全过程动态仿真程序及其应用实例20140521
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+ PD 汽包压力
电力系统分析软件工具
π
-
Msidf 蒸汽流量
PT 主蒸汽压力
Σ
1 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE SH
1 CD s
C
s
燃料 空气 信号
燃烧动态 模型
Q
.
1 1 sTW
水冷壁滞后
mw +
.
K
Σ
-
+
Σ
-
P18
四、锅炉汽机控制系统模型
PT error
中国电力科学研究院 CCS
Boiler Master Controller
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 1 (BD)
K B * ( K PB TIB s TDB s )
BM Limit
Boiler Demand
Σ
P 1
÷
K CV ( K PCV T DCV s)
秒），需要仿真 40sec 以
上，仿真已扩展到中长期 动态的范畴。
中国电力科学研究院
5,300 5,200 5,100 0 10 20 Time(sec.)
5,400 ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE CHINA
30
40
P4
一、开发背景：全过程动态仿真的需求
电力系统分析软件工具
mS PT
.
CV
To turbine model
+ Boiler Model
PD 1 TD s
-
1 C SH s
锅炉模型
-
T
FUEL s
Q
.
1 TFL s
1 1 TW s
mW +
.
1999年～2006年 1. 2002年，全过程动态程序推出第一个试用版本 2. 2003年应用于工程项目研究
在全过程动态仿真程序的基础上，开发了新一代小干扰稳定分析 程序PSD-SSAP ：相同的程序 、相同的使用方法 2007年~至今 1. 提出组合数值积分算法和大型方程组快速直接求解算法，大幅提 中国电力科学研究院 高计算速度 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 2. 增加新的直流输电、风电、继电保护和安全自动装置模型 3. 数据固定格式输入(swi文件)、图形接口，实用性大大增强 4. 全过程动态仿真程序推出1.5-2.x版本 5. 进入实际工程应用阶段
福州北 525.kV
1.0
厦门 525.kV
半兰 115.kV
母线电压/p.u.
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
0.8 0.6 0.4
0
50 Time(sec.)
100
150
P13
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
稳定控制策略和第三道防线的仿真研究
调速器
（Governor ）
CV
PMEC
中长期动态
.
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
PT
BD
（Boiler）
锅炉
火电厂动力系统模型
P17
四、锅炉模型 IEEE锅炉模型（汽包）
－建立了国内典型机组锅炉模型参数 CV 汽门开度 （200MW～1000MW机组）
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
电压崩溃
P5
一、开发背景：电力系统多时间尺度动态特性
电力系统分析软件工具
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P6
一、开发背景：程序开发的历史
电力系统分析软件工具
故障后小 干扰计算点
基于潮流小 干扰计算点
频率0.480，阻尼比0.030 •故障后小干扰： 频率0.372，阻尼比0.001
故障发生 （断线）
P12
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
动态电压稳定分析
研究电压稳定性的机理和防止电力系统电压崩溃的有效措施；研究 自动电压控制AVC、变电站无功调压VQC等控制策略；多馈入直流可 能引起的电压稳定性问题。
ULD Limiter ULD Turbine Master Controller
DB_W
WR_Limit
KF
Σ Σ
Σ
MW error
K T * ( K PT
1 TIT s
TDT s )
Σ
Turbine Demand (TD)
CCS Model
Throttle press
PT
Σ
PTset
N D
（7） 核电站反应堆系统模型 （8） 继电保护和自动装置(安控系统)模型
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P16
四、火电厂模型
电力系统分析软件工具
Pe
ω
Pe
ω
机电暂态仿真
机械功率 汽轮机
（Turbine ）
负载设定值
(LD、AGC)
协调控制
（CCS ）
TD
DEMAND_MIN
CV_MIN
1 1 sTOPEN
GOV_MIN
EHC_MAX
DEH Model
Deadband_EHC
1 s
Rate limit
1
1 T sm
EHC_MIN
Σ
Throttle Pressure
PT
1 sTCLOSE
main control valve closing dynamics
六、程序使用
P2
一、开发背景：全过程动态仿真的定义
电力系统分析软件工具
电力系统全过程动态仿真是指将电力系统机电暂态、中期和 长期过程有机地统一起来进行数字仿真
能够描述电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程。
动态过程是一个连续的过程，并不是截然分开的。
暂态过程对中长期过程有影响，中期过程对后续新的暂态过程也 有作用，它们之间密不可分。长过程仿真中，必然对机电暂态过程进 中国电力科学研究院 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 行仿真。
利用全过程进行时域稳定性仿真，可以进行故障或操作后的电网 阻尼特性分析，克服现有小干扰稳定性程序只能进行基于潮流的阻尼 特性进行分析的缺点
时域prony分析
②
•潮流（常规）小干扰： 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
①
故障后 （平衡位置）
P3
一、开发背景：全过程动态仿真的需求 大型互联电网仿真的特点
电力系统分析软件工具
线路有功功率(MW) －－ 晋长治EH 1050.kV～晋长治C1 1050.kV
5,900
低频振荡问题突出，
系 统 摇 摆 周 期 长 （ 7~8
功率 ( MW )
5,800 5,700 5,600 5,500
振荡周期 （ 8 秒）
四、主要数学模型 （1） 常规暂态稳定计算模型
四大模型：发电机、励磁、调速、负荷
电力系统分析软件工具
（2） 火电厂模型 （3） 非线性水轮机模型 （4） 自动发电控制(AGC)模型 （5） 励磁系统的过励和低励限值模型 中国电力科学研究院 中 长 期 动 态
（6） 变电站调压设备和自动电压控制(AVC)模型
网源协调研究
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
研究发电厂动力系统、励磁系统、涉网保护在大干扰后的响应对 电网运行特性的影响；研究自动发电控制(AGC)策略、旋转备用的安 排和分布。
P11
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
电网故障或操作后的小干扰稳定性分析
叶小晖 Email: yexiaohui@epri.sgcc.com.cn 中国电力科学研究院系统所 2014.05.21
主要内容
一、开发背景
电力系统分析软件工具
二、技术特点
三、应用范围 四、仿真模型 中国电力科学研究院 五、算例应用
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
大停电事故的仿真
－连锁性大面积停电故障通常历经十几分钟以上，其中机电暂态 和中长期动态过程密不可分。
慢速动态过程的控制和分析
－调频/调峰：间歇式新能源的功率波动、特高压示范工程联络线 功率波动、大核电基地等。 －电压动态控制：励磁限制、AVC 等 中国电力科学研究院
8.14美加大停电事故（小时级的发展过程）
实现含继电保护和安全稳定控制系统的动态稳定性仿真分析，可 以有效仿真保护和稳定控制系统，校核安全稳定控制策略。
Fra Baidu bibliotek
全过程动态仿真的在线应用
进行15分钟的中长期动态稳定仿真计算，对系统阻尼特性和动态电 压稳定性等影响安全稳定运行的故障和操作、或运行方式变化进行预 中国电力科学研究院 警。 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
DEH+汽轮机
TM Limit
Electro-Hydraulic Converter dynamics
MW of generater unit MW demand signal Manual or from AGC Speed error
( 0 )
PE
Rate Limit
K1 PE s 11 TT Ts PE
E
频率偏差
( 0 )
KF
Σ ＋Σ
ULD Limiter －CHINA ＋ MWELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE ULD＋ 汽机主控 error
中国电力科学研究院
（Turbine Master）
阀门开度指令
Σ
PT0
主蒸汽压力 PT
－
Σ
锅炉主控
＋
＋
（Boiler Master）
3.
P7
二、全过程动态仿真的技术特点（1） 研究时间 仿真时间跨度大，可以从几秒到几十分钟
电力系统分析软件工具
计算步长
系统快变阶段，采用小步长，保证计算精度和收敛性 系统慢变阶段，采用大步长，缩短计算时间
全过程动态仿真中的步长变化
0.8
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
电力系统分析软件工具
仿真模型
常规机电暂态仿真动态元件模型 中长期动态仿真模型 仿真中机电暂态模型、中长期动态仿真模型不需要切换
中国电力科学研究院 面向对象的编程技术，开放灵活的软件架构 兼容PSD-BPA暂态稳定程序的数据格式（*.swi文件） 用户可定制的动态监视曲线
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
Σ
＋ 锅炉燃烧指令
P19
四、完整的火电厂调速控制模型1（CBF）
WREF Speed (W) Steam chest dynamics PMECH
1 1 sTb
电力系统分析软件工具
Deadband_W
Droop
WR Limiter
Σ
1 R
Σ
DEMAND_MAX
CV_MAX
main control valve opening dynamics
四种控制方式
电力系统分析软件工具
（1）炉跟机（BF） （2）机跟炉（TF）
（3）以炉跟机为基础的协调控制（CBF） （4）以机跟炉为基础的协调控制（CTF）
单元主控（Unit control）
PE
功率指令 （或AGC指令）
DB_W
Rate Limit
WR_Limi t
K1P E s 11 TTPT s
软件实现
P10
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
用于常规暂态和动态稳定的时域仿真
采用自动变步长算法后，计算速度较快（大电网算例通常节省 30%以上计算时间）
连锁故障分析
用于电力系统发生多重连锁反应故障后的全动态过程模拟，进行 复杂和严重事故事后分析，研究事故本质原因，以及防止连锁故障引
起大面起停电等反事故措施 。 中国电力科学研究院
h ( sec. )
0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 Time(sec.) 15 20
小步长－快变过程
大步长－－慢速过程
P8
二、全过程动态仿真的技术特点（2）
电力系统分析软件工具
仿真算法
具有自动变阶变步长功能的数值积分算法 大型方程组的快速分块直接求解算法 基于故障支路的复故障算法
中期动态
1m
10
-7
长期动态
机电暂态
1 10
中国电力科学研究院 10m 1h
100 1000 10000
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
Time(s)
固定的小步长: 保证精度和收敛性
自动变化的大步长: 保证计算效率
梯形积分
自动切换
Gear 算法
P9
二、全过程动态仿真的技术特点（3）
P14
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
应用小结
（1） 常规暂态稳定 （2） 严重事故、连锁性事故仿真 （3）慢速动态过程控制与分析 ① 二次调频与调峰 中国电力科学研究院 ② 调压控制 （4） 网源协调分析
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P15
电力系统分析软件工具
π
-
Msidf 蒸汽流量
PT 主蒸汽压力
Σ
1 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE SH
1 CD s
C
s
燃料 空气 信号
燃烧动态 模型
Q
.
1 1 sTW
水冷壁滞后
mw +
.
K
Σ
-
+
Σ
-
P18
四、锅炉汽机控制系统模型
PT error
中国电力科学研究院 CCS
Boiler Master Controller
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 1 (BD)
K B * ( K PB TIB s TDB s )
BM Limit
Boiler Demand
Σ
P 1
÷
K CV ( K PCV T DCV s)
秒），需要仿真 40sec 以
上，仿真已扩展到中长期 动态的范畴。
中国电力科学研究院
5,300 5,200 5,100 0 10 20 Time(sec.)
5,400 ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE CHINA
30
40
P4
一、开发背景：全过程动态仿真的需求
电力系统分析软件工具
mS PT
.
CV
To turbine model
+ Boiler Model
PD 1 TD s
-
1 C SH s
锅炉模型
-
T
FUEL s
Q
.
1 TFL s
1 1 TW s
mW +
.
1999年～2006年 1. 2002年，全过程动态程序推出第一个试用版本 2. 2003年应用于工程项目研究
在全过程动态仿真程序的基础上，开发了新一代小干扰稳定分析 程序PSD-SSAP ：相同的程序 、相同的使用方法 2007年~至今 1. 提出组合数值积分算法和大型方程组快速直接求解算法，大幅提 中国电力科学研究院 高计算速度 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 2. 增加新的直流输电、风电、继电保护和安全自动装置模型 3. 数据固定格式输入(swi文件)、图形接口，实用性大大增强 4. 全过程动态仿真程序推出1.5-2.x版本 5. 进入实际工程应用阶段
福州北 525.kV
1.0
厦门 525.kV
半兰 115.kV
母线电压/p.u.
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
0.8 0.6 0.4
0
50 Time(sec.)
100
150
P13
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
稳定控制策略和第三道防线的仿真研究
调速器
（Governor ）
CV
PMEC
中长期动态
.
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
PT
BD
（Boiler）
锅炉
火电厂动力系统模型
P17
四、锅炉模型 IEEE锅炉模型（汽包）
－建立了国内典型机组锅炉模型参数 CV 汽门开度 （200MW～1000MW机组）
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
电压崩溃
P5
一、开发背景：电力系统多时间尺度动态特性
电力系统分析软件工具
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P6
一、开发背景：程序开发的历史
电力系统分析软件工具
故障后小 干扰计算点
基于潮流小 干扰计算点
频率0.480，阻尼比0.030 •故障后小干扰： 频率0.372，阻尼比0.001
故障发生 （断线）
P12
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
动态电压稳定分析
研究电压稳定性的机理和防止电力系统电压崩溃的有效措施；研究 自动电压控制AVC、变电站无功调压VQC等控制策略；多馈入直流可 能引起的电压稳定性问题。
ULD Limiter ULD Turbine Master Controller
DB_W
WR_Limit
KF
Σ Σ
Σ
MW error
K T * ( K PT
1 TIT s
TDT s )
Σ
Turbine Demand (TD)
CCS Model
Throttle press
PT
Σ
PTset
N D
（7） 核电站反应堆系统模型 （8） 继电保护和自动装置(安控系统)模型
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P16
四、火电厂模型
电力系统分析软件工具
Pe
ω
Pe
ω
机电暂态仿真
机械功率 汽轮机
（Turbine ）
负载设定值
(LD、AGC)
协调控制
（CCS ）
TD
DEMAND_MIN
CV_MIN
1 1 sTOPEN
GOV_MIN
EHC_MAX
DEH Model
Deadband_EHC
1 s
Rate limit
1
1 T sm
EHC_MIN
Σ
Throttle Pressure
PT
1 sTCLOSE
main control valve closing dynamics
六、程序使用
P2
一、开发背景：全过程动态仿真的定义
电力系统分析软件工具
电力系统全过程动态仿真是指将电力系统机电暂态、中期和 长期过程有机地统一起来进行数字仿真
能够描述电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程。
动态过程是一个连续的过程，并不是截然分开的。
暂态过程对中长期过程有影响，中期过程对后续新的暂态过程也 有作用，它们之间密不可分。长过程仿真中，必然对机电暂态过程进 中国电力科学研究院 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 行仿真。
利用全过程进行时域稳定性仿真，可以进行故障或操作后的电网 阻尼特性分析，克服现有小干扰稳定性程序只能进行基于潮流的阻尼 特性进行分析的缺点
时域prony分析
②
•潮流（常规）小干扰： 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
①
故障后 （平衡位置）
P3
一、开发背景：全过程动态仿真的需求 大型互联电网仿真的特点
电力系统分析软件工具
线路有功功率(MW) －－ 晋长治EH 1050.kV～晋长治C1 1050.kV
5,900
低频振荡问题突出，
系 统 摇 摆 周 期 长 （ 7~8
功率 ( MW )
5,800 5,700 5,600 5,500
振荡周期 （ 8 秒）
四、主要数学模型 （1） 常规暂态稳定计算模型
四大模型：发电机、励磁、调速、负荷
电力系统分析软件工具
（2） 火电厂模型 （3） 非线性水轮机模型 （4） 自动发电控制(AGC)模型 （5） 励磁系统的过励和低励限值模型 中国电力科学研究院 中 长 期 动 态
（6） 变电站调压设备和自动电压控制(AVC)模型
网源协调研究
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
研究发电厂动力系统、励磁系统、涉网保护在大干扰后的响应对 电网运行特性的影响；研究自动发电控制(AGC)策略、旋转备用的安 排和分布。
P11
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
电网故障或操作后的小干扰稳定性分析
叶小晖 Email: yexiaohui@epri.sgcc.com.cn 中国电力科学研究院系统所 2014.05.21
主要内容
一、开发背景
电力系统分析软件工具
二、技术特点
三、应用范围 四、仿真模型 中国电力科学研究院 五、算例应用
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
大停电事故的仿真
－连锁性大面积停电故障通常历经十几分钟以上，其中机电暂态 和中长期动态过程密不可分。
慢速动态过程的控制和分析
－调频/调峰：间歇式新能源的功率波动、特高压示范工程联络线 功率波动、大核电基地等。 －电压动态控制：励磁限制、AVC 等 中国电力科学研究院
8.14美加大停电事故（小时级的发展过程）
实现含继电保护和安全稳定控制系统的动态稳定性仿真分析，可 以有效仿真保护和稳定控制系统，校核安全稳定控制策略。
Fra Baidu bibliotek
全过程动态仿真的在线应用
进行15分钟的中长期动态稳定仿真计算，对系统阻尼特性和动态电 压稳定性等影响安全稳定运行的故障和操作、或运行方式变化进行预 中国电力科学研究院 警。 CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
DEH+汽轮机
TM Limit
Electro-Hydraulic Converter dynamics
MW of generater unit MW demand signal Manual or from AGC Speed error
( 0 )
PE
Rate Limit
K1 PE s 11 TT Ts PE
E
频率偏差
( 0 )
KF
Σ ＋Σ
ULD Limiter －CHINA ＋ MWELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE ULD＋ 汽机主控 error
中国电力科学研究院
（Turbine Master）
阀门开度指令
Σ
PT0
主蒸汽压力 PT
－
Σ
锅炉主控
＋
＋
（Boiler Master）
3.
P7
二、全过程动态仿真的技术特点（1） 研究时间 仿真时间跨度大，可以从几秒到几十分钟
电力系统分析软件工具
计算步长
系统快变阶段，采用小步长，保证计算精度和收敛性 系统慢变阶段，采用大步长，缩短计算时间
全过程动态仿真中的步长变化
0.8
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
电力系统分析软件工具
仿真模型
常规机电暂态仿真动态元件模型 中长期动态仿真模型 仿真中机电暂态模型、中长期动态仿真模型不需要切换
中国电力科学研究院 面向对象的编程技术，开放灵活的软件架构 兼容PSD-BPA暂态稳定程序的数据格式（*.swi文件） 用户可定制的动态监视曲线
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
Σ
＋ 锅炉燃烧指令
P19
四、完整的火电厂调速控制模型1（CBF）
WREF Speed (W) Steam chest dynamics PMECH
1 1 sTb
电力系统分析软件工具
Deadband_W
Droop
WR Limiter
Σ
1 R
Σ
DEMAND_MAX
CV_MAX
main control valve opening dynamics
四种控制方式
电力系统分析软件工具
（1）炉跟机（BF） （2）机跟炉（TF）
（3）以炉跟机为基础的协调控制（CBF） （4）以机跟炉为基础的协调控制（CTF）
单元主控（Unit control）
PE
功率指令 （或AGC指令）
DB_W
Rate Limit
WR_Limi t
K1P E s 11 TTPT s
软件实现
P10
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
用于常规暂态和动态稳定的时域仿真
采用自动变步长算法后，计算速度较快（大电网算例通常节省 30%以上计算时间）
连锁故障分析
用于电力系统发生多重连锁反应故障后的全动态过程模拟，进行 复杂和严重事故事后分析，研究事故本质原因，以及防止连锁故障引
起大面起停电等反事故措施 。 中国电力科学研究院
h ( sec. )
0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 Time(sec.) 15 20
小步长－快变过程
大步长－－慢速过程
P8
二、全过程动态仿真的技术特点（2）
电力系统分析软件工具
仿真算法
具有自动变阶变步长功能的数值积分算法 大型方程组的快速分块直接求解算法 基于故障支路的复故障算法
中期动态
1m
10
-7
长期动态
机电暂态
1 10
中国电力科学研究院 10m 1h
100 1000 10000
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
Time(s)
固定的小步长: 保证精度和收敛性
自动变化的大步长: 保证计算效率
梯形积分
自动切换
Gear 算法
P9
二、全过程动态仿真的技术特点（3）
P14
三、程序的应用范围
电力系统分析软件工具
应用小结
（1） 常规暂态稳定 （2） 严重事故、连锁性事故仿真 （3）慢速动态过程控制与分析 ① 二次调频与调峰 中国电力科学研究院 ② 调压控制 （4） 网源协调分析
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
P15