PSASP电力系统仿真研究毕业设计论文.docx
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PSASP电力系统仿真研究毕业设计论文
摘要
随着现代化电网的开发和商业化运营，电网规模日益巨大，电力系统运行越来越接近运行极限，加之经济性和安全稳定性相互制约，使得系统的其安全稳定性更加复杂。
电力系统稳定性一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果。
那么我们所设计电网是否能满足要求呢？
又怎样对电网进行更可靠的监测？
我们需要一种能够模拟电网软件，PSASP就是众多中仿真软件一种，该论文首先对PSASP电力系统模拟仿真软件的历史，发展，功能，意义等方面进行了介绍，并且采用电力系统综合程序模型即（PSASP电力系统模拟仿真软件）结合实例进行潮流计算，基于潮流计算得到的结果进行暂态稳定分析，基于潮流的短路计算分析。
关键字：
电力系统仿真，潮流，暂态稳定，短路计算
Withmodernizationdevelopmentandcommercializationofgridoperations,gridscaleisbecominghuge,runningthepowersystemoperationJinlimit,combinedwitheconomyandsecurityandstabilityconstraints,andsystemsafetyandstabilityofitsmorecomplex.Oncethedamagedpowersystemstability,willinevitablyleadtohugeeconomiclossesandcatastrophicconsequences.Sowedesignedittomeetthepowerrequirements?
Howthepowergridmorereliablemonitoring?
Weneedacansimulatethepowersystemsoftware,PSASPsimulationsoftwareinakindoflargenumbersofthefirstpapersonpowersystemsimulationsoftwarePSASPthehistory,development,function,significance,andsowereintroduced,andusingpowersystemmodelscalledcomprehensiveprocedures（PSASPpowersystemsimulationsoftware）withanexampleflowcalculation,basedonthetrendofthecalculatedresultsoftransientstabilityanalysis,basedonthetrendofshort-circuitcalculation.
Keywords:
powersystemsimulation,powerflow,transientstability,shortcircuitcalculation
第一章 概述及基础数据库
1.1PSASP概述
《电力系统分析综合程序》（PowerSystemAnalysisSoftwarePackage,PSASP）是由中国电力科学研究院研发的电力系统分析程序。
主要用于电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案；运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施；科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题以及高等院校用于教学和研究。
基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，PSASP可进行电力系统（输电、供电和配电系统）的各种稳态分析、故障分析及机电暂态分析计算。
PSASP有着友好、方便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作，自定义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输出。
PSASP与Excel、AutoCAD、Matlab等通用的软件分析工具有着方便的接口，可充分利用这些软件的资源。
1.2PSASP的三层体系结构
PSASP是一个资源共享，高度集成和开放的大型软件包，其结构分为三层，如下图所示：
1.2.1公用数据和模型的资源库
电网基础数据库：
包括发电机、负荷、变压器、交直流线等电网基本元件，提供了各种分析计算的基本数据支持。
固定模型库：
包括发电机、负荷、调压器、调速器、PSS、直流输电、静止无功补偿器等模型，提供了电力系统常用的模型支持。
用户自定义模型库：
由用户自定义（UD）方式建立的各种元件模型构成，用以扩充PSASP的模型功能支持。
用户程序库：
由用户程序接口（UPI）方式实现的一些模型和功能程序构成，用以支持PSASP运行。
1.2.2基于资源库的应用程序包
在电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持下，可进行各种计算分析。
其中包括：
稳态分析：
潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析、静态等值等；
故障分析：
短路计算、复杂故障计算、继电保护整定计算等；
机电暂态分析：
暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计算、小干扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制系统参数优化与协调、电磁-机电暂态分析的次同步谐振计算等。
1.2.3计算结果库和分析工具
执行各种分析计算后，即生成相应的结果数据库，以便进一步采用不同的手段进行分析。
它们的共同点是：
保存各种计算的历史结果
提供各种计算常用的固定报表
具有灵活方便的用户自制报表
能自动生成的图示化结果
可在系统单线图和地理位置接线图上标注计算结果
能生成各种计算结果的曲线
具有方便实用的结果编辑报表和曲线
提供转换为Excel，AutoCAD，Matlab的接口
1.3PSASP计算流程
PSASP计算的流程和结构如下图所示：
图中，虚线以上是各种计算（潮流、暂态稳定、短路等）的公共部分，即基础数据准备。
可通过文本和图形两种方式建立和编辑，最终生成可供各种计算分析的电网基础数据库。
虚线以下为各种计算特有的部分。
其中需要用户参与的有两部分：
其一是计算作业的定义。
确定电网的结构，运行方式及计算的控制（计算方法，迭代误差、控制功能的投入等）。
这里有文本和图形两种方式支持。
其二是计算结果的编辑和输出。
即选择输出的范围和内容，这里有文本和图形两种方式：
文本方式是生成报表、报表文件和简单图示；
Ø图形方式是在单线图上直接标识。
1.4PSASP的电网基础数据库
1.4.1电网数据分类
PSASP中根据物理特性和计算需要将数据分为四类：
（1）基础数据：
基于物理特性的电力系统元件库及元件公用参数库，是电力系统分析计算的基础数据，这些数据比较稳定，且与执行什么计算无关。
（2）计算数据：
根据不同计算的需要，与计算密切相关的数据。
如：
暂态稳定计算所需的控制信息，故障信息，这部分数据多是些临时性的控制信息数据，需要不断地调整和修改。
（3）结果数据：
各种计算结果的数据，这些数据与执行什么计算相关。
（4）用户自定义模型数据：
作为扩充PSASP功能的用户自定义（UD）模型及其参数库。
这部分虽与执行什么计算有关，如有潮流计算的UD模型和暂稳计算的UD模型之分，但它一次建好，可为多个电网所使用，因此是非常稳定的。
1.4.2基础数据的内容
电网基础数据库是支持PSASP各种计算的公用数据库，分为基本元件库和元件公用参数库，由这两个库共同完成电力系统各元件的数据描述。
每个数据库按元件不同又设置了若干个数据表。
（1）基本元件数据库
该库主要存放输电线、变压器，一次设备（发电机、负荷、直流、静补）和二次装置（调压器、调速器，PSS等）等系统元件的数据。
（2）元件公用参数数据库
在基本元件数据库中，其中有些元件，如：
发电机及调节器（调压，调速，PSS）、负荷、静补、直流等存在着不同的记录中含有相同数据的情况。
因此，把相同的数据抽出来，作为公用参数库，这样系统各种元件（如发电机）的参数，只需填写一个参数组号，就可共享参数库中的相应参数，从而可进一步减少数据的冗余度。
基本元件和公用参数两个数据库所包含的数据表及其之间的关系如下表所示。
基本元件数据库各表
公用参数数据库各表
母线
交流线
两绕组变压器
三绕组变压器
移相变压器
直流线
直流线调节器参数
发电机及其调节器
发电机参数
1型调压器参数
2型调压器参数
调速器参数
电力系统稳定器（PSS）参数
负荷
负荷静特性参数
感应电动机参数
静止无功补偿器
1型静补参数
2型静补参数
变电站主接线
零序互感
区域数据
（三）基础数据的组织
1.母线数据库是首先要建立的基本数据
在基本元件数据库中，母线数据有如下特点：
其它元件均与母线相联系；
母线数据表中的各项数据，如：
基准电压，所属区域，断路器额定短路容量等，均极少变化。
因此，该数据表的数据是很稳定的，不需要通过数据组（Group）将其分为几套数据，所以，在该数据表中，未设Group字段。
对于某种计算（潮流，暂稳，短路等）的某种计算方案而言，该方案所涉及的线集合由交流线、变压器、直流线等元件的数据组（Group）所确定的网络拓扑结构而定。
该计算方案母线集合是母线数据表中的一部分。
2.数据组（Group）字段的设计和应用
除母线外，其他电力系统元件数据，都含有一个Group字段，即数据组字段，该字段起着给数据分类命名的作用，即将某种元件的数据集合分为若干个子集，数据组（Group）即是这些子集的名称。
可利用Group字段，将一个数据库的数据根据需要合理组织和科学命名，以便计算时，按指定的Group抽取，从而起到灵活定义电网规模结构和运行方式的作用。
在执行各种计算时，需要定义所要计算的方案（Scheme）。
一个Scheme是若干个（最多30个）Group的合集，即Scheme=Group1+Group2+…+Group30，其交集（重叠）部分的内容由最后的Group决定。
例如：
SchemeA=Group1+Group2，如下图所示：
交集C的数据由Group2决定。
1.4.3基础数据的建立和编辑方法
基础数据的建立和编辑方法常用的有以下三种：
1.文本方式
在文本方式环境中（点击主画面中的“文本支持环境”按钮进入），点击菜单条中的“数据”，便弹出基本元件数据库子菜单：
再点击某一项，便进入编辑该表的画面。
尽管各表的内容不同，但画面风格一致。
都有工具条，按钮，数据标题栏及解释说明条，使用户很容易了解各项的内容及如何填写。
一幅画面对应数据表的一条记录，翻一个画面便换另一个记录。
此外，还可以通过画面中的“浏览”按钮，以浏览方式编辑数据，该方式如同填写表格，便于各记录间的数据比较。
2.图形方式
在图形数据编辑环境（在主画面中，点击“图形支持环境”按钮，再点击“编辑模式”按钮进入）中，在绘制电力系统单线图各元件的同时，即可建立和编辑各元件的数据，形成一图形数据的交互环境。
具体分为以下两种情况：
在绘制某一元件时，如某一发电机，若该机尚未建立数据，则弹出编辑该发电机数据的画面（与文本方式的画面相同），则可随即建立其相应数据。
双击图上的某一元件，如某一发电机，即弹出该发电机的数据编辑画面，从而可填写或修改各项数据。
3.从其他目录导入
为了实现PSASP6.0以上版本数据间的方便共享，可通过从其他目录导入功能，导入其他目录的基础数据库、公用参数库、单线图、地理位置接线图等数据图形信息。
第二章电力系统的潮流计算和分析
2.1潮流计算概述
2.1.1潮流计算
潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。
通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。
待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。
2.1.2潮流计算的用途
潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。
对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件（线路、变压器等）是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等。
潮流计算是电力系统分析最基本的计算。
除它自身的重要作用之外，在《电力系统分析综合程序》
（PSASP）中，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。
2.1.3潮流计算问题的数学模型特点
潮流计算在数学上可归结为求解非线性方程组，其数学模型简写如下：
F（X）=0为一非线性方程组
其中：
F=（f1:
f2:
......fn）T为节点平衡方程式；
X=（x1:
x2:
......fn）T为待求的各节点电压。
由此决定该问题有以下特点：
①迭代算法及其收敛性
对于非线性方程组问题，其各种求解方法都离不开迭代，因此，存在迭代是否收敛的问题。
为此，在程序中开发了多种计算方法：
PQ分解法
牛顿法（功率式）
最佳乘子法
牛顿法（电流式）
PQ分解牛顿法
供计算选择，以保证计算的收敛性。
②解的多值性和存在性
对于非线性方程组的求解，从数学的观点来看，应该有多组解。
根据程序中所设定的初值，一般都能收敛到合理解。
但也有收敛到不合理解（电压过低或过高）的特殊情况。
这些解是数学解（因为它们满足节点平衡方程式）而不是实际解。
为此需改变运行条件后再重新计算。
此外，对于潮流计算问题所要求的节点电压的分量（幅值和角度或实部和虚部）。
只有当其为实数时才有意义。
如果所给的运行条件中无实数解，则认为该问题无解。
因此，当迭代不收敛时，可能有两种情况：
一是解（指实数解）不存在，此时需修改运行方式；另一是计算方法不收敛，此时需更换计算方法。
2.2PSASP潮流计算的主要功能和特点
PSASP潮流计算的主要功能和特点可概括为以下几个方面：
（1）一般功能特性
可计算交直流混合电力系统
可考虑负荷静态特性
除可考虑一般的PQ节点外，还可对该节点的电压值加以限制，如：
Vmin≤V≤Vmax
除可考虑一般的PV节点外，还可对该节点的无功功率加以限制，如：
Qmin≤Q≤Qmax
具有区域功率控制的功能
系统的缓冲点（slackbus）可设多个。
这样，几个孤立的子系统可以同时计算。
对于计算不收敛的情况也可用增设缓冲点的方法，先使其收敛，然后再通过计算结果分析查找原因。
（2）程序中提供了下列控制调节功能：
用某一母线的电压或无功功率去控制同一母线或另一母线的电压值
用某一母线的电压或无功功率去控制某一线路的无功功率
用注入某一母线的有功功率去控制某一线路的有功功率
用某一线路的电抗（jX）值去控制某母线电压或某线路的有功功率或无功功率
用某一变压器的变比（Tk）值去控制某母线的电压或某线路的无功功率
可模拟移相器的功能，其中包括给定幅值和相角（Tk）的模型和给定幅值（Tk）并控制某线路有功功率（Pij）为给定值的模型
（3）通过用户自定义建模方法，用户可建立各种模型实现多种功能
系统调度自动化中自动发电控制（AGC）
联络线（一条或多条）功率控制
可控硅控制的静止补偿器、自动投切的电容器和电抗器
可控硅控制的移相器、可控串联电容补偿器等电力电子控制设备及其它灵活交流输电系统（FACTS）
元件的模拟,各种负荷特性的模拟
2.3PSASP潮流计算方法
由于潮流计算是否收敛，不仅与被计算的系统有关，而且和所选用的计算方法也紧密相关。
因此PSASP潮流计算程序提供了下列方法供用户选择。
2.3.1PQ分解法
该方法基于牛顿法原理，再根据电力系统线路参数R/X比通常很小的情况，对求解修正量的修正方程系数矩阵加以简化，使其变为常数阵（即所谓的等斜率），且P、Q迭代解耦。
这样可减少每次迭代的计算时间，提高计算速度，又不影响最终结果，因此是通常选用的一种方法。
但在低电压配电网中，当线路R/X
比值很大时，可能出现不收敛情况，此时应考虑更换其它方法。
2.3.2牛顿法（功率式）
该方法的数学模型是基于节点功率平衡方程式，再应用牛顿法形成修正方程，再求每次迭代的修正量。
该方法通常收敛性很好。
2.3.3最佳乘子法（非线性规划）
该方法首先将潮流计算求解非线性方程组的问题化为无约束的非线性规划问题。
在求解时把用牛顿法所求的修正量作为搜索方向，再根据所求出最佳步长加以修正。
该方法属非线性规划原理，原则上能求出其解（若存在）或断定问题无解。
但由于数值计算的因素比较复杂，实际应用时并非完全理想化。
通常在迭代过程发生振荡的情况，若最佳乘子逼近于0，说明问题无解；若最佳乘子保持在1附近则要考虑其它的因素。
2.3.4牛顿法（电流式）
该方法与牛顿法（功率式）的区别是其数学模型基于节点电流平衡方程式。
该方法通常收敛性很好。
2.3.5PQ分解转牛顿法
牛顿法迭代的特点是要求初值较好，且在迭代接近真解时，收敛速度非常快，为此设计了PQ分解转牛顿法。
该方法是先用PQ分解法，当迭代达到一定精度时，转牛顿法，使牛顿法能获得较好的初值，这样可改善其收敛性，加快计算速度。
2.4潮流计算流程
潮流计算流程
PSASP潮流计算的流程和结构如下图所示：
说明：
①虚线以上是各种计算（潮流、暂态稳定、短路等）的公共部分，即基础数据准备。
可通过文本和图形两种方式建立和编辑，最终生成可供各种计算分析的电网基础数据库。
②虚线以下为潮流计算特有的部分。
其中需要用户参与的有两部分：
其一是计算作业的定义。
即确定电网的结构，运行方式及计算的控制（计算方法，迭代误差、控制功能的投入等）。
这里有文本和图形两种方式支持。
其二是计算结果的编辑和输出。
即选择输出的范围和内容，这里有文本和图形两种方式：
文本方式是生成报表、报表文件和简单图示；
图形方式是在潮流图上直接标识。
2.5潮流计算
2.5.1潮流计算作业的定义
在执行潮流计算之前，还需要定义潮流计算的作业。
潮流计算作业的构成
潮流计算的基础方案给出了待计算电网的网络结构、参数和各节点发电、负荷等基本数据，再配以不同的计算控制信息（包括发电、负荷的按比例修改等），即可得到不同的潮流计算作业。
一个潮流计算作业的构成如下图所示：
潮流作业的定义方法
按上述潮流作业必备的内容，在文本和图形环境下均可以定义不同的潮流计算作业。
每一作业需给定一个作业号。
1）在文本环境窗口中：
点击“计算”下拉菜单中的“潮流”，弹出文本方式下的潮流计算信息窗口：
在该窗口中选择或定义潮流作业号后，即可点击“计算”按钮执行潮流计算。
2）在图形支持的运行模式窗口中：
点击“作业”下拉菜单中的“潮流”或点击工具条中的按钮，弹出潮流计算信息窗口：
在该窗口中选择或定义作业号后，即可点击“确定”按钮，确认所定义的作业。
在文本或图形方式下，潮流作业的定义由以下几部分组成：
作业定义栏
作业号：
可选择已有的或键入新号。
方案：
选择该作业所对应的方案。
点击“描述”按钮，可对该潮流作业给予简短的注释。
点击“浏览”按钮，列出全部潮流计算作业，其中包括“作业号”、“方案名”和“描述”三项，如下图所示：
其中，“描述”项可以复制和修改。
点击“刷新”按钮，按作业定义从基础数据库中重新抽取数据，以刷新该潮流作业计算数据，其作用是：
一方面能把对基础数据库的修改反映到该计算作业中来；另一方面，曾通过“数据修改”按钮所做的修改，也被作废。
点击“删除”按钮，可删除该潮流作业。
点击“编辑...”按钮，激活以下的数据栏，可进一步给出该潮流作业所包含的其它内容。
母线电压上、下限数据栏
指潮流计算所设定的母线电压越限的限值。
电压上限：
单位为标幺值（p.u.），缺省值为1.15。
电压下限：
单位为标幺值（p.u.），缺省值为0.95。
计算方法数据栏
计算方法：
有5种：
①PQ分解法
②牛顿法（功率式）
③最佳乘子法
④牛顿法（电流式）
⑤PQ-牛顿法（功率式）
允许误差：
即迭代收敛判据。
迭代次数上限：
若在该给定次数之内达不到收敛精度时，则选择迭代过程中最小误差输出其结果，供参考。
控制信息栏
该栏包含是否考虑一些因素的信息：
①变电站主接线开关控制：
是否考虑变电站主接线开关控制的选择。
为考虑；
为不考虑。
②发电/负荷比例因子：
是否考虑发电和负荷按比例因子修改的选择。
为考虑；
为不考虑。
发电和负荷比例因子的作用是，可将指定范围（某区域或某电压等级）的发电和负荷值在原有数据基础上，按一定比例增减。
选中后，可点击其后的“编辑”按钮，弹出发电和负荷修改比例因子数据的录入窗口：
以录入和编辑其数据
③区域功率交换：
是否考虑区域功率交换控制的选择。
为考虑；
为不考虑。
选中后，可点击其后的“编辑”按钮，弹出区域功率交换控制数据的录入窗口：
以录入和编辑其数据。
④控制和UD功能：
是否考虑潮流计算中的控制调节功能（通过系统UD模型实现）和UD功能的选择。
为考虑，
为不考虑。
若有用户自己定义UD模型需要调用，则选中后，再点击其后的“编辑”按钮，弹出用户自定义模型调用数据的录入窗口：
以录入和编辑其数据。
作业数据文件栏
通过点击“导入...”和“导出...”按钮，可实现潮流计算的作业数据与潮流固定格式数据文件（*.DAT）的相互转换，用以作业数据的保存和交换。
点击“导出...”按钮，给出潮流作业数据文件名（*.DAT），点击“确定”按钮，即把当前潮流作业数据保存至*.DAT文件。
点击“导入...”按钮，选择潮流作业数据文件（*.DAT），点击“确定”按钮，即把该文件数据转换为当前作业数据，该作业原有数据即被覆盖。
数据修改
当选择或定义了一个作业之后，便生成了该作业的计算数据。
可以仅对计算数据进行调整和修改，而不影响基础数据。
潮流计算的作业计算数据包括交流线、变压器、发电机、负荷和直流线的数据。
数据回存
使用“数据回存”功能，可将计算数据所做的修改存回到基础数据中。
点击“数据回存”按钮，弹出数据回存窗口如下：
将改动数据保存至新数据组：
提供了两种数据保存方式，可通过该项进行设定。
：
按作业的方案定义，修改基础数据库中对应数据。
：
保持原有数据不变，将与原有数据不同部分，作为一个新的数据组保存到基础数据库中。
此时需给出新数据组名。
新数据组名：
在选择“将改动数据保存至新数据组”时，需要给出新数据组名。
数据组名最多由10个字符（5个汉字）组成，不能为空或与已有数据组名相同。
确定：
按设定方式保存作业修改数据至基础数据库。
退出：
放弃保存，退出该窗口。
2.5.1在EPRI-7下的潮流计算
EPRI-7系统图
数据方案定义
方案名
数据组结构
说明
无控制
BASIC
系统基本运行方式
有控制
BASIC+G1-CT
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