基于FORTRAN编程的PSS/E用户自定义励磁系统建模

钱叶牛，董亚旭，李国庆

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012;2.吉林供电公司，吉林吉林132000)

励磁系统是同步发电机重要组成部分。系统正常运行时，能向发电机提供可调节的励磁电流，用以调节发电机端电压和并联运行机组之间的无功功率分配;当发电机运行状态变化或发生故障时，能迅速供给足够大的励磁电流，确保机端电压恒定，改善系统运行稳定性［1-2］。因此，在电力系统仿真研究中建立准确的励磁系统模型至关重要。

PSS/E是美国PTI公司研发的一款电力系统仿真软件，该仿真软件具有潮流计算、短路分析、系统等值和动态仿真等诸多功能［3］，已在欧美电力系统得到广泛应用，国内一些电力公司、研究院和高校也使用该软件进行电力系统仿真研究［4-6］。PSS/E自1976年推入市场后不断更新和完善，目前最高商业版本是PSS/E 32.05。虽然，在系统动态仿真中，PSS/E标准模型库中提供了IEEET1-5、IEEEX1-4、SCRX和SEXS等众多励磁系统模型并不断完善模型库，但并没有包含已全部实际应用的励磁系统［7］。此外，随着电力技术的高速发展和新型励磁控制元件不断投入，标准模型库也不能完全满足研究需要。根据实际需要，PSS/E提供了强大的自定义功能，通过自定义功能用户便可将所需模型整合到PSS/E仿真计算中。

综上所述，本文在PSS/E环境下，采用FORTRAN语言自定义SEXS型、Vco Type 16型励磁系统模型，并进行仿真验证，仿真结果表明本文自定义SEXS型、Vco Type 16型励磁系统模型的可行性和合理性。

表1 通用型内部存储数组

1 PSS/E用户自定义建模

PSS/E用户自定义模型与PSS/E主程序相互独立，它仅通过内部存储数组的接口变量和描叙自定义模型的FORTRAN代码与主程序相关联。PSS/E32.05有79个内部数组，其中8个是通用型，分别为:CON数组、ICON数组、CHRICN数组、STATE数组、VAR数组、DSTATE数组、STORE数组和STORMT数组，其作用和数据类型如下表1所示，用户根据研究需要选择对应的数组。本文励磁自定义模型仅使用了CON数组、STATE数组和DSTATE数组。

自定义建模时，需要先确定所建模型传递函数或者微分代数方程;然后根据模型确定使用的状态变量，并推导对应的导数;最后采用FORTRAN或者FLECS语言编写自定义代码。一个完整的自定义程序应分为8个子程序，各个子程序功能如表2所示。

表2 8个MODE程序片段作用

表2中的MODE1-4在自定义程序中必不可少，当不使用DOCU和DUDA功能时，MODE5-8可不需要［8］。用户自定义的难点主要在于MODE1和MODE2子程序编写，如何恰当地选择状态变量并正确地进行初始化和求导是自定义建模的关键。

3 常见环节状态变量选取和求导

PSS/E自定义建模时，通常需将模型的传递函数分解为多个一阶环节，并选取适当状态变量，在控制环节中常见的一阶环节，见图1。

图1 励磁系统常见的一阶环节

3.1 一阶积分环节

由传递函数可得:sY=U/T，写成时域的形式为:dy/dt=u/T，可取状态变量为环节的输出量，即E=Y。

3.2 一阶比例积分环节

若状态变量为一阶比例积分环节的输出量，通过推导可知该状态变量的导数表达式中含有输入量的导数，而输出量的求导在PSS/E中无对应的数据根式，因而在状态变量的导数表达式中需要避免出现输出量的求导计算。本文将比例积分环节通过图2(a)所示的等价变换。取Y1为状态变量，E=Y1，可得:sY1=K*U/T，写成时域的形式为:dy1/dt=K*u/T，即可实现对应的比例积分。

图2 两种环节的等价变换

3.3 一阶惯性环节

该环节可将输出量设为状态变量即E=Y，则有，sY=(U*K-Y)/T，对应的时域表达式为:dy/dt=(u*K -y)/T。

3.4 一阶超前滞后环节

该环节取输出量为状态变量也将出现输出量的导数，利用图2(b)所示的等价变换后，取Y1为状态变量，E=Y1，可得:sY1=(XE-Y1)/T2，这里 XE=(T2-T1)*U/T2，时域表达式为:dy1/dt=(xey1)/T2，xe=(T2 - T1)*u/T2。

4 SEXS和Vco Type 16型励磁系统的实现

4.1 SEXS 型励磁系统［9］

SEXS型励磁系统为PSS/E标准模型库中的励磁系统模型，该励磁系统的控制框图如图3所示。本文首先对该模型自定义建模，并与标准模型库中的模型进行对比，以验证自定义建模的正确性和有效性。

由图3可知，该模型主要由超前滞后环节和惯性环节构成。按前述方法选择状态变量，取超前滞后环节所涉及的状态变量为E1，惯性环节所涉及的状态变量为E2。表3所示的方式对将模型中的常量和状态变量分配内存地址。

图3 SEXS型励磁系统框图

表3 SEXS型励磁系统数组定义情况

表3中变量的定义关系可在.dyr动态数据文件中的数据顺序指定，输入输出量的存储内容可参考说明书。自定义代码的主体主要由4个MODE代码段构成，分别如下:

上述VERROR、XE、YE、ZE、ZF0、ZF1和 ZF2为中间变量。MAX()和 MIN()为 FORTRAN 内部函数，在调用前需加入语句INTRINSIC MAX，MIN以声明。

自定义模型代码编写完成后，需要进行编译链接，然后进行仿真计算，具体步骤如下:

(1)在PSS/E中导入数据文件*.sav，选择FNSL命令求解系统潮流;

(2)选择CONL ALL将负荷模型转化为ZIP模型;

(3)使用CONG命令将所有发电机转化为诺顿电流源模型;

(4)导入动态数据文件*.dyr，设置CONEC文件名、CONET文件名和Compile文件名;

(5)选择CHAN命令，设置信号输出通道;

(6)保存此时快照文件*.snp，退出PSS/E主程序;

(7)将用户自定义代码复制到CONEC文件的末尾，在PSS/E的DOS环境下运行Compile文件编译用户自定义模型的FORTRAN源代码，编译无错误后形成目标文件*.obj，用CLOAD4命令链接obj文件，形成DSUSR.DLL，自定义模型信息就包含在该DLL文件中;

(8)打开PSS/E主程序，导入转化以后的sav文件和snp文件，进行动态仿真计算，系统将自动加载DSUSR.DLL文件调用用户自定义模型。

4.2 Vco Type 16型励磁系统

Vco Type 16型励磁系统为DIGSILENT软件模型库中的标准模型，Vco Type 16型励磁系统框图如图4所示，但该模型在PSS/E标准模型库中不存在，本文拟通过自定义方式在PSS/E中建立该模型。

由图4可知，该模型由惯性环节和比例积分环节构成，取惯性环节所涉及的状态变量为E1，比例积分环节所涉及的状态变量为E2，模型中的常量和状态变量的定义与内存地址的分配，与SEXS型励磁系统定义方式相同，只是常量的定义不同，具体情况如表4所示。

图4 Vco Type 16型励磁系统框图

表4 Vco Type 16型励磁系统常量数组定义情况

MODE=1-4程序编写过程如前所述，因该模型多了限幅环节，所以在MODE=3的子程序中需做如下修改:

这里的C行是FORTRAN的代码注释，VERROR、XE、YE0、YE1、ZE0、ZE1和ZE2为中间变量。

5 算例分析

本文以WSCC3机9节点系统为例进行仿真验证，系统详细参数见文献［10］;动态数据中的发电机模型按文献［11］的方法选取;G1、G2和G3的调速器模型分别为IEEEG3、IEEEG1和IEEEG1;励磁模型均为 SEXS 型，参数如下:TA=1 s，TB=4 s，K=200，TE=0.02 s，EMIN= -4.6p.u.，EMAX=6p.u.。为验证自定义模型的正确性设置了2组扰动:其中场景1的3号发电机励磁系统为自定义的SEXS型;场景2的3号发电机励磁系统为自定义Vco Type 16型，Vco Type 16型参数如下:TVM=0.02，T1SP=1，VSKA=20，VSEX=1，UR1MN=EFDMN= -5，UR1MX=EFDMX=5。图6-9为上述扰动下的3号发电机机端电压和励磁电压仿真输出波形。

图5 WSCC3机9节点系统

(1)场景1:2 s时母线STNA处发生三相接地短路，故障持续时间为0.15 s。仿真结果如图6和图7所示。

(2)场景2:将场景1中的故障持续时间延长为0.20 s。仿真结果如图8和图9所示。

由图6～9可见，采用PSS/E标准库中的SEXS型、自定义SEXS型和自定义Vco Type 16型励磁系统时，所得到的3号发电机的机端电压和励磁电压的初始值、振荡趋势和稳态值是一样的，表明FORTRAN编写的自定义励磁模型是正确的。

6 结 语

应用PSS/E用户自定义功能，可进一步完善PSS/E元件模型，有效提高PSS/E仿真灵活性。本文采用FORTRAN语言在PSS/E中自定义了SEXS型和Vco Type 16型励磁系统，并进行了仿真验证仿真，仿真结果表明本文所建自定义模型的可行性和正确性。本文所述的方法也适用于调速系统、负荷和发电机等其他电力元件的自定义建模。

［1］叶水音.电机学(第二版)［M］.北京:中国电力出版社，2009.

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