【正文】 題。若能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全國電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)甚至是超實(shí)時(shí)仿真，就能為在線預(yù)決策和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行無疑是一個(gè)巨大的保證，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。由于機(jī)電暫態(tài)仿真的計(jì)算量非常大，依據(jù)現(xiàn)有的條件，要對(duì)全國聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真目前還無法實(shí)現(xiàn)。而隨著并行處理技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是可擴(kuò)展、高性價(jià)比的 PC 集群系統(tǒng)的出現(xiàn)，使這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性越來越大 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 4 2 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容和方法 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容 （電磁和機(jī)電暫態(tài)）分析，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性及提高措施的研究 MATLAB 的仿真工具 simulink 及 power system 工具箱 MATLAB 電力系統(tǒng)仿真程序 psb 構(gòu)建模型 研究方法 研究 暫態(tài)穩(wěn)定的方法有許多種，下面簡(jiǎn)單介紹其中幾種。 （ 1）時(shí)域仿真判定法 時(shí)域法是將電力系統(tǒng)各元件模型根據(jù)元 件拓?fù)潢P(guān)系形成全系統(tǒng)模型，這是一組聯(lián)立的微分方程組和代數(shù)方程組，然后以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初值，求擾動(dòng)下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和代數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機(jī)功角值大于某一特定閥值來判別系統(tǒng)能否在大擾動(dòng)后維持暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。 （ 2）能量函數(shù)判定法 暫態(tài)能量函數(shù)法的理論基礎(chǔ)是李亞普洛夫穩(wěn)定性定理，因此也稱為擬李亞普洛夫直接法 (簡(jiǎn)稱直接法 )。該方法是通過比較擾動(dòng)結(jié)束時(shí)暫態(tài)能量函數(shù)值與系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)的暫態(tài)能量值來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的。 （ 3）擴(kuò)展等面積（ EEAC）判定法 等面積法則從理論 上較為完美地解決了單機(jī)－無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定評(píng)估問題，因此人們投入了大量的研究將其應(yīng)用于多機(jī)系統(tǒng)中，其中以我國薛禹勝院士提出的擴(kuò)展等面積法最為著名。擴(kuò)展等面積法的基本思想是：在給定故障擾動(dòng)下系統(tǒng)的機(jī)組分為臨界機(jī)組和非臨界機(jī)組兩群，基于軌跡聚合和保穩(wěn)變換，分別對(duì)這兩群機(jī)組用等值機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)等效，進(jìn)而又等值為單機(jī)－無窮大系統(tǒng)，從而可利用等面積法則評(píng)估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 （ 4）人工智能判定法 人工智能方法可進(jìn)行非模型的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定判別，具有在線計(jì)算速度快、容易生成決策用的啟發(fā)規(guī)則等優(yōu)點(diǎn)，因此與傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定 分析方法構(gòu)成了良好的互補(bǔ)。目前，人工智能方法主要有：模式識(shí)別、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)法。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 5 提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的方法 由于大擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額，即加速功率是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。因此，提高暫態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)從減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的不平衡功率、減小轉(zhuǎn)子相對(duì)加速以及減少轉(zhuǎn)子相對(duì)動(dòng)能變化量等方面著手。根據(jù)這種原則，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要有： 1） 自動(dòng)重合閘裝置：重合閘成功就可以增加減速面積，從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。 圖 21 自動(dòng)重合閘對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響 2） 快速切除故障： 減輕電氣設(shè)備因短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)等不良影響，而且加快切除故障可以減小切除角，這樣既減小了加速面積，有增大了減速面積，對(duì)于提高暫態(tài)穩(wěn)定起著決定作用。應(yīng)該指出的是， 切除故障時(shí)間是繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間和開關(guān)接到跳閘脈沖到觸頭分開后電弧熄滅為止的時(shí)間總和。 圖 22 快速切除故障對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響 3） 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小阻抗接地： 電壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地只對(duì)接地短路起作用。原因是短路時(shí)零序電流通過接地電阻時(shí)消耗有功功率，其中的一部分由發(fā)電機(jī)來負(fù)擔(dān)，因而使發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率 增加，從而減小了加速功率，提高暫態(tài)穩(wěn)定。 4）發(fā)電機(jī)采用電氣制動(dòng)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 6 在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，有控制地在發(fā)電機(jī)端投入電阻負(fù)荷，則可以增加發(fā)電機(jī)的電磁功率，產(chǎn)生制動(dòng)作用從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。 圖 23 電氣制動(dòng)接線圖 圖 24 電氣制動(dòng)功角特性圖 研究設(shè)計(jì)的內(nèi)容 應(yīng)用 MATLAB 仿真進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的主要步驟是： （ 1） 建立系統(tǒng)模型 ： 建立的是單機(jī)無窮大系統(tǒng) （ SIMB） 。 單機(jī) — 無窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段 ，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡(jiǎn)單、最基本的的運(yùn)行方式，即對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行近似處理，以簡(jiǎn)化模型，更有利于得出結(jié)論，簡(jiǎn)化計(jì)算過程。 圖 25 無輸電線的單機(jī) — 無窮大系統(tǒng)原理圖 假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，則由發(fā)電機(jī)向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的 P 為： P sinmUZE ??? 式中 Z? — 包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗； ? — 功角； mE — 發(fā)電機(jī)電勢(shì)； U — 系統(tǒng)母線電壓。 由圖 1 可得 MATLAB 單機(jī)無窮大仿真模型可能用 到的模塊： PSB 電力系統(tǒng)工具箱： 1） Electrical Sources 中的 ThreePhase Source（ 三相電源 ） 模塊 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 7 2） Elements 中的 ThreePhase Parallel RLC Load（ 三相負(fù)載 RLC并聯(lián) ） 模塊 用來仿真輸電線路， 和 Ground（ 交流接地 ） 模塊 ， ThreePhase Fault （ 三相故障整流器 ）模塊 用來仿真短路故障 ， ThreePhase Transformer（ Two Windings）（ 三相變壓器繞組 ）模塊 用來仿真變壓器， 3） Machines 里 Synchronous Machine pu Standad（ 標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī) ） 模塊用來仿真同步發(fā)電機(jī) （ 2）設(shè)置仿真參數(shù) （ 3）進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真 增加提高暫態(tài)穩(wěn)定的模型，分別進(jìn)行快速切除故障，變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，改變強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，記錄結(jié)果。 （ 4）結(jié)果分析 仿真之后，分析所得的圖形。從電壓圖、轉(zhuǎn)速圖和功角圖著手分析是否能夠提高暫態(tài)穩(wěn)定。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 8 3 電力系統(tǒng)常用仿真簡(jiǎn)介 常用的電力系統(tǒng)仿真軟件 目前常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有： （ 1） 邦納維爾電力局開發(fā)的 BPA 程序和 EMTP 程序； （ 2） 曼尼托巴高壓 直流輸電研究中心考法的 PSCAD/EMTDC 程序； （ 3） 德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件 NETOMAC； （ 4） 中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序 PSASP。 （ 5） Math Works 公司開發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件 MATLAB。 以上各個(gè)電力系統(tǒng)仿真軟件的結(jié)構(gòu)和功能不同，它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有所側(cè)重。 EMTP 主要用來進(jìn)行電磁暫態(tài)過程數(shù)字仿真， PSCAD/EMTDC、 NETOMAC 主要用來進(jìn)行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真， BPA、 PSASP 主要用來進(jìn)行潮流和機(jī)電暫態(tài)數(shù)字仿真。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是美國 MATH WORK 公司 1984 年開始推出的一種簡(jiǎn)潔的工程計(jì)算語言，它是以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到一個(gè)交互的工作環(huán)境中。 Simulink 是在 MATLAB 環(huán)境下用于動(dòng)態(tài)建模和仿真應(yīng)用最廣泛的軟件包之一，意思是仿真鏈接。該軟件有兩個(gè)特別明顯的功能：仿真與鏈接。也就是說，可以直接利用鼠標(biāo)在模型窗口中劃出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的功能來對(duì)控制系統(tǒng)直接進(jìn)行模擬，很明顯，這種所發(fā)是的一個(gè)原本很復(fù)雜的系統(tǒng)變得相當(dāng)容易輸入。 SimPowerSystems 庫是 SIMULINK 下面的一個(gè)專用模塊庫，是在 SIMULINK 環(huán)境下進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。 SimPowerSystems 庫提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動(dòng)將仿真系統(tǒng)圖變化為狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在 SIMULINK 下進(jìn)行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計(jì)算提供了強(qiáng)有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為突出。 PSB（ Power System Blocket）是一個(gè)圖編輯器，在 Simulink 環(huán)境下能建立系統(tǒng)原理并進(jìn)行 仿真計(jì)算。 PSB 庫提供了電力系統(tǒng)仿真通用的原件和裝置，包括 RLC 支路和負(fù)載、變壓器、傳輸線、避雷器、電機(jī)、電力電子裝置等。只需通過點(diǎn)擊和拖放 PSB 庫內(nèi)的模型即可建立用戶所需要的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 9 電力系統(tǒng)仿真原理圖，并利用模型元件的對(duì)話框來設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使用 Simulink 提供的示波器模型，可現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)果及其波形。 MATLAB 保存圖形 （ 1） 模型圖的保存 模型圖建立完后，點(diǎn)擊 Edit,出現(xiàn)下拉菜單，選擇 Copy Model To Clipboard,就將模型圖復(fù)制成功了，在建立的文檔中粘貼即可。 （ 2） 波形圖的保存 運(yùn)行之 后，打開 scope，得到圖形，在 matlab 指令窗口輸入： set(0,39。ShowHiddenHandles39。,39。on39。) set(gcf,39。menubar39。,39。figure39。) 然后按下回車，則在 scope 窗口會(huì)出現(xiàn)菜單欄。點(diǎn)擊 Edit,選擇下拉菜單中的 Axes Properties,即可修改圖形的背景顏色和波形的顏色等其它屬性：選擇下拉菜單中的Copy Figure,即把整個(gè)波形圖和坐標(biāo)復(fù)制成功，只需在建立的文檔中粘貼即可。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 10 4 基于 SIMULINK 的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真 單機(jī) 無窮大系統(tǒng)的建模 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理圖如圖 41. G T S 圖 41 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理圖 根據(jù)圖 5