在电网中的动力学与控制的教育和研究的SimPowerSystems实施开放数据IEEE测

在电网中的动力学与控制的教育和研究的SimPowerSystems实施开放数据IEEE测试系统摘要--本文介绍了IEEE三个标准化的电力系统开发的一个基准库，MATLAB／Simulink软件。仿真模型可用于基线和测试新的控制技术和可再生能源及微电网一体化研究保护算法。分析实例，以及静态的，时域和频域分析，以支持实施的正确性。该模型可在MATLAB的中央文件中获得，是交流电力系统的世界范围内的教育和研究。关键词：IEEE标准化基准，MATLAB电力系统仿真模型库，，教育和研究一、引言互联电力系统是近几十年来最为复杂和最为复杂的基础设施。因此，教学动力系统可以是非常具有挑战性的，因为有没有简单的方法来执行实际的实验研究对象。人口增长、经济增长、气候变化、新技术的采用，和许多其他先进的主题使这项任务更为复杂的发电引入间歇性、反应性的需求，以及电力系统通信和信息之间的联系。教育工作者和研究人员现在需要证明他们的概念和发明的实际减少规模的电力系统与几个方案，以使新的解决方案，提供可靠，经济实惠，可持续的电力。实施一个真正的电力系统的想法必须首先进行彻底的调查，以防止任何不稳定的问题和灾难性后果的广泛的模拟。简单的IEEE标准的基准系统被专家认为是公平的理解，开发和部署新的解决方案，只要部件的动态行为表示无需过度简化。为了这个目标，几个编程环境，可以用于研究电力系统动力学和控制[1]。SimPowerSystems（SPS），基于MATLAB/SIMULINK软件包开发和MathWorks和水文区éBEC研究中心保持（IREQ），提供广泛的专业组件库和分析工具，模拟电力系统建模。它是世界著名的，似乎是在学术界和工业界的研究者[2]的主要研究环境。图形化的软件包允许用户轻松地创建和模拟电力系统模型，通过简单的“点击和拖动”程序。SPS是无缝集成的仿真环境，可用于与Simulink工具的设计与优化控制方案。一般来说，测试系统在本书的附录，IEEE的论文，或在特定的软件文件格式平面ASCII文件的网页，使他们很难使用和传播。作者决定提供电力系统的教学与研究中，真实的测试系统的使用越来越广泛，即数据的可获得性和开放性、易得性、可修改性和透明度，包括机电组件模型的可重用性（机、线路等）的控制（调速器，励磁系统，等）和测量（电压和电流互感器）。作者选择了在一个系统的发展，各种电力系统常用的基准测试系统在SPS，从以下流行的选择：（1）IEEE10机39节点测试系统[3]，也被称为新英格兰39节点，（2）三个地区的IEEE可靠性测试系统（RTS）1996[4]和（3）澳大利亚简化14发电机[5]。这些系统已经优先于IEEE工作组的报告[6]和完全基于相应的参考模型。SPS测试网络可以用于相模式和时域仿真模式的稳定性研究。他们也包括励磁系统管理各种模型和电力系统稳定器根据参考文献，以添加更多的选项，使用Simulink编程设施。其主要目的是利用他们的基线和测试新的控制技术，如基于控制和新的保护算法，模糊逻辑，尤其是大面积的信息为基础的方案利用PMU。测试系统也适用于可再生和微电网集成研究。该模型在Matlab中的文件交换提供，使其广泛用于电力系统的世界范围内的教育和研究。本文的第二部分与SPS包括应用组件和控制设备的相关信息，介绍了基准，第三节论述基准系统的一些实例分析以及静态，时域和频率分析，以支持其实现的正确性。II.BENCHMARKMODELS本节介绍了三个测试系统的主要特点。在建模过程中考虑的一般概念如下：1.PI剖面线块是用来表示传输线。正和零序列的电阻，电感，电容，和线的长度可以设置。2.所有负载由三相并联RLC负载PQ型（Y接地配置）自相应的参考文献要求提供有功和无功负荷数据。不同类型的连接配置和类型可供使用。3.三相变压器块用于模型的测试系统的所有变压器。双星形连接变压器和Δ-发电机变压器YG连接可以设置4.机组建模的三相同步电机在dq转子参考帧在d轴和q轴时间常数变化最适合给定的数据。5.如果应用，单质量串联复合蒸汽原动机的转速调节器，蒸汽涡轮和轴设置为模型的汽轮机调速器。6.如果应用，水轮机结合PID调节系统是用于水力发电厂。7.著名的IEEE同步机励磁电压调节器的不同类型和使用模型的励磁系统。8.配备三型电力系统稳定器（PSSPSS（PSS），三角洲欧米茄通用PSS，PSS和三角洲PA通用。图1。IEEE10机39节点测试系统。(b)1。9号电机有功功率(b)2。9号电机转速A.IEEE10机39节点测试系统（ne39bus）IEEE10机39节点测试系统是众所周知的也是新英格兰39节点（ne39bus）在一些文献。这个基准有39个总线，19个负载，发电机一个，连接到总线10和39个发电机，代表了大量的发电机聚集。它被广泛使用用于小信号稳定分析和动态稳定性分析。图1显示了模拟系统。图2.澳大利亚简化14发电机测试系统（au14gen）。澳大利亚简化基准是基于14发电机引发的南部和东部的澳大利亚电力系统。这种模式是由阿得雷德大学的研究性学习和教育的目的。澳大利亚的电力系统au14gen模型有59辆公交车，14台发电机，29负荷（见图2）。创建这个模型的目的是提供一个基准的多机电力系统的小信号分析和控制器的设计。该模型也有五静止无功补偿器（SVC）在电力系统研究FACTS装置的性能提供了机会。在这一点上，应该提到的是，涡轮机和调速器模型不包括在当前版本的阿得雷德大学。由于这个原因，一些关键的干扰，如损失的产生和损失的损失不能模拟。这个差距已经通过包括基于常用参数汽轮机及其调速系统的适宜模式填充在澳大利亚测试系统的MATLAB/SIMULINK版。基准有三个相同的区域之间通过互连（见图3A），72辆公交车，33台发电机，51负荷（在冬季高峰负荷）。一个原型区域被描绘在图3b。每个发电单元包括若干块。图3c显示机组内315。网络还包括三个同步冷凝器在公交车114、214、314。我列出了一个测试系统的概要。iii.simulation分析以下共同研究模拟显示的基准系统的能力。模拟进行相量模式。A时域分析支持解决振荡稳定性问题中的应用可以追溯到几年前。在过去的几十年中，能力PSS的性能好，已被证明在许多文献中，甚至在现实世界中的应用。因此，PSS模型是一种重要的特点在任何电力系统仿真工具的要求。在SimPowerSystems的三种不同类型的传球都被列入测试系统。图图4和5示出了在严重的情况下，新英格兰39总线的性能断层中的应用接近总线16三相故障，在t=5秒6个周期后清零，不会丢失任何设备模拟。在没有通过（否PASS），测试系统损耗后T=12秒的同步。MBPSS对本地生成单元变量的影响是，需要调查的另一个问题。图。图6示出由于其AVR参考电压小阶跃变化的情况下AU14gen发电机组BPS_2的关键变量。MBPSS在本单位的存在增加了补充的阻尼变量的振荡。在没有MBPSS的生成单元是不能够按照新的电压设定点。澳大利亚14发电机试验系统需要从多个分布式的SVC受益。负荷损失的情况进行了仿真AU14gen基准。负载405在t=10秒完全断开。图某些选定公共汽车的电压振幅。7表明SVSS的阻尼能力。关于转运站96在时域分析，在生成单元315的损失的情况下，MBPSS的性能进行了研究。图1的结果。8给电力系统稳定域MBPSS全球认可的又一坚实的理由。B.频域分析在几项研究中，频域分析是用来解释在一个范围内的频率的电力系统的性质。在这种类型的研究中，电力系统的方程被提出作为复杂的频率的函数，它提供了有用的信息，其动态行为。Matlab/Simulink控制设计具有相当强大的线性化工具。它可用于非线性模型是有效的，在操作点小面积的线性化。精确线性化的电力系统模型产生的机会，以确定几个关键规格的电力系统，以及机电模式，模式的形状，可控性和可观性。本文介绍了上述测试系统的频域分析的一些结果。图9显示，使用PSS，不稳定的模式Y轴的右侧可能变得稳定，搬迁到Y轴的左侧。图10表明，转子速度形状的G10和G8振荡对彼此意味着这本身就是一个本地模式。关于图11，所有的发电机组振动对发电机，发电机的大量聚集。换句话说，这种模式是整个电力系统之间的外部连接网络的一个跨区域模式。对于传递函数创建的缘故，在au14gen测试系统的所有发电机组和SVC的参考电压设置为输入。另一方面，该地区之间的有源功率交换被设置为输出。目标是确定的可控性和可观测性的模式（频率：0.48赫兹，阻尼：0.115）由于选定的输入/输出。图。13和12显示的结果为跨区域模式。例如，它是100%个可控与SVC位于公交507机组204和70%AVR参考电压。最后，无花果。14显示的可控性的输出，区域4和区域2之间的区域间的交流，在一个范围内的频率使用一些选定的发电机。上述的例子仅仅是电力系统的研究，可以建立和SimPowerSystems利用测试系统以加速配置和成型工艺进行了小样本。可能的应用范围从保护继电器[7-8]闭环测试，故障检测研究[9-12]，电力电子建模与仿真[13-15]，广域控制的概念证明[16]和基于PMU的微电网孤岛方案[日]设计。测试系统可以很容易地修改，以引进可再生能源发电的形式，风力或太阳能发电厂。在RTS96网络交流互联还可以通过常规的或基于模块化多电平变换多端直流输电系统培养学生在电力电子在电力系统的应用[19]取代。换句话说，在动态性能应用程序的建议测试系统的应用程序的数量是有限的，由想象的研究人员与附加的好处，这些网络是很好的初始化，可以自动线性化控制设计和调整的目的。三IEEE标准电力系统基准系统已经证明了MATLAB/Simulink的能力作为研究新的电力系统模型的理想原型平台和理解复杂控制系统。本文提出了一些典型的时域和频域分析的测试系统。所获得的仿真结果表明所开发的模型的能力和可用性。一些其他的研究已经提出。我们鼓励读者从MATLAB的中央电力系统基准系统下载并使用它们来发布新概念和方案提供可靠的，负担得起的研究，和可持续的电力。