BPA向PSCAD模型轉(zhuǎn)換的研究

陶 華，許津津，鄒文聰

（泉州電業(yè)局，福建 泉州 362000）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，特別是交直流混合輸電的快速發(fā)展，電力電子設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用，電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真已不能滿足實(shí)際工程的需要，因此電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真日益重要。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行對(duì)電力系統(tǒng)的仿真一般集中于機(jī)電暫態(tài)仿真，大多采用BPA或者PSASP研究電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)特性。因此，國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)一般采用BPA或者PSASP軟件要求的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，從而缺乏網(wǎng)絡(luò)的電磁暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)。若要對(duì)目前運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，需要從已記錄的機(jī)電暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)中獲取電磁暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)。目前主要使用PSCAD或RTDS進(jìn)行電網(wǎng)電磁暫態(tài)過(guò)程的研究，但現(xiàn)有的仿真軟件尚未提供將BPA或PSASP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PSACD格式數(shù)據(jù)的功能。

BPA采用文本格式對(duì)網(wǎng)絡(luò)潮流數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲(chǔ)，利用名稱和電壓等級(jí)區(qū)分母線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息之間的傳遞，因此在計(jì)算中不需要形成網(wǎng)絡(luò)的電氣接線圖，故BPA采用母線名稱和電壓等級(jí)的形式記錄電網(wǎng)數(shù)據(jù)。而PSCAD擁有先進(jìn)的圖形化界面，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的電氣接線圖識(shí)別網(wǎng)絡(luò)信息，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算以前需要形成準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)電氣接線圖。

因此，如何根據(jù)已記錄的BPA軟件格式的數(shù)據(jù)形成滿足PSCAD軟件要求的數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代電網(wǎng)仿真需要解決的問(wèn)題之一。對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)分析BPA記錄的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元器件模型，手工搭建PSCAD仿真模型。但對(duì)于包含數(shù)百、數(shù)千條母線和數(shù)千條傳輸線路及變壓器的大型網(wǎng)絡(luò)，如果手工搭建網(wǎng)絡(luò)的PSCAD仿真模型，不僅增加了仿真的工作量，更有可能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于疏忽而導(dǎo)致過(guò)多的人為誤差。同時(shí)，由于需要形成網(wǎng)絡(luò)接線圖，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理地分配各元件的位置，以繪制完整清晰的拓?fù)浣泳€圖，這是整個(gè)轉(zhuǎn)換中最重要也是最困難的地方。

為了解決上述問(wèn)題，給電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真提供數(shù)據(jù)支撐，本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，提出了一種基于廣度優(yōu)先搜索算法的BPA向PSCAD模型轉(zhuǎn)換的方法，通過(guò)該方法可以搭建機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)向電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的平臺(tái)，其轉(zhuǎn)換思想大致如下：

a.分析待轉(zhuǎn)換電力網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，選擇滿足不同要求的元件模型；

b.依據(jù)記錄的BPA格式的數(shù)據(jù)文件，分析網(wǎng)絡(luò)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

c.形成準(zhǔn)確反映拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣；

d.根據(jù)廣度優(yōu)先搜索算法形成電力系統(tǒng)的電氣生成樹(shù)；

e.根據(jù)生成樹(shù)中節(jié)點(diǎn)先后順序合理分配節(jié)點(diǎn)位置，逐一添加網(wǎng)絡(luò)中的元器件，形成電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD所需要的電力系統(tǒng)仿真文件。

本文最后通過(guò)實(shí)際算例在2種軟件環(huán)境下的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，驗(yàn)證了本文提出的轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性。

1 模型轉(zhuǎn)換難點(diǎn)

1.1 線路模型

BPA在模擬線路的特性時(shí)，不計(jì)及波過(guò)程，這與PSCAD軟件中的PI型模型一致。為了更好地研究線路的動(dòng)態(tài)過(guò)程，PSCAD常采用考慮波過(guò)程的詳細(xì)線路模型。

1.2 變壓器模型

BPA模擬三圈變時(shí)，采用3個(gè)兩圈變來(lái)等值，其中某個(gè)兩圈變的電抗可能等于或者小于零，此時(shí)向PSCAD轉(zhuǎn)換時(shí)，若轉(zhuǎn)換成3個(gè)兩圈變壓器，那么就會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻抗的變壓器。這種負(fù)阻抗的變壓器模型，將會(huì)使得PSCAD無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。

1.3 負(fù)荷模型

BPA大都采用靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型的組合來(lái)模擬負(fù)荷特性，轉(zhuǎn)換過(guò)程中，PSCAD可以采用Fixed Load模型和鼠籠式電動(dòng)機(jī)模型來(lái)進(jìn)行等值①M(fèi)anitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.。但是PSCAD的鼠籠式電動(dòng)機(jī)模型為定子雙繞組模型，而B(niǎo)PA感應(yīng)電機(jī)模型為定子單繞組模型。

1.4 發(fā)電機(jī)模型

PSCAD采用的發(fā)電機(jī)模型是考慮磁鏈衰減過(guò)程的八階模型，而B(niǎo)PA發(fā)電機(jī)模型未考慮磁鏈的衰減過(guò)程，一般采用六階及以下的發(fā)電機(jī)模型。因此，如何有效轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)模型成為制約轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性的最大難點(diǎn)。

2 模型轉(zhuǎn)換方法

文獻(xiàn)[1]詳細(xì)闡述了基于深度優(yōu)先搜索算法的電力系統(tǒng)生成樹(shù)的形成方法及過(guò)程，本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析研究機(jī)電暫態(tài)模型向電磁暫態(tài)模型轉(zhuǎn)換的方法。

PSCAD采用psc文件記錄元件信息，包括所有元件的坐標(biāo)位置和參數(shù)。修改或添加PSCAD模型及其參數(shù)可以在可視化圖形界面上操作，也可以通過(guò)修改psc文件來(lái)完成，本文基于此提出模型轉(zhuǎn)換方法。

2.1 線路模型

由于BPA沒(méi)有考慮線路的波過(guò)程，因此可以采用PI型模型來(lái)等值。但是這種轉(zhuǎn)換未能反映線路真實(shí)的特性，一般把線路轉(zhuǎn)換成詳細(xì)模型，如Bergeron模型。

當(dāng)線路長(zhǎng)度小于15 km（仿真步長(zhǎng)取50 μs）時(shí)，Bergeron模型未能計(jì)及波過(guò)程。為了體現(xiàn)波過(guò)程對(duì)輸電的影響，Bergeron模型需要填入線路的長(zhǎng)度。若已記錄長(zhǎng)度的線路，可以直接填寫(xiě)線路長(zhǎng)度；若BPA未給出線路的長(zhǎng)度，則根據(jù)表1的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行長(zhǎng)度的估算，估算公式如下：

表1 不同電壓等級(jí)下線路的平均電抗Tab.1 Average impedance of different voltage levels

2.2 變壓器模型

升壓三繞組變壓器的低壓繞組在中間，高壓繞組在外層，中壓繞組在里層，Uk（1-2）% 較大；降壓三繞組變壓器的中壓繞組在中間，高壓繞組在外層，低壓繞組在里層，Uk（1-3）%較大。因此排在中間的繞組，其等值電抗的絕對(duì)值較小。

根據(jù)三圈變的這一特性，BPA數(shù)據(jù)中記錄的等效阻抗可成為判斷變壓器是否是三圈變的一個(gè)重要依據(jù)。若節(jié)點(diǎn)n和n+1之間的變壓器的等值電抗的絕對(duì)值較小，則判斷節(jié)點(diǎn)n的源節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)n之間、節(jié)點(diǎn)n+1和節(jié)點(diǎn)n＋1的子節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)n和節(jié)點(diǎn)n的子節(jié)點(diǎn)之間是否構(gòu)成三圈變[1]。若節(jié)點(diǎn)n和n＋1之間的變壓器是三圈變的一側(cè)，則三圈變的第二側(cè)必與n或者n+1相連接，第三側(cè)的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)n（節(jié)點(diǎn)n為三圈變的虛擬節(jié)點(diǎn)）或者n＋1（節(jié)點(diǎn)n＋1為三圈變的虛擬節(jié)點(diǎn)）的非同一樹(shù)枝子節(jié)點(diǎn)。

2.3 負(fù)荷模型

通過(guò)改變Fixed Load模型中電壓對(duì)有功、無(wú)功的指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功率、恒電流、恒阻抗模型的轉(zhuǎn)換。根據(jù)功率的大小以及穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的比率，計(jì)算各負(fù)荷的初始功率，填入到PSCAD；根據(jù)功率的大小以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷的比率，計(jì)算動(dòng)態(tài)負(fù)荷的大小，并填入到感應(yīng)電機(jī)的初始功率中。

BPA感應(yīng)電機(jī)模型為定子單繞組模型，PSCAD的鼠籠式電動(dòng)機(jī)模型為定子雙繞組模型，在轉(zhuǎn)換時(shí)將PSCAD中鼠籠式電動(dòng)機(jī)模型的第二繞組處理成開(kāi)路。

2.4 發(fā)電機(jī)模型

BPA中發(fā)電機(jī)六階模型與PSCAD采用的發(fā)電機(jī)模型在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上基本一致，只是PSCAD采用的發(fā)電機(jī)模型考慮了定子繞組磁鏈衰減的過(guò)程。轉(zhuǎn)換時(shí)，BPA發(fā)電機(jī)六階模型可直接轉(zhuǎn)換成PSCAD中的發(fā)電機(jī)模型。當(dāng)BPA采用不計(jì)阻尼繞組的發(fā)電機(jī)四階模型時(shí)，PSCAD應(yīng)采用不計(jì)次暫態(tài)過(guò)程的發(fā)電機(jī)模型與之對(duì)應(yīng)；當(dāng)BPA采用經(jīng)典的二階模型模擬發(fā)電機(jī)特性時(shí)，轉(zhuǎn)換中PSCAD仍采用等值電路模型。在四階模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步忽略轉(zhuǎn)子磁鏈變化的過(guò)程，使得發(fā)電機(jī)模型退化為二階模型①M(fèi)anitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.②中國(guó)電力科學(xué)研究院.中國(guó)版BPA潮流程序用戶手冊(cè).2000.③中國(guó)電力科學(xué)研究院.中國(guó)版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè).2000.，[2-3]。經(jīng)過(guò)處理后的發(fā)電機(jī)模型基本能滿足工程應(yīng)用。

2.5 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)模型

根據(jù)2種軟件提供模型的傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)工程中常用的原動(dòng)機(jī)調(diào)速器模型、勵(lì)磁模型和PSS模型的轉(zhuǎn)換，其模型轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系分別見(jiàn)表2—4①M(fèi)anitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.②中國(guó)電力科學(xué)研究院.中國(guó)版BPA潮流程序用戶手冊(cè).2000.③中國(guó)電力科學(xué)研究院.中國(guó)版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè).2000.。

此外，因?yàn)镻SCAD仿真頁(yè)面所能承載的元器件有限，在轉(zhuǎn)換大型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渎?lián)系、網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)名或區(qū)域名多頁(yè)面轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。因此，轉(zhuǎn)換大型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，根據(jù)生成樹(shù)預(yù)先計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)最大坐標(biāo)計(jì)算需要的頁(yè)面數(shù)，并按照計(jì)算坐標(biāo)把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分成不同的子塊，同一子塊內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后在同一頁(yè)面內(nèi)。頁(yè)面之間通過(guò)外部連接節(jié)點(diǎn)Xnode進(jìn)行信息的交換。

表2 原動(dòng)機(jī)調(diào)速器模型轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Model conversion of speed regulator for prime motor between BPA and PSCAD

表3 勵(lì)磁模型轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Model conversion of exciter between BPA and PSCAD

表4 PSS模型轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.4 Model conversion of PSS between BPA and PSCAD

轉(zhuǎn)換詳細(xì)的負(fù)荷模型和發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)模型，采取類似的多頁(yè)面轉(zhuǎn)換：負(fù)荷頁(yè)面內(nèi)依據(jù)BPA各種動(dòng)態(tài)負(fù)荷參數(shù)卡片，分別轉(zhuǎn)換成恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷、恒功率負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的組合；發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)頁(yè)面中，同樣根據(jù)BPA中相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)卡片，轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)模型、勵(lì)磁模型、原動(dòng)機(jī)調(diào)速器模型以及PSS模型。負(fù)荷頁(yè)面和發(fā)電機(jī)頁(yè)面都通過(guò)外部連接節(jié)點(diǎn)Xnode與外界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交換。

3 模型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性驗(yàn)證

本節(jié)將從轉(zhuǎn)換前后網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線驗(yàn)證所提模型轉(zhuǎn)換方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性是保證轉(zhuǎn)換正確的基本前提，只有在驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原網(wǎng)絡(luò)一致的前提條件下，才能驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)物理指標(biāo)與轉(zhuǎn)換前的網(wǎng)絡(luò)一致。此處采用IEEE 9節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性，轉(zhuǎn)換前后通過(guò)2種軟件繪出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D分別如圖 1（a）、（b）所示，比較可知，兩圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全一致。

圖1 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷消耗功率仿真結(jié)果Fig.1 Simulative results of nodal power consumption

3.2 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)曲線驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)某實(shí)際電網(wǎng)分別用BPA和PSCAD進(jìn)行仿真，該電網(wǎng)共有125個(gè)節(jié)點(diǎn)、159條支路。在某線路首端施加故障時(shí)間為0.1 s的三相短路擾動(dòng)，某發(fā)電機(jī)的出口電壓、勵(lì)磁電壓（標(biāo)幺值）、有功功率、無(wú)功功率分別如圖2（a）—（d）所示，某節(jié)點(diǎn)消耗的功率如圖3所示。由圖3可知，BPA和PSCAD的仿真趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了所提模型轉(zhuǎn)換方法在工程應(yīng)用中是可行的。

圖2 發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果Fig.2 Simulative results of generator

圖3 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷消耗功率仿真結(jié)果Fig.3 Simulative results of nodal power consumption

4 結(jié)論

本文分析了基于深度優(yōu)先搜索算法的BPA向PSCAD模型轉(zhuǎn)換的方法，搭建了機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)向電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換平臺(tái)，為解決缺乏大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)的難題提供了一種全新的思路。通過(guò)實(shí)例從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)在2種軟件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為驗(yàn)證了本文所提轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性。該方法已通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用到了工程實(shí)際中。