电能质量污染源实时数字动态仿真 推荐

1引言近年来随着我国国民经济的蓬勃发展，电力网负荷急剧加大。

特别是冲击性、非线性负荷的大量应用，使得电网中发生的电压波形畸变、电压波动等问题日益严重，从而使得电网电能质量严重下降，并诱发各种电力系统事故，使电力系统面临日益严重的“污染”，对电力用户的正常用电也带来不良影响。

电能质量的恶化会给电网及用户带来巨大的经济损失。

据美国一调查报告，认为当今与电能质量相关的问题在美国每年造成的损失高达260亿美元。

电力供应是社会发展的重要支柱，电能质量历来是电力部门十分关注且刻意要完善的重要指标。

面对新时期电能质量的新变化和新需求，电力系统除需加强电网的建设和改造以进一步提高供电可靠性外，还需研究并不断完善电能质量的监测、评估，并选取恰当的技术手段进行防范与治理。

而在进行这些研究中经常需要对各种电能质量污染源进行恰当的仿真，特别是进行实时动态仿真。

这些仿真将可根据研究的需要模拟各种电能质量污染状况，而这些状况却难以在实际电网中随时获得。

利用RTDS 搭建一个可提供各种电能质量污染状况的仿真系统，为研究电能质量污染的危害及治理问题提供了一个很好的实验测试平台。

本文着重介绍在电能质量污染源定向研究中应用RTDS 进行几种电能质量污染源实时动态仿真实例。

RTDS 简介RTDS 的全称为实时数字仿真装置(R T Digital Simulator)，由加拿大曼巴托尼HVDC 研究中心开发，RTDS 公司制造，是一种专门用于实时研究电力系统的全数字仿真系统。

该系统中的电力系统元件模型和仿真算法是建立在已获得行业认可、且已广泛应用的EM TP 和EM TDC 基础上的，其仿真结果与实际电网的真实情况是一致的。

RTDS 能够实时计算电力系统状态并输出到工作站或外部试验装置（如保护装置）。

将RTDS 实时产生的模拟量和开关量输入被测试装置，再将被测试装置的响应输出信号引入仿真系统的模拟量、开关量输入接口，即可实现对被测试装置的闭环实时仿真试验。

相比传统的物理模拟方法，数字模拟方法具有建模周期短、灵活性强、安全性好、结果直观等特点，其计算精度和模型的合理性通过国内外多年的运行实践证实是可以信赖的。

3电能质量污染源的产生及仿真从电能质量污染源产生的类型上讲，电能质量污染源的产生来自三个方面：（1）电力系统非线性负荷、冲击性负荷等的大量投运。

如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、电压波动和闪变等。

（2）电力设备及装置的自动保护和正常运行。

如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生电压波动与闪变等。

（3）自然现象的因素。

如雷击、风暴、雨雪等对电电能质量污染源实时数字动态仿真林焱张榕林吴丹岳张健(福建省电力试验研究院，福建福州350007)摘要：简要介绍了实时数字仿真系统（RTDS ）的组成、作用以及几种电能质量污染源的产生和在RTDS 上的仿真原则；重点描述了在电能质量污染源定向研究中应用RTDS 进行几种电能质量污染源实时动态仿真的实例。

关键词：电能质量；仿真；RT DS ；谐波；闪变中图分类号：TM 74文献标识码：B文章编号：1006-0170（2006）01-0010-04F UJIAN DIANLI YU DIANGONG第26卷第1期2006年3月IS S N 1006-0170CN 35-1174/TM福建电力与电工2eal ime能质量的影响，使电网发生事故，发生过电压，引起电压波动等。

为了真实地模拟各种电能质量污染源的产生，并使得各项污染指标可根据需求方便地调整，确定了在RTDS 上进行电能质量污染源仿真的原则：（1）在对电能质量污染源的仿真过程中，优先考虑在物理过程的层面上进行仿真，但当真实仿真物理过程存在困难时，则仅对污染效果进行仿真。

（2）对于RTDS 元件库中已有的电能质量污染源模型（如谐波电压源、谐波电流源等），则直接利用这些模型进行相应电能质量污染源的仿真。

（3）对于在RTDS 元件库中没有的电能质量污染源模型，则按照该电能质量污染源的产生原理，利用RTDS 元件库中的相关电力设备模型，通过调整这些电力设备的运行模式和环境，仿真相应电能质量污染的产生。

（4）对于可导致多种电能质量指标污染的负荷，可综合采用多种电能质量污染源模型的组合进行仿真。

（5）对于少数特殊的电能质量污染源，则按照所确定的污染源的结构形式或数学表达式，利用RTDS 的自定义模型功能进行仿真。

4电能质量污染源实时动态仿真实例4.1仿真系统构成简图系统构成图如图1。

4.2实时动态仿真实例在研究电能质量污染源（闪变源）的定向问题时，为了确定相关分析理论的正确性与有效性，有必要将依据该分析原理编制的分析软件在包含闪变源的实际电网中进行实测分析验证。

但由于在实际电网中闪变问题并非随处可见，且在实际电网中也无法验证分析理论在一些特殊情况下的正确性与有效性，因此有必要建立一个包含电能质量污染源（闪变源）的动态模拟仿真系统。

该系统将实现在闪变源不同分布情况下对可供测试分析的各母线电压、馈线电流模拟量的输出，用来进行闪变源定向问题的试验研究。

由于在实际中闪变源多数情况下也是一个谐波源，且在实际电网中也存在一定量的背景谐波，因此在本仿真系统中设置了一些谐波源。

在RTDS 的元件库中含有多种电源，这些电源既可作为正弦工频电源又可作为谐波电压源。

当用作谐波电压源时其所含谐波的个数最高可达4个，并且各次谐波的频率、含量和初相角可由使用者确定。

RTDS 的元件库中还含有专门用来生成谐波电流的谐波发生器(Harmonic Injectio n)，能够输出含有等幅的任意多次的谐波电流。

在本仿真系统中闪变源按照在实际电网中可引起电压闪变的几种负荷运行方式进行仿真，如：大型电动机的运行功率按照所设定的规律快速变化等等。

为了确定闪变源定向分析理论在电网不同运行方式下分析的正确性与有效性，该仿真系统设置了3个电压等级（110kV 、35kV 、10kV ），在35kV 、10kV 母线上均接有不同类型的负荷，其中包括闪变源、谐波源等各种线性和非线性负荷，见图2。

根据预先的设定，确定了各电压等级谐波源、闪变源的数量、大小、相位关系、频率等参数以及各母线的谐波、闪变量值水平，并利用相关电力系统分析软件对此进行了计算。

在所设定的不同运行方式下，运行本仿真系统，利用Nico let 数据采集装置和电能质量分析仪对仿真系统输出的电压电流信号进行采集和实时分析。

图3、图、图5表示闪变源分布在35V 及V 母线上（方式）、闪变源只在35V 母线上（方图1仿真系统构成简图图2系统示意图4k 10k 1k图3方式1下，母线电压波形及母线电压谐波分析图（a ）10kV 母线电压波形（Pst=3.51）；（b ）10kV 母线电压谐波分析（THD %=56.99%）；（c ）35kV 母线电压波形（Pst=3.45）；（d ）35kV 母线电压谐波分析图（THD %=31.59%）图方式下，母线电压波形及母线电压谐波分析图（）V 母线电压波形（=）；（）V 母线电压谐波分析（T D %=63%）；（）35V 母线电压波形（=3）；（）35V 母线电压谐波分析图（T D %=3386%）42a 10k Pst 2.22b 10k H 4.0c k Pst 2.9d k H .式2）及闪变源不存在（方式3）3种运行方式下，各电压等级母线的电压波形测试结果（横坐标表示时间轴，纵坐标表示电压幅值）及谐波（横坐标表示谐波次数，纵坐标表示各次谐波含有率）、闪变分析结果。

可见，除方式3外其他方式均存在电压波动。

4.3仿真结果说明及应用将上述由Nicolet数据采集装置和电能质量分析仪对仿真系统输出的电压电流信号进行采集和实时分析所获得的结果与进行仿真系统参数设定时所进行的计算结果相比较，两者一致，表明该仿真系统实现了最初的设想，即实现了按照使用者的要求对所仿真的电网的电能质量各指标在数值上、方式上的控制，结果正确。

将对不同运行方式下仿真系统输出的电压电流信号进行采集所获得的实时数据应用闪变源定向分析软件进行计算分析（该软件依据由研究所得的闪变源定向分析原理编制而成），获得了正确的闪变源定向分析结果，证明了闪变源定向分析原理的正确性。

由此看来，该实时仿真系统可作为电能质量监测、分析、治理装置的检定、验证实验平台。

5结束语本文介绍了一个利用RTDS建立包含一定量电能质量污染源（谐波源、闪变源）的电网实时仿真系统并将该实时仿真系统应用于电能质量污染源（闪变源）定向研究的实例。

实践证明该实时仿真系统实现了按照使用者的要求对所仿真的电网的电能质量各指标在数值上、方式上的控制并可提供各监测点电压、电流的模拟量实时输出。

RTDS实时数字仿真系统作为一种仿真手段，可灵活地实时模拟电网中的电能质量污染状况，这不仅为研究电能质量污染源对电力系统的影响，也为进一步开展电能质量污染的危害及治理研究提供了一个方便有效的实验平台。

参考文献［1］章建玲，余雷，许汉平，陈坚.RTDS用于FACT S元件特性仿真的研究［J］.华中电力，2003，(3).［2］郭而娟，陈乃添，刘南平.实时数字仿真装置RT DS介绍［J］.广西电力，2004，(1).（收稿日期：5）图5方式3下，母线电压波形及母线电压谐波分析图（a）10kV母线电压波形（Pst=0.05）；（b）10kV母线电压谐波分析图（THD%=16.81%）；(c)35kV母线电压波形（P st=0.05）；(d)35kV母线电压波形及谐波分析图（THD%=10.07%）200-10-17。