電力系統常用仿真軟體
一．背景介紹
電力系統是一個大規模、時變的複雜的人造系統, 穩定的電力系統在國民經濟中具有及其重要的作用。隨著經濟發展和時代的進步，電網的發展速度也越來越快，電網運行的任務變得越來越複雜，區域互聯越來越多，設備的複雜性增加，經濟、環境和安全等很多方面的問題都必須引起相關的重視，越來越多的電網運行接近極限。電力系統軟體仿真已成為電力系統研究、規劃和設計的重要手段。因此比較電力系統仿真軟體的各種功能特性對於提高研究、設計的效率和可行性有十分重要的意義。
電力系統的仿真可以分為電磁暫態仿真、機電暫態仿真和中長期動態仿真。到目前為止，還沒有一種完全能被大家接受的電力系統仿真軟體，要想得到一個大家能接受的仿真結果，最好的辦法是用多種仿真軟體對同一系統進行仿真，並對它們的結果比較，最後做一個統計分析。 到目前為止世界上各國的電力系統仿真軟體都有自己的優點，然而從國外引進一些先進的、實用的仿真軟體都有自己的數據格式，這些仿真軟體的數據是不能通用的，但它們都是基於電力系統的物理模型，有很多的共同屬性，能夠讓幾種軟體之間數據格式、代數模型等進行轉換，對於科研人員更有價值。
現階段常用電力系統仿真軟體主要用來進行潮流計算、電磁暫態仿真、機電暫態仿真等。國內外常用的電磁暫態仿真程式有EMTP（Electro-Magnetic Transient Program），加拿大Manitoba直流研究中心的pscad/EM TDC、中國電力科學研究院的EMTPE和德國西門子公司的NETOMAC等；國內外常用的機電暫態仿真程式有中國版BPA電力系統分析程式、中國電科院的電力系統綜合程式PSASP、美國PTI公司的PSS/E、美國電科院的ETMSP、ABB公司的SIMPOW等。
一下主要對電力系統機電暫態仿真軟體BPA、PSS/E進行論述和分析比較, 以便更好地發揮各軟體的優勢為科研和生產服務。
二．軟體的介紹和比較
（一）中國版BPA
1.中國版BPA 程式概述
中國版BPA是由中國電力科學研究院引進、消化、吸收美國BPA程式開發而成。採用的基本的解法是: 微分方程線性化後用梯形積分法求解, 網路方程套用導納矩陣三角分解後疊代求解。在我國電力系統規劃設計、調度運行和試驗研究等各部門得到了廣泛的套用, 成為我國電力系統分析計算的重要工具之一。程式中包括發電機模型和各種勵磁模型，主要由潮流和暫態穩定程式兩部分，具有計算規模大、計算速度快、功能強等特點。
1)BPA 潮流程式
該程式主要用來計算電力系統潮流。潮流程式的計算方法是採用P-Q分解法和牛頓-拉夫遜法相結合，以提高潮流計算的收斂性能，程式通常先採用P-Q分解法進行初始疊代，然後再轉入牛頓-拉夫遜法求解潮流。該程式中的負荷模型包含恆定功率負荷、恆定電流負荷和恆定阻抗負荷模型。可以根據某節點上P 和Q 的擾動量, 計算系統中各節點靈敏度、線路靈敏度和網損靈敏度值。程式的輸出具有內容詳細和格式靈活的特點, 既可以有選擇地列表輸出原始數據、計算結果和潮流分析報告, 也可以套用單線圖格式潮流圖形程式及地理接線圖格式潮流圖形程式輸出。 計算潮流時常用的卡片有B卡、L卡以及T卡。
2)BPA 穩定程式
程式採用的基本解法是：所有微分方程線性化後用梯形積分法求解；網路方程可用導納陣三角分解後疊代求解，也可用牛頓法求解網路方程。
在BPA程式中，穩定程式是與潮流程式結合起來運行的。只有在潮流計算結構收斂的前提下才能作穩定計算。
程式的主要功能包括：
Ⅰ、發電機模型
基於簡化的park方程，採用6繞組的發電機模型模擬同步發電機的動態過渡過程。其中x、 y為阻尼繞組，f為勵磁繞組，g為由於q軸鐵芯內部構成的短路阻尼線圈，在目前國內模型中無此繞組模型。暫態模型為不考慮阻尼繞組的 雙軸d q)模型，用MF卡或者MC卡。若TDO‘= 999 則發電機的磁鏈為恆定即Eq‘= C，若0.0<Tdo’<999 且沒有給出勵磁模型則發電機勵磁電壓為恆定。次暫態模型為考慮阻尼繞組的雙軸模型通常用MF卡和M卡或者MC卡和M卡一起來描述該模型。
2）發電機模型勵磁系統和調速系統模型
共有 30 種勵磁系統模型，有9 種勵磁系統模型是IEEE 於1968 年提出的，有11 種是IEEE 於1981 年提出的，另外有10 種勵磁模型是中國電機工程學會勵磁工作組提出的，可模擬多種類型的直流型勵磁機、交流型勵磁機以及靜態型勵磁機。可以進行多端直流的模擬。程式可以在螢幕上輸出最大搖擺角, 還可以給出對應的兩台發電機名。
2.中國版BPA 的套用
BPA 程式主要用來計算潮流和暫態穩定, 並在上世紀末套用較廣。目前BPA程式在國內電網運行和調度部門乃至研究、試驗和電力設計部門中都起到了舉足輕重的作用，而且未來較長時間內仍然會在國內電網的分析中占據主導作用。
（二）PSS/E
1.PSS/E程式概述
PSS/E是美國PTI電力技術諮詢公司專為輸電系統分析而設計的綜合仿真軟體包,主要用於電力系統機電暫態仿真和計算，是世界電力工業中最廣泛套用的電力系統分析軟體之一。
PSS/E採用高效建模技術。PSS/E是一個集成化的互動式軟體包，以潮流計算為核心，將穩定、短路電流分析等功能集成與一個包內，並支持多種輸出設備。PSS/E具有用戶自定義、擴展長過程和批處理計算等功能，還可以完成繪製潮流圖、連續潮流計算、“N—1”靜態安全分析等輔助功能。最大的優勢在於強大的潮流計算以及最佳化功能。
1）PSS/E潮流計算
潮流計算是電力系統分析軟體最基本的功能。PSS/E提供了豐富的潮流計算方法,即Gauss2Seidel法、改進的Gauss2Seidel法、Full Newton2Raphson法、固定斜率的解偶Newton2Raphson 法、解偶Newton2Raphson法等。與BPA等其它程式一樣, PSS/E能考慮無功限制、有載調壓器分接頭調整、區域功率交換、相位偏移調整、自動投切電容器組(或電抗器組) 、DC換流變壓器的分接頭調整等
2) 動態仿真計算
PSS/E的p ssds4的功能強大,但較複雜,其穩定計算程式結構圖如下。與BPA的穩定計算不同, p ssds4多一中間環節。它們由PSS/E自動產生,在動態仿真中有很關鍵的作用。PSS/E將模型子程式庫中的許多模型(包括用戶自定義模型)交給CONEC和conet處理,通過編譯、連結這些模型後形成的數據與穩定計算資料庫一起組成完整的動態仿真數據。
PSS/E的穩定計算程式的主要特點為:提供了豐富的模型庫、提供了強大的數據糾錯檢查調試功能、用戶自定義模型功能較強大、提供IPLAN語言全面控制仿真過程、採用高效算法,計算速度快、可進行電力系統暫態和中長期動態仿真。
2.PSS/E套用
PSS/E在國際上影響較大，在潮流計算及最佳化、電網規劃和設計分析有優勢，但是與BPA數據格式的轉化還不方便、用戶自定義建模不夠方便。在國內應有相對較少。
