仿真软件辅助“电力系统稳定与控制”课程教学研究

边晓燕 杨立宁 符杨 杨昆

摘要：“电力系统稳定与控制”是电力系统及其自动化专业硕士研究生的主干专业学位课程，理论性强且分析方法复杂，要求较好地掌握相关概念和分析方法，难度较大。采用电力系统分析软件，如PSS/E和BPA，来辅助“电力系统稳定与控制”课程教学，有助于提高学生对稳定性概念的理解，增强对分析方法的直观认识。根据课程内容与仿真软件功能，以举例的形式介绍了PSS/E和BPA在课堂教学中的应用方式。实践表明，电力研究生利用电力系统仿真软件，可以较好地理解各种稳定性的基本理论，学会运用仿真综合分析电力系统稳态暂态问题，有助于研究经验的积累。

关键词：电力系统稳定；电力系统分析软件；PSS/E；暂态稳定

作者简介：边晓燕（1976-），女，吉林双辽人，上海电力学院电气工程学院，副教授；杨立宁（1988-），男，河北石家庄人，上海电力学院电气工程学院硕士研究生。（上海 200090）

基金项目：本文系上海电力学院2012年度校级研究生课程建设项目“电力系统稳定与控制”（项目编号：YKJ-2012010）、上海高校青年教师培养计划（项目编号：Z2012-018）的研究成果。

中图分类号：G643.2 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0057-03

“电力系统稳定与控制”作为电力系统及其自动化专业硕士研究生的主干专业学位课，对培养该领域专业人才，满足现代电力系统的发展具有重要意义。电力系统由于失去稳定造成的破坏是电网中最为严重的事故之一，尤其是电力系统的失稳事故引起的大面积停电，常常给国民经济造成重大损失。[1]以1965年加拿大电力系统与美国东北部大停电事故为例，该事故由最初的一条线路过负荷而导致邻近线路相继跳闸，最后发展成为全系统的失稳事故，停电功率达2500万kW，影响区域包括加拿大的一部分及美国东北部6个州，造成巨大经济损失。在日本和西欧，近年来也发生过由于系统失稳造成的大面积停电事故。我国电网结构相对薄弱，长距离重负荷输电线路较多，由于失去稳定造成的事故较为频繁。

为提高“电力系统稳定与控制”课程的授课效果，采用电力系统分析软件有助于学生对相关概念的深入理解，对各稳定分析方法的掌握，并有助于研究生研究经验的积累。“电力系统稳定与控制”课程理论性强且分析方法复杂，能够较好地掌握相关概念和分析方法的难度较大。为提高课堂效果可采用案例分析的方法，但不可能在实际系统进行试验，在物理模拟系统上实现也较为困难，因此利用软件进行案例分析成为最为适用的方法。本文针对“电力系统稳定与控制”的课程内容与电力系统分析软件PSS/E和BPA的功能，并关注当前研究热点，如新能源的接入对稳定的影响，介绍电力系统分析软件PSS/E和BPA在电力系统稳定性分析研究方面的应用，供相关教师参考与探讨。

一、“电力系统稳定与控制”课程的主要内容

电力系统稳定是一个整体性的问题，依据造成系统失稳的扰动大小、物理特性和时间尺度的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。本课程依据我国《电力系统安全稳定导则》，并参考电力系统两大国际组织——国际电气与电子工程师学会电力工程分会（IEEE PES）与国际大电网会议（CIGRE）联合工作组于2004年给出的电力系统稳定的定义及分类报告，确定课程内容包括：电力系统元件的动态特性和数学模型；电力系统电磁暂态过程分析；电力系统功角稳定性包括电力系统小干扰功角稳定性与暂态功角稳定性分析；电力系统电压稳定分析；电力系统频率稳定分析以及电力系统次同步谐振分析。[2，3]该课程包含了電力系统稳态和动态分析的大部分内容；在电力系统元件的动态特性和数学模型方面，介绍了同步机、发电机励磁系统、原动机及调速系统、负荷等的数学模型，增加了对新能源如风电机组模型、FACTS设备模型等的讲解；在稳定性分析方面，介绍了传统的功角稳定性的定义与经典分析方法，增加了对电压稳定与频率稳定的分析。

二、电力系统分析软件简介

1.PSS/E

电力系统仿真器（Power System Simulator/Engineering，PSS/E）是美国电力技术公司（Power Technology Inc.，PTI）于1976年推出的电力系统仿真计算的综合性软件。20多年来，该软件追随电力系统技术的发展不断更新升级，现今已推出32版本（笔者购买的版本）。由于其强劲的计算功能，到目前为止，世界上已有超过600家不同的公司和组织、100多个国家使用该软件，是应用最为广泛的电力系统分析程序。

PSS/E包含了电力系统机电暂态分析计算的常见模块。其最大优点在于：所允许的仿真规模非常大，利于超大规模系统计算；灵活的模型自定义。它是第一个含有用户自定义动态模型功能的商业化程序。对模型的复杂性没有任何限制，可以适用于暂态及“长过程”稳定计算中；用户可参与的强劲的交互式计算过程控制。用户可以根据需要随时随地观测或修改仿真计算中的各变量。

利用PSS/E，可实现如下的分析计算功能：潮流计算、优化潮流、短路、暂态及动态稳定、负荷建模、电压稳定、传送能力、甩负荷、交直流输电、柔性电力系统技术、次同步谐振、损耗评价、继电保护、串联及并联补偿、静止无功负荷器、互连运行、低频振荡计算、内过电压、潜供电流及恢复电压计算、三相和单相重合闸的应用对大容量汽轮发电机的影响及其计算。

2.BPA

潮流及暂态稳定程序是由电力科学研究院从美国BPA（Bonneville Power Administration）引进的。自从1984年以来，经过大量的消化吸收、开发创新和推广应用工作，形成了适合我国电力系统计算分析要求的中国版BPA电力系统潮流及暂态稳定分析程序。目前的中国版BPA潮流及暂态稳定程序是在1990版BPA程序的基础上经不断的完善和开发而形成的。

在我国的国家电网与南方电网公司，BPA软件是目前应用最广泛的电力系统分析软件，其功能包括潮流计算、短路、暂态及动态稳定、负荷建模交直流输电、柔性电力系统技术等。

三、各分析软件应用实例

1.基于PSS/E的考虑新能源接入电力系统暂态稳定仿真案例

仿真用系统采用经典的IEEE三机九节点系统，[4]3号母线上的常规电厂替换为等值风电场，潮流计算结果在图中标出（有功单位：MW；无功单位：Mvar；电压相角：度）。暂态故障设为4号母线在0.5秒时发生三相短路，160ms后清除故障。

发电机G1和G2采用六阶模型并考虑磁链饱和的影响，所用电力系统仿真软件PSS/E中采用饱和参数S表示。励磁系统采用IEEE1969推荐的稳定研究模型，原动机采用IEEE推荐的转速控制的汽轮机一般模型。各模型参数在表1中给出，G1和G2有相同的参数，励磁系统磁链饱和的影响表示同上面发电机所述。

常规电厂和风电场暂态反应的不同，为了便于比较，仿真時选择了母线bus3的电压、常规电厂G2或风电场输出有功及无功做为观察变量。图1（a）显示的是常规电厂电网故障暂态反应曲线，图1（b）显示的是替代为风电场后的仿真曲线。图中采用的标幺制，功率的基值为100MVA，电压是以3.3kv为基值的。

从图1可以看出，常规电厂电网故障后有功输出的振荡幅度很大且反复振荡，经历较长时间约7.5s后才衰减稳定。而对于采用风电场替代常规电厂的电网，故障后有功输出振荡幅度较小，衰减过程较快。仿真表明本算例中风电场的加入加强了整个电力系统的暂态稳定性。

在“电力系统稳定与控制”授课过程中，在讲授暂态稳定性概念与分析方法理论基础后，通过采用PSS/E对上述算例的时域仿真分析，有助于研究生对系统建模，包括常规发电机与新能源风电机组建模的理解，了解暂态时域仿真的基本方法。

2.基于BPA的电力系统频率稳定性分析

本文采用BPA软件针对实际系统进行线路N-1分析。算例系统中的A地区要进行远期的电网规划将有大量的风电场接入系统，其局部电网结构图如图2所示：

图2中1节点是一个升压站将风电场的电压升至220KV送入电网。对应的2、3节点间的传输线路是承载风电输送的主要线路。

在进行系统线路或者变压器N-1分析时主要是研究母线电压的情况以及对系统频率的影响。对于大规模风电场接入的系统更要观察风电接入点的电压和频率变化情况。在此进行线路N-1分析的线路为8-9。由图2所示线路2-3以及8-9都为双回供电线路，由此可以进行线路的N-1分析。首先是先对距离风电供应远的但带有火电厂的线路进行N-1分析，检测相应母线的电压以及风电接入点的频率偏差。

对线路8-9进行N-1分析，其仿真的结果如图3所示。由图3与正常情况下的仿真结果相比较，可以不难看出对于非主要承载风电运输任务的线路，即使周围存在着传统发电厂进行N-1时也不会对节点电压以及频率构成较大影响。

四、结语

采用电力系统分析软件进行稳定性仿真能够有助于研究生更好地理解各种稳定性概念与分析方法，利用软件搭建任意电力系统网络，增加新能源等发电设备，配置辅助控制设备改善稳定，可激发学生的学习主动性和创造性。实践教学表明，电力系统分析软件对“电力系统稳定与控制”课程学习与相关科研能力的提升具有重要作用。

参考文献：

[1]Carson W.Taylor.Power system voltage stability[M]. New York：The McGraw-Hill，1994.

[2]Prabha Kundur.Power system stability and control[M].北京：中国电力出版社，2001.

[3]倪以信，陈寿孙，张宝霖，等.动态电力系统的理论与分析[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4]边晓燕，李广跃，杨建，等.基于PSS/E的风电系统暂态仿真研究[J].华东电力，2012，40（8）：1337-1340.

（责任编辑：王意琴）