摘要：目前市場(chǎng)上主流使用的電力系統(tǒng)仿真軟件較多，主要依據(jù)使用背景和業(yè)務(wù)目標(biāo)的差異進(jìn)行軟件的選擇。本文基于此對(duì)使用率較高的DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件進(jìn)行了基于潮流計(jì)算的對(duì)比分析，為軟件的選擇提供參考依據(jù)。
 

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；仿真軟件；潮流計(jì)算
 

隨著電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的仿真軟件不僅可以仿真電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的快速精確控制。將仿真作為手段與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，可以對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此在電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中應(yīng)用廣泛。目前市場(chǎng)上電力系統(tǒng)仿真軟件很多，但是采用的算法在細(xì)節(jié)上稍有差別，導(dǎo)致在計(jì)算速度、結(jié)果收斂度和精確度上也有所區(qū)別，因此對(duì)于不同的開發(fā)者、不同的使用背景和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，需要對(duì)仿真軟件進(jìn)行選擇。本文研究了市場(chǎng)上使用率較高的三種軟件，進(jìn)行了基于潮流計(jì)算的對(duì)比分析，為使用者在實(shí)際仿真中提供一定的參考。
 

1潮流計(jì)算時(shí)間
 

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，大型電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算的時(shí)間大幅減少，甚至在線計(jì)算的瓶頸也得到突破，因此，使用潮流計(jì)算進(jìn)行仿真對(duì)比分析成為可能。本文進(jìn)行潮流計(jì)算測(cè)試，基于IEEE118節(jié)點(diǎn)算例構(gòu)造出944節(jié)點(diǎn)算例，并利用DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件分別進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示很快完成仿真，CPU占用時(shí)間很短，說明不同軟件用于潮流計(jì)算的時(shí)間差別很微小。
 

2潮流計(jì)算收斂性
 

牛頓法由于較好的二次收斂性因此仍然是電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算的主要算法，仿真軟件也基本是使用基于牛頓法進(jìn)行仿真計(jì)算。因此，仿真結(jié)果的不收斂主要原因并不是由算法導(dǎo)致的，潮流方程無解主要是由于仿真參數(shù)不合理或是計(jì)算細(xì)節(jié)不同導(dǎo)致的。采用潮流計(jì)算的收斂性進(jìn)行仿真軟件的對(duì)比是驗(yàn)證軟件性能的有效方法。為進(jìn)行對(duì)比分析，均采用完整的牛頓拉夫遜法，參數(shù)設(shè)置相同（迭代25次、所有母線功率誤差均小于1kVA、平值啟動(dòng)）。
 

2.1輸電線路R/X比值過大造成的不收斂
 

電力系統(tǒng)中輸電線路的R/X比值一般都較小，線路電阻在有些情況下也可忽略不計(jì)，但是配電網(wǎng)的潮流計(jì)算經(jīng)常不收斂是由于R/X比值過大直接導(dǎo)致的。本節(jié)測(cè)試中采用IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在各線路電抗保持不變時(shí)逐步增大線路R/X比值，采用DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件進(jìn)行潮流計(jì)算仿真。采用IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，僅通過增大線路的電阻值來增大線路的R/X值，分別使用三種軟件進(jìn)行潮流計(jì)算仿真，仿真結(jié)果與上面的測(cè)試基本相同。采用IEEE30節(jié)點(diǎn)等算例對(duì)三種軟件分別進(jìn)行仿真也得到同樣的仿真結(jié)果。對(duì)于由R/X比值過大導(dǎo)致的不收斂問題，仿真結(jié)果表明：

（1）DIgSILENT和PSASP收斂性相似——隨著R/X比值增大，DIgSILNET和PSASP迭代次數(shù)基本相同。

（2）相對(duì)于PSS/E軟件，DIgSILENT和PSASP收斂性較好——當(dāng)PSS/E由于R/X值較大仿真結(jié)果不收斂時(shí)，另外兩種軟件仍能繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。

（3）在未到收斂極限時(shí)，PSS/E的迭代次數(shù)要等于或小于另外兩種軟件的迭代次數(shù)。另外，DIgSILENT軟件在進(jìn)行潮流計(jì)算仿真時(shí)，當(dāng)仿真結(jié)果不收斂時(shí)，程序不僅提示不收斂，且自動(dòng)進(jìn)行模型線性化轉(zhuǎn)換以便于計(jì)算出結(jié)果，以便于使用者對(duì)不收斂原因進(jìn)行分析。而另外兩種軟件不具備這種功能，無法提供更多信息以便于使用者盡快找到并解決問題。
 

2.2節(jié)點(diǎn)功率超過臨界點(diǎn)造成的不收斂
 

分析電壓穩(wěn)定研究中的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)PV曲線可得，當(dāng)節(jié)點(diǎn)功率越界時(shí)，系統(tǒng)不存在電壓解，此時(shí)仿真軟件對(duì)電網(wǎng)的合理潮流分布無法進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不收斂。導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)功率超過臨界點(diǎn)的原因主要有大負(fù)荷的投切、輸電線路和變壓器的傳輸容量限制、發(fā)電機(jī)容量無法滿足負(fù)荷要求等。本節(jié)測(cè)試采用IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在其他電網(wǎng)參數(shù)保持不變時(shí)，增加接在母線上的負(fù)荷功率，分別采用三種軟件進(jìn)行潮流計(jì)算。采用其他算例進(jìn)行仿真也可得出相同的結(jié)果，并且仿真結(jié)果表明，對(duì)于節(jié)點(diǎn)功率越界導(dǎo)致的潮流計(jì)算不收斂問題與上節(jié)的問題具有相似的情況。

（1）DIgSILENT和PSASP收斂性相似——隨著負(fù)荷功率的增大，起初DIgSILNET迭代次數(shù)較大，但是到仿真后期基本相同。

（2）相對(duì)于PSS/E軟件，DIgSILENT和PSASP收斂性較好——隨著負(fù)荷功率的增大，PSS/E仿真結(jié)果出現(xiàn)不收斂時(shí)，另外兩種軟件仍能繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。

（3）在未到收斂極限時(shí)，PSS/E的迭代次數(shù)要等于或小于另外兩種軟件的迭代次數(shù)。


2.3平衡節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離電網(wǎng)重心造成的不收斂平衡節(jié)點(diǎn)的位置也是影響潮流計(jì)算收斂性的一個(gè)因素，在正常情況下，平衡節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)離電網(wǎng)重點(diǎn)，即到全網(wǎng)各母線的電氣距離較長(zhǎng)，越容易導(dǎo)致不收斂，因此，平衡節(jié)點(diǎn)要盡可能接近電網(wǎng)重心。對(duì)平衡節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)重心距離進(jìn)行仿真分析，各軟件的仿真結(jié)果也是不盡相同的。在本節(jié)測(cè)試中，使用基于IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造的兩個(gè)944節(jié)點(diǎn)算例，利用PSS/E和PSASP進(jìn)行潮流計(jì)算仿真，對(duì)收斂情況進(jìn)行對(duì)比分析。

算例一：共8個(gè)IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，將第2至第7個(gè)系統(tǒng)的55號(hào)節(jié)點(diǎn)分別通過一條輸電線路直接與第1個(gè)系統(tǒng)的55號(hào)節(jié)點(diǎn)相連，并將第1個(gè)系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)69號(hào)節(jié)點(diǎn)定為整個(gè)944節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的平衡母線。

算例二：共8個(gè)IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，將后一個(gè)系統(tǒng)的55號(hào)節(jié)點(diǎn)通過一條輸電線路與前一個(gè)的55號(hào)節(jié)點(diǎn)相連（第2個(gè)連接第1個(gè)，第3個(gè)連接第2個(gè)，以此類推，直至第8個(gè)連接第7個(gè)），再將第1個(gè)系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)69號(hào)節(jié)點(diǎn)定為整個(gè)944節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的平衡母線。分別使用PSS/E和PSASP對(duì)上述兩個(gè)算例進(jìn)行潮流計(jì)算，仿真結(jié)果如下所示：

（1）算例一均收斂，迭代次數(shù)分別為5次和6次。

（2）算例二中，PSS/E不收斂，但PSASP通過7次迭代得到該網(wǎng)絡(luò)潮流分布。以上測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于平衡節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離電網(wǎng)重心的情況，相比于PSS/E仿真軟件，PSASP軟件的收斂性更好。
 

3結(jié)論
 

仿真軟件所采用的算法不同，因此需要基于使用者的用途和目標(biāo)進(jìn)行選擇。本文所討論的DIgSILENT、PSS/E和PSASP三種軟件雖然使用率較高，但是也有使用方面的區(qū)別。在本文對(duì)比分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇，可為工程師更好的開展仿真工作提供參考。
 

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作者：劉澤 劉雅倩