数字仿真实验指导书new2.docx
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数字仿真实验指导书new2
电力系统仿真实验指导书
华北电力大学电力系
2011年7月
目录
第一章电力系统调度自动化概述1
第二章DTS概述3
第三章实验项目介绍5
实验一电力系统有功功率分布及分析5
实验二电力系统无功功率分布及分析9
实验三电力系统综合调压措施分析12
实验四电力系统有功-频率分析18
实验五电力系统潮流控制分析21
实验六电力系统对称故障计算及分析25
实验七电力系统不对称故障计算及分析27
实验八电力系统继电保护动作特性分析31
实验九电力系统稳定性计算及分析37
实验十电力系统继电保护动作情况与系统稳定性关系分析41
第一章电力系统调度自动化概述
电力系统是由生产、变换、传输、分配和消耗电能的电气设备联系在一起所组成的统一整体，其除了由强电（高电压、大电流）元件组成的一次系统外，还包括一套为之服务的二次信息系统。
该系统对一次系统的运行情况进行监视、分析、决策和控制，这就是电力调度自动化系统要完成的任务。
电力调度自动化系统包括三部分：
数据采集和监控系统，也称SCADA系统（SupervisoryControlAndDataAcquisitionSystem）、在线高级分析应用软件（PAS,PowerApplicationSoftware）和调度员培训仿真系统（DTS,DispatcherTrainingSystem）。
所谓电力系统调度，就是运行人员通过控制策略来控制电力系统的运行方式，使之无论在正常或事故情况下，都能符合安全经济及高质量供电的要求。
它的主要任务是①保证供电质量②保证系统运行的经济性③保证系统运行的安全水平④保证提供有力的事故后的恢复措施。
为了合理监控和协调日益扩大的电力系统的运行方式和处理影响整个系统正常运行的事故和异常情况，人们在形成电力系统的最早阶段，就注意到电力系统的远程控制问题，并提出必须设立电力系统的调度控制中心。
在开始阶段，由于通讯设备等技术装备的限制（如只有电话），上行、下行信息都是通过电话传送，调度人员须花很长时间才能掌握有限的代表电力系统运行状态的信息。
为了保证电力系统运行的可靠性，在事故情况下，除了继电保护装置、电源和负荷的紧急控制装置外，大多依靠调度人员和发电厂、变电所的运行人员根据这些有限的信息和运行经验，做出判断，再进行电力系统的调度和操作。
在这一发展阶段，电力系统的很大一部分监视和控制功能是由电力系统的所属发电厂和变电所的运行人员直接来完成的。
所以，在这一阶段，电力系统的监视和控制的快速性和正确性都受到一定的限制。
随着电力系统的进一步扩大和复杂化，要求调度人员利用原有的技术装备，在很短的时间内掌握这样复杂多变的电力系统运行状态，并做出正确的判断是很困难的，甚至是不可能的。
此外电能的生产是连续性的，不能储存，或者储存非常困难，一处的故障可能会引起整个系统发生事故。
因此电力系统运行的特点就必然要求电力系统调度要实现自动化。
20世纪50年代兴起了远动技术，并很快应用于电力系统。
远动技术和通信技术的发展，使电力系统的实时信息直接进入调度中心成为可能，如远方仪表读数和信号继电器的位置信息及时传送到调度中心，显示在模拟盘上。
调度人员可根据这些信息迅速掌握电力系统的运行状态，及时对电力系统运行方式的改变做出决定，并能及时发现和迅速处理所发生的事故。
但是，在复杂的事故情况下，要求调度人员能及时地掌握和分析这么多信息并能迅速做出正确判断往往是困难的。
在某些情况下，反而由于大量信息的出现，使调度人员不知所措，以致延误事故处理的时间，甚至会做出错误的决定，导致事故的进一步扩大。
同时，无人值班的发电厂和变电所的发展，也加重了调度控制中心的任务。
因此，电力系统的运行实践向人们提出了使电力系统监视和控制进一步自动化的要求。
在20世纪60年代，开始应用数字式远动设备来代替传统的模拟式远动设备，使信息的收集和传输在精度、速度和可靠性上都有了一个很大的提高，使调度控制中心能正确迅速且经济地得到调度控制用的电力系统实时数据。
远动装置从1对1发展到1对N的集中控制方式，使统一处理收集到的信息成为可能，并为计算机用于信息处理和调度自动化奠定了基础。
在20世纪70年代，计算机直接用于电力系统调度，使电力系统监控大为改观。
在开始阶段，计算机与相应的远动装置及通讯设备组成的系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视（包括信息的收集、处理和显示）、远距离开关操作、自动出力控制及经济运行，以及制表、记录和统计等功能，一般称为监视控制和数据采集系统（SCADA—SupervisoryControlAndDataAcquisition）。
20世纪60年代后期，国际上出现许多大面积停电事故以后，电力系统运行的安全性已成为人们注意的中心。
解决电力系统运行的安全问题，除了要从电力系统的结构、设备的质量及其维护、各种保护措施和自动装置等方面进行努力以外，更关键的在于加强全系统的安全监视、分析和控制，在出现任何局部故障以后，能迅速处理和恢复正常运行，不使任何局部故障扩大为全系统事故。
同时，应尽可能做到“防患于未然”，即应在计算和分析当前运行状态的基础上估计出各种可能发生的故障，采取预防性控制措施，以尽可能避免事故的发生和发展。
在原有的SCADA基础上，增加了安全分析与安全控制功能以及其它调度管理和计划管理功能。
这个系统被称为能量管理系统（EMS—EnergyManagementSystem）。
利用这个先进的自动化管理系统，运行人员的工作已从过去监视记录为主转变为较多地进行分析判断和决策，而日常的记录工作则由计算机取代。
目前，世界上已有数百个电力系统应用了以计算机为核心的调度自动化系统。
第二章
DTS概述
调度员培训仿真系统（DispatcherTrainingSimulator,简称DTS）的概念是1976年Latimmer在明尼苏达电力系统会上首先提出来的，1977年美国CDC公司开发出第1台DTS装置以后，1978年美国EPRI组织了关于DTS的大讨论后，DTS在国外迅速推广。
我国是从1985年开始进行DTS学术研究的，1990年4月由清华大学与东北电力调度通信局合作研制的我国第1台DTS--东北电网仿真系统，在沈阳东北网调正式投入运行，此后国内多家研究单位如电科院、南自院等都开展了DTS的研制工作，开发出许多种DTS系统。
经过近二十年的发展，DTS已从理论研究走向实际运用，并逐渐形成为一个产业。
在我国，DTS的应用从东北、华北、和华东三大网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变电站，并拓展到电力培训中心和高等院校电力专业。
DTS的软件功能经历了从单一到综合，从简单到复杂的发展过程。
其仿真方法包括对电网的稳态仿真、准动态仿真、故障仿真、暂态仿真和全动态仿真以及对保护的逻辑仿真和定值仿真，其设备模型包括一次设备、二次设备、远动设备以及部分动力设备。
早期（80年代中期前）的DTS一般是以稳态模型为主，其电力系统模型采用动态潮流算法，由于当时的硬件设备过于昂贵，对暂态过程的模拟尚不推崇。
到了80年代后期，随着DTS技术和计算机技术的飞速发展，开始尝试模拟电力系统的机电暂态过程，DTS的功能更为强大。
到了90年代，人们在研制DTS时，提出了系统的开放性、功能的完整性和多样性、DTS和EMS的一体化、图形化建模等更高的要求，从而大大提高了DTS的研制和应用水平。
到目前，DTS已经成为成熟的商品化的仿真系统，作为调度员培训、事故分析、反事故演习、运行计划研究和编制、继电保护校核、EMS功能开发研究的有效工具，在实际的电力系统中得到了广泛的推广应用，在提高电网运行水平、防止发生事故等方面发挥着重要作用。
DTS是用于培训电网调度员的计算机数字仿真系统，是电力系统仿真和调度自动化的结合，它通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障前后的系统工况，并将模拟的结果送到仿真的电力系统控制中心，为调度员提供一个不影响实际系统运行的身临其境的调度环境。
通过仿真培训来提高运行人员的专业水平，预防不安全运行方式的出现，杜绝将一般事故演变成灾难性的大面积事故，已被普遍认为是最积极的反事故措施之一。
因为随着电网规模的增大和商业化运营的深入开展，电网调度的日益复杂，必须要求电力系统运行操作人员拥有丰富的知识、经验和能力，能圆满地处理电力系统正常、紧急、异常和事故情况下的运行问题。
而运行人员的运行经验又来自实际电力生产和操作，是在生产过程中不断总结出来的。
而电力系统是一个时刻运行的关系到千家万户的系统，不允许做破坏性试验，同时出现事故的机会不多，但事故类型又多种多样，而且一旦出现事故，后果一般十分严重。
另一方面，传统的调度员培训方式如跟班学习、课堂式的反事故演习、事故处理经验总结，这些方法效率低、周期长、效果差。
这样一方面是电力系统的日益发展而客观上要求调度员有较强的电力系统调度运行能力，另一方面是由于相对落后的培训方式导致的调度员运行经验和能力不足，这样就产生了矛盾。
上图给出了DTS的原理图。
图形的右边表示实际的电网和调度系统，它通过远动设备采集电力系统中各电力设备的运行状态（如频率、潮流、电压、开关状态、继电保护信号和事故信号等），通过通信通道送到调度室的实时调度系统上，调度员坐在调度室中，面对由数据采集监控（SCADA）和EMS高级应用软件共同组成的EMS系统，完成对实际电力系统的实时监控和分析决策。
图形的左
图1 DTS原理图
边表示DTS系统，它好似实际电网及调度系统的“镜像系统”，学员坐在学员室中充当“调度员”，接受培训，学员室中配备与实际调度室一致（或接近的）EMS软硬件系统（即学员台），让学员有一种身临其境的感觉；而教员一般由经验丰富的资深调度员充当，他坐在教员室里，利用教员台，在培训前准备教案，在培训中控制培训过程、设置电网事故，并充当厂站值班员，执行由学员下达的“调度命令”，并在培训结束后评价学员的调度能力。
其中电力系统模型和远动设备模型分别是实际电力系统和远动设备的数字仿真。
自从DTS出现后，该系统的成功运行可以大幅度提高调度员的素质和调度水平，进而大大提高电网的安全、优质、经济和商业化运行水平，具有重大的社会和经济效益。
“九五”期间国网公司提出EMS应用软件要进一步规范化，并下文将EMS规范化分为4部分：
发电控制类、发电计划类、网络分析类和调度员培训模拟。
由此可见，DTS在我国电网各级调度自动化部门已受到人们的高度重视。
DTS数学模型复杂，包含电力系统一次设备长过程的模拟及二次设备的模拟，数据维护量大，操作种类多，画面信息量大，包括教案制作、培训评估等，运行模块多，开发周期长，实用效果显著，又被许多专家称为EMS的宝塔尖。
第三章实验项目介绍
实验一电力系统有功功率分布及分析
一、实验简介
本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行，该模型有三台发电机与三台双卷变压器各自形成单元接线，高压侧电压220kV，六条220kV线路彼此连接形成环网。
本实验内容与课程“电力系统稳态分析”第三章“简单电力网络的计算与分析”中第一节的内容、第四章“复杂电力系统潮流的计算机算法”第三节及第四节的部分内容相关，通过本实验，让学生了解电力系统潮流分布中有功功率P的一些特点。
二、实验目的
首先通过本实验让学生认识及学会应用本仿真教学实验系统，学会对相关电力元件进行简单操作；学会观察电力系统的潮流分布状况，并记住某些元件（节点）的具体潮流值；本实验主要内容是让学生认识电力系统潮流中有功功率P的分布特点，通过实验操作了解影响有功功率P分布的因素。
三、实验原理
图1-1
图1-1线路等值电路图
所示为一条线路的等值电路图。
假设
和
为线路ij的有功及无功潮流，两端节点电压分别为
和
，其它参数如图所示。
则有
假设
sin
cos
上式可以简化为
式中
是线路电抗。
四、实验内容
1．记录全网各节点电压的幅值及其相角；观察并记录有功P方向；
2．依据实验要求，按照实验步骤调节发电机的有功功率P值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的有功P方向；
3．重复以上实验操作步骤，调节负荷的有功功率P值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的有功P方向；
4．分别对上述两个步骤的实验数据进行对比分析，观察有功P对各个电气量影响的不同，并按要求作图予以分析说明；
5．对比
（2）、（3）步骤的实验数据结果，并根据（4）所作的图示予以分析说明；
6．最后对所做实验及其数据结果，结合课本的相关知识点做实验总结，并回答文后问题。
五、实验步骤及要求
1．启动仿真系统
运行桌面的仿真系统启动快捷方式文件desktop.exe，启动EMS，点击屏幕左下方出现一个图标，选择切换到EMS菜单条，在弹出的登录窗口中选择用户名，后在EMS菜单条中点击“系统工具”中的“工作平台”项，在出现的窗口左侧打开九节点系统树形结构图，点击要选择的厂站名称，此时在当前窗口出现相应的厂站图。
在当前窗口菜单栏中部，点击下拉式菜单，选择“状态估计”项，观察在“报警窗口”中出现的系统遥测的统计信息。
之后再从该下拉式菜单中选择“调度员潮流”项，就进入实验平台窗口。
为方便起见，一般建议大家都选择九节点系统的全网图进行实验操作，打开九节点系统树形结构图，点击“其它”项，选择“九节点全网潮流图”。
2．实验项目及操作步骤
①在当前的九节点全网潮流图中，观察各线路有功功率P的方向和线路首末端电压相角
的差值方向；记录各节点电压幅值和相角数据。
母线名
Bus4
Bus5
Bus6
Bus7
Bus8
Bus9
U（幅值）
δ（相角）
2
选择3号发电机进行操作。
在窗口中选中3号发电机，按右键，在弹出的菜单中选择“功率调节”，在出现的对话窗中调节3号发电机有功功率P，依次调节功率，每次递增10MW，共操作十次，记录下每次操作后3号发电机有功功率P的值、各节点电压的幅值和电压相角值。
参照下表
发电机有功P
母线名
Bus4
Bus5
Bus6
Bus7
Bus8
Bus9
U
δ
3第②步实验完成后，重新点击“量测分析”、“状态估计”、“调度员潮流”重新返回基态潮流，或者点击“调度员潮流”窗口上菜单栏“调度操作”项，选择“清除操作”项，系统便返回初始基态潮流。
选择母线C上的负荷进行操作，在窗口中选中负荷，按右键，在弹出的菜单中选择“负荷功率调节”，在出现的对话窗中调节负荷有功功率P。
依次调节功率，每次递增10MW，共操作十次，记录下每次操作后负荷有功功率P的值、各节点电压的幅值和电压相角值。
负荷有功P
母线名
Bus4
Bus5
Bus6
Bus7
Bus8
Bus9
U
δ
六、实验数据记录
1．首先用以下表格记录基态下的发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压和其它母线电压，并同时记录下此时3号发电机的有功P值。
2．每一次操作后用以下表格分别记录调节发电机功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角以及其它母线电压幅值和相角，并同时记录下每一次3号发电机的有功P值。
3．重复利用表格分别记录调节负荷功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角、其它母线电压幅值和相角的值，并同时记录下每一次负荷的有功P值。
七、实验数据分析
1.分别对发电机机端电压、变压器高压母线电压、普通线路（连接处）的节点电压幅值和相角，记录各自实验数据；
2.分析有功功率P的变化分别对发电机机端电压、变压器高压侧母线电压、及其它母线电压的影响；
3.分析有功功率P的变化分别对发电机机端电压相角、变压器高压侧母线电压相角、及其它母线电压相角的影响；
4.以表格的实验记录作为数据源，作图分别表示
、
、
的曲线。
例如下图分别为有功功率对母线电压相角和电压幅值的关系
八、实验报告
1、给出实验采用的仿真电网模型图。
2、给出每一次实验步骤所记录的实验数据。
3、采用图、表或文字手段，分析实验数据，得出实验结论。
4、回答本节实验文后的问题。
5、实验小结和体会。
九、问题
1．请给出本实验的理论依据；
2．欲调节电压相角
，调有功P有效还是调无功Q有效？
3．想要调节水轮发电机的出力P应调节什么控制量？
如想要调节汽轮发电机的出力P又应调节什么控制量？
实验二电力系统无功功率分布及分析
一、实验简介
本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行，与实验一的模型相同。
本实验内容与电力系统稳态分析课程中第三章“简单电力网络的计算与分析”的第一节的内容、第四章“复杂电力系统潮流的计算机算法”第三节及第四节的部分内容相关，通过本实验，让学生了解电力系统潮流分布中无功功率Q的一些特点。
二、实验目的
首先通过本实验让学生认识及学会应用本仿真教学实验系统，学会对相关电力元件进行简单操作；学会观察电力系统的潮流分布状况，并记住某些元件（节点）的具体潮流值；本实验主要内容是让学生认识电力系统潮流中无功功率Q的分布特点，通过实验操作了解影响无功功率Q分布的因素。
三、实验原理
图2-1所示为一条线路的等值电路图，其模型与实验一的线路模型相同。
参数如图所示。
则有
假设
图1线路等值电路图
sin
cos
图2-1线路等值电路图
上式可以简化为
式中
是线路电抗。
四、实验内容
1．记录全网各节点电压的幅值及其相角；观察并记录无功Q方向；
2．依据实验要求，按照实验步骤调节发电机的无功功率Q值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的无功Q方向；
3．重复以上实验操作步骤，调节负荷的无功功率Q值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的无功Q方向；
4．分别对上述两个步骤的实验数据进行对比分析，观察无功Q对各个电气量影响的不同，并按要求作图予以分析说明；
5．对比
（2）、（3）步骤的实验数据结果，并根据（4）所作的图示予以分析说明；
6．最后对所做实验数据结果，结合课本的相关知识点做实验总结，并回答文后问题。
五、实验步骤及要求
1．启动仿真系统
运行桌面的仿真系统启动文件desktop.exe，启动仿真系统，选择九节点系统的全网图进行实验，具体操作方法和步骤与实验一同。
2．实验项目及操作步骤
1在当前的九节点全网潮流图中，观察各线路无功功率Q的方向和线路首末端电压幅值U的差值方向；记录各节点电压的幅值和电压相角值。
无功Q
母线名
Bus1
Bus2
Bus2
U
δ
2选择3号发电机进行操作。
在窗口中选中3号发电机，按右键，在弹出的菜单中选择“功率调节”，在出现的对话窗中调节3号发电机无功功率Q，依次调节功率，每次递增10MVar，共操作十次，记录下每次操作后发电机的无功功率Q值、各节点电压的幅值和电压相角值；
发电机无功Q
母线名
Bus4
Bus5
Bus6
Bus7
Bus8
Bus9
U
δ
3第②步实验完成后，重新点击“量测分析”、“状态估计”、“调度员潮流”进入实验操作平台，选择母线C上的负荷进行操作。
在窗口中选中负荷，按右键，在弹出的菜单中选择“负荷功率调节”，在出现的对话窗中调节负荷无功功率Q。
依次调节功率，每次递增10MVar，共操作十次，记录下每次操作后负荷的无功功率Q值、各节点电压的幅值和电压相角值；
负荷无功Q
母线名
Bus4
Bus5
Bus6
Bus7
Bus8
Bus9
U
δ
六、实验数据记录
1．用表格记录基态下的发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压和其它母线电压，并同时记录下此时1号发电机的无功Q值。
2．每一次操作后用表格记录每一次调节发电机功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角以及其它母线电压幅值和相角，并同时记录下相应1号发电机的无功Q值。
3．同理，利用表格记录每一次调节负荷功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角、其它母线电压幅值和相角的值，并同时记录下相应负荷的无功Q值。
七、实验数据分析
1.分别对发电机机端电压、变压器高压母线电压、普通线路（连接处）的节点电压幅值和相角，记录各自实验数据；
2.分析无功功率Q的变化分别对发电机机端电压、变压器高压侧母线电压、及其它母线电压的影响；
3.分析无功功率Q的变化分别对发电机机端电压相角、变压器高压侧母线电压相角、及其它母线电压相角的影响；
4.按照实验记录，作图分别表示
、
的曲线，如下图。
其余图形学生可根据要求做出。
八、实验总结及实验报告
1.给出实验采用的仿真电网模型图。
2.给出每一次实验步骤所记录的实验数据。
3.采用图、表或文字手段，分析实验数据，得出实验结论。
4.回答本节实验文后的问题。
5.实验小结和体会。
九、问题
1．请给出本实验的理论依据；
2．欲调节电压相角
，调有功P有效还是调无功Q有效？
3．想要调节水轮发电机的无功Q应调节什么控制装置？
调节汽轮发电机的Q呢？
4．调整变压器分接头能增加或减少全系统无功总量吗
实验三电力系统综合调压措施分析
一、实验简介
本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行。
本实验内容与课程“电力系统稳态分析”第三章“简单电力网络的计算与分析”中第一节的内容相关，通过本实验，让学生了解电力系统对电压调整的各种手段。
二、实验目的
1.让学生学会应用仿真系统对模拟电网的节点电压进行调节；
2.对比发电机和负荷无功功率对节点电压的影响；
3.了解电抗器与电容器对电压调节的不同作用；
4.让学生能借助仿真电网的潮流状态进行初步的无功补偿容量计算；
5.让学生用电压损耗公式验算计算结果；
三、实验原理
1.先以一条线路作例子。
图3-1所示为一条线路的等值电路图，其模型与实验一的线路模型相同。
线路潮流如图所示，则首末端节点电压有如下关系：
图3-1线路等值电路图
由于
可以近似认为
其中
另外，在实际中常通过灵敏度分析找出被控变量和控制变量之间的线性关系。
假设潮流方程用以下式子表示：
f（x，u）=0
其中x是状态量，通常取为节点电压的幅值和相角；u为控制量，通常取为发电机有功出力、机端电压、变压器分接头等可调变量。
将上式在某一初值附近展开为一级泰勒级数
两个偏导数分别在x（0）和u（0）处取值，就有
就称为状态变量和控制变量之间的灵敏度矩阵，其元素
表示控制变量的单位变化引起的状态变化的变化量。
为便于理解，下面以一个例子来说明：
如图，1为PQ节点，2为PV节点，3为平衡节点，支路1-3为变压器支路。
状态变量、控制变量和被控变量分别为
试求其灵敏度矩阵
。
图3-2三节点系统
2.补偿容量计算
图3-
升级会员 