仿真軟件輔助“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程教學研究

邊曉燕 楊立寧 符楊 楊昆

摘要：“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”是電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士研究生的主干專業(yè)學位課程，理論性強且分析方法復雜，要求較好地掌握相關概念和分析方法，難度較大。采用電力系統(tǒng)分析軟件，如PSS/E和BPA，來輔助“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程教學，有助于提高學生對穩(wěn)定性概念的理解，增強對分析方法的直觀認識。根據(jù)課程內容與仿真軟件功能，以舉例的形式介紹了PSS/E和BPA在課堂教學中的應用方式。實踐表明，電力研究生利用電力系統(tǒng)仿真軟件，可以較好地理解各種穩(wěn)定性的基本理論，學會運用仿真綜合分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)暫態(tài)問題，有助于研究經(jīng)驗的積累。

關鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定；電力系統(tǒng)分析軟件；PSS/E；暫態(tài)穩(wěn)定

作者簡介：邊曉燕（1976-），女，吉林雙遼人，上海電力學院電氣工程學院，副教授；楊立寧（1988-），男，河北石家莊人，上海電力學院電氣工程學院碩士研究生。（上海 200090）

基金項目：本文系上海電力學院2012年度校級研究生課程建設項目“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”（項目編號：YKJ-2012010）、上海高校青年教師培養(yǎng)計劃（項目編號：Z2012-018）的研究成果。

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0057-03

“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”作為電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士研究生的主干專業(yè)學位課，對培養(yǎng)該領域專業(yè)人才，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。電力系統(tǒng)由于失去穩(wěn)定造成的破壞是電網(wǎng)中最為嚴重的事故之一，尤其是電力系統(tǒng)的失穩(wěn)事故引起的大面積停電，常常給國民經(jīng)濟造成重大損失。[1]以1965年加拿大電力系統(tǒng)與美國東北部大停電事故為例，該事故由最初的一條線路過負荷而導致鄰近線路相繼跳閘，最后發(fā)展成為全系統(tǒng)的失穩(wěn)事故，停電功率達2500萬kW，影響區(qū)域包括加拿大的一部分及美國東北部6個州，造成巨大經(jīng)濟損失。在日本和西歐，近年來也發(fā)生過由于系統(tǒng)失穩(wěn)造成的大面積停電事故。我國電網(wǎng)結構相對薄弱，長距離重負荷輸電線路較多，由于失去穩(wěn)定造成的事故較為頻繁。

為提高“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程的授課效果，采用電力系統(tǒng)分析軟件有助于學生對相關概念的深入理解，對各穩(wěn)定分析方法的掌握，并有助于研究生研究經(jīng)驗的積累?！半娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程理論性強且分析方法復雜，能夠較好地掌握相關概念和分析方法的難度較大。為提高課堂效果可采用案例分析的方法，但不可能在實際系統(tǒng)進行試驗，在物理模擬系統(tǒng)上實現(xiàn)也較為困難，因此利用軟件進行案例分析成為最為適用的方法。本文針對“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”的課程內容與電力系統(tǒng)分析軟件PSS/E和BPA的功能，并關注當前研究熱點，如新能源的接入對穩(wěn)定的影響，介紹電力系統(tǒng)分析軟件PSS/E和BPA在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析研究方面的應用，供相關教師參考與探討。

一、“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程的主要內容

電力系統(tǒng)穩(wěn)定是一個整體性的問題，依據(jù)造成系統(tǒng)失穩(wěn)的擾動大小、物理特性和時間尺度的不同，系統(tǒng)失穩(wěn)可表現(xiàn)為多種不同的形式。本課程依據(jù)我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》，并參考電力系統(tǒng)兩大國際組織——國際電氣與電子工程師學會電力工程分會（IEEE PES）與國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）聯(lián)合工作組于2004年給出的電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義及分類報告，確定課程內容包括：電力系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和數(shù)學模型；電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程分析；電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性包括電力系統(tǒng)小干擾功角穩(wěn)定性與暫態(tài)功角穩(wěn)定性分析；電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析；電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析以及電力系統(tǒng)次同步諧振分析。[2，3]該課程包含了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)分析的大部分內容；在電力系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和數(shù)學模型方面，介紹了同步機、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、原動機及調速系統(tǒng)、負荷等的數(shù)學模型，增加了對新能源如風電機組模型、FACTS設備模型等的講解；在穩(wěn)定性分析方面，介紹了傳統(tǒng)的功角穩(wěn)定性的定義與經(jīng)典分析方法，增加了對電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定的分析。

二、電力系統(tǒng)分析軟件簡介

1.PSS/E

電力系統(tǒng)仿真器（Power System Simulator/Engineering，PSS/E）是美國電力技術公司（Power Technology Inc.，PTI）于1976年推出的電力系統(tǒng)仿真計算的綜合性軟件。20多年來，該軟件追隨電力系統(tǒng)技術的發(fā)展不斷更新升級，現(xiàn)今已推出32版本（筆者購買的版本）。由于其強勁的計算功能，到目前為止，世界上已有超過600家不同的公司和組織、100多個國家使用該軟件，是應用最為廣泛的電力系統(tǒng)分析程序。

PSS/E包含了電力系統(tǒng)機電暫態(tài)分析計算的常見模塊。其最大優(yōu)點在于：所允許的仿真規(guī)模非常大，利于超大規(guī)模系統(tǒng)計算；靈活的模型自定義。它是第一個含有用戶自定義動態(tài)模型功能的商業(yè)化程序。對模型的復雜性沒有任何限制，可以適用于暫態(tài)及“長過程”穩(wěn)定計算中；用戶可參與的強勁的交互式計算過程控制。用戶可以根據(jù)需要隨時隨地觀測或修改仿真計算中的各變量。

利用PSS/E，可實現(xiàn)如下的分析計算功能：潮流計算、優(yōu)化潮流、短路、暫態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定、負荷建模、電壓穩(wěn)定、傳送能力、甩負荷、交直流輸電、柔性電力系統(tǒng)技術、次同步諧振、損耗評價、繼電保護、串聯(lián)及并聯(lián)補償、靜止無功負荷器、互連運行、低頻振蕩計算、內過電壓、潛供電流及恢復電壓計算、三相和單相重合閘的應用對大容量汽輪發(fā)電機的影響及其計算。

2.BPA

潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序是由電力科學研究院從美國BPA（Bonneville Power Administration）引進的。自從1984年以來，經(jīng)過大量的消化吸收、開發(fā)創(chuàng)新和推廣應用工作，形成了適合我國電力系統(tǒng)計算分析要求的中國版BPA電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定分析程序。目前的中國版BPA潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序是在1990版BPA程序的基礎上經(jīng)不斷的完善和開發(fā)而形成的。

在我國的國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)公司，BPA軟件是目前應用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件，其功能包括潮流計算、短路、暫態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定、負荷建模交直流輸電、柔性電力系統(tǒng)技術等。

三、各分析軟件應用實例

1.基于PSS/E的考慮新能源接入電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真案例

仿真用系統(tǒng)采用經(jīng)典的IEEE三機九節(jié)點系統(tǒng)，[4]3號母線上的常規(guī)電廠替換為等值風電場，潮流計算結果在圖中標出（有功單位：MW；無功單位：Mvar；電壓相角：度）。暫態(tài)故障設為4號母線在0.5秒時發(fā)生三相短路，160ms后清除故障。

發(fā)電機G1和G2采用六階模型并考慮磁鏈飽和的影響，所用電力系統(tǒng)仿真軟件PSS/E中采用飽和參數(shù)S表示。勵磁系統(tǒng)采用IEEE1969推薦的穩(wěn)定研究模型，原動機采用IEEE推薦的轉速控制的汽輪機一般模型。各模型參數(shù)在表1中給出，G1和G2有相同的參數(shù)，勵磁系統(tǒng)磁鏈飽和的影響表示同上面發(fā)電機所述。

常規(guī)電廠和風電場暫態(tài)反應的不同，為了便于比較，仿真時選擇了母線bus3的電壓、常規(guī)電廠G2或風電場輸出有功及無功做為觀察變量。圖1（a）顯示的是常規(guī)電廠電網(wǎng)故障暫態(tài)反應曲線，圖1（b）顯示的是替代為風電場后的仿真曲線。圖中采用的標幺制，功率的基值為100MVA，電壓是以3.3kv為基值的。

從圖1可以看出，常規(guī)電廠電網(wǎng)故障后有功輸出的振蕩幅度很大且反復振蕩，經(jīng)歷較長時間約7.5s后才衰減穩(wěn)定。而對于采用風電場替代常規(guī)電廠的電網(wǎng)，故障后有功輸出振蕩幅度較小，衰減過程較快。仿真表明本算例中風電場的加入加強了整個電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

在“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”授課過程中，在講授暫態(tài)穩(wěn)定性概念與分析方法理論基礎后，通過采用PSS/E對上述算例的時域仿真分析，有助于研究生對系統(tǒng)建模，包括常規(guī)發(fā)電機與新能源風電機組建模的理解，了解暫態(tài)時域仿真的基本方法。

2.基于BPA的電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性分析

本文采用BPA軟件針對實際系統(tǒng)進行線路N-1分析。算例系統(tǒng)中的A地區(qū)要進行遠期的電網(wǎng)規(guī)劃將有大量的風電場接入系統(tǒng)，其局部電網(wǎng)結構圖如圖2所示：

圖2中1節(jié)點是一個升壓站將風電場的電壓升至220KV送入電網(wǎng)。對應的2、3節(jié)點間的傳輸線路是承載風電輸送的主要線路。

在進行系統(tǒng)線路或者變壓器N-1分析時主要是研究母線電壓的情況以及對系統(tǒng)頻率的影響。對于大規(guī)模風電場接入的系統(tǒng)更要觀察風電接入點的電壓和頻率變化情況。在此進行線路N-1分析的線路為8-9。由圖2所示線路2-3以及8-9都為雙回供電線路，由此可以進行線路的N-1分析。首先是先對距離風電供應遠的但帶有火電廠的線路進行N-1分析，檢測相應母線的電壓以及風電接入點的頻率偏差。

對線路8-9進行N-1分析，其仿真的結果如圖3所示。由圖3與正常情況下的仿真結果相比較，可以不難看出對于非主要承載風電運輸任務的線路，即使周圍存在著傳統(tǒng)發(fā)電廠進行N-1時也不會對節(jié)點電壓以及頻率構成較大影響。

四、結語

采用電力系統(tǒng)分析軟件進行穩(wěn)定性仿真能夠有助于研究生更好地理解各種穩(wěn)定性概念與分析方法，利用軟件搭建任意電力系統(tǒng)網(wǎng)絡，增加新能源等發(fā)電設備，配置輔助控制設備改善穩(wěn)定，可激發(fā)學生的學習主動性和創(chuàng)造性。實踐教學表明，電力系統(tǒng)分析軟件對“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程學習與相關科研能力的提升具有重要作用。

參考文獻：

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[2]Prabha Kundur.Power system stability and control[M].北京：中國電力出版社，2001.

[3]倪以信，陳壽孫，張寶霖，等.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論與分析[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]邊曉燕，李廣躍，楊建，等.基于PSS/E的風電系統(tǒng)暫態(tài)仿真研究[J].華東電力，2012，40（8）：1337-1340.

（責任編輯：王意琴）