電力系統仿真計算軟件介紹

  關鍵詞： 仿真軟件；EMTP

1引言

    電力系統仿真就是通過建立適當的數學模型來模擬實際電路的一種研究方法，隨著電力系統的不斷擴大和網絡化，實際電力網絡拓撲系統變得越來越復雜，而這時候掌握高效的模擬仿真計算軟件也變得越來越重要，隨著計算機技術的不斷發展，電力系統仿真軟件已成為電力系統工作者進行電力系統規劃、保護、調度及故障研究的重要工具。為使讀者對于電力系統仿真軟件有一個全面、清晰的了解，下面以在電力系統應用 為廣泛的EMTP為例，介紹其歷史、計算原理及程序功能，并介紹當今流行仿真軟件的各自特點。

2EMTP介紹

2.1EMTP的歷史與現狀

    電力系統分析程序EMTP是目前國際通用的一種數字程序。它規模大、功能強， 初由加拿大不列顛哥倫比亞大學(UBC)的H.W.Dommel教授創立，又經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)對程序的開發做了很大的貢獻。近年來成立的括美國、加拿大、日本及歐洲一些國家在內的EMTP聯合發展中心(DCG)和在歐洲成立的另一個EMTP用戶協會(LEC)，都還在為該程序的改進提高和推廣進行著大量的工作。EMTP的UBC版本、BPA版本、DCG版本分別為以上機構各自開發的產品［1］。

        EMTP發展經歷了幾十年時間才日趨完整。首先，1960～1963年H.W.Dommel在德國慕尼黑進行電磁暫態分析程序的研究工作，并對單相回路，含元件R、L、C無損線路，一個開關，一個電源，集中參數用梯形積分法，輸電線路采用貝杰龍法(即特性線法)等建立相應模型算法。而后到1969年，一些組織和個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(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的一篇文章標志著EMTP雛形的完全建立，當時有十多種計算機版本。此后到1973年出現了不少使用組織，除了北美外，還有南美(巴西)，歐洲，日本，澳大利亞，印度等，中國臺灣大約1980年引入，中國大陸1982年初引入。同時出現了微機版本。大約在1984年，美國EPRI(電力科學研究院)成立了DCG，改用OS/2系統。形成了DCGEMTP。

    歐洲一些公司、大學，在歐洲成立了ATPEMTP(微機版本)一直發展到現在，在世界范圍內有許多用戶，特別是 近開發了ATPdraw，通過繪電路圖，在界面上輸入數據，借助微機建立數據文件，使用非常方便。但獲得ATPEMTP表面上不要費用，但必須買他們的使用手冊及相關資料并要寫保證書(不做商業目的)，才能給你口令，從網上下載。

2.2EMTP的模型與算法原理

    電力系統含有電機、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、避雷器等設備，它們結構與功能、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。如果該系統處于穩定狀態下運行，即在某種能量分配狀態工作，設備上的電壓和電流的關系是確定的，也可以說用上述參數表示某一設備的特性是確定的。但當系統發生能量分配狀態改變時，即從一種能量分配狀態過渡到另一種能量分配狀態，我們說發生了暫態過程—電磁暫態。在電磁暫態過程中，由于儲能元件L、C的存在，電壓、電流在傳輸線上的傳播，使得某些設備上出現高電壓或大電流(即過電壓或過電流)，給電力系統中電氣設備帶來危害。研究這一暫態過程稱之為電磁暫態。EMTP就是研究這一過程的有效工具。

    以下通過一節點網絡的變換模擬過程簡單介紹EMTP基本原理。圖1為節點1附近的網絡詳圖，假定前一時刻的電流、電壓為已知，要求現在時刻的電流和電壓。在任何時刻，從節點1經各支路流出的電流必須等于注入的電流i1。

    即節點1有如下關系式：



    對無損均勻長線，忽略R0、G0時為

如果x－ct＝常數，則u＋zi＝常數

其含義為：如果觀察者沿線以速度c運動，則時間為t時它走了：

式中i1(t)也可以是零。

    經過上述等值處理，對任何復雜的電網都可以變為只含電源，電阻性元件，可能還有開關的等值網絡。這樣就可以依據電路定律得到下面的公式，用離散的時間間隔，求解整個暫態的過程。

        整個等值網絡的導納方程式為：

   ［Y］［u(t)］＝［i(t)］－［I］

其中：［Y］為節點導納矩陣；

      ［u(t)］為n節點電壓列向量；

      ［i(t)］為電流源列向量；

2.3EMTP的功能

         EMTP可用來計算單相或多相網絡如：

        (1)某一頻率電源作用下的線性系統相量值，即可計算電力系統中的工頻過電壓；穩態值的計算可作為電磁暫態計算的初始條件。

        (2)程序自動地用步長Δf由fmin到fmax電源頻率的變化，求解某一網絡的自振頻率。

        (3)能計算電路網絡的暫態過程。

        (4)可求解各種非線性網絡。

        EMTP允許模擬下列網絡元件任意組合的網絡：

        4)多相π—網絡，這時前述的標量R、L、C變成矩陣［R］、［L］、［C］。

        5)波在換位或不換位的分布參數輸電線路上傳播的線路，線路可分為無損耗、集中參數電阻、頻率特性等類型。

        6)具有單值單調增的非線性電阻。

        7)具有單值單調增的非線性電感。

         9)具有各類型的開關(時控，氣控等)，可模擬斷路器、間隙放電、以及網絡聯接的變化。

        10)電壓源和電流源。除了標準函數表達式的電源(正弦脈沖階、躍斜角等十多種函數)外，用戶可以通過逐點給出隨時間變化的函數，來確定電源。

    程序的輸出電壓、電流、功率(能量)，以及開關的動作時間。程序的內存單元是可以重新定位的。電磁暫態的初始值可以自動地由程序決定，也可以人為地送入，或二者結合。

    由上述可知EMTP是一種進行電力系統仿真的強大工具，其對研究對象的限制微乎其微，可以用來求解電力系統單相或多相的穩態解與各種類型的暫態解，它可以含有多個集中元件、分布參數、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路［2］、各類型開關、電力電子元件［3］［4］、變壓器［5］及電機、多種類型電源、控制電路的任意組合而成的不同網絡結構。并且根據電網建立起來有很多零元素的導納矩陣，程序使用了稀疏矩陣技術，不但簡化了計算，而且大幅度減少了存儲單元及計算時間。總而言之，它不僅用來研究電力系統的電磁暫態過程，而且可以用來求解一般的電氣電子線路，以及能等價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與實測結果的對比吻合，也證明了其計算結果的可信性。

3當今流行的電力系統仿真軟件

    除了以上介紹的EMTP外，當今比較流行的電力系統仿真軟件還有德國西門子公司開發的NETOMAC軟件，美國電力公司(PTI)開發的PSS/E(Power System Simulator for Engineering)，Mathworks公司開發的MATLAB(大于5.2版本)中所含的Power System Blockset(PSB)工具箱，以及中國電力科學院給出的基于DOS系統的電力系統潮流，暫態穩定和短路電流計算的仿真軟件PSASP［6上述幾種軟件各有各的特點：

         1)EMTP和NETOMAC都是世界范圍通用的電力系統仿真軟件，其特點為計算速度快、結果準確度高、功能強大，幾乎可以對任何復雜電力網絡進行模擬。

        2)PSS/E是一個集成化的交互式軟件，主要用于電力系統的潮流計算，界面友好，可與多種輸出設備相連，輸入輸出可根據用戶要求進行設計，它要求使用者有一定的編程基礎，輸入不如EMTP和PSASP方便［7］。

        3)PSB特點為可以對復雜的控制方法進行仿真，如神經網絡、模糊控制、魯棒特性等，而且界面相當友好，有在線幫助等功能，但其運算速度比其它軟件要慢。

        4)PSASP特點在于其使用簡單，功能簡單齊全，但計算模式有局限性，不易進行復雜模型的算法仿真。

參考文獻

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［1］［加拿大］Dommel H W著，李永莊，林集明，曾昭華譯.電力系統電磁暫態計算理論［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］.電力系統自動化，2000，(5).

［7］張揚，陸承宇，杜振東.電力系統仿真軟件PSS/E簡介［Ｊ］.華東電力，1997，(1).

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