MATLAB在电力系统分析中的应用
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!#年第!期(总第$%!期)&()*+),*-().-/-&0山东电力技术%12(3.(4 在电力系统分析中的应用!#$%&()*+,+-.$!/$0,1+2#3 456*#7$,)&566彭淦榕,李 越,李忠诚,赵 娜,张晓洁5山东济南供电公司,山东 济南!#$!6摘要:介绍 2(3.(4 软件在电力系统中应用,以及 2(3.(4 环境下的动态仿真工具&789:7;?A&BCD8 4:EI9EC DF HGG:7EHD7;C J 2(3.(4 7;G?A CBCD8 H;H:BC7CK DF;DF J9;ED7;H;I JHD9A J&789:7;?A&BCD8 4:E;23(.(4M 3F;8HJ 2(3.(4K DF7C GHGA EHAA7C 9D DF8I:7;N H;I IB;H87E C789:HD7;J G?A CBCD8M 3F GAHED7E 7;I7EHDC DFHD 2(3.(4 7C H G?AJ9:D:HGG:7I D DF 8I:7;NH;I C789:HD7;J G?A CBCD8M:#5 2+3;69 CBCD8 H;H:BC7CO C789:HD7;8I:O C789:HD7;CJD?HA中图分类号:32PQ1文献标识码:(文章编号:$P11%5!#6!%1#引言随着电力工业的发展,电力系统规模越来越大,特别是随着互联网的出现,系统的节点数由原来的几十个上升到几百个甚至上千个。对于如此大的电力网络想用原来的手算方法进行电力系统的分析和计算已是不可能,我们必须借助于先进的计算机技术和强大的系统仿真软件进行复杂电力系统的分析和计算,从而加深我们对电力系统的理解,进一步指导我们在电力系统的工作。现在,可使用的系统仿真工具有 R23=、=&(&=和 2(3.(4 等。在=&(&=中,用户需要通过类似填写数据的方式自行设计和定义各种系统元件和控制装置,由于缺乏很好的图形输入界面,用户在使用中容易觉得枯燥乏味,从而失去了学习的兴趣,并且=&(&=通过用户自定义方法不适宜搭建算法非常复杂的模型,例如进行模糊控制的仿真就比较困难。在 R23=中虽然提供了强大的电磁暂态计算功能,但由于其中的模块以及算法缺乏很好的开放性,因此很难在此基础上进行二次开发。而在2(3.(4 中,电力系统模型可以在&789:7;环境下直接搭建,也可以据所研究对象物理模型建立其数学模型,并进行封装和自定义为用户自己的模块库,充分显现了其仿真平台的优越性。同时更重要的是,2(3.(4 提供了丰富的工具箱资源,以及大量的实用模块,在&789:7;AHDAB 复合生成的,原意是矩阵实验室。2(3.(4 环境 5或语言6 由美国的 V:W 2:A 博士于$1X 年研制成功,研制 2(3.(4 的初衷是使它具有强大的矩阵处理方面的功能。现代控制理论界的专家们面对高维数的控制问题,渴求一种比当时流行的高级语言更具有可读性的语言,因而 2(3.(4 语言的面世,首先被控制理论界的专家们所关注。同样,电力系统是一个相对复杂的、维数很高的系统,2(3.(4必将成为分析电力系统问题的强大而有效工具。加拿大魁北克电力公司的专家们首先作了此项工作,在 2(3.(4 环境下,开发了 2(3.(4 Y&789:7;:LU Y=?AL:ECD5即电力系统分析模块6,并建立了电力系统的相关设备库S!T。2(3.(4 语言以矩阵为基本的数据单位,它提供了强大的矩阵运算功能,几乎所有常用的矩阵运算,例如矩阵的加、减、乘、除、转置、求逆、分解、行列式等都有现成的指令。2(3.(4 还拥有顺序、选择、循环等结构控制语句,并配以大量的运算符,可以编写出符合结构化标准的具有面向对象特征的程序。2(3.(4 的工作环境包括命令控制窗口、程序编辑器等,用户既可以通过命令控制窗口直接执行命令,也可通过建立 2(3.(4 脚本文件或函数!#年第!期(总第$%!期)&()*+),*-().-/-&0山东电力技术#文件执行程序中的命令。1(2.(3 系统主要包括以下五个部分4!1(2.(3 语言 1(2.(3 语言是一种包括控制流语句、函数、数据结构、输入 5 输出和面向对象编程特性的高级语言,它以矩阵作为基本的数据单元,既可以快速创建小程序完成简单运算,也可以为了复杂应用,编写完整的大应用程序。1(2.(3 工作环境1(2.(3 工作环境主要包括一系列完成如管理工作空间的变量、数据输入 5 输出、1 文件 61(2.(3 的应用程序7 的生成、调试、解释的工具。#图形句柄图形句柄是 1(2.(3 的图形处理系统,其中既包括二维、三维数据的可视化图形表示、图象处理的直观显示的高级命令,也包括定制图形显示、创建应用程序完整的图形用户界面(,0-)命令。$1(2.(3 数学函数库该库收集了巨量的数学函数及算法,从简单的数学函数如 89:、8;?8;=和复数运算,到复杂的函数如矩阵求逆、求特征值、3=88=函数、AA2。%1(2.(3 应用程序接口((B-)它是一个允许用户编写与 1(2.(3 交互的 C 和 A+D2D+)程序的库,包括从 1(2.(3 中调用程序、调用1(2.(3 作为计算引擎和读 5 写 1(2 文件。总体来说,1(2.(3 是一种数值型计算软件,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图象处理等功能于一体,具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强等优点。其已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。!仿真工具#$%(1(2.(3 提供的动态系统仿真工具&;:9;E,是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种,用来对动态系统进行建模、仿真和分析,它支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统,也支持多变量、多速率系统。&;:9;=7、接收模块库 6&;E87、连续系统模块库6C?G;F=GG=7、数学运算模块库 61HGI+J=FHG;?87、信号路由选择模块库 6&;KHD?9G;K7、端口和子系统模块库 6B?FG8 L&9M8N8G=:87等等。用户根据需要可以从模块库中选择所需要的模块来组成自己的系统O 也可以封装自己的模块,自定义自己的模块库,以实现系统的仿真分析。&;:9;E 为用户提供了用方框图进行建模的模型接口,它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。用户只需用鼠标选中各模块,并放进新建的模块图,最后用连线将各模块连接起来,即完成对特定系统模型的创建。定义完模型以后,用户可通过&;:9;E 的菜单或 1(2.(3 的命令窗口键入命令来进行仿真。同 时,D2P6D=H 2;:=P?FE8I?J7还 可 对&;:9;E 模块提供 C 代码生成功能,所以用户可以通过&;:9;E 建立系统模型,并针对不同的参数进行动态仿真,通过参数的不断调整优化,找出系统最佳实现模型参数,此时,可以通过 D2P 模块直接生成相应的 C 语言程序,并且此程序是经过优化的,因此利用此种功能可方便、快捷地实现系统开发,其大部分工作均可在&;:9;E 环境中完成,最后只需将生成的优化 C 代码嵌入系统。从某种程度上说,&;:9;E8=G 以下简称 B&3)主要是由加拿大的NSF?T9=M=和 2UC&-1-G=FHG;?H 公司共同开发的,其功能非常强大,可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真,它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式,然后在&;:9;E 下进行仿真分析。1(2.(3 建模还可以直接调用 B&3 中的电气模块。B&3 含有丰富的元件模型,几乎提供了组成电力系统的所有元件,包括电力系统网络元件,机电设备、电力电子器件,控制和测量环节以及三相元件库等,信号显示、模块连接等模块一般可以在&;:9;E 工具箱中找到。同时 B&3 提供了图形用户界面 6B?R=F,0-7,它可以使电路稳态分析得到简化,并且 1(2.(3 中的 J?R=F!8N8 函数可以将电路仿真结果转换为(、3、C、*四个矩阵表示的状态变量形式,实现对仿真结果的计算和分析。!#年第!期(总第$%!期)&()*+),*-().-/-&0山东电力技术#$图!涡轮调节系统接线图这种方法使得复杂的建模问题变得极为简便,用户只需在模型库里找到相应的电气元件,通过图形界面输入元件参数,即可完成相应元件的建模;再通过拖、拉等方式把所需元件组合起来,即可完成系统建模;再设置一定仿真参数,即可进行系统仿真分析。!仿真算例为了更好地说明 1(2.(3 在电力系统中的应用,以下我们通过1(2.(3 搭建一个两机系统,并通过仿真分析来研究电力系 统 稳 定 器 4&(45678&9:;7?AB78)和静态无功补 偿 器&CD(&;=;EC=8 D5F7G:=;58)对这个两机系统暂态稳定性的影响HIJKH%J。在 1(2.(3 中搭建的系统结构如图$所示。系统描述如下:发电机 1$为一台$1L 的水轮发电机,它通过一条 M 千米、#NC 等级的输电线路连接到负荷中心(#1L 的电阻性负荷),负荷由远端的$1L 电厂和本地的#1L发电机 1!同时供电;输电线路传输O#1L 的 功 率 接近 其 自 然 功 率(&P8Q7AF7R=GE7.5=RGQ)OMM1L;为了维持系统在故障后的稳定性,输电线路在其中点处并联补偿了一台!1S=8:静态无功补偿器&CD;两台发电机的涡轮调节系统都是由水轮机和调速器、励磁系统以及电力系统稳定器三部分组成,如图!所示。!#单相接地故障(考虑$%的影响,不投%&)仿真目的:在此系统不投入静态无功补偿器(&CD)时,分析和研究电力系统稳定器(4&)对该系统稳定性的影响。仿真条件:利用 T=PA;387=U78模块在;V W$:产生单相接地故障,并于;V W!:图$两机系统接线图!#年第!期(总第$%!期)&()*+),*-().-/-&0山东电力技术#!图%三相故障仿真结果1考虑&23 的影响,投入 4&5时排除故障。仿真结果从转子角差(67879(:;?=9=:A=)、发电机转速(&B=C 7?DEAF:=)和&23 节点电压三个方面进行比较分析,结果如图 G 所示。第一条轨迹为两台发电机的转子角差曲线,当这个角度达到 H 度时,功率传输达到最大值;如果转子角差长时间地超过 H 度,发电机将失去同步,系统趋向不稳定,如图中虚线所示。第二条轨迹为发电机 D$的转速曲线,可以观察到在故障期间由于发电机的电磁功率低于机械功率,导致发电机D$的转速增加。第三条轨迹为&23 节点电压曲线。从图 G 的仿真结果可以看出在不投入&23 时,4&对系统稳定性影响。!#三相接地故障(考虑$%&的影响,投入$)仿真目的:在发生严重的紧急故障时,分析和研究静态无功补偿器(&23)对电网稳定性的影响。仿真条件:利用 IEJ8 K9=EL=9 模块在 8 M N$O 产生三相接地故障,并于 8 M N!O 时排除故障。仿真结果从转子角差(67879(:;?=9=:A=)、图 G单相故障仿真结果1考虑 4&的影响,不投&235!#年第!期(总第$%!期)&()*+),*-().-/-&0山东电力技术#111111111111111111111111111111111111111111111111(上接第%1 页)发电机转速(&2334 56 789:;节点电压和&=电纳四个方面进行比较分析,结果如图%所示。从转子角差曲线可以观察到,在没有投入&=时,故障清除后两台发电机很快失去同步,系统趋于不稳定,如图中虚线所示;当投入&=时,故障清除后两台发电机通过阻尼震荡恢复同步运行,系统趋于稳定,如图中实线所示。从图%的仿真结果可以看出&=对系统稳定性影响,在稳态时,&=处于漂浮状态(即不工作),一旦节点电压偏离其参考值,&=将向输电线路注入无功功率进行电压补偿。!结论本文简述了 7(?.(软件在电力系统中应,并以 7(?.(为仿真平台进行电力系统建模动态仿真分析,充分显现出 7(?.(软件的优性。并且,7(?.(将计算过程建立在最基本的路原理和微分方程的求解基础之上,将电磁过和机电过程同步计算,这使仿真非常细致,可以映出很细微的变化。实践表明,7(?.(是进行力系统建模仿真和系统分析的一个强有力的实工具。$参考文献:A$B李宏伟 梁 军贠志浩等 C 基于 7(?.(的多机电力统建模与稳定性分析 C 继电器 C!%D 1!E$#FG HI J K%CA!B陈桂明 张明照 戚红雨 张宝俊 C 应用 7(?.(建模与仿真 C 北京:科学出版社D!$A1B LM(N0)*0M C L5O3P&QRS3T&S8U;V;SQ 85WSP5VC 北京:中国电力出版社D!$A%B 李光琦 C 电力系统暂态分析 C 北京:中国电力出版社D$II#(收稿日期:!%J$J$K)作者简介:彭淦榕女$IHI 大学本科 助理工程师 主要从事继电保护技术监督和运行管理工作化率XC17YZT;M)功率、主汽压和给煤量的记录曲线,因锅炉蓄热较大,给煤量虽减少较快,但主汽压力跟踪较慢,最大动态偏差在 C$7L8 左右。图%是机组由$7Y 摆动到$!7Y 的曲线,主汽压力最大动态偏差在 C I#7L8左右。图#是机组!小时内主要参数的变化曲线。结论从里彦电厂!$1#7Y 机组的调试与投运结果看,负荷变化率小于 C!7Y Z T;&采用修正的直接能量平衡控制方式还是行之有效的,尤其是在机组运行较稳定的情况下,可保证主汽压力在 X C!7L8 范围内波动。当负荷变化率大于C!7Y Z T;时,主汽压力波动较大,负荷跟踪也不理想。所以,大容量的循环流化床锅炉适合带基本负荷,参与调峰调频的能力差。$E收稿日期:!%J$J!$)图#机组!小时变负荷过程
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