电力系统仿真与建模技术探析Word文档格式.docx
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优点：
客观、真实
缺点：
受众多因素影响，不全面，且实际上往往难以实现
在模拟电力系统——称为模型系统上试验，即“模型实验”
灵活方便，容易实现，理论上可以做任意模型试验
近似性
（3）模型试验方法——模拟（仿真——Simulation）
物理模拟——在物理模型上进行实验——“动态模拟”
数学模拟——在数学模型上进行实验——“数学（数字）仿真”
2.系统模拟的定义与步骤
定义：
系统模拟是根据模拟理论（相似理论）设计一个能够反应实际系统或过程的模型，通过模型试验求得结论，进而分析得出实际系统结论的研究过程。
步骤：
（1）建立模型——符号模型，数学模型；
物理模型；
（2）模拟试验；
（3）结论分析和误差估计。
3.系统模拟的基本原理
（1）原型和模型
原型：
被研究的实际对象（实际电力系统）
模型：
对应的模拟装置或系统（或数学模型）
（2）相似的基本类型：
（a）几何相似：
空间测度成比例。
各轴同比相似，各轴异比相似。
（b）现象相似：
不同系统所发生的过程中，各对应物理量之间存在一个固定的比例系数。
物理相似：
参数成比例且具有同样的物理性质。
数学相似：
参数成比例但具有不同的物理性质。
（c）绝对相似：
2个系统中所产生的全部过程（物理量）完全相似——全部几何尺寸和相应参数在时间和空间上所产生的全部变化完全相似。
（d）完全相似：
2个系统中所研究的某一（某些）现象的一切过程在时间和空间上都是相似的。
例：
2台同步发电机电磁现象完全相似：
i（t）、u（t）、电场和磁场分布相似。
（e）局部相似（不完全相似）：
个别方面的相似。
2台同步发电机，i（t）相似，但电场和磁场分布不相似。
（f）近似相似：
在某些假设条件下的现象相似。
研究2台同步发电机的（电磁）暂态过程，可以不计定子电流中的直流分量以及转子电流中的周期分量。
4.电力系统模拟的特点
（1）数学模拟（数字仿真）：
元件数学模型→系统数学模型→算法→计算程序→数值计算分析→电力系统的运行状态。
特点：
灵活、规模大、投入少。
应用：
计算机技术的发展，使数学模拟成为研究大型电力系统的重要工具。
典型的电力系统仿真计算程序：
PSASP、BPA。
（2）物理模拟（物理仿真、动态模拟）：
元件物理模型→模型系统→模型系统试验→原型系统的运行状态。
直观、规模小、投入大。
三、电力系统物理（动态）模拟的基本原理与方法
1.电力系统动态模拟：
电力系统动态模拟是根据相似原理建立起来的电力系统物理模型；
是实际电力系统的一个微缩的、物理特性等价的模型试验系统；
被模拟的实际元件及系统则分别称为元件及系统的原型。
电力系统动态模拟也指在电力系统的物理模型实验系统上进行的各种实验研究（动模试验）
2.电力系统动态模拟系统的基本组成：
模拟同步发电机+模拟原动系统+转速调节系统+励磁调节系统；
模拟变压器（升压变压器、降压变压器、负荷变压器）；
模拟输电线路；
模拟负荷设备；
采集、测量、控制、信号系统（统称为二次系统）。
3.动模设备的基本要求——模型与原型之间必须满足相似定理：
具有相似的物理特性和暂态过程（物理相似）；
参数成比例（模拟比）且具有同样的时间尺度（异轴相似）；
动模系统与被研究的原型电力系统具有相同元件构成和系统接线。
4.动模实验的基本步骤
（1）需求分析：
明确实验内容与目的，拟订实验步骤。
（2）整定（调整）参数：
（a）网络元件参数：
ms、mv→mi、mz、my→Z、Y
（b）变压器：
接线组别、运行分接头
（c）负荷容量及功率因数
（d）原动机类型及其参数（转动惯量、调速系统模型与参数）
（e）励磁系统及AVR模型及参数
（3）建立模型系统：
由原型系统拓扑→实验系统组网。
（4）实验：
按照拟定的实验步骤进行实验，并记录（采集）有关运行参数。
（5）分析：
整理、分析实验结果，得出相应结论。
四、电力系统数字仿真的基本原理与方法
1.电力系统的数字仿真及其特点
借助计算机的强大运算功能，根据电力系统的数学模型，采用一定的数值计算方法、设计（编写）合理的计算程序，根据给定的初始运行条件，求解系统数学模型以得到系统运行状态的过程——电力系统的数字仿真。
特点：
近似；
规模大；
灵活；
开发周期短；
投入小、效率高。
2.电力系统数字仿真的基本要求与关键问题
（1）基本要求：
精度；
灵活/扩展；
规模；
速度（离线/在线/实时）
（2）关键问题
（A）建模理论与技术——元件建模、系统建模
成熟的元件模型：
发电机、变压器模型、线路模型
亟待完善的模型：
综合负荷模型、二次系统模型
（B）数值计算方法——计算效率、收敛速度
（C）计算机技术——硬件支持
（D）编程技术——面向对象、可视化
3.电力系统数字仿真的目的与意义
目的：
通过仿真计算，确定系统运行状态。
具体目的与应用背景有关。
意义：
为电力系统运行状态分析、控制提供科学依据，应用非常广泛——大规模的电力系统试验只有通过数字仿真才能实现。
（1）动模试验规模很小。
（2）实际电力系统试验可行
（a）电网的安全稳定运行不允许；
（b）实验耗费的人力、物力、财力、时间巨大；
（c）某一次无法获得具有推广意义的结果（结论），但又不可在实际系统中进行频繁的试验。
从而使得，电力系统的数字仿真成为：
电力系统规划与设计的决策基础和科学依据；
电力系统运行调度与控制的决策基础和科学依据；
电力系统事故分析的科学依据；
电力系统科学研究的重要手段/工具。
4.电力系统的数学模型
定义：
等效地描述电力元件和电力系统特性的数学方程式（组）——电力系统模型
准确的模型是保证仿真计算结果准确、可信赖的重要基础。
对数学模型的基本要求：
（1）准确刻画元件特性；
（2）尽可能简单且物理意义清晰的模型结构；
（3）真实准确的模型参数；
（4）模型的普适性。
数学模型分类：
（1）按建模原理：
机理模型、非机理模型。
（2）按是否反映对象的时变特性：
静态模型、动态模型。
（3）按描述对象：
元件模型：
同步发电机模型、电力变压器模型、电力线路模型、综合负荷模型、新型电力元件模型。
网络模型：
描述电力网络特性的数学模型。
5.电力系统数字仿真的基本类型
（1）稳态仿真：
计算给定条件下、无扰动时的运行状态。
（单一或运行状态序列）
（2）电磁暂态仿真：
计算给定初始运行状态和给定扰动条件下的系统的us~ms级的电磁暂态过程。
（3）机电暂态仿真：
计算给定初始状态和给定扰动条件下的s级的机-电暂态过程。
（4）长过程动态稳定仿真：
给定初始状态和扰动条件下，考虑慢动态元件动态特性的过渡过程仿真。
6.电力系统仿真工具
（1）电磁暂态：
EMTP、EMTDC、ATP、NETOMC
EMTP：
目前国际上广泛使用的电磁暂态计算程序，加拿大哥伦比亚大学（UBC）H.W.Dommel教授创立，美国邦纳维尔电力局（BPA）对程序的开发做了很大贡献，3种版本：
BPA-EMTP、ATP-EMTP、DCG-EMTP。
②EMTDC（elctro-magnetictransientindcsystem）：
直流电磁暂态计算程序，也可以计算交流系统，但它特别适用于直流系统暂态计算；
Denniswoodford博士1976年加拿大曼尼托巴水电局（ManitobaHydro）初版；
EMTDC与EMTP在处理各种电网元件时没有本质的区别。
③ATP：
EMTP免费版本，是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包。
ATP可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统；
具有很强的扩展能力，能进行暂态计算。
在电力系统继电保护中得到广泛应用。
ATP还配备有比TACS更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。
④NETOMAC：
德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件。
功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的FORTRAN语言子程序、数学表达式等。
该软件元件模型全，仿真频带宽。
（2）机电暂态：
PSD-BPA、PSASP、PSS/E
①PSD-BPA
BPA是美国邦纳维尔电力局（BPA）开发的电力系统分析综合程序。
PSD-BPA是中国版的BPA程序由中国电力科学院引进、消化、吸收美国BPA程序开发而成。
在国内广泛应用。
PSD-BPA的功能包括从潮流计算到暂态稳定计算等电力系统仿真计算功能。
②PSS/E
美国PTI公司开发，功能比较齐全，适用于大系统和超大系统及中长期稳定计算。
是一个集成化的交互式软件，主要用于电力系统的潮流计算，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，它要求使用者有一定的编程基础，输入不如EMTP和PSASP方便。
③PSASP
PSASP是中国EPRI开发、1980年代开始推广应用的电力系统综合分析程序。
从最初的DOS版本，到现在的V7.0版，功能不断完善，性能不断优化，特别是其各种计算结果的数据表、图形（曲线）输出功能，为系统运行状态分析提供了丰富的信息。
PSASP使用简单，功能简单齐全；
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，可进行电力系统（输电、供电和配电系统）的各种计算分析。
（3）中长期动态稳定仿真软件：
PSD-FDS、EUROSTAG
①PSD-FDS：
全过程动态仿真程序，中国电力科学院开发。
适用：
针对大停电事故和中长期动态稳定问题。
②EUROSTAG
法国的DEL公司和比利时的TRACBEL公司开发。
主要特点：
在一个长期动态仿真中，时间步长10-10ms~几十秒；
仿真的时间范围可以从暂态、中长期到长期；
仿真过程中不用改变模型。
（4）实时数字仿真系统：
ADPSS、RTDS
①RTDS（Real-timeDiditalSimulator）
RTDS是加拿大RTDS公司开发的实时数字仿真器。
多用于继电保护装置、新型FACTS装置的试验，提供一个试验所需要的一次系统实际运行的仿真环境。
如国家电力公司电力自动化研究院引进配备的一套RTDS就是一种较高水平的电力系统实时数字仿真器.
②ADPSS（AdvancedDigitalPowerSystemSimulation）
ADPSS电力系统全数字实时仿真系统，中国电力科学院研究开发，基于高性能PC机群，能实现超大规模电网的全数字实时仿真。
该仿真系统利用机群的多点结构和高速本地通讯网络，采用网络并行计算技术对计算任务进行分解，并对进程同时实时和同步控制，实现了大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态实时和超实时仿真以及外接物理装置试验。
7.电力系统数字仿真技术展望
数字仿真技术发展的必要性：
未来电力系统的发展对建模、仿真方法和可视化培训仿真技术必将提出新要求，电力系统的建模与仿真技术将会有较快速发展和新突破。
大容量、远距离输电和大电网互联，以大功率电力电子技术为依托的FACTS的加快应用，可再生洁净能源发电的广泛和多模式应用环境保护制约和电力市场的发。
数字仿真技术的发展趋势：
数模混合的实时仿真，解决仿真难以“实时”的问题，现代数字仿真算法减少计算量，提高精度和数值稳定性，面向对象（object-oriented）技术，借此解决模型描述的标准化、规范化问题，在建立新的数学模型和新算法方面将有新的发展。
五、电力系统综合负荷建模的理论与方法
1.负荷特性的两种基本含义
（a）电网规划、调度意义上的负荷特性：
在某一定时间范围内，负荷功率随时间的变化规律。
（b）电网仿真意义上的负荷特性：
负荷吸收的功率（P、Q）随母线电压（幅值V）、系统频率（f）的变化而表现出的变化性。
V、f——作用在规律负荷上的激励（输入）；
P、Q——负荷的响应（输出），也可以用电流描述。
2.负荷特性的类型：
根据描述的对象：
单一用电设备负荷特性、单一用户负荷特性、行业综合负荷特性、变电站综合负荷特性……
根据描述的特点与性质：
静态特性、动态特性、电压特性、频率特性、电压-频率关联的负荷特性、有功特性、无功特性。
3.负荷模型
静态模型——不含时间变量，用代数方程组描述
动态模型——含有时间变量，用微分-代数方程组描述
负荷模型的两个基本要素：
模型结构——数学方程式组的形式
模型参数——模型中除激励变量外的其它物理量
4.负荷建模——根据已知条件和应用要求确定负荷模型的结构和模型参数的过程
为电网仿真计算提供结构合理、参数准确的综合负荷模型。
对象：
根据仿真对象的不同而有所区别。
就省级调度部门的仿真计算而言，其仿真计算对象通常为220kV及以上主网，因此，负荷模型一般为220kV变电站综合负荷模型。
难度：
综合负荷分布地域广，构成设备繁多且特性各异，各种设备的投入/退出具有随机性。
因此，综合负荷特性非常复杂，具有高维、强非线性、随机时变性等特点。
“精确的”综合负荷建模十分困难。
要求：
准确、精确性与实用性有机统一。
负荷模型应当尽可能客观、准确地反映综合负荷之关键的本质特征。
5.负荷建模的重要意义
电网仿真计算是电网规划设计和运行调度主要的决策依据；
仿真计算结果的准确和可信赖程度，直接决定相关决策的正确性和科学合理性。
准确、可信赖的仿真结果，必须以准确的援建模型为前提。
负荷模型是制约仿真结果准确与可信赖程度的瓶颈，不同的负荷模型会导致不同的仿真结果，甚至得出相反的结论。
（1）若仿真得出乐观的结论，以此为依据的决策将会威胁系统的安全稳定运行；
（2）若仿真得出保守的结论，以此为依据的决策将会浪费发、输、变电设备潜力，造成投资的浪费。
六、近期将开展的主要工作
1.开发电磁暂态、机电暂态、中长期动态混合仿真软件。
2.建立详细的直流输电与FACTS元件的电磁暂态模型，实现多馈入直流输电与FACTS元件电磁暂态、机电暂态混合仿真。
3.建立电力系统中长期动态元件的详细模型（如：
锅炉、核反应堆、AGC、AVC、继电保护和安全稳定控制装置等）
4.深化研究负荷模型，推广综合负荷模型（SLM）的应用，建立负荷元件动态特性库和负荷建模平台。
5.开展发电机、励磁、原动机和调速器的实测建模。
七、结语
现在中国的电力系统发展十分的迅速，而很多的输电配电网络如何更好更便捷的输电配电，还在不断的发展当中，因此我们应该努力研究仿真与建模技术，通过仿真建模技术提高网络的可靠性，保障性。
而且电力系统仿真与建模还有很多问题需要突破，我们电气人任重而道远。
参考文献：
【1】李欣然，电力系统仿真与建模技术，2012年4月
【2】陆廷宏，现代电站仿真技术的发展与应用，《贵州电力技术》2005年第8期
【3】汤涌，电力系统仿真与建模研究新进展，中国电力发展和技术创新，2008年10月
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