电力系统仿真技术.ppt

电力系统仿真技术,武汉大学电气工程学院 曹玉胜,电力系统仿真概述 动态模拟仿真技术 数模混合仿真技术 全数字仿真技术 机电暂态仿真软件 电磁暂态仿真软件 电力电子仿真工具 配电网的仿真软件,内容,电力系统仿真概述 现代电力系统是集发电、输电、配电和用电为一体的复杂非线性网络系统。对其物理本质的研究涉及到短至1s到长至1h的动态过程。为了保证实际运行的电力系统的安全稳定性，不便采用在线物理试验的方法对电力系统的动态行为进行研究。目前主要利用电力系统仿真软件离线计算的方法对电力系统及装置的动态行为进行仿真研究。 电力系统的仿真技术主要有三大类，即电力系统动态模拟仿真技术、电力系统数模混合式仿真技术以及电力系统全数字仿真技术。,电力仿真的时间尺度,10-7,10-5,10-3,10-1,101,103,105,Timescale (seconds),1 cycle,1 sec,1 min,1 hr,1 day,Imbalance, harmonics, inter-harmonics, notching, noise,Voltage fluctuations,Frequency variations,Electromagnetic transient modeling and simulation,二.动态模拟仿真技术 电力系统动态模拟仿真技术采用物理仿真，其原理是用比原型系统在规格上缩减一定比例的方法建立物理模型系统，通过在物理模型上做试验代替在实际系统中的试验。 20世纪60年代以前，电力系统仿真主要采用这种全物理的动态模拟装置。 其优点是可以较真实的反映被研究系统的全动态过程，现象直观明了，物理意义明确； 缺点是仿真的规模受实验室设备和场地限制，而且每一次不同类型的试验都要重新进行电气接线，耗力耗时，另外，可扩展性和兼容性差。,动模实验室,三.数模混合仿真技术 计算机和数值计算技术的飞速发展，使得电力系统数字仿真技术得到了迅速地发展。电力系统数字仿真包括全数字仿真和电力系统数模混合仿真。 电力系统数模混合仿真是仿真的时间刻度与真实物理时间进度严格同步的实时物理仿真。这样可以把仿真与现实物理系统对接起来，把纯软件仿真嵌入到真实世界中，成为在实时仿真器中运行的“虚拟电网”。 混合仿真的优点在于综合了数字仿真和物理仿真优势，能够较真实地模拟一些系统电气元件，准确地反映系统的动态过程，缺点是接口环节多、试验接线工作量大和仿真规模受限。,电力系统实时仿真器主要有：ADPSS、ARENE、DDRTS、HYPERSIM、RTDS、RT-LAB、dSPACE。 RTDS全称为实时数字仿真仪，由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，是最早设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。加拿大魁北克水电研究所的TEQSIM公司开发了电力系统实时仿真系统（HYPERSIM），主要用于电力系统电磁暂态仿真，其核心软件是EMTP程序。法国电力公司（EDF）开发的ANENE实时仿真系统，其核心软件也是EMTP。由殷图科技发展有限公司、东北电力调度通信中心和清华大学联合研制、开发的数字动态实时仿真系统（简称DDRTS），是国内自主研发的实时数字仿真系统。中国电力科学研究院开发了世界上首套可模拟大规模电力系统（1000台机、10000个节点）的全数字实时仿真装置ADPSS，大规模电力系统的实时数字仿真也得以实现。,ADPSS实时仿真装置,四.全数字仿真技术 随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度的增加，采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到限制。全数字仿真系统内所有元件都采用数字仿真模型。由于其具有不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证被研究和试验系统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统性能的预测等优点，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。 全数字仿真系统主要使用各类离线数字仿真软件实现，也能以电力系统实时仿真器纯数值计算的方式实现。,主要分类 根据需要研究的动态过程的作用时间长短，电力系统暂态过程分为机电暂态过程、电磁暂态过程和中长期动态过程仿真 。 根据仿真研究的对象，分为输电网和配电网仿真。 根据对元件描述的精细程度，分为集总元件仿真和分布参数电磁场仿真。,机电暂态仿真工具： PSS/E 、 PSASP 、BPA 、Simpow、Eurostag、PowerWorld Simulator、POWERTECH DSA、CYME、NEPLAN、ETMSP 电磁暂态仿真工具： EMTP/ATP、PSCAD/EMTDC 、EmtpE 混合仿真工具： NETOMAC、DIgSILENT、SimPowerSystems 电磁场仿真工具： ANSOFT、ANSYS、CDEGS、Infolytica、IES 电力电子仿真工具: PLECS、PSIM 、SABER、Caspoc 配电网仿真工具: ETAP 、EDSA/DesignBase、 PSS/SINCAL、 PSS/ADEPT 实时物理仿真工具: ADPSS、ARENE、DDRTS 、 HYPERSIM、RTDS、RT-LAB、dSPACE 不同软件仿真的适用范围并无严格定义，通常情况下同样的问题可以选用多种不同的软件进行分析研究, 但选取适合的软件工具能够减少不必要的工作量。红色标注了使用频率高的软件。,4.1 机电暂态仿真软件,机电暂态过程的仿真，主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。 电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积分法、改进尤拉法、龙格-库塔法等，其中隐式梯形积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应用。代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分方程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。 目前，国内常用的机电暂态仿真程序是电力系统综合程序(PSASP)和中国版BPA电力系统分析程序。国际上常用的有美国PTI公司的PSSE、美国EPRI的ETMSP、ABB的SIMPOW程序、德国西门子的NETOMAC、德国Powerfactory的DIgSILENT。,4.1.1 PSS/E PSS/E是美国PTI电力技术咨询公司专门为输电系统分析而设计的综合仿真软件包，是世界电力工业最广泛应用的电力系统分析软件之一，用来研究电力传输系统和发电机的稳态和动态功能，能处理潮流计算、故障分析、网络等值、动态仿真和安全运行优化等问题。 PSS/E由于其高度模块化的结构使得它能完成很多功能，同时它还鼓励工程人员在标准的计算程序不能满足要求时，可以引入自己的子程序来解决特定的问题。PSS/E具有强大的计算能力，目前PSS/E33版本处理的电力网络的最大规模为15万条母线、30万条线路、30万个负荷以及3.3万台发电机。 PSS/E提供了丰富的文档和培训来帮助使用者理解其丰富的功能：在线帮助文档多达9000多页，另外还有大量的辅助教程可供参考；每年在世界各地举办培训班、研讨会，交流用户使用经验。,PSS/E操作界面,PSS/E仿真规模,PSS/E仿真规模,PSS/E参考文档,C:Program Files PTIPSSE33DOCS,PSSE33 WECC UsersGUIguide TMLC SavedCase ReleaseNotes Reference PSSPLT PSSExpress PSSEAPI POM PAG PAG-V2 PAG-V1 ModelLibrary GUIDEtoPP LineProp IPLAN Installation Compatibility CLI CheatSheets,PSS/E功能结构图,PSS/E OPF 简介 PSS/E OPF（用于电力系统工程的仿真器的优化潮流）是个功能强大，使用方便的电力网络分析工具。它突破了常规的潮流分析，为用户提供了全面优化和调整输电系统运行的能力。PSS/E OPF完全嵌入在PSS/E的潮流程序中，使得这种优化和调整更为容易。 PSS/E OPF把职能融入潮流求解过程中，大大提高了分析电力系统性能的效率。常规的潮流依赖于工程师系统地研究各个解后才能找到一个满意的“良好”解，而PSS/E OPF直接改变各种控制从而迅速地确定“最优”解。几乎对于任何一个合理的初始点，OPF肯定能求得唯一的全局最优解，并同时满足系统约束，使成本减少到最小或使系统性能最佳。 PSS/E OPF提供经过特殊设计的使用简单的图形断面。该断面可以帮助迅速定义和建立即使是最为复 杂的电力系统优化问题。PSS/E OPF完全集成在PSS/E的潮流程序中，可以直接从PSS/E获得所有必要的潮流数据模型，并在每次一个优化潮流求解过程完成后立即自动更新这些潮流数据。因此，这个过程非常有效。优化潮流的数据编辑器可以方便地用来输入和修改所有的约束和控制变量。整个过程的操作是通过一组完整的视窗构成的现代图形断面进行的。程序的每一个功能都可以从驱动菜单中选择。,PSS/E OPF 简介 PSS/E OPF除了能够进行通常的优化分析外（比如使运行费用减到最小），还适用于解决与当今电力市场环境更密切相关的许多问题，这包括： 运行费用减到最小（Minimizing operating costs）； 无功规划（Reactive power scheduling）； 电压崩溃分析（Voltage collapse analysis）； 输送能力分析（Transfer capability investigation）； 基于地点的边际电价分析（Location based marginal cost assessment）； 随时需要的辅助服务费用分析（Ancillary service opportunity cost assessment）； 建立用作对系统影响评估的常规潮流（Impact assessment base case development）。,PSS/E OPF 简介 PSS/E OPF可以提供的目标函数为（可以同时满足一个或多个目标）： 使燃料费用减到最小（Minimize fuel costs）； 使平衡母线发电机有功出力减到最小（Minimize active power slack generation）； 使平衡母线发电机无功出力减到最小（Minimize reactive power slack generation）； 使有功损耗减到最小（Minimize active power loss）； 使无功损耗减到最小（Minimize reactive power loss）； 使支路电抗调整量减到最小（Minimize adjustable branch reactance）； 使母校并联电容调整量减到最小（Minimize adjustable bus shunts）； 使母线负荷调整量减到最小（Minimize adjustable bus loads）； 使断面潮流减到最小（Minimize interface flows）； 使断面有功潮流传输最大（Maximize interface active power transfer）。,PSS/E OPF 简介 PSS/E OPF允许用户任意选择上述目标函数的组合，只要点击图形断面上的功能键就可容易实现。 优化潮流问题的陈述是通过将目标函数与任意数目的约束和控制结合起来而形成的，这些约束和控制可以是： 母线电压幅值限制（Bus voltage magnitude limits）； 支路潮流限制（有功、无功、视在功率、电流）（Branch flow limits (MW, MVar, MVA, Ampere)）； 断面潮流限制（有功、无功）（Interface flow limits (MW, MVar)）； 发电机无功容量限制（Generator reactive power capability limits）； 发电周期备用限制（Generation period reserve limits）； 发电机有功限制（Generator active power limits）； 母线并联电容调整量的限制（Adjustable bus shunt limits）； 支路电抗调整量的限制（Adjustable branch reactance limits）； 母线负荷调整量的限制（Adjustable load limits）。,4.1.2 PSASP 电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package）简称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。 开发历史： 自1973年开始开发 1973-1980 早期的机器指令版 1980-1986 大中型机 FORTRAN 语言版 1986-1995 微机 DOS 版 1995至今 微机 Windows 版 全国各省市、香港地区电力规划设计、生产调度运行、科研教育等超过400家用户 ，应用于多项大型电力系统工程计算分析 ，应用于多所大学作为科研和教学的有力工具 。1985年荣获首届国家科技进步一等奖。,PSASP功能简介 主要包括如下模块：,PSASP图模一体化平台 PSASP潮流计算模块（LF） PSASP暂态稳定计算模块（ST） PSASP短路计算模块（SC） PSASP最优潮流和无功优化计算模块（OPF） PSASP静态安全分析模块（SA） PSASP网损分析模块（NL） PSASP静态和动态等值计算模块（EQ） PSASP用户自定义模型和程序接口模块（UD/UPI） PSASP直接法稳定计算模块（DST） PSASP小干扰稳定分析模块（SST） PSASP电压稳定分析模块（VST） PSASP继电保护整定计算模块（RPS） PSASP线性/非线性参数优化模块（LPO/NPO） PSASP谐波分析模块（HMA） PSASP分布式离线计算平台 PSASP电网风险评估系统 PSASP暂态稳定极限自动求解程序 PSASP负荷电流防冰融冰辅助决策系统,PSASP功能结构,PSASP操作界面,4.1.3 PSD-BPA PSD-BPA是一个大型电力系统分析软件包，是中国电力科学研究院系统所电力系统分析软件包的统一标志，简称PSD 软件或PSD 程序，PSD 是电力系统研究所的英文缩写，PSD 软件主体由下述程序组成： （1） PSD-BPA 潮流及暂态稳定程序（原中国版BPA 程序）； （2） PSD-PSDB 电网计算数据库系统； （3） EMTPE 电力电子与电磁暂态仿真程序； （4） PSD-FDS 电力系统全过程动态仿真程序； （5） PSD-SCCP 电力系统短路电流计算程序； （6） PSD-DEQU 电力系统动态等值程序； （7） PSD-SSAP 电力系统小干扰稳定性分析程序； （8） PSD-OPF 无功优化程序； （9） PSD-VSAP 电压稳定分析程序； （10）PSD-NET 电力系统快速分布式统一计算平台 （11）PSD 软件辅助分析工具系统： PSD-PCS 电力系统数字平台； PSD-Clique 地理接线图格式潮流图绘制程序； PSD-Joy 单线图格式潮流图绘制程序； PSD-CurveMaker 曲线绘制工具； PSD 数据编辑器（PSD-PSAW 系统分析集成平台、PSD-TextEdit）,PSD 总体框图,PSD-BPA 结构示意图,PSD-PSAW系统分析集成平台,4.1.4 DSATools 加拿大Powertech Labs Inc.的电力系统安全分析软件包(DSAToolsTM)是分析研究现代大规模互联电力系统的理想工具。从最基本的潮流短路分析，电网电压水平，元件热过载计算到复杂电力系统暂态稳定，中短期动态稳定，小干扰稳定与电压稳定分析，直至各种电力系统控制器和稳控装置的设计，调制等，DSATools 可以满足现代电网规划，运行以及控制等各方面的要求。 先进的仿真计算技术与强大的模型解算能力，赋予DSATools 具有分析研究当今世界任何规模互联电网的能力。强大的用户图形界面和计算结果分析处理功能更使得DSATools的运行操作以及研究报告的制作轻松，容易。,DSATools组成模块 Powertech的电力系统动态安全综合分析软件包DSATools 目前包括下列功能模块： 潮流及短路分析程序PSAT (Powerflow 用户自定义模型图形编辑器(UDM Editor)； 电力系统稳定器PSS设计及整定(CDT)； 在线动态安全分析平台(DSA Manager)。,DSAToolsTM主要应用领域 电力系统中长期规划 电源（包括新能源）接入分析 电力系统运行方式分析 电力系统在线安全分析，包括系统安全稳定预警，调度辅助决策，稳控系统决策表在线更新及验证等 风电等新能源的实时安全运行分析 特殊稳控问题的分析 各类电力设备的建模及分析 各种控制器及稳控措施设计及分析 事故的仿真复现及分析 科研及教学,在线动态安全分析（On-Line DSA）,DSA操作界面,4.2 电磁暂态仿真软件,电磁暂态过程数字仿真是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态过程仿真必须考虑输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以及一系列元件(避雷器、变压器、电抗器等)的非线性特性。因此，电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数或微分、偏微分方程。一般采用的数值积分方法为隐式积分法。 由于电磁暂态仿真不仅要求对电力系统的动态元件采用详细的非线性模型，还要计及网络的暂态过程，也需采用微分方程描述，使得电磁暂态仿真程序的仿真规模受到了限制。一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值化简。 电磁暂态仿真程序目前普遍采用的是电磁暂态程序(electromagnetic transients program，简称为EMTP)，1987年以来，EMTP的版本更新工作在多国合作的基础上继续发展，中国电力科学研究院(简称电科院)在EMTP的基础上开发了EMTPE。具有与EMTP相似功能的程序还有加拿大Manitoba直流研究中心的EMTDCPSCAD、加拿大哥伦比亚大学的MicroTran、德国西门子的NETOMAC等。,4.2.1 EMTP-RV简介 历史背景。 EMTP在二十世纪六十年代后期由 Hermann Dommel 博士开发，然后将其带到了 BPA（Bonneville Power Administration）。1973年，Hermann Dommel 博士离开BPA前往UBC（University of British Columbia ）。自此，EMTP的两种版本开始形成。一是UBC版，主要用于模型开发；一是BPA版，成为业界标准工具。 BPA版是BPA的 Scott Meyer 博士和 Tsu-huei Liu 博士以及北美电力业许多工作人员的共同努力的成果。为了使软件的开发更加合理以吸收更多资金，DCG（EMTP Development Coordination Group）于1984年成立。随着DCG的成立，EMTP的开发团体发生了一系列变化。 1986年，出于意识形态上的分歧，Scott Meyer 博士离开DCG开发并发布一个EMTP的独立版本ATP（Alternative Transients Program）。它是免费的，并由使用者自行开发维护。 1989年，UBC进一步开发了EMTP的原始版本，并以MicroTran的品牌名称出售。 1998年，DCG在Hydro-Qubec的支持下，开始重写EMTP程序，并于2003年推出重构的版本EMTP-RV。,EMTPWorks操作界面,Reference in transients simulation Solution for large networks Provide detailed modeling of the network component including control, linear and non-linear elements Open architecture coding that allows users customization and implementation of sophisticated models New steady-state solution with harmonics New three-phase load-flow Automatic initialization from steady-state solution New capability for solving detailed semiconductor models Simultaneous switching options for power electronics applications,EMTP-RV key features:,EMTP-RV Applications:,Lightning surges Switching surges Temporary overvoltages Insulation coordination Power electronics and FACTS General control system design Power Quality issues Capacitor bank switching Series and shunt resonances,Ferroresonance Motor starting Steady-State analysis of unbalanced system Distribution networks and Distributed generation Power system dynamic and load modeling Subsynchronous resonance and shaft stresses Power system protection issues,EMTPWorks的基本原理 EMTP-RV使用面向对象的编程模式，根据所处理对象的不同分为 EMTP-RV 核心数据处理引擎、EMTPWorks图形化编辑界面和ScopeView可视化数据处理程序三个不同的部分。,EMTP-RV组织结构图,EMTPWorks提供给用户一个图形化的建模环境，它将使用者用图形模块搭建的系统模型转换为EMTP-RV计算引擎可识别的网络表*.NET 文件。 EMTP-RV计算引擎则根据读入的网络表*.NET文件，分析网络拓扑结构，解析元器件模型，构成系统计算矩阵并按给定的条件进行仿真，最后将仿真结果写入二进制的数据文件*.mda和相关ASCII文本绘图文件*.m。 可视化数据处理程序ScopeView对EMTP-RV计算引擎输出的数据做进一步的加工处理，最终以多组彩色曲线图的形式显示仿真结果。 这三个组成部分为用户提供了一个完善的集成开发环境，同时，各部分又有其相对独立的不同特征。,EMTPWorks为创建复杂电网络模型提供了一个直观且功能强大的图形化编辑界面。它支持以拖放（Drag and Drop）方式添加电气元件；元件连接可选单相或三相信号连线的方式；元件和信号均被视为具有属性的对象，可随时对其特征属性进行编辑；内置的符号编辑器可用于编辑元件的图形标识。EMTPWorks提供无限层次子网络的封装功能：用户可将一部分子电路封装起来，用特定的符号表示，并以子模块嵌套的方式构建大规模的电网络模型。对于常用的电气设备模型，EMTPWorks提供了丰富的元件库可供选择，并能按照用户需要对库中的元件进行修改；EMTPWorks提供自定义元件编辑功能，可以方便地对现有元件库进行扩展。,EMTP-RV 核心计算引擎使用最新Fortran-95标准编写，具有非常快的运算速度和较高的存储器利用率。新的网络方程稀疏矩阵表述形式使它可以处理巨型网络，消除了对网络拓扑结构的限制，并提供对插件模型的接口功能；非线性模型求解方法的改进极大提高了计算收敛速度，同时消除对网络拓扑的限制。对同一网络模型，它提供频域、时域、稳态和统计分析四种可选计算模式；还能够自动初始化稳态求解过程，并可提供稳态模型的谐波求解。其开放的体系结构允许用户使用自定义的复杂模型，并对现有的专用工具箱进行扩展。,ScopeView可视化数据处理程序能够对Matlab、Comtrade和EMTP-RV格式的数据文件进行处理。它提供了基本的图形缩放、叠印、多列和多页图形显示功能；能够动态跟踪显示光标所在处数据值，显示节选图形区域内的最大值、最小值、均值和有效值。内建的函数编辑器可以对数据进行后处理，实现从简单的加减乘除类算术运算到复杂的离散傅立叶变换、谐波分析等函数功能。支持线性和指数形式的坐标轴表示，并能方便地使用属性页编辑显示曲线的标题、坐标轴标签、显示线型和图例等属性。能够将当前显示模式和数据处理过程保存为模版，方便今后载入对多组数据进行处理。支持Windows剪贴板功能，能够将图形拷贝到其他程序进行处理；并可使用Matlab binary、Comtrade、pdf、jpg、png、eps等多种图形格式导出显示数据，供其他程序进一步进行处理。,主要元件和模型库 EMTP-RV的元件分为内置元件、内置封装组件和用户自定义元件三大类型。 内置元件是由 EMTP-RV支持的基本功能模块，它们具有独立的数学模型并可直接被EMTP识别 。 内置封装组件是由EMTP-RV内置元件相互连接组成的子功能模块封装后形成的，它们提供了常用设备的模型表示。 用户自定义元件是用户根据自己的需要用内置元件自行搭建的模型，或是直接通过动态连接库DLL提供的用户功能模块。,advanced.clf：提供包括STATCOM、SVC、可变负荷模型等一系列电力电子设备模型 。 RLC branches.clf：提供电阻R、电容C、电感L和它们相互组合而成一系列RLC电力设备。 control.clf：包含比较器、增益、延迟、积分、微分、采样、保持、加法器等基本控制元件的元件库。 control functions.clf：提供了对常用控制算法的支持，包含PI、PID、PWM、PLL等控制算法实现。 control of machies.clf：这是包含多种励磁调节器和调速器在内的设备库。 flip flops.clf：各种D、J-K、S-R和T触发器模型库。 hvdc.clf：收集了常用的6脉冲和12脉冲触发高压直流应用的控制信号发生装置。 lines.clf：各种传输线和电缆模型的集合。 machines.clf：包含同步机、异步机、直流电机、永磁电机、双相感应电机在内的电机模型库。,meters.clf：集合了各种电压、电流和控制信号输出测量元件。 meters periodic.clf：用于测量电压、电流有效值和有功、无功输出等周期量的元件集合。 nonlinear.clf：提供了SiC和ZnO避雷器、时变电阻、非线性电阻和电感等非线性元件。 phasors.clf：提供极坐标系的加减乘除、旋转、坐标变换等矢量运算功能。 sources.clf：各种交直流标准电流源、电压源和脉冲电流源、电压源模型库。 switches.clf：包含断路器、放电间隙、二极管、晶闸管等类型的开关元件库。 transformations.clf：Park变换、谐波分析等常用数学变换库。 transformers.clf：包含多种类型和不同连接方式的电力变压器模型。,仿真实例 EMTP Examples。,4.2.2 PSCAD Dennis Woodford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/EMTDC在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程(包括电磁和机电两个系统)。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态的模拟工具。后者是用稳态解去描述电路(即电磁过程)。但是在解电机的机械动态(即转动惯量)微分方程。PSCAD/EMTDC的结果是作为时间的即时值被求解。但通过内置的转换器和测量功能(象实有效值表计，或者快速傅里叶变换频谱分析等)。这些结果能被转换为矢量的幅值和相角。,应用范围 研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压。它也能模拟变压器的非线性(即饱和)这一决定性因素。 多运行工具(Multiple run facilities)经常用来进行数以百计的模拟从而在下 列不同情况下发生故障时最坏的情况。故障发生在波形的不同位置，故障的类型不同，故障点不同。 在电力系统中找出由于雷击发生的过电压。这种模拟必须用非常小的时间步长来进行。(毫微秒级) 研究电力系统由于SVC，高压直流接入，STATCOM，机械驱动(事实上任何电力电子装置)所引起的谐波。这里需要详细的可控硅，GTO，IGBT，二极管等的模型以及相关的控制系统模型(模拟量的和数字量的二种类型)。 对给定的扰动，找出避雷中最大能量。 调整和设计控制系统以达到最好的性能；多重运行工具常被用来同时自动调整增益和时间常数。 当一个大型涡轮发电机系统与串联补偿的线路或电力电子设备互相作用时，研究次同步谐振的影响。 STATCOM或电压源转换器的建模，(以及它们相关控制的详细建模)。 研究SVC HVDC和其它非线性设备之间的相互作用； 研究在谐波谐振，控制，交互作用等引起的不稳定性； 研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响； 绝缘配合； 各种类型可变速装置的研究，包括双向离子变频器，运输和船舶装置； 工业系统的研究，包括补偿控制，驱动，电炉，滤波器等； 对孤立负荷的供电；,PSCAD 操作界面,PSCAD X4新特性,New File Formats: The extensions are now *.pslx and *.pscx for library and case projects respectively. Component definition file extensions have been changed from *.cmp to *.psdx. Upwards Compatibility: PSCAD X4 supports the import of *.psc and *.psl file formats that have been generated by PSCAD v4.1 or v4.2 only. Downwards Compatibility: The PSCAD X4 release is not backwards compatible. That is, X4 format project files (*.pscx and *.pslx) cannot be converted back to *.psc or *.psl format. New Look and Feel: Ribbon Control Bar: The ribbon control bar is featured prominently across the top of the application environment. Tabbed Document Interface (TDI): A modern working environment including customizable docked windows and window pinning and hiding has been added. New Component Wizard: New components (both native and module), transmission lines and cables may be created from this utility. New Search (Query) Utility: Functioning internally in a similar manner to the older version, the new utility possesses a different interface on the surface. Temporary Directories: The old temporary directory (*.emt) naming convention is obsolete. A unique temporary directory is now created depending on the Fortran compiler used to build the project The temporary directory extensions are as follows: GFortran: *.gf42 Compaq Visual Fortran 6: *.cf6 Intel Visual Fortran 9 to 11: *.if9 Intel Visual Fortran Composer XE 2011: *.if12 Active Project Concept is Obsolete: In previous versions of the software it was necessary to set an active project for compiling and running the simulations. Due to recent changes in the way the software navigates and displays status information, the concept of an active project is no longer necessary. It is now possible to run multiple cases in the environment simultaneously. All ribbon control buttons and status bar messages are based on the project currently in focus,4.3 电磁场仿真工具,与使用集总元件常规电力系统仿真软件不同，电磁场仿真工具通过建立元件的分布参数模型，采用有限元法求解特定尺寸形状的器件的电场、磁场、热场的2维/3维瞬态分布。 使用电磁场仿真工具，可以精细模拟发电机、变压器、高压开关、接地网等器件的精确电磁瞬态过程，为提高设备转换效率、减小电磁干扰提供设计依据。缺点是需要求解场方程，计算时间很长，对计算机的配置要求高。 常用电磁场仿真工具主要有ANSOFT、ANSYS、CDEGS、Infolytica、IES。,4.3.1 CDEGS CDEGS软件包(Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis)(电流分布、电磁场、接地、土壤结构分析)是一套功能强大的集成软件工具，用来精确分析接地、电磁场、电磁干扰（包括降低交流/直流干扰、阴极保护和阳极床分析）等问题。 CDEGS可计算由埋设或地面以上的带电导体组成的任意网络结构在正常、故障、闪电等暂态条件下的电流和电磁场。CDEGS能模拟简单导体和复合导体，如裸线、有涂层的管道或者埋设在复杂土壤结构中的管装电光缆系统。CDEGS可以提供从简单的接地网络设计到由闪电等引发的埋设系统或地面系统的复杂问题的解决方案。 CDEGS具有功能强大的作图工具，可以和AutoCAD等支持DXF文件的软件交换作图数据。因此数据输入对CDEGS用户并不是一件冗长乏味之过程。,应用范围 土壤阻抗分析和土壤结构分析。 任意土壤结构，任意频率和暂态下的接地分析。 架空和埋设的导体线路或者复杂的管装电缆结构的参数计算。 正常负荷、故障和暂态状态的电流分布（中性线或屏敝线等）。 复杂埋设网络的阴极保护分析。 共用走廊中的感应、传导和电容干扰。 任意带电导体网络（变电站、传输和配电线路、工厂等）产生的电磁场的频域分析和时域分析。,组成模块 RESAP: 土壤电阻率分析和土壤结构分析 MALT: 任意土壤结构的低频接地分析 MALZ: 任意土壤结构的频域接地分析; 复杂埋设网络的阴极保护分析 TRALIN: 架空和埋设的导体线路或复杂的管装电缆结构的参数计算 SPLITS: 负载和故障电流分布; 共用走廊中的感应和电容干扰 HIFREQ: 任意带电导体网络产生的电磁场的频域分析 FFTSES: 快速付里叶变换；和HIFREQ、 MALZ 或SPLITS一起可用于时域分析 FCDIST: 故障电流分布 SESCAD- 绘图实用程序，以绘图方式生成各种导体网络。 GRSERVER- 具有输入处理能力的高级图形和报告输出处理器。 GRAREP- 用于显示和打印已有图形、报告或文本文件的处理器。 GRSplits- 电网线路绘图处理器。用于显示SPLITS和FCDIST工程模块输入/输出文件所表示的电路模型。 Ampacity- 电流容量计算实用程序。计算导体的电流容量，最小导体截面和故障短路过程的导体温升。 SESBatch- 批处理实用程序。 CAD输入/输出 - DXF输入/输出工具。用来与其它基于CAD的软件，如AutoCAD、MicroStation等，进行数据交换/转换。 SESGSE- 简易的和快速的接地系统估算程序。 SESPlot - 用于生成图形的简单绘图工具。,CDEGS界面,4.4 电力电子仿真工具,随着电力电子器件以及相关控制技术的发展完善，利用电力电子装置对电能实施变换，改进电力系统运行性能的方法逐步得到推广应用。 HVDC和FACTS是电力电子技术在电力系统中的典型应用。 电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域，重点研究使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。 常用电力电子仿真软件有PSIM，PLECS，SABER等，能够完成从器件到装置再到回路的仿真过程，甚至还能提供器件的热分析。,4.4.1 PLECS简介 PLECS是一个运行于Simulink环境下的工具箱，适用于电气系统的仿真。当被仿真的系统既含有电路部分，又含有复杂的控制方案时，PLECS提供了一个简便的仿真手段 。 PLECS工具箱扩充了Simulink的功能，使我们可以在Simulink的环境中以网络表的形式建立电路部分的模型。建模后的电路模型将以子系统的形式呈现在Simulink中。系统中控制部分的建模可以通过调用Simulink中的各种工具箱来完成。,PLECS工具箱运行的基本原理 PLECS工具箱的算法是基于状态空间的。当电路中只包含线性元件时，从数学的角度，这个电路就可以用相应的微分方程来描述。,主要元件和模型库 PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。 内建元件包括:电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件。 库元件则主要有:IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。 用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。,PLECS界面,4.5 配电网仿真软件,为了适应工厂自动化、铁路牵引站、城市电力供给等复杂配电网负荷的发展，开发出多种综合仿真工具，如ETAP、EDSA、SINCAL、ADEPT等。其特点是能够对配电网多种复杂类型的负荷进行仿真，满足用户对供电可靠性和电能质量等方面的需求。,4.5.1 ETAP ETAP是用于发电、配电和工业电力系统设计、模拟、运行的最全面的分析平台。ETAP是在既定的质量保证程序下开发的，也是世界上最有影响力的电力软件之一。作为完全集成化的企业解决方案，ETAP扩展为实时智能电力管理系统，用来监测、控制、模拟系统运行，使系统自动化和最优化。 ETAP软件是世界上功能最全面的电力系统分析平台。拥有超过100个国家50000多个许可证持有者的ETAP，已被应用于电力系统的各个阶段，从发电，到输电和配电到使用。在美国，85%以上的核电站使用ETAP，ETAP是美国唯一可用于高危险行业的电气工程软件，它广泛地遵守了已经公认的和稳固确定的质量标准和规范。,功能模块,内嵌的分析模块 电缆载流量 电缆尺寸 传输线常数 导体和接地线库 内置结构：水平、垂直等 通用模型：X、Y、Z坐标 多线路相互耦合 相和序阻抗矩阵 换相和非换相线路 短线路、长线路模型 多层土壤模型 计算或用户定义阻抗,单线图 嵌入的智能化图形 网络嵌套 集成的单相、三相和直流系统 集成的交流、直流和接地系统 多个发电机和等效电网接线 在单线图上显示结果 自定义字体、式样和颜色 自定义显示额定值和结果 图形化显示设备接地 图形化显示过载设备和报警 隐藏和显示保护设备和接地系统 带有状态和电压颜色控制的主题管理器 单线图模板 传递标称电压和额定电压 传递相连接方式 用动态连通性检查自动显示带电和不带电元件 动态链接到特性的文本编辑器 智能化文本箱和超链接书签 通过水晶报告自定义输出报告 视图控制打印设置的批打印 友好的绘图界面,报告管理器 定制的输出报告和画图 输入、结果、报警和总结报告 通过水晶报告阅读器报告 PDF、Word、Access和Excel 格式的报告 元件名称和文本搜索功能 多种语言报告,功能模块,系统元件 不受限制的交流（单相和三相）和直流元件 不受限制的母线：在运行时根据许可证决定 嵌套的视图（复合网络和电动机控制中心） 等效电网、同步和感应发电机 电动机驱动阀门、同步和感应电动机 励磁器、调速器和稳定器 基于电压和频率的等效负荷 电缆、传输线、电抗器和阻抗支路 带电压调节器的双绕组和三绕组变压器 远程连接器 谐波滤波器和静态无功补偿器 互感器 保护设备和仪表 单向和双向开关 蓄电池、直流电动机、负荷和支路 充电器、逆变器、不间断电源和直流变换器 ANSI、IEC或带旋转和多种尺寸的用户自定义元件,数据库 全面的数据库： ANSI & IEC设备 经检验和验证(V&V)的数据库数据 经校验和验证(V&V)的锁定数据 添加、复制、合并和删除功能 用户自定义和控制的数据库 用户访问控制和安全 有日期标记的编辑和核对 用户可控的数据库合并 工程管理向导 方案和宏管理的分析 根据分析设置记录方案 宏控制的方案执行 多维数据 正交多维数据库 不受限制的独立的图形化视图 不受限制的状态配置 不受限制的特性的修订版本 多种负荷和发电条件 实时运行数据 不受限制的分析解决方案,配置管理器 列表和控制不同状态的配置 比较电源、负荷和开关设备状态 以核对员功能标记变化的数据 复制、合并、导出、导入和打印,功能模块,输出报告比较器 内置输出报告比较工具 一次计算中可以比较数百种案例报告 与基准报告对比校验案例结果 网络模拟 不受限制的母线（根据许可证类型）和元件 环形和放射系统 自动错误检查 所有网络分析模块的用户界面 定制的ETAP功能特性 多级用户访问管理 内嵌计算器 MVA、MW、Mvar、kV、Amp和PF之间的换算 电动机铭牌和动态参数数据 发电机铭牌 电网短路阻抗 电动机和发电机惯量 数据交换 导出WMF/EMF/DXF/PDF文件 导入RAW/IEEE/CSV文件 以DXF格式导出单线图 从AutoCAD导入接地网平面图,短路计算 1) 短路计算 -ANSI/IEEE ANSI/IEEE C37标准 IEEE141和399标准 UL489标准 与保护设备配合相结合 三相、单相和配电板系统的自动设备评估 发电机断路器评估 相移变压器 负荷终端短路计算 2) 短路计算 -IEC IEC标准（60909、60282、60781、60947） 暂态故障分析（IEC 61363标准） 与保护设备配合相结合 三相、单相和配电板系统的自动设备评估 用户自定义电压C因子 负荷终端短路计算,功能模块,弧闪分析 IEEE 1584a 2004标准 IEEE 1584 2002标准 NFPA 70E 2000、2004和2009标准 CSA Z462 2008标准 ASTM D 120-02a标准 OSHA 29 CFR 1910标准 NEC 110.6标准 NESC标准 嵌入短路计算 嵌入保护设备配合 密封和开放空间 报告和标签生成 维护模式切换 继电器动作 负荷终端故障 配电板和单相系统 多报告结果分析器 工作许可和数据表格,潮流分析 潮流 需求负荷 电压降 功率因数校正 自动设备评估 自动温度校正 双绕组和三绕组变压器LTC/校正器动作 有功和无功损耗 详尽的越限报警 多报告结果分析器 电动机加速分析 动态电动机加速 电压扰动 电动机和负荷动态模型 静态电动机起动 电动机分组起动 常规的和软起动设备 负荷和发电跃迁 电动机驱动阀门模拟 全面的报警和警告,保护设备配合、选择和动作序列 1) 配合和选择 交流、直流配合 图形化调整设备设置 全面的设备库（经校验和验证的） 嵌入短路分析 嵌入电动机加速分析 集成单线图 多轴的时间电流曲线 全面的画图选项 可调节的视图缩放功能 时间差值计算器 多功能继电器 设备设置报告 2) 动作序列 图形化查看设备的动作序列 保护设备失败和后备保护动作 顺序查看器 标准的（可移动的）曲线 电流总和 继电器动作（27,49,50,51,51V,59,67,79,87）,暂态稳定 完整的同步和感应电机模型 全面的励磁系统模型 全面的涡轮调速器模型 PSS系统模型 GE、Westinghouse和solar燃气涡轮机 用户自定义的动态模型(UDM) 无限制的事件和动作 典型和普通的扰动与操作 基于继电器设置的自动动作 短时间和长时间模拟 可变的总的模拟时间和模拟步长 三相和单相接地故障动作 自动同期检测操作 内嵌牛顿拉夫逊法初始潮流,功能模块,保护设备配合、选择和动作序列 1) 配合和选择 交流、直流配合 图形化调整设备设置 全面的设备库（经校验和验证的） 嵌入短路分析 嵌入电动机加速分析 集成单线图 多轴的时间电流曲线 全面的画图选项 可调节的视图缩放功能 时间差值计算器 多功能继电器 设备设置报告 2) 动作序列 图形化查看设备的动作序列 保护设备失败和后备保护动作 顺序查看器 标准的（可移动的）曲线 电流总和 继电器动作（27,49,50,51,51V,59,67,79,87）,暂态稳定 完整的同步和感应电机模型 全面的励磁系统模型 全面的涡轮调速器模型 PSS系统模型 GE、Westinghouse和solar燃气涡轮机 用户自定义的动态模型(UDM) 无限制的事件和动作 典型和普通的扰动与操作 基于继电器设置的自动动作