基于Power World Simulator的汉中电网建模与仿真.docx

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1、基于Power World Simulator的汉中电网建模与仿真基于Power World Simulator的汉中电网建模与仿真 田银刚 ：了解可视化电力系统设计的基本思想及发展情况，介绍了Power world Simulator的基本功能和使用方法，以汉中电网的简化模型为例,搭建可视化电网模型，实现单机版的可视化电力系统设计；根据汉中电网的模型完成了系统参数的设置，并进行系统潮流计算的可视化分析，对电网的各种故障进行系统潮流的可视化的运行分析。通过汉中电网实例的分析及运行，验证了该软件的合理性与有效性。 ：Power world Simulator、建模，仿真，潮流计算、汉中电网、可视

2、化、短路故障 第 1 页 共 60 页 abstracts: Power world Simulator 13 version of the basic functions to simplify the model grid Han zhong framework through Power world Simulator 13, visualization grid model, to achieve a single version of the visual design of the power system, according to the grid Han zhong mode

3、l completion of the set of system parameters for the calculation of flow visualization, and the failure to carry out a variety of Power Flow visualization analysis of the operation. Key word : Power world Simulator, a computer calculation of the trend, Han zhong grid, visualization, short-circuit fa

4、ult 第 2 页 共 60 页 目录 1 Power world simulator的软件介绍 . 2 1.1电力系统可视化技术 . 2 1.2Power World软件介绍. 3 1.3 电力系统建模. 4 1.3.1电力系统单线图 . 4 1.3.2仿真环境和参数设置 . 7 1.4软件主要功能模块 . 8 1.4.1潮流计算(PowerFlow). 8 1.4.2故障分析(Fault Analysis) . 9 1.4.3电压稳定性分析(Voltage Stability) . 10 1.4.4最优潮流(OPF/SCOPF) . 10 1.4.5事故分析(Contingency Ana

5、lysis) .11 1.4.6线性分析(Linear Analysis) .11 1.4.7可用传输容量分析(ATC) . 12 2。计算机潮流计算 . 13 2.1潮流计算问题简述 . 13 2.1.1潮流计算的发展史 . 13 2.1.2潮流计算的发展趋势 . 14 2.1.3潮流计算的意义 . 14 2.2潮流计算问题的数学模型特点 . 15 2.2.1电力网络方程 . 15 2.2.2节点电压方程 . 15 2.3 潮流计算方法的分析 . 16 2.3.1 潮流计算方程和约束条件 . 16 2.3.2 节电分类. 17 2.4 计算机潮流计算的方法 . 18 2.4.1迭代法. 18

6、 2.4.2 高斯-塞德尔迭代法 . 18 2.4.3 牛顿-拉夫逊法 . 19 3汉中电网建模与分析 . 25 3.1汉中电网现状分析 . 25 3.2汉中电网电力系统现状 . 25 3.3汉中电网的电源建设 . 26 3.4 汉中地区电网电力平衡 . 26 3.5汉中电网存在主要问题 . 28 3.5.1解决汉中电网紧张问题 . 29 3.5.2解决汉中电网可靠性弱与稳定性弱问题 . 30 第 3 页 共 60 页 3.6 参数的设置. 30 3.6.1变压器参数的设置 . 30 3.6.2 线路参数的设置 . 38 3.7 电网的运行与分析 . 42 3.7.1 潮流运行. 42 2）潮

7、流运行图分析 . 44 3.7.2 潮流列表. 44 3.7.2 功率潮流列表图 . 44 3.7.3 潮流故障分析 . 44 3.7.4 QV曲线分析图 . 46 英文资料53 中文翻译 . 53 第 4 页 共 60 页 引言 长期以来，在高等院校和电力系统相关部门中都开发了一批完善、可靠的分析计算软件，但这些软件大多是基于文本操作界面，需按一定的文本格式进行数据的输入输出，当系统达到一定规模时，这样做就变得复杂而且容易出错，计算结果也不直观。随着计算机技术的不断发展，操作可视化是当前电力系统计算分析软件的发展趋势和追求目标。迄今为止,国际上已有不少学者开展了将计算机图形引入电力系统潮流计

8、算软件的工作。 可视化电力系统是目前电网的研究方向之一，是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。它使程序的使用变得简单、直观，其面向对象的技术使程序代码易于开发、管理、扩充和移植，是今后电力系统分析、仿真程序的发展趋势。 美国伊利诺伊大学电气及计算机工程学院的开发的 PowerWorld Simulator电力系统仿真可视化软件可直观形象地显示电力系统的运行情况用户可以建立、更改各种电力系统模型及参数，在仿真器中进行各种操作，从而对模型进行潮流分析、故障分析及经济运行分析等阐述仿真器强大的功能和操作简易的特点，并与其他仿真软件进行比较，通过在PowerWodd Simulat

9、or中实现仿真算例，分析比较仿真结果，证明了PowerWodd Simulator的准确性，以及在电力系统行业的应用前景 PowerWorld Simulator强大的可视化仿真功能和简易的操作，使其成为电力工业界及学术界对系统进行仿真的极佳工具PowerWorld Simulator通过不断对潮流求解，实现对电力系统的动态模拟应用PowerWorld Simulator电力系统可视化软件更能形象生动地理解电力系统的概念、运行、及控制等随着计算机技术的不断发展，操作可视化将成为电力系统计算分析软件的发展趋势和追求目标，在电力系统和相关行业都将有很好的应用前景 PowerWorld Simula

10、tor是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序，其设计特点是用户界面友好以及优异的交互性能。交互能力和可视化方法使它在胜任严谨的电网运行分析的同时，还可以用来向非专业人员阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。V11.0版的Power WorldPowerWorld Simulator集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC，最优潮流OPF、无功优化，GIS 功能、电压稳定分析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体，并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。使用方便、功能强大、可视化程度相当高。ower Power

11、World Simulator提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行状况的变化。这项功能在解释例如电网扩建引起网络结构变化等问题上十分有用。PowerWorld Simulator可视化分析程序还具有一体化的经济调度、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子(PTDF)计算、短路计算和故障分析的强大功能，所有这一切都通过一个主界面来实现。 第1页 共 60 页 1 Power world simulator的软件介绍 1.1电力系统可视化技术 引言可视化技术是20世纪XX年代初期随着计算机技术的发展而出现

12、的一门新兴技术，它融合了计算机技术中的图形学、图像处理、数据管理、网络技术和人机界面等诸多分支。利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示，反应客观世界的本质和内在联系，从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。10多年来，可视化技术在很多领域如研究流体力学、气象预测与分析、高分子生物合成、医学图像虚拟再现取得了广泛的应用并获得了巨大成功，而科学可视化在电力系统中的应用仍处于研究和初步应用阶段。 XX年代，电力系统市场化席卷全球。这时的系统更加复杂，数据成倍增加,可视化的要求也愈加迫切。这方面的研究工作比较突出并且广泛应用于实践的首推美国学者Thomas Jeffrey

13、Over bye教授和Mark James Laufenberg博士，其研究课题组和掌管的Power World公司开展了电力系统可视化的系列研究工作，在其提出的电压等位线(contouring)显示技术的基础上，对节点数据、线路数据、稳定域的算法和显示进行了可视化研究。主要分两个方面：其一是侧重于大型复杂电网规划、运行和调度控制的工程应用，其二是针对电网技术培训、演示和教学。国内这方面的研究还处于萌芽阶段，主要是将电力系统与地理信息系统有机地结合起来，在地理图上真实地显示电力系统的运行状态。研究中利用传统的静态安全分析和故障排序方法，第2页 共 60 页 实现静态安全分析数据的可视化和稳定运

14、行域的可视化。可视化研究只有在和所研究的领域有机融合后才能发挥其优势，大量的研究也证明了这一点，将系统数据不加处理而简单地利用图形显示的做法是低效的.电力系统可视化技术不是为了可视化而可视化，电力系统可视化基本原理在于：一幅生动逼真的画面可以表达很多数字才能表述的信息。可视化软件的应用是为了将大量数字表述的信息用图形方式表达出来，而且更为重要的是：数字间的潜在联系也可能通过图形信息更清楚的体现，对计算所得到的海量数据进行数据挖掘和综合，发现其内部的本质联系以得到可准确反映系统状态的简洁指标，并以正确的方式予以可视化显示才是可视化技术在电力系统中应用的真正内涵。无疑地，美国伊利诺斯(Illino

15、is)大学学者Thomas Jeffrey Over bye教授和Mark James Laufenberg博士开发的Power World大型电力系统可视化程序及其各种附加专业软件包以其庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术赢得了科研机构、电网规划以及调度和运行人员的格外亲睐。这套软件已经应用到42个国家的300多个国家级电力公司的规划、运行、调度和培训。 1.2Power World软件介绍 Power World是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序，其设计特点是用户界面友好以及优异的交互性能。交互能力和可视化方法使它在胜任严谨的电网运行分析的同时，还可以用来向非专业人员

16、阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。V11.0版的Power World集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC，最优潮流OPF、无功优化，GIS功能、电压稳定分析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体，并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。使用方便、功能强大、可视化程度相当高， Power World可视化程序确切地说是多个产品的集成。它的核心是一个综合的、强大的潮流计算的软件，它可以有效地求解多达100,000个节点的大型复杂电力系统。这使得Power World作为一个独立的潮流分析软件包十分有用。与其他同类

17、商业应用软件不同的是：Power World允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。用户可以运用可视化分析程序个性鲜明的示例编辑器对模型任意进行修改直至满意。在Power World可视化分析程序中，输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及其各种功能切换以及联络线的建立等等，这一切只需点击鼠标就可完成。此外，图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解.并且知道如何采取补救措施。 Power World提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行状况的变化。这项功能在解释例如

18、电网扩建引起网络结构变化等问题上十分有用。Power World可视化分析程序还具有一体化的经济调度、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子(PTDF)计算、短路计算和故障分析的强大功能，所有这一切都通过一个主界面来实现。 Power World可视化分析程序的上述特性被集成在一起，在软件安装完毕后即可领略到它的庞大功能。 帮助和查错工具。Power World仿真器允许用户用几种不同的格式存储工程。选择主菜中File中的Save As项可出现对话框，在对话框左下角存储文件类型一栏中可选择所需的保存格式。仿真器能以二进制格式，PTI版本V2330所用的原始数据类型、IEEE通用格式和GEE

19、PC等格式来存储工程。 编辑面板包括一些工程编辑工具。可剪切或复制单线图上的单个设备或原件并把它粘贴在原图或其他图中。同样也可通过通常的选取操作或矩形框对一组元件进行相同的操作。用插入面板按钮可在现有的单线图上添画新组元。这些组元包括电力系统的元件如节点、输电线、变压器、负荷、发电机和“地区(AREA)”,“区域”以及诸如“饼图(PIECHART)”等提供测量、标注和咨询信息的框件。也可添加文本框或矩形、椭圆形、弧形等形状的显示框，而这些均与系统中其它设备无关。 通过格式面板可改变字体、颜色、线型、图形放大比例及其原件所属层次等。也可设定不同绘图参数的缺省值，并在必要时重设这些值。为显示复杂的

20、电力系统运行图，Power World可视化分析程序可放大和移动单线图。可在图像缩放面板中直接指定放大的尺寸，也可通过选定图第3页 共 60 页 中某一矩形区域来设定放大倍数。本栏包含一对话框.可以通过它选择以某一母线为中心显示单线运行图。 通过选项/信息栏提供母线运行信息浏览、全网潮流浏览和指定母线或线路潮流运行信息、静态安全分析、可用传输容量ATC计算、短路电流计算、各种灵敏度分析、电气岛分析、网损计算、功率传输分布因子计算、强制潮流设置与计算、地理信息功能加载、制作影视剪接，负荷和出力调整等高级功能。仿真栏提供仿真所采用的各种算法，包括极坐标和直角坐标的牛顿拉夫逊法、快速解耦算法、单步法

21、、交直流系统混合潮流计算、鲁棒性潮流加速计算、最优潮流计算、潮流计算启动终止设置和不收敛的处理办法以及脚本文件的相关处理。最优潮流栏提供常规最优潮流计算、考虑各种运行约束和经济约束的最优潮流计算以及相关参与最优潮流的系统各种原件参数的设定和修改。 电压安全性和稳定性分析工具以内置的牛顿一拉夫逊法进行的潮流计算为基础，允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解，从而得到给定节点的PV或QV曲线。电压安全性和稳定性分析的目的是在用户定义的传输容量自动增加时允许用户监视系统的任一参数。电压安全性和稳定性仿真计算结束后用户可用可视化仿真曲线显示所监视的参数。 除了上述各功能，Power World可视化

22、分析程序还提供方便快捷的局部菜单，主要有限值监视设定、越限后文本区自动改变颜色、可视化显示内容和参数设定、全屏切换显示和分屏耦合显示、快速查找和定位、鹰眼漫游、负荷预测可视化、考虑气候变化的系统运行状态分析、用户自定义界面、新的插入模板、母线颜色自动选择、动画率可调、饼图和线路颜色的协调等功能。另外还包括潮流计算收敛性加速算法设定、缺省绘图值功能、过滤选项、常用表达的定义、移相器建模、直流线路建模、在线帮助、系统数据导入导出、自动插入和外挂用户自编程序扩展标准接口等高级功能。 1.3 电力系统建模 1.3.1电力系统单线图 对任何一个电力系统进行分析前，必须准确地对其建模。在Power Wor

23、ld软件中，通过创建单线图来实现建模功能，并且保存建模参数到后台数据库，这是可视化分析的前提条件。电力系统单线图建模在EDITMODE完成，其过程如下： 1)创建工程示例从File栏选取New Case项，创建一个新的工程示例文件。 2)添加发电机元件 从Insert栏中点击选择发电机或直接点击发电机图标，在与该发电机连接的母线处点击左键，则弹出发电机信息对话框，填入发电机相关信息，再单击确定，然后适当调整发电机位置，则发电机添加完毕。 第4页 共 60 页 图2.7单选发电机模型 图2.8添加发电机 3)发电机选项对话框详解该对话框是用来查看和修改和系统中每条发电机相关联的参数。它也能用来插

24、入新的发电机，删除现有的发电机。编辑模式下的发电机信息对话框和运行模式下的发电机信息对话框是完全相同的. 母线编号：1和999之间的可以用来识别附在发电机上的母线一个数。下拉列表列举了示例中所有满足由区域/地区/所有者筛选所确定的标准的发电机的母线。用户可以直接从下拉列表中选择一个母线编号，或者用户可以利用旋转按钮循环通过发电机母线列表来选择。 母线名字：附在发电机上的母线的一个字母标识符，可以有多达八个字符组成。利用下拉框和有效的区域/地区/所有者筛选一起来查看示例中所有发电机名字的列表。 ID：文字和数字的ID可以用开区别和母线相连的多个发电机。匹配值是1。 燃料类型：这个模型表示发电机所

25、用的燃料类型。在大多数示例中，对于正常的负荷潮流分析该字段时多余的，因此匹配值是未知的但是在考虑安全性的最优潮流分析中要用到该值。 机组类型：表示发电机机组的类型，例如联合循环、蒸汽、水等。 按编号查找：通过编号和ID来查找一个发电机，把编号键入母线字段，把ID键入ID字段，并点击该按钮。 按名字查找：通过名字和ID来查找一个发电机，把名字键入母线编号字段，把ID键入ID字段，并点击该按钮。 高级查找：如果不知道正在查找的确切的发电机的编号或名字，点击这个按钮打开高级搜索(advanced searchingine)。 状态：发电机的状态，既可以是闭合的，也可以是断开的。用户可以利用该字段来改

26、变发电机的状态。 区域名字：对终端母线区域的字母标识符。 第5页 共 60 页 端母线有相同的所有者：是只读选项，表明发电机和终端母线的所有者是否是同一个。 标签：点击该按钮将打开预定的别名对话框，该对话框列出了所有的标签或者为已选发电机指派的别名。 画面大小：发电机的大小。 依大小的比例决定宽度：如果选中该项，那么当改变画面大小时，画面宽度将自动按比例适当调整。如果不选该选项，那么改变画面大小时仅仅影响到发电机对象的长度。 画面宽度：显示对象的宽度。如果选中依大小的比例决定宽度，那么改变画面大小字段里值时，该画面宽度将自动设置。或者可以手动给画面宽度设置一个新值。 像素浓度：显示对象的浓度，

27、单位是像素 方向 确定所绘对象的方向。 瞄定 Anchored）：如果选中该项，那么对象将锚定到它的终端母线。 接到新的发电机：在数据方面，把对象链接到不同的发电机。 4)发电机有功及电压控制控制栏 图2.10发电机有功及电压控制信息 有功输出：发电机的当前有功出力。 最小和最大的有功输出：发电机的最小和最大的有功输出约束。如果做了实行有功约束选项，那么模拟器将不允许有功输出低于最小值或者高于最大值。 可用：确定发电机是否可用自动发电装置，通常应该选中该选项。但是，有时用户想要手动控制发电的输出，在这种情况下，用户应当不选择该项。任何时候用户手动地改变发电机的输出时，把发电机放在“手动”“ma

28、nual”控制上。如果希望发电机参与区域发电调度，那么可以把发电机放回到“on AGC”。z 实行有功约束：如果选中该项，发电机将实施最小和最大有功约束，倘若也选择了在Power World模拟器选项对话框 上的约束标签上的实施发电机有功输第6页 共 60 页 出。如果选中该字段并且一个发电机有功越限，那么会立即改变发电机的有功输出。 分配因子：分配因子是用来定义当发电机可用AGC并且区域是分配因子控制时的反应负荷的发电机的有功输出如何变化。当用户利用PTI原始数据格式打开示例时，该字段初始化为发电机每单位功率额定值。因此，分配因子信息并不以PTI格式保存。 有功斜率约束：当按次数运行仿真时，

29、发电机的每次步长不会超过该值，必须打开全局选项以遵守发电机斜率约束。 无功输出：发电机的当前无功出力。仅仅当没有选中Available for AVR时，用户才可以手动改变该值。 最小和最大的无功输出：确定最大或最小的允许的发电机无功输出。 可用：确定发电机是否可用自动电压调整。当选中该项时，发电机将自动改变它的无功输出以保持期望的终端电压在确定的无功范围之内。如果达到一个无功界限，那么发电机将不再能够保持其电压在设定值，并且其无功将保持在界限值恒定。 应用能量曲线：如果选中，那么发电机的无功功 率约束就确定应用无功能量曲线。无功能量曲线描述了发电机无功功率约束和其有功功率输出的依赖关系。因此

30、，将应用最小无功输出和最大无功输出字段里的固定值。发电机的无功能量可以用显示在对话框底部的表格来定义。更详细的信息请看发电机无功能量曲线。 调节母线编号：发电机正在调节的母线电压的母线的编号。通常是发电机的接线端母线，而并不一定是。多个发电机能调节同一个远程母线，但所调节的母线一定不是另外一个发电机的母线。如果发电机是松弛节点，那么它必定调节自己的接线端电压。选择Case Information, Others, Remotely Regulated Buses查看远动调节母线对话框，该对话框识别所有的能远动调节的母线。 定值电压：确定期望的发电机在调节母线调节的每单位定值电压值。调节母线不一

31、定是发电机的接线端母线。 远动调节百分比：该选项仅仅用于在不同的母线的多个发电机调节一个远动母线时。该字段确定远动母线维持其应有发电机供应的电压所需要的总的无功功率的百分比。匹配值时100%。如果总值不是100%，那么所有的将矫正所有的调节因子以得到一个调节百分比。 1.3.2仿真环境和参数设置 按上述讲解陆续将系统中各元件正确添加，并输入相关数据，调整外观，则完成了系统单线图的绘制。下面，就可以进行仿真参数设置了。从主菜单上选择OptionsSolution/Environment，打开如图2.29所示的对话框，就可以进行仿真环境和仿真参数设置。 该对话框的顶端有7个按钮，分别是：示例显示设置、消息日志设置。文件管理设置、仿真环境设置、极限管理设置、单线图设置以及潮流求解设置，点击其中任何一个按钮就可以单独打开一个标签页进行设置。 图2.29所示为潮流求解设置标签页。其中较重要的设置是：潮流计算算法选择、基准能力、允许误差、迭代最大次数、对电压控制的设置等等。 第7页 共 60 页 图2.29仿真参数设置对话框 1.4软件主要功能模块 1.4.1潮流计算(PowerFlow) 如图3.1，单击RunMode，进入运行模式，进行潮流运行调试。 图3.1 3.1转换到运行模式 在运行模式下，点击Play键，如图3.1，则开始按已设置好的参数运行潮流图。 图3.1 1)Po