电力系统仿真的发展.doc

电力系统仿真的发展电力系统数字仿真就是根据电力系统的实际物理过程建立相应的数学模型，来研究电力系统在规定时间内的工作行为和特征。因此原始物理系统和数学模型之间有着密切的联系。可以按照不同的标准对系统仿真进行分类。按原始系统状态变化的时间过程分为连续系统仿真和离散系统仿真；按仿真所采用的数据来源可分为在线仿真和离线仿真；按实际电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系可分为实时仿真和非实时仿真；按仿真模型可分为物理仿真和数字仿真。而数字仿真又分为离线数字仿真和实时数字仿真一、离线数字仿真电力系统离线数字仿真是对电力系统的物理过程建立详细的数学模型，然后基于此数学模型所实现的软件系统，它可以模拟实现电力系统的物理过程；在计算时间上可以比较长。电力系统离线数字仿真根据动态过程的快慢及研究问题的时间长短主要分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期数字仿真。1.电磁暂态过程仿真电磁暂态过程仿真主要是对故障或是扰动后系统的快速暂态过程进行分析。电磁暂态过程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) 的非线性特性。因此, 电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数或微分、偏微分方程。电磁暂态仿真程序一般都基于Dommel算法，通过采用隐式梯形积分法或阻尼梯形积分法将描述电力系统的微分方程、偏微分方程化为差分方程。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。这使得仿真的精度有所降低。2.机电暂态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。具体包括在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, 研究电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组, 以获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积分法、龙格库塔法等。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。机电暂态采用单相相量形式进行计算，不考虑网络的暂态过程，无法对快速暂态现象进行模拟。但可以采用较大的步长进行计算，因此速度比较快。3.电力系统中长期动态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的动态行为，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，包括发电厂热力系统的动态响应, 以及继电保护系统的动态行为等。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。电力系统长过程稳定计算也是联立求解描述系统动态元件的微分方程组和描述系统网络特性的代数方程组，以获得电力系统长过程动态稳定的时域解。但是，电力系统长过程动态响应时间常数从几十毫秒到100 s以上，是典型的刚性系统，需要采用隐式积分算法。二、实时数字仿真电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统各类过程，并能接入实际物理装置进行试验的电力系统仿真方式。也就是说，实时仿真能在一个计算步长内计算完成实际电力系统在该段时间内的动态过程响应情况并完成数据转换。目前电力系统实时仿真在一定程度上能够做到统一模拟电力系统的电磁暂态过程、机电暂态过程以及后续的动态过程。电力系统实时数字仿真的发展大致分为三个阶段。主要有电力系统动态模拟仿真系统、基于数字电机的实时仿真系统和实时数字仿真系统。1.电力系统动态模拟试验仿真电力系统动态模拟试验仿真是最早出现的进行电力系统研究的实时仿真工具。电力系统动模实验室的硬件通常是由若干台按比例缩小的电机、一定数量的型线路模型、以及相应的监测、控制系统等组成。通常用来进行电力系统部分电磁暂态、机电暂态以及动态的实时仿真研究。2.数模混合式实时仿真基于数字电机的数模混合式实时仿真系统，除电机等旋转元件用数字元件模拟外，其余元件基本上与动模采用的元件一致。但额定电压上有较大的差别，动模试验通常在1kV以上，而基于数字电机的数模混合式实时仿真系统通常在100kV以下。3.实时数字仿真系统实时数字仿真系统可以通过输入输出接口与实际保护装置及控制器相连进行实时闭环测试。随着电力电子技术的迅速发展，HVDC和FACTS装置在电力系统中的应用日益广泛，以前通常采用物理模拟装置来进行测试，但原型模拟仿真器，除了其内在的一些困难和限制，如高损耗的补偿问题等，还通常只能考虑简单的交流系统模型，难以考虑多个FACTS装置与HVDC相互作用时的暂态特性等。然而实时数字仿真系统可以比较方便地对这些现象进行研究。三、RTDS简介RTDS就是一种实时的数字仿真系统，一个全数字化的电力系统电磁暂态模拟装置，RTDS硬件基于数字信号处理器和并行计算，其最大的优点就是计算速度可达到实时输出的目的。RTDS 是由加拿大 Manitoba 直流研究中心开发，RTDS 公司制造，为实现实时电力系统电磁暂态仿真而专门设计的并行计算机系统。在国际上，它的研制和商业化运营较早，其对电力系统，尤其是对直流输电和 FACTS 装置的仿真准确性已经得到了广泛的验证和认可。相对于物理仿真实验，RTDS 仿真建模方便，可以精确模拟交直流电力系统动态特性，具有良好的可扩展性和兼容性。由于 RTDS 的实时性，可以将其计算结果通过 D/A 转换以模拟量输出，与实际设备连接构成灵活方便的数字物理闭环回路，用于各种控制或继电保护装置的实验。因此，RTDS 同时具有了物理和数字两种仿真手段的优点，是一种非常先进的仿真工具。在硬件上，RTDS 采用高速 DSP 芯片和并行处理结构以完成连续实时运行所需的快速运算。RTDS 软件系统由图形用户界面 RSCAD（Real time Simulator CAD）、电力系统和控制元件模型库以及编译器组成，方便用户进行仿真模型搭建、仿真实验运行和实验结果分析。其算法采用 Dommel 于 1969 年创建的经典电磁暂态计算理论，可以实时而且连续地模拟电力系统电磁暂态、机电暂态等各种现象。目前，RTDS 的频率响应能达到 1kHz 以上。一个简单电力系统的仿真步长约为 50s，对于含有 HVDC 或 FACTS 装置的系统，仿真步长通常在 501