电气工程应用专题-电力系统仿真与建模

i(t)
i i mi mi mt
各轴异比相似
;
t t mt
i'(t’)
mi mt ; mt 1
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.3 系统模拟的基本原理
1.3.1 基本概念
（2）相似的基本类型： （c) 绝对相似： 2个系统中所产生的全部过程（物理量）完全相似——全部几何 尺寸和相应参数在时间和空间上所产生的全部变化完全相似 （d) 完全相似： 2个系统中所研究的某一（某些）现象的一切过程在时间和空间 上都是相似的。 例：2台同步发电机电磁现象完全相似：i(t)、u(t)、电场和磁场分布相似。 （e) 局部相似（不完全相似）：个别方面的相似 例：2台同步发电机，i(t) 相似，但电场和磁场分布不相似。 （f) 近似相似：在某些假设条件下的现象相似 例：研究2台同步发电机的（电磁）暂态过程，可以不计定子电流中的直流 分量 以及 转子电流中的周期分量
I、S（P、Q）、Z 、Y ，它们之间将满足某种固定关系。 根据相似第一定理，原型系统（“0”）和模型系统（“1”）的 各物理量之间应当满足如下关系：
V0 I S Z Y mv ; 0 mi ; 0 ms ; 0 mz ; 0 my V1 I1 S1 Z1 Y1
mv mi mv mv2 1 ; 1 ; 1 ; mz my 1 ms mz mi mz ms
工业负荷
Composite Load 农业 负荷 居民 商业 负荷 负荷
同步发电机 (Synchronous Generator)
原动机及转速调节系统
特点：近似；规模大；灵活；开发周期短；投入小、效率高 应用：非常广泛（如： PSASP、BPA）
3.电力系统数字仿真的基本原理与特点
3.2 电力系统数字仿真的基本要求与关键问题 （1）基本要求
模拟负荷设备；
采集、测量、控制、信号系统（统称为二次系统）。
2.电力系统动态模拟的基本原理与特点
（3）动模设备的基本要求
——模型与原型之间必须满足相似定理：
具有相似的物理特性和暂态过程（物理相似）； 参数成比例（模拟比）且具有同样的时间尺度（异轴相似）；
动模系统与被研究的原型电力系统具有相同元件构成和系统接线。
负荷模型辨识管理agent
模型辨识agent 1 用 户 界 面 模型辨识agent … 辅助 agent 系 统 管 理
Data-Base
agent
agent
用 户
系统管理员
数据转换管理 agent
精度；规模；灵活/扩展；速度（离线/在线）
（2）关键问题
A）建模理论与技术——元件建模、系统建模
成熟的元件模型：发电机、变压器模型、线路模型 亟待完善的模型：综合负荷模型、二次系统模型
B）数值计算方法——计算效率、收敛速度
C）计算机技术——硬件支持 D）编程技术——面向对象、可视化
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法
• 必须解决的关键问题： 辨识所得参数的分散性
负荷变化的随机时变性——负荷特性的分类 模型的覆盖能力——负荷特性的综合
• 解决Байду номын сангаас案：
参数分散性——具有全局搜索能力的优化算法； 随即时变性——科学的特性分类方法； 模型通用性——正确、高效的综合方法。
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法
4.7 负荷建模建模技术支持系统——系统构架
（1）电力系统动态模拟：
根据相似原理建立起来的电力系统物理模型； 是实际电力系统的一个微缩的、物理特性等价的模型试验系统； 被模拟的实际元件及系统则分别称为元件及系统的原型。
（2）电力系统动态模拟系统的基本组成：
模拟同步发电机 + 模拟原动系统 + 转速调节系统 + 励磁调节系统； 模拟变压器（升压变压器、降压变压器、负荷变压器）； 模拟输电线路；
3.电力系统数字仿真的基本原理与特点
3.1 电力系统数字仿真的基本概念
（3）电力系统数字仿真 定义：运用或设计合理的数值计算方法和计算程序、根据给定的初始运行条件，求
解系统数学模型以得到系统运行状态
整体结构：
励磁系统及励磁调节器 (Field exciter & regulatror—AVR)
电力网络 （Electric Power Grid）
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.5 电力系统模拟的作用及其发展
作用：电力系统运行过程或状态的研究；
电力系统元件特性研究；
新型装置性能研究 发展：（1）直流计算台 （2）交流计算台 （3）动态模拟 （4）内过电压模拟 （5）模拟计算机 （6）数字计算机 趋势：数字模拟和动模相结合
2.电力系统动态模拟的基本原理与特点
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法
4.5 基于元件的负荷建模——关键技术问题与解决方案
• 必须解决的关键问题 （1）筛选“典型用户”；
（2）提取出行业的综合特征，确定该行业的负荷结构；
（3）行业特性综合——建立母线（变电站）综合负荷模型。
• 解决方案
思路：分层次统计综合建模—— 用户调查—典型用户筛选—典型用户建模— 行业建模—变电站综合建模； 方法：基于模糊等价关系聚类的典型用户筛选方法 负荷特征空间的加权平均综合
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法 ——基本概念、关键问题、展望
4.1 负荷模型的基本类型 （1）静态负荷模型 （2）动态负荷模型
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法
4.3 负荷建模与建模方法
（1）负荷建模：研究客观负荷，获得负荷模型——确定描述负
荷特性的数学方程并确定其模型参数
（2）建模方法与途径：
模拟理论 实际系统 模型 试验 实际结论 模型结论
分析
步骤： （1）建立模型——符号模型，数学模型；物理模型；
（2）模拟试验； （3）结论分析和误差估计。
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.3 系统模拟的基本原理
1.3.1 基本概念
（1) 原型和模型 原型：被研究的实际对象（实际电力系统） 模型：对应的模拟装置或系统（或数学模型） （2）相似的基本类型： （a) 几何相似：空间测度成比例。
统计综合法（基于元件）： 调查——统计——综合分析——模型 总体测辨法（基于测量）： 系统辨识
4.电力系统综合负荷建模的理论与方法
4.4 基于元件的负荷建模——基本思路与建模过程
基于负荷特性的行业分类 典型用户负荷特性调查 典型用电设备特性的模拟实 验与仿真 典型设备负荷特性模拟 行业负荷综合模型 分行业用电容量(比例)调查 统计 线路负荷综合模型 母线综合负荷模型
在实际电力系统——称为原型系统上，进行试验，即“原型试验” 优点：客观、真实 缺点：受众多因素影响，不全面，且实际上往往难以实现 在模拟电力系统——称为模型系统上试验，即“模型实验” 优点：灵活方便，容易实现，理论上可以做任意模型试验 缺点：近似性
（3）模型试验方法——模拟、仿真（Simulation）
a) 机理模型——根据元件内在结构、工作机理列写出描述元件 运行特性的方程 特点：内特性等效&外特性等效 b) 非机理模型——根据元件的输入—输出数据建立的、等效描述 其输出特性元件运行特性方程 特点：外特性等效
B）按照是否反映元件的时变特性分类
静态模型、动态模型
C）按照元件功能分类
同步发电机模型、电力变压器模型 、 电力线路模型、电力系统综合负荷模型
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.3 系统模拟的基本原理
1.3.2 相似定理
（1）相似判据：在模拟某一现象是，所参与的物理量（即描述此现象的各有关 物理量）之间应当保持的某种固定关系。 （2）相似定理：描述2个过程相似应当满足的充分必要条件。可以用相似判据应 当满足的关系来描述。
第一定理：相似系统应当有同样的相似判据,即其相似指标等于“1” 例如：研究电力系统稳态潮流或短路电流时，所参与的物理量包括V、
3.电力系统数字仿真的基本原理与特点
3.1 电力系统数字仿真的基本概念
（2）电力系统数学模型
A）定义： 将系统各元件用其相应的数学模型代替、根据系统（网络）拓扑结构以及物 理约束建立起描述全系统运行特性的数学方程组 B）分类 a) 稳态模型——描述电力系统正常、稳定运行状态的系统数学模型 特点与实例：不计元件动态；代数方程组。如 潮流计算模型 b) 暂态模型——描述系统受到大扰动后的短（暂态）过渡过程中系统 运行状态的系统数学模型 特点与实例：考虑元件快速（秒级及以下）动态；微分 —代数方程组 如 暂态稳定计算模型 c）动态/长过程动态模型——描述系统受到扰动后的长（较长）过渡过程中 系统运 行状态、或系统小扰动后的运行状态的系统数学模型 特点：考虑元件长过程动态（慢动态——数十秒、分钟级或更长）； 微分—代数方程组。如 实例：静态稳定计算模型、动态稳定计算模型
物理模拟—— 在物理模型上进行实验——“动态模拟”
数学模拟——在数学模型上进行实验——“数学（数字）仿真”
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.2 系统模拟的定义与步骤 定义：系统模拟是根据模拟理论（相似理论）设计一个能够反
应实际系统或过程的模型，通过模型试验求得结论， 进而分析得出实际系统结论的研究过程。
1.电力系统模拟的基本原理与意义
1.3 系统模拟的基本原理
1.3.2 相似定理
（4）相似定理： 第二定理：一个系统由n各不同量纲的物理量组成，其中有k个是独立的 基本量，则另外n-k个物理量与基本量所组成的n-k个无量纲 的比例系数可以用算式完全表达，这些比例系数就是相似判 据。
第三定理：如果两个现象的单值条件相似，且从单值条件引出的相似判
（4）电力系统动态模拟的作用、特点与地位
作用：研究电力系统运行行为；检验继电保护与控制、调节装置；