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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电力系统分析软件的现状与发展Present Status and Future of Electric Power System AnalysisSoftware Packages【摘要】作为电力系统规划、设计、运行和管理过程中不可缺少的重要工具,电力系统分析软件的发展必须适应现代化电网发展的需要。本文探讨了电力系统分析软件的现状与发展,认为新一代的电力系统分析软件应该是一个功能完备的集成软件包,它应具有大规模的计算容量
2、、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好统一的用户界面和良好的开放性等特点。【关键词】电力系统 分析 软件 趋势 ABSTRACT As important tools of planning,design,operation and management,electric power systemanalysis software packages must be improved constantly according to the need of development of modernnetworks.PSAPAC,NETOMAC,etc.are the new gene
3、ration of power system analysis software pack2ages.Their structure,capacity,speed and other performances are introduced and investigated in this pa2per.The supporting technology and market of future power system analysis software packages are also dis2cussed at the end.KEY WORDS Electric power syste
4、mAnalysisSoftwareTendeucy 电力系统分析软件用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究,可用来确定规划设计方案、拟定运行方式、整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员作出正确的决策。此外,还可用于教学和培训。现代化的电网迫切需要现代化的分析手段,对软件的功能、精度、规模和速度提出了更高的要求,期望充分利用计算机硬件和软件技术的最新成就分析和处理电网的实际问题。目前,国际上有多种电力系统分析软件包,在各国电力系统的实践和研究中发挥了很大的作用。这些软件包可以运行在工作站(如HP、SUN)和PC机等硬件平台上,支持UNIX和Windows 95等操作系统。目前在
5、我国应用较为普遍的电力系统分析软件包是由电力科学研究院开发的电力系统综合分析程序(PSASP)和引进后改进的BPA程序(邦维尔电力局开发)。在总结上述软件包特点的基础上,本文探讨了现代电力系统分析软件的发展趋势。1超大型集成软件包1.1计算容量不断增大随着计算机硬件、软件技术的迅猛发展,现代电力系统分析软件的计算容量也日益增大,可以处理几万个节点的大规模系统,能够满足实际电力系统工程的需求。例如,PSAPAC(美国EPRI)软件包中的潮流分析程序(IPFLOW)和小干扰稳定程序(SSSP)能够处理的系统规模可达12 000条母线、60 000条支路、24 000台变压器、6 000个非线性负荷
6、;SSSP可以分析的系统状态变量多达22 000个。分析软件的计算速度也有很大提高,当然离“实时分析”的要求还有一定距离。使用NETOMAC(德国西门子公司开发的)计算美国WSCC系统(600台发电机、21000条支路、7 500个节点和1 600个动 态 负 荷),计 算 的 步 长 取10ms,在HP9000工作站上实时仿真1s,需耗机时约3.5min,在PC(P5,133MHz)机 上 则 为4.4min。15国际电力1999年第1期电网技术POWERGRID 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All
7、 rights reserved.http:/1.2集成软件包的功能逐渐增加表1 国际上的几种电力系统分析软件包软件包名称开发者PSAPACBPAPSS/ENETOMACEUROSTAGCALPOSDIGSILENTEMT96ATPEMTDCPSASP美国EPRI美国邦维尔(Bonneville)电力局美国PTI公司德国西门子公司法国EDF和比利时TractebelABB公司德国国际合作开发国际合作开发加拿大Manitoba高压直流研究中心中国电力科学研究院随着电力系统的发展,用户对电力系统分析软件的功能要求越来越多,也越来越高,既要求有潮流、短路、暂态稳定计算等常规功能,又要求能进行电压稳定
8、和系统特征根计算、仿真各种不对称故障与操作、频率扫描、优化计算等较复杂和极端运行条件的计算功能。新一代的电力系统分析软件应该是一个能够实现多种应用要求的集成化软件包,一方面,在统一的界面和数据库条件下,既能进行时域仿真,又能进行频域计算,根据系统工作点的线性化系统的特征值和特征向量,研究系统的动态稳定性、可控性和可观性等,适用于控制系统的设计和大系统的行为分析;另一方面,还可以进行模型的参数辩识与优化,根据给定的目标函数和约束条件,进行优化潮流或优化控制器的整定等。现代电力系统软件包如NE2TOMAC12和EUROSTAG(法国EDF和 比 利 时Tractebel开发)3,只用一套程序就可以
9、分析电力系统运行的全过程(电磁暂态、机电暂态及中长期稳定)。程序可自动改变步长,实现精确的仿真,应用范围非常广泛。从机电振荡到日常负荷的演变;从断开线路到频率和电压的集中控制;从大面积停电到系统的恢复过程;从调节发电机的控制器到研究灵活交流输电(FACTS)或 高 压 直 流 输 电(HVDC)用的电力电子设备。除用于常规的分析计算外,还可以实现下述分析功能:电动机启动过程动态仿真;谐波分析与接地计算;频域/时域模型的参数辩识;距离保护设计与选择性分析;优化潮流或控制器的参数;网络化简与系统的动态等值;轴系扭振分析等。2模型与算法2.1元件模型库电力系统分析计算的准确性依赖于每个系统元件模型的
10、准确性,随着研究工作的不断深入,电力系统元件的建模工作也取得巨大进展。电力系统分析软件的标准模型库中有:饱和/非饱和情况下的同步/异步电机模型、励磁调节器(包括数字励磁)和调速器模型、原动机模型、锅炉和再热器等模型、饱和/非饱和情况下的变压器模型(双绕组/三绕组/调压变压器)、各种输电线模型、HVDC模型、非线性元件(如饱和电抗器、避雷器、晶闸管和GTO)模型、负荷模型等。随着新的调节器和控制器以及FACTS应用,必须扩充原有的模型库,增添新的模型,为推动技术进步提供有力的支持。2.2计算方法电力系统计算方法的发展与应用数学方法的发展是密不可分的。成功应用的各种数学方法包括:稀疏矩阵技术、代数
11、方程求解方法、微分方程组的数值积分解法、大规模矩阵的特征值计算方法和线性规划,内点法等优化方法。这些先进的数学方法大大提高了计算效率,25国际电力1999年第1期电网技术POWERGRID 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/适应处理大规模实际电力系统的需要。现代电力系统分析软件运用连续自动变步长的积分技术,可仅用一套程序实现从电磁暂态到中长期动态过程的宽频带时域仿真,模拟从10-2Hz频率的汽轮发电机原动机的蒸气调节过程,到106Hz的雷电波过程等各种电气
12、过程。该算法鲁棒性强,能根据仿真过程的演变而修改步长,在不改变程序和模型的情况下连续仿真快速的和慢速的电气现象,有效地克服系统时间常数相差较大的困难。可以预料,随着数学方法的进步,必将促进计算方法的发展。3软件的友好性和开放性3.1友好性用户不仅要求电力系统分析软件有强大的分析功能和高度的计算准确性,还要求其界面友好,容易使用。3.1.1友好的人机界面随着X-Windows和MS-Windows技术的发展,图形用户界面(GUI:Graphics User Interface)已成为当今软件的标准界面,具有学习容易、操作简单、可以定制(Customization)等优点。GUI允许用户以图形交互
13、方式,快速而方便地设计各自的过程模型和建立新的场景,实现交互式的仿真过程和结果分析。图形化的输入方式使人感到亲切直观,避免了可能出现的数据格式错误。用户可以通过GUI绘制单线图,输入或修改算例系统的数据。现有的软件包如NETOMAC、PSS/E(美 国PTI公 司)、PSAPAC、EU2ROST AG等都具有绘制系统单线图和交互式输入数据的功能。计算结果可以形象地表示在图上,丰富的彩图加深了用户对所仿真的动态过程的理解。3.1.2软件使用的方便性软件的“友好”还体现在其使用的方便性,现代电力系统分析软件常常具有一些实用功能,以方便用户的使用。例如考虑用户经常使用的操作而增加了自动计算临界切除时
14、间(CCT)、n-1静态安全分析等实用功能。批处理功能把用户的一系列操作记录下来,以简化重复的工作。值得一提的是数据预处理模块,它提供了多种输入数据的校验功能,对输入数据文件中系统的拓扑结构、母线、支路、变压器等数据的合理性进行检查:这项校验功能,通常可以发现用户录入数据过程中的疏漏,保证原始数据的质量,方便调试,有效地提高仿真计算的准确率。软件使用的方便性也表现它的后处理功能,例如定制分析报告、组合所需形式和内容的输出表格;对仿真波形进行标度变换或缩放以更清楚地观察曲线的局部细节;自如地从计算结果中提取所需的信息等。3.2开放性随着电力系统的互联、电力市场的发展以及新技术新装置的应用,要求电
15、力系统仿真软件能够提供灵活开放的接口,以提高应用的灵活性,具体表现在以下3个方面。3.2.1元件模型库的开放性传统的标准模型库中各种固定结构和参数的典型模型(如IEEE发电机的励磁系统,原动机的调速系统、原动机的模型等)常常不能满足计算和仿真的需要。为提高程序的适用性和灵活性,现代电力系统分析软件允许用户自定义或修改元件模型。用特别开发的仿真语言作为用户自定义新模型的支持语言。程序能自动生成相应的公式并插入程序,省去了编程和可能出现的错误。用户也可藉助人机交互图形界面,方便而清楚地组合各种基本功能模块(放大、微分等),自行组建一些特殊的元件模型,也可根据需要直接在屏幕上进行修改。3.2.2输入
16、输出数据的开放性由于历史原因,现有的电力系统分析软件的输入数据格式不统一,各软件包之间的互通性很差,给用户带来不便。经过IEEE和CIGRE工作组的不断努力,现已推出IEEE交换数据格式。一些电力系统分析软件包都具有格式转换功能,例如PSAPAC4支持IEEE,BPA,EPRI,PTI等机构和公司的潮流数据格式,并支持35国际电力1999年第1期电网技术POWERGRID 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/IEEE,PTI,BPA/WSCC/EPRI,BP
17、A/WSCC(NEW)等机构和公司的动态数据格式。输出数据的开放性表现在计算结果能够输出到其它软 件(如MATLAB、EXCEL)作有关处理。3.2.3功能上的开放性现代电力系统软件包具有开放式的结构,用户可以通过接口嵌入自己的程序,使软件的应用更加灵活。开放的平台使新一代的电力系统软件包可以与外部程序相耦合,在保持各自完整性的基础上进行协作计算。4软件应用于生产调度第一线 电力系统分析软件正逐渐向电力系统生产调度的第一线渗透。EUROSTAG已被用于法国和比利时的国家系统控制中心的EMS系统,根据SCADA提供的实时状态数据,进行离线安全分析,评估系统的安全裕度,为运行调度人员制定运 行策略
18、提供依据。比 利 时Tractebel公司借鉴EUROSTAG开发了调度员培训仿真器(DTS)。加拿大开发的实时数字仿真器(RTDS)能将系统的运算结果回放并经D/A转换后通过高性能的电压、电流放大器输出,用来测试继电保护和自动装置,保证了科研项目的顺利完成。我国与加拿大合作开 发 的 暂 态 稳 定 评 估 软 件(FASTEST),结合了EEAC(扩展等面积准则)算法速度快的特点,具有在线应用的潜力。这标志着电力系统分析软件正在走向电力生产调度的第一线。5 多方扩大软件市场电力系统分析软件需要走向市场,和同类产品相竞争,接受用户的检验。开发商越来越注重向用户提供全方位的技术支持。ETMP/
19、ATP、PSS/E、PSAPAC和EUROSTAG等软件的开发商成立了自己的用户组织,定期召开会议,交流经验,讨论如何更有效率地应用软件,增强用户对该软件的信心。出版内部刊物(News Let2ter),把关于该软件的最新技术应用和升级等信息迅速传达给用户。软件商在Internet网上建立专门的站点,介绍其开发的电力系统软件,以扩大影响面。软件的销售也更加灵活。一些软件商提供了出租服务。例如,租用EUROSTAG(PC版本),六个月租金为4 000美金(1998年的报价)。现代电力系统分析软件包的应用日趋国际性。一些优秀的电力系统软件包常常同时在亚洲、欧洲和美洲各地应用。在我国应用的有美国的B
20、PA、PSS/E和德国的NE2TOMAC等软件包。但不同软件的数据格式差异问题已经成为阻碍新软件推行的一个最大的障碍。因此,新一代的电力系统分析软件要想争取更多的用户,占领市场,就必须能够支持多种输入数据格式的转换,为用户提供方便。6 结束语在当今的信息时代,计算机软、硬件技术的发展日新月异。一些新思想、新方法和新技术正逐步影响着电力系统分析软件的发展。例如软件工程的方法和技术、面向对象的编程方法、并行算法和数据库技术等等。遵循软件工业的国际标准ISO9002会使电力系统软件的开发进一步规范化5、提高和完善,更加高效和实用,以适应现代电力系统发展的需要。计算机软、硬件的更新换代和数学方法的进步
21、,必将为电力系统分析软件的发展提供一片崭新的天地。参考文献1NETOMAC-Calculating,Analyzing and Optimizing the Dynamicsof Electrical Systems in Time and Frequency Domains.Power Trans2mission and Distribution Group,Siemens AG,19972 韩祯祥,张琦,徐政.一个大型集成化的电力系统仿真计算软件 NETOMAC.电力系统自动化,1997,12(9)3Evrard C,Bihain A.Powerf ul tools for various
22、 types of dynamicstudies of power systems.1998International Conference on Power Sys2tem Technology Proc.,Vol.1,1-6.4Kundur P,Morison G K,Balu N J.A Comprehensive Approach toPower System Analysis.CIGRE1994session papers,38-1065Barret J P,Bornard P.Power System Simulation.London,U K:Chapman&Hall,1997333作者:韩祯祥 张 琦 徐 政 浙江大学电机系文章编号:A1045国际电力1999年第1期电网技术POWERGRID