基于PSCAD_EMTDC的大规模交直流系统快速建模及有效性分析_许烽

高电压技术　第３９卷第１１期２０１３年１１月３０日Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　３０，２０１３基于ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ的大规模交直流系统快速建模及有效性分析许　烽１，翁　华１，徐　政１，陈新琪２，顾益磊２，裘　鹏２（１．浙江大学电气工程学院，杭州３１００２７；２．浙江省电力试验研究院，杭州３１００１４）摘　要：为提高大规模交直流系统ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真模型建立的效率，基于ＰＳＳ／Ｅ数据文件，提出了一套系统快速建模的程序化流程。

给出了ＰＳＳ／Ｅ和ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ之间关键元件的模型对应关系，并描述了快速建模的详细过程：先提取元件连接、元件参数等信息，通过区域判据和电压分层实现网络模块化，再结合坐标变换完成整个网络在各子模块下的布局、元件模型的建立及各参数的设定，最后，通过自动布线生成ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真模型。

仿真结果表明，在稳态、直流闭锁和交流对称故障下，转换前后的系统稳态和暂态特性相一致，该结果验证了快速建模方法的有效性；在交流不对称故障下，模型转换前后的机电暂态与电磁暂态特性不一致，这表明了机电暂态仿真程序的局限性和电磁暂态仿真程序的必要性。

关键词：ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；大规模交直流系统；电磁暂态仿真；快速建模；自动布局；自动布线ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－６５２０．２０１３．１１．０２７文章编号：１００３－６５２０（２０１３）１１－２７６２－１１基金资助项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１１ＡＡ０５Ａ１１９）；国家电网公司大电网重大专项（ＳＧＣＣ－ＭＰＬＧ００１－０３１－２０１２）。

Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｈｉｇｈ－ｔｅｃｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）（２０１１ＡＡ０５Ａ１１９），Ｓｔａｔｅ　ＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｍａｊｏｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｏｎ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ＯｐｅｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｇｒｉｄ（ＳＧＣＣ－ＭＰＬＧ００１－０３１－２０１２）．Ｒａｐｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｖａｌｉｄｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ＡＣ／ＤＣＰｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣＸＵ　Ｆｅｎｇ１，ＷＥＮＧ　Ｈｕａ１，ＸＵ　Ｚｈｅｎｇ１，ＣＨＥＮ　Ｘｉｎｑｉ　２，ＧＵ　Ｙｉｌｅｉ　２，ＱＩＵ　Ｐｅｎｇ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ＡＣ／ＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ，ａ　ｆａｓｔｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳＳ／Ｅ　ｄａｔａ　ｆｉｌｅｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｆｔｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆ　ＰＳＳ／Ｅ　ａｎｄ　ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ，ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ：ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｖｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ，ｉｓ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ；ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅｗｈｏｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｕｌａｒｉｔｙ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ａｒｅａ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌａｙｅｒ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｔｔｉｎｇｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ；ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ａｕｔｏ　ｒｏｕｔｉｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｉｎ　ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｒ　ＤＣ－ｂｌｏｃｋｉｎｇ－ｓｔａｔｅ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｒ　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ－ＡＣ　ｆａｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ　ａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ＡＣ　ｆａｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ＡＣ／ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒａｐｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇ；ａｕｔｏ　ｌａｙｏｕｔ；ａｕｔｏ　ｒｏｕｔｉｎｇ０　引言我国是世界上直流输电应用前景最为广阔的国家之一，近年来直流输电的快速发展已使我国部分区域形成含有多个直流落点的交直流互联系统［１－５］。

常规的机电暂态仿真程序对交流网络采用正序相量描述，难以实现对具有快速开关特性的电力电子装置的建模仿真，通常要作近似处理，有一定局限性［６－７］。

电磁暂态仿真程序能够建立详细的直流输电系统模型，是准确研究交直流之间相互影响特性的有效工具。

美国ＰＴＩ公司的ＰＳＳ／Ｅ以及中国电力科学院的ＢＰＡ和ＰＳＡＳＰ程序都是目前国内较常用的机电暂态仿真程序［８－９］，电力网络的规划数据均以相关机电暂态仿真程序格式存在，而非电磁暂态仿真程序格式。

ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ则是目前国内外广泛用于交直流相互作用机理研究的电磁暂态仿真程序，其图形界面风格虽然能够使用户方便地进行电力系统动态仿真分析［１０－１１］，但其非数据表格的元件模型表２６７２述方式不便于大规模交直流系统的快速搭建。

对于ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ下的大规模交直流系统动态特性仿真分析而言，虽然在搭建电磁暂态仿真模型前电力网络都需经过等值处理［１２－１３］，但等值后的网络为尽量保留原网络的动态特性，仍会含有较多的发电机、线路、负荷等模型。

对电力网络数据进行手动转换易在模型参数输入、线路连接等方面产生较多错误，同时降低工作效率。

因此，有必要设计一套将机电暂态程序ＰＳＳ／Ｅ的数据文件经程序转换，快速建立ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真文件的方法。

从国内外的研究来看，以往在针对具体的多馈入交直流系统ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真建模或电磁机电混合仿真建模［１４－１８］方面着重于直流模型的选择对比［１９］、研究保护控制系统且发电机采用理想电压源［２０］、建模后的动态特性仿真［２１］或者对比验证结果不理想［２２］，而未对大规模交直流电力系统元件的模型对应、电磁暂态仿真程序下仿真文件的具体编制方法以及建模的有效性进行详细论证分析。

本文不仅详细给出了ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ各元件模型与ＰＳＳ／Ｅ模型的对应关系以及ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真模型快速编制的程序化方法，而且在交流系统重要机组功角、直流功率及换流站触发角响应特性等方面详细给出了两种仿真程序在等值前后系统仿真的对比结果，论证了动态等值和建模方法的有效性。

最后深入研究了交流不对称故障对直流的影响，阐明了机电暂态仿真程序的局限性，同时也说明了在研究大规模交直流系统不对称故障时，需要采用电磁暂态仿真程序。

１　关键问题ＰＳＳ／Ｅ和ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ分别属于两类不同的软件公司，两者在元件模型结构以及数据存储等方面存在较大差异。

快速生成ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真模型主要需解决如下２个问题：（１）元件模型和参数的对应选取。

与ＰＳＳ／Ｅ内丰富的元件模型相比，ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ相对匮乏，但是ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ含有每类必要的元件模型，可通过新建模型或参数转换等处理方式实现ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ和ＰＳＳ／Ｅ的准确对应，使得转换所得的ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真模型保持与原ＰＳＳ／Ｅ模型较高的特性相似度。

（２）元件模型的布局与布线。

ＰＳＳ／Ｅ内每个元件的参数信息以及元件之间的连接关系均以数据表的形式储存，不存在布局与布线问题，但在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ中，各元件模型以图形的形式表述，为实现整个网络拓扑的搭建，必须考虑元件布局以及元件之间的连线，这也是通过程序编制快速建立仿真模型所亟需解决的问题。

对于搭建一个实际的大规模电力系统模型而言，按照实际地理位置的布局，符合简洁、合理的布线格局有助于系统的调试研究和后续再开发。

２　动态等值和模型对应２．１　动态等值电磁暂态仿真程序ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ本身对仿真规模并没有限制，但是受计算速度和计算机内存的制约，仿真的系统规模不可能太大，需要对大规模交直流系统进行等值简化。

另一方面，在多馈入交直流系统动态特性研究中，交直流系统的交互特性主要取决于交流系统５００ｋＶ及特高压主干网架与直流系统的交互作用，对于２２０ｋＶ及以下电压等级的低压网络可以等值简化［１７］。

将系统按电压等级分层，同一５００ｋＶ母线下属低压网络的发电机的转子摇摆曲线趋势相近，可以认为是同调的机组，按照同调等值法的原则，将每个５００ｋＶ下属的低压网络聚合成一台等值机。