电力系统数字仿真

电力系统数字仿真可分为研究仿真和培训仿真两类。

研究仿真包括各种电力系统电磁暂态和暂态稳定 仿真软件, 如电磁暂态软件 EMTP 和国内电力部门普 遍采用的综合稳定程序以及 M

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t h w o

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k 公司新

近推出的 M A T L A B 等。

培训仿真包括

属于 E M S 的调度员培训仿 真器 D 变电站运行人员培训仿真器和发电厂机组 运行人员培训仿真器。有的 DTS 具有研究仿真的功 能, 因此硬件和软件均很庞大而复杂, 设备昂贵。

研究仿真又可分为非实时仿真和试验用的实时仿 真。电力系统实时仿真目前主要用于继电保护装置和 发电机励磁调节系统的试验, 由于有实物参与, 因此要 求仿真系统是实时的。实时仿真软件必须在一个实

际 步长内完成所有状态变

量和非状态变量的求解计算和 与实物

从系统培训的要求出发, 采用了MATLAB 为开发 平台, 利用该系统的强大功能, 开发了众多适合进行 电力系统继电保护仿真的模块。学员可依据所需仿 真的电力拓扑构造仿真模型, 进行潮流计算、短路计 暂态仿真计算以及继电保护测试和定值校验。 1 潮流计算 在进行系统分析时, 常需进行潮流计算, 因此系 统集成了潮流计算模块。潮流计算采用了模块化的 编程方法。该计算模块采用 C+ + 语言进行编写, 因此计算速度快。另外该模块的核心算法采用了收敛

性较好的牛顿 一 拉夫逊算法, 满足了学员进行潮流计 算的目的。学员利用系统提供的潮流计算作图模块, 通过简易的拖拉作图法即可绘制出需计算的潮流拓 扑图, 通过进行方便的图形参数设置即可进行潮流计算。该方法与传统的填写潮流计算数据卡方法相比 具有更大的方便性, 使学员摆脱了传统计算方法的枯 燥性, 大大提高了学习的兴趣。潮流计算模块的流程 如图 1 所示。

在潮流计算过程中, 系统某些 PV 节点为了维持 给定的电压, 它们的无功出力可能超过允许范围, 特别是当电力系统无功电源不太充裕时更容易出现 PV 节点无功功率越界的情况。因此, 在迭代过程中, 必 须对 PV 节点的无功功率加以监视, 当无功功率超过 给定的范围时, 潮流程序应能把这些节点的无功功率 控制到允许范围之内。 如果 PV 节点 i 的无功功率最大允许值为 Q iM , 在迭代过程中该节点计算的无功功率为

Q i , 那么无 功功率储备应为: Q i = Q iM - Q i 当 Q i 为负时, 说明该点无功功率已经越界, 在 这种情况下, 必须要干预迭代把这个节点的无功功率 减少| Q i | , 使它回到无功功率的上界Q iM 。这样带 来的后果必然使系统各节点电压发生变化, 而变化最 大( 或者说降低最多) 的就是越界点的电压。实际上, 这时节点 i 已由 P V 节点转化为 P Q 节点。 对于牛顿法潮流计算程序来说, 在迭代过程中发 现

P V 节点无功功率越界时, 要 把这一点转化为 PQ 节点, ( Q i M - Q i ) 就作为该点无功功率的误差。在这 种情况下, 修正方程式的结构也要作相应的变化。当 采用功率的极坐标表示式时, 应该在修正方程式中增加一个与 Q i 相应的方程式, 当采用功率的直角坐标式时, 就要以 Q i 的修正方程式代替 V i 2 的修正 方程式。 在计算过程中, 采用了电力网网络节点编号优化 方法。主要采用了动态地按最少出线支路数编号, 即 在节点消去过程中, 每消去一个节点以后, 与该节点 相连的各节点的出现支路数将发生变化( 增加、减少 或保持不变) 。所以, 在每消去一个节点后, 立即修正 尚未编号节点的出现支路数, 然后选其中出线支路数 最少的一个节点进行编号, 就可以预期得到更好的效 果。 通过

运用 本

短路计算

在进行故障、保护动作、整定计算时, 都需要进行短路计算, 为了满足教员短路计算教学的目的, 系统设计了短路计算模块, 学员可选择进行各种对称和不对称的短路计算, 如单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路。学员通过利用短路计算库提供的各种计算模块, 构造所需计算网络的正、负、零序网络, 选择短路类型后即可进行计算, 计算结果将以表格或波形曲线方式显示。短路计算仿真的原理主要是运用了对称分量法、戴维南原理以及电路叠加原理。通过置正序网络中的电源为零, 并外加一个恒定的电压源, 通过测量其电流即可利用戴维南原理求出正序电抗。同理, 可求出电网的负序、零序电抗以及组合电势。程序依据学员所选择的短路类型计算各序电网的短路端口电压。利用各序电网的故障端口电压叠加在故障点上, 各序网的电压、电流即可求出。短路计算的具体流程图以

及所用公式如图2 所示

暂态仿真计算

目前, 可采用的电磁暂态计算程序有EMTP、PSASP 和MATLAB 等。在PSASP 中, 学员需要通过类似填写数据的方式自行设计和定义各种系统元件和控制装置。由于缺乏很好的图形输入界面, 学员在使用中容易觉得枯躁乏味, 从而失去了学习的兴趣。在EMTP 中虽然提供了强大的电磁暂态计算功能, 但由于其中的模块以及算法缺乏很好的开放性, 因此很难在此基础上进行二次开发。在MATLAB 中, 电力系统模型可以在Simulink 环境下直接搭建, 充分利用了其强大的仿真平台以及作图环境的优越性。同时更重要的是, MATLAB 提供了丰富的工具箱资源, 以及大

量的模块, 可以方便地利用这些资源实现各种复杂的控制方法, 如模糊控制方法。此外, 由于MATLAB 的库函数全部由M 文件组成, 使得用户可以直接进行编辑、添加等, 同时库中的大部分模块可供用户查看、修改, 因此, MATLAB 具有良好的开放性, 适合在此平台上进行二次开发。学员利用MATLAB 以及本培训系统所提供的模块, 依据所需仿真的保护模块原理可以自行设计构建仿真模块、构建所需仿真的电网拓扑。系统可进行仿真的线路故障类型有: 单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路和三相接地短路。学员可任意设