PSS/E的自定义建模及其仿真研究

张东辉，金小明，周保荣，陈宇川，杨欢欢，蔡泽祥，朱 林



PSS/E的自定义建模及其仿真研究

张东辉1，金小明1，周保荣1，陈宇川2，杨欢欢2，蔡泽祥2，朱 林2

(1.南方电网科学研究院，广东 广州 510080；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640)

深入研究了PSS/E的自定义功能。详细介绍了PSS/E自定义的环境要求、格式要求、调用要求、基于等效电流注入的用户自定义建模的原理。分析了在PSS/E中利用协调调用模式来实现该类模型的方法和步骤。以静止无功补偿器(SVC)的自定义建模为例进行了建模研究，并在自定义SVC模型中通过引入辅助信号以改善其性能。仿真结果充分表明了PSS/E自定义建模的可行性与可扩展性，也验证了所建SVC模型的有效性，为其他电力系统复杂设备在PSS/E中的自定义建模提供指导。

PSS/E；用户自定义建模；SVC；暂态仿真；等效注入电流

0 引言

随着技术的进步，新型设备及控制策略等不断投入电力系统中。而用于电力系统运行分析的各类软件，其自身所提供的标准模型库可能无法完全匹配仿真的实际需要。为解决该问题，一方面依赖软件厂商对模型库的扩充与完善，通过软件升级的方式增强可用性；另一方面，也可以通过引入标准化接口，允许用户根据自身的研究对象，通过特定的计算机语言编译标准模块供电力系统仿真分析软件调用，即用户自定义功能，满足仿真需求[1-3]。

PSS/E是在全球范围内获得广泛应用的电力系统机电暂态仿真分析软件，其主要功能包括潮流计算、短路计算与暂态稳定分析等[4-7]。与PSD-BPA等同类型软件相比，PSS/E一项突出的特点就是其强大、灵活的用户自定义功能。通过自定义功能，用户能够建立自己需要研究的满足实际情况的模型并仿真验证，可提高元件模型的复用性，显著提升建模仿真工作效率。

国内外学者对PSS/E自定义功能的研究有一定进展。文献[8-13]针对PSS/E中励磁系统的自定义建模进行研究，对PSS/E自定义模型的建立流程做了介绍。文献[14-17]对调速器和低频减载控制等进行了PSS/E自定义环境下的建模研究。但相关工作仅针对单一对象且涉及的模型偏于简单，鲜有对PSS/E自定义功能的完整介绍，更缺少对建模思路与具体步骤的系统化梳理，尤其是缺少对复杂对象的建模研究。

基于上述问题，本文从自定义建模的环境要求、数据要求和流程管控、实施步骤等环节深入探讨了PSS/E的自定义功能。详细研究了在PSS/E中基于等效电流注入的自定义模型建模方法和步骤，并以SVC为例搭建了自定义模型。同时，在相应的自定义模型中还引入辅助信号用于改善其性能。与PSS/E的自带SVC模型进行了仿真对比，仿真结果表明了PSS/E自定义建模的可行性、可扩展性以及模型的有效性。

1 PSS/E的自定义建模功能研究

1.1 自定义建模的基础要求

(1) 环境要求

要使用PSS/E自定义建模功能，必须配置相应的环境。以V33版PSS/E为例，需要配置开发工具包Visual Studio 2010和计算机语言编译器Inter Visual Fortran 2011。可以通过运行PSS/E安装路径下的User Model Compile/Link and Environment Manager程序来检验目前配置是否满足PSS/E自定义环境要求。

(2) 格式要求

对自定义模型进行编译前，先用PSS/E动态dyr文件生成CONEC、CONET文件：其中CONEC文件用于处理包含状态变量和微分方程数组的自定义模型，CONET文件用于处理包含电流电压代数方程的模型。之后用Fortran语言在两个文件中编写自定义模型的源代码，编译成obj文件和生成动态链接库文件dsusr.dll。

(3) 调用要求

将生成的dsusr.dll需要放入PSS/E主程序目录下，同时在PSS/E动态dyr文件中加入调用自定义模型的控制语句。

1.2 自定义建模的数据要求

PSS/E模型中会包含各种参数变量和常量，如放大倍数、时间常数、状态变量、输入及输出变量等。PSS/E自定义模型需要对数据进行类型定义，并以动态数组的形式贮存和归类管理。常见的数组及其功能如表1所示。

PSS/E程序在执行自定义模型的数据流向时有明确要求：首先从 CON 数组中获得自定义模型的常量参数，其次从系统条件数组中获得当前运行条件，再次从STATE 数组中获得状态变量当前值传递给自定义模型子程序；然后由模型子程序来计算各个状态变量的微分值；最后将计算出来的每一状态变量的微分值放入到DSTATE数组中，返回到主程序进行积分计算[9]。

表1 PSS/E自定义中的常用数组

PSS/E程序内部通过MODE标志实现对数据流向的管控。MODE赋值为1~8来代表不同的状态，其含义如表2所示。对于暂态仿真，MODE的1~4 必不可少。自定义模型就是根据MODE的变化执行相应的任务编写对应的代码。

表2 PSS/E中每个MODE标记的功能

1.3 基于等效电流注入的自定义建模方法

根据研究对象的不同，PSS/E下的建模方法会存在一定的差异。例如，对发电机励磁系统而言，PSS/E主程序可识别并直接调用励磁模型的输出数据，即励磁电压数组EFD。对于这类对象，自定义建模的思路直接，重点集中在考虑元件自身的结构是否合理，控制逻辑关系是否全面完善等，将输出数据存放在PSS/E内部已自带的数组中，PSS/E主程序直接调用即可实现模型的功能。

还有一些对象，如直流、FACTS设备等，其模型的输出数据无法为PSS/E主程序直接调用。例如，在PSS/E模型库中，SVC控制器的输出为并入母线的电纳值B，直流控制的输出是各个换流站的触发角等信息，这些输出数据在PSS/E程序内部并没有自带数组。因此，针对该类对象，本文介绍了一种在PSS/E下的等效电流注入的自定义建模方法。

元件通过母线实现和电力系统的连接。元件自身对系统的影响是通过对其相连母线上的注入功率所体现。若与母线电压联立，可以进一步转化为注入电流的形式，如图1所示。PSS/E程序可以识别并调用电流CURNT数组。

图1 电流注入类自定义模型的实现

基于等效电流注入的自定义模型既需要承担解微分方程求解，又需要计算注入电流完成代数方程求解。PSS/E提供了协调调用模式(Coordinated Call Models，CCM)用于来实现上述过程：将注入电流的计算以辅助函数的形式与CONEC自定义程序编写在同一个程序中，并要求该辅助函数的名称取用CONEC子函数名称且首字母要以T代替。

1.4 自定义模型的执行流程

自定义模型的执行流程可由MODE标志进行控制，如图2所示。

图2 MODE的执行流程

第一次从MODE=8执行到MODE=2的过程为程序的初始化过程，此时PSS/E程序会遍历所有状态变量，检查初始条件。然后在MODE=2在和MODE=3之间一直循环直至仿真结束。

2 PSS/E下的SVC的自定义建模

2.1 SVC建模分析

本节以SVC为例，研究电力系统元件在PSS/E中的自定义建模。

图4为PSS/E自带SVC模型CSVGN5的控制框图，输入为母线电压，输出为电纳svs。由于svs无法被PSS/E主程序直接调用，可将其按照上一节中的思路，以等效电流形式处理。

根据元件的控制框图,可以确定与该模型相关的代数变量、状态变量、输入与输出量，分别在CON、STATE、VAR、ICON数组中按规则分配空间。

对于控制框图，通常思路是将传递函数分解为一阶的形式，如图3所示。

图3 控制框图的拆分

相应的时域微分方程为

(2)

(3)

在自定义编程中，将2()作为状态变量存于STATE数组中，其微分量存于DSTATE数组中。此外，PSS/E程序中也提供了内部函数用于实现一阶惯性环节、超前滞后环节等，从而降低自定义难度。针对图4所示传递函数，可以直接调用函数“()=LDLG_MODE( )”来实现。

2.2 SVC的等效注入电流的处理

由于SVC的输出量为电纳B无法被PSS/E主程序直接调用，需要将其与母线电压联立转换成对应的等效注入电流。

图4 SVC控制简图

当系统出现扰动时，SVC需要改变其输出电纳来改变输出的无功量从而达到控制母线电压的效果，即

(5)

3 实例仿真验证对比

通过上述自定义方法编写PSS/E自带SVC模型CSVGN5，模型参数的选取范围及其建议值如表3所示。

表3 控制参数的取值范围和建议值

1) 测试案例一

在图5所示的多机系统中，在靠近负荷中心的母线B202上安装有进行无功补偿的固定电容器。选择在该处安装SVC进行对比。设置线路L1靠近母线B152侧2 s发生三相金属性接地故障，0.1后切除故障线路。分别监测母线B202、B152的电压及SVC无功输出情况，如图6所示。

图5 仿真测试系统

由图6可见，在配置SVC后母线B202、B152在恢复过程中电压波动幅度小，故障后3 s电压已趋于稳定。而采用安装电容器补偿的方式，母线B202、B152电压恢复较为缓慢。因此，相对于安装电容器补偿的方式，安装SVC更有助于控制节点电压水平。进一步检验比对自定义SVC模型与PSS/E自带模型的输出曲线，两者的初始值、振荡趋势、稳态值一样，曲线重合。这说明本文所介绍的建模方法与所搭建的SVC模型是正确的。

2)测试案例二

为改善SVC的性能，再次利用PSS/E的自定义功能在自定义模型中加入辅助信号，其控制框图如图7所示。选用母线B152电压为输入信号，故障场景设置与案例一相同，暂态仿真结果如图8所示。

图7 辅助信号的控制框图

由图8得知，在自定义功能模型中引入辅助信号后，母线B202、B152在故障切除瞬时的冲击电压显著降低，恢复过程中电压波动更为平稳，有利于保护设备。

同时，在Intel I5 CPU 4GB RAM硬件环境及PSS/E V33.04软件环境下，对系统自带SVC模型、自定义SVC模型以及加载辅助信号的自定义SVC模型进行了运行效率检测。在上述案例中，三种模型的计算用时均为0.6 s，内存增量约0.4 MB。在南方电网某运行方式下的检测结果也有相同结论。PSS/E自定义模型可完全用于大规模电力系统的仿真计算。

4 结论

本文深入研究了PSS/E的自定义功能，详细介绍了自定义建模的环境要求、数据要求和流程管控等核心环节，研究了在PSS/E中基于等效电流注入的自定义模型建模方法和步骤。以SVC为例搭建了自定义模型，并与PSS/E自带的SVC模型进行了对比，验证了本文所述PSS/E关于自定义建模方法的正确性。本文所做工作可为建立其他用户自定义模型提供指导，具备良好的参考价值。

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(编辑 葛艳娜)

User-defined modeling in PSS/E and its applicability in simulations

ZHANG Donghui1, JIN Xiaoming1, ZHOU Baorong1, CHEN Yuchuan2, YANG Huanhuan2, CAI Zexiang2, ZHU Lin2

(1. Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China;2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A further research of the user-defined function in PSS/E is made. The requirements of environment, format and invocation of PSS/E’s user-defined function, user-defined modeling principle based on equivalent current injection as well as its implementation method which utilizes the coordinated call models are introduced. And the research is exemplified by modeling a user-defined static var compensator (SVC) model. Then an auxiliary signal control is appended to the user-defined SVC to improve whose transient performance in dynamic simulation. Through the comparison of dynamic simulation results, the feasibility and expandability of the proposed user-defined SVC model is validated. The user-defined modeling method proposed can be a guidance for modeling other complicated devices in PSS/E. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407079).

PSS/E; user-defined modeling; SVC;transient simulation; equivalent current injection

10.7667/PSPC150826

国家自然科学基金项目(51407079)

2015-05-17；

2015-09-22

张东辉(1984-)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统稳定分析、控制与规划； 朱 林(1979-)，男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向为电力系统控制与自动化、直流输电技术。E-mail：zhul@scut.edu.cn