海外電力工程中仿真分析軟件的選擇和應用

陳柏森 王乙斐 肖軍 曹陽 陳功

摘要：為滿足海外電力工程項目中日益迫切的仿真計算需求，借鑒海外電力工程項目建設中的經驗，根據電力系統的動態過程作用時間長短，從電磁暫態和機電暫態兩大角度，對認可度和適用性較高的PSS/E、Power Factory、EMTP-RV和ETAP等4款電力系統仿真軟件的技術特點進行了介紹，對軟件的功能特性和適用范圍進行了比較和分析。分析結果表明：應根據電力系統分析角度的不同來選擇適宜的仿真計算軟件。研究成果可為中國企業在“一帶一路”海外電力工程建設中選擇電力系統仿真分析軟件提供參考和借鑒。

關 鍵 詞：仿真分析軟件;電磁暫態;機電暫態;Power Factory;精細化建模;海外電力工程

中圖法分類號：TM74

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0148-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.024

0 引 言

隨著“一帶一路”建設的推進，海外地區社會經濟的發展以及多樣化的電能需求的出現，在電力系統建設技術不斷提高的同時，海外業主也提出了更高的要求[1]。越來越多的業主希望通過項目前期的規劃和仿真分析，更加直觀且有依據地了解系統的網絡結構和項目的預期效果。因此選擇恰當的仿真分析技術進行有效模擬，能夠構建安全可靠、合理運行且經濟高效的電力系統，從而指導實際的工程建設規模和時機，保證資金的投入產出效益。

仿真分析技術路線是通過電力系統仿真軟件搭建系統模型并執行相應的電氣計算來完成各項需求的預測。目前，海外常用的電力系統仿真軟件主要包括以下幾種。

（1）由美國PTI電力咨詢公司開發的綜合仿真軟件PSS/E（Power System Simulator for Engineering）;

（2）德國 DIgSILENT GmbH 公司開發的電力系統分析綜合程序DIgSILENT/PowerFactory （DIgital SImuLation and Electrical NeTwork）;

（3）曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發的PSCAD/EMTDC （Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current）程序;

（4）基于Windows平臺的新一代圖形化電磁類仿真軟件EMTP-RV （Electromagnetic Transients Program-Restructured Version）;

（5）美國ETAP自動化公司開發的綜合型電力及電氣分析計算軟件ETAP（Electrical Power System Analysis & Operation Software）。

通常而言，海外電力工程項目的系統仿真軟件由業主指定，需與該國原有的系統模型相匹配。由于歷史原因，不同國家認可的軟件也各有不同。因此，具體采用哪一款電力系統仿真軟件，仍需要根據工程所在國的實際情況來決定。

本文依據在海外電力工程項目建設中的經驗，針對目前國外市場情況和實際需求，根據研究對象的動態過程作用時間的長短，從電磁暫態和機電暫態兩大角度出發，結合實際電網工程項目，對認可度和適用性較高的幾款電力系統仿真軟件進行了對比和分析。本文分析成果可為“一帶一路”發展戰略中的海外電力工程項目建設所需的仿真軟件的選擇提供一定的參考和借鑒。

1 電磁暫態和機電暫態

在規劃設計階段，電力工程項目或多或少都離不開電磁暫態計算和機電暫態計算[2]，其中，輸變電項目的系統研究需要開展電磁暫態和機電暫態2種計算，而配電系統項目則以機電暫態計算為主。目前，亞非拉欠發展國家地區的電力系統首先面臨的是解決通電率的問題，相應的電力工程項目大多數電壓等級都不高，所涉及到的地理范圍也難以達到中國區域電網的規模，因此絕大部分項目都是以小范圍內的配電系統分時序進行升級改造或擴建工作。

1.1 電磁暫態

電磁暫態過程的主要研究內容是電力系統受到擾動以后，在數微秒到數秒內電力系統中各元件的電磁場和電壓、電流的動態變化過程，主要側重于電力系統過電壓計算、行波、諧波以及變壓器特性分析等暫態計算內容。仿真步長以微秒為單位，節點規模較小，一般不超過3 000個。

模型方面，電磁暫態仿真采用的是微分或偏微分方程來表示電氣元件的模型，是基于三相的瞬時值和對稱矩陣進行求解，一般需要考慮到元件的非線性、電磁耦合關系以及元件的分布參數和頻率特性等內容，模型描述要求詳盡細致，同時還需要計及電力網絡的暫態過程。盡管采用的算法以頻域范圍內的隱式數值積分方法為主，但求解方式和過程都較為復雜，需要對電力系統進行等值簡化處理。

1.2 機電暫態

機電暫態研究旨在對電力系統遭受一定程度擾動后的穩定性進行分析的過程，主要包括小擾動后的靜態穩定和大擾動情況下的暫態穩定。其實質是研究由擾動引起發電機和電動機電磁轉矩的變化而導致電機轉子機械運動變化的過程。仿真步長以ms為單位，持續時間一般為幾秒到幾十秒，沒有仿真節點的限制。

模型方面，機電暫態仿真采用基波相量來表示系統元件，同時基于序網分解理論對電力系統進行解耦求解，反映的是工頻范圍內的系統運行情況，且無法表示毫秒級運行工況的直流系統的電力電子器件。算法方面，機電暫態仿真通過聯立求解微分方程組和代數方程組的形式，在時域范圍內，采用隱式梯形積分法、改進由拉法等數值計算方法處理的微分方程組;代數方程組則以牛頓法為主，收斂速度快，而且效果好。

2 海外電力系統常用軟件

2.1 PSS/E

PSS/E軟件最初是為了研究大電網、輸電系統而設計的，是世界電力工業領域應用較為廣泛的電力系統分析軟件之一，用來研究電力傳輸系統和發電機的穩態和動態功能，能處理潮流計算、故障分析、網絡等值、動態仿真和安全運行優化等問題[3]。PSS/E軟件最大的優點在于擁有巨大的自定義空間，支持用戶使用python語言來編寫元件、控制模塊和程序等高端操作。文獻[4-6]采用python語言編寫了直流輸電建模和風電模塊等程序，并通過仿真對比計算驗證了模型的正確性。PSS/E軟件在傳統輸電線路分析和機電暫態穩定方面也有著巨大的優勢。段建民團隊[7]利用PSS/E軟件中的潮流計算模塊，提出了基于PSS/E軟件的電力系統電壓穩定分析方法，對幾種常用的暫態穩定分析方法予以了驗證。浙江大學電機系團隊[8]針對暫態穩定計算模型，在PSASP和PSS/E軟件中進行了分析對比，結果顯示二者的計算結果接近，進而驗證了PSS/E軟件在暫態分析中的有效性。

PSS/E具有強大的計算能力。目前，PSS/E33版本處理的電力網絡最大規模為15萬條母線、30萬條線路、30萬個負荷以及3.3萬臺發電機。圖1給出了在PSS/E中建立典型輸電系統的單線圖模型，通過運行仿真模型，可以清晰直觀地看到每條母線、線路上潮流的運行情況。

目前，PSS/E軟件主要用于輸電系統等大型電力系統的仿真分析，支持超大規模的電力系統建模，擁有靈活的、無復雜度限制的自定義模型，計算功能強大，結果精確度高。同時，該軟件操作復雜，學習難度很大，要求操作人員具有足夠的電氣專業基礎和一定的編程能力，軟件靈活性和交互性很強，計算結果能得到電力界的廣泛認可。目前在眾多非洲國家中，各個國家電網數據模型均基于PSS/E軟件建立，新建項目均要求在其原有模型基礎上進行擴充和發展。但是由于建模時需要大量不同類型的數據，操作難度大，中文資料很少，運用起來較慢，因此在國內發展十分緩慢，僅有部分人群會使用PSS/E。

2.2 Power Factory

Power Factory軟件是一款功能強大的電力系統電磁/機電暫態混合仿真程序[9-10]，幾乎能夠實現所有常用的電力系統仿真分析的需求，比如潮流計算、短路計算、機電暫態和電磁暫態計算、諧波分析、小干擾穩定分析等。同時，該軟件把機電暫態分析模型與電磁暫態分析模型結合到一起，既能對電網的暫態故障進行分析，又能研究長期的電能質量問題及控制方法。至目前為止，Power Factory軟件已被廣泛應用于歐洲和南美洲大部分的國家電網系統，用于智能化分析、規劃電網的發展與建設。

該款軟件支持用戶可針對不同的仿真模型和項目，建立不同的電力系統元件模型庫，并采用DSL仿真語言來建立控制系統。趙大偉團隊[11]在Power Factory軟件中針對國內典型的發電機組的控制模型建模進行了仿真，驗證了Power Factory軟件在控制模型方面的準確性，為開展電力系統的暫態仿真研究提供了良好的平臺。文獻[12]以風電機組在低電壓穿越中的實測特性為基礎，在Power Factory軟件中對雙饋風電機組的建模、參數辨識、模型驗證以及風電場的并網仿真等問題進行了深入的研究。王文怡團隊[13]基于Power Factory軟件平臺，對不同交流電力系統互聯同期運行的關鍵影響因素進行了建模與分析。

相對于其他仿真軟件而言，Power Factory軟件擁有貼合實際的多樣化風電機組模型，并能夠對光伏電站及其相關研究進行精細化建模，在新能源相關的仿真分析領域占有強大的地位。中國電力科學院研究團隊[14]為計及風電和負荷隨機性因素，基于Power Factory軟件長時間序列仿真優化方法，分別以網絡年電能損耗和分散式風電的年發電量為目標函數，計算得到分散式風電的最優接入位置和容量。邱紀星[15]基于Power Factory仿真平臺，根據風電機組并網規范中低電壓穿越的要求，驗證了提出的電網電壓跌落期間有功功率和無功功率的控制方法的有效性。在光伏研究方面，文獻[16] 基于DIgSILENT仿真平臺，搭建了適用于動態仿真的并網光伏發電系統的工程用數學模型，并通過仿真分析表明：該模型能夠很好地實現最大功率跟蹤、快速響應電網調度指令，對實際工程具有指導意義。圖2展示了Power Factory軟件中法國某地區的輸電網系統拓撲圖。

與其他軟件不同，Power Factory軟件的核心是數據庫，其所有的電網結構、元件數據、仿真參數以及仿真結果都存放在項目對應的數據庫中，分級分層，便于管理;Power Factory軟件同時支持與PSS/E、PSS/U以及MATLAB等電力系統仿真軟件進行數據交互，兼容性好，支持多種形式的數據輸入和輸出。

2.3 EMTP-RV

EMTP-RV軟件是基于Windows平臺開發的新一代圖形化電磁類仿真軟件[17-19]，是EMTP發展協調小組CEATI（CEA Technologies Inc.）與其國際合作伙伴超過20 a的研究成果。EMTP-RV是用于開發電力系統電磁暫態全功能和技術先進的仿真和分析軟件，適用于各種電力系統的研究，在高仿真精度的前提下對大型電力系統和電力電子系統進行仿真。軟件包含了詳細的電機模型、變壓器模型以及多種線纜模型等全面的內建模型庫，能夠對雷電沖擊波、開關浪涌、暫態過電壓、絕緣配合、鐵磁諧振、電力電子和FACT裝置等多方面的問題進行仿真研究，具有良好的工程應用前景。同時，該軟件的分析結果在國際輸變電工程中認可度非常高。

EMTP-RV軟件是目前全球最先進的電磁暫態仿真軟件之一，在國內外都受到廣大業主的歡迎，計算結果也能夠得到業主的高度認可。圖3給出了在EMTP-RV軟件中構建的GIS變電站絕緣配合模型。

文獻[20]對規劃的中俄直流“背靠背”工程使用電磁暫態仿真程序（EMTP-RV）進行建模仿真，研究并計算了各種操作過電壓，并據此提出了通過在線路中部加裝線路避雷器和優化直流控制系統的方法來有效限制線路過電壓。文獻[21] 利用EMTP-RV電磁暫態軟件建立了厄瓜多爾新建230 GIS kV變電站的仿真模型，計算并驗證了在雷電波不同侵入方式、雷擊進線段不同桿塔與變電站不同運行方式下變電站內主要設備的雷電過電壓水平。文獻[22]在EMTP-RV軟件中構建了一種新型的靜止無功補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），使用正弦脈沖寬度調制技術，在穩態和瞬態運行條件下對STATCOM的性能進行研究。劉勇團隊[23]在EMTP-RV軟件中搭建由雙饋風電機組構成的風電場的電力系統模型，分析了風電場并網運行特性。分析電網發生三相接地短路和單相接地短路故障時，風電場的有功輸出、公共連接點母線無功電壓波動以及系統頻率的暫態變化幅度。文獻[24]分析了風電場雷電閃絡故障的特殊性，在此基礎上，在EMTP-RV軟件中模擬風電場電力系統的典型雷電過電壓形成和傳播過程，最后得出結論：風電場集散系統的絕緣設計方案不應直接復制電力系統配電網的設計方案。

2.4 ETAP

ETAP軟件是用于發電、配電和工業電力系統設計、模擬、運行的較為全面的分析平臺，已被應用于電力系統的各個階段，從發電，到輸電和配電到使用[25]。在美國，85%以上的核電站使用ETAP軟件進行建模，ETAP軟件是美國唯一可用于高危險行業的電氣工程軟件，可以實現電網暫穩態分析、電機啟動、電纜拉力、實時控制等多方面功能。軟件中附帶有強大的數據庫，而且數據庫大多是基于現有的廠家產品而建立的，當進行建模時可以直接從系統庫中調用元件模型，并且支持用戶人為增加數據庫模型。鄭曉偉團隊[26]針對低壓電網短路電流計算問題，通過實例介紹了短路電流計算的過程和方法，并應用ETAP軟件進行了仿真分析，驗證了該軟件具有速度快、結果準確等優點。文獻[27]在ETAP軟件中研究了適合的配網自動化系統的構架、配置和功能，研究表明改造方案有效降低了配電網的損耗，提高了用電行業的生產效率和經濟效益。同時ETAP軟件還可以用于電力系統的諧波分析。文獻[28-29]在ETAP軟件中對光伏電站和柔直系統的諧波特性進行了詳細的分析，得到了預期的結果。ETAP軟件是一款偏向于配電系統研究的軟件，文獻[30-31]在ETAP軟件中針對配電網的可靠性進行分析，包括傳統配電網和分布式電源接入的配電網可靠性分析，結果表明ETAP軟件是進行配電網可靠性分析的有效工具。

在仿真計算方面，ETAP軟件擁有多項國際通用計算標準和計算條件的控制選項，可以實現多樣化的計算需求，無論是在電纜拉力和載流量分析、短路分析、電

動機啟動、保護配合等計算方面，都有獨立的模塊參與計算。圖4展示了在ETAP軟件中進行電氣計算的典型界面圖。

3 對比與分析

在海外電力工程的研究與應用當中，上述幾款軟件在不同項目和不同背景下，所研究的主要技術內容和應用領域也不一樣，這與軟件本身所具有的技術特點是直接相關的，各軟件特性對比與分析如表1所列。

（1）在應用領域和適用工程方面，PSS/E軟件現隸屬于西門子，較多是服務于國外市場的大中型輸變電工程項目的咨詢服務和前期規劃設計等過程，而且市場多集中于歐美以及非洲等地區國家。Power Factory軟件大多數以歐洲和南美洲市場為主，除了用于傳統大型輸變電項目、工業領域的研究以外，Power Factory軟件還在風力發電和光伏發電方面具有顯著的優勢。EMTP-RV軟件屬于電磁暫態研究軟件，主要用于過電壓和絕緣配合的建模分析，是目前國際上高度認可的過電壓計算分析軟件，主要用于變電站和線路的過電壓分析，計算精度高，結果可靠，在涉及到變電站以及高壓線路等海外電力工程項目中，有著廣泛的應用市場。ETAP軟件屬于美國本土開發的電力系統高集成分析軟件，主要應用于美國本土核電/高危行業的電力分析、電力系統的實時監控和仿真，同時在配電網領域和地下電纜等方面，ETAP軟件具有豐富的數據庫和模塊，建模可靠性更高。

（2）在技術內容領域，每個軟件根據自身的特點，各有所長。PSS/E軟件主要用于研究傳統發輸電系統和發電機組的穩態和動態性能，優勢明顯，支持多種形式的數據導入，同時也支持Python語言的程序寫入，為建模和仿真多樣性提供了可能。Power Factory軟件除了可以進行輸變電工程穩態和機電暫態研究以外，還擁有電磁暫態計算模塊來分析過電壓過程。最重要的是Power Factory軟件內置雙饋風機、光伏陣列等新能源數據庫，可以對模塊進行自由調用和按需修改，在新能源研究領域也發揮著重要的作用。EMTP-RV軟件可以計算包括工頻過電壓、雷電過電壓和操作過電壓等目前各種類型的電力系統過電壓工況，并具備強大的數據分析能力和可視化繪圖能力。ETAP軟件在高壓弧閃分析和繼電保護配置方面具有明顯的優勢，能夠將現場數據收集和用戶項目管理與ETAP軟件同步，在海外配電系統的規劃與控制方面得到了廣泛的應用。

（3）在研究的電力系統規模方面，PSS/E和Power Factory軟件均適用于大規模、多節點、多機等復雜程度較高的電力系統建模與分析。例如，PSS/E30版本處理的電力網絡的最大規模為5萬條母線，10萬條線路，10萬個負荷以及1.2萬臺發電機，這是很多電力仿真軟件所無法比擬的。而EMTP-RV軟件研究的主要為電磁暫態過程，電磁暫態一般是針對某個變電站、某段線路或者兩者之間的簡易組合，所以一般情況下建模對象的規模較小，但精細化程度更高。ETAP軟件由于使用范圍的限制，導致了其建模的規模，也無法達到較大節點數量，因此EMTP-RV和ETAP軟件都僅適用于規模較小的電力系統工程或者較大規模電力系統工程的局部。

4 結 語

必要的電力系統仿真分析研究，能夠為電力工程的建設提供理論依據和技術支撐，優化規劃方案，提高設計水平，進而提升工程質量。

本文結合海外電力工程的實際運用和海外電力仿真軟件應用的急迫性，針對幾款國際認可度較高的電力系統仿真分析軟件，從機電暫態和電磁暫態2個主要的應用領域，詳細分析和比較了各軟件的技術特點和功能特性，并提出了不同軟件的應用特點，從多個角度分析了不同軟件的適用領域和功能特長，可為開展“一帶一路”建設、海外電力項目中系統仿真分析研究軟件的選擇提供參考和借鑒。

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（編輯：趙秋云）