電力系統(tǒng)分析工具軟件 (1)

1、李劍勇李劍勇 電力系統(tǒng)分析常用工具軟件電力分析工具軟件電力分析工具軟件 電力系統(tǒng)是一個極度復雜和難解的系統(tǒng)，對其分析離不開電力系統(tǒng)分析軟件的使用 ?，F(xiàn)在國內外電力系統(tǒng)常用軟件主要有PSASP (Power System Analysis Software Package)EMTP-ATP（Alternative Transients Program）PSSNETOMAC ,PSCAD/EMTDC PSSE ( Power System Simulator for Engineering)SIMPOW，MATLAB分析設計軟件包，CYME等。 PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序（電力系統(tǒng)分析綜合程

2、序 ） PSASP是一套歷史長久、功能強大、使用方便的電力系統(tǒng)分析程序，它具有我國自主知識產權，是資源共享，使用方便，高度集成和開放的大型軟件包。 交直流混合電力系統(tǒng) ，固定模型庫和用戶自定義模型庫支持，提供用戶程序接口，實現(xiàn)與用戶程序聯(lián)合運行，文本和圖形兩種運行模式及多種形式的結果輸出 。發(fā)展歷史 1、自1973年開始的長期開發(fā)應用歷史 1973-1980 早期的機器指令版 1980-1986 大中型機 FORTRAN 語言版 1986-1995 微機 DOS 版 1995至今 微機 Windows 版 2、全國各省市、香港地區(qū)電力規(guī)劃設計、生產調度運行、科研教育等 超過400家用戶 3、應

3、用于多項大型電力系統(tǒng)工程計算分析 4、應用于多所大學作為科研和教學的有力工具 5、1985年榮獲首屆國家科技進步一等獎 PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序（電力系統(tǒng)分析綜合程序 ）基于公用數(shù)據(jù)和模型的三層體系結構 第一層：公用數(shù)據(jù)和摸型的的資源庫第二層：基于資源庫的應用程序包 第三層：計算結果庫和分析工具 - 極大地資源共享，高度集成和開放 PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序（電力系統(tǒng)分析綜合程序 ）文本和圖形兩種錄入編輯方式的電網基礎數(shù)據(jù)庫 1、是支持 PSASP 各種計算的公用數(shù)據(jù) 2、包含發(fā)電機、變壓器、交流線、負荷、直流線、靜止無功補償器 等電網基本元件 3、有文本和圖形兩種數(shù)據(jù)錄入編輯方

4、式 4、可提供各種分析計算的基本數(shù)據(jù)支持 5、可按地區(qū)、年度、運行方式從中抽取計算的基本數(shù)據(jù) PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序（電力系統(tǒng)分析綜合程序 ）直觀方便、功能強大的用戶自定義模型方法 1、可自由建立任何元件的模型（電源、負荷、各種控制保護裝置、FACTS元件 等），作為各種計算的模型庫 2、直觀方便的文本和圖形兩種模型編輯方式 3、調用簡單，計算快速PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序（電力系統(tǒng)分析綜合程序 ）基于公用資源的交直流電力系統(tǒng)分析程序包 潮流 暫態(tài)穩(wěn)定 短路電流 網損分析 電壓穩(wěn)定 靜態(tài)安全分析 靜態(tài)和動態(tài)等值 直接法暫態(tài)穩(wěn)定 小干擾穩(wěn)定 最優(yōu)潮流和無功優(yōu)化 參數(shù)優(yōu)化協(xié)調 繼電

5、保護整定與仿真EMTP-ATP （Alternative Transients Program） ATP是一個模擬電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)特性的數(shù)字仿真軟件包。ATP可模擬任意結構的復雜電力網絡及其控制系統(tǒng)。ATP具有很強的擴展能力，除暫態(tài)計算之外，還有其它一些重要的特性。 12脈沖HVDC換流站模擬EMTP-ATP （Alternative Transients Program）系統(tǒng)原理 （1）利用梯形積分法在時域內求解系統(tǒng)元件的微分方程。 （2）非零初始狀態(tài)的確定通過以下兩種方式：由穩(wěn)態(tài)相量解法自動確定或者由用戶通過簡單元件輸入。 （3）與TACS程序模塊（控制系統(tǒng)的暫態(tài)分析模塊）和MO

6、DELS（一種仿真語言）的接口能力可以模仿控制系統(tǒng)和非線性元件，如電弧等。 （4）可分析對稱與不對稱故障和擾動，如雷擊浪涌、開關操作和包括閥換流等。 （5）運用頻率掃描方法計算相量網絡的頻率響應特性。 （6）運用諧波頻率掃描方法（諧波電流注入法）進行頻域的諧波分析。 （7）無電網絡的動態(tài)系統(tǒng)也可使用TACS控制系統(tǒng)和MODELS語言來進行模擬。EMTP-ATP （Alternative Transients Program） EMTP-ATP廣泛應用于開關和雷電沖擊分析、絕緣配合和軸系扭振研究、繼電保護模擬、諧波和電能質量研究以及HVDC和FACTS裝置的模擬。 典型的EMTP研究應用如下：

7、雷擊過電壓研究 開關暫態(tài)與故障 統(tǒng)計和系統(tǒng)過電壓研究 GIS和接地系統(tǒng)的甚高速暫態(tài)過程 電機模擬 暫態(tài)穩(wěn)定、電機起動 軸系扭轉 變壓器和并聯(lián)電抗器/電容器開關 鐵磁諧振 電力電子應用 斷路器拉弧 FACTS設備：STATCOM、SVC、UPFC、TCSC等裝置模擬 諧波分析、網絡諧振 繼電保護裝置測試 EMTP-ATP （Alternative Transients Program） TACS 為進行控制系統(tǒng)時域分析的模塊。最初開發(fā)TACS是為了模擬HVDC換流器的控制系統(tǒng)。TACS采用控制系統(tǒng)的結構圖表示法。TACS可用于模擬： （1）HVDC換流器的控制系統(tǒng) （2）同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng) （

8、3）電力電子及其驅動 （4）電?。〝嗦菲骱凸收想娀。?電網與TACS之間的接口是通過信號量的交互：如節(jié)點電壓、支路電流、開關狀態(tài)、時變電阻、電壓源和電流源等。EMTP-ATP （Alternative Transients Program） ATP-EMTP程序在運行時采用動態(tài)分配方法，以降低對系統(tǒng)硬件的要求（如內存）。尚無仿真規(guī)模的絕對限制。目前最大規(guī)模的仿真計算是在基于英特爾CPU的PC上進行的。下面列出了標準EEUG 程序仿真規(guī)模的限制情況。 節(jié)點數(shù)： 6000 支路數(shù) ：10000 開關數(shù) ：1200 電源數(shù) ：900 非線性元件：2250 同步電機 ：90 PSSNETOMAC 德國

9、西門子公司在上個世紀70年代開發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件，經過多年的發(fā)展，該軟件不斷完善，功能日益強大，具有良好的開放性，可嵌入用戶自行編制的 FORTRAN語言子程序、數(shù)學表達式等，用戶遍及世界各地。該軟件元件模型全，仿真頻帶寬，運行與Windows環(huán)境下 。 潮流計算：可進行單相、三相潮流計算，計算時可以考慮負荷電壓特性、變壓器分接頭、HVDC及SVC；也可進行電感、電容耦合的多相線路潮流計算，得到分布式多相線路上的電壓隨距離的變化曲線 暫態(tài)計算：分為電磁暫態(tài)計算和機電暫態(tài)計算。電磁暫態(tài)部分采用差分導納法、變積分步長等方法和技巧有效地處理了開關操作產生間斷點、非線性連接等問題；機電暫態(tài)部分可用自

10、定義地負荷模型考慮頻率、電壓特性，自定義的繼電保護斷開線路仿真。在暫態(tài)計算中不同的時段可采用不同的數(shù)學模型，可變積分步長功能：PSSNETOMAC 參數(shù)辨識和優(yōu)化：在頻域或時域內使用QuasNewton，Modified Powell或最小二乘法進行辨識；能在等式、不等式約束條件下對用戶自定義的目標函數(shù)進行優(yōu)化；能對發(fā)電機電壓調節(jié)器的參數(shù)進行優(yōu)化甚至可以解決一些較難優(yōu)化的數(shù)學問題 頻率響應：計算網絡和電機的頻率特性以便于為發(fā)電機勵磁等的參數(shù)設計提供依據(jù)、計算無源網絡的諧波分布、分析網絡中出現(xiàn)的周期性干擾、研究與頻率和電壓有關的負荷的影響等 動態(tài)穩(wěn)定性分析：應用收斂性較好的QR算法求出全部特征值

11、，來判斷系統(tǒng)在小擾動下的動態(tài)穩(wěn)定性；若考慮發(fā)電機軸系方程后，也可進行次同步振蕩的研究 面向模塊的仿真語言：采用模塊化語言來模擬發(fā)電機勵磁，原動機調速器、汽輪機等。具有80多種模塊，其中有積分、慣性等基本積分環(huán)節(jié)，也有較大的組合模塊 功能：PSCAD/EMTDC Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。

12、已被廣泛地應用在電力系統(tǒng)許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學研究。 PSCAD/EMTDC系統(tǒng)特點: PSCAD一個以圖形為基礎的電力系統(tǒng)模擬工具族 ，EMTDC 是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序, 可以通過PSCAD 進行調用。EMTDC 的威力之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關的控制系統(tǒng)。PSCAD/EMTDC典型研究 :（1）研究電力系統(tǒng)中由于故障或開關操作引起的過電壓。它也能模擬變壓器的非線性(即飽和)這一決定性因素。 （2）多運行工具(Mnltiple mnfacilities)經常用來進行數(shù)以百計的模擬從而在下 列不同情況下發(fā)生

13、故障時最壞的情況。故障發(fā)生在波形的不同位置，故障的類型不同，故障點不同。 在電力系統(tǒng)中找出由于雷擊發(fā)生的過電壓。這種模擬必須用非常小的時間步長來進行。(毫微秒級) （3）研究電力系統(tǒng)由于SVC，高壓直流接入，STATCOM，機械驅動(事實上任何電力電子裝置)所引起的諧波。這里需要詳細的可控硅，GTO，IGBT，二極管等的模型以及相關的控制系統(tǒng)模型(模擬量的和數(shù)字量的二種類型)（4）對給定的擾動，找出避雷中最大能量。 （5）調整和設計控制系統(tǒng)以達到最好的性能；多重運行工具常被用來同時自動調整增益和時間常數(shù)。 （6）當一個大型渦輪發(fā)電機系統(tǒng)與吊聯(lián)補償?shù)木€路或電力電子設備互相作用時，研究次同步諧振的

14、影響。 PSCAD/EMTDC（7）STATCOM或電壓源轉換器的建模，(以及它們相關控制的詳細建模)。 （8）研究SVC HVDC和其它非線性設備之間的相互作用； （9）研究在諧波諧振，控制，交互作用等引起的不穩(wěn)定性； （10）研究柴油機和風力發(fā)電機對電力網的沖擊影響； （11）絕緣配合； （12）各種類型可變速裝置的研究，包括雙向離子變頻器，運輸和船舶裝置 （13）工業(yè)系統(tǒng)的研究，包括補償控制，驅動，電爐，濾波器等； （14）對孤立負荷的供電； PSCAD/EMTDCPSSE PSSE是西門子PTI（Siemens Power Technologies International）公司提供

15、的軟件產品。 PSSE是一個完整的電力系統(tǒng)分析軟件工具庫。該軟件提供了一個非常優(yōu)越的潮流計算，短路故障分析和動態(tài)仿真的環(huán)境. PSSE采用最新的計算機技術和數(shù)值計算方法，提供與電力系統(tǒng)技術發(fā)展同步的元件模型，如傳統(tǒng)和新型高壓直流（HVDC）模型、靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）模型等，并提供用戶可自定義的模型和用戶可編程的計算過程等功能。PSSE系統(tǒng)特點: （1）輸入數(shù)據(jù)方式及與其他程序數(shù)據(jù)文件共享的方便性； （2）程序缺省模型包括發(fā)電機模型、勵磁系統(tǒng)模型、調速器模型、HVDC 模型、FACTS 模型、負荷模型等的完整性； （3）用戶自定義模型功能和程序接口功能； （4）用戶自定義計算順序與用戶

16、自定義計算功能； （5）分析計算功能的多樣性； （6）計算方法的透明性與文檔的完整性； （7）國際交流的方便性。PSSE主要功能 PSSE OPF PSSE OPF（用于電力系統(tǒng)工程的仿真器的優(yōu)化潮流）是個功能強大，使用方便的電力網絡分析工具。它突破了常規(guī)的潮流分析，為用戶提供了全面優(yōu)化和調整輸電系統(tǒng)運行的能力。PSSE OPF完全嵌入在PSSE的潮流程序中，使得這種優(yōu)化和調整更為容易。 PSSE OPF把職能融入潮流求解過程中，大大提高了分析電力系統(tǒng)性能的效率。常規(guī)的潮流依賴于工程師系統(tǒng)地研究各個解后才能找到一個滿意的“良好”解，而PSSE OPF直接改變各種控制從而迅速地確定“最優(yōu)”解。幾

17、乎對于任何一個合理的初始點，OPF肯定能求得唯一的全局最優(yōu)解，并同時滿足系統(tǒng) 約束，使成本減少到最小或使系統(tǒng)性能最佳。PSSE OPFSIMPOW SIMPOW是一個完整的電力系統(tǒng)仿真軟件。它涵蓋了電力網絡分析的各種應用領域，但其主要專注于時域和頻域的動態(tài)仿真。用戶可以利用編程語言進行自行設定仿真模型和計算方法，以便進行在線分析和工程研究。 自從1971年開始，SIMPOW被應用于多個工程的交互研究，其中包含HVDC,HVDC照明，F(xiàn)ACTS和風力發(fā)電等。SIMPOW 負荷潮流計算；短路計算；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究（同步穩(wěn)定性，電壓穩(wěn)定性，暫態(tài)穩(wěn)定性等）；負荷切除；負荷波動；原動機轉矩異常；機電暫

18、態(tài)；系統(tǒng)功能 同步諧振；電磁頻域諧振分析；特征向量；特征值靈敏度；頻率掃描；參數(shù)掃描和模態(tài)分析；諧波分析SIMPOW （1）電力系統(tǒng)潮流分析模塊（Power-flow analysis module） 電力系統(tǒng)潮流模塊基于頻率，電壓和電流，對于穩(wěn)態(tài)對稱的電路進行仿真。系統(tǒng)中采用動態(tài)算法或者牛頓-拉夫遜（Newton-Raphson）法進行潮流計算，并且針對變量設定了各種各樣的約束條件。 （2）動態(tài)仿真模塊（Dynamic simulation module） 在SIMPOW軟件中包含兩種動態(tài)模型：暫態(tài)穩(wěn)定和瞬時值模型。每種模型都能模擬穩(wěn)態(tài)，對稱和不對稱電力網絡。暫態(tài)穩(wěn)定模型通過交流系統(tǒng)相量和直

19、流系統(tǒng)電壓電流進行計算，輸出正序，負序，零序分量。瞬時值模型計算瞬時電壓和電流，輸出dqo分量。SIMPOW軟件提供了完整的動態(tài)仿真模塊庫，包含HVDC 和SVC 系統(tǒng)。 （3）故障分析模塊（Fault analysis module） 故障分析模塊用于仿真分析穩(wěn)態(tài)對稱和不對稱故障，計算短路電流，序分量，節(jié)點短路阻抗等。 （4）頻域分析模塊（Frequency domain analysis） SIMPOW可用以頻域特征值計算和頻域響應計算，這對于電機的小信號穩(wěn)定和自動控制系統(tǒng)方面的研究將有莫大的幫助。典型模塊與典型研究 MATLAB Matlab含有多個專業(yè)性的工具箱，其中主要用于電力系統(tǒng)分

20、析的有EST(Educational Simulation Tool )，MatEMTP，Matpower，PST (Power System Toolbox)，PAT（Power Analysis Toolbox），SPS（Sim Power Systems），VST（Voltage Stability Toolbox），PSAT（Power System Analysis Toolbox）等工具箱，而且工具箱還在不斷增加，這些工具箱給電力系統(tǒng)的研究和工程應用提供了有力的工具。 Matlab由美國MathWorks軟件公司于1984年推向市場，歷經十幾年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)在己經成為(IEEE評

21、述)國際公認的最優(yōu)秀的科技應用軟件之一。該軟件有三大特點:一功能強大;二.界面友好、語言自然;三.開放性強(僅MathWorks軟件公司就推出30多個應用工具箱)，已成為應用科學計算機輔助分析、設計、仿真、教學乃至科技文字處理不可缺少的基礎。MATLAB工具箱標準潮流連續(xù)潮流最優(yōu)潮流小信號穩(wěn)定分析時域仿真電磁暫態(tài)圖形化用戶交互圖形化電網搭建ESTMatEMTPMatpowerPATPSATPSTSPSVST電力系統(tǒng)分析工具箱功能對比 MATLAB-PSAT PSAT的核心是潮流計算程序，方便電力系統(tǒng)潮流計算以及對其的靜態(tài)和動態(tài)分析。 PSAT典型模塊包括（1）連續(xù)潮流模塊（Continuati

22、on power flow）；（2）最優(yōu)潮流模塊（Optimal power flow）；（3）小信號穩(wěn)定分析（Small signal stability analysis）；（4）時域仿真模塊（Time domain simulations）（5）相量測量單元（Phasor measurement unit (PMU) placement）。MATLAB用于電力系統(tǒng)分析工具箱很多，僅以PSAT作為典型進行介紹 為了適應針對電力系統(tǒng)新元件、新問題的研究，PSAT 還提供了豐富的靜態(tài)、動態(tài)模型庫。PSAT還可以與GAMS和UWPFLOW程序進行交互，這更加擴展了PSAT的最優(yōu)潮流和連續(xù)潮流分的

23、析功能。 CYME CYME 為一套專業(yè)電力工程軟件，它以個人計算機及微軟窗口 (Microsoft Windows 操作平臺，具便利性及親和力，它結合優(yōu)異之分析能力與先進之界面技術，是當前多電力工程軟件中，被公認具有高質量及高信賴的電力工程軟件，它被許多電力公司、工業(yè)組識、顧問公司、研究機構及學校等選電力系統(tǒng)仿真之標準軟件。 CYME 包含以下分析工具:CYMTCC, Protective Device Coordination (保護裝置協(xié)調的分析與研究保護裝置協(xié)調的分析與研究 )CYMGRD, Substation Grounding (變電所接地網設計與分析變電所接地網設計與分析 )C

24、YMDIST, Distribution System Analysis (分析平衡或不平衡一次配電系統(tǒng)分析平衡或不平衡一次配電系統(tǒng))CYMCAP, thermal behavior(仿真電力電纜安置的熱反應仿真電力電纜安置的熱反應)CYME PSAF (Power Systems Analysis Framework)CYMTCC, Protective Device Coordination (保護裝置協(xié)調的分析與研究 ) CYMTCC 是以 MS Windows操作平臺的保護裝置協(xié)調軟件包 。主要是設計來幫助工程師從事過電流保護裝置的協(xié)調用，是一個先進的工程分析工具 。當前 CYMTCC

25、 的設計適合于放射狀系統(tǒng) (radial systems)。 可用于工商業(yè)電力系統(tǒng)及電力公司的配電饋線 。具備有圖形化使用者界面，使本軟件具有高使用效率及親和力 。CYMGRD, Substation Grounding (變電所接地網設計與分析 ) CYMGRD 是特別設計來幫助工程師最佳化新接地網，及強化既設接地網用 適用于任何形狀的新、舊接地網 以 MS Windows操作平臺 具有容易使用 (easy to use) 、內建的 (built-in) 危險點 (danger point) 評估功能 具備友善的使用者信息輸入界面，及強而有力的繪圖功能 采用一般用途的有效的分析法則 是協(xié)助工

26、程師達到技術考量健全，并符合經濟設計的有效工具 CYMDIST, Distribution System Analysis (分析平衡或不平衡一次配電系統(tǒng)) CYMDIST 主要是設計來幫助工程師從事一次配電系統(tǒng)規(guī)劃、運轉及最佳化用，是一個先進的工程分析工具當前 CYMDIST 的設計適合于含有多個發(fā)電源 (generation sources) 的放射狀 (radial) 及環(huán)狀 (looped) 一次配電系統(tǒng) 以 MS Windows操作平臺 具有圖形化使用者界面，使本軟件具有高使用效率及親和力 使用者可以圖形創(chuàng)建饋線 (feeders) 或從 AM/FM/GIS 軟件輸入信息，并可直接從單線圖上觀看結果 可運行平衡或不平衡系統(tǒng)各相電壓降計算、故障計算 ( 故障電流及故障電壓 ) 、電容器最佳安置位置與容量決定、負載平衡及負載配置及透過與 CYMTCC 之界面孰行保護裝置協(xié)調 CYMCAP, thermal behavior(