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电力系统数字仿真
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实验验证中心动模与仿真实验室&&& 杨佳
摘　要　：介绍了电力系统数字仿真的概念及其应用，阐述了仿真模型及算法的研究现状，强调对仿真模型准确性评估的必要性，并进一步讨论了电力系统数字仿真技术的发展方向，为从事电力系统仿真工作的人员提供参考。
关键词　电力系统　数字仿真　实时仿真　培训仿真器
1 电力系统数字仿真的含义
　　 仿真(simulation)的广义定义为&仿真是用模型研究系统&。精确的定义为&仿真是用数值模型研究系统在规定时间内的工作特征&。有的论著把在数字计算机上的&活的&模型做试验称为系统数字仿真。
电力系统数字仿真是系统仿真的一个分支。在电力系统领域，人们很早就采用系统仿真的方法研究电力系统，从直流计算台、交流计算台、电力系统动态模型和模拟计算机等物理仿真到电力系统数字仿真。电力系统的科学研究和试验从来都离不开系统仿真技术。在某种意义上，电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学研究水平。电力系统工作者一般把在物理模型上的仿真称为动态模拟，而在数字计算机上数学模型的试验称为数字仿真。
2 电力系统数字仿真的应用
电力系统数字仿真的应用主要分为2个方面。
2.1研究用的电力系统数字仿真
2.1.1电力系统离线仿真
电力系统离线仿真是指对电力系统的物理过程建立数学模型，应用计算机进行仿真计算，其仿真速度与实际系统的动态过程不同。电力系统的离线仿真分析，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真、中长期动态过程仿真及发电机组的轴系扭振等。目前比较流行的电力系统仿真软件有：加拿大不列颠哥伦比亚大学的H．W．Dommel教授创立的电力系统电磁暂态计算程序(EMTP)、德国西门子公司开发的NETOMAC 软件、美国电力公司(PTI)开发的PSS／E、Mathworks公司开发的MATLAB 中所包含的Power System Blockset(PSB)512具箱、中国电力科学研究院给出的电力系统分析综合程序(PSASP)、国电自动化研究院依据扩展等面积法则(EEAC)而设计的电力系统安全定量分析软件(FASTEST)等。
　　上述软件有各自的特点：
(1)EMTP和NETOMAC仿真软件的特点是计算速度快、结果准确度高、功能强大，几乎可为任意复杂电力网络进行模拟；(2)PSS／E是一个集成化的交互式软件，主要用于电力系统潮流计算，界面友好，可与多种输出设备相连，输入输出可根据用户要求进行设计，但它要求用户有一定的编程基础，输入不如EMTP和PSASP方便；(3)PSB可对复杂的控制方法进行仿真，如神经网络、模糊控制、鲁棒性等，且界面相当友好，有在线帮助等功能，但其适宜于对规模不大的电力系统进行仿真分析，在对大型电力系统仿真中，其计算速度比其他软件要慢，没有太多优势；
(4)PSASP特点在于其使用简单，功能简单齐全，但计算模式有局限性，不易进行复杂模型的算法仿真；(5)FASTEST是一个新型暂态安全评估工具，能全面地快速定量评估电网的暂态功角稳定性、暂态电压安全性和暂态阻尼安全性，满足在线动态安全分析要求。
2.1.2电力系统实时仿真
电力系统实时仿真必须按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一个步骤。由于电力系统的实时仿真有实物系统介入仿真模型，所以要求仿真模型的时间比例尺完全等于原始模型的时间比例尺。在实时仿真中采用的算法与非实时仿真的算法要求不同，有如下的一些特点和要求：(1)算法的快速性。这是实时仿真对算法的最基本要求。因为在一个固定的时间间隔内在一定设备条件下要给出下一个采样时刻的实时输出，只有通过构造数字处理过程的快速算法才能缩短数字处理对输入设备响应的时间；(2)算法执行中数据的可取性。也就是说算法所用的信息与实时输入是一致的；(3)算法的鲁棒性。是指在不同的复杂计算环境下，都应该给出合理的计算结果，算法和程序有良好的运行能力；(4)算法的相容性。
电力系统模型可用一组微分代数方程组来描述。在实时仿真计算中， 除一般的Euler法、Runge&Kutta法外，为了仿真大微分代数系统，利用数据解耦思想，提出将微分代数系统分解成微分方程组和代数方程组，将相应的串行算法或并行算法应用到这些分裂后的方程组，就可得到微分代数系统的并行数值仿真模型。
在2O世纪9O年代初，加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司率先推出国际上第一台电力系统实时仿真系统(RTDS)，RTDS的核心软件是EMTDC，图形界面是PSCAD。随后，加拿大魁北克水电研究所的TET公司也开发了电力系统实时仿真系统HYPERSIM，主要用于电力系统电磁暂态仿真，其核心软件是EMTP程序。法国电力公司(EDF)开发的ANENE实时仿真系统，其核心软件也是EMTP。
2.2培训用的电力系统仿真器
目前用于电力系统培训的仿真器有电力系统调度员培训仿真器(DTS)、发电厂单元机组培训仿真器和变电站培训仿真器等。培训仿真器以培训运行、操作人员为目的，要求培训仿真环境具有真实性，仿真器与实际系统具有一致性，并要有灵活的培训支持功能和开放性的特点。
1976年美国Latimer首先提出调度员培训仿真器的概念。1978年春，美国电力科学研究院组织了电力系统调度员培训模拟研讨会，会上由美国CDC等3家公司介绍了数字模拟器。其后DTS的研制生产以前所未有的速度进行。美国、日本等国家和地区的电力公司先后安装了DTS。我国东北电网、华北电网和华东电网也于2O世纪90年代初期相继建立了DTS。目前，调度员培训模拟装置正日益成为提高电网运行水平及事故处理能力的有力工具。1971年，美、Et、英等国几乎同时研制了火电机组全仿真系统，培训效果良好，各国纷纷仿效。1975年美国编制了第一个全复制型培训仿真器国家标准。目前国外电厂培训仿真技术的研制和开发已Et趋成熟。我国清华大学1983年研制成功了国产200MW全复制型培训系统。
3 电力系统仿真模型的研究现状及发展
电力系统数字仿真的基本要求之一是所仿真系统与实际系统的结果尽可能一致，而2种情况的吻合程度在很大程度上取决于仿真所采用模型的准确性。在满足数字仿真精度的同时，要实现数字仿真的快速性，尽可能缩短仿真所花费的时间，这就要求对仿真的模型作适当地简化。因此，在不同的仿真要求和条件下，同时兼顾仿真的快速性和准确性，就必须对同一装置或设备采用多种不同复杂程度的电力系统数学模型。
电力系统数学模型的获取可通过理论分析或系统辨识的方法。其中，发电机一般采用d、q、0坐标下的基本方程，即帕克方程；负荷异步电动机采用以额定频率同步旋转的直角坐标，即X 、Y、0坐标，其数学模型与发电机相似。网络元件系静止元件并假设三相对称，故采用& 、&、0坐标系统。发电机和负荷异步电动机的数学模型经坐标变换与网络方程接口即可进行全系统方程组的联立求解。
4电力系统数字仿真数值计算方法的研究现状及发展
在确定所要仿真系统的模型后，就要着手仿真算法的研究。仿真算法类型繁多，不同算法的适应性不同，需根据具体的仿真系统与仿真要求地选用。一般应依据以下原则：(1)算法的数值稳定性要高；(2)算法的健壮性要好；(3)算法要简单且收敛性好。
4．1 仿真算法的选择
目前一些实用的数值仿真算法有：(1)单步法如尤拉(Euler)法与改进尤拉法、龙格&&库塔(Runge&Kutta)法；(2)线性多步法如哈明(Hamming)算法，阿达姆斯(Adams)算法；(3)针对病态(stif)方程的Gear法、向后差分法、隐式及半隐式龙格&&库塔法等。单步法的优点可以自起步，即由稳态值出发，用通用公式一步步求取数值解，而多步法则不能自起步，因而需要多于一步的状态信息。电力系统仿真计算一般采用单步法。
隐式梯形积分法在电力系统数字仿真软件中被广泛采用，由于它具有数值稳定性好，可采用大步长，并可通过联立求解同步发电机的微分方程和网络的代数方程来消除接口误差等优点。但联立求解非线性方程系采用牛顿迭代法(Newton's IterativeMethod-NIM)，要求每次迭代都对雅可比矩阵三角分解，因而费时较多，其改进算法&&不诚实牛顿迭代法(Dishonest NtM-DNIM)在每步或几步仿真计算中只分解一次雅可比矩阵，但迭代次数会略有增加。例如：提出采用奇异摄动技术进行电力系统动态仿真，每步计算只要求对网络方程而不是对整个系统方程三角分解一次，因而可提高仿真计算速度。
4．2 交替求解与联立求解
牛顿法联立求解系统差分方程和代数方程，避免了交替求解微分方程和代数方程引起的&交接误差&，也避免了迭代解法中元件和网络的接口误差。此外，牛顿法对元件非线性适应能力强、收敛性好、累计误差相对较小。该方法的缺点是每步需要形成和求解雅可比矩阵方程，用时多、编程复杂。交替迭代法在网络方程和动态方程之间有明确的接口，动态模型的修改和增加并不影响网络方程的求解，其计算精度有迭代来保证；而且在动态方程中，还可以根据物理关系将动态方程分成几个层次或几个部分，动态模型的修改和增加最终只影响动态方程
中相关的小部分，程序开发和维护的难度很小。事实上，由于电力系统中新的控制设备(如柔性交流输电系统设备)层出不穷，修改和增加模型不但不可避免而且可能非常频繁。
4．3 变步长技术的采用
步长的处理始终是时域仿真计算中的重要问题之一。在电力系统遭受任何一个扰动瞬间，为了准确反映各变量的大幅度不合，必须采用小步长。但当扰动平息后，如仍长时间采用小步长计算，必将限制仿真速度。因此，应在整个仿真期间，根据给定的允许误差随时自动选取适当的步长。例如：采用Adams自动变步长预报的校正法。
5 电力系统数字仿真的发展与展望
我国未来电力系统的发展充满机遇与挑战，随着全国电网的互联，电力市场化的发展，越来越多新技术的投入使用，计算机技术的日新月异，新的数值计算方法的出现，电力系统数字仿真也将会有新的发展和变化。
5．1 计算机技术的发展
计算机硬件技术的发展使得计算机对运行环境的要求更低，使得硬件的维护、升级更方便，使得软件的可移植性更好。
计算机软件技术的发展推动电力系统仿真的前进。以往电力系统仿真软件的开发基本上是结构化的理论体系，即采用面向功能(function-oriented)的设计思路，该方法使系统组织方式、用户界面和计算功能的组织是专用的、固定的，不同系统之间缺乏共同性和相互综合的可能性。因此系统的通用性和可维护性较差。当系统要进行扩展或修改时，修改的工作量较大，容易导致系统冗余增加，结构变得复杂而且利用率下降。面向对象技术(object-oriented)是解决这一问题的有效途径。程序中类、对象、继承、成员、结构、封装等机制的引入为进一步改善模块的结构和管理，以及模块之间的信息传递提供了便利，其封装性的特点可以保证系统某一功能模块不断扩展和维护，但仍然有许多问题需要进一步研究和探讨。另外，多媒体技术的发展和应用，为开发友好的人机界面提供了可能。
5．2 新元件的建模及原有模型的改进
随着各种新型电力元件的出现，需要增添新的元件模型。如柔性交流输电系统(FACTS)装置的应用在高压互联电网中已成为必然的趋势，因此需建立相应的动态元件模型，以分析其对系统的作用。原有的直流系统模型是一种准稳态模型。随着三峡工程的完成，大功率输电的及全国联网的实现，他们对全国互联电网的影响越来越大，因而需要更准确地模拟其动态行为。原有抽水蓄能电站模型作了较大的简化，随着我国包括天荒坪等抽水蓄能电站的相继完成，有必要对其动态行为进行研究。
5．3 模型定义方式的改进
采用模块化的建模思路，按照标准模块搭建系统模型。另外，允许用户自定义模块和采用动态模型库也是一种有效的方法。这些技术使模型的修改很方便，而且对新出现的电力元件也可容易地建立模型。例如：MATLAB软件开发的MATEMTP软件就是一个很好的方向。
5．4 数字仿真数值方法的新变化
除了现阶段提出的经典数值积分方法外，正在发展一些新算法。如现代数值仿真算法，主要是离散近似法、可调整数值积分法、增广矩阵法、采样控制系统仿真法和面向结构图仿真法等。无论使用哪种仿真算法，都是按环节离散化或按环节使用数值积分公式，无法自动推出整个系统的状态方程。这样，对于整个系统的仿真误差，已不能用截断误差的方法进行分析。另外还有学者提出柔性仿真方法。柔性仿真方法主要指建模仿真过程中的建模框架和仿真算法具有广泛的适应性、扩展性和集成性。引入以上这些新算法为减少计算量，提高计算精度和数值稳定性提供了可能。
5．5 并行计算技术的采用
采用并行计算技术可极大地提高仿真计算速度。
5．6 统一的功角稳定和电压稳定仿真
暂态功角稳定性和暂态电压安全性的研究长期以来一直是相互独立的。事实上，在多机系统中这2种稳定性是紧密联系在一起的。在很多情况下，两者是影响电力系统安全运行密不可分的因素，因此，统一的功角稳定和电压稳定仿真在电力系统动态全过程仿真过程中具有十分重要的意义。
5．7 统一的暂态&&中长期动态全过程仿真
电力系统的动态过程(从机电暂态到长过程动态)是一个连续的过程，机电暂态过程对中长期动态过程有影响，而中长期动态过程对后续新的暂态过程也有作用。早先把两者分别独立进行仿真有可能会导致不准确甚至是错误的仿真结果，因而有必要把两者有机地统一起来进行仿真。
5．8 统一的电磁暂态与机电暂态混合仿真
电力系统发生故障或操作后，将产生复杂的电磁暂态过程和机电暂态过程，两者同时发生并相互影响。由于这两个暂态过程的变化速度相差很大，通常近似地对它们分别进行仿真。随着电力电子设备和高压直流输电技术的广泛使用，机电暂态过程仿真中使用这些设备的准稳态模型或简化模型，会导致仿真结果存在较大误差；另一方面，虽然电磁暂态仿真能够准确表达电力电子设备模型，由于受模型与算法的限制，其仿真规模不大，难以适应于现代大电力系统。电磁暂态过程与机电暂态过程的混合仿真可兼得各自的优点。混杂仿真的关键在于两仿真程序之间的接口问题。
全国电网互联的发展，电力市场化的进程为我国电力系统的发展带来新的挑战和机遇，及时在线掌握电力系统的运行状态显得尤为重要。电力系统自身的特点决定了采取数值仿真方法是解决这一问题的最佳途径。该文系统阐述了目前电力系统数字仿真所采用的模型及数值仿真方法，讨论了电力系统数字仿真技术的发展方向，为电力系统仿真技术的应用和发展提供参考。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&电力时间同步试验网建设现状及展望--《中国电力》2015年10期
电力时间同步试验网建设现状及展望
【摘要】：随着时间同步技术的发展,同时为满足日益增长的电力业务对时间同步的需求,近年来多个省份陆续开展了电力时间同步网的试点工作。介绍了时间同步系统的组成方式和传输网的现状,分析了时间同步试验网中精确时间协议(precision time protocol,PTP)通过同步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)E1专线进行传输的原理,讨论了时间同步试验网的2种组网方案,其一为主从式,其二为主备式。针对时间同步试验网的应用效果,提出了时间同步网建设的建议以及需要解决的问题,希望能为今后要进行的时间同步网规划设计和建设提供参考。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TM76;TM63【正文快照】：
0引言20世纪80年代中期,电力系统开始进入变电站自动化阶段。由于实现变电站自动化对时间有一定的要求,变电站时间同步系统随之出现。发展至今,电力系统仍以变电站建立时间同步系统为主,但整个系统尚未形成时间同步网[1]。时间源头以卫星授时为主,主要包括GPS和北斗系统,其中G
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