基于Matlab的电力系统分析工具包PSAT及其有效性检验精文档格式.docx
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主要功能模块介绍
1。
系统模型库及主界面
为了适应针对电力系统新元件、新问题的研究,
PSAT提供了丰富的静态、
动态模型库,主要包括:
a。
潮流模型,母线、
传输线、变压器、平衡母线、PV母线、
恒功率负荷以及并联电容器等;
基于Matlab的电力系统分析工具包
PSAT及其有效性检验
常
勇，徐
政，王
超
（浙江大学电机系,浙江杭州310027
摘要：
介绍了一种新颖的基于Matlab数学语言编写的电力系统分析软件包PSAT,详述了该软件包源代码开放的特点,介绍了PSAT比较全面的模型库，主要包括:
电机、电力系统稳定器（PSS、调速器、柔性交流输电系统（FACTS、高压直流输电系统（HVDC、分布式发电系统等。
PSAT功能丰富，目前可完成潮流计算、连续潮流、小信号稳定分析、动态时域仿真及相量测量单元（PMU配置等方面的分析和研究。
通过对同一个典型算例进行时域仿真和特征值分析，将PSAT与商业软件PSS/E进行了分析对比,结果表明该软件包的计算结果具有一定精度.关键词：
Matlab;
PSAT;
电力系统建模；
动态仿真;
PSS/E中图分类号：
TM712;
TM744
文献标识码：
A
文章编号:
1006—6047（200707—0102—04收稿日期:
2006—09—11；
修回日期：
2007—01—17基金项目：
国家自然科学基金资助项目（50277034
电力自动化设备
ElectricPowerAutomationEquipment
Vol.27No.7Jul。
2007
第27卷第7期2007年7月
b.电力市场相关模型,供求上下限、储备功率等；
c.断路器相关模型，故障类型、
开关等;
d。
测量元件模型,测频器、相量测量单元PMU等；
e.电机模型，同步、
异步电机；
f.负荷模型（ZIP,电压、
频率相关模型等;
g.控制器模型，调速器、
励磁，电力系统稳定器PSS及附加阻尼控制（POD；
h.柔性交流输电技术（FACTS模型，静止无功补偿器（SVC、可控串联补偿装置（TCSC、静止同步串联补偿器（SSSC、统一潮流控制器（UPFC;
i.直流输电模型;
j.分布式发电系统,各种风机模型。
同时，PSAT提供了灵活的用户自定义功能，通过建立相应的状态方程编写相关的Matlab源代码就可以将模型加入到仿真过程中。
模型数据的输入有2种主要方式:
其一纯文本格式输入（＊.m文件，按照规定格式编辑相关文件即可;
或者,作为更直观的方法，PSAT具有基于Simulink界面的模型库，支持在Simulink环境下从模型库中拖拽元件搭接仿真算例（＊.mdl文件.但是,需要指出的是PSAT的基本计算还是基于Matlab的，Simulink环境下编译的文件最终是解释成第1种方式的文本文件由Matlab函数完成计算，这与一些基于Simulink的电力系统工具包是不同的。
在计算中，PSAT是面向元件建模的，它的每一个元件都可用下式所示的微分代数方程表示:
x
!
i=fi（xi,yi，piPi=gPi（xi,yi,piQi=gQi（xi,yi,pi
（1
式中
Pi、Qi、
为有功、无功；
xi为状态变量;
yi为代数变量;
pi为模型相关参数;
fi是描述模型动态的微分方程；
gPi、gQi是描述模型的代数方程。
在各种静态和动态仿真计算中,方程（1以及基于其形成的Jacobian矩阵由一个内核函数统一求解,该函数也是整个PSAT的核心所在。
PSAT的主界面与普通的MatlabGUI相似，也由菜单栏、状态栏、控件栏等组成。
计算算例的潮流数据可以从主界面上的Datafile文本框输入,而算例的动态文件可以从Perturbationfile文本框输入.在其下的是Commandline负责输入逐条命令。
在主界面的右端依次显示本次算例的频率基值、容量基值、仿真开始时间、结束时间及潮流计算的收敛门槛等。
在主界面的左下方是实时结果输出界面,在主界面的右下方是各种基本操作按钮（潮流计算、连续潮流、最优潮流、动态仿真及作图等。
2潮流计算
潮流计算是进行各种电力系统问题研究的基
础，PSAT包括了标准牛顿—拉夫逊算法、快速解耦算法等。
求解潮流问题时，实际上就是令式（1中的各
状态量为0,于是得到下面所示的代数方程组:
x!
i=fi（xi，yi，pi0=gi（xi,yi,pi
PSAT具有友好的潮流计算界面,在装载算例
（*。
mdl或＊。
m文件后,选择powerflow完成潮流计算后可以弹出潮流计算GUI。
其中,清楚地列出了母线电压相角、有功、无功等潮流结果.同时,PSAT
还支持将潮流结果以文本格式输出，这样的潮流结果可以方便地应用于任何软件编写的电力系统分析软件的输入.
潮流计算GUI的上方显示的是本算例的母线编号、电压幅值、电压功角以及母线上的有功、无功。
潮流结果显示一目了然,同时还支持有名值和标么值间的切换。
在潮流计算界面的下方显示了模拟本算例时电
力系统各个元件（发电机、
励磁系统等的状态变量及仿真中间变量的值。
由此可以方便地检查动态仿真及小扰动线性化分析得出结果是否正确、合理。
3最优潮流
随着电力市场在国内的逐步施行,相关的一系列问题也正成为研究的热点，最优潮流问题是其中的一个基本问题。
PSAT采用基于Mehrotra预测—修改的内点法求解最优潮流问题,并且PSAT最优潮流中的目标函数是比较丰富的。
基本的市场环境下的最优潮流模型为
Minimize（y，pF（p
g（y，p=0subjecttohmin≤h（y≤hmax
pmin≤p≤pmax
式中函数g、y的定义同式（1;
p是表征市场供求
的参数；
F为优化目标函数；
h为不等式约束。
1.4小信号分析
低频振荡正成为跨大区输电安全性的瓶颈，针对这一问题的研究已广泛展开。
在完成基本的潮流计算后，PSAT便可以进行特征值参与因子等计算工作。
它采用解析法计算Jacobian矩阵，这样就保证了计算的精确性.通过对式（1进行线性化可以得到待研究系统Jacobian矩阵:
Δx!
"
＃=FxFy
Gx
JLFV
＄ΔxΔy%＄=Ac
”＄ΔxΔy"
＄
（4
这里Fx=&
xf，Fy=&
yf，Gx=＆xg,JLFV=&
xg。
假设
矩阵JLFV为非奇异的,则可以得到状态方程的A阵
A=Fx—FyJLFV—1
（5当所研究的算例比较复杂，为一个高阶系统时,PSAT支持仅计算最大或最小的矩阵特征值,这一点对于工程实际十分有益。
另外,PSAT通过计算矩阵A的左特征相量和右特征相量进而求解各模态下各状态量的参与因子。
1.5时域仿真分析
由于电力系统是一个复杂的高维非线性系统,
（2
（3
常勇,等:
基于Matlab的电力系统分析工具包PSAT及其有效性检验
第7期
因此非线性时域仿真往往是最可信赖的分析手段,PSAT也提供了完善的时域仿真功能，改进欧拉法以及梯形隐式积分法是其进行数值积分的2种可供选择的方法。
需要指出的是:
仿真过程中故障的处理方法,PSAT采用修改系统参数（例如支路阻抗数值大小以及其专有的嵌入式的故障描述文件（*。
m来构成。
2算例验证
计算结果的准确性是检验仿真软件的重要标准，为此采用商业软件PSS/E就同一个算例与PSAT比较计算结果。
采用WSCC3机9节点算例，这一系统虽然比较简单，但是足以用来研究电力系统的小信号稳定性及动态特性。
系统的结构如图1所示，其具体参数见文献［14]。
2。
时域仿真比较
利用两软件对图2系统进行非线性时域仿真,故障选为母线7，三相短路故障0。
083s，母线1电压如图2所示，3号发电机的转速偏差如图3所示。
比较图2、3可见，PSAT和PSS/E时域仿真结果
十分接近,微小的偏差是由于两者采用的发电机模型稍有不同，然而这些误差在允许范围之内.
2.2
小信号分析比较
PSAT与PSS/E都有小信号分析功能模块,所不同的是：
PSAT采用解析法计算状态空间矩阵以及特征值，而PSS/E采用数值法计算特征值①。
针对同一算例计算，把关心的阻尼不足的2个主要模式比较结果列于表1。
从表1的结果可见,虽然两者由于算法原理上的不同,小信号分析的结果具有一定的差异,但是PSAT准确地捕捉了弱阻尼（<
10%的振荡模式，这一点在实用中是很可贵的。
3结论
随着我国电力工业的发展,各种新装备新问题亟需解决。
PSAT，因其丰富的元件模型库、
完善的仿真功能以及源代码开放和灵活的自定义功能而成为电力科研人员一个理想的选择。
对PSAT主要数据结构以及功能模块作了简介,通过与商业软件PSS/E就同一算例的分析比较证明了该软件的适用性。
世界范围内已有数目可观的国家地区的电力系统科研人员采用这一工具包，更多的相关信息可见其主体网站:
http：
∥www.power.uwaterloo。
ca/￣fmilano/.
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ElectricPowerAutomationEquipment,2006，26（4：
7-10.图3发电机G3频率响应
Fig.3FrequencyresponsecurveofG3
008
0041.0000。
996
024
6810
t/s
ΔfG3/p。
u.
PSS/E
PSAT
图2母线1电压响应
Fig。
2Voltageresponsecurveofbus1
05
0.950.850.75
2
4
6
8
10
u1/p.u.
①PowerTechnologiesInc.PSS/Eapplicationmanualandoperationmanual，PSS/Ebrochure,2001.
7
9
3
5
64
图1WSCC9节点系统
1WSCC9-bussystem
G1
G2
G3
第27卷
振荡模式
PSAT结果PSS/E结果0.707540.6630811。
606608.280806.087。
901.847201.318000.186470。
310717.632407。
048402。
444。
401.21470
1.12180
阻尼/％模式1
实部
虚部频率/Hz模式2
虚部阻尼/％频率/Hz
表1小信号分析结果对比
Tab.1Comparisonofsmallsignalanalysisresults
Matlab-basedpowersystemanalysistoolboxanditsvaliditycheck
CHANGYong,XUZheng，WANGChao
（ElectricalEngineeringDepartment,ZhejiangUniversity，
Hangzhou310027，China
Abstract:
ThePSAT（PowerSystemAnalysisToolboxisintroduced，whichisprogrammedusingMatlabmathlanguage，andthefeaturesofitsopensourcecodearedetailed。
ThemodellibraryofPSATincludesgenerator,regulators，powersystemstabilizer，FACTS（FlexibleACTransmissionSystem,HVDC（HighVoltageDCtransmissionsystem,distributedpowergenerationsystem，etc。
.Ithasthefunctionsofpowerflowcalculation，continuationpowerflowcalculation，optimalpowerflowcalculation,smallsignalstabilityanalysis,timedomainsimulation,phasormeasurementunitallocation,etc.。
BothtimedomainsimulationofPSATandeigenvalueanalysisofPSS/EareappliedtoatypicalexampleandthecomparisonofresultsshowsthatPSAThasacertainprecision.
ThisprojectissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（50277034.
Keywords：
Matlab；
PSAT；
powersystemmodeling；
dynamicsimulation；
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a
poweranalysistoolboxf
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