦是一种行之有效的方法。这为电力系统仿真验证工作奠定了理论基 础。 1 0 华北电力大学硕十学位论文 3 1 引言 第三章基于p s s e 的电力系统混合仿真 p s s e 是功能强大的电力系统仿真分析软件，其仿真的规模和强大的功能是其它电 力系统仿真软件所不能比拟的，因此它在全世界受到众多用户的青睐。p s s e 不但提供 了良好的人机交互式计算功能，可以在计算过程中按所研究问题的需要改变计算参数和 网络结构；而且自带i p l a n 和p y t h o n 程序控制语言，可以实现基于仿真结果的二次功 能开发以及控制仿真过程；这都使仿真解耦策略的工程实现成为可能。本章首先介绍混 合仿真在p s s e 中的实现方法，然后以i e e e 3 机9 节点系统以及i e e e l 0 机3 9 节点为 测试系统，验证该实现方法的正确性。 3 2 混合仿真的实现 在第二章中介绍电力系统混合仿真概念的基础上，这一节将具体介绍混合仿真在 p s s e 中的实现方法，也就是动态解耦的实现方法。以一个两区域系统为例，如图3 1 所示。区域1 和区域2 通过母线f 相连，在母线i 上装有p m u 装置，其相应的量测量为 母线电压v ( t ) ，母线相角o ( t ) ，母线有功功率p ( t ) 与母线无功功率q ( t ) 。 y ( f ) ，口( f ) ，尸( f ) ，q ( f ) 图3 1 两区域通过母线f 相连 若要将区域l 和2 解耦，也就是将区域2 进行等值，只留下区域1 和母线i 的边界 条件进行数字仿真，如图3 2 所示。由于母线i 的电压以及向区域2 输送的有功功率和 图3 - 2 区域2 用变导纳进行等值 功功率都是随时间变化的量，那么，如何实现该等值呢? 我们可以用一个变导纳y ( t ) 来 动念等值区域2 ，该变导纳必须满足如下条件： 1 1 华北电力人学硕士学位论文 在母线f 电压v ( t ) 作用下，其吸收的有功和无功功率必须和母线i 的有功p ( t ) 和无功 q ( r ) 保持一致。 该变导纳也可以视为一个变负荷，在电压v ( t ) 下，它始终代表着每一时刻区域2 吸 收的有功功率e ( t ) 和无功功率q ( t ) 。】，( f ) 的求法如下： m ，堋卅诽，= = ( 器沙= 高 一s ( f ) 一一= p ( f ) 一- ，q ( f ) ( 3 1 ) 公式( 3 1 ) 表明，变导纳y ( f ) 是一个随时间改变的量，其大小取决于电压v ( t ) ，有 功p ( t ) 和无功q ( t ) 。只要加在y ( f ) 上的电压是v ( t ) ，那么它消耗的功率必然是p ( t ) 和 q ( t ) 。仿真软件采用的是数值积分的方法对电力系统进行仿真，其内部过程是每一时步 仿真计算一次，而变导纳】，( f ) 的值也是每一时刻( 时刻间隔等于计算步长) 改变一次， 和p s s e 保持一致。这样一来，对于p s s e 的每一步仿真，都可以根据公式( 3 1 ) 改 变y ( f ) 的值来等价p m u 实测值的改变。 对于图3 1 ，基于p s s e 的混合仿真过程可以用图3 3 所示的流程图来表示： 潮流计算 进入动态仿真 iw a m s 实测数据 fd ，、1 ，、，、4 ，、 i v ，蟛u ，口ij 移除区域2 1r 数据预处理f - i 在罩微潴 0 对于注入的时刻值 p s s e 逐次进行计算 母线i 的仿真计算结果 只( f ) ，q ( f ) ，_ ( f ) ，b ( f ) 进行比较分析 图3 3 基于p s s e 的混合仿真流程图 1 2 华北电力人学硕十学位论文 需要注意的几点： ( 1 ) p m u 测量点潮流计算的结果要保证和所用p m u 实测数据的初始值( 稳态值) 一 致，比如对于图3 2 ，母线i 的电压，有功和无功功率的潮流计算结果应该和p l v i u 实测数据的初始值一样。 ( 2 ) p m u 注入的时刻要和仿真的时刻保持一致。比如要仿真计算t 时刻的值，应该拿 实测数据在t 时刻的值作为注入量。 ( 3 ) 流程图中的数据预处理，主要是w a n s 数据与p s s e 仿真数据的异步处理，将在 第四章中介绍。 3 3 算例分析 本节以i e e e 3 机9 节点和i e e e l 0 机3 9 节点两个系统作为测试系统来验证基于 p s s e 混合仿真的正确性。前者验证基于元件解耦的混合仿真的正确性，后者验证基于 区域解耦的混合仿真的正确性。 3 3 1ie e e 3 机9 节点系统算例分析 w a m s 数据将以该测试系统未做任何等值前母线上仿真结果p ( f ) ，q ( f ) ，v ( f ) ，9 ( f ) 来 模拟。虽然这里w a m s 数据用仿真数据来模拟，但是具体的仿真验证方法与采用电网实 测的w a m s 数据无异。验证从三个方面着手：一、等值一个发电机；二、等值发电机以 外的系统；三、等值一个发电机和一个负荷。 一、等值一个发电机 g e n 2 图3 _ 4 将发电机g e n 3 及其丌压变压器川p m u 动态信号等值 如果在发电机3 的高压母线6 上所装设的p m u 记录了母线6 的电压v ( t ) 以及注入 1 3 华北电力人学硕十学位论文 功率p ( f ) ，q ( t ) ，则可以在仿真验证工作中，将发电机g e n 3 与升压变压器移除，以p m u 所记录的动态信号作为母线6 的等值注入信号，如图3 - 4 所示。 以g e m 为参考机，图3 - 5 显示采用图3 4 所示p m u 动态注入信号前后进行数值仿 真所得到的发电机2 的功角，从图中可以看出采用p m u 量测信号代替接于母线6 的所有 元件前后，发电机2 的功角是完全重合的，这意味着将w a m s 信号作为等值动态输入 将系统解耦是完全可行的，同时也说明在移去了发电机3 及其升压变压器的电网中，所 有的元件模型与参数都是正确的。母线处等值前后有功功率、无功功率、电压的比较曲 线见附录1 。附录1 说明母线处等值前后有功、无功、电压曲线也是一致的。 时鲫l 坤o l s 图3 5p m u 等值发电机3 及其变压器前后发电机2 的功角 时问冉0 1 s 图3 石发电机1 存在不准确参数时，p m u 等值发电机3 及其变压器前后发电机2 的功角 然而当数字仿真与实测值不一致时，就说明在经过p m i j 动态注入等值后的电网中， 存在不正确的元件模型与参数，这就将误差定位缩小到了较小的电网中。图3 - 6 显示当 发电机1 的参数不准确时，发电机2 在p m u 动态等值信号注入前后的功角，显然错误的 参数导致了仿真值与实测值的差异；因为接于母线6 的所有元件已被p m u 动态信号所等 值，因此该误差不可能由发电机3 及其升压变压器所引起，这就实现了定位仿真误差的 1 4 华北电力人学硕十学位论文 解耦。 二、等值发电机以外的系统 同样我们可以利用w a m s 量测值来检验发电机g e n 3 的模型与参数是否正确，如果发 电机机端母线3 上装设有p m u 装置，则可将发电机g e n 3 以外的系统移除，在母线3 上 注入p m u 的量测信号p ( f ) ，q ( f ) ，v ( f ) ，如图7 所示： 尸淼g e n 3 卜卜一，、b ) 尸( f ) ，q ( ，) ，y ( f ) 。 图3 7 用p m u 信号等值发电机3 外的整个系统 图3 - 8 显示了w m v l s 信号作为等值动态输入前后，发电机3 的暂态内电势e ，很明 显，采用w a m s 量测信号代替发电机3 以外的整个系统，没有对发电机3 的动态仿真 带来任何误差；同样说明了w a m s 量测信号可以作为系统仿真的输入信号，以实现仿 真验证时大系统的解耦。 图3 8p v l u 等值系统前后发电机3 的暂态内电势 由于发电机3 以外的整个系统均被p m u 信号等值，因此图3 - 7 中母线3 外的任何一 个元件的模型或参数的误差均不会对图3 - 7 的仿真结果产生影响。然而当发电机3 的参 数有误时，仿真值便与实测值产生了差异，如图3 9 所示。显然发电机参数的误差造成 了w a m s 实测数据与仿真结果之间的差异，这使得仿真误差的定位缩小到了发电机系统， 运用同样的解耦策略可以将误差定位进一步缩4 , n 发电机参数，励磁系统参数，调速系 统参数，从而发现引起误差的确定参数，并进行校j 下。在我国接入5 0 0 k v 电网的发电机 机端基本已安装有p m u 装置，目前在2 2 0 k v 电网的电厂中也在推广安装p m u 装置，上面 的例子完全适用于对这些电厂发电机及励磁、调速系统的仿真验证工作。 华北电力人学硕十学位论文 图3 - 9 发电机3 参数有误，p m u 等值系统前后发电机3 的暂态内电势 三、等值发电机和负荷 下面的例子将说明由于有了w a m s 的量测信号，因此在仿真验证工作中可以实现系统 的多端口动态注入等值，也就是说如果系统中多处安装有p m u 装置，则可以用w a m s 量 测信号作为多端口的注入信号，将外网等值，只保留所研究的网络；如果等值后数值仿 真的结果与注入的变量一致，说明保留的电网中元件的模型与参数是准确的，如果等值 后数值仿真的结果与注入的变量不一致，则可以将仿真误差定位于所保留的电网中。图 3 - 1 0 显示将母线8 的支路负荷以及接于母线6 的升压变压器与发电机同时用p m u 量测信 号等值的示意图。在该图中，p m u 信号分别从母线6 与母线8 两个端口同时等值了发电 机元件与负荷元件。 图3 1 0 用p m u 信号等值发电机3 及其升压变压器以及母线8 上的负荷 1 6 华北电力人学硕士学位论文 图3 - 1 l 显示采用p m u 等值前后发电机2 的功角。从图1 1 可以看出，在等值后剩余 的网络中，如果元件模型与参数都是正确的，仿真所的结果与真实值是完全重合的；换 而言之，母线8 上的负荷模型与母线6 上的变压器与发电机模型不会影响图l o 的仿真 结果。如果仿真结果不能与真实值相吻合，那么只能是图1 0 中剩余的元件模型或参数 有误，图3 - 1 2 显示修改发电机2 的参数，使其偏离真值，可以看到仿真曲线随之偏离 了真实值；这个误差显然与母线8 上的负荷与母线6 上变压器及发电机的模型与参数无 关。这再次说明了基于w a m s 信号实现仿真的多端口动态注入，从而达到了仿真解耦的 目的，缩小了仿真验证的误差定位范围。 时阃d m “ 图3 1 1p m u 等值系统前后发电机2 的功角 o” ”i | 盎o ，8 “” 图3 1 2 发电机2 参数有误，p m u 等值系统前后发电机2 的功角 3 3 2i e e e i o 机3 9 节点算例系统分析 i e e e i o 机3 9 节点系统接线图如图3 1 3 所示，图中虚线将该系统分为区域l ( 左侧) 和区域2 ( 右侧) ，它们由图所示的4 条联络线连接。现在要将区域2 等值，剩下区域1 进行仿真，实现两个区域的解耦。 1 7 华北电力大学硕十学位论文 图3 1 3i e e e i o 机3 9 节点系统接线图 这是一个多端动态等值的例子，如果等值后混合仿真的结果与等值前是一致的，说 明区域1 中元件的模型与参数是准确的，反之，说明误差是由区域1 中不准确的模型和 参数引起的，则可以将仿真误差定位区域1 。首先，在未做任何等值前，在区域1 中施 加短路故障，记录边界母线1 4 ，1 7 ，2 5 上仿真结果p ( f ) ，q ( f ) ，v ( f ) ，0 ( f ) 来模拟w a m s 数 据；然后将区域2 等值，如图3 1 4 所示，在边界母线上注入事先记录的数据，在区域l 中施加相同的故障进行混合仿真。 图3 1 4 等值区域2 ，对区域1 进行混合仿真 华北电力人学硕士学位论文 以3 1 号母线发电机为参考机，观测剩余发电机的功角。限于篇幅，图3 1 5 和3 1 6 显示了等值前后3 7 号和3 9 号母线发电机的功角。由图可以看出，如果区域1 中的元件 模型与参数都是正确的，仿真所得的结果与真实值是完全重合的，区域2 的元件模型与 参数不会影响区域1 的仿真结果。 时m 向o l s 图3 1 5 等值前后3 7 号母线发电机功角 时蛔巾o j s 图3 1 6 等值前后3 9 号母线发电机功角 如果仿真结果不能与真实值重合，那么区域1 中的元件模型或参数有误。图3 1 5 显示修改发电机3 0 ，3 2 ，3 7 ，3 9 参数，使其偏离真值，可以看到3 7 号母线发电机的功 角曲线也偏离了真值，这个误差显然与区域2 中元件模型与参数无关。 1 9 华北电力人学硕士学位论文 3 4 小结 时阃册o l l 图3 1 7 区域1 参数有误，等值前后3 7 号母线发电机功角 本章首先介绍基于p s s e 的电力系统混合仿真实现方法，即基于w a m s 实测数据 的电力系统动态等值在p s s e 中的实现方法。接着以i e e e 3 机9 节点和i e e e l 0 机3 9 节点系统为测试系统，从不同角度验证混合仿真方法的正确性。结果表明，在p s s e 中 用p m u 实测信号对系统进行动态等值是完全可行的，它不仅能实现基于元件的解耦， 也能实现基于区域的解耦。 华北电力人学硕士学位论文 4 1 前言 第四章混合仿真在实际电力系统中的应用 东北电网是我国