電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述

1、第1章電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象1.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目的1.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法1.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的特點(diǎn)1.5 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真思考與練習(xí)題1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象21.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目的41.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法51.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的特點(diǎn)71.4.1 頻率范圍廣71.4.2 元件模型因計(jì)算目的而異81.4.3 行波現(xiàn)象和分布參數(shù)101.4.4 非線性元件和開關(guān)操作161.4.5 元件參數(shù)的頻率特性171.4.6 時(shí)間跨度的要求181.5 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真181.5.1 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的分類181.5.2 電

2、力系統(tǒng)數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)201.5.3 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件21第1章電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),發(fā)電廠發(fā)出的功率與用戶所需要的功率及電網(wǎng)中損耗的功率相平衡,系統(tǒng)的電壓和頻率都是穩(wěn)定的.但電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生故障或需要進(jìn)行操作,常見的電力系統(tǒng)故障有：雷擊電力設(shè)備等雷害故障,短路、接地故障和諧振等電氣故障,斷線等機(jī)械故障.常見的電力系統(tǒng)操作有：(1)斷路器的投切操作,如合空載線路、合空載變壓器、切空載線路、重合閘、甩負(fù)荷等.(2)隔離開關(guān)的投切操作,如母線投切等.電力系統(tǒng)發(fā)生故障或進(jìn)行操作時(shí),系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生急劇變化,系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有可能急促地從一

3、種運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡到另一種運(yùn)行狀態(tài),也有可能使正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)局部甚至全部遭到破壞,具運(yùn)行參數(shù)大大偏離正常值,如不采取特別舉措,系統(tǒng)很難恢復(fù)正常運(yùn)行,這將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)嚴(yán)重的后果.電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變,不是瞬時(shí)完成的,而要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡狀態(tài),這種過(guò)渡狀態(tài)稱為暫態(tài)過(guò)程.電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程通常可以分為電磁暫態(tài)過(guò)程和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程.電磁暫態(tài)過(guò)程指電力系統(tǒng)各元件中電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及相應(yīng)的電壓和電流的變化過(guò)程,機(jī)電暫態(tài)過(guò)程指由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化所引起的電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的變化過(guò)程.雖然電磁暫態(tài)過(guò)程和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程同時(shí)發(fā)生并且相互影響,但由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,結(jié)構(gòu)愈益復(fù)雜,需要考慮

4、的因素繁多,再加上這兩個(gè)暫態(tài)過(guò)程的變化速度相差很大,要對(duì)它們統(tǒng)一分析是十分復(fù)雜的工作,因此在工程上通常近似地對(duì)它們分別進(jìn)行分析.例如,在電磁暫態(tài)過(guò)程分析中,由于在剛開始的一段時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速由于慣性作用還來(lái)不及變化,暫態(tài)過(guò)程主要決定于系統(tǒng)各元件的電磁參數(shù),故常不計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,即忽略機(jī)電暫態(tài)過(guò)程.而在靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性等機(jī)電暫態(tài)過(guò)程分析中,轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速已有了變化,暫態(tài)過(guò)程不僅與電磁參數(shù)有關(guān),而且還與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的機(jī)械參數(shù)(轉(zhuǎn)速、角位移)有關(guān),分析時(shí)往往近似考慮或甚至忽略電磁暫態(tài)過(guò)程.只在分析由發(fā)動(dòng)機(jī)軸系引起的次同步諧振現(xiàn)象、計(jì)算大擾動(dòng)后軸系的暫態(tài)扭矩

5、等問(wèn)題中,才不得不同時(shí)考慮電磁暫態(tài)過(guò)程和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程下面以一個(gè)簡(jiǎn)單開關(guān)接通RL電路的例子,以便獲得對(duì)在電力系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)起關(guān)鍵作用的物理過(guò)程的充分了解.一個(gè)正弦波電壓接通到一個(gè)電感與電阻串聯(lián)的電路上,如圖1-1所示.這實(shí)際上是一個(gè)高壓斷路器閉合到短路的輸電線路或短路的電纜的最簡(jiǎn)單單相表示法.電壓源e(t)=Emsint+日)代表連接的同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì).電感L包括發(fā)電機(jī)的同步電感、電力變壓器的漏電感與母線、電纜與輸電線的電感,電阻表示供電電路的電阻損耗.A*L-chJL.04)圖1-1正弦波電壓源接通到RL串聯(lián)電路假設(shè)t=0S時(shí)合閘,應(yīng)用基爾霍夫電壓定律,得到電路方程diRi+L-=Emsin(o

6、t+6)(1-1)dt該方程為一階常系數(shù)、線性、非齊次常微分方程,其解就是合閘電路的全電流,它由兩局部組成：穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量,即其中穩(wěn)態(tài)分量為Em.R2(L)2.jL,、sint+Htan)(1-2)R暫態(tài)分量,也就是合閘電流的自由分量,記為tiaP=Cept=CeTa(1-3)R1I式中,p=-一,為特征方程R+pL=0的根；Ta=-二一,為暫態(tài)分重電LpR流衰減的時(shí)間常數(shù)；C為由初始條件決定的積分常數(shù)在開關(guān)閉合之前,電感L中的磁通為0,根據(jù)磁通守恒定律,在閉合的瞬間,C2Em2sin(.-tanJ-).O.R2(L)2R由此得到C=JEmsin9tan,處1-4R2L2R從而得到合閘的全

7、電流表達(dá)式為i(t)=_Em_R2(L)2sin(t-tanL)R-Em11LR/L)tsind-tan)eR2(L)2R(1-5)式1-5中的暫態(tài)分量含有e,R/Lt衰減項(xiàng),也稱為直流分量,其系數(shù)為常數(shù),數(shù)值大小取決于電流合閘瞬間,在日-tan也為kn其中k=0,1,2時(shí),R直流分量為0,電流立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài),換言之,不存在暫態(tài)振蕩過(guò)程.但當(dāng)開關(guān)閉合電路不在日-tan,q為kn其中k=0,1,2時(shí),合閘過(guò)程將引起電磁暫態(tài)過(guò)程,在日-tanL為90“時(shí),暫態(tài)過(guò)程將到達(dá)最大電流,如圖1-2所示.R圖1-2開關(guān)合閘的暫態(tài)過(guò)程電流波形1.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目的電磁暫態(tài)過(guò)程分析的主要目的在于分析和

8、計(jì)算故障或進(jìn)行操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流,以便對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì).通常情況下,電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)產(chǎn)生的過(guò)電壓在確定設(shè)備絕緣水平中起決定作用,據(jù)此制定高電壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn),確定已有設(shè)備能否平安運(yùn)行,并研究相應(yīng)的限制和保護(hù)舉措.止匕外,對(duì)于研究電力系統(tǒng)新型快速保護(hù)裝置的動(dòng)作原理及其工況分析,故障測(cè)距原理與定點(diǎn)方法以及電磁干擾等問(wèn)題,也常需要進(jìn)行電磁暫態(tài)過(guò)程分析.另外,調(diào)查事故原因,尋找對(duì)策；計(jì)算電力系統(tǒng)過(guò)電壓發(fā)生概率,預(yù)測(cè)事故率；檢查電氣設(shè)備的動(dòng)作責(zé)能,如斷路器的暫態(tài)恢復(fù)電壓和零點(diǎn)偏移；檢查繼電保護(hù)和平安自動(dòng)裝置的響應(yīng)等,也離不開電磁暫態(tài)過(guò)程的計(jì)算和模擬.電磁暫態(tài)過(guò)程變化很快,一般需要分析

9、和計(jì)算持續(xù)時(shí)間在ms級(jí),甚至是以s級(jí)以內(nèi)的電壓、電流瞬時(shí)值變化情況,因此,在分析中需要考慮元件的電磁耦合,計(jì)及輸電線路分布參數(shù)所引起的波過(guò)程,有時(shí)甚至要考慮三相結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱、線路參數(shù)的頻率特性以及電暈等因素的影響.1.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、平安性和經(jīng)濟(jì)性,在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、分析和研究中必須全面地了解實(shí)際系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性.目前,研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程的手段有3種：(1)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法.(2)應(yīng)用暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀(TransientNetworkAnalyzer,簡(jiǎn)稱TNA)的物理模擬方法.(3)計(jì)算機(jī)的數(shù)字仿真(或稱數(shù)值計(jì)算)方法.系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方

10、法是在實(shí)際的電力系統(tǒng)上直接進(jìn)行試驗(yàn)和研究,六十年代之前經(jīng)常要在實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行短路、操作等試驗(yàn),這種試驗(yàn)對(duì)電力系統(tǒng)的考驗(yàn)是真實(shí)和嚴(yán)格的,以保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、平安性和經(jīng)濟(jì)性,但是系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備帶來(lái)很大危害,短路點(diǎn)的電弧有可能燒壞電氣設(shè)備,很大的短路電流通過(guò)設(shè)備會(huì)使發(fā)熱增加,當(dāng)持續(xù)一定時(shí)間后,可能使設(shè)備過(guò)熱而損傷；很大的短路電流引起的電動(dòng)力有可能使設(shè)備變形或遭到不同程度的破壞；操作試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓可能引起電氣設(shè)備載流局部的絕緣損壞,加劇絕緣材料的老化.即便如此,實(shí)測(cè)對(duì)于研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程仍是非常重要的,它一方面驗(yàn)證TNA及數(shù)字仿真的準(zhǔn)確性,為

11、系統(tǒng)平安運(yùn)行提供依據(jù)；另一方面可以全面研究系統(tǒng)各類元件的參數(shù)特性,為TNA及數(shù)字仿真提供更精確的原始數(shù)據(jù).系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)常常會(huì)遇到困難,有些困難甚至是不可能解決的,利用模型系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和分析就成為一種非常有效的途徑.暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀就是一種用于研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的物理模型系統(tǒng).TNA方法多用于模擬操作過(guò)電壓和交流過(guò)電壓的暫態(tài)現(xiàn)象,同時(shí)通過(guò)改變?cè)匦?TNA也可用來(lái)模擬更高頻率下的暫態(tài)現(xiàn)象.它是在相似理論的指導(dǎo)下,把實(shí)際電力系統(tǒng)的各個(gè)局部,如同步發(fā)電機(jī)、變壓器、輸配電線路、電力負(fù)荷等根據(jù)相似條件設(shè)計(jì)、建造并組成一個(gè)電力系統(tǒng)模型,這樣將一個(gè)高電壓、大電流、體積龐大的電力系統(tǒng),根據(jù)一定的比例轉(zhuǎn)化為

12、一個(gè)低電壓、小電流、體積較小的模擬試驗(yàn)臺(tái),在模擬臺(tái)中出現(xiàn)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象,電壓和電流的波形與它模擬的電力系統(tǒng)是一樣的,用這種模型代替實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行各種正常運(yùn)行與故障狀態(tài)的試驗(yàn)和分析.與系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相比,TNA方法對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備不產(chǎn)生影響,為了縮小模擬裝置的尺寸,節(jié)省電感元件和電容元件,減少模擬設(shè)備的昂貴費(fèi)用,并考慮到現(xiàn)有的技術(shù)條件、模擬精度要求等,選擇恰當(dāng)?shù)谋壤呤欠浅Ｖ匾?TNA具有物理意義清楚,易于理解和使用的優(yōu)點(diǎn),可以屢次重復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)象,便于觀察和研究,北美不少大的電力公司都將TNA作為培訓(xùn)新員工的一種工具.隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的開展,電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度發(fā)生很大變化,

13、采取物理模型的動(dòng)態(tài)模擬方法受到很大限制.與此同時(shí),數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)飛速開展,數(shù)字計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷提升,出現(xiàn)了用數(shù)學(xué)模型代替物理模型的新型模型系統(tǒng).電力系統(tǒng)數(shù)字仿真(DigitalSimulationofPowerSystem)就是將電力系統(tǒng)的電源、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷元件建立其數(shù)學(xué)模型,用數(shù)學(xué)模型在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析的過(guò)程.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的主要步驟為建立各元件數(shù)學(xué)模型、建立數(shù)字仿真模型和進(jìn)行仿真試驗(yàn).建立數(shù)學(xué)模型是處理物理原型與數(shù)學(xué)模型之問(wèn)的關(guān)系,建立數(shù)字仿真模型是處理數(shù)學(xué)模型與計(jì)算之間的關(guān)系.有些數(shù)學(xué)模型是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)的混合數(shù)學(xué)模型系統(tǒng).電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是一門新興

14、的技術(shù)科學(xué),它的產(chǎn)生和開展是同現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展分不開的,數(shù)字仿真與實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)物理模擬相比,不僅節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力,而且不受外部條件的限制,幾乎不受系統(tǒng)規(guī)模和時(shí)間跨度的約束,甚至不受各種暫態(tài)現(xiàn)象頻率范圍的限制(理論上它可以對(duì)各類暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,但是,它需要相關(guān)設(shè)備真實(shí)的頻率特性,有時(shí)候,這種頻率特性是很難得到的.具有無(wú)可比較的靈活性,能到達(dá)試驗(yàn)不可到達(dá)的廣度和深度.譬如我國(guó)南北聯(lián)網(wǎng)這樣的課題,地理上相距數(shù)千公里,跨越了幾個(gè)大電網(wǎng),沒有方法用試驗(yàn)來(lái)分析聯(lián)網(wǎng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題,但通過(guò)數(shù)字仿真發(fā)現(xiàn)南北聯(lián)網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)低頻震蕩問(wèn)題.今天實(shí)際系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法主要是為了建立數(shù)學(xué)模型,取得數(shù)學(xué)

15、模型的參數(shù).1.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的特點(diǎn)1.4.1 頻率范圍廣電力系統(tǒng)中暫態(tài)現(xiàn)象的研究所涉及的頻率范圍廣,從直流到大約50MHz的范圍.高于系統(tǒng)頻率的暫態(tài)現(xiàn)象通常涉及到電磁暫態(tài),而低于系統(tǒng)頻率的暫態(tài)現(xiàn)象主要涉及到機(jī)電暫態(tài)過(guò)程.表1-1給出了多種暫態(tài)現(xiàn)象的起因以及它們通常的頻率范圍.表1-1電力系統(tǒng)暫態(tài)的起因及頻率范圍起因頻率范圍投入變壓器時(shí)的鐵磁諧振(DC)0.1Hz1kHz甩負(fù)荷0.1Hz3kHz故障去除50/60Hz3kHz故障發(fā)生50/60Hz20kHz線路充電50/60Hz20kHz線路重合閘(DC)50/60Hz20kHz斷路器端部故障BTF50/60Hz20kHz短路故障50/6

16、0Hz100kHz斷路器屢次重燃10kHz1MHz雷擊10kHz3MHzGIS故障和隔離開關(guān)操作100kHz50MHz網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)元件的模擬都要與所研究的特定暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍相符合.當(dāng)所研究現(xiàn)象的頻率大于1MHz時(shí),如GIS中由于隔離開關(guān)操作所引起的快速暫態(tài)現(xiàn)象,那么不僅在母線上產(chǎn)生波的傳播,而且施加在變壓器、支柱絕緣子以及在某些情況下管形母線上的彎管處,它們非常小的電容和電感對(duì)模擬結(jié)果都將產(chǎn)生非常重要的影響.表1-1中所列電磁暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍可以分成4組,對(duì)應(yīng)于各暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍之間存在著重疊,圖1-3是國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE對(duì)各種過(guò)電壓的頻率分類；各類的頻率范圍是與其所表示的過(guò)電壓波

17、形的實(shí)際陡度相關(guān)的.研究者必須清楚自己的研究對(duì)象所在的頻率范圍,確定被模擬設(shè)備的頻率特性,只有這樣,才能得到滿意的電磁暫態(tài)分析計(jì)算結(jié)果.HI快波前過(guò)電壓n緩波前過(guò)電壓10kHz-3MHz50/60Hz-20kHzI暫時(shí)過(guò)電壓w特快波前過(guò)電壓100kHz-50MHz0.1Hz-3kHz0.1101001k10k100k1M10M100M頻率Hz圖1-3各種過(guò)電壓的頻率范圍通常,頻率越高,所考慮的現(xiàn)象如過(guò)電壓在時(shí)間上空間上的衰減越快,因此所考慮的物理范圍模擬范圍越小,模擬時(shí)間越短.相對(duì)地,在工頻或與此接近的頻率領(lǐng)域,為了掌握現(xiàn)象的性質(zhì),需要大范圍長(zhǎng)時(shí)間的模擬.圖1-4表示電力系統(tǒng)數(shù)字仿真中各種計(jì)算

18、所考慮現(xiàn)象的時(shí)間幅度和計(jì)算涉及的系統(tǒng)規(guī)模.系統(tǒng)規(guī)模發(fā)電機(jī)數(shù)電壓穩(wěn)定SSR高次諧波潮流100010010過(guò)電壓1微秒1毫秒1小時(shí)圖1-4電力系統(tǒng)各種現(xiàn)象的變化速度和計(jì)算范圍1.4.2 元件模型因計(jì)算目的而異電力系統(tǒng)由各種不同的元件所組成,元件的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程有直接的影響.為此,首先需要研究各元件的動(dòng)態(tài)特性,建立它們的數(shù)學(xué)模型.在此根底上,根據(jù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu),即各元件之間的相互關(guān)系,組成全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,然后采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法進(jìn)行求解,這便是電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的一般方法.然而,由于各元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有所不同,系統(tǒng)各種暫態(tài)過(guò)程的性質(zhì)也不相同.因此,在不同目的暫態(tài)過(guò)程分析中,所考慮的元件種類和

19、對(duì)它們數(shù)學(xué)模型的要求并不相同.例如,在電磁暫態(tài)過(guò)程分析中,所研究的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間通常較短,在此情況下,一些動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較緩慢的元件,如原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)等的影響往往可以忽略不計(jì),而發(fā)電機(jī)定子回路和電力網(wǎng)中的電磁暫態(tài)過(guò)程那么需加以考慮.相反,在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中,那么通常忽略發(fā)電機(jī)定子回路和電力網(wǎng)中的電磁暫態(tài)過(guò)程,而將線路和變壓器等元件用它們的等值阻抗來(lái)描述.另外,就同一種系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程來(lái)說(shuō),對(duì)于不同的分析精度和速度要求,元件所用數(shù)學(xué)模型的精確程度也不相同.一般地說(shuō),在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí),暫態(tài)分析的精度要求可以適當(dāng)降低,這時(shí)各元件可以采用較粗略的數(shù)學(xué)模型,以便提升分析速度.因此,在建立元件數(shù)學(xué)模

20、型時(shí),不但需要研究它們的精確模型.而且需要考慮各種簡(jiǎn)化模型,以適應(yīng)不同的需要.在建立元件模型時(shí)還必須注意研究對(duì)象所處的頻率范圍.例如,在計(jì)算交流過(guò)電壓時(shí),變壓器采用通常的以互感及繞組漏感和電阻表示的模型,如圖1-5(a)所示；但在計(jì)算操作過(guò)電壓時(shí),除了上述要素外,還需要考慮繞組的對(duì)地電容和端子間電容及繞組間電容,如圖1-5(b)所示；而在計(jì)算雷過(guò)電壓時(shí),變壓器模型通常用沖擊電容表示,無(wú)需考慮電感和電阻要素,如圖1-5(c)所示.當(dāng)研究現(xiàn)象的頻率很高時(shí),變壓器和互感器的雜散電容、引線的微小電感對(duì)計(jì)算結(jié)果都有舉足輕重的影響.RiLi理想變壓器l2r2m(c)雷過(guò)電壓計(jì)算用(a)交流過(guò)電壓計(jì)算用Ri

21、LiCl/2-2-Q>/2G/2C12/2T4G2/2J1Cii(b)操作過(guò)電壓計(jì)算用圖1-5變壓器的模型L2R2c22,C2/21.4.3 行波現(xiàn)象和分布參數(shù)電力系統(tǒng)采用長(zhǎng)線路將能源中央發(fā)出的電能輸送給各電力用戶,長(zhǎng)線路的具體形式有架空輸電線路和電纜線路兩種,每微段的線路都呈現(xiàn)自感和對(duì)地電容,即線路是具有分布參數(shù)特性的電路元件.當(dāng)電力系統(tǒng)中某一點(diǎn)忽然發(fā)生雷電過(guò)電壓或操作過(guò)電壓時(shí),這一變化并不能立即在系統(tǒng)其他各點(diǎn)出現(xiàn),而是以電磁波的形式按一定的速度從電壓或電流突變點(diǎn)向系統(tǒng)其他部位傳播.例如,當(dāng)架空輸電線路遭受雷擊時(shí),雷擊點(diǎn)導(dǎo)線將產(chǎn)生雷電過(guò)電壓,該電壓將沿著導(dǎo)線向兩側(cè)傳播.這個(gè)沿線路傳播的

22、電壓以及與其相伴而行的電流波稱為行波.當(dāng)行波到達(dá)變電站或其他節(jié)點(diǎn)時(shí),由于電路參數(shù)的改變,將引起波的折射和反射.這種在分布參數(shù)電路中產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程本質(zhì)上是電磁波的傳播過(guò)程,簡(jiǎn)稱波過(guò)程.實(shí)際電力系統(tǒng)采用三相交流或雙極直流輸電,屬于多導(dǎo)線線路,而且沿線路的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和損耗情況也不盡相同,因此所謂的均勻無(wú)損單導(dǎo)線線路實(shí)際上是不存在的.但為了揭示線路波過(guò)程的物理本質(zhì)和根本規(guī)律,可暫時(shí)不考慮線路的電阻和電導(dǎo)損耗,并假定沿線線路參數(shù)處處相同,即首先研究均勻無(wú)損單導(dǎo)線中的波過(guò)程.1 .波傳播的物理概念假設(shè)有一無(wú)限長(zhǎng)的均勻無(wú)損單導(dǎo)線,見圖i-6(a),t=0時(shí)刻合閘直流電源,形成無(wú)限長(zhǎng)直角波,單位長(zhǎng)度線路的電容

23、、電感分別為C.、Lo,線路參數(shù)看成是由無(wú)數(shù)很小的長(zhǎng)度單元Ax構(gòu)成,如圖1-6(b)所示.r=(in.i,1=Ac-IT-F圖1-6均勻無(wú)損的單導(dǎo)線(a)單根無(wú)損線首端合閘于E;(b)等效電路合閘后,電源向線路電容充電,在導(dǎo)線周圍空間建立起電場(chǎng),形成電壓.靠近電源的電容立即充電,并向相鄰的電容放電,由于線路電感的作用,較遠(yuǎn)處的電容要間隔一段時(shí)間才能充上一定數(shù)量的電荷,并向更遠(yuǎn)處的電容放電.這樣電容依次充電,沿線路逐漸建立起電場(chǎng),將電場(chǎng)能儲(chǔ)存于線路對(duì)地電容中,也就是說(shuō)電壓波以一定的速度沿線路X方向傳播.隨著線路的充放電將有電流流過(guò)導(dǎo)線的電感,即在導(dǎo)線周圍空間建立起磁場(chǎng),因此和電壓波相對(duì)應(yīng),還有電

24、流波以同樣的速度沿X方向流動(dòng).綜上所述,電壓波和電流波沿線路的傳播過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是電磁波沿線路傳播的過(guò)程,電壓波和電流波是在線路中傳播的伴隨而行的統(tǒng)一體.2 .波動(dòng)方程及解為了求出無(wú)損單導(dǎo)線線路行波的表達(dá)式,令x為線路首端到線路上任意一點(diǎn)的距離.線路每一單元長(zhǎng)度dx具有電感L0dx和電容C0dx,如圖1-7所示,線路上的電壓和電流i都是距離和時(shí)間的函數(shù).圖1-7均勻無(wú)損單導(dǎo)線的單元等值電路根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程£i=0可知,'U一.i.i=C0dxidx0t二t：x根據(jù)回路電壓方程uU=0可知,i：:uu=L0dxudx；:t；:x整理得由方程(1-6)對(duì)x再求導(dǎo)數(shù),由方程(1-7)

25、對(duì)t再求導(dǎo)數(shù),:i八u+Co=0(1-6):x:t史+L02=0(1-7)二x.t然后消去i,并用類似的方法消去u得.2二u2x二2u=L°CoJ(1-8)Ft其中Lo、Co為單位長(zhǎng)度電感和電容.-2.二i2.x；：2iLoCo(1-9)ft通過(guò)拉普拉斯變換將u(x,t)變換成U(x,S),i(x,t)變換成(x,S),并假定線路電壓和電流初始條件為零,利用拉氏變換的時(shí)域?qū)?shù)性質(zhì),將式(1-8)、式(1-9)變換成f2U(x,S)一2一一一-R2(S)U(x,S)=0(1-10)2.zo(：)-R2(S)I(x,S)=0(1-11)改S其中R(S)=一v根據(jù)2階齊次線性微分方程性質(zhì),

26、令v=J,那么式(1-10)、(1-11)解:LoCo-SSxxU(x,S)=Uf(S)evUb(S)eV-SSxxI(x,S)=If(S)evIb(S)eV將以上頻域形式解變換到時(shí)域形式為(1-12)(1-13)xxi(x,t)=if(t-)ib(t-)(1-14)xxu(x,t)=Uf(t)+Ub(t+)(1-15)vv式(1-14)、式(1-15)就是均勻無(wú)損單導(dǎo)線波動(dòng)方程的解.3 .波速和波阻抗在波動(dòng)方程中定義v為波傳播的速度.對(duì)于架空線路,1av=i=3m10m/s0；°即沿架空線傳播的電磁波波速等于空氣中的光速度.而一般對(duì)于電纜,波速v七1.5>d08m/s,其傳播

27、速度低于架空線,因此減小電纜介質(zhì)的介電常數(shù)可提升電磁波在電纜中傳播速度定義波阻抗Z二上IfUbib般對(duì)單導(dǎo)線架空線而言,Z為500.左右,考慮電暈影響時(shí)取400G左右由于分裂導(dǎo)線和電纜的L.較小而C0較大,故分裂導(dǎo)線架空線路和電纜的波阻抗都較小,電纜的波阻抗約為十幾歐姆至幾十歐姆不等.波阻抗Z表示了線路中同方向傳播的電流波與電壓波的數(shù)值關(guān)系,但不同極性的行波向不同的方向傳播,需要規(guī)定一個(gè)正方向.電壓波的符號(hào)只取決于導(dǎo)線對(duì)地電容上相應(yīng)電荷的符號(hào),和運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān).而電流波的符號(hào)不但與相應(yīng)的電荷符號(hào)有關(guān),而且與電荷運(yùn)動(dòng)方向有關(guān),根據(jù)習(xí)慣規(guī)定：沿x正方向運(yùn)動(dòng)的正電荷相應(yīng)的電流波為正方向.在規(guī)定行波電流

28、正方向的前提下,前行波與反行波總是同號(hào),而反行電壓波與電流波總是異號(hào),即Ufif二Z匕二-Zib必須指出,分布參數(shù)線路的波阻抗與集中參數(shù)電路的電阻雖然有相同的量綱,但物理意義上有著本質(zhì)的不同：(1)波阻抗表示向同一方向傳播的電壓波和電流波之間比值的大??；電磁波通過(guò)波阻抗為Z的無(wú)損線路時(shí),其能量以電磁能的形式儲(chǔ)存于周圍介質(zhì)中,而不像通過(guò)電阻那樣被消耗掉.(2)為了區(qū)別不同方向的行波,Z的前面應(yīng)有正負(fù)號(hào).(3)如果導(dǎo)線上有前行波,又有反行波,兩波相遇時(shí),總電壓和總電流的比值不再等于波阻抗,即uUfUbiifibUfUb=ZUf_Ub(4)波阻抗的數(shù)值Z只與導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電感L0和電容C0有關(guān),而與

29、線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)4.前行波和反行波卜面用行波的概念來(lái)分析波動(dòng)方程解的物理意義ox首先討論式(1-10),電壓U的第一個(gè)分量Uf(t)o設(shè)任意波形的電壓波vxUf(t-)沿著線路x傳播,如圖1-8所示,假定當(dāng)t=ti時(shí)刻線路上任意位置Xi點(diǎn)v的電壓值為Ua,當(dāng)時(shí)間t=t2時(shí)刻時(shí)(t2>t1),電壓值為Ua的點(diǎn)到達(dá)X2,那么應(yīng)滿足,X1.X2rt1一一=t2-即vvv行波；同樣的方法可以證實(shí)Ub(t十x)表示沿x反方向行進(jìn)的電壓波,稱為反行電vxx壓波.if(t-),ib(t+)的證實(shí)過(guò)程類似.vv為方便將式(1-14)和式(1-15)可寫成i=if+ib(1-16)U=Uf+Ub(1-17)由

30、式(1-16)和式(1-17)可知,線路中傳播的任意波形的電壓和電流傳播的前行波和反方向傳播的反行波,兩個(gè)方向傳播的波在線路中相遇時(shí)電壓波與電流波的值符合算術(shù)疊加定理,且前行電壓波與前行電流波的符號(hào)相同,反行電壓波與反行電流波的符號(hào)相反.5行波的折射和反射當(dāng)波沿傳輸線傳播,遇到線路參數(shù)發(fā)生突變,即波阻抗發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)時(shí),都會(huì)在波阻抗發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生折射和反射.如圖1-9所示,當(dāng)無(wú)窮長(zhǎng)直角波uif=E沿線路1到達(dá)A點(diǎn)時(shí)后,在線路1上除Uf、if外又會(huì)產(chǎn)生新的行波Ub、ib,因此線路上總的電壓和電流為(1-18)U1U1f*U1bi1-i1f,i1b|坨2rLAZjQ波通過(guò)節(jié)點(diǎn),前4A7?0)

31、波逋過(guò)節(jié)點(diǎn)后,時(shí)圖1-9波通過(guò)節(jié)點(diǎn)的折反射4144C0技通過(guò)節(jié)點(diǎn)后,時(shí)設(shè)線路2為無(wú)限長(zhǎng),或在線路2上未產(chǎn)生反射波前,線路2上只有前行波沒有反行波,那么線路2上的電壓和電流為U2=U2fi2-i2f(1-19)然而節(jié)點(diǎn)A只能有一個(gè)電壓電流,因此其左右兩邊的電壓電流相等,即U1=u2,i1=i2,因此有U2f-U1f,U1bI(1-20)12f=lf'lib|將j=乙,U2f=Z2,%=-乙,*=E代入上式得,11f12f11b其中a,P分別為折射與反射系數(shù).U2fU1b2Z2Z1Z2Z2-乙乙Z2E=aEEJ：EJ(1-21)a,P計(jì)算如式1-22所示2Z2a二Z1Z2:_Z2-Z1Z1

32、Z2(1-22)另外,線路是用集中參數(shù)還是分布參數(shù)等值,除跟線路長(zhǎng)度有關(guān),還與暫態(tài)過(guò)程的頻率有關(guān).設(shè)線路長(zhǎng)300m約一本3距,幅值為I的正弦波電流以光速300m/s傳播,如圖1-10所示,AB兩點(diǎn)間的傳播時(shí)間At為1ps.如果是工頻50Hz,兩點(diǎn)的電流的差值最大為3.14X10-4|,這樣可以看成同一值.但如果是100kHz,其差值最大可到達(dá)0.628I.因此在高頻領(lǐng)域,即使距離很短,例如變電站的母線,也要考慮波的傳播過(guò)程,即當(dāng)成分布參數(shù)線路處理.變壓器有時(shí)也要當(dāng)作分布參數(shù)線路處理.圖1-10線路上的波過(guò)程1.4.4 非線性元件和開關(guān)操作電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程往往是因狀態(tài)的變化而造成的.這種變化可

33、以是斷路器正?；蚬收喜僮鞫鹩|頭的閉合或開斷；可以是雷電入侵波或操作過(guò)電壓引起有間隙避雷器間隙擊穿或電流過(guò)零時(shí)電弧的熄滅；也可以是系統(tǒng)發(fā)生故障造成相對(duì)地或相間忽然短接等.在暫態(tài)計(jì)算中把電路中節(jié)點(diǎn)之間的閉合和開斷用廣義的開關(guān)操作來(lái)表示.因此,開關(guān)的計(jì)算模型以及正確處理開關(guān)操作所引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的程序方法,是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算的重要組成局部.電力系統(tǒng)中大局部元件屬于線性元件,或可以近似地認(rèn)為是線性元件,但也有一些元件具有明顯的非線性特性,這些特性對(duì)暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響.典型的非線性元件有避雷器的非線性電阻,如圖1-11所示；變壓器或電抗器等鐵磁元件因鐵心飽和而形成的非線性電感；以及斷路器、保

34、護(hù)間隙的電弧電阻等.因此,在暫態(tài)計(jì)算程序中應(yīng)包括計(jì)及這些非線性元件特性的數(shù)學(xué)模型,并且含有一定的求解非線性電路的數(shù)值分析方法.對(duì)工程計(jì)算來(lái)說(shuō),還希望計(jì)算模型和分析方法盡可能實(shí)用,以便在盡可能短的計(jì)算時(shí)間里,得到具有一定準(zhǔn)確度的結(jié)果.圖1-11避雷器的電壓-電流特性在實(shí)際計(jì)算中,經(jīng)常采用被稱為分段線性化的方法來(lái)處理非線性元件,即把非線性元件的特性用幾段具有不同斜率的直線線段來(lái)表示,把非線性元件局部等值為線性元件.1.4.5 元件參數(shù)的頻率特性在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析過(guò)程中,一個(gè)元件的特性模擬,不只是要作出正確的等值電路,還要模擬它的頻率特性,由于這些頻率特性有時(shí)對(duì)暫態(tài)現(xiàn)象有著決定性的影響.在暫態(tài)計(jì)

35、算中,通常需要考慮頻率特性的元件是架空線路和電纜.架空線路的正序電感/實(shí)際上是常數(shù),在導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)不顯著時(shí),正序電阻R根本上也是常數(shù).零序電感Lo和零序電阻Ro那么因大地回路的趨膚效應(yīng)而與頻率密切相關(guān).圖1-12所示為架空線路電阻和電感的頻率特性.變壓器參數(shù)也有頻率特性,但通常沒有考慮.fiQm1.4.6 時(shí)間跨度的要求穩(wěn)態(tài)計(jì)算的對(duì)象是一個(gè)時(shí)間斷面,而暫態(tài)計(jì)算要模擬一個(gè)時(shí)間過(guò)程.數(shù)字計(jì)算機(jī)不可能連續(xù)地模擬暫態(tài)現(xiàn)象,只能在離散的時(shí)間點(diǎn)步長(zhǎng)At求解,這將會(huì)導(dǎo)致累積誤差.如何減少這類誤差的積累是暫態(tài)仿真程序的重要課題.鑒于暫態(tài)計(jì)算的上述特點(diǎn),暫態(tài)計(jì)算比穩(wěn)態(tài)計(jì)算不管是程序編制還是應(yīng)用難度都要大得多.

36、1.5電力系統(tǒng)數(shù)字仿真1.5.1 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的分類根據(jù)原型系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型和數(shù)字計(jì)算機(jī)三者的特征可以把電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分成各種不同的類型.根據(jù)原型系統(tǒng)狀態(tài)變化的時(shí)間過(guò)程,可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真.連續(xù)系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)量隨時(shí)間連續(xù)變化,它的數(shù)學(xué)模型是一組方程式,包括連續(xù)模型用微分方程描述卜離散時(shí)間模型用差分方程描述和連續(xù)與離散混合模型.離散事件系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)量只在一些時(shí)間點(diǎn)上由某隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化,這類系統(tǒng)在兩個(gè)事件之間其狀態(tài)量保持不變,它的數(shù)學(xué)模型一般只用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖描述.根據(jù)仿真目的,可分為以分析研究為目的的研究用系統(tǒng)仿真和以培訓(xùn)運(yùn)行人員為目的的培訓(xùn)用系統(tǒng)仿真.

37、研究用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真,如電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP,它可用于研究由開關(guān)操作、故障和雷擊等引起的電磁暫態(tài)、電磁諧振和機(jī)電振蕩,也可用于研究交直流換流器、限制系統(tǒng)和繼電保護(hù)裝置等的特性.除此以外,還有大量適合于專門功能的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真程序,如電力系統(tǒng)綜合程序BPA等.培訓(xùn)用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真,如電力系統(tǒng)調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)DTS、變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)等,利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備,將電力系統(tǒng)完整的模擬出來(lái),并可以在上面進(jìn)行正常操作練習(xí)及故障排除練習(xí).培訓(xùn)用的仿真是為了練習(xí)系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)度人員對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的反響和判斷水平,因此要求仿真的環(huán)境盡可能逼真,而對(duì)于仿真精度,只由培訓(xùn)的要求決定.研究用電力系統(tǒng)數(shù)字

38、仿真又可分為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算和暫態(tài)計(jì)算兩大類.當(dāng)需要研究電力系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)特性時(shí),采用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真；當(dāng)研究系統(tǒng)處于受擾動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)特性時(shí),那么采用系統(tǒng)暫態(tài)仿真.兩者的數(shù)學(xué)模型不同,仿真方法也不相同.穩(wěn)態(tài)仿真中有潮流計(jì)算、故障計(jì)算,以及穩(wěn)定計(jì)算和電壓穩(wěn)定計(jì)算中的靜穩(wěn)定計(jì)算.暫態(tài)仿真中有過(guò)電壓計(jì)算、次同步振蕩SSR計(jì)算、暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV計(jì)算、高次諧波計(jì)算,及穩(wěn)定計(jì)算和電壓穩(wěn)定計(jì)算中的暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真根據(jù)研究電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分類如圖1-13所示.圖1-13電力系統(tǒng)數(shù)字仿真根據(jù)研究電力系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)的分類示意圖根據(jù)計(jì)算方法,電力系統(tǒng)數(shù)字仿真又可以分成有效值計(jì)算和瞬時(shí)值計(jì)算兩

39、大類.有效值計(jì)算用于大規(guī)模系統(tǒng)的比較長(zhǎng)時(shí)間的狀態(tài)模擬,而瞬時(shí)值計(jì)算用于局部系統(tǒng)的短時(shí)間的暫態(tài)模擬.有效值計(jì)算通常只使用正序回路,而瞬時(shí)值計(jì)算需要使用三相回路.但是,在包含電力電子設(shè)備的情況,如高壓直流系統(tǒng),由于品閘管等開關(guān)的頻繁動(dòng)作,即使是長(zhǎng)時(shí)間模擬也需要采用瞬時(shí)值計(jì)算.另一方面,由于硬件設(shè)備和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,大規(guī)模系統(tǒng)的瞬時(shí)值在線實(shí)時(shí)計(jì)算也成為可能了.穩(wěn)態(tài)計(jì)算和暫態(tài)計(jì)算中的動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算屬于有效值計(jì)算范疇,其它的暫態(tài)計(jì)算都屬于瞬時(shí)值范疇.1.5.2 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)研究中得到快速的開展,除了計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速開展外,電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是促使其快速開展的重要

40、因素,這些優(yōu)點(diǎn)有：(1)數(shù)字仿真不受被研究電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的限制.世界各國(guó)都在不斷擴(kuò)大電力系統(tǒng)的規(guī)模,大多數(shù)工業(yè)興旺國(guó)家都建立了自己的全國(guó)統(tǒng)一電力系統(tǒng),有些相鄰國(guó)家間還建立了跨國(guó)聯(lián)合電力系統(tǒng).我國(guó)已實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域電力系統(tǒng)的互聯(lián),依托三峽工程,實(shí)現(xiàn)以長(zhǎng)江三峽為中央的全國(guó)統(tǒng)一電力系統(tǒng).隨著規(guī)模的增大,電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜.這些規(guī)模龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng),試驗(yàn)和研究的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法已很難進(jìn)行.在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬上做幾十臺(tái)發(fā)電機(jī)、幾十條輸電線路的電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程試驗(yàn)也是相當(dāng)困難,而采用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真就不存在這些困難,可以進(jìn)行數(shù)百臺(tái)發(fā)電機(jī)和上千條輸電線路的大型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真.(2)保證被研究

41、系統(tǒng)的平安性.電力系統(tǒng)的故障試驗(yàn)、穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)、核電站限制試驗(yàn)等,直接在原型系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)有很大的危險(xiǎn)性,甚至是不允許的,這時(shí),用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的方法是唯一可行的途徑.(3)提升系統(tǒng)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性.在實(shí)際電力系統(tǒng)上做試驗(yàn)要暫停局部用戶供電,需要配備各種測(cè)量設(shè)備、測(cè)量通道、通信工具,要求很多運(yùn)行、調(diào)度人員和測(cè)試人員密切配合,花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力,因此這種試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn).如果用數(shù)字仿真做試驗(yàn),所需費(fèi)用要少得多.而且,數(shù)字仿真試驗(yàn)的設(shè)備一般都可重復(fù)使用,只需少數(shù)計(jì)算人員參加,試驗(yàn)時(shí)間很短.(4)增強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)開展的預(yù)測(cè)性.需要對(duì)未來(lái)電力系統(tǒng)的特性做預(yù)測(cè)性的分析和研究,這些工作在實(shí)際電力系統(tǒng)中難以實(shí)

42、現(xiàn),而系統(tǒng)數(shù)字仿真可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行大量試驗(yàn)和計(jì)算,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和優(yōu)化,還可以對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的假設(shè)條件的合理性進(jìn)行驗(yàn)證.電力系統(tǒng)規(guī)劃的方案是靠仿真得到的；新元件的接入、運(yùn)行方式確實(shí)定是用仿真結(jié)果作為依據(jù)的；新方法研究、新裝置設(shè)計(jì)、參數(shù)確定是用仿真來(lái)確認(rèn)的.電力系統(tǒng)仿真軟件試驗(yàn)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行階段不可或缺的局部.1.5.3電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件世界各國(guó)的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件眾多,目前國(guó)內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件主要有3大類：基于瞬時(shí)值計(jì)算的離線仿真軟件,如EMTP、PSCAD/EMTDC、PSAPAC等；基于有效值計(jì)算的離線仿真軟件,如BPA(包括中國(guó)版BPA)、PSASP

43、PSS/ENETOMAC等;基于瞬時(shí)值計(jì)算的實(shí)時(shí)仿真軟件,如RTDS、HYPERSIM.1 .電磁暫態(tài)分析程序(EMTP)電磁暫態(tài)分析程序EMTP(Electro-MagneticTransientsProgram)是國(guó)際公認(rèn)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)程序,其創(chuàng)始人是加拿大UBC大學(xué)任教的Dommel教授,目前EMTP有三個(gè)版本,即BPA-EMTP、ATP-EMTP和DCG-EMTP.BPA-EMTP是最早由美國(guó)邦納維爾電力局(BonnevillePowerAdminstration,BPA)無(wú)償提供的EMTP版本,其用戶現(xiàn)在大多已轉(zhuǎn)用ATP-EMTPoATP-EMTP是BPA的Scott-

44、Meyer以自己的業(yè)余時(shí)間和資金開發(fā)的BPA-EMTP的替代程序,ATP-EMTP堅(jiān)持無(wú)償提供的原那么,在全世界擁有最多的用戶,是目前國(guó)際上主流版本的EMTP程序.DCG-EMTP是1981年成立的DCG(EMTP合作開發(fā)組織)開發(fā)的EMTP版本,需有償使用.EMTP具有分析功能多和元件模型全等優(yōu)點(diǎn),可以用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真分析,系統(tǒng)可由集中參數(shù)、分布參數(shù)元件、線性與非線性元件、具有頻率相關(guān)參數(shù)的線路、各種類型開關(guān)、電力電子元件、變壓器及電機(jī)、多種類型電源、限制電路的任意組合構(gòu)成,只要是電路計(jì)算的范疇,對(duì)研究對(duì)象幾乎沒有限制.EMTP的計(jì)算精度經(jīng)過(guò)了IEEE和CIGRE等國(guó)際權(quán)威組織的

45、認(rèn)定,因此計(jì)算結(jié)果的可信性很高.實(shí)際上,EMTP是開發(fā)其他的電磁暫態(tài)程序,如EMTDC、RTDS、HYPERSIM的根底.2 .直流電磁暫態(tài)程序(PSCAD/EMTDC)DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴直流研究中央開發(fā)完成了EMTDC(Electro-MagneticTransientsinDCSystem的初版,它既可以研究交直流電力系統(tǒng)問(wèn)題,又能完成電力電子仿真及其非線性限制,是一個(gè)離線仿真的電磁暫態(tài)計(jì)算程序,它有精確的直流元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能,是進(jìn)行直流系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具.事實(shí)上,EMTP程序所采用的電力系統(tǒng)模型和技術(shù)都

46、可以應(yīng)用于EMTDC中.PSCAD(PowerSystemComputerAidedDesign)是其圖形用戶界面,PSCAD的開發(fā)成功,使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析,使電力系統(tǒng)復(fù)雜局部可視化成為可能,而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端.可模擬任意大小的交直流系統(tǒng),在對(duì)直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì).操作環(huán)境為：UNIXOS,Windows95,98,NT；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議.主要功能如下：(1)可以分析系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓；(2)可對(duì)包含復(fù)雜非線性元件(如直流輸電設(shè)備)的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬,其輸入、輸

47、出界面非常直觀、方便；(3)進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域計(jì)算仿真；(4)電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算；(5)實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS限制器的設(shè)計(jì).3. PSAPAC程序PSAPAC由美國(guó)EPRI開發(fā),是一個(gè)全面分析電力系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的軟件工具.功能：DYNRED(DynamicReductionProgram)：網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)等值,保存需要的節(jié)點(diǎn).LOADSYN(LoadSynthesisProgram：模擬靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型.IPFLOW(InteractivePowerFlowProgram)：采用快速分解法和牛頓拉夫遜法相結(jié)合的潮流分析方法,由電壓穩(wěn)態(tài)分析工具

48、和不同負(fù)荷、事故及發(fā)電調(diào)度的潮流條件構(gòu)成.TLIM(TransferLimitProgram)：快速計(jì)算電力潮流和各種負(fù)荷、事故及發(fā)電調(diào)度的輸電線的傳輸極限.DIRECT:直接法穩(wěn)定分析軟件彌補(bǔ)了傳統(tǒng)時(shí)域仿真工作量大、費(fèi)時(shí)的缺陷,并且提供了計(jì)算穩(wěn)定裕度的方法,增強(qiáng)了時(shí)域仿真的水平.LTSP(LongTermStabilityProgram):LTSP是時(shí)域仿真程序,用來(lái)模擬大型電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程.為了保證仿真的精確性,提供了詳細(xì)的模型和方法.VSTAB(VoltageStabilityProgram)：該程序用來(lái)評(píng)價(jià)大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,給出接近于電壓不穩(wěn)定的信息和不穩(wěn)定

49、機(jī)理.為了估計(jì)電壓不穩(wěn)定狀態(tài),使用了一種增強(qiáng)的潮流程序,提供了一種接近不穩(wěn)定的模式分析方法.ETMSP(ExtendedTransientMidtermStabilityProgram)：EPRI為分析大型電力系統(tǒng)暫態(tài)和中期穩(wěn)定性而開發(fā)的一種時(shí)域仿真程序.為了滿足大型電力系統(tǒng)的仿真,程序采用了稀疏技術(shù),解網(wǎng)絡(luò)方程時(shí)為得到最適宜的排序采用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系并采用了顯式積分和隱式積分等數(shù)值積分法.SSSP(Small-signalStabilityProgram)：該程序有助于局部電廠模式振蕩和站間模式振蕩的分析,由多區(qū)域小信號(hào)穩(wěn)定程序(MASS)及大型系統(tǒng)特征值分析程序(PEALS)兩個(gè)子程序組成.

50、MASS程序采用了QR變換法計(jì)算矩陣的所有特征值,由于系統(tǒng)的所有模式都計(jì)算,它對(duì)限制的設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)是理想的工具；PEALS使用了兩種技術(shù)：AESOPS算法和改良Arnoldi方法,這兩種算法高效、可靠,而且在滿足大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性分析的要求上互為補(bǔ)充.4. BPA程序BPA程序是美國(guó)聯(lián)邦政府能源部下屬邦納維爾電力局計(jì)算方法開發(fā)組自20世紀(jì)60年代初期開發(fā)的大型電力系統(tǒng)離線分析程序.該程序采用稀疏矩陣技巧的牛頓一拉夫遜法,并將梯形積分法運(yùn)用于暫態(tài)穩(wěn)定的計(jì)算,形成較為穩(wěn)定的數(shù)值解.BPA程序的結(jié)構(gòu)分為潮流程序和穩(wěn)定程序兩局部.BPA潮流程序主要用來(lái)計(jì)算電力系統(tǒng)潮流.該程序中的負(fù)荷模型包含

51、恒定功率負(fù)荷、恒定電流負(fù)荷和恒定阻抗負(fù)荷模型.可以根據(jù)某節(jié)點(diǎn)上P和Q的擾動(dòng)量,計(jì)算系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)靈敏度、線路靈敏度和網(wǎng)損靈敏度值.程序的輸出具有內(nèi)容詳細(xì)和格式靈活的特點(diǎn),既可以有選擇地列表輸出原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果和潮流分析報(bào)告,也可以應(yīng)用單線圖格式潮流圖形程序及地理接線圖格式潮流圖形程序輸出.BPA穩(wěn)定程序含有9種傳統(tǒng)勵(lì)磁模型和1981年IEEE提出的11種新勵(lì)磁模型,可模擬多種類型的直流型勵(lì)磁機(jī)、交流型勵(lì)磁機(jī)及靜態(tài)型勵(lì)磁機(jī),可以進(jìn)行多端直流的模擬.程序可以在屏幕上輸出最大搖擺角,還可以給出對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)名.BPA程序的主要功能是進(jìn)行大型交直流混合電力系統(tǒng)潮流和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算,同時(shí)還能進(jìn)行短路電流

52、計(jì)算和電網(wǎng)靜態(tài)等值分析等.BPA配備有較完善的輔助工具,包括單線圖和地理接線圖格式潮流圖程序、穩(wěn)定曲線作圖工具.具有計(jì)算規(guī)模大、計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)等特點(diǎn).BPA穩(wěn)定程序中包括詳細(xì)的發(fā)電機(jī)和各種勵(lì)磁系統(tǒng)模型,但沒有提供用戶自定義功能,程序中HVDC、FACTS元件及其限制模型不夠完善.另外,BPA的數(shù)據(jù)格式要求比較嚴(yán)格,與一些國(guó)際上通用的機(jī)電暫態(tài)仿真程序之間的數(shù)據(jù)互換比較困難.中國(guó)版BPA程序是由中國(guó)電力科學(xué)院引進(jìn)、消化、吸收美國(guó)BPA程序1983年9月版本的根底上開發(fā)而成.從1984年開始在我國(guó)推廣應(yīng)用以來(lái),已在我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行和試驗(yàn)研究等各部門得到了廣泛的應(yīng)用,成

53、為我國(guó)電力系統(tǒng)分析計(jì)算的重要工具之一.5. 電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)電力系統(tǒng)分析綜合程序(PowerSystemAnalysisSoftwarePackagePSASP)是中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的一套具有高度集成性、開放性的大型軟件包.PSASP與Execl、AutoCAD>MATLAB等通用的軟件包分析工具有方便的接口,可充分利用其它軟件包的資源.該軟件在我國(guó)高校研究人員和電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)都有廣泛應(yīng)用.PSASP結(jié)構(gòu)分為三層,第一層是公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫(kù),其中包括：電網(wǎng)根底庫(kù)、固定模型庫(kù)、用戶自定義模型庫(kù)和用戶程序庫(kù)等.第二層是基于資源庫(kù)的應(yīng)用程序包,包括穩(wěn)態(tài)分析、故障分析、機(jī)電暫態(tài)分析和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算.第三層是計(jì)算結(jié)果庫(kù)和分析工具,軟件進(jìn)行各種分析計(jì)算后,生成的結(jié)果數(shù)據(jù)以多種形式輸出或轉(zhuǎn)換為Excel、AutoCAD、MATLAB等其他數(shù)據(jù)格式.PSASP的功能主要有穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和機(jī)電暫態(tài)分析.穩(wěn)態(tài)分