PAST动态仿真.pdf

中国电机工程学会第十届青年学术会议 吉林 1 PSAT 在动态仿真中的应用 黄桥林 刘建 安军 东北电力大学电气工程学院 吉林省 吉林市 132012 摘要摘要 PSAT Power System Analysis Toolbox 是一个基于 MATLAB 可以移植并且公开化的电力系统分析软件包 本文首先详 细地介绍了PSAT的功能和建模 然后将PSAT用于分析暂态稳定问题 将计算结果与商业软件电力系统综合仿真程序PSASP 做了对比分析 提出了差异指标 验证了该软件包的计算结果具有较好的有效性 最后对 PSAT 的性能作了评价 另外指出 了需要完善的功能模块 1 引言 为保证电力系统持续 安全 可靠 经济运行 又考虑到现场试验难度性较高 计算机在线及离线的仿 真已成为电力系统分析的重要手段 所以数值仿真软件是电力系统工作人员以及科研人员不可或缺的研究 工具 目前市场上的计算仿真软件有很多 比如国外的EUROSTAG PSS E ATP EMTP BPA和国内电科 院开发的综合电力系统仿真软件PSASP等 这些软件都已经过验证 效率高 准确性好 但由于它们大部 分是商业化软件 价格较高 而且源代码不公开 对教育和研究工作有一定的局限性 针对这些问题 本文研究介绍的PSAT是基于MATLAB而研发的一种用于分析和设计中小型电力系统 的软件 PSAT是由意大利学者Milano研制开发并且依旧在完善中的电力系统分析工具箱 PSAT在网络上 是免费分享的 且源代码公开 至今 它已经在超过五十个国家采用 目前 PSAT在国内的使用以及功 能开发方面尚属于起步阶段 有待于进一步研究使用 本文采用单机无穷大 SIMB 系统 新英格兰10 机39节点系统的算例 介绍了PSAT在动态仿真中的应用 并将计算结果同与商业化软件PSASP比较分析 验证了该软件包的计算结果具有较好的有效性 1 2 PSAT 仿真软件介绍 PSAT 是一个基于 MATLAB 的软件包 它也可以在 GNU Octave 平台上运行 PSAT 作为电力系统分 析软件 具有比较丰富的功能 包括潮流计算 连续潮流 最优潮流 测量单元 PMU 配置 小信号稳定 性分析和时域仿真等 2 3 这个工具箱提供了一个完整的图形交互界面和一个建立在 Simulink 上的网络编 辑器 相关模型和计算方法可参阅文献 2 3 同时 PSAT 提供了大量的工具 例如一系列数据格式转换功 能 DFC DFC 功能允许在电力系统常用的数据文件格式之间进行相互转换 包括 IEEE EPRI PTI PSAP PSS E CYME Mat Power 和 PST 格式 PSAT有两种建模方法 一是直接在 m文件里输入数据 另一种就是Simulink Library里建立网络模型 它会在计算后生成 m文件 这两种模型各有优缺点 前者有利于数据的输入 输入数据全面 但不直观 后者则相对直观 笔者提倡使用前者 这是由于PSAT程序的读取是按照 m 文件数据为依据的 PSAT在 Stimulink 建模中提供了丰富的静态 动态模型库 例如潮流模型 电机模型 控制器模型 故障模型 测量元件模型 负载模型等 这些丰富的模型库有助于学习和理论研究 同时PSAT还提供了用户自定义模 型编辑工具 UDMS 用户可以根据自己的需要使用用户自定义模型编辑工具来自定义或卸载模型 PSAT 的核心是潮流算法 它设计状态变量的初始化 一旦潮流计算完毕 用户就可以进行更加深入 的静态或动态分析 连续潮流 最优潮流 小信号稳定性分析 时域仿真 3 PSAT 在动态仿真中的应用 中国电机工程学会第十届青年学术会议 吉林 2 为了更好研究PSAT暂态稳定计算结果 本文将其通过对单机无穷大 SIMB 系统 新英格兰10机39 节点系统的三相短路故障进行研究 并将结果同中国电力科学研究院推出的电力系统综合仿真程序PSASP Power System Analysis Software Package 的仿真结果进行比较分析 得出PSAT与商业软件的偏差精度 3 1 单机无穷大 SIMB 系统 如图所示这是一个单机无穷大算例 Bus4为无穷大母线 用一发电机等效 母线3发生三相短路故障 故障时刻设为1s 切除故障时刻设为1 05s 本文仅采用经典2阶模型和用于描述隐极机转子阻尼绕组作用 的6阶模型 图 2 单机无穷大接线图 Fig 2 Schematic diagram of single machine infinite bus system 系统参数如下 G1 SN 0 005MVA f 50HZ P 0 001828MW Q 0 000934Mvar U 1 0806 Xd 1 92 d X 0 127 d X 0 0666 Xq 1 92 q X 0 254 q X 0 0602 TJ 10 0s 0d T 2 84 0d T 0 0488 0q T 0 44 0q T 0 0488 D 0 05s G2 SN 9999 MVA Xd d X 0 01 TJ 9999s D 0 变压器T RT 0 3795ohm XT 1 5755ohm TK 1 输电线L RL1 2 355 ohm XL1 56 3 ohm RL2 2 5842 ohm XL2 40 218 ohm 上述系统参数中 未注明单位的均为标幺值 其中 B S 1 MVA B t 1 314s 本文定义两种偏差 绝 对偏差和相对偏差 绝对偏差 a b 相对偏差 100 ab a 其中a表示 PSAT 数据 b表示 PSASP 数据 经计算可以得到相对偏差最大为 2 53 最大绝对偏差为 1 049 度 通过图形和具体的量化计算二者 都有很高的吻合度 比较图 3 图 4 可见 PSAT 和 PSASP 时域仿真结果十分接近 微小的偏差是由于两个程序模型中关于 发电机饱和模拟方法不同 阻尼系数 D 也有所差别 图3 发电机2阶模型G1的功角响应 图4 发电机6阶模型G1的功角响应 Fig 3 The power angle of Order II Fig 4 The power angle of Order VI of generator G1 of generator G1 0100200300400500 18 19 20 21 22 23 24 time 10 ms d e lta d e g PSASP PSAT 0100200300400500 38 40 42 44 46 48 50 time 10 ms d e lta d e g PSAT PSASP 中国电机工程学会第十届青年学术会议 吉林 3 3 2新英格兰10机39节点系统 本节采用的新英格兰10 机39 节点系统 4 接线图是PSASP仿真软件自带的算例 我们把发电机 网络 数据从PASAP数据库中读取出来 写入 m文件 并在Simulink上的网络编辑器中做出如图的网络图 将数 据植入 使数据的统一 这给结果的比较做好了基本的铺垫 在动态仿真中 所有的模型采用发电机经典2 阶模型 不考虑自动励磁调节器 AVR 的影响 假设在 1s 时 线路 1 的首端 即母线 1 上发生三相短路故障 然后在 1 03s 时切除故障 本文通过对各发电 机无阻尼 有阻尼的情况下进行动态仿真 取第十台发电机为参考 对各台发电机的功角响应在两个程序 中的仿真结果比较分析 图5 新英格兰10 机39节点系统接线图 Fig 5 Schematic diagram of New England 10 machines and 39 buses system 1 无阻尼时域仿真对比 图 6 是无阻尼条件下两软件发电机功角的比较 可以看到在不考虑阻尼时候 两者的图像几乎完全重 合 最大绝对偏差仅为 0 0415 度 而且其他发电机以及其他模型都有类似的情况 不再一一展示 02004006008001000 20 10 0 10 20 30 time 10 ms delta deg PSASP PSAT 图6 无阻尼条件下发电机G1的功角响应 Fig 6The power angle of generator G1 under Non Damping 2 有阻尼时域仿真对比 由于发电机台数为十台 本文以前九台对第十台发电机的相对功角为比较量 在比较 PSAT 时域仿真 中国电机工程学会第十届青年学术会议 吉林 4 和 PSASP 的差别时 由于篇幅所限 这里仅仅是列出差别较大的第一台和第六台发电机 其他发电机在 列表中描述出其最大绝对偏差和相对偏差 图7 有阻尼条件下发电机G1的功角响应 图8 有阻尼条件下发电机G6的功角响应 Fig 7 The power angle of generator G1 Fig 8 The power angle of generator G6 under Damping under Damping 表表1 两程序中功角偏差指标两程序中功角偏差指标 Table 1 Table1 Error of power angle between psat and psasp 图 10 发电机 G6 功角相对偏差 Fig 10 The relative error of power angle of generator G6 3 3 小结 通过对以上单机无穷大 SIMB 系统 新英格兰 10 机39节点系统的三相短路故障在PSAT和商业软件PSASP 中的比较分析可知 1 计算结果方面 通过和 PSASP 比较 通过图形比较并且计算绝对偏差和相对偏差 差别都很小 可 以发现结果一致性较好 差别基本上是由于 PSAT 与 PSASP 的基本模型有细微的差别所引起的 比如 PSAT 考虑了饱和因素 2 计算速度方面 通过和PSASP比较 差别比较大 PSAT计算时间明显高于PSASP 在新英格兰10 机39节点系统的仿真中 PSAT 5秒的动态仿真计算要用大约十秒的时间 而PSASP不到一秒 3 模型和功能的多样性有待于进一步提高 结果显示 电力系统分析工具包 PSAT 的计算结果具有良 好的有效性 而且 PSAT 的源代码开放 使用灵活方便 良好的自定义功能 突破了传统商业化软件中由 于研究的复杂性而显出的适用性差的问题 能够为电力系统研究工作的灵活进行提供有效帮助 但是 PSAT 目前还不够完善 某些功能还未完成 比如还不能计算不对称故障 所以在应用中有一定的局限性 由此 需要完善的工作可以有以下几点 1 完善功能和模型库 发电 机号 最大绝对偏差 度 最大相对偏差 1 0 4601 6 56 2 0 5312 1 80 3 0 5451 2 04 4 0 6657 2 79 5 0 7777 2 15 6 0 6694 3 83 7 0 6847 2 89 8 0 532 1 79 9 0 517 1 64 02004006008001000 5 5 6 6 5 7 7 5 8 8 5 9 9 5 time 10 ms delta deg PSASP PSAT 02004006008001000 4 3 2 1 0 1 time 10 ms 0100200300400500 38 40 42 44 46 48 50 time 10 ms delta deg PSAT PSASP 中国电机工程学会第十届青年学术会议 吉林 5 2 优化程序 提高计算速度 3 建立和商业软件的接口 以便于进一步开发使用 4 结束语 本文首先介绍了 PSAT 丰富的功能 其次简单描述了 PSAT 的模型库 最后 本文时域仿真为重点研 究对象 利用仿真计算从不同角度与商业化软件 PSASP 进行了比较 得出 PSAT 具有良好的性能 虽然 PSAT 存在一些不足之处 但其深入地开发了 MATLAB 的矢量运算和稀疏矩阵功能并以此来实 现对性能的优化 在现在可用的基于 MATLAB 的电力系统的分析软件中 PSAT 提供了一套针对静态和动 态数据分析的最完整的算法 2 不能不说是它我们学习和理论研究一个好的软件 它可以和商业软件配合 使用 在一定程度上弥补了一些商业软件实现某种新方法新算法的局限性 5 参考文献 1 常勇 徐政 王超 基于Matlab 的电力系统分析工具包PSAT 及其有效性检验 电力自动化设备 第27卷第7期 2007 2 Federico Milano An Open Source Power System Analysis Tool box J IEEE Trans on Power Systems 200