電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述

1、第1章電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象1.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目的1.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法1.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的特點(diǎn)1.5 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真思考與練習(xí)題1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象21.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目的41.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法51.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的特點(diǎn)71.4.1 頻率范圍廣71.4.2 元件模型因計(jì)算目的而異81.4.3 行波現(xiàn)象和分布參數(shù)101.4.4 非線性元件和開關(guān)操作161.4.5 元件參數(shù)的頻率特性171.4.6 時(shí)間跨度的要求181.5 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真181.5.1 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的分類181.5.2 電

2、力系統(tǒng)數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)201.5.3 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件21第1章電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)概述1.1 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電廠發(fā)出的功率與用戶所需要的功率及電網(wǎng)中損耗的功率相平衡，系統(tǒng)的電壓和頻率都是穩(wěn)定的。但電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常常會發(fā)生故障或需要進(jìn)行操作，常見的電力系統(tǒng)故障有：雷擊電力設(shè)備等雷害故障，短路、接地故障和諧振等電氣故障，斷線等機(jī)械故障。常見的電力系統(tǒng)操作有：(1)斷路器的投切操作，如合空載線路、合空載變壓器、切空載線路、重合閘、甩負(fù)荷等。(2)隔離開關(guān)的投切操作，如母線投切等。電力系統(tǒng)發(fā)生故障或進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生急劇變化，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有可能急促地從一

3、種運(yùn)行狀態(tài)過渡到另一種運(yùn)行狀態(tài)，也有可能使正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)局部甚至全部遭到破壞，具運(yùn)行參數(shù)大大偏離正常值，如不采取特別措施，系統(tǒng)很難恢復(fù)正常運(yùn)行，這將給國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活帶來嚴(yán)重的后果。電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變，不是瞬時(shí)完成的，而要經(jīng)歷一個過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)稱為暫態(tài)過程。電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程通?？梢苑譃殡姶艜簯B(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程。電磁暫態(tài)過程指電力系統(tǒng)各元件中電場和磁場以及相應(yīng)的電壓和電流的變化過程，機(jī)電暫態(tài)過程指由于發(fā)動機(jī)和電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化所引起的電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動的變化過程。雖然電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程同時(shí)發(fā)生并且相互影響，但由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)愈益復(fù)雜，需要考慮

4、的因素繁多，再加上這兩個暫態(tài)過程的變化速度相差很大，要對它們統(tǒng)一分析是十分復(fù)雜的工作，因此在工程上通常近似地對它們分別進(jìn)行分析。例如，在電磁暫態(tài)過程分析中，由于在剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)等轉(zhuǎn)動機(jī)械的轉(zhuǎn)速由于慣性作用還來不及變化，暫態(tài)過程主要決定于系統(tǒng)各元件的電磁參數(shù)，故常不計(jì)發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，即忽略機(jī)電暫態(tài)過程。而在靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性等機(jī)電暫態(tài)過程分析中，轉(zhuǎn)動機(jī)械的轉(zhuǎn)速已有了變化，暫態(tài)過程不僅與電磁參數(shù)有關(guān)，而且還與轉(zhuǎn)動機(jī)械的機(jī)械參數(shù)(轉(zhuǎn)速、角位移)有關(guān)，分析時(shí)往往近似考慮或甚至忽略電磁暫態(tài)過程。只在分析由發(fā)動機(jī)軸系引起的次同步諧振現(xiàn)象、計(jì)算大擾動后軸系的暫態(tài)扭矩

5、等問題中，才不得不同時(shí)考慮電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程下面以一個簡單開關(guān)接通RL電路的例子，以便獲得對在電力系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)起關(guān)鍵作用的物理過程的充分了解。一個正弦波電壓接通到一個電感與電阻串聯(lián)的電路上，如圖1-1所示。這實(shí)際上是一個高壓斷路器閉合到短路的輸電線路或短路的電纜的最簡單單相表示法。電壓源e(t)=Emsint+日)代表連接的同步發(fā)電機(jī)的電動勢。電感L包括發(fā)電機(jī)的同步電感、電力變壓器的漏電感與母線、電纜與輸電線的電感，電阻表示供電電路的電阻損耗。A*L-chJL.04)圖1-1正弦波電壓源接通到RL串聯(lián)電路假設(shè)t=0S時(shí)合閘，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，得到電路方程diRi+L-=Emsin(o

6、t+6)(1-1)dt該方程為一階常系數(shù)、線性、非齊次常微分方程，其解就是合閘電路的全電流，它由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量，即其中穩(wěn)態(tài)分量為Em.R2(L)2.jL，、sint+Htan)(1-2)R暫態(tài)分量，也就是合閘電流的自由分量，記為tiaP=Cept=CeTa(1-3)R1I式中，p=-一，為特征方程R+pL=0的根；Ta=-二一,為暫態(tài)分重電LpR流衰減的時(shí)間常數(shù)；C為由初始條件決定的積分常數(shù)在開關(guān)閉合之前，電感L中的磁通為0,根據(jù)磁通守恒定律，在閉合的瞬間,C2Em2sin(.-tanJ-).O.R2(L)2R由此得到C=JEmsin（9tan，處）（1-4）R2（L）2R從而

7、得到合閘的全電流表達(dá)式為i(t)=_Em_R2(L)2sin(t-tanL)R-Em11LR/L)tsind-tan)eR2(L)2R(1-5)式（1-5）中的暫態(tài)分量含有e,R/L）t衰減項(xiàng)，也稱為直流分量，其系數(shù)為常數(shù)，數(shù)值大小取決于電流合閘瞬間，在（日-tan也）為kn（其中k=0,1,2）時(shí),R直流分量為0,電流立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，換言之，不存在暫態(tài)振蕩過程。但當(dāng)開關(guān)閉合電路不在（日-tan,q）為kn（其中k=0,1,2）時(shí)，合閘過程將引起電磁暫態(tài)過程，在（日-tanL）為90“時(shí)，暫態(tài)過程將達(dá)到最大電流，如圖1-2所示。R圖1-2開關(guān)合閘的暫態(tài)過程電流波形1.2 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的目

8、的電磁暫態(tài)過程分析的主要目的在于分析和計(jì)算故障或進(jìn)行操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓和過電流，以便對電力設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。通常情況下，電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)產(chǎn)生的過電壓在確定設(shè)備絕緣水平中起決定作用，據(jù)此制定高電壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)，確定已有設(shè)備能否安全運(yùn)行，并研究相應(yīng)的限制和保護(hù)措施。止匕外，對于研究電力系統(tǒng)新型快速保護(hù)裝置的動作原理及其工況分析，故障測距原理與定點(diǎn)方法以及電磁干擾等問題，也常需要進(jìn)行電磁暫態(tài)過程分析。另外，調(diào)查事故原因，尋找對策；計(jì)算電力系統(tǒng)過電壓發(fā)生概率，預(yù)測事故率；檢查電氣設(shè)備的動作責(zé)能，如斷路器的暫態(tài)恢復(fù)電壓和零點(diǎn)偏移；檢查繼電保護(hù)和安全自動裝置的響應(yīng)等，也離不開電磁暫態(tài)過程的計(jì)算和模

9、擬。電磁暫態(tài)過程變化很快，一般需要分析和計(jì)算持續(xù)時(shí)間在ms級，甚至是以s級以內(nèi)的電壓、電流瞬時(shí)值變化情況，因此，在分析中需要考慮元件的電磁耦合，計(jì)及輸電線路分布參數(shù)所引起的波過程，有時(shí)甚至要考慮三相結(jié)構(gòu)的不對稱、線路參數(shù)的頻率特性以及電暈等因素的影響。1.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究的方法為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、分析和研究中必須全面地了解實(shí)際系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性。目前，研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程的手段有3種：(1)系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測方法。(2)應(yīng)用暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀(TransientNetworkAnalyzer,簡稱TNA)的物理模擬方法。(3)計(jì)算機(jī)的數(shù)字仿真

10、(或稱數(shù)值計(jì)算)方法。系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測方法是在實(shí)際的電力系統(tǒng)上直接進(jìn)行試驗(yàn)和研究，六十年代之前經(jīng)常要在實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行短路、操作等試驗(yàn)，這種試驗(yàn)對電力系統(tǒng)的考驗(yàn)是真實(shí)和嚴(yán)格的，以確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，但是系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測方法會對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備帶來很大危害，短路點(diǎn)的電弧有可能燒壞電氣設(shè)備，很大的短路電流通過設(shè)備會使發(fā)熱增加，當(dāng)持續(xù)一定時(shí)間后，可能使設(shè)備過熱而損傷；很大的短路電流引起的電動力有可能使設(shè)備變形或遭到不同程度的破壞；操作試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的過電壓可能引起電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞，加劇絕緣材料的老化。即便如此，實(shí)測對于研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程仍是非常重要的，它

11、一方面驗(yàn)證TNA及數(shù)字仿真的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供依據(jù)；另一方面可以全面研究系統(tǒng)各類元件的參數(shù)特性，為TNA及數(shù)字仿真提供更精確的原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測常常會遇到困難，有些困難甚至是不可能解決的，利用模型系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和分析就成為一種非常有效的途徑。暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀就是一種用于研究電力系統(tǒng)動態(tài)特性的物理模型系統(tǒng)。TNA方法多用于模擬操作過電壓和交流過電壓的暫態(tài)現(xiàn)象，同時(shí)通過改變元件特性，TNA也可用來模擬更高頻率下的暫態(tài)現(xiàn)象。它是在相似理論的指導(dǎo)下，把實(shí)際電力系統(tǒng)的各個部分，如同步發(fā)電機(jī)、變壓器、輸配電線路、電力負(fù)荷等按照相似條件設(shè)計(jì)、建造并組成一個電力系統(tǒng)模型，這樣將一個高電壓、大電流、體

12、積龐大的電力系統(tǒng)，按照一定的比例轉(zhuǎn)化為一個低電壓、小電流、體積較小的模擬試驗(yàn)臺，在模擬臺中出現(xiàn)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，電壓和電流的波形與它模擬的電力系統(tǒng)是一樣的，用這種模型代替實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行各種正常運(yùn)行與故障狀態(tài)的試驗(yàn)和分析。與系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測相比,TNA方法對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備不產(chǎn)生影響，為了縮小模擬裝置的尺寸，節(jié)省電感元件和電容元件，減少模擬設(shè)備的昂貴費(fèi)用，并考慮到現(xiàn)有的技術(shù)條件、模擬精度要求等，選擇恰當(dāng)?shù)谋壤呤欠浅Ｖ匾?。TNA具有物理意義清晰，易于理解和使用的優(yōu)點(diǎn)，可以多次重復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)象，便于觀察和研究，北美不少大的電力公司都將TNA作為培訓(xùn)新員工的一種工具。隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，

13、電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度發(fā)生很大變化，采取物理模型的動態(tài)模擬方法受到很大限制。與此同時(shí)，數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷提高，出現(xiàn)了用數(shù)學(xué)模型代替物理模型的新型模型系統(tǒng)。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真(DigitalSimulationofPowerSystem)就是將電力系統(tǒng)的電源、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷元件建立其數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)模型在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析的過程。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的主要步驟為建立各元件數(shù)學(xué)模型、建立數(shù)字仿真模型和進(jìn)行仿真試驗(yàn)。建立數(shù)學(xué)模型是處理物理原型與數(shù)學(xué)模型之問的關(guān)系，建立數(shù)字仿真模型是處理數(shù)學(xué)模型與計(jì)算之間的關(guān)系。有些數(shù)學(xué)模型是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)的混合數(shù)

14、學(xué)模型系統(tǒng)。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是一門新興的技術(shù)科學(xué)，它的產(chǎn)生和發(fā)展是同現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展分不開的，數(shù)字仿真與實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)和動態(tài)物理模擬相比，不僅節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力，而且不受外部條件的限制，幾乎不受系統(tǒng)規(guī)模和時(shí)間跨度的約束，甚至不受各種暫態(tài)現(xiàn)象頻率范圍的限制(理論上它可以對各類暫態(tài)過程進(jìn)行計(jì)算，但是，它需要相關(guān)設(shè)備真實(shí)的頻率特性，有時(shí)候，這種頻率特性是很難得到的）。具有無可比擬的靈活性，能達(dá)到試驗(yàn)不可達(dá)到的廣度和深度。譬如我國南北聯(lián)網(wǎng)這樣的課題，地理上相距數(shù)千公里，跨越了幾個大電網(wǎng)，沒有辦法用試驗(yàn)來分析聯(lián)網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題，但通過數(shù)字仿真發(fā)現(xiàn)南北聯(lián)網(wǎng)可能會出現(xiàn)低頻震蕩問題。今天實(shí)際系統(tǒng)的現(xiàn)場

15、實(shí)測方法主要是為了建立數(shù)學(xué)模型，取得數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。1.4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的特點(diǎn)1.4.1 頻率范圍廣電力系統(tǒng)中暫態(tài)現(xiàn)象的研究所涉及的頻率范圍廣，從直流到大約50MHz的范圍。高于系統(tǒng)頻率的暫態(tài)現(xiàn)象通常涉及到電磁暫態(tài)，而低于系統(tǒng)頻率的暫態(tài)現(xiàn)象主要涉及到機(jī)電暫態(tài)過程。表1-1給出了多種暫態(tài)現(xiàn)象的起因以及它們通常的頻率范圍。表1-1電力系統(tǒng)暫態(tài)的起因及頻率范圍起因頻率范圍投入變壓器時(shí)的鐵磁諧振(DC)0.1Hz1kHz甩負(fù)荷0.1Hz3kHz故障清除50/60Hz3kHz故障發(fā)生50/60Hz20kHz線路充電50/60Hz20kHz線路重合閘(DC)50/60Hz20kHz斷路器端部故障（BT

16、F）50/60Hz20kHz短路故障50/60Hz100kHz斷路器多次重燃10kHz1MHz雷擊10kHz3MHzGIS故障和隔離開關(guān)操作100kHz50MHz網(wǎng)絡(luò)中每個元件的模擬都要與所研究的特定暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍相符合。當(dāng)所研究現(xiàn)象的頻率大于1MHz時(shí)，如GIS中由于隔離開關(guān)操作所引起的快速暫態(tài)現(xiàn)象，則不僅在母線上產(chǎn)生波的傳播，而且施加在變壓器、支柱絕緣子以及在某些情況下管形母線上的彎管處，它們非常小的電容和電感對模擬結(jié)果都將產(chǎn)生非常重要的影響。表1-1中所列電磁暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍可以分成4組，對應(yīng)于各暫態(tài)現(xiàn)象的頻率范圍之間存在著重疊，圖1-3是國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）對各種過電壓的

17、頻率分類；各類的頻率范圍是與其所表示的過電壓波形的實(shí)際陡度相關(guān)的。研究者必須清楚自己的研究對象所在的頻率范圍，確定被模擬設(shè)備的頻率特性，只有這樣，才能得到滿意的電磁暫態(tài)分析計(jì)算結(jié)果。HI快波前過電壓n緩波前過電壓10kHz-3MHz50/60Hz-20kHzI暫時(shí)過電壓w特快波前過電壓100kHz-50MHz0.1Hz-3kHz0.1101001k10k100k1M10M100M頻率（Hz）圖1-3各種過電壓的頻率范圍通常，頻率越高，所考慮的現(xiàn)象（如過電壓）在時(shí)間上空間上的衰減越快，因此所考慮的物理范圍（模擬范圍）越小，模擬時(shí)間越短。相對地，在工頻或與此接近的頻率領(lǐng)域，為了掌握現(xiàn)象的性質(zhì)，需要

18、大范圍長時(shí)間的模擬。圖1-4表示電力系統(tǒng)數(shù)字仿真中各種計(jì)算所考慮現(xiàn)象的時(shí)間幅度和計(jì)算涉及的系統(tǒng)規(guī)模。系統(tǒng)規(guī)模（發(fā)電機(jī)數(shù)）電壓穩(wěn)定SSR高次諧波潮流100010010過電壓1微秒1毫秒1小時(shí)圖1-4電力系統(tǒng)各種現(xiàn)象的變化速度和計(jì)算范圍1.4.2 元件模型因計(jì)算目的而異電力系統(tǒng)由各種不同的元件所組成，元件的動態(tài)特性對于系統(tǒng)的暫態(tài)過程有直接的影響。為此，首先需要研究各元件的動態(tài)特性，建立它們的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，即各元件之間的相互關(guān)系，組成全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法進(jìn)行求解，這便是電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的一般方法。然而，由于各元件的動態(tài)響應(yīng)有所不同，系統(tǒng)各種暫態(tài)過程的性

19、質(zhì)也不相同。因此，在不同目的暫態(tài)過程分析中，所考慮的元件種類和對它們數(shù)學(xué)模型的要求并不相同。例如，在電磁暫態(tài)過程分析中，所研究的暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間通常較短，在此情況下，一些動態(tài)響應(yīng)比較緩慢的元件，如原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)等的影響往往可以忽略不計(jì)，而發(fā)電機(jī)定子回路和電力網(wǎng)中的電磁暫態(tài)過程則需加以考慮。相反，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，則通常忽略發(fā)電機(jī)定子回路和電力網(wǎng)中的電磁暫態(tài)過程，而將線路和變壓器等元件用它們的等值阻抗來描述。另外，就同一種系統(tǒng)暫態(tài)過程來說，對于不同的分析精度和速度要求，元件所用數(shù)學(xué)模型的精確程度也不相同。一般地說，在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，暫態(tài)分析的精度要求可以適當(dāng)降低，這時(shí)各元件可以采用

20、較粗略的數(shù)學(xué)模型，以便提高分析速度。因此，在建立元件數(shù)學(xué)模型時(shí)，不但需要研究它們的精確模型.而且需要考慮各種簡化模型，以適應(yīng)不同的需要。在建立元件模型時(shí)還必須注意研究對象所處的頻率范圍。例如，在計(jì)算交流過電壓時(shí)，變壓器采用通常的以互感及繞組漏感和電阻表示的模型，如圖1-5(a)所示；但在計(jì)算操作過電壓時(shí)，除了上述要素外，還需要考慮繞組的對地電容和端子間電容及繞組間電容，如圖1-5(b)所示；而在計(jì)算雷過電壓時(shí)，變壓器模型通常用沖擊電容表示，無需考慮電感和電阻要素，如圖1-5(c)所示。當(dāng)研究現(xiàn)象的頻率很高時(shí)，變壓器和互感器的雜散電容、引線的微小電感對計(jì)算結(jié)果都有舉足輕重的影響。RiLi理想變壓

21、器l2r2m(c)雷過電壓計(jì)算用(a)交流過電壓計(jì)算用RiLiCl/2-2-Q>/2G/2C12/2T4G2/2J1Cii(b)操作過電壓計(jì)算用圖1-5變壓器的模型L2R2c22,C2/21.4.3 行波現(xiàn)象和分布參數(shù)電力系統(tǒng)采用長線路將能源中心發(fā)出的電能輸送給各電力用戶，長線路的具體形式有架空輸電線路和電纜線路兩種，每微段的線路都呈現(xiàn)自感和對地電容，即線路是具有分布參數(shù)特性的電路元件。當(dāng)電力系統(tǒng)中某一點(diǎn)突然發(fā)生雷電過電壓或操作過電壓時(shí)，這一變化并不能立即在系統(tǒng)其他各點(diǎn)出現(xiàn)，而是以電磁波的形式按一定的速度從電壓或電流突變點(diǎn)向系統(tǒng)其他部位傳播。例如，當(dāng)架空輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷擊點(diǎn)導(dǎo)線將產(chǎn)

22、生雷電過電壓，該電壓將沿著導(dǎo)線向兩側(cè)傳播。這個沿線路傳播的電壓以及與其相伴而行的電流波稱為行波。當(dāng)行波到達(dá)變電站或其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于電路參數(shù)的改變，將引起波的折射和反射。這種在分布參數(shù)電路中產(chǎn)生的暫態(tài)過程本質(zhì)上是電磁波的傳播過程，簡稱波過程。實(shí)際電力系統(tǒng)采用三相交流或雙極直流輸電，屬于多導(dǎo)線線路，而且沿線路的電場、磁場和損耗情況也不盡相同，因此所謂的均勻無損單導(dǎo)線線路實(shí)際上是不存在的。但為了揭示線路波過程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，可暫時(shí)不考慮線路的電阻和電導(dǎo)損耗，并假定沿線線路參數(shù)處處相同，即首先研究均勻無損單導(dǎo)線中的波過程。1 .波傳播的物理概念假設(shè)有一無限長的均勻無損單導(dǎo)線，見圖i-6(a),t

23、=0時(shí)刻合閘直流電源，形成無限長直角波，單位長度線路的電容、電感分別為C。、Lo,線路參數(shù)看成是由無數(shù)很小的長度單元Ax構(gòu)成，如圖1-6(b)所示。r=(in.i,1=Ac-IT-F圖1-6均勻無損的單導(dǎo)線(a)單根無損線首端合閘于E;(b)等效電路合閘后，電源向線路電容充電，在導(dǎo)線周圍空間建立起電場，形成電壓?？拷娫吹碾娙萘⒓闯潆姡⑾蛳噜彽碾娙莘烹?，由于線路電感的作用，較遠(yuǎn)處的電容要間隔一段時(shí)間才能充上一定數(shù)量的電荷，并向更遠(yuǎn)處的電容放電。這樣電容依次充電，沿線路逐漸建立起電場，將電場能儲存于線路對地電容中，也就是說電壓波以一定的速度沿線路X方向傳播。隨著線路的充放電將有電流流過導(dǎo)線的電

24、感，即在導(dǎo)線周圍空間建立起磁場，因此和電壓波相對應(yīng)，還有電流波以同樣的速度沿X方向流動。綜上所述，電壓波和電流波沿線路的傳播過程實(shí)質(zhì)上就是電磁波沿線路傳播的過程，電壓波和電流波是在線路中傳播的伴隨而行的統(tǒng)一體。2 .波動方程及解為了求出無損單導(dǎo)線線路行波的表達(dá)式，令x為線路首端到線路上任意一點(diǎn)的距離。線路每一單元長度dx具有電感L0dx和電容C0dx,如圖1-7所示，線路上的電壓和電流i都是距離和時(shí)間的函數(shù)。圖1-7均勻無損單導(dǎo)線的單元等值電路根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程£i=0可知,'U一.i.i=C0dxidx0t二t：x根據(jù)回路電壓方程uU=0可知,i：:uu=L0dxudx；:t

25、；:x整理得由方程(1-6)對x再求導(dǎo)數(shù)，由方程(1-7)對t再求導(dǎo)數(shù),:i八u+Co=0(1-6):x:t史+L02=0(1-7)二x.t然后消去i,并用類似的方法消去u得。2二u2x二2u=L°CoJ(1-8)Ft其中Lo、Co為單位長度電感和電容。-2.二i2.x；：2iLoCo(1-9)ft通過拉普拉斯變換將u(x,t)變換成U(x,S),i(x,t)變換成(x,S),并假定線路電壓和電流初始條件為零，利用拉氏變換的時(shí)域?qū)?shù)性質(zhì),將式(1-8)、式(1-9)變換成f2U(x,S)一2一一一-R2(S)U(x,S)=0(1-10)2.zo(：)-R2(S)I(x,S)=0(1-

26、11)改S其中R(S)=一v根據(jù)2階齊次線性微分方程性質(zhì)，令v=J,則式(1-10)、(1-11)解:LoCo-SSxxU(x,S)=Uf(S)evUb(S)eV-SSxxI(x,S)=If(S)evIb(S)eV將以上頻域形式解變換到時(shí)域形式為(1-12)(1-13)xxi(x,t)=if(t-)ib(t-)(1-14)xxu(x,t)=Uf(t)+Ub(t+)(1-15)vv式(1-14)、式(1-15)就是均勻無損單導(dǎo)線波動方程的解。3 .波速和波阻抗在波動方程中定義v為波傳播的速度。對于架空線路,1av=i=3m10m/s0；°即沿架空線傳播的電磁波波速等于空氣中的光速度。而

27、一般對于電纜，波速v七1.5>d08m/s,其傳播速度低于架空線，因此減小電纜介質(zhì)的介電常數(shù)可提高電磁波在電纜中傳播速度定義波阻抗Z二上IfUbib般對單導(dǎo)線架空線而言，Z為500。左右，考慮電暈影響時(shí)取400G左右由于分裂導(dǎo)線和電纜的L。較小而C0較大，故分裂導(dǎo)線架空線路和電纜的波阻抗都較小，電纜的波阻抗約為十幾歐姆至幾十歐姆不等。波阻抗Z表示了線路中同方向傳播的電流波與電壓波的數(shù)值關(guān)系，但不同極性的行波向不同的方向傳播，需要規(guī)定一個正方向。電壓波的符號只取決于導(dǎo)線對地電容上相應(yīng)電荷的符號，和運(yùn)動方向無關(guān)。而電流波的符號不但與相應(yīng)的電荷符號有關(guān)，而且與電荷運(yùn)動方向有關(guān)，根據(jù)習(xí)慣規(guī)定：沿

28、x正方向運(yùn)動的正電荷相應(yīng)的電流波為正方向。在規(guī)定行波電流正方向的前提下，前行波與反行波總是同號，而反行電壓波與電流波總是異號，即Ufif二Z匕二-Zib必須指出，分布參數(shù)線路的波阻抗與集中參數(shù)電路的電阻雖然有相同的量綱,但物理意義上有著本質(zhì)的不同：(1)波阻抗表示向同一方向傳播的電壓波和電流波之間比值的大小；電磁波通過波阻抗為Z的無損線路時(shí)，其能量以電磁能的形式儲存于周圍介質(zhì)中，而不像通過電阻那樣被消耗掉。(2)為了區(qū)別不同方向的行波，Z的前面應(yīng)有正負(fù)號。(3)如果導(dǎo)線上有前行波，又有反行波，兩波相遇時(shí)，總電壓和總電流的比值不再等于波阻抗，即uUfUbiifibUfUb=ZUf_Ub(4)波阻

29、抗的數(shù)值Z只與導(dǎo)線單位長度的電感L0和電容C0有關(guān)，而與線路長度無關(guān)4.前行波和反行波卜面用行波的概念來分析波動方程解的物理意義ox首先討論式(1-10),電壓U的第一個分量Uf(t)o設(shè)任意波形的電壓波vxUf(t-)沿著線路x傳播，如圖1-8所示，假定當(dāng)t=ti時(shí)刻線路上任意位置Xi點(diǎn)v的電壓值為Ua,當(dāng)時(shí)間t=t2時(shí)刻時(shí)(t2>t1),電壓值為Ua的點(diǎn)到達(dá)X2,則應(yīng)滿足,X1.X2rt1一一=t2-即vvv行波；同樣的方法可以證明Ub(t十x)表示沿x反方向行進(jìn)的電壓波，稱為反行電vxx壓波。if(t-),ib(t+)的證明過程類似。vv為方便將式(1-14)和式(1-15)可寫成

30、i=if+ib(1-16)U=Uf+Ub(1-17)由式(1-16)和式(1-17)可知，線路中傳播的任意波形的電壓和電流傳播的前行波和反方向傳播的反行波，兩個方向傳播的波在線路中相遇時(shí)電壓波與電流波的值符合算術(shù)疊加定理，且前行電壓波與前行電流波的符號相同，反行電壓波與反行電流波的符號相反。5行波的折射和反射當(dāng)波沿傳輸線傳播，遇到線路參數(shù)發(fā)生突變，即波阻抗發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)時(shí)，都會在波阻抗發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生折射和反射。如圖1-9所示，當(dāng)無窮長直角波uif=E沿線路1達(dá)到A點(diǎn)時(shí)后，在線路1上除Uf、if外又會產(chǎn)生新的行波Ub、ib,因此線路上總的電壓和電流為(1-18)U1U1f*U1bi1-i1

31、f,i1b|坨2rLAZjQ波通過節(jié)點(diǎn),前4A7?0)波逋過節(jié)點(diǎn)后，時(shí)圖1-9波通過節(jié)點(diǎn)的折反射4144C0技通過節(jié)點(diǎn)后，時(shí)設(shè)線路2為無限長，或在線路2上未產(chǎn)生反射波前，線路2上只有前行波沒有反行波，則線路2上的電壓和電流為U2=U2fi2-i2f(1-19)然而節(jié)點(diǎn)A只能有一個電壓電流，因此其左右兩邊的電壓電流相等，即U1=u2,i1=i2,因此有U2f-U1f,U1bI(1-20)12f=lf'lib|將j=乙，U2f=Z2,%=-乙，*=E代入上式得,11f12f11b其中a,P分別為折射與反射系數(shù)。U2fU1b2Z2Z1Z2Z2-乙乙Z2E=aEEJ：EJ(1-21)a,P計(jì)算

32、如式（1-22）所示2Z2a二Z1Z2:_Z2-Z1Z1Z2(1-22)另外，線路是用集中參數(shù)還是分布參數(shù)等值，除跟線路長度有關(guān)，還與暫態(tài)過程的頻率有關(guān)。設(shè)線路長300m（約一本3距），幅值為I的正弦波電流以光速（300m/s）傳播，如圖1-10所示，AB兩點(diǎn)間的傳播時(shí)間At為1ps。如果是工頻50Hz,兩點(diǎn)的電流的差值最大為3.14X10-4|,這樣可以看成同一值。但如果是100kHz,其差值最大可達(dá)到0.628I。因此在高頻領(lǐng)域，即使距離很短，例如變電站的母線，也要考慮波的傳播過程，即當(dāng)成分布參數(shù)線路處理。變壓器有時(shí)也要當(dāng)作分布參數(shù)線路處理。圖1-10線路上的波過程1.4.4 非線性元件和

33、開關(guān)操作電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程往往是因狀態(tài)的變化而造成的。這種變化可以是斷路器正?；蚬收喜僮鞫鹩|頭的閉合或開斷；可以是雷電入侵波或操作過電壓引起有間隙避雷器間隙擊穿或電流過零時(shí)電弧的熄滅；也可以是系統(tǒng)發(fā)生故障造成相對地或相間突然短接等。在暫態(tài)計(jì)算中把電路中節(jié)點(diǎn)之間的閉合和開斷用廣義的開關(guān)操作來表示。因此，開關(guān)的計(jì)算模型以及正確處理開關(guān)操作所引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的程序方法，是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算的重要組成部分。電力系統(tǒng)中大部分元件屬于線性元件，或可以近似地認(rèn)為是線性元件，但也有一些元件具有明顯的非線性特性，這些特性對暫態(tài)過程產(chǎn)生明顯的影響。典型的非線性元件有避雷器的非線性電阻，如圖1-11所示；變壓

34、器或電抗器等鐵磁元件因鐵心飽和而形成的非線性電感；以及斷路器、保護(hù)間隙的電弧電阻等。因此，在暫態(tài)計(jì)算程序中應(yīng)包括計(jì)及這些非線性元件特性的數(shù)學(xué)模型，并且含有一定的求解非線性電路的數(shù)值分析方法。對工程計(jì)算來說，還希望計(jì)算模型和分析方法盡可能實(shí)用，以便在盡可能短的計(jì)算時(shí)間里，得到具有一定準(zhǔn)確度的結(jié)果。圖1-11避雷器的電壓-電流特性在實(shí)際計(jì)算中，經(jīng)常采用被稱為分段線性化的方法來處理非線性元件，即把非線性元件的特性用幾段具有不同斜率的直線線段來表示，把非線性元件局部等值為線性元件。1.4.5 元件參數(shù)的頻率特性在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析過程中，一個元件的特性模擬，不只是要作出正確的等值電路，還要模擬它的頻

35、率特性，因?yàn)檫@些頻率特性有時(shí)對暫態(tài)現(xiàn)象有著決定性的影響。在暫態(tài)計(jì)算中，通常需要考慮頻率特性的元件是架空線路和電纜。架空線路的正序電感/實(shí)際上是常數(shù)，在導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)不顯著時(shí)，正序電阻R基本上也是常數(shù)。零序電感Lo和零序電阻Ro則因大地回路的趨膚效應(yīng)而與頻率密切相關(guān)。圖1-12所示為架空線路電阻和電感的頻率特性。變壓器參數(shù)也有頻率特性，但通常沒有考慮。fiQm1.4.6 時(shí)間跨度的要求穩(wěn)態(tài)計(jì)算的對象是一個時(shí)間斷面，而暫態(tài)計(jì)算要模擬一個時(shí)間過程。數(shù)字計(jì)算機(jī)不可能連續(xù)地模擬暫態(tài)現(xiàn)象，只能在離散的時(shí)間點(diǎn)（步長At）求解，這將會導(dǎo)致累積誤差。如何減少這類誤差的積累是暫態(tài)仿真程序的重要課題。鑒于暫態(tài)計(jì)算的

36、上述特點(diǎn)，暫態(tài)計(jì)算比穩(wěn)態(tài)計(jì)算不論是程序編制還是應(yīng)用難度都要大得多。1.5電力系統(tǒng)數(shù)字仿真1.5.1 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的分類根據(jù)原型系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型和數(shù)字計(jì)算機(jī)三者的特征可以把電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分成各種不同的類型。按照原型系統(tǒng)狀態(tài)變化的時(shí)間過程，可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)量隨時(shí)間連續(xù)變化，它的數(shù)學(xué)模型是一組方程式，包括連續(xù)模型（用微分方程描述卜離散時(shí)間模型（用差分方程描述）和連續(xù)與離散混合模型。離散事件系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)量只在一些時(shí)間點(diǎn)上由某隨機(jī)事件的驅(qū)動而發(fā)生變化，這類系統(tǒng)在兩個事件之間其狀態(tài)量保持不變，它的數(shù)學(xué)模型一般只用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖描述。按照仿真目的，可分為

37、以分析研究為目的的研究用系統(tǒng)仿真和以培訓(xùn)運(yùn)行人員為目的的培訓(xùn)用系統(tǒng)仿真。研究用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，如電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算程序（EMTP）,它可用于研究由開關(guān)操作、故障和雷擊等引起的電磁暫態(tài)、電磁諧振和機(jī)電振蕩，也可用于研究交直流換流器、控制系統(tǒng)和繼電保護(hù)裝置等的特性。除此以外，還有大量適合于專門功能的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真程序，如電力系統(tǒng)綜合程序（BPA）等。培訓(xùn)用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，如電力系統(tǒng)調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（DTS）、變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)等，利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備，將電力系統(tǒng)完整的模擬出來，并可以在上面進(jìn)行正常操作訓(xùn)練及故障排除訓(xùn)練。培訓(xùn)用的仿真是為了訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)度人員對系統(tǒng)環(huán)境的反應(yīng)和判斷能力，

38、因此要求仿真的環(huán)境盡可能逼真，而對于仿真精度，只由培訓(xùn)的要求決定。研究用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真又可分為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算和暫態(tài)計(jì)算兩大類。當(dāng)需要研究電力系統(tǒng)處于相對平衡狀態(tài)的運(yùn)動特性時(shí)，采用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真；當(dāng)研究系統(tǒng)處于受擾動狀態(tài)的運(yùn)動特性時(shí)，則采用系統(tǒng)暫態(tài)仿真。兩者的數(shù)學(xué)模型不同，仿真方法也不相同。穩(wěn)態(tài)仿真中有潮流計(jì)算、故障計(jì)算，以及穩(wěn)定計(jì)算和電壓穩(wěn)定計(jì)算中的靜穩(wěn)定計(jì)算。暫態(tài)仿真中有過電壓計(jì)算、次同步振蕩（SSR）計(jì)算、暫態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）計(jì)算、高次諧波計(jì)算，及穩(wěn)定計(jì)算和電壓穩(wěn)定計(jì)算中的暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真按照研究電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分類如圖1-13所示。圖1-13電力系統(tǒng)數(shù)字仿真按照研究電力

39、系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)的分類示意圖按照計(jì)算方法，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真又可以分成有效值計(jì)算和瞬時(shí)值計(jì)算兩大類。有效值計(jì)算用于大規(guī)模系統(tǒng)的比較長時(shí)間的狀態(tài)模擬，而瞬時(shí)值計(jì)算用于局部系統(tǒng)的短時(shí)間的暫態(tài)模擬。有效值計(jì)算通常只使用正序回路，而瞬時(shí)值計(jì)算需要使用三相回路。但是，在包含電力電子設(shè)備的情況，如高壓直流系統(tǒng)，由于品閘管等開關(guān)的頻繁動作，即使是長時(shí)間模擬也需要采用瞬時(shí)值計(jì)算。另一方面，由于硬件設(shè)備和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，大規(guī)模系統(tǒng)的瞬時(shí)值在線（實(shí)時(shí)）計(jì)算也成為可能了。穩(wěn)態(tài)計(jì)算和暫態(tài)計(jì)算中的動穩(wěn)定計(jì)算屬于有效值計(jì)算范疇，其它的暫態(tài)計(jì)算都屬于瞬時(shí)值范疇。1.5.2 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)研究中得到快速

40、的發(fā)展，除了計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展外，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是促使其快速發(fā)展的重要因素，這些優(yōu)點(diǎn)有：(1)數(shù)字仿真不受被研究電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的限制。世界各國都在不斷擴(kuò)大電力系統(tǒng)的規(guī)模，大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家都建立了自己的全國統(tǒng)一電力系統(tǒng)，有些相鄰國家間還建立了跨國聯(lián)合電力系統(tǒng)。我國已實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域電力系統(tǒng)的互聯(lián)，依托三峽工程，實(shí)現(xiàn)以長江三峽為中心的全國統(tǒng)一電力系統(tǒng)。隨著規(guī)模的增大，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜。這些規(guī)模龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng)，試驗(yàn)和研究的現(xiàn)場實(shí)測方法已很難進(jìn)行。在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬上做幾十臺發(fā)電機(jī)、幾十條輸電線路的電力系統(tǒng)暫態(tài)過程試驗(yàn)也是相當(dāng)困難，而采用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真

41、就不存在這些困難，可以進(jìn)行數(shù)百臺發(fā)電機(jī)和上千條輸電線路的大型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真。(2)保證被研究系統(tǒng)的安全性。電力系統(tǒng)的故障試驗(yàn)、穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)、核電站控制試驗(yàn)等，直接在原型系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)有很大的危險(xiǎn)性，甚至是不允許的，這時(shí)，用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的方法是唯一可行的途徑。(3)提高系統(tǒng)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際電力系統(tǒng)上做試驗(yàn)要暫停部分用戶供電，需要配備各種測量設(shè)備、測量通道、通信工具，要求很多運(yùn)行、調(diào)度人員和測試人員密切配合，花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，因此這種試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)。如果用數(shù)字仿真做試驗(yàn)，所需費(fèi)用要少得多。而且，數(shù)字仿真試驗(yàn)的設(shè)備一般都可重復(fù)使用，只需少數(shù)計(jì)算人員參加，試驗(yàn)時(shí)間很短。(4)增強(qiáng)對電力

42、系統(tǒng)發(fā)展的預(yù)測性。需要對未來電力系統(tǒng)的特性做預(yù)測性的分析和研究，這些工作在實(shí)際電力系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)數(shù)字仿真可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行大量試驗(yàn)和計(jì)算，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和優(yōu)化，還可以對未來系統(tǒng)的假設(shè)條件的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。電力系統(tǒng)規(guī)劃的方案是靠仿真得到的；新元件的接入、運(yùn)行方式的確定是用仿真結(jié)果作為依據(jù)的；新方法研究、新裝置設(shè)計(jì)、參數(shù)確定是用仿真來確認(rèn)的。電力系統(tǒng)仿真軟件試驗(yàn)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行階段不可或缺的部分。1.5.3電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件世界各國的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件眾多，目前國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件主要有3大類：基于瞬時(shí)值計(jì)算的離線仿真軟件，如EMTP、PSCAD/EM

43、TDC、PSAPAC等；基于有效值計(jì)算的離線仿真軟件，如BPA(包括中國版BPA)、PSASPPSS/ENETOMAC等;基于瞬時(shí)值計(jì)算的實(shí)時(shí)仿真軟件，如RTDS、HYPERSIM。1 .電磁暫態(tài)分析程序(EMTP)電磁暫態(tài)分析程序EMTP(Electro-MagneticTransientsProgram)是國際公認(rèn)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)程序，其創(chuàng)始人是加拿大UBC大學(xué)任教的Dommel教授，目前EMTP有三個版本，即BPA-EMTP、ATP-EMTP和DCG-EMTP。BPA-EMTP是最早由美國邦納維爾電力局(BonnevillePowerAdminstration,BPA)無償提

44、供的EMTP版本，其用戶現(xiàn)在大多已轉(zhuǎn)用ATP-EMTPoATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的業(yè)余時(shí)間和資金開發(fā)的BPA-EMTP的替代程序，ATP-EMTP堅(jiān)持無償提供的原則，在全世界擁有最多的用戶，是目前國際上主流版本的EMTP程序。DCG-EMTP是1981年成立的DCG(EMTP合作開發(fā)組織)開發(fā)的EMTP版本，需有償使用。EMTP具有分析功能多和元件模型全等優(yōu)點(diǎn)，可以用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真分析，系統(tǒng)可由集中參數(shù)、分布參數(shù)元件、線性與非線性元件、具有頻率相關(guān)參數(shù)的線路、各種類型開關(guān)、電力電子元件、變壓器及電機(jī)、多種類型電源、控制電路的任意組合構(gòu)成，只要是電路計(jì)算

45、的范疇，對研究對象幾乎沒有限制。EMTP的計(jì)算精度經(jīng)過了IEEE和CIGRE等國際權(quán)威組織的認(rèn)定，因此計(jì)算結(jié)果的可信性很高。實(shí)際上，EMTP是開發(fā)其他的電磁暫態(tài)程序，如EMTDC、RTDS、HYPERSIM的基礎(chǔ)。2 .直流電磁暫態(tài)程序(PSCAD/EMTDC)DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴直流研究中心開發(fā)完成了EMTDC(Electro-MagneticTransientsinDCSystem的初版，它既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制，是一個離線仿真的電磁暫態(tài)計(jì)算程序，它有精確的直流元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功

46、能，是進(jìn)行直流系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。事實(shí)上，EMTP程序所采用的電力系統(tǒng)模型和技術(shù)都可以應(yīng)用于EMTDC中。PSCAD(PowerSystemComputerAidedDesign)是其圖形用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)，在對直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方面有絕對優(yōu)勢。操作環(huán)境為：UNIXOS,Windows95,98,NT；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。主要功能如下：(1)可以分析系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時(shí)出現(xiàn)的過電壓；

47、(2)可對包含復(fù)雜非線性元件(如直流輸電設(shè)備)的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便；(3)進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域計(jì)算仿真；(4)電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算；(5)實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)。3. PSAPAC程序PSAPAC由美國EPRI開發(fā)，是一個全面分析電力系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能的軟件工具。功能：DYNRED(DynamicReductionProgram)：網(wǎng)絡(luò)化簡與系統(tǒng)的動態(tài)等值，保留需要的節(jié)點(diǎn)。LOADSYN(LoadSynthesisProgram：模擬靜態(tài)負(fù)荷模型和動態(tài)負(fù)荷模型。IPFLOW(InteractivePowerF

48、lowProgram)：采用快速分解法和牛頓拉夫遜法相結(jié)合的潮流分析方法，由電壓穩(wěn)態(tài)分析工具和不同負(fù)荷、事故及發(fā)電調(diào)度的潮流條件構(gòu)成。TLIM(TransferLimitProgram)：快速計(jì)算電力潮流和各種負(fù)荷、事故及發(fā)電調(diào)度的輸電線的傳輸極限。DIRECT:直接法穩(wěn)定分析軟件彌補(bǔ)了傳統(tǒng)時(shí)域仿真工作量大、費(fèi)時(shí)的缺陷，并且提供了計(jì)算穩(wěn)定裕度的方法，增強(qiáng)了時(shí)域仿真的能力。LTSP(LongTermStabilityProgram):LTSP是時(shí)域仿真程序，用來模擬大型電力系統(tǒng)受到擾動后的長期動態(tài)過程。為了保證仿真的精確性，提供了詳細(xì)的模型和方法。VSTAB(VoltageStabilityPr

49、ogram)：該程序用來評價(jià)大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，給出接近于電壓不穩(wěn)定的信息和不穩(wěn)定機(jī)理。為了估計(jì)電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，使用了一種增強(qiáng)的潮流程序，提供了一種接近不穩(wěn)定的模式分析方法。ETMSP(ExtendedTransientMidtermStabilityProgram)：EPRI為分析大型電力系統(tǒng)暫態(tài)和中期穩(wěn)定性而開發(fā)的一種時(shí)域仿真程序。為了滿足大型電力系統(tǒng)的仿真，程序采用了稀疏技術(shù)，解網(wǎng)絡(luò)方程時(shí)為得到最合適的排序采用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系并采用了顯式積分和隱式積分等數(shù)值積分法。SSSP(Small-signalStabilityProgram)：該程序有助于局部電廠模式振蕩和站間模式振蕩的分

50、析，由多區(qū)域小信號穩(wěn)定程序(MASS)及大型系統(tǒng)特征值分析程序(PEALS)兩個子程序組成。MASS程序采用了QR變換法計(jì)算矩陣的所有特征值，由于系統(tǒng)的所有模式都計(jì)算，它對控制的設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)是理想的工具；PEALS使用了兩種技術(shù)：AESOPS算法和改進(jìn)Arnoldi方法，這兩種算法高效、可靠，而且在滿足大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性分析的要求上互為補(bǔ)充。4. BPA程序BPA程序是美國聯(lián)邦政府能源部下屬邦納維爾電力局計(jì)算方法開發(fā)組自20世紀(jì)60年代初期開發(fā)的大型電力系統(tǒng)離線分析程序。該程序采用稀疏矩陣技巧的牛頓一拉夫遜法，并將梯形積分法運(yùn)用于暫態(tài)穩(wěn)定的計(jì)算，形成較為穩(wěn)定的數(shù)值解。BPA程序的結(jié)構(gòu)

51、分為潮流程序和穩(wěn)定程序兩部分。BPA潮流程序主要用來計(jì)算電力系統(tǒng)潮流。該程序中的負(fù)荷模型包含恒定功率負(fù)荷、恒定電流負(fù)荷和恒定阻抗負(fù)荷模型?？梢愿鶕?jù)某節(jié)點(diǎn)上P和Q的擾動量，計(jì)算系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)靈敏度、線路靈敏度和網(wǎng)損靈敏度值。程序的輸出具有內(nèi)容詳細(xì)和格式靈活的特點(diǎn)，既可以有選擇地列表輸出原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果和潮流分析報(bào)告，也可以應(yīng)用單線圖格式潮流圖形程序及地理接線圖格式潮流圖形程序輸出。BPA穩(wěn)定程序含有9種傳統(tǒng)勵磁模型和1981年IEEE提出的11種新勵磁模型，可模擬多種類型的直流型勵磁機(jī)、交流型勵磁機(jī)及靜態(tài)型勵磁機(jī)，可以進(jìn)行多端直流的模擬。程序可以在屏幕上輸出最大搖擺角，還可以給出對應(yīng)的兩臺發(fā)電機(jī)

52、名。BPA程序的主要功能是進(jìn)行大型交直流混合電力系統(tǒng)潮流和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)還能進(jìn)行短路電流計(jì)算和電網(wǎng)靜態(tài)等值分析等。BPA配備有較完善的輔助工具，包括單線圖和地理接線圖格式潮流圖程序、穩(wěn)定曲線作圖工具。具有計(jì)算規(guī)模大、計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。BPA穩(wěn)定程序中包括詳細(xì)的發(fā)電機(jī)和各種勵磁系統(tǒng)模型，但沒有提供用戶自定義功能，程序中HVDC、FACTS元件及其控制模型不夠完善。另外，BPA的數(shù)據(jù)格式要求比較嚴(yán)格，與一些國際上通用的機(jī)電暫態(tài)仿真程序之間的數(shù)據(jù)互換比較困難。中國版BPA程序是由中國電力科學(xué)院引進(jìn)、消化、吸收美國BPA程序1983年9月版本的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。從1984年開始

53、在我國推廣應(yīng)用以來，已在我國電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行和試驗(yàn)研究等各部門得到了廣泛的應(yīng)用，成為我國電力系統(tǒng)分析計(jì)算的重要工具之一。5. 電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)電力系統(tǒng)分析綜合程序(PowerSystemAnalysisSoftwarePackagePSASP)是中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的一套具有高度集成性、開放性的大型軟件包。PSASP與Execl、AutoCAD>MATLAB等通用的軟件包分析工具有方便的接口，可充分利用其它軟件包的資源。該軟件在我國高校研究人員和電力系統(tǒng)現(xiàn)場都有廣泛應(yīng)用。PSASP結(jié)構(gòu)分為三層，第一層是公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫，其中包括：電網(wǎng)基礎(chǔ)庫、固定模型庫、用戶自定義模型庫和用戶程序庫等。第二層是基于資源庫的應(yīng)用程序包，包括穩(wěn)態(tài)分析、故障分析、機(jī)電暫態(tài)分析和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算。第三層是計(jì)算結(jié)果庫和分析工具，軟件進(jìn)行各種分析計(jì)算后，生成的結(jié)果數(shù)據(jù)以多種形式輸出或轉(zhuǎn)換為Excel、AutoCAD、MATLAB等其他數(shù)據(jù)格式。PSASP的功能主要有穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和機(jī)電暫態(tài)分析。穩(wěn)態(tài)分