論電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇

1、論電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇    摘 要：針對電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇問題，本研究選取了國內(nèi)應(yīng)用比較普遍和易用的三款仿真軟件：Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP，通過軟件特點的列舉及算例介紹，分析了每種仿真軟件的功能強項。為針對不同的仿真對象時選取仿真工具提供參考。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)仿真軟件；Matlab/Simulink；PSCAD/EMTDC；PSASP中圖分類號：TM7431 引言隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真軟件已發(fā)展成為種類繁多、各有側(cè)重的一系列軟件，它們在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。目

2、前，在工程實際中應(yīng)用的主流電力系統(tǒng)仿真軟件有：EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC、PSS/E、PSASP、BPA、SIMPOW 等1。面對眾多的電力系統(tǒng)仿真軟件，如何選擇合適的仿真軟件成為廣大高校師生及工程技術(shù)人員的一道難題。本研究列舉了三種國內(nèi)比較流行的電力系統(tǒng)仿真軟件的特點，并通過實例分析了它們的適用性。2 電力系統(tǒng)仿真軟件對比和選擇電力系統(tǒng)仿真指的是利用數(shù)字模型復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并且通過對實際系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或計劃中的系統(tǒng)2。仿真軟件的開發(fā)初衷、建模思路、所用算法都會對仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以不同的電力系統(tǒng)仿真軟件的功能強項和適用范圍會有所不同。下

3、面就以PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 為例，分析說明它們在實際運用中的異同，為我們選擇合適的軟件提供參考。2.1 電力系統(tǒng)仿真的分類及本研究的定位根據(jù)實際電力系統(tǒng)動態(tài)過程響應(yīng)時間與系統(tǒng)仿真時間的關(guān)系，電力系統(tǒng)仿真可分為實時仿真和非實時仿真3，由于現(xiàn)實軟硬件條件的限制，這里主要考慮的是非實時仿真。根據(jù)仿真所采用的數(shù)據(jù)來源，電力系統(tǒng)仿真可分為在線仿真和離線仿真，這里考慮的是離線仿真。根據(jù)仿真變量的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為頻域仿真和時域仿真，這里主要考慮的是時域仿真。根據(jù)考察的動態(tài)過程的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為電磁暫態(tài)仿真、機電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真，這里主要考

4、慮電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真。2.2 軟件對比表1 PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 功能對比仿真軟件 PSCAD PSASP Matlab/Simulink仿真對象 電磁暫態(tài) 機電暫態(tài) 電磁暫態(tài)功能強項交直流系統(tǒng)特性分析、交直流相互影響、直流工程系統(tǒng)研究、FSC 和TCSC性能研究可計算大規(guī)模交直流混合電力系統(tǒng)，并保存各種計算的歷史結(jié)果；潮流、穩(wěn)定計算，短路電流計算，靜態(tài)安全分析，小擾動分析，電壓穩(wěn)定分析，系統(tǒng)等值以數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達的系統(tǒng)，尤其是控制系統(tǒng)設(shè)計與分析；計算簡化,仿真細致,反映很細微的變化過程。優(yōu)點HVDC 和FACTS 模型完備、圖形化界面能

5、繪制潮流圖，具有用戶自定義功能，提供用戶程序接口，文本和圖形兩種運行模式及多種形式的結(jié)果輸出具有良好的通用性，Simpower庫中含有豐富的電力系統(tǒng)元件模型缺點大規(guī)模電網(wǎng)仿真計算速度較慢、模型搭建工作量較大、需要進行電網(wǎng)等值HVDC、TCSC 等FACTS 設(shè)備模型不夠詳細，自定義功能在實際使用中有局限性計算過程建立在最基本的電路原理和微分方程求解的基礎(chǔ)上并同步計算電磁過程和機電過程,幾乎沒有考慮電力系統(tǒng)的特性應(yīng)用情況國內(nèi)外應(yīng)用廣泛 在我國國家電網(wǎng)系統(tǒng)有較廣泛的應(yīng)用國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛3 算例分析3.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析計算潮流計算、短路計算和網(wǎng)損計算是最常用的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計算，對規(guī)劃中的電力系

6、統(tǒng)，通過潮流計算可以檢驗所提出的電力系統(tǒng)規(guī)劃方案能否滿足各種運行方式的要求；短路電流值則用來做繼電保護的整定依據(jù)；網(wǎng)損計算則可對不同運行方式做經(jīng)濟性分析。PSASP 在對一個較大的供電網(wǎng)絡(luò)進行潮流計算、短路計算和網(wǎng)損計算方面有著明顯的優(yōu)勢：作為一款機電暫態(tài)仿真軟件，它的收斂速度較電磁暫態(tài)仿真軟件快很多，因而適用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真計算；由中國電科院開發(fā)，中文界面，有獨立的潮流計算、短路計算和網(wǎng)損計算的按鈕，操作簡單，易于初學(xué)者上手；有方便的接口程序，可直接以Excel 表格或是文本文檔輸出計算結(jié)果，方便數(shù)據(jù)的閱讀和保存；能繪制潮流圖；圖1 PSASP 繪制的某煤礦井下高壓供電系統(tǒng)圖（局部）圖

7、1 為某煤礦的一條下井線路及其所帶的眾多采區(qū)變電所供電系統(tǒng)圖，按照系統(tǒng)圖在PSASP 中繪制出相應(yīng)的供電系統(tǒng)圖并填入相應(yīng)參數(shù)后，只需按相應(yīng)的計算按鈕就能方便地得到潮流、短路、網(wǎng)損計算的結(jié)果，從而極大地節(jié)省了工作量。3.2 HVDC 仿真為了研究某背靠背換流站在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時的換相失敗過程,利用PSCAD/EMTDC對背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)進行了建模,并在此基礎(chǔ)上對高壓直流輸電系統(tǒng)中常見的故障進行了仿真分析,其中包括逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障的情況。仿真結(jié)果表明,在PSCAD/EMTDC 環(huán)境下建立的模型能夠比較準(zhǔn)確地描述在暫態(tài)過程中背靠背直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)特性,可以為現(xiàn)場運行以及

8、故障分析提供參考。在系統(tǒng)中加入故障檢測控制環(huán)節(jié),根據(jù)電壓和電流的變化,適時增大提前觸發(fā)角,可以有效地預(yù)防換相失敗4。圖2 換流站主接線圖本研究之所以采用PSCAD/EMTDC 來進行建模，并取得了良好的仿真效果，是因為PSCAD/EMTDC 在直流輸電方面有著天然的優(yōu)勢：它的設(shè)計初衷就是應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)性能研究。PSCAD/EMTDC 計算步長采用幾十微秒（甚至可以更?。鼙容^精確地模擬交直流輸電系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)特性。另外，PSCAD/EMTDC 采用了插值算法，即使電壓電流過零點、開關(guān)投切或晶閘管通斷等物理過程發(fā)生在計算步長之內(nèi)，PSCAD/EMTDC 也能通過插值算法精確確定電壓

9、電流過零點、開關(guān)投切或晶閘管通斷的時刻，所以能精確地測量出直流系統(tǒng)的觸發(fā)角和息弧角，因為觸發(fā)角和息弧角是通過換向電壓過零點和閥的通斷信息計算而得的。比如，當(dāng)計算步長采用50s 時，如果不采用插值算法，息弧角的測量誤差大約為1°，如果采用差值算法，息弧角的測量誤差大約只有0.001°。換流閥的息弧角是判斷直流系統(tǒng)是否發(fā)生換向失敗的重要參數(shù)。所以，PSCAD/EMTDC可以對交流系統(tǒng)在對稱故障和不對稱故障情況下直流系統(tǒng)的響應(yīng)進行準(zhǔn)確的分析，包括判斷是否發(fā)生換向失敗以及失敗后的恢復(fù)等。同時，利用PSCAD 的控制元件可以搭建起直流輸電詳細的控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，與換流閥的觸發(fā)控制和

10、解閉鎖控制接口后形成完整的換流系統(tǒng)，納入整個交直流主回路中后，可以對直流動態(tài)性能和交直流系統(tǒng)互相影響等涉及暫態(tài)過程和直流控制保護系統(tǒng)行為的問題進行研究。正是由于PSCAD/EMTDC 有以上優(yōu)點，它被廣泛地用于直流輸電動態(tài)性能、交直流互相影響、直流輸電控制及保護整定等方面的研究。3.3 電力設(shè)備的控制系統(tǒng)仿真針對SVC 控制器的非線性特點，結(jié)合模糊控制和PID 控制的優(yōu)缺點，提出了一種采用模糊和PID 雙?？刂频目刂撇呗裕⒗肕ATLAB 的SIMULINK 搭建了仿真實驗?zāi)Ｐ?。?jīng)過對不平衡負荷和結(jié)合實際設(shè)備礦井提升機的仿真結(jié)果可以看出采用模糊和PID 雙模控制的SVC 調(diào)節(jié)器不僅可實現(xiàn)對無

11、功功率、三相不平衡等多個因素的綜合補償，而且具有較高的魯棒性、響應(yīng)速度和補償精度。圖3 Matlab/Simulink 中SVC 針對不同負荷的一次系統(tǒng)仿真圖圖4 Matlab/Simulink 中模糊PID 控制系統(tǒng)仿真模型本研究用Matlab/Simulink 進行建模，仿真效果良好。Matlab/Simulink 中自帶的模糊邏輯工具箱大大方便了其中的模糊控制系統(tǒng)的搭建和參數(shù)調(diào)試。Matlab 一開始只是作為一款數(shù)值計算工具被開發(fā)出來，Simulink 作為Matlab 的一個附加組件，為用戶提供了一個建模與仿真的工作平臺。結(jié)合Matlab 強大的數(shù)值計算能力及S函數(shù)的方便調(diào)用，當(dāng)面對以

12、數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達的系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)設(shè)計與分析）時，Matlab/Simulink 模型的搭建及仿真就顯得更加簡單方便，所以Matlab/Simulink 越來越成為從事包括電力網(wǎng)絡(luò)、電力電子和控制系統(tǒng)等的完全電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究的重要仿真工具之一。4 電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展趨勢及選擇軟件時考慮的幾個問題隨著計算機通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及軟件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的飛速發(fā)展,電力系統(tǒng)仿真軟件將向網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、實時化和具有更高的開放性、可移植性和可擴展性方向發(fā)展。電力系統(tǒng)仿真軟件也將逐步向電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿真,全過程動態(tài)仿真和大規(guī)模實時仿真系統(tǒng)方向發(fā)展。面對種類繁多的電力系

13、統(tǒng)仿真軟件，可以按以下思路來篩選合適的仿真軟件：自己要具體從事哪個方面的研究開發(fā)分析工作，需要仿真工具軟件具有哪些功能，即該軟件能否滿足你的工作需要；要使用的軟件能否方便地找到；該軟件的價格性能，可以進行研究的規(guī)模；該軟件對硬件的要求，硬件可否滿足；該軟件的權(quán)威正確性，發(fā)展性，應(yīng)用普遍性。5 結(jié)論本文通過算例分析了不同電力系統(tǒng)仿真軟件的功能強項和適用性，并給出了選擇適用仿真軟件的思路。應(yīng)該指出的是，算例中的仿真模型通過不同的仿真軟件都可以搭建，仿真結(jié)果也不會相差太大，但是仿真精度、收斂速度和工作量都會有所區(qū)別5。通過分析可以看出，MATLAB 主要適用于小規(guī)模電力系統(tǒng)仿真,優(yōu)勢是可以實現(xiàn)復(fù)雜的

14、控制方法和模型的自定義,PSASP 更適合仿真大規(guī)模的電力系統(tǒng)，PSCAD/EMTDC 則在直流輸電相關(guān)仿真方面具有優(yōu)勢。參考文獻1 李廣凱，李庚銀電力系統(tǒng)仿真軟件綜述J電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005，27（3）：61-65        2 陳禮義，顧強電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展J電力系統(tǒng)自動化，1999，12（12）：1-63 中國南方電網(wǎng)公司交直流電力系統(tǒng)仿真技術(shù)M，北京：中國電力出版社，2007.1。4 高曉旺，周勇，康魯豫基于PSCAD/EMTDC 的背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)仿真J電力自動化設(shè)備，2007，27（

15、2）：69-745 高偉，何瑞文基于MATLAB 和PSASP 的電力系統(tǒng)仿真研究J廣東電力，2005，18（1）：9-11Discussing on Selection of Power System Simulation SoftwaresShi Chaoyue, Lv Kangfei, Guo Fang, Deng Wei, Zhang XiaoqingSchool of Information and Electrical Engineering, China University of Mining&Technology,Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractAiming at the selection of power system simulation soft wares ,Three power system simulation softwares applied widely and easily use were concerned, Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP,by enumerated the software characteristics and introduction of examples,