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(dòng)化專(zhuān)業(yè)碩士研究生的主干專(zhuān)業(yè)學(xué)位課程，理論性強(qiáng)且分析方法復(fù)雜，要求較好地掌握相關(guān)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(lái)輔助“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程教學(xué)，有助于提高學(xué)生對(duì)穩(wěn)定性概念的理解，增強(qiáng)對(duì)分析方法的直觀認(rèn)識(shí)。根據(jù)課程內(nèi)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(xué)中的應(yīng)用方式。實(shí)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(xué)會(huì)運(yùn)用仿真綜合分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)暫態(tài)問(wèn)題，有助于研究經(jīng)驗(yàn)的積累。

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

基金項(xiàng)目：本文系上海電力學(xué)院2012年度校級(jí)研究生課程建設(shè)項(xiàng)目“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”（項(xiàng)目編號(hào)：YKJ-2012010）、上海高校青年教師培養(yǎng)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：Z2012-018）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G643.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化專(zhuān)業(yè)碩士研究生的主干專(zhuān)業(yè)學(xué)位課，對(duì)培養(yǎng)該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才，滿(mǎn)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(yán)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(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。[1]以1965年加拿大電力系統(tǒng)與美國(guó)東北部大停電事故為例，該事故由最初的一條線路過(guò)負(fù)荷而導(dǎo)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(dá)2500萬(wàn)kW，影響區(qū)域包括加拿大的一部分及美國(guó)東北部6個(gè)州，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。在日本和西歐，近年來(lái)也發(fā)生過(guò)由于系統(tǒng)失穩(wěn)造成的大面積停電事故。我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，長(zhǎng)距離重負(fù)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(xué)生對(duì)相關(guān)概念的深入理解，對(duì)各穩(wěn)定分析方法的掌握，并有助于研究生研究經(jīng)驗(yàn)的積累?！半娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程理論性強(qiáng)且分析方法復(fù)雜，能夠較好地掌握相關(guān)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(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，在物理模擬系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)也較為困難，因此利用軟件進(jìn)行案例分析成為最為適用的方法。本文針對(duì)“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”的課程內(nèi)容與電力系統(tǒng)分析軟件PSS/E和BPA的功能，并關(guān)注當(dāng)前研究熱點(diǎn)，如新能源的接入對(duì)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(yīng)用，供相關(guān)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(nèi)容

電力系統(tǒng)穩(wěn)定是一個(gè)整體性的問(wèn)題，依據(jù)造成系統(tǒng)失穩(wěn)的擾動(dòng)大小、物理特性和時(shí)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(guó)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》，并參考電力系統(tǒng)兩大國(guó)際組織——國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)電力工程分會(huì)（IEEE PES）與國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)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(lèi)報(bào)告，確定課程內(nèi)容包括：電力系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)學(xué)模型；電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)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(dòng)態(tài)分析的大部分內(nèi)容；在電力系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)學(xué)模型方面，介紹了同步機(jī)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)荷等的數(shù)學(xué)模型，增加了對(duì)新能源如風(fēng)電機(jī)組模型、FACTS設(shè)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(duì)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(jiǎn)介

1.PSS/E

電力系統(tǒng)仿真器（Power System Simulator/Engineering，PSS/E）是美國(guó)電力技術(shù)公司（Power Technology Inc.，PTI）于1976年推出的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的綜合性軟件。20多年來(lái)，該軟件追隨電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展不斷更新升級(jí)，現(xiàn)今已推出32版本（筆者購(gòu)買(mǎi)的版本）。由于其強(qiáng)勁的計(jì)算功能，到目前為止，世界上已有超過(guò)600家不同的公司和組織、100多個(gè)國(guó)家使用該軟件，是應(yīng)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(jī)電暫態(tài)分析計(jì)算的常見(jiàn)模塊。其最大優(yōu)點(diǎn)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(jì)算；靈活的模型自定義。它是第一個(gè)含有用戶(hù)自定義動(dòng)態(tài)模型功能的商業(yè)化程序。對(duì)模型的復(fù)雜性沒(méi)有任何限制，可以適用于暫態(tài)及“長(zhǎng)過(guò)程”穩(wěn)定計(jì)算中；用戶(hù)可參與的強(qiáng)勁的交互式計(jì)算過(guò)程控制。用戶(hù)可以根據(jù)需要隨時(shí)隨地觀測(cè)或修改仿真計(jì)算中的各變量。

利用PSS/E，可實(shí)現(xiàn)如下的分析計(jì)算功能：潮流計(jì)算、優(yōu)化潮流、短路、暫態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、負(fù)荷建模、電壓穩(wěn)定、傳送能力、甩負(fù)荷、交直流輸電、柔性電力系統(tǒng)技術(shù)、次同步諧振、損耗評(píng)價(jià)、繼電保護(hù)、串聯(lián)及并聯(lián)補(bǔ)償、靜止無(wú)功負(fù)荷器、互連運(yùn)行、低頻振蕩計(jì)算、內(nèi)過(guò)電壓、潛供電流及恢復(fù)電壓計(jì)算、三相和單相重合閘的應(yīng)用對(duì)大容量汽輪發(fā)電機(jī)的影響及其計(jì)算。

2.BPA

潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序是由電力科學(xué)研究院從美國(guó)BPA（Bonneville Power Administration）引進(jìn)的。自從1984年以來(lái)，經(jīng)過(guò)大量的消化吸收、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用工作，形成了適合我國(guó)電力系統(tǒng)計(jì)算分析要求的中國(guó)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(guó)版BPA潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序是在1990版BPA程序的基礎(chǔ)上經(jīng)不斷的完善和開(kāi)發(fā)而形成的。

在我國(guó)的國(guó)家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)公司，BPA軟件是目前應(yīng)用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件，其功能包括潮流計(jì)算、短路、暫態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、負(fù)荷建模交直流輸電、柔性電力系統(tǒng)技術(shù)等。

三、各分析軟件應(yīng)用實(shí)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(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，[4]3號(hào)母線上的常規(guī)電廠替換為等值風(fēng)電場(chǎng)，潮流計(jì)算結(jié)果在圖中標(biāo)出（有功單位：MW；無(wú)功單位：Mvar；電壓相角：度）。暫態(tài)故障設(shè)為4號(hào)母線在0.5秒時(shí)發(fā)生三相短路，160ms后清除故障。

發(fā)電機(jī)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(lì)磁系統(tǒng)采用IEEE1969推薦的穩(wěn)定研究模型，原動(dòng)機(jī)采用IEEE推薦的轉(zhuǎn)速控制的汽輪機(jī)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(lì)磁系統(tǒng)磁鏈飽和的影響表示同上面發(fā)電機(jī)所述。

常規(guī)電廠和風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)反應(yīng)的不同，為了便于比較，仿真時(shí)選擇了母線bus3的電壓、常規(guī)電廠G2或風(fēng)電場(chǎng)輸出有功及無(wú)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(yīng)曲線，圖1（b）顯示的是替代為風(fēng)電場(chǎng)后的仿真曲線。圖中采用的標(biāo)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(fù)振蕩，經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間約7.5s后才衰減穩(wěn)定。而對(duì)于采用風(fēng)電場(chǎng)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(guò)程較快。仿真表明本算例中風(fēng)電場(chǎng)的加入加強(qiáng)了整個(gè)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(guò)程中，在講授暫態(tài)穩(wěn)定性概念與分析方法理論基礎(chǔ)后，通過(guò)采用PSS/E對(duì)上述算例的時(shí)域仿真分析，有助于研究生對(duì)系統(tǒng)建模，包括常規(guī)發(fā)電機(jī)與新能源風(fēng)電機(jī)組建模的理解，了解暫態(tài)時(shí)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(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行線路N-1分析。算例系統(tǒng)中的A地區(qū)要進(jìn)行遠(yuǎn)期的電網(wǎng)規(guī)劃將有大量的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)，其局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2中1節(jié)點(diǎn)是一個(gè)升壓站將風(fēng)電場(chǎng)的電壓升至220KV送入電網(wǎng)。對(duì)應(yīng)的2、3節(jié)點(diǎn)間的傳輸線路是承載風(fēng)電輸送的主要線路。

在進(jìn)行系統(tǒng)線路或者變壓器N-1分析時(shí)主要是研究母線電壓的情況以及對(duì)系統(tǒng)頻率的影響。對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入的系統(tǒng)更要觀察風(fēng)電接入點(diǎn)的電壓和頻率變化情況。在此進(jìn)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(jìn)行線路的N-1分析。首先是先對(duì)距離風(fēng)電供應(yīng)遠(yuǎn)的但帶有火電廠的線路進(jìn)行N-1分析，檢測(cè)相應(yīng)母線的電壓以及風(fēng)電接入點(diǎn)的頻率偏差。

對(duì)線路8-9進(jìn)行N-1分析，其仿真的結(jié)果如圖3所示。由圖3與正常情況下的仿真結(jié)果相比較，可以不難看出對(duì)于非主要承載風(fēng)電運(yùn)輸任務(wù)的線路，即使周?chē)嬖谥鴤鹘y(tǒng)發(fā)電廠進(jìn)行N-1時(shí)也不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓以及頻率構(gòu)成較大影響。

四、結(jié)語(yǔ)

采用電力系統(tǒng)分析軟件進(jìn)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(luò)，增加新能源等發(fā)電設(shè)備，配置輔助控制設(shè)備改善穩(wěn)定，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。實(shí)踐教學(xué)表明，電力系統(tǒng)分析軟件對(duì)“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程學(xué)習(xí)與相關(guān)科研能力的提升具有重要作用。

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（責(zé)任編輯：王意琴）