电力系统分析软件的现状与发展

电力系统分析软件的现状与发展

作者:

韩祯祥张琦徐政

—浙江大学电机系

电力系统分析软件用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究, 可用来确定规划设计方案、拟定运行方式、整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行

人员作出正确的决策。此外, 还可用于教学和培训。现代化的电网迫切需要现代化的分析手段, 对软件的功能、精度、规模和速度提出了更高的要求, 期望充分利用计算机硬件和软件技术的最新成就分析和处理电网的实际问题。目前, 国际上有多种电力系统分析软件包, 在各国电力系统的实践和研究中发挥了很大的作用。这些软件包可以运行在工作站(如HP、SUN) 和PC 机等硬件平台上, 支持UNIX 和Windows 95 等操作系统。目前在我国应用较为普遍的电力系统分析软件包是由电力科学研究院开发的电力系统综合分析程序(PSASP) 和引进后改进的BPA 程序(邦维尔电力局开发) 。在总结上述软件包特点的基础上,本文探讨了现代电力系统分析软件的发展趋势。

1 超大型集成软件包

1. 1 计算容量不断增大

随着计算机硬件、软件技术的迅猛发展, 现代电力系统分析软件的计算容量也日益增大, 可以处理几万个节点的大规模系统, 能够满足实际电力系统工程的需求。例如, PSAPAC ( 美国EPRI) 软件包中的潮流分析程序( IPFLOW)和小干扰稳定程序( SSSP) 能够处理的系统规模可达12 000 条母线、60 000 条支路、24 000 台变压器、6000 个非线性负荷; SSSP 可以分析的系统状态变量多达22 000个。

分析软件的计算速度也有很大提高, 当然离“实时分析”的要求还有一定距离。使用NETOMAC(德国西门子公司开发的) 计算美国WSCC 系统(600 台发电机、21000 条支路、7 500 个节点和1 600个动态负荷) , 计算的步长取10ms , 在HP9000 工作站上实时仿真1s , 需耗机时约3. 5min , 在PC ( P5 , 133MHz ) 机上则为4. 4min。

1. 2 集成软件包的功能逐渐增加

表1 国际上的几种电力系统分析软件包软件包名称开发者

PSAPAC 美国EPRI

BPA 美国邦维尔(Bonneville) 电力局

PSS/ E 美国PTI 公司

NETOMAC 德国西门子公司

EUROSTAG 法国EDF 和比利时Tractebel

CALPOS ABB 公司

DIGSILENT 德国

EMT96 国际合作开发

ATP 国际合作开发

EMTDC 加拿大Manitoba 高压直流研究中心

PSASP 中国电力科学研究院

随着电力系统的发展, 用户对电力系统分析软件的功能要求越来越多, 也越来越高, 既要求有潮流、短路、暂态稳定计算等常规功能, 又要求能进行电压稳定和系统特征根计算、仿真各种不对称故障与操作、频率扫描、优化计算等较复杂和极端运行条件的计算功能。

新一代的电力系统分析软件应该是一个能够实现多种应用要求的集成化软件包, 一方面, 在统一的界面和数据库条件下, 既能进行时域仿真, 又能进行频域计算, 根据系统工作点的线性化系统的特征值和特征向量, 研究系统的动态稳定性、可控性和可观性等, 适用于控制系统的设计和大系统的行为分析; 另一方面, 还可以进行模型的参数辩识与优化, 根据给定的目标函数和约束条件, 进行优化潮流或优化控制器的整定等。

现代电力系统软件包如NE2TOMAC[1 ] [2 ] 和EUROSTAG ( 法国EDF 和比利时ractebel 开发) [3 ] , 只用一套程序就可以分析电力系统运行的全过程(电磁暂态、机电暂态及中长期稳定) 。程序可自动改变步长, 实现精确的仿真, 应用范围非常广泛。从机电振荡到日常负荷的演变; 从断开线路到频率和电压的集中控制; 从大面积停电到系统的恢复过程; 从调节发电机的控制器到研究灵活交流输电( FACTS) 或高压直流输电(HVDC) 用的电力电子设备。

除用于常规的分析计算外, 还可以实现下述分析功能:

●电动机启动过程动态仿真;

●谐波分析与接地计算;

●频域/ 时域模型的参数辩识;

●距离保护设计与选择性分析;

●优化潮流或控制器的参数;

●网络化简与系统的动态等值;

●轴系扭振分析等。

2 模型与算法

2. 1 元件模型库

电力系统分析计算的准确性依赖于每个系统元件模型的准确性,随着研究工作的不断深入, 电力系统元件的建模工作也取得巨大进展。电力系统分析软件的标准模型库中有: 饱和/ 非饱和情况下的同步/ 异步电机模型、励磁调节器(包括数字励磁) 和调速器模型、原动机模型、锅炉和再热器等模型、饱和/ 非饱和情况下的变压器模型( 双绕组/ 三绕组/ 调压变压器) 、各种输电线模型、HVDC 模型、非线性元件(如饱和电抗器、

避雷器、晶闸管和GTO) 模型、负荷模型等。

随着新的调节器和控制器以及FACTS 应用, 必须扩充原有的模型库, 增添新的模型, 为推动技术进步提供有力的支持。

2. 2 计算方法

电力系统计算方法的发展与应用数学方法的发展是密不可分的。

成功应用的各种数学方法包括: 稀疏矩阵技术、代数方程求解方法、微分方程组的数值积分解法、大规模矩阵的特征值计算方法和线性规划, 内点法等优化方法。这些先进的数学方法大大提高了计算效率,

适应处理大规模实际电力系统的需要。

现代电力系统分析软件运用连续自动变步长的积分技术, 可仅用一套程序实现从电磁暂态到中长期动态过程的宽频带时域仿真, 模拟从10 - 2 Hz 频率的汽轮发电机原动

机的蒸气调节过程, 到106Hz 的雷电波过程等各种电气过程。该算法鲁棒性强, 能根据仿真过程的演变而修改步长, 在不改变程序和模型的情况下连续仿真快速的和慢速的

电气现象, 有效地克服系统时间常数相差较大的困难。可以预料, 随着数学方法的进步, 必将促进计算方法的发展。

3 软件的友好性和开放性

3. 1 友好性

用户不仅要求电力系统分析软件有强大的分析功能和高度的计算准确性, 还要求其界面友好, 容易使用。

3. 1. 1 友好的人机界面

随着X - Windows 和MS -Windows 技术的发展, 图形用户界面( GUI : Graphics User Interface)已成为当今软件的标准界面, 具有学习容易、操作简单、可以定制(Customization) 等优点。GUI 允许用户以图形交互方式, 快速而方便地设计各自的过程模型和建立新的场景, 实现交互式的仿真过程和结果分析。

图形化的输入方式使人感到亲切直观, 避免了可能出现的数据格式错误。用户可以通过GUI 绘制单线图, 输入或修改算例系统的数据。现有的软件包如NETOMAC、PSS/ E

(美国PTI 公司) 、PSAPAC、EU2ROSTAG 等都具有绘制系统单线图和交互式输入数据的功能。计算结果可以形象地表示在图上, 丰富的彩图加深了用户对所仿真的动态过程的理解。

3. 1. 2 软件使用的方便性

软件的“友好”还体现在其使用的方便性, 现代电力系统分析软件常常具有一些实用功能, 以方便用户的使用。例如考虑用户经常使用的操作而增加了自动计算临界切除时间(CCT) 、n - 1 静态安全分析等实用功能。批处理功能把用户的一系列操作记录下来, 以简化重复的工作。

值得一提的是数据预处理模块, 它提供了多种输入数据的校验功能, 对输入数据文件中系统的拓扑结构、母线、支路、变压器等数据的合理性进行检查: 这项校验功能, 通常可以发现用户录入数据过程中的疏漏, 保证原始数据的质量, 方便调试, 有效地提高仿真计算的准确率。

软件使用的方便性也表现它的后处理功能, 例如定制分析报告、组合所需形式和内容的输出表格;对仿真波形进行标度变换或缩放以更清楚地观察曲线的局部细节; 自

如地从计算结果中提取所需的信息等。

3. 2 开放性

随着电力系统的互联、电力市场的发展以及新技术新装置的应用, 要求电力系统仿真软件能够提供灵活开放的接口, 以提高应用的灵活性, 具体表现在以下3 个方面。

3. 2. 1 元件模型库的开放性

传统的标准模型库中各种固定结构和参数的典型模型(如IEEE发电机的励磁系统, 原动机的调速系统、原动机的模型等) 常常不能满足计算和仿真的需要。为提高程序的适用性和灵活性, 现代电力系统分析软件允许用户自定义或修改元件模型。用特别开发的仿真语言作为用户自定义新模型的支持语言。程序能自动生成相应的公式并插入程序, 省去了编程和可能出现的错误。

用户也可藉助人机交互图形界面, 方便而清楚地组合各种基本功能模块(放大、微分等) , 自行组建一些