仿真軟件輔助“電力系統穩定與控制”課程教學研究

邊曉燕 楊立寧 符楊 楊昆

摘要：“電力系統穩定與控制”是電力系統及其自動化專業碩士研究生的主干專業學位課程，理論性強且分析方法復雜，要求較好地掌握相關概念和分析方法，難度較大。采用電力系統分析軟件，如PSS/E和BPA，來輔助“電力系統穩定與控制”課程教學，有助于提高學生對穩定性概念的理解，增強對分析方法的直觀認識。根據課程內容與仿真軟件功能，以舉例的形式介紹了PSS/E和BPA在課堂教學中的應用方式。實踐表明，電力研究生利用電力系統仿真軟件，可以較好地理解各種穩定性的基本理論，學會運用仿真綜合分析電力系統穩態暫態問題，有助于研究經驗的積累。

關鍵詞：電力系統穩定；電力系統分析軟件；PSS/E；暫態穩定

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

基金項目：本文系上海電力學院2012年度校級研究生課程建設項目“電力系統穩定與控制”（項目編號：YKJ-2012010）、上海高校青年教師培養計劃（項目編號：Z2012-018）的研究成果。

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0057-03

“電力系統穩定與控制”作為電力系統及其自動化專業碩士研究生的主干專業學位課，對培養該領域專業人才，滿足現代電力系統的發展具有重要意義。電力系統由于失去穩定造成的破壞是電網中最為嚴重的事故之一，尤其是電力系統的失穩事故引起的大面積停電，常常給國民經濟造成重大損失。[1]以1965年加拿大電力系統與美國東北部大停電事故為例，該事故由最初的一條線路過負荷而導致鄰近線路相繼跳閘，最后發展成為全系統的失穩事故，停電功率達2500萬kW，影響區域包括加拿大的一部分及美國東北部6個州，造成巨大經濟損失。在日本和西歐，近年來也發生過由于系統失穩造成的大面積停電事故。我國電網結構相對薄弱，長距離重負荷輸電線路較多，由于失去穩定造成的事故較為頻繁。

為提高“電力系統穩定與控制”課程的授課效果，采用電力系統分析軟件有助于學生對相關概念的深入理解，對各穩定分析方法的掌握，并有助于研究生研究經驗的積累?！半娏ο到y穩定與控制”課程理論性強且分析方法復雜，能夠較好地掌握相關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，但不可能在實際系統進行試驗，在物理模擬系統上實現也較為困難，因此利用軟件進行案例分析成為最為適用的方法。本文針對“電力系統穩定與控制”的課程內容與電力系統分析軟件PSS/E和BPA的功能，并關注當前研究熱點，如新能源的接入對穩定的影響，介紹電力系統分析軟件PSS/E和BPA在電力系統穩定性分析研究方面的應用，供相關教師參考與探討。

一、“電力系統穩定與控制”課程的主要內容

電力系統穩定是一個整體性的問題，依據造成系統失穩的擾動大小、物理特性和時間尺度的不同，系統失穩可表現為多種不同的形式。本課程依據我國《電力系統安全穩定導則》，并參考電力系統兩大國際組織——國際電氣與電子工程師學會電力工程分會（IEEE PES）與國際大電網會議（CIGRE）聯合工作組于2004年給出的電力系統穩定的定義及分類報告，確定課程內容包括：電力系統元件的動態特性和數學模型；電力系統電磁暫態過程分析；電力系統功角穩定性包括電力系統小干擾功角穩定性與暫態功角穩定性分析；電力系統電壓穩定分析；電力系統頻率穩定分析以及電力系統次同步諧振分析。[2，3]該課程包含了電力系統穩態和動態分析的大部分內容；在電力系統元件的動態特性和數學模型方面，介紹了同步機、發電機勵磁系統、原動機及調速系統、負荷等的數學模型，增加了對新能源如風電機組模型、FACTS設備模型等的講解；在穩定性分析方面，介紹了傳統的功角穩定性的定義與經典分析方法，增加了對電壓穩定與頻率穩定的分析。

二、電力系統分析軟件簡介

1.PSS/E

電力系統仿真器（Power System Simulator/Engineering，PSS/E）是美國電力技術公司（Power Technology Inc.，PTI）于1976年推出的電力系統仿真計算的綜合性軟件。20多年來，該軟件追隨電力系統技術的發展不斷更新升級，現今已推出32版本（筆者購買的版本）。由于其強勁的計算功能，到目前為止，世界上已有超過600家不同的公司和組織、100多個國家使用該軟件，是應用最為廣泛的電力系統分析程序。

PSS/E包含了電力系統機電暫態分析計算的常見模塊。其最大優點在于：所允許的仿真規模非常大，利于超大規模系統計算；靈活的模型自定義。它是第一個含有用戶自定義動態模型功能的商業化程序。對模型的復雜性沒有任何限制，可以適用于暫態及“長過程”穩定計算中；用戶可參與的強勁的交互式計算過程控制。用戶可以根據需要隨時隨地觀測或修改仿真計算中的各變量。

利用PSS/E，可實現如下的分析計算功能：潮流計算、優化潮流、短路、暫態及動態穩定、負荷建模、電壓穩定、傳送能力、甩負荷、交直流輸電、柔性電力系統技術、次同步諧振、損耗評價、繼電保護、串聯及并聯補償、靜止無功負荷器、互連運行、低頻振蕩計算、內過電壓、潛供電流及恢復電壓計算、三相和單相重合閘的應用對大容量汽輪發電機的影響及其計算。

2.BPA

潮流及暫態穩定程序是由電力科學研究院從美國BPA（Bonneville Power Administration）引進的。自從1984年以來，經過大量的消化吸收、開發創新和推廣應用工作，形成了適合我國電力系統計算分析要求的中國版BPA電力系統潮流及暫態穩定分析程序。目前的中國版BPA潮流及暫態穩定程序是在1990版BPA程序的基礎上經不斷的完善和開發而形成的。

在我國的國家電網與南方電網公司，BPA軟件是目前應用最廣泛的電力系統分析軟件，其功能包括潮流計算、短路、暫態及動態穩定、負荷建模交直流輸電、柔性電力系統技術等。

三、各分析軟件應用實例

1.基于PSS/E的考慮新能源接入電力系統暫態穩定仿真案例

仿真用系統采用經典的IEEE三機九節點系統，[4]3號母線上的常規電廠替換為等值風電場，潮流計算結果在圖中標出（有功單位：MW；無功單位：Mvar；電壓相角：度）。暫態故障設為4號母線在0.5秒時發生三相短路，160ms后清除故障。

發電機G1和G2采用六階模型并考慮磁鏈飽和的影響，所用電力系統仿真軟件PSS/E中采用飽和參數S表示。勵磁系統采用IEEE1969推薦的穩定研究模型，原動機采用IEEE推薦的轉速控制的汽輪機一般模型。各模型參數在表1中給出，G1和G2有相同的參數，勵磁系統磁鏈飽和的影響表示同上面發電機所述。

常規電廠和風電場暫態反應的不同，為了便于比較，仿真時選擇了母線bus3的電壓、常規電廠G2或風電場輸出有功及無功做為觀察變量。圖1（a）顯示的是常規電廠電網故障暫態反應曲線，圖1（b）顯示的是替代為風電場后的仿真曲線。圖中采用的標幺制，功率的基值為100MVA，電壓是以3.3kv為基值的。

從圖1可以看出，常規電廠電網故障后有功輸出的振蕩幅度很大且反復振蕩，經歷較長時間約7.5s后才衰減穩定。而對于采用風電場替代常規電廠的電網，故障后有功輸出振蕩幅度較小，衰減過程較快。仿真表明本算例中風電場的加入加強了整個電力系統的暫態穩定性。

在“電力系統穩定與控制”授課過程中，在講授暫態穩定性概念與分析方法理論基礎后，通過采用PSS/E對上述算例的時域仿真分析，有助于研究生對系統建模，包括常規發電機與新能源風電機組建模的理解，了解暫態時域仿真的基本方法。

2.基于BPA的電力系統頻率穩定性分析

本文采用BPA軟件針對實際系統進行線路N-1分析。算例系統中的A地區要進行遠期的電網規劃將有大量的風電場接入系統，其局部電網結構圖如圖2所示：

圖2中1節點是一個升壓站將風電場的電壓升至220KV送入電網。對應的2、3節點間的傳輸線路是承載風電輸送的主要線路。

在進行系統線路或者變壓器N-1分析時主要是研究母線電壓的情況以及對系統頻率的影響。對于大規模風電場接入的系統更要觀察風電接入點的電壓和頻率變化情況。在此進行線路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，由此可以進行線路的N-1分析。首先是先對距離風電供應遠的但帶有火電廠的線路進行N-1分析，檢測相應母線的電壓以及風電接入點的頻率偏差。

對線路8-9進行N-1分析，其仿真的結果如圖3所示。由圖3與正常情況下的仿真結果相比較，可以不難看出對于非主要承載風電運輸任務的線路，即使周圍存在著傳統發電廠進行N-1時也不會對節點電壓以及頻率構成較大影響。

四、結語

采用電力系統分析軟件進行穩定性仿真能夠有助于研究生更好地理解各種穩定性概念與分析方法，利用軟件搭建任意電力系統網絡，增加新能源等發電設備，配置輔助控制設備改善穩定，可激發學生的學習主動性和創造性。實踐教學表明，電力系統分析軟件對“電力系統穩定與控制”課程學習與相關科研能力的提升具有重要作用。

參考文獻：

[1]Carson W.Taylor.Power system voltage stability[M]. New York：The McGraw-Hill，1994.

[2]Prabha Kundur.Power system stability and control[M].北京：中國電力出版社，2001.

[3]倪以信，陳壽孫，張寶霖，等.動態電力系統的理論與分析[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]邊曉燕，李廣躍，楊建，等.基于PSS/E的風電系統暫態仿真研究[J].華東電力，2012，40（8）：1337-1340.

（責任編輯：王意琴）