电力系统仿真技术的发展和应用

第18卷　第1期

1996年　2月西南石油学院学报Jou rnal of Sou thw estern Petro leum In stitu te V o l . 18N o. 1Feb 1996

电力系统仿真技术的发展和应用

陈维铁

() ①

摘要　、数字计算机

, 。

; ; 计算机仿真

TM 769

1　电力系统仿真技术的发展

随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步, 现代电力系统发展很快, 大容量发电机组不断涌现, 自动化程度更趋提高, 计算、监视及控制问题日益复杂, 这就需要运行人员具有更强的应变能力和更熟练地操作。新的电气研究也需做各种试验, 但无论从现有技术上还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑, 直接在实际的电力系统及厂矿企业变电所中进行操作人员的培训和科学研究, 可能性很小, 因此运行电力系统仿真技术脱离现场对运行人员培训及电气研究成了迫切的需要。

电力系统仿真技术的研究可追塑到50年代, 最早的电力系统仿真设备可认为是直流计算台, 以后出现支流计算台, 主要用做短路、潮流及稳定计算。真正成为实用技术是从60年代末70年代初用于电气培训。美、日、英等国推出了核电、火电仿真系统, 培训运行人员效果良好, 各国纷纷仿效。1975年美国编制了第一个全复制型培训仿真器国家标准。目前国外电厂培训仿真技术的研制和开发已日趋成熟。

我国清华大学1983年研制成功了国产200MW 燃煤机组原理型培训系统, 同年又以哈尔滨电厂机组为原理, 研制成功200MW 全复制型培训系统。目前电力部已作出规定, 大型火电机组操作人员应经过仿真培训取得合格证方可录用。部分地区(如重庆) 的厂矿企业变电所值班人员也分批参加仿真培训。现在国内各大电业局几乎都已经或准备购置培训用仿真装置, 成立仿真培训中心。

电力仿真技术在电力系统中的发展和应用与电力发展对仿真的要求、计算机硬件、软件技术发展密切相关, 某些电力仿真装置就象一个缩小的电力系统, 凡是与电力相关部门的技术人员, 通过对仿真技术的学习, 了解及参加仿真培训, 就能迅速地熟悉电力系统, 掌握电力运行操作的一些基本方法。

①1995—09—20收稿

第1期　　　　　　　　陈维铁:　电力系统仿真技术的发展和应用2　电力系统仿真理论的基本概念

电力系统仿真就是电力系统模拟。仿真过程包括:首先建立模型, 然后进行模拟试验或数学模拟方程的计算, 最后还要进行模拟结论的分析和误差估计。

研究电力系统模型有三种形式:符号模型, 数学模型和物理模型。

　　符号模型:用方框图来描述系统信息的

流动和信息变量之间的关系。见图1原动机

的传递函数框图。数学模型:行过程。如

=V -d t Κ(1) 　　(1)

图1　原动机模型的传递函数框图

为简化的转子运动方式。其中T J 为机组总的惯性时间常数, W

转矩标称值, Κ为电磁转矩标称值。3为转速标称值, V 为原动机

物理模型:用缩小尺寸的方法, 制作与系统原型相同的模型, 要求模型的变量和物理系统的变量基本一样, 例如用缩小的发电机模型5k W 代替大型发电机50k W 进行试验。

仿真按所用的模型不同又可归纳为两大类:用数学模型和符号模型进行仿真通称为数学仿真; 用物理模型进行仿真称为物理仿真。数学仿真是以实际系统和模型之间数学方程式的相似性为基础。如果一个实际系统写出的数学模型不够完善, 就需要采用物理仿真来配合。电力系统仿真往往需要把它们结合在一起。

电力系统仿真常用于以下问题的研究:

1　系统动态过程方面的研究;

2　选择系统最隹运行方式:

(1) 　正常运行情况的计算, 如潮流计算等。

(2) 　电磁暂态过程的计算, 如短路电流计算。

(3) 　发电机并列运行的机电暂态过程和稳定性的计算。

(4) 　具有自动调度系统作用时的机电暂态过程的计算。

3　电力系统的动态模型

电力系统动态模型是根据相似原理建立起来的电力系统物理模型, 它能模拟电力系统各种运行情况, 为了真实反映原型中的过程, 在动模与原型之间, 必须保证两个系统的每个元件物理量标称值相等, 而且连接处的边界条件和起始条件也相似, , 则整个系统相似。下面讨论各个分系统的模拟。

311　同步发动机模拟

目前无论汽轮机组或水轮机组, 普遍采用直流电动机进行模拟, 其转子运动方程式均可

西南石油学院学报　　　　　　　　　　　　　1995年表示为:

=T T -d t J T C (2)

式中:　　　J —机组转子总的转动惯量　　kg 1m 2

　　　　　　　W —转子的机械角速度　　　　rad s ;

　　　　　　　T C —阻力转矩　　　　　　N 1m ;

　　　　　　　T T —原动机转矩　　　　　N 2U B X 3=X

3(B ) (3) S B 或基准电压U B 都可使X

312　变压器模拟随着改变。

模拟变压器用小型的变压器来模拟巨型电力变压器。它的主要作用是在研究电磁过程时, 保证系统的过渡现象相似。因此一般不研究变压器内部各种现象, 在结构上并不要求变压器的电场和磁场与原型相似, 反要求变压器短路电机标称值X K 3、短路损耗标称值P d 3, 空载励磁电流I 03和空载损耗标称值P 03与原型相似。

313　输电线路模拟

动模用的模型线路不可能按几何相似关系缩小到实验室许可尺寸, 但一般不要求空间电磁场的模拟, 也不要求线路波过程相似, 而只要求线路上某些点的电压与电流随时间变化过程相似, 因而可采用0型等值链型电路以分段中参数来模拟分布参数。当在模型电路上研究电力系统的各种运行方式和机电过渡过程时, 这样模拟输电线路完全可以满足要求。如模拟单回输电线路的正序参数;

0r 1=; 　　　X M ; 　　　C M 1=1=m z C 1m z m z M 00(4)

　　式中:参数上角标0代表原型; 　m 代表模型; 　下角标1代表正序, m z 为阻抗比例尺。314　电力系统负荷模拟

电力系统负荷是由各种不同设备所组成, 有异步电动机、同步电动机、整流、照明及电热等类型的负荷。各种电动机所带负荷也有不同的特性, 有的转矩随转速变化, 有的与转速无关。各种负荷在不同的时间和空间组合分布在整个供电系统中, 要准确模拟电力系统负荷是很困难的, 一般采用近似的办法, 同时用相对集中和比较固定的负荷去等效分散和经常变换的负荷。

随着电力系统及直流输电的发展, 电力系统动态模拟已建成大型交直流混合动模装置, 并设有原子能发电机组、非线性负荷装置等新型元件。

第1期　　　　　　　　陈维铁:　电力系统仿真技术的发展和应用4　模拟计算机应用于电力系统仿真

模拟计算机在电力系统仿真中应用时, 根据数学模拟原理, 必须求得被仿系统的数学模型或符号模型, 从而选取模拟机的仿真方式。如数学模型, 需对系统的微分方程, 进行数学求解。符号模型, 即对系统各元件的传递函数进行对应仿真。

图2　简单电力系统示意图图3　式(7) 的原理图

　　如图2所示简单电力系统, 在不计入发电机励磁调节器及调速器等自动装置作用下, 发电机功率可近似地用下式表示:

2=P T -W 0d t 2P G (5)

　　式中:　　T J —发电机组的惯性时间常数　(S ) ;

　　　　　　　W 0—同步电机角速度　(rad S ) ;

′　　　　　　　∆—发电机交轴暂态电势E q 与系统电压U 之间的相位角(rad ) ; 　　　　

　　　P T —原动机输出的机械功率标称值;

　　　　　　　P G —发电机的电磁功率。

设发电机为凸极式, 则P G 可表示为:

P G =A E g sin ∆+B sin 2∆

, 则d t ′(6) 　　将(6) 式代入(5) 式, 并引入附加变量S =

′=P T -A E g sin ∆-B sin 2∆〕d t T J (7)

　　根据上式可得图3所示原理框图。在该原理框图的基础上, 代入所研究系统的运行参数及初始条件, 组成模拟结构图, 这些准备工作完成后, 即可进行仿真研究。

西南石油学院学报　　　　　　　　　　　　　1995年5　数字计算机和混合模拟机在电力系统仿真中的应用

数字计算机以数字型的量值在机器内部进行计算, 常以离散量代表连续量, 利用数字机进行电力系统仿真时, 需要掌握电力系统的数学模型、计算方法、程序设计技巧等方面的基础知识。

如图2所示简单的电力系统, 现改用数字机来仿真, 发电机为隐极式, 模型的方法与模拟机有所不同, :　　　　　　

∆(1) =2Πf )

(8) P T -P i (∆) 〕T J

　　式中E ′与U 的相位差　(rad ) ; 　　U —系统电压; 　　E ′—发电机暂态电势; 　　w —同步电机角速度, 标称值; 　　△P —不平衡功率与发电机额定容量之比, 标称值; 　　P i —发电机电磁功率, 标称值。其余同(5) 式。

模拟机仿真和数字机仿真都各有优缺点, 若把模拟机运算解题的数字机巨大的存储、逻辑功能与运算的高精度结合起来, 出现了由模拟机通过接口和数字机结合起来组成混合计算机, 可发挥各自的优点。如对于系统交流网络, 可建立交流网络模型并建立求解网络方程, 用模拟计算机连续求解摇摆方程; 用数字计算机控制网络的结构, 并作调速器、调压器和原动机等较复杂的仿真, 同时对模拟系统进行监视, 可实现高速、超实时的暂态仿真。6　电力系统仿真培训装置

如前所述, 电力系统仿真培训装置已广泛应用。目前仿真电力系统已类似控制中心所管理实际电力系统。在仿真装置上能反映实际系

统的动态特性, 如能反映有功、无功功率、电压和

频率的变化情况, 并可根据系统的运行情况进行

符合实际系统的实时仿真, 还有暂停和重复的功

能, 以便于培训工作的进行。学员可通过显示器控

制开关及按钮等练习正常操作和处理事故。

目前用于培训的电力系统常由几个变电站、

发电厂、系统通过高压输电线路联网运行, 电网统

一调度, 常采用微机调度, 系统软件采用软件包,

全部软件系统采用子程序模块结构, 每个模块按图4　电力系统仿真装置结线示意图生产过程和物理现象来划分, 便于程序的修改、扩充, 各模块之间有独立性, 有数据交换, 组成通用性较强的统一整体。在主控制室可对各终端实现遥信、遥测、遥调、遥控, 并可进行实时控制、越限报警、定时或召唤打印、事故自动打印等, 还能用图形处理机和彩色图形终端对运行的动态参数、开关状态、实时显示以及对终端画面进行切换, 它还可以模拟各种事故的

第1期　　　　　　　　陈维铁:　电力系统仿真技术的发展和应用异常运行状态, 具有冻结、追忆、重演、增速、减速、改变系数及评分功能。

图4所示为一个用于培训的简单电力系统。其中发电厂、无限容量系统及变电站A 、B 、C 之间的结构方案, 可以根据需要改变, 以满足不同的模拟培训要求, 该系统能模拟各种运行方式的正常操作, 有功分配、频率调整、联络线潮流控制, 无功调节、电压调节、变压器分接头调整及无功功率补偿装置的投切、系统运行方式的改变、负荷投切、系统的解列与并列操作。该模型系统也能模拟电力系统不同地点发生的各种类型的短路故障和断线故障、系统发生静态和暂态稳定事故的情况、系统振荡现象及发电机异步运行, 复操作、有功和无功的调整、、度的培训, 也可分别用于电厂、变电所() 。

重要意义。

D evelopm en t and Appl ica tion of Si m ula ti ng techn ique

i n Electr ic Power System

Chen 　W eite

(Chong qing W orkm an Colleg e of E lectric P o w er )

Abstract

T h is p ap er b riefly in troduces the p resen t state of si m u lative techn ique of electric pow 2er system , and describes the app licati on of analog com p u ter , digital com pu ter and hyb rid com p u ter to electric pow er system . It also describes the functi on of si m u lative train ing de 2vices of electric pow er system .

Key W ords :E lectric pow er system op erati on ; D ynam ic m odels ; Com pu terized si m u 2lati on