基于SimPowerSystems的电力系统仿真与潮流分析.pdf

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1、收稿日期:2004205220作者简介:陈 众(19742),男,湖南长沙人,长沙理工大学讲师,博士后,主要从事电力系统运行与控制、人工智能等的研究.第19卷第3期2 0 0 4年8月长沙电力学院学报(自然科学版)JOURNALOF CHANGSHA UNIVERSITY OFELECTRICPOWER(NATURAL SCIENCE)Vol.19No.3Aug.2 0 0 4基于SimPowerSystems的电力系统仿真与潮流分析陈 众1,文 艺2,陈小林1(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410076;2.湖南湘江航运建设开发有限公司,湖南 长沙 410005)摘 要:

2、叙述了用MAT LAB软件中的SIMULINK以及SimPowerSystems工具箱进行简单电力系统仿真的基本过程,并利用Powergui对相应系统进行动态仿真和系统潮流分析.对位于不同节点类型处的负荷模型仿真系统进行了讨论,并给出了模型的实现方法.关 键 词:电力系统;仿真;潮流分析中图分类号:TM 761文献标识码:A文章编号:100627140(2004)0320027204Simulation and Load Flow Analysis of Power System B ased on SimPowerSystemCHEN Zhong1,WEN Y i2,CHEN Xiao2li

3、n1(1.School of Electric&Information Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410076,China;2.Hunan Xiangjiang Shipping Construction Development Co.Ltd,Changsha 410005,China)Abstract:The basic process of simulating simple power systemwith SimPowerSystem toolbox is described under

4、SIMULINK environment of MAT LAB.It also simulates the dynamic process of system and makes a simple loadflow analysis by using the Powergui block.The numerical modeling method of load is discussed in differentnode types and the realizing method is provided respectively.Key words:power system;simulati

5、on;load flow analysis 电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本运算,它根据给定系统的网络结构及运行条件来确定整个系统的运行状态:主要是各节点电压(幅值和相角),网络中功率分布及功率损耗等1.其主要目的在于确定电力网络中设备和用户运行状态的参数.计算的结果可用来考查所研究的运行状态下网络特性对各种电力设备和用电设备的适用性,可作为确定对用户供电最佳条件的依据,可作为估计供电量的基本数据等2.因此它既是对电力系统规划设计和运行方式的合理性、可靠性及经济性进行定量分析的依据,又是电力系统静态和暂态稳定计算的基础.潮流计算经历了一个由手工到利用交、直流计算台以至到应用数字

6、电子计算机的发展过程.现在的潮流算法都以计算机的应用为前提1.用计算机进行潮流计算主要步骤在于编制计算机程序,这是一项非常复杂的工作.而市面上的各种潮流计算软件也需要工作人员花大量的时间进行学习.在实际工作中,有时只需要对系统进行简单的潮流分析,本文找到一种更有效的方式,即利用MAT LAB中的SimPowerSystems工 具 箱 设 计 简 单 电 力 系 统,在Simulink环境下,不仅可以仿真系统的动态过程,还可以对系统进行稳态潮流分析.1MAT LAB及SimPowerSystems简介MAT LAB是集数值计算功能、符号运算功能和图形处理功能为一身的超级科学计算语言.MAT2L

7、AB由主包SIMULINK以及功能各异的工具箱如SimPowerSystems等组成.MAT LAB以矩阵运算为基础,把计算、可视化、程序设计融合到了一个简单易用的交互式环境中,可实现工程计算、算法研究、符号运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序设计等功能3.SimPower2Systems使用Simulink环境,可以将该系统中的发电机、变压器,线路等模型联结起来,形成电力系统仿真模拟图.在加入测量模块,并对各元件的参数进行设置后,用Powergui可以观察各元件的电压、电流、功率的大小和相位关系,从而使潮流计算变得简单而快捷.2用SimPowerSystem

8、s仿真简单电力系统2.1 电力系统原型本文示例所用环网系统来自文献4,如图1所示.图1 简单系统结构图发电厂F母线II上所联发电机发给定功率40+j30 MVA,其余功率由母线I上所联发电机供给.设连接母线I、II的联络变压器容量为600 MVA,RT=3,XT=110;线路末端降压变压器总容量为240 MVA,RT=0.8,XT=23;各负荷、线路长度和选用导线均已示于图1中.联络变压器变比为231/110 kV,降压变压器变比为231/121 kV;发电厂母线I上电压为242 kV.2.2 搭建电力系统模型1)元器件的选择及其参数的设置.SimPowerSystems为用户提供了相当丰富的

9、电力系统元器件模型,如发电机有简单的同步发电机,永磁同步发电机,标准同步发电机等等.而变压器、线路、母线、负载都有不同的模块以满足相应系统的运行需要.模块选择的不同可能导致运算结果的差异,或者使仿真系统无法正常运行.(a)发电机选型在该系统中选用三相同步发电机模块Syn2chronousMachine pu standard,该模块使用标幺值参数,以转子dq轴建立的坐标系为参考,定子绕组为星形接法.通过调整它的参数还可以将它做为电动机模块5.在进行潮流分析时将发电机I设置为系统的一个平衡节点(Swing Bus).(b)变压器选择选择三相两绕组变压器Three2phase Transforme

10、r(Two Windings),在设置变压器参数时要注意,为了将变压器设置成半理想的变压器模型,则将其漏电阻Rm设置为10 000,将漏电抗Xm设置为无穷大5,同时其它参数都使用标幺制形式.(c)线路的选择选择三相型输电线路32Phase PI Section,根据已知条件,同时有:x1=L1;b1=C1=2f进行换算之后将数据填入参数设置对话框.(d)负荷模型的选择在这里选择用发电机的电动机形式模拟负荷模型,关于负载仿真的详细讨论见后.(e)母线选择在SimPowerSystems中有专用的母线bus,在这里为了测量的方便,选择带有测量元件的母线即三相电压电流测量元件Three2Phase

11、V2I Measurement.它可作为母线使用,同时可以直接观测节点上电流电压的变化.2)建立系统模拟图.将系统中各个元器件模块选定并设置了参数82长 沙 电 力 学 院 学 报(自 然 科 学 版)2004年8月后,就可以在MAT LAB环境下搭建电力系统的仿真模型,从而构成常见的电力系统图,如图2所示.图2简单电力系统仿真模型为了叙述和分析的方便,将两台发电机分别设为G1、G2;联络变压器设为T1,降压变压器设为T2.三条线路分别用L1、L2、L3表示.负载分别用Load1、Load2、Load3表示.2.3 系统调试运行系统搭建完成后,即可在Simulink环境下进行仿真运行.为了加速

12、仿真过程,在仿真模型中加入离散系统模块Discrete System.在SimPowerSystems中,离散系统模块适用于离散电力模型的状态空间模型.离散模块可用于线性元件,也可用于基本元器件中的非线形模块,如各种机械设备和powerlib中的各种电力电子元件.为了观察系统的动态运行过程,可以在系统中添加Active&Reactive Power测量模块,如图3所示.该模块能计算三相有功功率和无功功率的大小,但是精确的计算结果只能在三相周期性电流电压达到平衡时才能得到.图3功率测量模块当系统运行过后,即可通过Scope模块观察到负载Load2有功功率和无功功率的输出波形.但是注意,应将母线的

13、测量方式设置为相对地(phase2to2ground)的模式.同时根据需要,在母线的Vabc和Iabc端直接接入观察模块Scope,就可以观测到母线电压、电流的大小及相位.3 系统简单的潮流分析为进一步分析系统,本文加入Powergui模块对系统进行初始化和简单潮流分析.3.1Powergui模块的功能5Powergui模块的功能十分强大,主要包括以下内容:1)显示所测电压、电流的稳态值,以及电路中所有状态参数(电感电压和电容电流).2)改变初始状态,开始从起始条件模拟.状态参数的文件名就是建立电容电压和电感的电流程序组的名称.电容电压开头标记为Uc,电感电流开头标记为Li.3)显示负荷的波动

14、情况,并能设置包括三相电机在内的三相电力系统的初始条件,模拟过程在稳定状态下进行.这一选项适于含以下几种电机类型的电路:简化的同步发电机、同步电机和异步电机(鼠笼)模块.4)当加入测量元件时,可以显示阻抗随频率变化的曲线.5)自动生成系统的状态2空间模型(SS)(若安装了控制系统工具箱),自动打开LTI浏览界面,可以观察周期和频率波动曲线.6)自动生成包括测量元件测得的稳定值、电源状态、非线性模型和电路状态的报表.该报表保存在扩展名为.rep的文件里.7)模拟饱和变压器组的磁滞特性.3.2 用Powergui分析系统潮流当把母线设置为相对相(phase2to2phase)的测量方式后,在Pow

15、ergui模块的Steady2State Voltages andCurrents对话框中,我们将会看到各个三相母线上的电压降落及电流分布.同样,可以很方便的观测到线路、变压器、发电机上的电压降落以及功率损耗.这样在仿真系统动态运行过程的基础上,就能快捷的完成电力系统的简单潮流计算.在Powergui模块中的Load Flow and Machine Ini2tialization对话框中,可以观察到当前发电机出口电压的大小及相位,功率的大小等参数.同时通过设置和修改系统中各个节点类型以及各节点的功率、电压等参数参数,并使用Update Load Flow功能,我们可以完成系统的潮流计算过程.

16、文献4使用手工计算系统潮流时,略去降压变压器电导,电纳中功率与220 kV线路电纳中功率合并后作为一10 MVar无功功率电源连接在降压变压92第19卷第3期文 艺等:基于SimPowerSystems的电力系统仿真与潮流分析器高压侧,线路也没有使用(型等值电路.而在本文的仿真系统中,采用的发电机、变压器和线路模型都更为接近实际系统,因此在Powergui中得到的分析结果与文献4中存在差异,但结果由于采用的模型差异,不便于直接对比.有理由相信,采用与实际系统接近的模型得出的结果,理应更为准确.3.3 负载选型对仿真的影响在大多数电力系统稳态计算中,负荷以恒定的功率表示,而在某些计算中有用固定阻

17、抗或负荷电压静态特性来表示负荷的2.SimPowerSystems还提供了许多类型的负载模型.然而由于节点类型的不同,已知参数的情况也就不同.SimPowerSystems中的单一负载模型并不是适用任何情况,应根据不同的情况选择正确的负荷仿真方式.1)PV节点下的负载模型.在仿真模拟图中,母线B1为PV节点.虽然系统原型图在此处没有负载,可以使用SimPowerSys2tems中提供的三相RLC平行负载模块来模拟一个给定大小的负载.通过观测可以发现加在它上面的电压能达到该模块设置的电压额定值,负载吸收的功率与设定值相同.2)PV节点下的负载模型.然而在母线为PQ节点时,三相RLC平行负载模块就

18、不适用了.这是因为该模块中设置的有功、无功功率消耗,最终是通过块中的另外一个参数 额定电压,来进行换算,得到相应的电阻、电容和电感值来完成的.当母线为PQ节点类型,母线上的电压通常不会达到额定值,因此负载模块吸收的有功、无功功率也就不会达到额定值.然而在很多情况下系统都有输出恒定功率的负载.注意到Synchronous Machine pu standard模块可以做为同步发电机也可以做为模拟电动机系统.于是利用这一特性,通过对参数的设置,用电动机工作模式来模拟消耗恒定功率的负载.子模块实现如图4所示.图4 恒定输出负荷子系统与三相RLC平行负载模块不同的是此时吸收功率的设置是在Powergu

19、i模块中完成的,同时由Up2date Load Flow来完成机械功率和励磁电压的设置.3)仿真系统中负荷模块的特殊处理.然而上述电动机模型在仿真系统中依然存在一些问题,该负载只能与非电流源元件(如线路)相连.这是因为在SimPowerSystems仿真系统中,电动机模块是由等效电流源进行模拟的.而系统中还有其它使用电流源模拟的元件,比如变压器.那么当需要模拟负载通过降压变压器从系统吸收功率时,将二者直接连接.仿真系统会提示出错信息:两个电流源不能串联运行.也就是说在SimPowerSystems仿真系统中,不允许这样的元件串联运行.若需要和变压器等电流源元件串联运行时,可以在电动机的出口处并

20、上一个小负载,改变纯粹的串联结构,从而建立一个新的负载替代固定阻抗的负载模块,如图5所示.这样仿真系统就能正常工作了.图5 并联RLC支路的负荷模型将RLC支路负载的有功功率和无功功率设置得很小,在运行时虽然会引起误差,但误差非常小(约0.002%),所以对系统的潮流分析不会有太大的影响.用以上方法搭建的电力系统模型,可以使负载输出恒定在所设定的值,在这时观察系统的潮流变化发现,母线上的电压降落在 5%以内,满足系统对电压损耗的要求.这就使得潮流分析达到更理想的值.4 结论本文运用MAT LAB中的SimPowerSystems工具箱搭建简单电力系统模型,并在Simulink环境下对系统动态过

21、程进行仿真.同时指出,可以利用系统工具箱中的Powergui模块进行简单的潮流分析工作.这种潮流分析方法建立在对系统(下转第34页)03长 沙 电 力 学 院 学 报(自 然 科 学 版)2004年8月第四步:改变三相电压的不平衡度,重复第二步、第三步,测取空载、负载情况下各短路线匝所对应的Q、S、W值.共测取640个数据时,用它们训练模糊神经网络.模糊神经网络训练好后,即可投入在线监测.4.2短路匝数的在线监测在电机空载、负载、三相电压平衡、不平衡等各种工况下,任意投入短路线匝,诊断系统测取Q,S,W的值并在线计算出具体短路匝数.表1、表2为A相部分数据.表1三相输入电压平衡时A相短路匝数测

22、量值与实际值SWQ测量的短路匝数实际短路匝数误差000.052330000.075660000.12012120000.1511918+10.300.0473300.300.0666600.300.1031312+10.300.131718-10.600.043300.600.0546600.600.089121200.600.1161718-1表2三相输入电压不平衡度为4%时A相短路匝数测量值与实际值SWQ测量的短路匝数实际短路匝数误差00.040.08333000.040.10166000.040.1381112-100.040.161181800.30.040.0793300.30.04

23、0.08856-10.30.040.113121200.30.040.1371918+10.60.040.0693300.60.040.0736600.60.040.102121200.60.040.1221918+1 由上表可看出,该方法可较准确地在线监测短路匝数.5 结论本文针对定子绕组匝间短路故障,提出了一种基于派克变换和模糊神经网络的短路匝数在线监测方法,试验结果表明该方法有较高的诊断精度,本方法也同样适合于其它类型电机的匝间短路故障监测.参考文献:1沈标正.电机故障诊断技术M.北京:机械工业出版社,1996.2何雨傧.基于不平衡电流的电机定子故障模糊诊断方法J.中国电机工程学报,19

24、96,(3):1352137.3王旭红.高压异步电机状态监测和故障诊断方法研究J.电力自动化设备,2001,(7):22226.4王旭红.电流监测在笼型异步电动机转子故障诊断中的应用J.长沙电力学院学报(自然科学版),2002,17(3):41243.5王旭红,彭建春.笼型感应电动机定子故障诊断分析J.长沙电力学院学报(自然科学版),2001,16(4):42245.6王耀南.计算智能信息处理技术及其应用M.长沙:湖南大学出版社,1999.7 Penman J,Sedding H G,Lloyd B A,et al.Detection and location of in2ter2turn s

25、hort circuits in the stator windingsof operating motorsJ.IEEETrans on Energy Conversion,1994,9:6522658.8 T ollyat HA,Lipo TA.Transient analysisof cage induction machines un2der stator,rotor bar and end ring faultsJ.IEEE Trans Energy Conver2sion,1995,10(2):2142247.9 Cardoso A J M,Cruz S M A,Foneca D

26、S B.Inter2turn stator windingfault diagnosis in three2phaseinduction motors,by Parks Vector Ap2proachJ.IEEE Trans Energy Conversion,1999,14:5952598.10 Kurt Homik.Approximation Capabilities of Multilayer Feedforword Net2workJ.Neural Networks,1991,4:2512257.(上接第30页)动态仿真基础上,具有相对简单,分析结果更接近实际系统的优点.此外,本文中

27、重点讨论了在使用不同节点类型情况下,负载模型仿真的方法和注意事项.参考文献:1王守相,刘玉田.电力系统潮流计算研究现状J.山东电力技术,1996,5:8212.2华智明.电力系统稳态计算M.重庆:重庆大学出版社,1996.3黎平.基于MAT LAB的励磁控制系统性能分析与设计的软件开发J.东北电力学院学报,2000,12(4):24229.4陈衍.电力系统稳态分析M.北京:中国电力出版社,2002.5 Hydro2Qubec.Transnergie Technologies EB/OL.SimPowerSystemsFor Use with Simulink.http:/computing.ee.ethz.ch/sepp/matlab26.5r13sp12mo/pdf-doc/physmod/powersys/rn.pdf.43长 沙 电 力 学 院 学 报(自 然 科 学 版)2004年8月