仿真技术及其应用

仿真技术及其应用第一章仿真技术概述仿真技术的泛化定义：是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。电力系统仿真是通过建立适当的数学模型来模拟实际系统的一种研究方法。为了保证电力系统安全、优质、经济的运行，在规划、分析和研究电力系统时必须确切完整地考察实际电力系统的特性。由于电力系统仿真不受原有系统规模和结构复杂性的限制，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。为了对电力系统仿真工具有一个系统的了解，下面以电力系统应用比较广泛的几个仿真工具为例，介绍其历史、主要功能以及各自特点。1.1仿真工具介绍1.1.1离线仿真软件电力系统离线仿真是指在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真过程研究，其仿真速度与实际系统的动态过程不同。电力系统的离线仿真分析，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真，中长期动态过程仿真及发电机组的轴系扭振等。当今比较流行的电力系统仿真软件¨。有：加拿大H．W．Dommel教授创立的电力系统电磁暂态计算程序(EMTP)、德国西门子公司开发的NETOMAC软件、美国电力技术公司(PTI)开发的由西门子公司收购了的PSS／E、Mathworks公司开发的MATLAB中所包含的(PSB)工具箱、中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序(PSASP)等。2，1EMrP／ATPEMTP(ElectromagneticTransientsProgram)是加拿大H．W．Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，具有分析功能多、元件模型全等优点。对于电网的稳态和暂态都可作仿真分析，它的典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。EMTP是世界范围内通用的电力系统仿真软件，其计算速度快、结果准确度高、功能强大，几乎可以为任意复杂电力网络进行模拟，ATP(TheAhemativeTransientsProgram)是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP程序正式诞生于1984年，主要由Drs．W．ScottMeyer和Tsu—hueiLiu完成的。ATP还配备有灵活、功能强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATP．Draw。获得ATP，表面上不要费用，但必须买他们的使用手册及相关资料并要写保证书(不做商业目的)，才能给你口令，从网上下载。主要功能：雷电过电压研究；操作过电压和故障；系统过电压研究；接地等现象的快速暂态分析；设备建模；电机启动过程动态仿真；轴系扭振分析；铁磁共振现象的研究；电力电子设备的研究；STATCOM、SVC、UPFC、TCSC模型谐波分析等。2．2PSAPACPSAPAC由美国EPRI开发，是一个全面分析电力系统静态和动态性能的软件工具。主要功能：网络化简与系统的动态等值，保留需要的节点；模拟静态负荷模型和动态负荷模型；快速计算电力潮流和各种负荷、事故及发电调度的输电线的传输极限；直接法稳定分析提供了计算稳定裕度的方法；时域仿真用来模拟大型电力系统受到扰动后的长期动态过程；评价大型复杂电力系统的电压稳定性，给出接近于电压不稳定的信息和不稳定机理；分析大型电力系统暂态和中期稳定性时域仿真；局部电厂模式振荡和站间模式振荡的分析等。2．3EMTDC／PSCADDennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。主要功能：研究系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压；研究包含复杂非线性元件的大型电力系统进行三相的精确模拟；进行电力系统时域或频域计算仿真；电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算；实现高压直流输电、FACTS控制器的设计等。2．4NETOMACNETOMAC是德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。该软件元件模型全，仿真频带宽。主要功能：潮流计算、暂态计算、参数辨识和优化、频率响应、动态稳定性分析、面向模块的仿真语言等。2．5PSS／EPSS／E(PowerSystemSimulator／Engineering)是美国电力技术公司(PowerTechnologyInc．，P11)于1976年推出的电力系统仿真计算的综合性软件，2004年西门子公司收购了PSS／E，是目前国际上使用最广泛的电力系统仿真软件之一。到目前为止，世界上已有100多个国家使用该软件。PSS／E包含了电力系统机电暂态分析计算的常见模块。其最大优点在于：(1)所允许的仿真规模非常大，利于超大规模系统计算。(2)灵活的模型自定义。它是第一个含有用户自定义动态模型功能的商业化程序。对模型的复杂性没有任何限制，可以适用于暂态及“长过程”稳定计算中。(3)用户可参与的强劲的交互式计算过程控制。用户可以根据需要随时随地观测或修改仿真计算中的各变量。主要功能：潮流计算；优化潮流；短路；暂态及动态稳定；负荷建模；电压稳定；传送能力；甩负荷；交直流输电；柔性电力系统技术；次同步谐振；损耗评价；继电保护；串联及并联补偿；静止无功负荷器；互连运行；低频振荡计算；内过电压；潜供电流及恢复电压计算；三相和单相重合闸的应用对大容量汽轮发电机的影响及其计算等。2．6PSASP电力系统分析综合程序(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage，PSASP)是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，它具有我国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包。PSASP是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案的重要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施的有效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助手；是高等院校用于教学和研究的软件设施。PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析，能够对交直流混合电力系统固定模型库和用户自定义模型库支持，提供用户程序接口，实现与用户程序联合运行，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出。主要功能：潮流、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全分析、静态和动态等值、直接法暂态稳定、小干扰稳定、最优潮流和无功优化、参数优化协调、继电保护整定与仿真等。2．7PSBMATLAB中PSB(PowerSystemBloekset)提供了丰富的电力及电气系统元件模型，在Simulink运行环境下，用户只需应用鼠标拖放的方式将所需电气元件的模块添加到模型编辑窗口，并将它们连接起来，就可以快速地组建仿真模型，从而实现电力系统的仿真计算。PSB可以对复杂的控制方法进行仿真，如神经网络、模糊控制、鲁棒特性等，而且界面相当友好，有在线帮助等功能，但其适宜于对规模不大的电力系统进行仿真分析，特别是涉及到复杂的控制算法和精细的仿真要求时；而在大型电力系统仿真中，其计算速度比其它软件要慢，没有太多优势。2．8EnPETAP由美国OTI公司(OperationTechnologyInc)开发，最初的版本于1983年发行。ETAP在美国确立了电力系统设计和分析软件的标准，也是全美第一个特许提供给核电站进行电力系统分析的商用软件。经过多年的开发与完善，ETAP已具备智能建模、多维数据管理模式、砷输人表达方式、统一数据库、虚拟现实操作、无限复合网络嵌套及电机嵌套、集成全面的电力和物理数据库以及大量工程数据库、用户自定义动态模型等特点。用ETAP可以制作电力系统单线图、阻抗图、继电保护图、分析计算图、配电柜接线图等100多种不同的图形。主要功能：潮流计算、短路计算、继电保护配合、弧闪分析、谐波分析、电机参数估计、电缆拉力分析、接地网设计、低压配电系统的设计、电机启动暂态稳定分析、优化潮流、不平衡潮流、可靠性分析、补偿电容器最佳位置选择、传输线的弧垂、张力以及容量计算等。2．9DIgSILENT电力系统仿真软件DIgSILENT的名称来源于数字仿真和电网计算程序(DigitalSimulationandElectri．calNetwork)，最早的开发始于1976年。自1993年开始，DIgSILENT开始全面引人面向对象编程技术和数据库概念，并对算法和元件模型进行了较大改进，允许用户在单一的数据库中创建详尽的电力系统元件模型(包括稳态、时域、频域等计算用的一系列参数)，不需再像一些电力系统分析软件那样采用不同的软件包进行相应类型的电力系统仿真计算(例如输电、配电、发电或工业应用)。DIgSILENT是一个历经工程实用的高度集成化的电力系统仿真软件。随着电力系统的飞速发展，FACTS等电力电子装置的逐步使用，超大规模交直流混合电网的出现以及电力市场的实施，给设计人员和工程人员都提出了更高的要求，学习、掌握和借鉴DIgSILENT中的优点对于促进电力系统的规划、运行、分析和研究都有一定的意义。3电力系统实时仿真工具一些复杂的动力学系统如电力系统，通常由许多具有不同功能和运动特性的子系统组成。当对它们进行实时仿真时，常常复杂的动力学系统一部分子系统由实物组成，另一部分子系统由数学模型代替，并通过在计算机上建立实时数值仿真模型来实现。由它们组成一个完整的实时数值仿真模型，并按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一个步骤。3．1RTDS在2O世纪90年代初，随着商业化高速数字信号处理器(DSP)的问世，加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司率先推出国际上第一台电力系统实时仿真系统(RTDS)，RTDS的核心软件是EMTDC，图形界面是PSCAD。RTDS模拟电磁暂态过程的原理与算法和著名的EMTP扩充了直流功能的EMTDC相同，也就是EMTDC的实时化，是一套用来完成对电力系统电磁暂态过程进行全数字模拟的计算机装置。3．2DTS1976年美国Latimer首先提出调度员培训仿真器的概念。1978年，美国电力科学研究院组织了电力系统调度员培训模拟的研讨会，会上由美国CDC等三家公司介绍了他们的数字模拟器。其后DTS的研制生产以前所未有的速度进行。美国、日本等国家和地区的电力公司先后安装了D。我国东北电网、华北电网和华东电网也于9O年代初期相继建立了DTSl】¨。事实证明，DTS对培训调度人员起到了非常重要的作用。目前，调度员培训模拟装置正日益成为提高电网运行水平及事故处理能力的有力工具。1.2仿真技术在本专业的应用1.4本课程的主要内容本课程主要1.5课程考核方式课程安排按照课程表，共48学时，分12次课程，每次4节课。每次课程安排两节理论课和两节上机实操课。考核平时考勤20分，平时作业（以上机的形式）20分，期末考试60分。第二章MATLAB的简单编程2.1MATLAB的工作环境（电力系统的Matlabsimulink仿真与应用）2.1.1matlab程序主界面2.1.2文本编辑窗口2.2MATLAB语言的基本元素2.2.1变量2.2.2赋值语句2.2.3矩阵及其元素的表示2.3矩阵的MATLAB运算2.3.1矩阵的代数运算2.3.2矩阵的关系运算2.3.3矩阵的逻辑运算2.4MATLAB程序的流程控制2.4.1循环控制结构2.4.2条件转移结构2.5M文件的编写2.5.1命令文件2.5.2函数文件第三章MATLAB在数值分析方面的