論電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇

1、論電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇    摘 要：針對電力系統(tǒng)仿真軟件的選擇問題，本研究選取了國內(nèi)應(yīng)用比較普遍和易用的三款仿真軟件：Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP，通過軟件特點(diǎn)的列舉及算例介紹，分析了每種仿真軟件的功能強(qiáng)項(xiàng)。為針對不同的仿真對象時(shí)選取仿真工具提供參考。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)仿真軟件；Matlab/Simulink；PSCAD/EMTDC；PSASP中圖分類號：TM7431 引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真軟件已發(fā)展成為種類繁多、各有側(cè)重的一系列軟件，它們在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。目

2、前，在工程實(shí)際中應(yīng)用的主流電力系統(tǒng)仿真軟件有：EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC、PSS/E、PSASP、BPA、SIMPOW 等1。面對眾多的電力系統(tǒng)仿真軟件，如何選擇合適的仿真軟件成為廣大高校師生及工程技術(shù)人員的一道難題。本研究列舉了三種國內(nèi)比較流行的電力系統(tǒng)仿真軟件的特點(diǎn)，并通過實(shí)例分析了它們的適用性。2 電力系統(tǒng)仿真軟件對比和選擇電力系統(tǒng)仿真指的是利用數(shù)字模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并且通過對實(shí)際系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或計(jì)劃中的系統(tǒng)2。仿真軟件的開發(fā)初衷、建模思路、所用算法都會對仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以不同的電力系統(tǒng)仿真軟件的功能強(qiáng)項(xiàng)和適用范圍會有所不同。下

3、面就以PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 為例，分析說明它們在實(shí)際運(yùn)用中的異同，為我們選擇合適的軟件提供參考。2.1 電力系統(tǒng)仿真的分類及本研究的定位根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)動態(tài)過程響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)仿真時(shí)間的關(guān)系，電力系統(tǒng)仿真可分為實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真3，由于現(xiàn)實(shí)軟硬件條件的限制，這里主要考慮的是非實(shí)時(shí)仿真。根據(jù)仿真所采用的數(shù)據(jù)來源，電力系統(tǒng)仿真可分為在線仿真和離線仿真，這里考慮的是離線仿真。根據(jù)仿真變量的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為頻域仿真和時(shí)域仿真，這里主要考慮的是時(shí)域仿真。根據(jù)考察的動態(tài)過程的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真，這里主要考

4、慮電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)仿真。2.2 軟件對比表1 PSCAD/EMTDC、PSASP、Matlab/Simulink 功能對比仿真軟件 PSCAD PSASP Matlab/Simulink仿真對象 電磁暫態(tài) 機(jī)電暫態(tài) 電磁暫態(tài)功能強(qiáng)項(xiàng)交直流系統(tǒng)特性分析、交直流相互影響、直流工程系統(tǒng)研究、FSC 和TCSC性能研究可計(jì)算大規(guī)模交直流混合電力系統(tǒng)，并保存各種計(jì)算的歷史結(jié)果；潮流、穩(wěn)定計(jì)算，短路電流計(jì)算，靜態(tài)安全分析，小擾動分析，電壓穩(wěn)定分析，系統(tǒng)等值以數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達(dá)的系統(tǒng)，尤其是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析；計(jì)算簡化,仿真細(xì)致,反映很細(xì)微的變化過程。優(yōu)點(diǎn)HVDC 和FACTS 模型完備、圖形化界面能

5、繪制潮流圖，具有用戶自定義功能，提供用戶程序接口，文本和圖形兩種運(yùn)行模式及多種形式的結(jié)果輸出具有良好的通用性，Simpower庫中含有豐富的電力系統(tǒng)元件模型缺點(diǎn)大規(guī)模電網(wǎng)仿真計(jì)算速度較慢、模型搭建工作量較大、需要進(jìn)行電網(wǎng)等值HVDC、TCSC 等FACTS 設(shè)備模型不夠詳細(xì)，自定義功能在實(shí)際使用中有局限性計(jì)算過程建立在最基本的電路原理和微分方程求解的基礎(chǔ)上并同步計(jì)算電磁過程和機(jī)電過程,幾乎沒有考慮電力系統(tǒng)的特性應(yīng)用情況國內(nèi)外應(yīng)用廣泛 在我國國家電網(wǎng)系統(tǒng)有較廣泛的應(yīng)用國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛3 算例分析3.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算潮流計(jì)算、短路計(jì)算和網(wǎng)損計(jì)算是最常用的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對規(guī)劃中的電力系

6、統(tǒng)，通過潮流計(jì)算可以檢驗(yàn)所提出的電力系統(tǒng)規(guī)劃方案能否滿足各種運(yùn)行方式的要求；短路電流值則用來做繼電保護(hù)的整定依據(jù)；網(wǎng)損計(jì)算則可對不同運(yùn)行方式做經(jīng)濟(jì)性分析。PSASP 在對一個(gè)較大的供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算、短路計(jì)算和網(wǎng)損計(jì)算方面有著明顯的優(yōu)勢：作為一款機(jī)電暫態(tài)仿真軟件，它的收斂速度較電磁暫態(tài)仿真軟件快很多，因而適用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算；由中國電科院開發(fā)，中文界面，有獨(dú)立的潮流計(jì)算、短路計(jì)算和網(wǎng)損計(jì)算的按鈕，操作簡單，易于初學(xué)者上手；有方便的接口程序，可直接以Excel 表格或是文本文檔輸出計(jì)算結(jié)果，方便數(shù)據(jù)的閱讀和保存；能繪制潮流圖；圖1 PSASP 繪制的某煤礦井下高壓供電系統(tǒng)圖（局部）圖

7、1 為某煤礦的一條下井線路及其所帶的眾多采區(qū)變電所供電系統(tǒng)圖，按照系統(tǒng)圖在PSASP 中繪制出相應(yīng)的供電系統(tǒng)圖并填入相應(yīng)參數(shù)后，只需按相應(yīng)的計(jì)算按鈕就能方便地得到潮流、短路、網(wǎng)損計(jì)算的結(jié)果，從而極大地節(jié)省了工作量。3.2 HVDC 仿真為了研究某背靠背換流站在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的換相失敗過程,利用PSCAD/EMTDC對背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了建模,并在此基礎(chǔ)上對高壓直流輸電系統(tǒng)中常見的故障進(jìn)行了仿真分析,其中包括逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障的情況。仿真結(jié)果表明,在PSCAD/EMTDC 環(huán)境下建立的模型能夠比較準(zhǔn)確地描述在暫態(tài)過程中背靠背直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)特性,可以為現(xiàn)場運(yùn)行以及

8、故障分析提供參考。在系統(tǒng)中加入故障檢測控制環(huán)節(jié),根據(jù)電壓和電流的變化,適時(shí)增大提前觸發(fā)角,可以有效地預(yù)防換相失敗4。圖2 換流站主接線圖本研究之所以采用PSCAD/EMTDC 來進(jìn)行建模，并取得了良好的仿真效果，是因?yàn)镻SCAD/EMTDC 在直流輸電方面有著天然的優(yōu)勢：它的設(shè)計(jì)初衷就是應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)性能研究。PSCAD/EMTDC 計(jì)算步長采用幾十微秒（甚至可以更?。鼙容^精確地模擬交直流輸電系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)特性。另外，PSCAD/EMTDC 采用了插值算法，即使電壓電流過零點(diǎn)、開關(guān)投切或晶閘管通斷等物理過程發(fā)生在計(jì)算步長之內(nèi)，PSCAD/EMTDC 也能通過插值算法精確確定電壓

9、電流過零點(diǎn)、開關(guān)投切或晶閘管通斷的時(shí)刻，所以能精確地測量出直流系統(tǒng)的觸發(fā)角和息弧角，因?yàn)橛|發(fā)角和息弧角是通過換向電壓過零點(diǎn)和閥的通斷信息計(jì)算而得的。比如，當(dāng)計(jì)算步長采用50s 時(shí)，如果不采用插值算法，息弧角的測量誤差大約為1°，如果采用差值算法，息弧角的測量誤差大約只有0.001°。換流閥的息弧角是判斷直流系統(tǒng)是否發(fā)生換向失敗的重要參數(shù)。所以，PSCAD/EMTDC可以對交流系統(tǒng)在對稱故障和不對稱故障情況下直流系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，包括判斷是否發(fā)生換向失敗以及失敗后的恢復(fù)等。同時(shí)，利用PSCAD 的控制元件可以搭建起直流輸電詳細(xì)的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，與換流閥的觸發(fā)控制和

10、解閉鎖控制接口后形成完整的換流系統(tǒng)，納入整個(gè)交直流主回路中后，可以對直流動態(tài)性能和交直流系統(tǒng)互相影響等涉及暫態(tài)過程和直流控制保護(hù)系統(tǒng)行為的問題進(jìn)行研究。正是由于PSCAD/EMTDC 有以上優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛地用于直流輸電動態(tài)性能、交直流互相影響、直流輸電控制及保護(hù)整定等方面的研究。3.3 電力設(shè)備的控制系統(tǒng)仿真針對SVC 控制器的非線性特點(diǎn)，結(jié)合模糊控制和PID 控制的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種采用模糊和PID 雙?？刂频目刂撇呗裕⒗肕ATLAB 的SIMULINK 搭建了仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)過對不平衡負(fù)荷和結(jié)合實(shí)際設(shè)備礦井提升機(jī)的仿真結(jié)果可以看出采用模糊和PID 雙?？刂频腟VC 調(diào)節(jié)器不僅可實(shí)現(xiàn)對無

11、功功率、三相不平衡等多個(gè)因素的綜合補(bǔ)償，而且具有較高的魯棒性、響應(yīng)速度和補(bǔ)償精度。圖3 Matlab/Simulink 中SVC 針對不同負(fù)荷的一次系統(tǒng)仿真圖圖4 Matlab/Simulink 中模糊PID 控制系統(tǒng)仿真模型本研究用Matlab/Simulink 進(jìn)行建模，仿真效果良好。Matlab/Simulink 中自帶的模糊邏輯工具箱大大方便了其中的模糊控制系統(tǒng)的搭建和參數(shù)調(diào)試。Matlab 一開始只是作為一款數(shù)值計(jì)算工具被開發(fā)出來，Simulink 作為Matlab 的一個(gè)附加組件，為用戶提供了一個(gè)建模與仿真的工作平臺。結(jié)合Matlab 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力及S函數(shù)的方便調(diào)用，當(dāng)面對以

12、數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達(dá)的系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析）時(shí)，Matlab/Simulink 模型的搭建及仿真就顯得更加簡單方便，所以Matlab/Simulink 越來越成為從事包括電力網(wǎng)絡(luò)、電力電子和控制系統(tǒng)等的完全電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究的重要仿真工具之一。4 電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展趨勢及選擇軟件時(shí)考慮的幾個(gè)問題隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及軟件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的飛速發(fā)展,電力系統(tǒng)仿真軟件將向網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、實(shí)時(shí)化和具有更高的開放性、可移植性和可擴(kuò)展性方向發(fā)展。電力系統(tǒng)仿真軟件也將逐步向電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)混合仿真,全過程動態(tài)仿真和大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)方向發(fā)展。面對種類繁多的電力系

13、統(tǒng)仿真軟件，可以按以下思路來篩選合適的仿真軟件：自己要具體從事哪個(gè)方面的研究開發(fā)分析工作，需要仿真工具軟件具有哪些功能，即該軟件能否滿足你的工作需要；要使用的軟件能否方便地找到；該軟件的價(jià)格性能，可以進(jìn)行研究的規(guī)模；該軟件對硬件的要求，硬件可否滿足；該軟件的權(quán)威正確性，發(fā)展性，應(yīng)用普遍性。5 結(jié)論本文通過算例分析了不同電力系統(tǒng)仿真軟件的功能強(qiáng)項(xiàng)和適用性，并給出了選擇適用仿真軟件的思路。應(yīng)該指出的是，算例中的仿真模型通過不同的仿真軟件都可以搭建，仿真結(jié)果也不會相差太大，但是仿真精度、收斂速度和工作量都會有所區(qū)別5。通過分析可以看出，MATLAB 主要適用于小規(guī)模電力系統(tǒng)仿真,優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的

14、控制方法和模型的自定義,PSASP 更適合仿真大規(guī)模的電力系統(tǒng)，PSCAD/EMTDC 則在直流輸電相關(guān)仿真方面具有優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)1 李廣凱，李庚銀電力系統(tǒng)仿真軟件綜述J電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）：61-65        2 陳禮義，顧強(qiáng)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展J電力系統(tǒng)自動化，1999，12（12）：1-63 中國南方電網(wǎng)公司交直流電力系統(tǒng)仿真技術(shù)M，北京：中國電力出版社，2007.1。4 高曉旺，周勇，康魯豫基于PSCAD/EMTDC 的背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)仿真J電力自動化設(shè)備，2007，27（

15、2）：69-745 高偉，何瑞文基于MATLAB 和PSASP 的電力系統(tǒng)仿真研究J廣東電力，2005，18（1）：9-11Discussing on Selection of Power System Simulation SoftwaresShi Chaoyue, Lv Kangfei, Guo Fang, Deng Wei, Zhang XiaoqingSchool of Information and Electrical Engineering, China University of Mining&Technology,Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractAiming at the selection of power system simulation soft wares ,Three power system simulation softwares applied widely and easily use were concerned, Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC、PSASP,by enumerated the software characteristics and introduction of examples,