1、李剑勇李剑勇 电力系统分析常用工具软件电力分析工具软件电力分析工具软件 电力系统是一个极度复杂和难解的系统，对其分析离不开电力系统分析软件的使用。现在国内外电力系统常用软件主要有PSASP(Power System Analysis Software Package)EMTP-ATP（Alternative Transients Program）PSSNETOMAC,PSCAD/EMTDC PSSE(Power System Simulator for Engineering)SIMPOW，MATLAB分析设计软件包，CYME等。PSASP（电力系统分析综合程序（电力系统分析综合程序）PSAS
2、P是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，它具有我国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包。交直流混合电力系统，固定模型库和用户自定义模型库支持，提供用户程序接口，实现与用户程序联合运行，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出。发展历史 1、自1973年开始的长期开发应用历史 1973-1980 早期的机器指令版 1980-1986 大中型机 FORTRAN 语言版 1986-1995 微机 DOS 版 1995至今 微机 Windows 版 2、全国各省市、香港地区电力规划设计、生产调度运行、科研教育等 超过400家用户 3、应用于多项大型电力系统工
3、程计算分析 4、应用于多所大学作为科研和教学的有力工具 5、1985年荣获首届国家科技进步一等奖 PSASP（电力系统分析综合程序（电力系统分析综合程序）基于公用数据和模型的三层体系结构 第一层：公用数据和摸型的的资源库第二层：基于资源库的应用程序包 第三层：计算结果库和分析工具 -极大地资源共享，高度集成和开放 PSASP（电力系统分析综合程序（电力系统分析综合程序）文本和图形两种录入编辑方式的电网基础数据库 1、是支持 PSASP 各种计算的公用数据 2、包含发电机、变压器、交流线、负荷、直流线、静止无功补偿器 等电网基本元件 3、有文本和图形两种数据录入编辑方式 4、可提供各种分析计算的
4、基本数据支持 5、可按地区、年度、运行方式从中抽取计算的基本数据 PSASP（电力系统分析综合程序（电力系统分析综合程序）直观方便、功能强大的用户自定义模型方法 1、可自由建立任何元件的模型（电源、负荷、各种控制保护装置、FACTS元件 等），作为各种计算的模型库 2、直观方便的文本和图形两种模型编辑方式 3、调用简单，计算快速PSASP（电力系统分析综合程序（电力系统分析综合程序）基于公用资源的交直流电力系统分析程序包 潮流 暂态稳定 短路电流 网损分析 电压稳定 静态安全分析 静态和动态等值 直接法暂态稳定 小干扰稳定 最优潮流和无功优化 参数优化协调 继电保护整定与仿真EMTP-ATP（
5、Alternative Transients Program）ATP是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包。ATP可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统。ATP具有很强的扩展能力，除暂态计算之外，还有其它一些重要的特性。12脉冲HVDC换流站模拟EMTP-ATP（Alternative Transients Program）系统原理（1）利用梯形积分法在时域内求解系统元件的微分方程。（2）非零初始状态的确定通过以下两种方式：由稳态相量解法自动确定或者由用户通过简单元件输入。（3）与TACS程序模块（控制系统的暂态分析模块）和MODELS（一种仿真语言）的接口能力可以模仿控制
6、系统和非线性元件，如电弧等。（4）可分析对称与不对称故障和扰动，如雷击浪涌、开关操作和包括阀换流等。（5）运用频率扫描方法计算相量网络的频率响应特性。（6）运用谐波频率扫描方法（谐波电流注入法）进行频域的谐波分析。（7）无电网络的动态系统也可使用TACS控制系统和MODELS语言来进行模拟。EMTP-ATP（Alternative Transients Program）EMTP-ATP广泛应用于开关和雷电冲击分析、绝缘配合和轴系扭振研究、继电保护模拟、谐波和电能质量研究以及HVDC和FACTS装置的模拟。典型的EMTP研究应用如下：雷击过电压研究 开关暂态与故障 统计和系统过电压研究 GIS和
7、接地系统的甚高速暂态过程 电机模拟 暂态稳定、电机起动 轴系扭转 变压器和并联电抗器/电容器开关 铁磁谐振 电力电子应用 断路器拉弧 FACTS设备：STATCOM、SVC、UPFC、TCSC等装置模拟 谐波分析、网络谐振 继电保护装置测试 EMTP-ATP（Alternative Transients Program）TACS 为进行控制系统时域分析的模块。最初开发TACS是为了模拟HVDC换流器的控制系统。TACS采用控制系统的结构图表示法。TACS可用于模拟：（1）HVDC换流器的控制系统（2）同步发电机的励磁系统（3）电力电子及其驱动（4）电弧（断路器和故障电弧）电网与TACS之间的接
8、口是通过信号量的交互：如节点电压、支路电流、开关状态、时变电阻、电压源和电流源等。EMTP-ATP（Alternative Transients Program）ATP-EMTP程序在运行时采用动态分配方法，以降低对系统硬件的要求（如内存）。尚无仿真规模的绝对限制。目前最大规模的仿真计算是在基于英特尔CPU的PC上进行的。下面列出了标准EEUG 程序仿真规模的限制情况。节点数：6000 支路数 ：10000 开关数：1200 电源数：900 非线性元件：2250 同步电机：90 PSSNETOMAC 德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日
9、益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的 FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。该软件元件模型全，仿真频带宽，运行与Windows环境下。潮流计算：可进行单相、三相潮流计算，计算时可以考虑负荷电压特性、变压器分接头、HVDC及SVC；也可进行电感、电容耦合的多相线路潮流计算，得到分布式多相线路上的电压随距离的变化曲线 暂态计算：分为电磁暂态计算和机电暂态计算。电磁暂态部分采用差分导纳法、变积分步长等方法和技巧有效地处理了开关操作产生间断点、非线性连接等问题；机电暂态部分可用自定义地负荷模型考虑频率、电压特性，自定义的继电保护断开线路仿真。在暂态计算中不同的时段可采用不
10、同的数学模型，可变积分步长功能：PSSNETOMAC 参数辨识和优化：在频域或时域内使用QuasNewton，Modified Powell或最小二乘法进行辨识；能在等式、不等式约束条件下对用户自定义的目标函数进行优化；能对发电机电压调节器的参数进行优化甚至可以解决一些较难优化的数学问题 频率响应：计算网络和电机的频率特性以便于为发电机励磁等的参数设计提供依据、计算无源网络的谐波分布、分析网络中出现的周期性干扰、研究与频率和电压有关的负荷的影响等 动态稳定性分析：应用收敛性较好的QR算法求出全部特征值，来判断系统在小扰动下的动态稳定性；若考虑发电机轴系方程后，也可进行次同步振荡的研究 面向模块
11、的仿真语言：采用模块化语言来模拟发电机励磁，原动机调速器、汽轮机等。具有80多种模块，其中有积分、惯性等基本积分环节，也有较大的组合模块 功能：PSCAD/EMTDC Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。已被广泛地应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。PSC
12、AD/EMTDC系统特点:PSCAD一个以图形为基础的电力系统模拟工具族，EMTDC 是一套基于软件的电磁暂态模拟程序,可以通过PSCAD 进行调用。EMTDC 的威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统,包括直流输电系统和其相关的控制系统。PSCAD/EMTDC典型研究:（1）研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压。它也能模拟变压器的非线性(即饱和)这一决定性因素。（2）多运行工具(Mnltiple mnfacilities)经常用来进行数以百计的模拟从而在下 列不同情况下发生故障时最坏的情况。故障发生在波形的不同位置，故障的类型不同，故障点不同。在电力系统中找出由于雷击发生的过电压。
13、这种模拟必须用非常小的时间步长来进行。(毫微秒级)（3）研究电力系统由于SVC，高压直流接入，STATCOM，机械驱动(事实上任何电力电子装置)所引起的谐波。这里需要详细的可控硅，GTO，IGBT，二极管等的模型以及相关的控制系统模型(模拟量的和数字量的二种类型)（4）对给定的扰动，找出避雷中最大能量。（5）调整和设计控制系统以达到最好的性能；多重运行工具常被用来同时自动调整增益和时间常数。（6）当一个大型涡轮发电机系统与吊联补偿的线路或电力电子设备互相作用时，研究次同步谐振的影响。PSCAD/EMTDC（7）STATCOM或电压源转换器的建模，(以及它们相关控制的详细建模)。（8）研究SVC
14、 HVDC和其它非线性设备之间的相互作用；（9）研究在谐波谐振，控制，交互作用等引起的不稳定性；（10）研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响；（11）绝缘配合；（12）各种类型可变速装置的研究，包括双向离子变频器，运输和船舶装置 （13）工业系统的研究，包括补偿控制，驱动，电炉，滤波器等；（14）对孤立负荷的供电；PSCAD/EMTDCPSSE PSSE是西门子PTI（Siemens Power Technologies International）公司提供的软件产品。PSSE是一个完整的电力系统分析软件工具库。该软件提供了一个非常优越的潮流计算，短路故障分析和动态仿真的环境.PSSE采用
15、最新的计算机技术和数值计算方法，提供与电力系统技术发展同步的元件模型，如传统和新型高压直流（HVDC）模型、灵活交流输电系统（FACTS）模型等，并提供用户可自定义的模型和用户可编程的计算过程等功能。PSSE系统特点:（1）输入数据方式及与其他程序数据文件共享的方便性；（2）程序缺省模型包括发电机模型、励磁系统模型、调速器模型、HVDC 模型、FACTS 模型、负荷模型等的完整性；（3）用户自定义模型功能和程序接口功能；（4）用户自定义计算顺序与用户自定义计算功能；（5）分析计算功能的多样性；（6）计算方法的透明性与文档的完整性；（7）国际交流的方便性。PSSE主要功能 PSSE OPF PS
16、SE OPF（用于电力系统工程的仿真器的优化潮流）是个功能强大，使用方便的电力网络分析工具。它突破了常规的潮流分析，为用户提供了全面优化和调整输电系统运行的能力。PSSE OPF完全嵌入在PSSE的潮流程序中，使得这种优化和调整更为容易。PSSE OPF把职能融入潮流求解过程中，大大提高了分析电力系统性能的效率。常规的潮流依赖于工程师系统地研究各个解后才能找到一个满意的“良好”解，而PSSE OPF直接改变各种控制从而迅速地确定“最优”解。几乎对于任何一个合理的初始点，OPF肯定能求得唯一的全局最优解，并同时满足系统 约束，使成本减少到最小或使系统性能最佳。PSSE OPFSIMPOW SIM
17、POW是一个完整的电力系统仿真软件。它涵盖了电力网络分析的各种应用领域，但其主要专注于时域和频域的动态仿真。用户可以利用编程语言进行自行设定仿真模型和计算方法，以便进行在线分析和工程研究。自从1971年开始，SIMPOW被应用于多个工程的交互研究，其中包含HVDC,HVDC照明，FACTS和风力发电等。SIMPOW 负荷潮流计算；短路计算；电力系统稳定性研究（同步稳定性，电压稳定性，暂态稳定性等）；负荷切除；负荷波动；原动机转矩异常；机电暂态；系统功能 同步谐振；电磁频域谐振分析；特征向量；特征值灵敏度；频率扫描；参数扫描和模态分析；谐波分析SIMPOW（1）电力系统潮流分析模块（Power-
18、flow analysis module）电力系统潮流模块基于频率，电压和电流，对于稳态对称的电路进行仿真。系统中采用动态算法或者牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）法进行潮流计算，并且针对变量设定了各种各样的约束条件。（2）动态仿真模块（Dynamic simulation module）在SIMPOW软件中包含两种动态模型：暂态稳定和瞬时值模型。每种模型都能模拟稳态，对称和不对称电力网络。暂态稳定模型通过交流系统相量和直流系统电压电流进行计算，输出正序，负序，零序分量。瞬时值模型计算瞬时电压和电流，输出dqo分量。SIMPOW软件提供了完整的动态仿真模块库，包含HVDC 和SVC
19、系统。（3）故障分析模块（Fault analysis module）故障分析模块用于仿真分析稳态对称和不对称故障，计算短路电流，序分量，节点短路阻抗等。（4）频域分析模块（Frequency domain analysis）SIMPOW可用以频域特征值计算和频域响应计算，这对于电机的小信号稳定和自动控制系统方面的研究将有莫大的帮助。典型模块与典型研究 MATLAB Matlab含有多个专业性的工具箱，其中主要用于电力系统分析的有EST(Educational Simulation Tool)，MatEMTP，Matpower，PST(Power System Toolbox)，PAT（Pow
20、er Analysis Toolbox），SPS（Sim Power Systems），VST（Voltage Stability Toolbox），PSAT（Power System Analysis Toolbox）等工具箱，而且工具箱还在不断增加，这些工具箱给电力系统的研究和工程应用提供了有力的工具。Matlab由美国MathWorks软件公司于1984年推向市场，历经十几年的发展和竞争，现在己经成为(IEEE评述)国际公认的最优秀的科技应用软件之一。该软件有三大特点:一功能强大;二.界面友好、语言自然;三.开放性强(仅MathWorks软件公司就推出30多个应用工具箱)，已成为应用科学
21、计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础。MATLAB工具箱标准潮流连续潮流最优潮流小信号稳定分析时域仿真电磁暂态图形化用户交互图形化电网搭建ESTMatEMTPMatpowerPATPSATPSTSPSVST电力系统分析工具箱功能对比 MATLAB-PSAT PSAT的核心是潮流计算程序，方便电力系统潮流计算以及对其的静态和动态分析。PSAT典型模块包括（1）连续潮流模块（Continuation power flow）；（2）最优潮流模块（Optimal power flow）；（3）小信号稳定分析（Small signal stability analysis）；（
22、4）时域仿真模块（Time domain simulations）（5）相量测量单元（Phasor measurement unit(PMU)placement）。MATLAB用于电力系统分析工具箱很多，仅以PSAT作为典型进行介绍 为了适应针对电力系统新元件、新问题的研究，PSAT 还提供了丰富的静态、动态模型库。PSAT还可以与GAMS和UWPFLOW程序进行交互，这更加扩展了PSAT的最优潮流和连续潮流分的析功能。CYME CYME 为一套专业电力工程软件，它以个人计算机及微软窗口(Microsoft Windows 操作平台，具便利性及亲和力，它结合优异之分析能力与先进之界面技术，是当
23、前多电力工程软件中，被公认具有高质量及高信赖的电力工程软件，它被许多电力公司、工业组识、顾问公司、研究机构及学校等选电力系统仿真之标准软件。CYME 包含以下分析工具:CYMTCC,Protective Device Coordination(保护装置协调的分析与研究保护装置协调的分析与研究)CYMGRD,Substation Grounding(变电所接地网设计与分析变电所接地网设计与分析)CYMDIST,Distribution System Analysis(分析平衡或不平衡一次配电系统分析平衡或不平衡一次配电系统)CYMCAP,thermal behavior(仿真电力电缆安置的热反应
24、仿真电力电缆安置的热反应)CYME PSAF(Power Systems Analysis Framework)CYMTCC,Protective Device Coordination(保护装置协调的分析与研究)CYMTCC 是以 MS Windows操作平台的保护装置协调软件包。主要是设计来帮助工程师从事过电流保护装置的协调用，是一个先进的工程分析工具。当前 CYMTCC 的设计适合于放射状系统(radial systems)。可用于工商业电力系统及电力公司的配电馈线。具备有图形化使用者界面，使本软件具有高使用效率及亲和力。CYMGRD,Substation Grounding(变电所接地
25、网设计与分析)CYMGRD 是特别设计来帮助工程师最佳化新接地网，及强化既设接地网用 适用于任何形状的新、旧接地网 以 MS Windows操作平台 具有容易使用(easy to use)、内建的(built-in)危险点(danger point)评估功能 具备友善的使用者信息输入界面，及强而有力的绘图功能 采用一般用途的有效的分析法则 是协助工程师达到技术考量健全，并符合经济设计的有效工具 CYMDIST,Distribution System Analysis(分析平衡或不平衡一次配电系统)CYMDIST 主要是设计来帮助工程师从事一次配电系统规划、运转及最佳化用，是一个先进的工程分析工
26、具当前 CYMDIST 的设计适合于含有多个发电源(generation sources)的放射状(radial)及环状(looped)一次配电系统 以 MS Windows操作平台 具有图形化使用者界面，使本软件具有高使用效率及亲和力 使用者可以图形创建馈线(feeders)或从 AM/FM/GIS 软件输入信息，并可直接从单线图上观看结果 可运行平衡或不平衡系统各相电压降计算、故障计算(故障电流及故障电压)、电容器最佳安置位置与容量决定、负载平衡及负载配置及透过与 CYMTCC 之界面孰行保护装置协调 CYMCAP,thermal behavior(仿真电力电缆安置的热反应)CYMCAP
27、是设计来仿真电力电缆安置的热反应(thermal behavior)。本软件包是由 CYME International、Ontario Hydro 电力公司及 McMaster 大学，在加拿大电气协会(Canadian Electricity Association)赞助下共同合作开发的。以 MS Windows操作平台。具备有强而有力的图形化使用者界面(GUI)、有效的数据库管理及广泛的图形化报表功能。CYME PSAF PSAF(Power Systems Analysis Framework)是一个新的集成性电力系统分析软件系列，它的基本架构系独立于仿真模块的型态与数量，这些家族成员(
28、仿真模块)都共用一个集成的电网设备数据库。PSAF 可运行广泛的电力系统分析工作如，电力潮流分析、紧急事故分析、电动机启动分析、短路故障分析、暂态稳定度分析、谐波分析等。其它其它 电力系统极其复杂，系统庞大，分析软件众多，本文仅列出一些典型进行介绍。其它还有很多，比如，Model and simulate electrical power systems(电力系统建模与仿真软件)、中国版BPA、GAMS（The General Algebraic Modeling System）、PSAPAC、PowerWorld、OTS（Digital operator training simulator）、EGEAS等等。总结总结1)EMTP和PSSNETOMAC都是世界范围通用的电力系统仿真软件，其特点为计算速度快、结果准确度高、功能强大，几乎可以对任何复杂电力网络进行模拟。2)PSSE是一个集成化的交互式软件，主要用于电力系统的潮流计算，界面友好，可与多种输出设备相连，输入输出可根据用户要求进行设计，它要求使用者有一定的编程基础，输入不如EMTP和PSASP方便。3)PSASP特点在于其使用简单，功能简单齐全，但计算模式有局限性，不易进行复杂模型的算法仿真。
