电力系统报告使用PSSE进行电力系统分析之研究.docx

東 南 科 技 大 學 電機工程系實務專題報告使用psse進行電力系統分析之研究 學生：王小康 指導教授：汪以仁 博士中華民國103年7月66摘 要 為了進一步了解電力系統實際的運作各種情形，比如運轉時電力系統上電壓、電流、功率以及相角的變化，以判定系統是否於安全穩定的運轉。使用pss/e軟體進行對電力系統的仿真，從而對電力系統運行狀況進行分析。由於psse的強大模擬與仿真的能力。所以本專題主要藉助使用psse對電力系統的負載潮流，暫態穩定度以及臨界清除時間等一系列問題的模擬與研究，期望能夠對電力系統以及psse有更深入瞭解。1.負載潮流分析：介紹潮流計算的基本方法，比較負載潮流計算兩種基本方法的優缺點。2.暫態穩定度分析：簡介暫態穩定度分析，使用psse的模擬來觀測暫態響應波形，以判定系統暫態響應是否穩定。3.臨界清除時間：為了瞭解暫態穩定度的程度，使用psse的iplan程式自動計算出各個故障點之臨界時間，利用臨界清除時間估計該點暫態穩定度強度。在使用psse對電力系解電力系統運轉時各個匯流排與主要設備的運轉情況，以了解系統的安全餘裕度，同時藉由故障模擬以了解系統之暫態穩定度，及計算臨界清除時間來評估暫態穩定度強度。關鍵詞：psse軟體 負載潮流 暫態穩定度分析 臨界清除時間東南科技大學 電機工程系專題製作評審老師審定書 王小康 君所提之 專題報告 使用psse進行電力系統分析之研究 經審議後，認為符合專題製作標準專題製作審定老師 中華民國 103 年 7 月誌 謝 首先由衷感謝指導教授汪以仁教授，在四個月以來的諄諄教誨與耐心指導，大大提高我的專業知識能力和處事解決問題的能力，讓我順利完成專題研究，在此表達對老師的崇高敬意。 此外還要感謝汪以仁教授對本專題論文的指導和修正意見，讓我的論文日臻完善。 另外我還要感謝汪以仁教授的友情支持，在四個的相處中，讓我的學習和思考能力有了很大的進步，使得我有了更高的境界提升。 最後我還要感謝我的父母，在我背後的支持，讓我在東南科技大學求學期間免去了後顧之憂。同時我還得感謝母校能夠選擇我來到了東南科技大學，使我的人生有了質的轉變。 由於本人資歷較淺，論文尚有瑕疵，歡迎大家指正。 王小康 謹誌 中華民國103年七月 於 新北市東南科技大學目 錄第一章：簡介1 1.1電力系統1 1.2 psse介紹2 1.3本文大綱3第二章：ieee39 匯流排系統介紹5 2.1簡介5 2.2 數據說明15第三章：電力潮流求解18 3.1簡介18 3.2電力潮流分析方法 18 3.2.1高斯-賽德疊代法 18 3.2.2牛頓-拉福森疊代法 21 3.3如何應用psse求解電力潮流24 3.3.1電力潮流求解流程 24 3.3.2 高斯-賽德疊代法在psse模擬過程26 3.3.3牛頓-拉福森疊代法在psse模擬過程27 3.3.4由計算機軟體psse的潮流分析報告 29第四章：暫態穩定度分析37 4.1簡介.37 4.2 故障模擬37第五章：臨界清除時間48 5.1簡介48 5.2尋找臨界清除時間原理.48 5.3通過iplan程式計算出臨界清除時間49 5.3.1自動量測程式流程圖49 5.3.2 iplan程式語言50 5.4結果53 5.4.1 psse模擬出39個bus分別故障時的臨界 清除時間 53 5.4.2 psse模擬過程中的記錄 54第六章：結論與未來展望62參考文獻63簡歷64第一章 簡 介 電是工業，家庭，商業與運輸業中重要的能源之一。在特定場合，有時候它也是不可或缺的能源。因此電力系統顯示了其獨有的重要性，電力系統無論在國民經濟還是在日常生活中，都是極其重要的，有著很大的前景。1.1電力系統1一般說來，電力系統包含電力來源（發電廠或發電機），終端用戶（負載），以及與用戶之輸電與配電網路。1. 發電廠：由化石燃料或核燃料以及水位落差以及風能之類的可再生資源所獲得能量轉換為電能。2. 輸電線路：電力系統中連接發電機和用戶的中間環節。由各種 電壓等級的變電器站和輸電線路組成，按功能分為輸電網和配電網。電力系統中的輸送設備，通常採用三相三線制的交流輸電方式。3. 終端用戶（負載）： 電力系統的負載分為工業，商業及住宅。非常大的工業負載由高壓輸電系統供電，大工業負載由次高壓輸電網路供電，小的工業負載由一次配電網路供電。工業負載為複合型負載，其中感應馬達占了很高的比例。商業及住宅負載大半由照明加熱及冷卻所組成，其消耗之 功率微乎其微。負載之大小與一天中隨時在變化，而電力亦應待命，以供應用戶需要。電力事業的日負載曲線，24小時期間之最大值為尖峰（peak）負載。 在三相交流系統中，作為電源供電的發電機的三相繞組通常採用y形連接方式，從中性點引出中性線，就形成三相四線制系統。當發電機的三相繞組採用y形連接方式，不引出中性線，就形成三相三線制。一般家庭用電都採用三相四線的配電。為了減小損耗，一般採用高壓遠距離輸電的方式1.2 psse 介紹psse是由美國pti推出的電力系統仿真計算軟體。在全球電力行業應用最廣泛的電力系統分析軟體之一且公信力較高。2 3psse的有以下功能（只列出部分）21. 潮流計算（power flow）2. 暫態及動態穩定（transient and dynamic stability）3. 負荷建模（load modeling）4. 損耗評價（loss evaluation）5. 繼電保護（relay protection）psse程式最大處理容量為50,000個匯流排，10,000個發電機匯流排，12,000部發電機機組，100,000條輸電線，變壓器20,000個，20條直流輸電線。3同時psse具有以下其他同類軟體不具有的優點21. 仿真規模大，利於超大規模系統計算2. 靈活的模型自定義，適用暫態與“長時程”動態計算3. 用戶根據需要隨時更改仿真計算的變量隨著智慧電網和特高壓建設步伐的深入，電網規模越來越大。中國大陸 “三華”電網互聯後將成為世界上最大的區域互聯電網。這樣大而複雜的網路進行模擬分析， psse是首選的模擬軟體，同時psse對提升大電網的安全穩定分析和決策水準具有重要的意義。1.3本文大綱 本專題主要研究psse在電力系統中的應用，內容大綱如下：第一章 主要是對電力系統，psse的簡介。第二章 主要是ieee39bus的簡介，對輸入psse的數據進行簡單說明。第三章 對負載潮流求解進行簡介，介紹負載潮流計算的兩種方法以及應用psse進行負載潮流的分析。第四章 對暫態穩定度進行簡介，使用psse進行故障的模擬，畫出故障模擬時的圖形。第五章 對臨界清除時間進行簡介，說明二分搜尋法的原理，使用iplan程式尋找臨界清除時間。使用psse模擬求出39個bus各個匯流排故障時的臨界清除時間，為了驗證所計算之臨界清除時間為正確值，將針對臨界值及大於臨界值之故障狀況進行模擬分析並進行數據的比較與說明。第六章 主要是結論與未來展望。最後為參考文獻以及簡歷。第二章:ieee39匯流排系統介紹2.1簡介ieee39匯流排系統包括10台發電機，39個匯流排，12個變壓器，34條線路，這個系統代表了美國新英格蘭州的一個345kv的電力網路，其中39號匯流排是一個等效發電機，代表了系統與加拿大部分電力網路相連的部分，慣性時間常數很大，一般在42s內。系統基準功率100mkv,基準電壓為345kv。我們以ieee39匯流排 10台發 電機測試系統的單線圖為例（如圖2-1）進行說明，同時說明說明各輸入數據的含義，圖2-1為依據ieee39匯流排數據使用pss/e繪製輸電線功能所繪製。而ieee 39匯流排系統相關數據如表2-12-5所示，其中表2-1為匯流排（bus）數據，表2-2為負載（load）數據，表2-3為發電機（generator）數據，表2-4為無變壓器（non-trans -former）輸電線數據，表2-5為具變壓器（transformer）輸電線數據。 圖2-1：ieee39 匯流排 10台發電機測試系統表2-1：匯流排（bus）數據i namebaskvideareazoneowervmva1bus122.831110.982000.00002bus234521111.03-9.550163bus322.821110.983103.201744bus422.821111.01234.616645bus522.821110.997205.572176bus622.821111.04936.626547bus722.821111.063509.469588bus822.821111.022783.165379bus922.821111.026509.0465410bus1022.821111.0475-2.4759711bus1134511111.03829-7.797112bus1234511111.0231-4.8948713bus1334511110.99576-8.0775914bus1434511110.95894-9.353115bus1534511110.95660-8.2947116bus1634511110.95688-7.5692517bus1734511110.95140-9.97418bus1834511110.95276-10.501719bus1934511111.01028-9.9205420bus2034511110.95988-4.7131421bus2134511110.99046-2.9802422bus2234511111.01551.624323bus2334511111.013441.3484124bus2434511110.98179-5.4595525bus2534511111.02088-3.6891826bus2634511111.01822-4.7632127bus2734511111.00150-6.9255428bus2834511111.02204-0.9590629bus2934511111.021431.9558830bus3034511110.98832-0.6251531bus3134511110.95760-5.6931632bus326911110.93795-5.6871333bus3334511110.95912-5.4734234bus3434511110.96168-7.2076735bus3534511110.96683-7.3247536bus3634511110.98196-5.5595637bus3734511110.99086-6.7343738bus3834511110.99197-7.7143739bus3934511110.987700.34648 表2-2：負載（load）數據iidstatusareazoneplqlipiqypyqower111119.24.600001211111104250000011311113222.40000114111150018400001171111233.884000011811115221760000121111127411500001231111274.784.6600001241111308.692.20000125111122447.200001261111139170000127111128175.50000128111120627.600001291111283.526.900001301111628103000013211117.5880000135111132015300001361111329.432.3000013811111583000001 表2-3:發電機（generator）數據iidpgqgqtqbvsiregmbasezrzxrtxtgtapstatrmpctptpbo1f111504.509136.036378.3818010522.527600.295111009999-99991211000195.7467500101018.97800.02111009999-9999131650159.104487.5010669.189100.2495111009999-9999141508.000158.151381010532.048600.33111009999-9999151632.00095.582474010639.186900.262111009999-9999161650276.414487.5010706.331900.254111009999-9999171560235.485420010607.497500.295111009999-9999181540630.19405010829.903300.29111009999-999919183084.79622.5010834.319700.2106111009999-99991101250146.483187.5010289.753800.2111009999-99991 表2-4：無變壓器（non-transformer）輸電線數據ijcktrxbratearatebratecgibigjbjstmetleno1f1372710.00130.01730.3216100011373810.00070.00820.1317100011362410.00030.00590.068100011362110.00080.01350.2548100011363910.00160.01950.304100011363710.000070.00890.1342100011353610.00090.00940.171100011343510.00180.02170.366100011333410.00090.01010.1723100011282910.00140.01510.249100011262910.00570.06251.029100011262810.00430.04740.7802100011262710.00140.01470.2396100011252610.00320.00320.513100011232410.00220.0350.361100011222310.00060.00960.1846100011212210.00080.01350.2548100011203310.00040.00430.0729100011203110.00040.00430.072910001119210.0010.0251.2100011181910.00230.03630.3804100011171810.00040.00460.078100011163110.00070.00820.1389100011161710.00060.00920.113100011151810.00080.01120.1476100011151610.00020.00260.0434100011143410.00080.01290.1382100011141510.00080.01280.1342100011133810.00110.01330.2138100011131410.00130.02130.2214100011122510.0070.00860.146100011121310.00130.01510.2572100011111210.00350.04110.698710001111210.0010.0250.75100011 表2-5：具變壓器（transfomer）輸電線數值ijkcktcwczcmmag1mag2nmetrnamestato1f1o2f2o3f3o4f4r1-2x1-2sbase1-2windv1nomv1ang1rata1ratb1ratc1cod1cont1rma1rmi1vma1vmi1ntp1tab1cr1cx1wind2nomv2393001 111110.00070.0138500 39501 111110.00070.0142500 323301 111110.00160.0435500 323101 111110.00160.0435500 30401 111110.00090.018500 29901 111110.00080.0156500 25801 111110.00060.0232500 23701 111110.00050.0272500 22601 1111100.0143500 20301 1111100.02500 16101 1111100.025500 121001 1111100.0181500 2.2數據說明 通過輸入上述資料，利用電腦軟體psse可以進行負載潮流解，靜態安全分析，短路電流計算以及動態穩定度分析。以下是對所輸入數據符號進行說明。2i：匯流排編號 name: 匯流排i的名稱 baskv:匯流排基準電壓ide: 匯流排類型編號，1:負載匯流排；2:發電機匯流排；3:swing匯流排；4:隔離匯流排 area：區域編號 zone:地區編號vm: 匯流排電壓幅值 va: 匯流排電壓相角status: 設備運行的狀態，運行為1，停運為0.pl:恆定mva負荷的有功部分 ql:恆定mva負荷的虛功部分ip:恆定電流負荷的有功部分 iq:恆定電流負荷的虛功部分yp:恆定導納負荷的有功部分 yq:恆定導納負荷的虛功部分mbase:這個發電機所代表的總基準容量zr,zx:發電機的複數阻抗 rt,xt:升壓變壓器的阻抗gtap：升壓變壓器的非標準變化，預設為1rmpct:為保持匯流排ireg的電壓而由匯流排”i”提供的虛功出力和為保持匯流排ireg的電壓所需要的總虛功出力的比。pt:最大的發電機有功出力 pb:最小的發電機有功出力oi：產權所有者編號 fi：所有者oi所佔的比例i:支路始端匯流排編號 j支路末端匯流排編號ckt:兩個大寫字母與數字混合編排的支路迴路標識符r:支路電阻 x:整個支路的充電電導ratea, rateb, ratec:分別為第一個，第二個，第三個的電流額定值。gi,bi:在匯流排”i”一端上的並聯支路的複數導納gj,bj:在匯流排”j”一端上的並聯支路的複數導納st:支路的起始狀態,運行狀態為1，停運為0.len:線路長度cw:繞組代碼i/o.定義了windv1，windv,2，windv3的輸入形式cz:阻抗資料i/o代碼。定義了rx1-2，x1-2的輸入形式cm:勵磁導納代碼。定義了mag1和mag2的輸入形式mag1，mag2：cm=1時，以系統值為基準的勵磁電導和導納cm=2時，mag1是空載損耗，mag2是以第一組到第二組基準和額定電壓為基準的勵磁電流nmetr:不被測量的一端的編號r1-2，x1-2：第一繞組和第二繞組之間的測量阻抗abase1-2：變壓器的第一繞組和第二繞組基準mvawindow1：cw=1時，它是以第一繞組匯流排基準電壓為基準的第一繞組非標準比：預設為1.cw=2時，第一繞組的實際電壓預設等於匯流“i”的基準電壓nomv1：預設為0表示認為第一繞組的額定電壓等於匯流排”i”的基準電壓ang1:第一繞組的相移角rata1，ratb1，ratc1：第一繞組的三個額定功率cod:潮流計算中變壓器第一繞組分接頭或相移角自動控制 模式代碼cont1：此變壓器的變比調節所控制的那個電壓所在匯流排的編號rma,rmi,vma,vmi:均為預設值ntp: 分接頭的位置 tab: 阻抗修正表的編號cr,cx: 對於電壓控制變壓器的以系統基準值為基準的負荷降落補償阻抗windv2：預設值，等於匯流排“j”的基準電壓nomv2： 預設為0表示認為第一繞組的額定電壓等於匯流排”j”的基準電壓第三章 電力潮流求解 3.1 簡 介 電力潮流分析是電力系統的一種基本運算。其目的在於求取電力系統在給定運行條件下的節點電壓以及功率分佈 ，檢查各元件是否過負載和各點電壓是否滿足要求，功率分佈和分配是否合理以及功率損耗等。對於電力潮流分析，主要有高斯-賽德（gauss-seidel）疊代法，以及牛頓-拉福森（newton-raphson,n-r）疊代法。3.2電力潮流分析方法 3.2.1.高斯-賽德（gauss-seidel）疊代法1 若已知v1,s2 ,s3sn 求解s1,v2,v3vn。其中s為視在功率，v為電壓。而其功率可使用下列形式表示（式3） (3-1) (3-2) 取式3的共軛複數，則有（式3-3） (3-3) 將（3-3）式除以vi*，並分離出yii，可得（式3-4） (3-4)求vi 則有（式3-5） (3-5)因此，我們以vi 表示n-1個隱含非線性代數式，其形式如下（3-6）: v2=h2v2 ,v3vn v3=h3v2 ,v3vn (3-6)vn=hnv2 ,v3vn以向量符號表示,x=hx (3-7)我們以疊代求解式(3-7)：x(v+1)=hx(v) (3-8)這樣的方法稱為高斯疊代法。當求解x2(v+1)時，我們已知x1(v+1) 是比x1(v) 更好的預測值，求解x3(v+1) 可以利用x1(v+1) 和x2(v+1) 。這樣的推論得到的修正是高斯賽德疊代在xi=hi（x1，x2 ， .xn ）中，v=0,1,2. x1(v+1)=h1（x1(v)，x2(v)，. xn(v)） x2(v+1)=h2（x1(v+1)，x2(v)，. xn(v)） x3(v+1)=h3（x1(v+1)，x2(v+2)，. xn(v)） ： xn(v+1)=hn（x1(v+1)，x2(v+1)，. xn(v)）用高斯-賽德疊代法解x+sinx-2=0，初值x=0.容許誤差0.00001 由題目可知： x=2-sinx (3-9)假設x(0) =0代入(3-9)式 x(1) =2-sin0 =2； x(2) =2-sinx1 =2-sin2=1.09； 對以上步驟重複計算，可得以下結果（如表3-1） 表3-1：多次高斯-賽德疊代計算結果疊代次數x001221.0931.11341.10351.107561.105471.1063481.1059391.10612101.10603111.10607121.10606131.10606由上述的結果可知：由於疊代12與疊代13次的結果小於容許誤差0.00001。所以x的近似解為1.10606。3.2.2牛頓-拉福森（newton-raphson,n-r）疊代法:1 對於一個方程fx+x=0；我們可以用泰勒級數將其展開：f（x+x）=f(x)+df(x)dxx+12d2f(x)dx2x2+=0;忽略高階項，我們可以得到以下近似方程：f(x)+df(x)dxx=0即x=-f（x）df(x)dx 由此我們可以得到疊代的一般公式：x(v+1)=x(v)-f（x(v)）df(x(v)dx(v)；現以牛頓-拉福森疊代法求解 x2-120=0的近似解為例容許誤差範圍是0.001 令fx=x2-120 初值x(0)=10；則fx=2x； x(1)=x(0)-f（x(v)）f（x(v)）=10 - -2020=11；重複以上計算過程，我們可以得到以下結果（表3-2）：表3-2：多次牛頓-拉福森疊代計算疊代次數x010111210.914310.954410.954由以上計算結果可知，在疊代3次，疊代4次值小於容許誤差，所以x=10.954是x2-120=0的一個近似解。 現以牛頓-拉福森疊代法求解出x+sinx-2=0，初值x(0)=0.容許誤差為0.00001令fx=x+sinx-2 則fx=1+cosxx(1)=x(0)-f（x(0)）f（x(0)）=0-0+sin0-21+cos0=1 x(2)=x(1)-f（x(1)）f（x(1)）=0-1+sin1-21+cos1=1.102921 ：表3-3：多次牛頓-拉福森疊代得出的結果疊代次數x1121.10292131.10605741.1060651.10606由上述計算結果可知，當疊代4次和疊代5次時的值是誤差小於容許誤差，因此x=1.10606是x+sinx-2=0的近似值。通過對x+sinx-2=0 用兩種不同的方法求解近似值，我們發現牛頓-拉福森疊代法的疊代次數比高斯賽德疊代法疊代次數少，更快速找到結果。 對於有n個方程式，我們作如下處理：1 f1x+x=f1x+f1(x)x1x1+f1xxnxn ； f2x+x=f2x+f2(x)x1x1+f2xxnxn ； ： fnx+x=fnx+fn(x)x1x1+fnxxnxn ；對於以上結果我們可以用矩陣進行簡化表示： f1x+xf2x+xfnx+x=f1xf2xfnx+f1(x)x1f1xxnfn(x)x1fnxxn x1x2xn fx+x=fx+jxx 其中jx=f1(x)x1f1xxnfn(x)x1fnxxn，x=x1x2xn ；從上述我們可以得到更一般化的nr疊代公式x(v+1)=x(v)+jx(v)-1fx(v)；3.3如何應用psse求解電力潮流3啟動psse選擇解法器讀入數據資料檔3.3.1現在以ieee 39bus為例，電力潮流求解流程(如圖3-1)圖3-1：負載潮流求解流程圖1.選擇菜單欄上的power flower solve選項（如圖3-2） 圖3-2: power flower的選擇2.牛頓-拉福森選項（如圖3-3）。3.高斯-賽德選項（如圖3-4） 圖3-4：高斯-賽德選項 圖3-3：牛頓-拉福森選項 圖3-5：查看潮流計算結果4.查看潮流計算結果（如圖3-5） 圖3-6：ieee39 bus 10台發電機測試系統潮流數據的走向以及百分比3.3.2高斯-賽德（gauss-seidel）疊代法在psse模擬過程：sieme