電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件介紹

1、電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件介紹錢鑫，李琥，施圍（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049）摘要：以電力系統(tǒng)仿真軟件EMTP為例對(duì)其歷史、計(jì)算原理及程序的功能做了較為全面的 描述，另外，文中列舉當(dāng)前幾種較為流行的電力系統(tǒng)仿真軟件及其特點(diǎn)，對(duì)于提高電力工作 者的工作效率有一定幫助。關(guān)鍵詞：仿真軟件；EMTP1引言電力系統(tǒng)仿真就是通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來模擬實(shí)際電路的一種研究方法，隨著電力系統(tǒng) 的不斷擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)變得越來越復(fù)雜，而這時(shí)候掌握高效的模擬仿 真計(jì)算軟件也變得越來越重要，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真軟件已成為電力 系統(tǒng)工作者進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃、保護(hù)、調(diào)度及故障

2、研究的重要工具。為使讀者對(duì)于電力系統(tǒng) 仿真軟件有一個(gè)全面、清晰的了解，下面以在電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的EMTP為例，介紹 其歷 史、計(jì)算原理及程序功能，并介紹當(dāng)今流行仿真軟件的各自特點(diǎn)。2EMTP介紹2.1EMTP的歷史與現(xiàn)狀電力系統(tǒng)分析程序EMTP是目前國際通用的一種數(shù)字程序。它規(guī)模大、功能強(qiáng)，最初由加 拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）的H.W.Dommel教授創(chuàng)立，又經(jīng)過很多專家的共同努力而 不斷完善。美國邦納維爾電力局（BPA對(duì)程序的開發(fā)做了很大的貢獻(xiàn)。近年來成立的包括美 國、加拿大、日本及歐洲一些國家在內(nèi)的EMTP聯(lián)合發(fā)展中心（DCG）和在歐洲成立的另一 個(gè)EMTP用戶協(xié) 會(huì)（LEC），

3、都還在為該程序的改進(jìn)提高和推廣進(jìn)行著大量的工作。EMTP 的UBC版本、BPA版本、DCG版本分別為以上機(jī)構(gòu)各自開發(fā)的產(chǎn)品1。EMTP發(fā)展經(jīng)歷了幾十年時(shí)間才日趨完整。首先，19601963年H.W.Dommel在德國慕尼 黑進(jìn)行電磁暫態(tài)分析程序的研究工作，并對(duì)單相回路，含元件R、L、C無損線路，一個(gè)開 關(guān)，一個(gè) 電源，集中參數(shù)用梯形積分法，輸電線路采用貝杰龍法（即特性線法）等建立相應(yīng) 模型算法。而后到1969年，一些組織和個(gè)人的不斷介入使程序功能不斷得到完善，又建立 了多相n輸電線路、多相分布參數(shù)（包括不同換位情況）和隨頻率變化特性模型。1969年4月IEEE PASH.W.Dommel的一篇

4、文章標(biāo)志著EMTP雛形的完全建立，當(dāng)時(shí)有十多 種計(jì) 算機(jī)版本。此后到1973年出現(xiàn)了不少使用組織，除了北美外，還有南美（巴西），歐洲， 日本，澳大利亞，印度等，中國臺(tái)灣大約1980年引入，中國大陸1982年初引入。同時(shí)出 現(xiàn)了微機(jī) 版本。大約在1984年，美國EPRI（電力科學(xué)研究院）成立了 DCG，改用OS/2系統(tǒng)。 形成了 DCGEM TP。歐洲一些公司、大學(xué)，在歐洲成立了 ATPEMTP（微機(jī)版本）一直發(fā)展到現(xiàn)在，在世界范圍內(nèi) 有許多用戶，特別是最近開發(fā)了 ATPdraw，通過繪電路圖，在界面上輸入數(shù)據(jù)，借助微機(jī) 建立數(shù)據(jù)文件，使用非常方便。但獲得ATPEMTP表面上不要費(fèi)用，但必須買他

5、們的使用 手冊(cè)及相 關(guān)資料并要寫保證書（不做商業(yè)目的），才能給你口令，從網(wǎng)上下載。2.2EMTP的模型與算法原理電力系統(tǒng)包含有電機(jī)、變壓器、輸電線路、電纜、斷路器、電抗器、電容器組、逆變器組、 互感器、避雷器等設(shè)備，它們結(jié)構(gòu)與功能、特性上千差萬別，但從電路的角度來講，除電源 外，總可以用R，L，C（單個(gè)或組合，常量或變量）來表征它們的這些功能、特征。如果該 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，即在某種能量分配狀態(tài)工作，設(shè)備上的電壓和電流的關(guān)系是確 定的，也可以說用上述參數(shù)表示某一設(shè)備的特性是確定的。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生能量分配狀態(tài)改 變時(shí)，即從一種能量分配狀態(tài)過渡到另一種能量分配狀態(tài)，我們說發(fā)生了暫態(tài)過程一電磁

6、暫態(tài)。在電磁暫態(tài)過程中，由于儲(chǔ)能元件L、C的存在，電壓、電流在傳輸線上的傳 播，使得某些 設(shè)備上出現(xiàn)高電壓或大電流(即過電壓或過電流)，給電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備帶 來危害。研究這一暫態(tài)過程稱之為電磁暫態(tài)。EMTP就是研究這一過程的有效工具。以下通過一節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的變換模擬過程簡(jiǎn)單介紹EMTP基本原理。圖1為節(jié)點(diǎn)1附近的網(wǎng)絡(luò) 詳圖，假定前一時(shí)刻的電流、電壓為已知，要求現(xiàn)在時(shí)刻的電流和電壓。在任何時(shí)刻，從 節(jié)點(diǎn)1經(jīng)各支路流出的電流必須等于注入的電流i1。即節(jié)點(diǎn)1有如下關(guān)系式:對(duì)無損均勻長線，忽略R0、G0時(shí)為如果xct =常數(shù)，則u+zi=常數(shù)其含義為：如果觀察者沿線以速度c運(yùn)動(dòng)，則時(shí)間為t時(shí)它走了：式中

7、i1(t)也可以是零。經(jīng)過上述等值處理，對(duì)任何復(fù)雜的電網(wǎng)都可以變?yōu)橹话娫?，電阻性元件，可能還有開關(guān) 的等值網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以依據(jù)電路定律得到下面的公式，用離散的時(shí)間間隔，求解整個(gè)暫態(tài) 的過程。整個(gè)等值網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納方程式為：Y u(t) = i(t) l其中：Y為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；u(t)為n節(jié)點(diǎn)電壓列向量；i(t)為電流源列向量；2.3EMTP的功能EMTP可用來計(jì)算單相或多相網(wǎng)絡(luò)如：某一頻率電源作用下的線性系統(tǒng)相量值，即可計(jì)算電力系統(tǒng)中的工頻過電壓；穩(wěn)態(tài)值的 計(jì)算可作為電磁暫態(tài)計(jì)算的初始條件。程序自動(dòng)地用步長Af由fmin到fmax電源頻率的變化，求解某一網(wǎng)絡(luò)的自振頻率。能計(jì)算電路網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程

8、?？汕蠼飧鞣N非線性網(wǎng)絡(luò)。EMTP允許模擬下列網(wǎng)絡(luò)元件任意組合的網(wǎng)絡(luò)：4）多相n一網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)前述的標(biāo)量R、L、C變成矩陣】R、L、C。5）波在換位或不換位的分布參數(shù)輸電線路上傳播的線路，線路可分為無損耗、集中參數(shù) 電阻、頻率特性等類型。6）具有單值單調(diào)增的非線性電阻。7）具有單值單調(diào)增的非線性電感。9）具有各類型的開關(guān)（時(shí)控，氣控等），可模擬斷路器、間隙放電、以及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的變化。10）電壓源和電流源。除了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)表達(dá)式牡繚?正弦脈沖階、躍斜角等十多種函數(shù)）外， 用戶可以通過逐點(diǎn)給出隨時(shí)間變化的函數(shù)，來確定電源。程序的輸出電壓、電流、功率（能量），以及開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間。程序的內(nèi)存單元是可以重新定 位

9、的。電磁暫態(tài)的初始值可以自動(dòng)地由程序決定，也可以人為地送入，或二者結(jié)合。由上述可知EMTP是一種進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的強(qiáng)大工具，其對(duì)研究對(duì)象的限制微乎其微， 可以用來求解電力系統(tǒng)單相或多相的穩(wěn)態(tài)解與各種類型的暫態(tài)解，它可以包含有多個(gè)集中 元件、分布參數(shù)、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路2、各類型開關(guān)、電力電 子元件3 4、變壓器5及電機(jī)、多種類型電源、控制電路的任意組合而成的不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且根據(jù)電網(wǎng)建立起來有很多零元素的導(dǎo)納矩陣，程序使用了稀疏 矩陣技術(shù)，不但簡(jiǎn)化了計(jì)算，而且大幅度減少了存儲(chǔ)單元及計(jì)算時(shí)間。總而言之，它不僅用 來研究電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，而且可以用來求解一般的電氣電子線路

10、，以及能等價(jià)地用 電氣電路來分析任何問題，都可以用EMTP來求解。近年來EMTP與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比吻合， 也證明了其計(jì)算結(jié)果的可信性。3當(dāng)今流行的電力系統(tǒng)仿真軟件除了以上介紹的EMTP夕卜，當(dāng)今比較流行的電力系統(tǒng)仿真軟件還有德國西門子公司開發(fā)的 NETO MAC 軟件，美國電力公司（PTI）開發(fā)的 PSS/E（Power System Simulator for Engineering）， Mathworks 公司開發(fā)的 MATLAB（大于 5.2 版本）中所包含的 Power System Blockset （PSB）X 具箱，以及中國電力科學(xué)院給出的基于DOS系統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流，暫態(tài)穩(wěn)定和短

11、路電流計(jì) 算的仿真軟件PSASP 6。上述幾種軟件各有各的特點(diǎn)：1）EMTP和NETOMAC都是世界范圍通用的電力系統(tǒng)仿真軟件，其特點(diǎn)為計(jì)算速度快、結(jié) 果準(zhǔn)確度高、功能強(qiáng)大，幾乎可以對(duì)任何復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬。2）PSS/E是一個(gè)集成化的交互式軟件，主要用于電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算，界面友好，可與多 種 輸出設(shè)備相連，輸入輸出可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，它要求使用者有一定的編程基礎(chǔ)， 輸入不如EMTP和PSASP方便7。3）PSB特點(diǎn)為可以對(duì)復(fù)雜的控制方法進(jìn)行仿真，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、魯棒特性等，而 且界面相當(dāng)友好，有在線幫助等功能，但其運(yùn)算速度比其它軟件要慢。4）PSASP特點(diǎn)在于其使用簡(jiǎn)單，功能簡(jiǎn)

12、單齊全，但計(jì)算模式有局限性，不易進(jìn)行復(fù)雜模型 的算法仿真。參考文獻(xiàn) 1加拿大Dommel H W著，李永莊，林集明，曾昭華譯.電力系統(tǒng)電磁暫 態(tài)計(jì)算理論M .北京：水力電力出版社，1991. TOC o 1-5 h z 2 Dufour C,Le Huy H.Highly accurate modeling of frequency dependent balan ced transmission lines J . IEEE T POWER DELIVER, APR 2000,15(2):610615.3 Chida T, Sato YSugawara J, et al. Simulatio

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