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电力系统的电磁暂态与机电暂态混合仿真

2021-04-06 来源:九壹网
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求解过程也较为简单。工程应用中普遍采用的电磁 暂态仿真程序(EMTP)包括:最早由H.W.Dommel等 人开发、后来又在此基础上发展的多版本EMTP L ; 加拿大Manitoba直流研究中心的PSCAD/EMTDC L ; 德国西门子公司开发的NETOMAC r43 。 1_2机电暂态仿真 机电暂态过程是指电力系统中发电机和电动机 电磁转矩变化引起的电机转子机械运动变化的过 程.持续时间常常在几秒到十几秒。机电暂态仿真是 x,1电力系统中机械暂态过程和电磁暂态过程的综合 分析研究,计算步长常常取10 113S左右L1]。 电力系统机电暂态过程的仿真主要用于分析电 力系统的稳定性.包括暂态稳定性和静态稳定性。 机电暂态过程分析大都采用集中参数模型.由 于系统频率变化不大.仿真时采用基波相量理论分 析计算.即在分析中.将网络中的支路电流和电压等 变量变换成复数的相量.将网络各支路元件都代以 它们的复数阻抗或导纳 这样.网络可用代数方程来 描述.通常采用交替求解法或者联立求解法 j 工 程应用中采用较普遍的机电暂态仿真程序包括:美国 I公司的PSS/E[7 3:瑞典ABB公司的SIMPOW Es]:德 国西门子公司的NET0MACⅢ 国内应用较多的软件 有中国电力科学研究院的PSASP[9]和中国版BPA 1.3 电磁暂态仿真与机电暂态仿真的比较 电磁暂态仿真与机电暂态仿真在仿真的步长、 规模及模型等方面都存在差异(见表1)[10-1 表1 电磁暂态仿真与机电暂态仿真比较 Table.1 Contrast of electromagnetic andelectromechanical transient simulation 项目 电磁暂态仿真 机电暂态仿真 仿真步长 微秒级别(5O s) 毫秒级别(10ms) 较小.一般需 较大.理论 仿真规模 要系统等值 上没有限制 表示方式 瞬时值三相模式 基波相量模式 模型特点 较为详细.考虑非线性、 较为简化.基于工频正 分布参数等特性 弦特性 操作暂态、故障暂态、谐 功角稳定、电压稳定、频 主要应用领域 振暂态或者其他的快速 率稳定以及短路计算等 动态响应 问题 对直流系 可以详细模拟不对称故 不能准确模拟不对称故 统的仿真 障下换流阀的工作情况. 障下换流阀的工作情况、 包括换相失败等现象 换相失败等现象 2电磁暂态与机电暂态混合仿真 2.1 混合仿真的必要性 目前.HVDC和FACTS等大功率电力电子设 备广泛应用于电力系统中,使得反映不同物理特征 的动态过程相互交织在一起.极大地增加了电网分 析、运行和控制的复杂度。在现有的2类分析软件 中.机电暂态分析软件在仿真HVDC系统和FACTS 等电力电子设备时均不能反映其快速暂态特性和非 线性元件引起的波形畸变:而电磁暂态分析软件计 算步长小、计算量大,其仿真规模不大。因此,将电磁 暂态仿真和机电暂态仿真进行接口.完成电磁暂态 和机电暂态的混合仿真.在一次仿真过程中实现对 大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电磁 暂态仿真.对研究大规模电力系统的暂态稳定和动 态特性具有很强的现实意义和理论价值 2.2混合仿真的基本原理 电磁暂态与机电暂态混合仿真的基本原理如图 1所示.系统中常规交流部分的动态响应过程相对 较慢.采用机电暂态程序仿真:而对需要进行详尽研 究的局部区域或特定元件采用更为精确的电磁暂态 程序仿真。在混合仿真中,当一侧进行仿真时.另一 侧采用合适的等值电路来代替.数据交换时刻只发 生在机电暂态步长点.即每隔一个机电步长的时间 两侧才交换一次数据.在一个机电步长的仿真过程 中.两侧没有数据交换 机电暂态仿真 I接口 电磁暂态仿真 (常规交流系统部分)卜__一 (局部区域或特定元件) 图1 电磁暂态与机电暂态混合仿真原理 Fig.1 Principle of electromagnetic and electromechanical transient hybrid simulation 2.3混合仿真的实施方案 混合仿真系统若不借助超大型并行数字计算 机。难以实现南方电网这样的大电力系统的实时仿 真。从现有的仿真工具来看.各种基于数字计算机的 超实时机电暂态软件为大电力系统实时仿真提供了 强有力的工具;而实时数字仿真(RTDS)是目前世界 上最强大和成熟的电磁暂态仿真工具.尤其具备最 详细和真实的HVDC模型。因此,采用RTDS的电 磁暂态仿真与采用数字计算机的机电暂态仿真的实 时混合仿真方案具备了实现的可能.具体来说.有以 下2种可能的实现方案 2.3.1数字接口方案 机电暂态和RTDS电磁暂态实时混合仿真平台 采用数字接口的方案见图2.机电暂态数字计算机 与RTDS各个基本单元(rack)直接进行数字通信 此方案有可能将通信时间减少到微秒级.充分保证 仿真的实时性和同步性。有效减少计算误差.但需出 品RTDS的公司提供通信规约 39; l 维普资讯 http://www.cqvip.com

图2 电磁与机电暂态混合仿真数字接口 Fig.2 Digital interface for electromagnetic and electromechanical transient hybrid simulation 2.3.2模拟接口方案 机电暂态和RTDS电磁暂态实时混合仿真平台 采用模拟接口的方案如图3所示.数字计算机采用 并行机的PC工作站,嵌入式实时操作系统(RTOS) 计算机接口平台采用NI公司的外部设备及联在 仪器领域的扩展总线系统(PXI:PCI eXtensions for Instrumentation)或GE公司的VME在仪器领域的 扩展总线系统(vxI:vME eXtensionsforInstrumenta— tion).交换数据采用最先进的“反射内存卡”技术,经 过计算和测试.上述硬件接口系统的速度和精度都能 满足实时性要求。 数字计算机 嵌入式计算机 实时仿真系统 PC工作站 接口平台 RTDS 图3 电磁与机电暂态混合仿真模拟接口 Fig、3 Analog interface for electromagnetic and electromechanical transient hybrid simulation 本文采用基于VxWorks实时操作系统和VXI 总线系统的接口平台作为模拟硬件接口系统。进行 了本系统与RTDS系统接口的响应时间测试。测试 的信号流程如图4所示.从RTDS侧发出2路脉冲, VXI—PC系统接收到信号并原样发送回去.在RTDS 里测试信号发送沿和接收沿的时间差,数据环需要 的时间小于40 s(RTDS的分辨力为40 s),表明 本文所提出的硬件系统结构满足实时性要求。 图4 接口测试的信号流程 Fig.4 Signal flow of interface test 2.4混合仿真研究涉及的关键技术 2.4.1接口位置的选择 研究含有HVDC和FACTS装置的电力系统. 接口位置可以选择在HVDC换流器交流侧母线或 FACTS等电力电子装置连接变压器一次侧母线处. 这主要是基于以下几点考虑:(1)缩小了电磁暂态程 序仿真的范围,减轻了电磁暂态仿真程序的计算负 担,接口的数量较少;(2)换流母线处的滤波器、静止 无功补偿器(SVC)等装置都被包含在电磁暂态仿真 程序中,可以更好地分析它们的有关动态特性:(3) 母线处的电流或电压数值相对比较稳定.有利于数 值计算的稳定性 2.4.2机电暂态侧等值电路形式 进行电磁侧仿真时.机电侧必须用合适的等值 电路来代替。由于机电侧网络的仿真规模比较庞大, 通常为有源系统.而且认为网络中的参数近似符合 线性关系。所以相对外部系统来说可以直接用戴维 南等值电路来代替 2.4.3电磁暂态侧等值电路形式 进行机电侧仿真时.电磁侧也必须用合适的等 值电路形式来代替 由于电磁侧的元件和结构较为 复杂.该侧的等值电路形式较为复杂 如果研究重点 是FACTS等电力电子元件.可以将电磁暂态网络等 值为时变负荷的形式:如果研究重点是直流输电系 统.则根据直流输电定电流控制的特点.可以将其用 时变电流源表示 2、4.4主要的数据交换方式 在混合仿真中.必然存在电磁暂态与机电暂态 两侧数据的交换 数据时序交换的方式主要是串行 方式和并行方式 采用串行接口时序.电磁暂态仿真 和机电暂态仿真交替进行.其间的相互等待影响了 仿真速度。但采用这种仿真时序,能够保证2个仿真 网络计算的精度基本不受影响。采用并行接口时序. 电磁与机电侧在计算过程中都不需要等待.两侧各 自并行计算.因而提高了仿真速度.满足了在接口处 实时交换数据的要求。但电磁与机电侧的每一侧在 £+△ 时刻采用的都是对侧时刻的等值信息.因而存 在一定的交接误差.影响计算精度。也可以采用相互 迭代接口时序。在系统稳态运行时采用并行交换方 式以提高仿真速度.在系统网络结构发生变化时采 用串行交换方式以提高仿真精度.这样可以较好地 协调接口时序方式引起的速度和精度问题。 2.4.5数值稳定性 如何避免由于接口点电压、电流波形畸变和谐 波分量引起的接口精度损失问题.也是多年来许多 文献关注的问题。目前改善接口处的数值稳定性方 法主要有选择合适的接口位置.让接口处的电压电 流尽量保持不变或者平滑过渡.采用有效优化的接 维普资讯 http://www.cqvip.com

口算法.让电磁暂态与机电暂态之间数据交换更加 [6]倪以信.动态电力系统的理论和分析[M].北京:清华大学出版 符合实际情况.消除接口中可能出现的实际并不存 社.2002. 在的虚拟小扰动等 NIYi—xin.Theoryand analysis ofdynamicpower system[M].Beijing: 2.4.6接口硬件平台和通信方式 Tsinghua University Press,2002. 如果机电暂态仿真与电磁暂态仿真之间采用模 [7]DeMELLOFP,FELTESJW,LASKOWSKITF,et a1.Simulating 拟量进行数据交换.模拟量采样硬件的速度及其与 fast and slow dynamic effects in power system[J].IEEE Computer 数字计算机之间的通信速率已经可以满足仿真的实 Applications in Power,1992,5(3):33—38. 时性.但需要对接口交换的数据流方面进行深入的 [8]PERSSON J,ANEROS K,HASLER J-P.Switching a large power 研究 system between fundamental frequency and instantaneous value mode [C]//ICDSConference,1999.Vasteras,Sweden:102-105. 3结语 [9]WU Zhong—xi,ZHOU Xiao—xin.Power system analysis software package(PSASP-An integrated power system analysis too1)[C]// 电力系统的电磁暂态与机电暂态混合仿真已成 POWERCON'98,1998.Beijing:7—1 1. 为电力系统数字仿真技术领域的热点和前端课题之 [10]岳程燕,田 芳,周孝信,等.电力系统电磁暂态一机电暂态混 本文提出了并行机和基于RT0S的PXI混合仿真 合仿真接口原理[J].电网技术,2006,30(1):23—27. 或VXI接口和反射内存技术混合仿真的实施方案. YUE Cheng—yan,TIAN Fang,ZHOU Xiao—xin,et a1.Principle of 给出了VXI嵌入式实时操作系统与RTDS系统之间 interfaces for hybrid simulation of power system electromagnetic— 交换数据的响应时间测试结果。对混合仿真及其实现 electromechanical transient process[J].Power System Technology, 过程中涉及的关键技术问题及解决方法作了探讨 2006,30(1):23-27. [11]郑三立.电力系统实时数字仿真测试技术研究[D].北京:清华 参考文献: 大学.2002. ZHENG San—li.Real—time digitla simulation testing in power systems [1]夏道止.电力系统分析[M].北京:中国电力出版社,1995. [D].Beijing:TsinghuaUniversity,2002. XIADao—zhi.Power systemanalysis[M].Beijjng:ChinaE1ectricPower [12]ATSON N R,ARRILLAGA J.Power systems electromagnetic Press,1995. transients simulation[M].London:the Institution of Electircal [2]DOMMEL H W.Digital computer solution of e1ectr0magnetic Engineers,2003. transients in single and multiphase networks[J].IEEE Transactions [13]柳勇军.电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真技术的研究 on Power Apparatus and Systems,1969,88(4):388-399. [D].北京:清华大学,2006. [3]LARA0A,ACHAE.Modelingand analysis ofcustompower systems LIU Yong-jun.Study on power system e1ectr0mechanica1 transient byPSCAD/EMTDC[J].IEEETransactions onPowerDelivery,2002, and electromagnetic transient hybrid simulation[D].Beijing: 17(1):266-273. Tsinghua University,2006. [4]LEI X,LERCH E,POVH D.A large integrated power system soft— [14]岳程燕.电力系统电磁暂态与机电暂态混合实时仿真的研究 ware package:NETOMAC[C]//POWERCON'98,1998.Beijing: [D].北京:中国电力科学研究院,2004. 17—22. YUE Cheng—yan.Study of power system electromagnetic transient [5]王锡凡.现代电力系统分析[M].北京:科学出版社,2003. and electromechanical transient real—time hybrid simulation[D]. WANG Xi—fan.Modem power system analysis[M].Beijing:Science Beijing:China Electirc Power Research Institute,2004. Press,2003. (责任编辑李新捷) Electromagnetic‘electromechanical transient hybrid simulation in power system YU Qing‘guang.XU Zhi-lun (DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing 100084,China) Abstract:The present state of the electromagnetic transient simulation and electromechanical transient simu1ation in power svsten was particularly introduced.By comparing two kinds of simulations,the purpose of hybrid simulation in modem power systems was explainedTwo implementation schemes for hybrid simulation were discussed,and the test result forresponse time ofdata exchange between embedded real。timeoperationsystemandRTDSwasgiven.Intheendsomekeytechnical issues concerning hybrid simulation were discussed and corre— sponding solutions were put forward. Key words:electromagnetic transient;electromechanical transient;hybrid simulation;RTDS 

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