电力系统仿真软件DIgSILENT介绍.pdf
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1、电力系统仿真软件DIgSILENT介绍吕 涛,韩祯祥(浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州 310027)摘 要:介绍了德国DIgSILENT公司的大型集成化电力系统仿真软件的主要功能、特点和应用。提供了电力系统各个方面的分析功能。高度图形化的操作模式和全新的数据管理理念使它区别于众多的电力系统分析软件,具有独特的优点。关键词:电力系统;仿真软件;DIgSILENT中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:100129529(2004)1220037205Introduction of power system simulation softw are DIgSILENTLU Tao
2、,HAN Zhen2xiang(School of Electrical Engineering,Zhejiang Univ.,Hangzhou 310027,China)Abstract:The major functions,features and application of the large integrated power system simulation software designed byDIgSILENT Company of Germany were introduced.The software has analytical functions for every
3、 aspects of power systemand is distinctive fromother power system analysis software for its high degree graphic operation mode and new data manage2ment concept.Key words:power system;simulation software;DIgSILENT 电力系统仿真软件DIgSILENT的名称来源于数字仿真和电网计算程序(DIgital SImuLation andElectrical NeTwok),最早的开发始于1976
4、年。自1993年开始,DIgSILENT开始全面引入面向对象编程技术和数据库概念,并对算法和元件模型进行了较大改进,形成了代表性的10.31版本。该版本允许用户在单一的数据库中创建详尽的电力系统元件模型(包括稳态、时域、频域等计算用的一系列参数),不需再像一些电力系统分析软件那样采用不同的软件包进行相应类型的电力系统仿真计算(例如输电、配电、发电或工业应用)。现在最新的DIgSILENT 13.0是在10.31版本基础上的进一步发展,成为DIgSILENT电力系统仿真程序新一代的代表。1 主要功能1.1AC/DC潮流计算DIgSILENT可以描述复杂的单相和三相AC系统及各种交直流混合系统。利
5、用DIgSILENT进行潮流计算时,通过指定发电机、异步电动机、负荷等系统元件的特性来确定与之相连的母线在潮流计算中相应的属性,这样就能够以简单的操作方式模拟复杂而真实的系统。例如,在某一母线上同时存在恒定PQ负荷、异步电动机负荷以及与电压相关的负荷时,可以通过分别指定这3个元件的特性来确定该母线的综合负荷特性,但这一母线已不再是传统意义上的PQ节点了。当然,传统的指定SL/PV/PQ节点(母线)的方法也可以通过建立相应的元件并指定其特性来实现。此外,程序还提供了多种远程控制模式,例如多个发电机共同控制系统频率或母线电压等。DIgSI2LENT以更加接近实际情况的方式执行网络的控制模式,使操作
6、和计算均得到简化。潮流求解过程提供了3种方法以供选择:经典的牛顿 拉夫逊算法、牛顿 拉夫逊电流迭代法和线性方程法(直接将所有模型作线性化处理)。迭代次数和允许误差可以根据计算需要具体指定,默认值分别为25次和所有母线功率误差均小于1 kVA。程序也采用了优化的稀疏矩阵存储技术。当潮流计算遇到不收敛的情况时,程序会自动将非线性的元件模型逐步线性化(主要是将所有负荷逐步转变为恒定阻抗,将非平衡节点发电机转变为带内阻抗的简单电压源),进而得出计算第32卷 第12期2004年12月华东电力East China Electric PowerVol.32No.12Dec.2004结果,该结果可用于对系统不
7、收敛的原因作进一步分析。潮流计算的同时,DIgSILENT还可以进行过负荷校验计算等功能。分析结果的输出采用了基于表达式的输出技术,用户可以根据其具体需要指定。这一技术也被应用于其他计算结果的输出功能中。此外,最新版本的DIgSILENT还提供了最优潮流计算(OPF)功能,作为对基本潮流计算的有益补充。最优潮流计算主要采用内点法,并提供了多种约束条件和控制手段,其考虑的目标函数主要有最小网损、最小燃料费用、最大利润及最小区域交换潮流。1.2 故障分析DIgSILENT故障分析功能既可以分别根据IEC 909、IEEE std141/ANSI e37.5以及德国的VDE102/103标准进行,也
8、可以根据DIgSILENT自身所提供的综合故障分析(General Fault Analysis-GFA)方法进行。DIgSILENT故障分析功能支持几乎所有的故障类型(包括复故障分析)。故障分析的结果既可以采用相分量也可以采用序分量来表示各点的电压和电流,以及从故障点看进去的戴维宁阻抗等。元件过载或母线电压越限等情况将在图形显示中以特殊的颜色标示出来。为了满足保护配合和预想事故分析的需要,GFA方法没有进行其他方法中传统的简化和假设,而是对所有网络元件均采用完整的三相描述且计及其初始状态,以计算出更接近实际情况的满足精度要求的短路电流。1.3 动态仿真DIgSILENT提供了一个基本的动态仿
9、真内核,这个内核与元件模型库(详见2.1)和仿真语言(DIgSILENT Simulation Language-DSL,详见2.4)一起构成了进行暂态分析的强有力的工具,既可以进行短期(电磁)暂态仿真,也可以进行中期(机电)暂态仿真和长期暂态仿真。动态仿真中除了包含基本暂态分析功能外,还提供了两种附加功能:模态分析和参数辨识。软件提供的DSL功能,使用户可以自定义模型:任何类型的静态/动态的多输入/多输出模型,例如电压控制器、PSS等。通过调用预定义的故障类型或直接对系统进行操作,DIgSILENT几乎可以仿真各种类型的故障。仿真过程中的任何变量(包括DSL所提供的)都可以被观察,并可将其通
10、过虚拟表计功能(Virtual Instrument-VI,详见3.4)绘制成曲线图。此曲线图可以被保留,以便于与其他仿真过程进行比较。此外,程序还支持用户在任意时刻中断仿真过程(可以用手动方式、提前制定中断安排或根据条件自动执行)。当仿真过程被中断后,绝大多数的DIgSILENT命令(例如,显示或打印潮流结果、检验母线电压、计算特征值和分析控制器状态等)都可以被正常执行。(1)短期、中期和长期暂态仿真短期暂态仿真主要用于分析次同步共振、铁磁共振等多种电磁暂态过程。此时,网络元件必须采用其电磁暂态模型来描述。中期暂态仿真主要是指利用RMS仿真解决典型的系统稳定性问题。此时,网络元件的表示方法是
11、可选的:只用正序网络(仿真研究的典型描述方式)或a-b-c三相描述方式。在某些情况下系统要进行长期稳定性分析,此时,锅炉控制系统、区域交换控制系统等慢速控制系统就要被考虑进来。在这种情况下,短期和中期暂态仿真已经达到稳定状态,但长期暂态仿真仍要继续进行。长期暂态分析中元件模型与中期暂态分析相同,只是在计算过程中系统矩阵保持不变,从而只需按照计算精度要求自动调整步长(从几ms到几min)以适应分析需要。(2)模态分析和参数辨识DIgSILENT提供了模态分析功能,可以计算出在某初始条件下的系统特征值及各发电机在不同振荡模式中的参与因子,以便进一步研究系统的稳定性。此外,DIgSILENT还提供了
12、参数辨识功能,作为对时域仿真的另一种补充。1.4 保护功能DIgSILENT的元件模型库提供了电流互感器、电压互感器、各种类型继电器、熔断器等丰富的模型。不同的保护配合可以通过图形操作模式或编程语言(DIgSILENT Programming Language-DPL,详见2.4)来实现。分析结果既可以通过 输出,也可以形成详细的文本报告。DIgSILENT所提供的保护功能主要是用于形成继电器整定报告、继电器动作报告以及基于保护装置 图形的分析报告、变电站保护装置图等。38(总808)华东电力2004,32(12)1.5 谐波分析DIgSILENT的谐波分析可以模拟各种谐波电流源和电压源,并提
13、供了计及集肤效应和内在自感的与频率相关的元件模型。在综合考虑网络中所有元件后,计算出三相谐波电压和电流的分布(非平衡谐波潮流),确定和分析谐波失真系数,并以合适的步长绘制网络频率响应图。谐波分析功能还可以根据需要计算出某母线的谐波自阻抗和互阻抗,且绘制出阻抗的Bode图和Nyquist图,以方便用户了解阻抗的频率特性,进而找出滤波系统的最佳配置位置。1.6 可靠性计算DIgSILENT提供的可靠性计算将系统充裕性和安全性进行了综合考虑,主要包括三个方面:预想事故分析、发电可靠性估计和网络可靠性估计。在开始进行可靠性计算之前,首先要专门定义系统的随机行为。这些随机模型包括:系统元件可能处的不同状
14、态(可用、维护、修理等)、各状态的持续时间、每年该元件改变运行状态的次数等。所有的可靠性评估都是基于Weibull2Markov随机模型进行的。1.7 经济调度DIgSILENT提供了最优经济调度功能。分析过程中,软件充分考虑到了网络控制和备用、可靠性等级、电力交换限制等多种约束条件,从而得到经济调度、启停机计划的最优解。2 丰富而实用的元件模型2.1 有名值和元件模型库的采用DIgSILENT采用有名值进行计算。电网元件从类型数据和个体数据两个层面严格定义。类型数据包含了该类型元件用于各个计算功能的基本信息,例如某一架空线路的类型为OHL 110 kV,该架空线为潮流计算提供的基本信息为x1
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