电力系统电磁暂态仿真

译者序

前言

缩写和常数 1

第1章　定义、目的和背景 3

1．1　简介 3

1．2　电磁暂态的分类 3

1．3　暂态仿真器 5

1．4　数字仿真 6

1．4．1　状态变量分析 6

1．4．2　差分方程方法 6

1．5　历史沿革 7

1．6　应用范围 9

1．7　参考文献 10

第2章　连续与离散系统分析 11

2．1　引言 11

2．2　连续系统 11

2．2．1　状态变量表达式 12

2．2．2　状态方程的时域解 19

2．2．3　连续系统的数字仿真 21

2．3　离散系统 28

2．4　连续域与离散域之间的关系 30

2．5　小结 31

2．6　参考文献 31

第3章　状态变量分析 32

3．1　引言 32

3．2　状态变量的选择 32

3．3　状态方程的形成 34

3．3．1　变换法 34

3．2．2　图解法 36

3．4　求解过程 38

3．5　暂态变换器仿真 （TCS） 39

3．5．1　标幺系统 40

3．5．2　网络方程 40

3．2．3　TCS的结构 43

3．5．4　换流阀开关处理 45

3．5．5　自动步长调整的效果 47

3．5．6　TCS变换器控制 50

3．6　算例 53

3．7　小结 57

3．8　参考文献 57

第4章　数值积分代换 59

4．1　引言 59

4．2　犚，犔，犆元件的离散化 59

4．2．1　电阻 59

4．2．2　电感 60

4．2．3　电容 61

4．2．4　元件组合降阶 62

4．3　传输线双端诺顿等效模型 64

4．4　网络求解 66

4．4．1　算例：电压源转化为电流源 67

4．2．2　含有开关的网络求解 68

4．4．3　算例：作用到犚犔负荷的电压阶跃 70

4．5　非线性或时变参数 77

4．5．1　电流源替代法 77

4．5．2　补偿法 77

4．5．9　分段线性法 79

4．6　子系统 79

4．7　稀疏与编号优化 82

4．8　数值误差和不稳定性 83

4．9　小结 84

4．10　参考文献 84

第5章　根匹配法 86

5．1　引言 86

5．2　差分方程的指数形式 86

5．3　差分方程的狕域表示 88

5．4　在EMTP算法中的实现 91

5．5　差分方程指数形式族 97

5．5．1　阶跃响应 98

5．5．2　稳态响应 99

5．5．3　频率响应 100

5．6　算例 102

5．7　小结 103

5．8　参考文献 104

第6章　传输线和电缆 105

6．1　引言 105

6．2　贝瑞隆 （Bergeron）模型 106

6．2．1　多导体传输线 107

6．3　频率相关传输线 110

6．3．1　频域到时域的变换 113

6．3．2　相域模型 116

6．4　架空传输线参数 117

6．4．1　分裂导线束 119

6．4．2　地线 120

6．5　地下电缆 121

6．6　算例 123

6．7　小结 131

6．8　参考文献 132

第7章　变压器和旋转电机 134

7．1　引言 134

7．2　基本变压器模型 134

7．2．1　数值实现 136

7．2．2　参数导出 136

7．2．3　模拟非线性 138

7．3　高级变压器模型 139

7．3．1　单相UMEC模型 139

7．3．2　UMEC在PSCAD/EMTDC中的实现 143

7．3．3　三芯柱三相UMEC 144

7．3．4　快速暂态模型 147

7．4　同步机 148

7．4．1　电磁模型 148

7．2．9　机电模型 154

7．4．3　机网接口 156

7．4．4　可用旋转电机的类型 159

7．5　小结 159

第8章　控制和保护 162

8．1　引言 162

8．2　控制系统暂态分析 162

8．3　PSCAD/EMTDC中的控制模块 163

8．3．1　算例 166

8．4　保护系统建模 172

8．4．1　互感器 172

8．4．2　机电式继电器 174

8．4．3　电子式继电器 175

8．4．4　基于微处理器的继电器 175

8．4．5　断路器 175

8．4．6　避雷器 176

8．5　小结 178

8．6　参考文献 179

第9章　电力电子系统 181

9．1　引言 181

9．2　EMTDC中换流阀的表示 181

9．3　开关瞬时的配置和定位 182

9．4　尖峰和数值振荡 （振颤） 184

9．4．1　插值和振颤消除 185

9．5　HVDC变换器 191

9．6　HVDC仿真算例 193

9．7　灵活交流输电系统设备 196

9．7．1　静止无功补偿器 197

9．7．2　静止补偿器 200

9．8　状态变量模型 203

9．8．1　EMTDC/TCS接口实现 203

9．8．2　控制系统表示 205

9．9　小结 206

9．10　参考文献 207

第10章　频率相关网络等效 208

10．1　引言 208

10．2　FDNE的位置 209

10．3　降阶系统的范围 209

10．4　频率范围 209

10．5　系统频率响应 209

10．5．1　频域识别 210

10．5．2　时域识别 216

10．6　模型参数拟合 217

10．6．1　犚犔犆网络 217

10．6．2　有理函数 218

10．7　模型实现 220

10．8　算例 220

10．9　小结 227

10．10　参考文献 228

第11章　稳态应用 229

11．1　引言 229

11．2　初始化 230

11．3　谐波评估 230

11．4　非线性设备的相位依赖阻抗 231

11．5　时域起辅助作用 232

11．5．1　时不变非线性元件的迭代求解 233

11．5．2　一般非线性元件的迭代求解 234

11．5．3　加速技术 235

11．6　时域起主要作用 236

11．6．1　基本时域算法 236

11．6．2　步长 236

11．6．3　直流系统表示 236

11．6．4　交流系统表示 237

11．7　电压暂降 238

11．7．1　算例 239

11．8　电压波动 241

11．8．1　闪变渗透模型 241

11．9　电压切痕 245

11．9．1　示例 245

11．10　小结 247

11．11　参考文献 248

第12章　混合时间框架仿真 250

12．1　引言 250

12．2　混合算法描述 251

12．2．1　独立程序修改 251

12．2．2　数据流 252

12．3　TS/EMTDC接口 253

12．3　等效电路 253

12．3．1　等效阻抗 254

12．3．2　等效电源 255

12．3．3　相—序数据转换 256

12．3．4　接口变量推导 256

12．4　EMTDC到TS的数据转换 258

12．4．1　从变换器波形提取数据 259

12．5　交互协议 259

12．6　接口位置 260

12．7　测试系统和结果 261

12．8　讨论 263

12．9　参考文献 263

第13章　实时暂态仿真 265

13．1　引言 265

13．2　采用专用体系结构的仿真 266

13．2．1　硬件 267

13．2．2　RTDS的应用 269

13．3　在标准计算机上的实时应用 271

13．3．1　实时测试实例 272

13．4　小结 273

13．5　参考文献 273

附录犃　犘犛犆犃犇/犈犕犜犇犆程序结构 275

A．1　参考文献 281

附录犅　系统识别技术 282

B．1　狊域识别 （频域） 282

B．2　狕域识别 （频域） 283

B．3　狕域识别 （时域） 285

B．4　Prony分析 286

B．5　递归最小二乘曲线拟合算法 287

B．6　参考文献 289

附录犆　数值积分 290

C．1　经典方法回顾 290

C．2　积分公式的截断误差 293

C．3　积分方法的稳定性 294

C．4　参考文献 295

附录犇　测试系统数据 296

D．1　GIGRE标准测试模型 296

D．2　新西兰南岛南部系统 299

D．3　参考文献 301

附录犈　导出差分方程 302

E．1　应用到一阶滞后函数的根匹配技术 302

E．2　应用到一阶微分极点函数的根匹配技术 302

E．3　通过双线变换得到犚犔串联支路的差分方程 303

E．4　通过数值积分代换得到犚犔串联支路的差分方程 303

附录犉　犕犃犜犔犃犅代码示例 307

F．1　作用到犚犔负荷的电压阶跃 307

F．2　作用到犚犔负荷的电压阶跃 308

F．3　F．2示例的一般化程序 310

F．4　差分方程的频率响应 322

附录犌　用于状态变量分析的犉犗犚犜犚犃荦代码 326

附录犎　用于犈犕犜仿真的犉犗犚犜犚犃荦代码 333

H．1　直流电源、开关和犚犔负荷 333

H．2　用于直流电源、开关和犚犔负荷的一般化 MET程序 335

H．3　交流电源、二极管和犚犔负荷 339

H．4　状态变量分析程序 342

H．5　状态变量分析程序 345

H．6　状态变量分析程序 349

H．7　输电线路程序的子程序 357

索引 360

《电力系统电磁暂态仿真》准确了解电磁暂态问题对于在不影响供电可靠性和供电质量的情况下保持电力系统的经济、高效和环保运行至关重要。仿真已逐步成为电力系统电磁暂态分析的普遍工具，尽管目前它很少深入涵盖本科生课程，但在未来它很可能成为核心课程。

本书的主要目的是描述高效地应用计算技术用于求解包含线性或非线性元件的任意规模和拓扑结构的电磁暂态问题。书中展示了如何采用不同的技术仿真含有各种元件的电力网络电磁暂态过程、建立完善的数学模型，以及比较不同模型的准确性和计算需求等内容。

本书主要面向电气工程的高年级本科生或硕士、博士研究生，文中包含了阐明较难理解的概念（或方法）的基本示例。鉴于目前缺乏该领域的相关培训，电力工业各领域与之相关的工程师也能够在该书中找到有助于其专业工作的巨大价值所在。|

电磁暂态程序简介

电磁暂态程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件。它包含通过现场测试证实的用于变压器相传输线的模型、各种电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型，是电力系统中高压电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序，侧重于系统的运行情况而不是个别开关的细节。

电磁暂态程序历史

在1984年以前的十多年里，属于美国能源部的邦维尔电管局(BPA)主导了EMTP程序的开发工作，它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内（public domain work），其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。1984年以后，EMTP程序主要分为两支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6个大型电力机构组成）/EPRI（美国电力科学研究院）为代表，试图将EMTP程序商业化(以下称其为商业化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它继续保持EMTP程序的可免费使用性，但为了防止其成果被商业化的EMTP所利用，ATP-EMTP不属于公共域内。 有几种EMTP版本以用于个人计算机，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美国邦纳维尔电力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已对免费使用EMTP构成威胁，原BPAEMTP的开发者之一Dr.W.Scott Meyer为了维护EMTP的可免费使用性，于1984年2～3月份，终止了12年的EMTP开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式诞生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上电磁暂态分析程序（EMTP)最广泛使用的一个版本，ATP-EMTP程序几乎可为世界上的每一个人所免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。

本书将EMTP工具与电力系统电磁暂态理论计算知识相结合，对ATP-EMTP在电力系统电磁暂态中的仿真计算原理与应用做了详细介绍，尤其对ATPDraw的应用做了详细介绍。全书共分9章。

本书可作为高等院校电气工程专业高年级本科生教材，也可供电气工程专业研究生、电力工程专业技术人员和电力系统电磁暂态领域广大科研工作者参考。 2100433B

电磁暂态程序简介

EMTP程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律；将EMTP的稳态分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。另外，EMTP程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。

ATP-EMTP还配备有图形输入程序ATPDrawTM，最新版是1.4版。ATPDraw1.4是一个32位程序，可以在Windows95/NT下运行。ATPDraw作为ATP-EMTP的一个前处理程序，最终生成一个格式正确的ATP-EMTP的数据输入文件。ATPDraw支持70个标准元件和28个TACS模块，同时也支持MODELS,用户可以根据自己的需要创建