電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件介紹

 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；EMTP

　

1引言

    電力系統(tǒng)仿真就是通過(guò)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來(lái)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(lái)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(lái)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 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(guó)際通用的一種數(shù)字程序。它規(guī)模大、功能強(qiáng)， 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(guò)很多專家的共同努力而不斷完善。美國(guó)邦納維爾電力局(BPA)對(duì)程序的開(kāi)發(fā)做了很大的貢獻(xiàn)。近年來(lái)成立的括美國(guó)、加拿大、日本及歐洲一些國(guó)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)，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(kāi)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，1960～1963年H.W.Dommel在德國(guó)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(wú)損線路，一個(gè)開(kāi)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π輸電線路、多相分布參數(shù)(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(guó)臺(tái)灣大約1980年引入，中國(guó)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(guó)EPRI(電力科學(xué)研究院)成立了DCG，改用OS/2系統(tǒng)。形成了DCGEMTP。

    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 近開(kāi)發(fā)了ATPdraw，通過(guò)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，但必須買他們的使用手冊(cè)及相關(guān)資料并要寫(xiě)保證書(shū)(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)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(wàn)別，但從電路的角度來(lái)講，除電源外，總可以用R，L，C(單個(gè)或組合，常量或變量)來(lái)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(shuō)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(guò)渡到另一種能量分配狀態(tài)，我們說(shuō)發(fā)生了暫態(tài)過(guò)程—電磁暫態(tài)。在電磁暫態(tài)過(guò)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(guò)電壓或過(guò)電流)，給電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備帶來(lái)危害。研究這一暫態(tài)過(guò)程稱之為電磁暫態(tài)。EMTP就是研究這一過(guò)程的有效工具。

    以下通過(guò)一節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的變換模擬過(guò)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。

　

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    即節(jié)點(diǎn)1有如下關(guān)系式：
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http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/2009521141645651.jpg" width=301 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

    對(duì)無(wú)損均勻長(zhǎng)線，忽略R0、G0時(shí)為

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如果x－ct＝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：

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式中i1(t)也可以是零。

    經(jīng)過(guò)上述等值處理，對(duì)任何復(fù)雜的電網(wǎng)都可以變?yōu)橹缓娫矗娮栊栽赡苓�有開(kāi)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(guò)程。

        整個(gè)等值網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納方程式為：

   ［Y］［u(t)］＝［i(t)］－［I］

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；

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2.3EMTP的功能

         EMTP可用來(lái)計(jì)算單相或多相網(wǎng)絡(luò)如：

        (1)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(guò)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。

        (2)程序自動(dòng)地用步長(zhǎng)Δf由fmin到fmax電源頻率的變化，求解某一網(wǎng)絡(luò)的自振頻率。

        (3)能計(jì)算電路網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過(guò)程。

        (4)可求解各種非線性網(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)：

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        4)多相π—網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)前述的標(biāo)量R、L、C變成矩陣［R］、［L］、［C］。

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        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(wú)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。

　

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         9)具有各類型的開(kāi)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)式的電源(正弦脈沖階、躍斜角等十多種函數(shù))外，用戶可以通過(guò)逐點(diǎn)給出隨時(shí)間變化的函數(shù)，來(lái)確定電源。

    程序的輸出電壓、電流、功率(能量)，以及開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間。程序的內(nèi)存單元是可以重新定位的。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(lái)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(kāi)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(lái)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(lái)研究電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程，而且可以用來(lái)求解一般的電氣電子線路，以及能等價(jià)地用電氣電路來(lái)分析任何問(wèn)題，都可以用EMTP來(lái)求解。近年來(lái)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外，當(dāng)今比較流行的電力系統(tǒng)仿真軟件還有德國(guó)西門子公司開(kāi)發(fā)的NETOMAC軟件，美國(guó)電力公司(PTI)開(kāi)發(fā)的PSS/E(Power System Simulator for Engineering)，Mathworks公司開(kāi)發(fā)的MATLAB(大于5.2版本)中所含的Power System Blockset(PSB)工具箱，以及中國(guó)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)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)

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［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.

［2］Dufour C,LeHuy H.Highly accurate modeling of frequencydependent balanced transmission lines［Ｊ］. IEEE T POWER DELIVER, APR 2000,15(2):610615.

［3］Chida T, Sato Y,Sugawara J, et al. Simulation study of unified power flowcontroller［Ｊ］. ELECTR ENG JPN, 1999,127(1):2330.

［4］Han BM, Karady GG, Park JK, et al. Interaction analysis model for transmission static compensator with EMTP［Ｊ］. IEEE T POWER DELIVER, OCT 1998，13(4)：12971302.

［5］Tziouvaras DA, McLaren P,Alexander G,et al.Mathematical models for current, voltage, and coupling capacitor voltage transformers［Ｊ］. IEEE T POWER DELIVER, JAN2000, 15(1):6272.

［6］陸超，唐義良，等.仿真軟件MATLAB PSB與PSASP模型及仿真分析［Ｊ］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，(5).

［7］張揚(yáng)，陸承宇，杜振東.電力系統(tǒng)仿真軟件PSS/E簡(jiǎn)介［Ｊ］.華東電力，1997，(1).

職稱論文代寫(xiě)代發(fā)表（國(guó)家級(jí)發(fā)表3個(gè)月，省級(jí)期刊2個(gè)月）...

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