9-电力系统仿真原理与方法.ppt

1、基本内容,1、电力系统数字仿真的基本概念 2、电力元件模型的数学模型 3、电力系统仿真工具（简介） 4、电力系统数字仿真技术展望,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,数字仿真系统整体结构,1、电力系统数字仿真的基本概念 （1）电力系统的数字仿真及其特点 借助计算机的强大运算功能，根据电力系统的数学模型，采用一定的数值计算方法、设计（编写）合理的计算程序，根据给定的初始运行条件，求解系统数学模型以得到系统运行状态的过程电力系统的数字仿真,电力系统数字仿真的特点： 近似；规模大；灵活；开发周期短；投入小、效率高。,Hunan University,电力系统数字仿真的

2、基本原理与方法,1、电力系统数字仿真的基本概念,（2）电力系统数字仿真的基本要求与关键问题 1）基本要求： 精度；灵活/扩展；规模；速度（离线/在线/实时） 2）关键问题 A）建模理论与技术元件建模、系统建模 成熟的元件模型：发电机、变压器模型、线路模型 亟待完善的模型：综合负荷模型、二次系统模型 准确的元件模型和参数是决定仿真结果可信度的关键和基础 B）数值计算方法计算效率、收敛速度 C）计算机技术硬件支持 D）编程技术面向对象、可视化,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,1、电力系统数字仿真的基本概念,（3）电力系统数字仿真的目的与意义 目的：通过仿真计算，

3、确定系统运行状态。具体目的与应用背景有关 意义：为电力系统运行状态分析、控制提供科学依据，应用非常广泛 大规模的电力系统试验只有通过数字仿真才能实现。 1）动模试验规模很小。 2）实际电力系统试验可行 a)电网的安全稳定运行不允许； b)实验耗费的人力、物力、财力、时间巨大； c)某一次无法获得具有推广意义的结果（结论），但又不可在实际系统中进行 频繁的试验。 从而使得，电力系统的数字仿真成为： 电力系统规划与设计的决策基础和科学依据 电力系统运行调度与控制的决策基础和科学依据； 电力系统事故分析的科学依据 电力系统科学研究的重要手段/工具,Hunan University,电力系统数字仿真的

4、基本原理与方法,电力系统的数学模型及其意义 等效地描述电力元件和电力系统特性的数学方程式（组） 电力系统模型 准确的模型是保证仿真计算结果准确、可信赖的重要基础 对数学模型的基本要求： 准确刻画元件特性； 尽可能简单且物理意义清晰的模型结构； 真实准确的模型参数； 模型的普适性。 数学模型分类： 1）按建模原理：机理模型、非机理模型 2）按是否反映对象的时变特性：静态模型、动态模型 3）按描述对象： 元件模型：同步发电机模型、电力变压器模型、电力线路模型、 综合负荷模型、新型电力元件模型 网络模型：描述电力网络特性的数学模型,（4）电力系统的数学模型,1、电力系统数字仿真的基本概念,Hunan

5、 University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,稳态仿真：计算给定条件下、无扰动时的运行状态（单一 或 运行状态序列） 模型：稳态模型（代数方程），不计分布特性和非线性 算法：高阶非线性代数方程组，最基本的算法为牛顿法 应用：LF(潮流)、OPF（最优潮流）、静态电压稳定、SC（短路计算） 电磁暂态仿真：计算给定初始运行状态和给定扰动条件下的系统的 usms 级的电磁暂态过程 模型：动态模型（微分方程或微分-代数方程，DAE)，计及分布特性、非线性 算法：高阶非线性 DAEs，常用算法为隐式积分法 仿真时间：数微秒-数秒，典型如 10-6s 10-2 (or 10-1)s 应用：保护

6、暂态行为、G的电磁暂态特性、暂态过电压、电力电子系统暂态特性 机电暂态仿真：计算给定初始状态和给定扰动条件下的 s 级的机-电暂态过程 模型：G、Load 等用动态模型，一般不计磁路饱和的非线性；网络用稳态模型 算法：高阶非线性 DAEs，通常用隐式积分法、欧拉法、龙格-库塔法等 仿真时间：数秒至数十秒（典型者如5 s 30 s） 应用：小扰动功角（同步）稳定性；大扰动功角、电压暂态稳定性 长过程动态稳定仿真：给定初始状态和扰动条件下，考虑慢动态元件动态特性的过渡过程仿真 模型：s 级动态元件静态/动态，10s 级及以上慢动态元件用动态模型；网络稳态模型 仿真时间：数10s数10min 或更长

7、时间 应用：大扰动或负荷持续快速增长条件下，机电暂态仿真不能明确系统的稳定性,（5）电力系统数字仿真的基本类型,1、电力系统数字仿真的基本概念,基本内容,1、电力系统数字仿真的基本概念 2、电力元件模型的数学模型 3、电力系统仿真工具（简介） 4、电力系统数字仿真技术展望,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,I 电力线路模型,1) 稳态（准稳态）模型 应用：稳态计算（潮流计算、短路电流计算）、（机电）暂态稳定计算 a) 一般线路集中参数模型：等值模型 b) 长线路分布参数模型：集中参数等值电路，修正模型参数,无损长线稳态模型,2) 电磁暂态模型RLC动态微分方程

8、模型,考虑分布特性影响 应用：电磁暂态计算,2、 电力元件模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,1) 稳态（准稳态）模型,2) 移相器 稳态（准稳态）模型,3) 电磁暂态模型RLC动态微分方程模型；考虑铁芯饱和，匝间和相间分布电容的影响。 应用：电磁暂态计算,应用：稳态计算（潮流计算、短路电流计算）、（机电）暂态稳定计算,2、电力元件模型II 电力变压器模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,1) 稳态模型,应用：短路电流计算；简化模型下的 (机电)暂态稳定计算,应用：潮流计算,由潮流计算确定,PQ、PV、V,电压源模型,2

9、、电力元件模型III 同步发电机模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,2) 动态模 （机电）暂态稳定计算,2 阶经典 模型： 考虑转子机械动态 (、),3 阶实用模型： 机械动态 + 励磁暂态 (、Eq),4阶模型： 在 3阶 模型基础上，计及转子 g 绕组暂态 (、Eq、Ed) 更加适用于精确描述汽轮发电机实心转子的暂态（瞬变）过程,2、电力元件模型III 同步发电机模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,7 阶模型：机械动态 + 励磁暂态 + 阻尼暂态 + 定子暂态 ( 、Eq、Eq、Ed、id、iq(d、q) ）,5

10、阶实用模型： 机械动态 + 励磁暂态 + 阻尼暂态 (、Eq、 Eq 、 Ed ),6 阶模型： 在5阶模型基础上，计及转子 g 绕组的暂态 (、Ed、Eq、 Eq 、 Ed、),2) 动态模 （机电）暂态稳定计算,2、电力元件模型III 同步发电机模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,URef ：参考电压 Ut： 发电机机端电压 US：其他信号输入(如PSS) UFP ：软负反馈电压 UA ：放大器输出电压 Eqe：励磁机空载电势 uf ：发电机励磁绕组电压 KA：放大环节的放大倍数 TA：放大环节的时间常数 KE：与励磁机类型 （自励或他励等） 有关的系

11、数 TE ：励磁机的时间常数 KF：软负反馈放大倍数 TF：软负反馈时间常数 SE：饱和系数,举例：IEEE-I 型 可控硅励磁调节器,2、电力元件模型IV 同步发电机的 励磁系统模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,电力负荷的涵义：综合负荷用电设备或其集合。 可以是：单一用电设备； 行业综合负荷； 线路综合负荷； 母线综合负荷； 变电站综合负荷 综合负荷=用电设备的集合 + 供配电网络（含补偿设备）+ 地方电源,电力负荷的特点,特点成分复杂多样，高维、强非线性、随机时变性； 特别关注：综合负荷的构成特性组成成分及其比例。,2、电力元件模型V 电力负荷模型,

12、Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,工程仿真常用的电力负荷模型的通用结构,2、电力元件模型V 电力负荷模型,Hunan University,电力系统数字仿真的基本原理与方法,HVDC 模型 FACTS 模型 风电场模型 太阳能光伏发电场模型 其它新型电源模型（FC、MT.) 储能系统模型 含分布式电源的综合负荷模型 含分布式电源和储能系统的综合负荷模型 .,2、电力元件模型 VI 新型电力元件的数学模型,基本内容,1、电力系统数字仿真的基本概念 2、电力元件模型的数学模型 3、电力系统仿真工具（简介） 4、电力系统数字仿真技术展望,Hunan Universi

13、ty,电力系统数字仿真的基本原理与方法, EMTP：目前国际上广泛使用的电磁暂态计算程序 加拿大哥伦比亚大学（UBC）H.W.Dommel教授创立 美国邦纳维尔电力局(BPA)对程序的开发做了很大贡献 3种版本：BPA-EMTP、ATP-EMTP、DCG-EMTP, EMTDC（elctro-magnetic transient in dc system） 直流电磁暂态计算程序，也可以计算交流系统，但它特别适用于直流系统暂态计算； Dennis woodford 博士 1976年 加拿大 曼尼托巴水电局（Manitoba Hydro）初版； EMTDC 与 EMTP 在处理各种电网元件时没有本

14、质的区别,(1) 电磁暂态：EMTP、EMTDC、ATP、NETOMC,3 电力系统仿真工具（简介）,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,电力系统数字仿真的基本原理与方法,EMTDC 与 EMTP 的比较： 1、用户模型自定义功能：EMTDC有，EMTP无 2、求解模式： EMTP整体求解网络节点方程，维数高； EMTDC分解成若干子系统求解网络节点方程，维数低。 3、控制系统： EMTP的控制系统 由滞后主程序一个t的 TACS模块来实现。通过变量的转换，控制变量可取自主网络系统，也可根据控制需要确定变量，按照TACS中控制模块的功能，改变变量的数值，达到控制的目

15、的。 EMTDC建立了一个叫做CSMF（Continuous system modeling functions）子程序块。通过相互关系，可以组成电路及复杂的控制系统。更加实用、灵活 4、初始值的确定： EMTP通过一个稳态的计算程序，进行一次稳态计算，即可使电网个元件获得初始值。 EMTDC是将系统分为若干子系统，且电源分散在子系统中，子系统间存在电流、能量的交换，很难建立一个计算稳态的程序，使各子系统获得稳态解EMTDC通过较长时间的“暂态“计算，获得稳态解。 5、数据输入方式： EMTP的数据是通过节点的命名，支路元件的类型，数据按一定格式读入到系统的存储单元。 EMTDC输入数据全部是

16、自由格式。它是将一个系统分成若干子系统，子系统之间读入系统先后无规定，但对一个子系统，必须严格按照顺序编号，编号后对集中参数进入次序无规定。实用更加灵活、方便。,(1) 电磁暂态：EMTP、EMTDC、ATP、NETOMC,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ATP： EMTP免费版本，是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包。ATP可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统；具有很强的扩展能力，能进行暂态计算。在电力系统继电保护中得到广泛应用。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

17、输入程序ATPDraw。, NETOMAC： 德国西门子公司在上个世纪 70年代 开发的电力系统分析软件。功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的FORTRAN语言子程序、数学表达式等。该软件元件模型全，仿真频带宽。,(1) 电磁暂态：EMTP、EMTDC、ATP、NETOMC,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,电力系统数字仿真的基本原理与方法,(2) 机电暂态：PSD-BPA、PSASP、PSS/E, PSD-BPA BPA 是美国邦纳维尔电力局(BPA)开发的电力系统分析综合程序。 PSD-BPA 是中国版的BPA程序由中国电力科学院引进、消化、吸

18、收美国BPA程序开发而成。在国内广泛应用。 PSD-BPA 的功能包括从潮流计算到暂态稳定计算等电力系统仿真计算功能。,PSS/E 美国PTI公司开发，功能比较齐全，适用于大系统和超大系统及中长期稳定计算。是一个集成化的交互式软件，主要用于电力系统的潮流计算，界面友好，可与多种输出设备相连，输入输出可根据用户要求进行设计，它要求使用者有一定的编程基础，输入不如 EMTP 和 PSASP 方便,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,电力系统数字仿真的基本原理与方法,(2) 机电暂态：PSD-BPA、PSASP、PSS/E, PSASP PSASP 是中国 EPRI 开发

19、、1980 年代开始推广应用的电力系统综合分析程序。从最初的DOS版本，到现在的 V7.0版，功能不断完善，性能不断优化，特别是其各种计算结果的数据表、图形（曲线）输出功能，为系统运行状态分析提供了丰富的信息。 PSASP 使用简单，功能简单齐全；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。 主要功能模块包括： 稳态计算：潮流计算及潮流图、短路电流计算、最优潮流 静态电压稳定计算 小干扰稳定计算 暂态稳定计算 谐波潮流、负序潮流计算 控制器优化设计计算 继电保护整定计算,Hunan University,3 电力系统仿真工具（

20、简介）,(3) 中长期动态稳定仿真软件：PSD-FDS、EUROSTAG,电力系统数字仿真的基本原理与方法, PSD-FDS： 全过程动态仿真程序，中国电力科学院开发 适用：针对大停电事故和中长期动态稳定问题 EUROSTAG 法国的DEL公司和比利时的TRACBEL公司开发 主要特点：在一个长期动态仿真中，时间步长 10-10 ms 几十秒； 仿真的时间范围可以从暂态、中长期到长期； 仿真过程中不用改变模型。,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(4) 实时数字仿真系统：ADPSS、RTDS,电力系统数字仿真的基本原理与方法, RTDS(Real-time Did

21、ital Simulator) RTDS 是加拿大RTDS公司开发的实时数字仿真器。 多用于继电保护装置、新型FACTS装置的试验，提供一个试验所需要的一次系统实际运行的仿真环境。如国家电力公司电力自动化研究院引进配备的一套RTDS就是一种较高水平的电力系统实时数字仿真器. ADPSS（Advanced Digital Power System Simulation） ADPSS 电力系统全数字实时仿真系统，中国电力科学院研究开发，基于高性能PC机群，能实现超大规模电网的全数字实时仿真。该仿真系统利用机群的多点结构和高速本地通讯网络，采用网络并行计算技术对计算任务进行分解，并对进程同时实时和同

22、步控制，实现了大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态实时和超实时仿真以及外接物理装置试验。,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的系统构成,硬件架构图,仿真系统结构图,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的技术特点、主要功能与仿真规模,机群多节点结构，高速本地通讯网络 网络并行计算技术 对进程进行实时和同步控制 1000台机、10000 个以上节点的交直流混合电力系统 机电暂态仿真 机电-电磁暂态

23、混合仿真 接入实际物理装置进行闭环仿真试验 （继电保护、安全自动装置、FACTS控制装置以及直流输电控制装置等） 接入MATLAB等商用软件进行局部和子任务计算 接入用户自定义模型以完成用户指定功能和任务,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的应用案例 江苏电网机电-电磁暂态混合仿真 继电保护动作行为试验,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的应用案例 江苏电网机电-电磁暂态混合仿真 继电保护动作行为

24、试验,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的应用案例国家电网5000节点级系统机电-电磁混合实时仿真,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的应用案例国家电网5000节点级系统机电-电磁混合实时仿真,Hunan University,3 电力系统仿真工具（简介）,(5) ADPSS简介,电力系统数字仿真的基本原理与方法, ADPSS的应用案例华中电网交直流互联系统机电-电磁暂态混合仿真分析,4962条母线 401台发电机（含等值机）、 934个负荷 2468条交流线路 1259台并联电抗 5个串联补偿电抗 652台双绕组变压器 1106台三绕组变压器 4条直流线路 机电电磁暂态混合仿真 华中广东直流线：电磁子网 其余部分：机电子网,直流线路换相失败逆变侧阀电流波形,扰动：粤惠州母线500处发生三相短路接