基于潮流計算的電力系統仿真軟件對比分析

劉澤+劉雅倩

目前市場上主流使用的電力系統仿真軟件較多，主要依據使用背景和業務目標的差異進行軟件的選擇。本文基于此對使用率較高的DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件進行了基于潮流計算的對比分析，為軟件的選擇提供參考依據。

【關鍵詞】電力系統 仿真軟件 潮流計算

隨著電力系統仿真技術的發展，先進的仿真軟件不僅可以仿真電力系統的動態行為，也可實現對復雜系統的快速精確控制。將仿真作為手段與實際工程經驗結合，可以對系統特性進行預測，因此在電力系統的規劃和運行中應用廣泛。

目前市場上電力系統仿真軟件很多，但是采用的算法在細節上稍有差別，導致在計算速度、結果收斂度和精確度上也有所區別，因此對于不同的開發者、不同的使用背景和實現目標，需要對仿真軟件進行選擇。本文研究了市場上使用率較高的三種軟件，進行了基于潮流計算的對比分析，為使用者在實際仿真中提供一定的參考。

1 潮流計算時間

隨著計算機技術的快速發展，大型電力系統進行潮流計算的時間大幅減少，甚至在線計算的瓶頸也得到突破，因此，使用潮流計算進行仿真對比分析成為可能。

本文進行潮流計算測試，基于IEEE 118節點算例構造出944節點算例，并利用DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件分別進行仿真計算，計算結果顯示很快完成仿真，CPU占用時間很短，說明不同軟件用于潮流計算的時間差別很微小。

2 潮流計算收斂性

牛頓法由于較好的二次收斂性因此仍然是電力系統進行潮流計算的主要算法，仿真軟件也基本是使用基于牛頓法進行仿真計算。因此，仿真結果的不收斂主要原因并不是由算法導致的，潮流方程無解主要是由于仿真參數不合理或是計算細節不同導致的。采用潮流計算的收斂性進行仿真軟件的對比是驗證軟件性能的有效方法。為進行對比分析，均采用完整的牛頓拉夫遜法，參數設置相同（迭代25次、所有母線功率誤差均小于1kVA、平值啟動）。

2.1 輸電線路R/X比值過大造成的不收斂

電力系統中輸電線路的R/X比值一般都較小，線路電阻在有些情況下也可忽略不計，但是配電網的潮流計算經常不收斂是由于R/X比值過大直接導致的。

本節測試中采用IEEE 5節點系統，在各線路電抗保持不變時逐步增大線路R/X比值，采用DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件進行潮流計算仿真。

采用IEEE 5節點系統，僅通過增大線路的電阻值來增大線路的R/X值，分別使用三種軟件進行潮流計算仿真，仿真結果與上面的測試基本相同。

采用IEEE 30節點等算例對三種軟件分別進行仿真也得到同樣的仿真結果。對于由R/X比值過大導致的不收斂問題，仿真結果表明：

（1）DIgSILENT和PSASP收斂性相似——隨著R/X比值增大，DIgSILNET和PSASP迭代次數基本相同。

（2）相對于PSS/E軟件，DIgSILENT和PSASP收斂性較好——當PSS/E由于R/X值較大仿真結果不收斂時，另外兩種軟件仍能繼續進行迭代計算。

（3）在未到收斂極限時，PSS/E的迭代次數要等于或小于另外兩種軟件的迭代次數。

另外，DIgSILENT軟件在進行潮流計算仿真時，當仿真結果不收斂時，程序不僅提示不收斂，且自動進行模型線性化轉換以便于計算出結果，以便于使用者對不收斂原因進行分析。而另外兩種軟件不具備這種功能，無法提供更多信息以便于使用者盡快找到并解決問題。

2.2 節點功率超過臨界點造成的不收斂

分析電壓穩定研究中的系統節點PV曲線可得，當節點功率越界時，系統不存在電壓解，此時仿真軟件對電網的合理潮流分布無法進行計算，導致計算結果的不收斂。導致節點功率超過臨界點的原因主要有大負荷的投切、輸電線路和變壓器的傳輸容量限制、發電機容量無法滿足負荷要求等。

本節測試采用IEEE 5節點系統，在其他電網參數保持不變時，增加接在母線上的負荷功率，分別采用三種軟件進行潮流計算。

采用其他算例進行仿真也可得出相同的結果，并且仿真結果表明，對于節點功率越界導致的潮流計算不收斂問題與上節的問題具有相似的情況。

（1）DIgSILENT和PSASP收斂性相似——隨著負荷功率的增大，起初DIgSILNET迭代次數較大，但是到仿真后期基本相同。

（2）相對于PSS/E軟件，DIgSILENT和PSASP收斂性較好——隨著負荷功率的增大，PSS/E仿真結果出現不收斂時，另外兩種軟件仍能繼續進行迭代計算。

（3）在未到收斂極限時，PSS/E的迭代次數要等于或小于另外兩種軟件的迭代次數。

2.3 平衡節點遠離電網重心造成的不收斂

平衡節點的位置也是影響潮流計算收斂性的一個因素，在正常情況下，平衡節點越遠離電網重點，即到全網各母線的電氣距離較長，越容易導致不收斂，因此，平衡節點要盡可能接近電網重心。對平衡節點與電網重心距離進行仿真分析，各軟件的仿真結果也是不盡相同的。

在本節測試中，使用基于IEEE 118節點系統構造的兩個944節點算例，利用PSS/E和PSASP進行潮流計算仿真，對收斂情況進行對比分析。

算例一：共8個IEEE 118節點系統，將第2至第7個系統的55號節點分別通過一條輸電線路直接與第1個系統的55號節點相連，并將第1個系統的平衡節點69號節點定為整個944節點系統的平衡母線。

算例二：共8個IEEE118節點系統，將后一個系統的55號節點通過一條輸電線路與前一個的55號節點相連（第2個連接第1個，第3個連接第2個，以此類推，直至第8個連接第7個），再將第1個系統的平衡節點69號節點定為整個944節點系統的平衡母線。

分別使用PSS/E和PSASP對上述兩個算例進行潮流計算，仿真結果如下所示：

（1）算例一均收斂，迭代次數分別為5次和6次。

（2）算例二中，PSS/E不收斂，但PSASP通過7次迭代得到該網絡潮流分布。

以上測試結果表明，對于平衡節點遠離電網重心的情況，相比于PSS/E仿真軟件，PSASP軟件的收斂性更好。

3 結論

仿真軟件所采用的算法不同，因此需要基于使用者的用途和目標進行選擇。本文所討論的DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件雖然使用率較高，但是也有使用方面的區別。在本文對比分析的基礎上進行選擇，可為工程師更好的開展仿真工作提供參考。

參考文獻

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作者單位

國網冀北電力有限公司大廠縣供電分公司 河北省廊坊市大廠回族自治縣 065300