BPA向PSS/E的数据转换及暂态稳定比较研究

张松涛，宁庆，曹国云

(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

0 引言

机电暂态程序模型简单、仿真规模大、计算时间短，且仿真精度能够满足电力系统计算要求，因此常常被用于大型交直流混合电网的仿真研究。国内使用最多的机电暂态程序为中国电力科学研究院的 PSD－BPA(简称 BPA)软件[1]和西门子 PTI的 PSS/E程序。PSS/E程序所允许的仿真规模远远大于BPA，且其计算功能强大、直流模型丰富、能够进行二次开发应用，在全国大联网计算中具有显著的优势。

本文分析和比较了BPA与PSS/E的潮流数据和暂态稳定模型，并详解了由BPA向PSS/E进行数据转换的方法。为了检验数据转换的准确性，对某交直流算例进行了数据转换，并通过潮流和稳定计算验证了转换的准确性。

1 潮流数据转换

潮流数据是稳定计算的基础，电力系统潮流数据主要包括母线、发电机、变压器、输电线路、负荷以及直流输电线路相关数据。BPA向PSS/E潮流数据转换时需要注意:

(1)BPA潮流计算程序和PSS/E程序中交流节点类型并不完全相同，系统中常见的节点对应关系如表1所示。

(2)发电机数据转换时需注意发电机复阻抗ZSCORE，当发电机为次暂态模型时，这个复数阻抗必须和发电机次暂态阻抗相等;当发电机为暂态模型时，这个阻抗必须和暂态阻抗相等[2]。

(3)BPA输电线路对地导纳数据转换到PSS/E时需要乘以系数2。

(4)直流数据转换。BPA和PSS/E直流参数基本一致，可以直接转换，但直流换相阻抗使用换流变压器漏抗的有名值表示[3]。

表1 BPA与PSS/E常用节点对照表

2 暂态模型转换

电力系统暂态模型主要包括发电机、励磁系统和稳定器、调速器和原动机模型、直流系统和负荷模型等。

2.1 发电机模型

PSS/E中发电机的模型种类较为丰富，基本涵盖了BPA程序的发电机模型，常见的发电机模型有考虑了励磁绕组f的3阶模型GENTRA，考虑了 f、D、Q绕组的5阶模型 GENSAL，考虑了f、g、D、Q绕组的6阶模型GENROU以及经典二阶模型 GENCEL。需要注意的是，PSS/E没有提供4阶模型，但可以通过全阶模型CGEN1来实现[4]。另外在 PSS/E 中程序默认 X″d=X″q，忽略了发电机的次暂态凸极效应，文献[5]认为该假设对工程应用是许可的，因为实际系统中发电机的X″d与X″q相差本身就很小，隐极机尤为如此。

2.2 励磁与稳定器模型

BPA大部分励磁模型以IEEE模型为基础，使得励磁模型的转换成为可能，其中BPA的IEEE1981年多数励磁模型可以直接在PSS/E励磁模型库中找到对应的模型，IEEE1968年励磁模型与PSS/E励磁模型库中对应模型略有差异，但可以通过对励磁环节进行近似变换和励磁参数进行取舍来实现有效的转换，对于中国电机工程学会励磁工作组提出的励磁模型，由于对IEEE模型进行了改进，并增加了过励限制、过励保护和低励限制功能，若不考虑这些功能，部分模型还是可以近似转换的。

BPA常用 PSS模型包括 SS、SP、SF、SG和 SI等模型，与 PSS/E中模型的对应关系见表2。

表2 BPA与PSS/E的常用PSS模型对应关系

2.3 调速器和原动机模型

BPA中提供了原动机和调速器组合在一起的模型以及原动机和调速器分开设置的模型，而PSS/E中的原动机和调速器模型是用一个组合模型来表示的。两者对应关系如表3所示。

表3 BPA与PSS/E的常用调速器和原动机模型对应关系

2.4 负荷模型

BPA软件中负荷模型分为:静态负荷模型(LA和LB)、新静态负荷模型(LA、LB及其负荷继续卡L+)，感应马达模型(MI)，新的感应马达模型(MI、MJ、MK)和考虑配电网支路的综合负荷模型(LE)[6]。PSS/E不仅提供了常用的静态负荷和动态负荷模型，而且提供了低压减负荷和低频减负荷模型。文献[7]对BPA和PSS/E的负荷模型作了对比，对应关系如表4。

表4 BPA与PSS/E负荷模型比较

2.5 两端直流模型

BPA原有两端直流系统控制模型D卡，根据实际投入运行的直流系统又新增了DM/DZ和DN/DZ控制卡，其中DM/DZ为CIGRE直流输电标准测试系统的控制系统模型，而DN/DZ控制系统源于西门子公司设计的贵广和天广直流输电工程的控制系统模型[8]。新的直流控制系统整流侧由定电流控制和 ∂min控制两部分组成，逆变侧配有定电流控制和定熄弧角(γ)控制。整流侧和逆变侧都配有VDCOL控制(低压限流环节)，逆变侧还配有CEC控制(电流偏差控制)。

PSS/E直流模型包括通用标准直流模型(如 CDC4、CDC6等)和制造商定制模型(如 CASEA1、CDCVUP和 CDCAB1等)。通用直流模型不考虑直流线路内部的暂态过程，属于直流响应模型，而制造商定制模型是实际直流工程的详细模型，具有详细的控制系统。通用直流模型整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定电压(或定熄弧角)控制，并可根据模式开关切换控制方式，同时用户还可以添加直流调制辅助信号，PSS/E通用直流模型还设定了闭锁、旁通和重启动功能，用户可以根据实际需要设定。

通过比较可以发现，BPA和PSS/E的通用标准直流模型较为接近，一般根据研究的需要使用 CDC4或 CDC6模型来进行近似。

3 算例分析

数据取自于BPA自带2DC算例，该系统包含4条500kV交流母线，共有5台发电机(3台经典二阶发电机和1台水轮发电机)，并含有一条单极800kV、输送容量1 440 MW的直流输电线路，网络结构如图1所示。

图1 算例单线图

3.1 潮流比较

转换后潮流数据比对如表5所示。

从表5中可以看出，由于BPA和PSS/E对潮流结果保留的有效位数不同，导致两者的潮流结果存在较小差异，但误差均在许可的范围之内，可见对于交直流系统的潮流转换还是比较有效的。

3.2 暂态分析比较

故障设置为SOUTH母线处0 s时发生三相短路接地，0.1 s后故障消失，不切除线路，分别使用BPA暂态程序和PSS/E仿真该故障，仿真结果如图2所示。

表5 BPA与PSS/E潮流比较

图2 暂态仿真结果比较图

图2 表明，0 s故障发生时，直流逆变侧交流母线电压迅速降低为0，BPA和PSS/E直流系统都发生了换相失败故障，直流电压也迅速降低为0，0.1 s故障切除后，由于直流控制系统的差异，BPA模型直流电压立即恢复，而PSS/E直流模型需要按电压恢复速率(VRAMP)，经过最小旁通时间(TBYPAS)后恢复正常，恢复过程略有差异，但故障母线电压恢复一致，表明两个程序在暂态仿真时也具有较好的一致性，同时也表明PSS/E直流模型同样能够正确反映直流的动态响应，满足系统仿真要求。

4 结束语

BPA和PSS/E的潮流数据能够较好的对应，对于交直流系统，只要数据转换正确，两个程序的潮流结果具有较好的一致性。而对于暂态稳定计算，虽然部分暂态模型存在差异，需要进行局部近似处理，但仿真暂稳态过程基本一致。因此，BPA数据可以准确的转换为PSS/E数据，便于进行全国大联网计算，并可作为第二程序来检验电力系统计算的准确性，以弥补单一电力仿真软件对大电网仿真计算时不能够满足实际研究需要的缺陷。

[1]中国版BPA潮流程序用户手册(4.0版)[M].北京:中国电力科学研究院，2007.

[2]PSS/E31 Program Operation Manual[M].New York，USA:Power Technologies Inc.(PTI)，2004.

[3]马龙义.交直流电力系统BPA与PSS/E潮流数据转换分析[J].华中电力，2012，25(1):82 －86.

[4]PSS/E31 Program Application Guide[M].New York，USA:Power Technologies Inc.(PTI)，2004.

[5]祝瑞金.PSS/E通用发电机模型的应用研究[J].华东电力，2004，32(3):4－7.

[6]中国版BPA暂态稳定程序用户手册(4.0版)[M].北京:中国电力科学研究院，2007.

[7]杨茹.BAP－PSS/E模型对比计算研究及数据接口程序开发[D].北京:华北电力大学，2006.

[8]宋新立，吴小辰.PSD－BPA暂态稳定程序中的新直流输电准稳态模型[J].电网技术，2010，34(1):63－66.