生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法

摘要

本发明公开了一种生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法，所述方法采用PSS/E格式的数据文件，提取计算出建立PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型需要的参数，然后对电力系统网络模块进行分割，并将参数经过相应坐标变换算法生成PSCAD/EMTDC环境下自动布局的子网络模块，最后在所述子网络模块间和模块中进行自动布线，实现PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的建立。该方法能够根据PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序的参数设置要求，进行相应的数据转换并输入PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序，生成的PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型能够实现对交直流电力系统进行高效准确的仿真分析。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，更具体的说，是涉及一种生成 PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法。

背景技术

高压直流输电是一种将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输 送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受电端交流电网的一种 输电方式。高压直流输电方式不增加系统的短路容量，便于实现两大电力系 统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网，且利用直流系统的功率 调制能提高输电系统的阻尼，抑制低频振荡，提高并列运行的交流输电线的 输电能力。因此，目前我国已投入多条高压直流输电线路，形成了多馈入大 规模的交直流互联系统。

为了便于交直流电力系统的研究和管理，需要建立交直流电力系统的仿 真模型。PSS/E是国内普遍使用的交直流电力系统机电暂态仿真程序之一，能 够对大扰动下交直流系统相互作用的特性进行研究分析。但是采用PSS/E暂 态仿真程序也存在一定的问题，即PSS/E交直流电力系统机电暂态仿真程序 在严格数学意义上只适用于基波对称交流系统，而不能用于偏离这种理想条 件的其他运行状态的分析，例如不对称故障，因此采用PSS/E机电暂态仿真 程序来模拟仿真交直流电力系统存在仿真结果不准确的问题。

PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序具有电磁暂态仿真计算能力，其特点 是仿真的电力网络采用a、b、c三相模型或更普通的全相模型，且必须用微分 方程描述，系统中的物理量为瞬时值而不是相量。因此基于电磁暂态模式的 电网仿真，能够对直流输电换流器和柔性交流输电装置等电力电子设备的开 关过程进行精确仿真，能够克服PSS/E等机电仿真程序在交直流电力系统下 仿真不够精确的缺点。

然而，目前实际交直流电力系统的元件及运行参数都是以PSS/E等机电 暂态仿真程序的数据格式输出的，并没有PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序 格式下的数据。如果要满足PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序的参数设置要 求，需要人工编制交直流电力系统仿真文件。但是，实际的交直流电力系统 网络仿真文件数据多，规模巨大，如果采用人工编制方法，不仅效率低下， 且出错率高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的 方法，以将现有的PSS/E格式的数据文件直接转换为能够运行于 PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序的数据格式，进而实现对交直流电力系统 进行高效准确仿真分析的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法，包括：

数据准备流程：根据PSS/E潮流数据文件，提取并计算得到电力网络连 接信息和静态电力元件参数；根据PSS/E动态数据文件，提取并计算得到动 态电力元件参数；根据电力系统网络布局文件，提取并计算得到电力网络布 局信息；

模型建立流程：根据所述静态电力元件参数和所述动态电力元件参数自 动生成电力系统元件模型；根据所述静态电力元件参数和所述电力网络布局 信息，按照预设的规则分割电力系统网络模块，按照电力系统网络布局信息 内的坐标系和PSCAD/EMTDC环境下实际仿真的所述模型信息之间的坐标变 换算法生成PSCAD/EMTDC环境下自动布局的子网络模块，并记录分割后的 各个子网络模块连接信息；

模型生成流程：根据所述电力网络连接信息和所述子网络模块的连接信 息，对已自动布局好的子网络模块和已自动生成的元件模型自动布线。

可选的，所述电力网络布局文件由实际厂站地理位置经平面二维化及坐 标化获得，包括电力系统中所有厂站的布局信息。

可选的，所述自动生成电力系统元件模型，包括：

采用MATLAB编程语言自动生成电力系统元件模型。

可选的，所述分割电力系统网络模块，获得自动布局的子网络模块和各 个子网络模块的连接信息，包括：

结合所述静态电力元件参数、实际区域和电压判据，按照预设的规则分 割电力系统网络模块，并记录分割后的各个子网络模块范围信息及其包含的 模型信息及各个子网络模块的连接信息；

根据所述电力系统网络布局信息内的坐标系和PSCAD/EMTDC环境下实 际仿真的所述模型信息坐标系之间的差异，计算获得坐标变换算法；

根据所述坐标变换算法和各个子网络模块的模型信息自动布局各个子网 络模块。

可选的，所述分割网络模块，包括：

根据静态电力元件参数中的厂站区域信息，将含有相同区域值的厂站划 分至一个区域模块中；

根据电压判据对不同电压等级的厂站进行分类划分。

可选的，所述对已分割好的子网络模块和已自动生成的元件模型自动布 线，包括：

所述各个子网络模块之间采用直线连接方式自动布线；

所述子网络模块内部的元件模型采用两折点连接线方式自动布线。

可选的，所述对已分割好的子网络模块和已自动生成的元件模型自动布 线，包括：

计算得到子网络模块中厂站距离判据；

判断两个厂站之间的直线距离是否大于所述距离判据；

如果否，所述两个厂站采用两折点连线方式连接；

如果是，判断所述两个厂站的直线连接路径是否与已存在的线路交叉； 如没有交叉，所述两个厂站采用两折点连线方式连接；如果有交叉，将所述 两个厂站分别与自身名称相同的元件模型连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明实施例公开了一种 生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法，所述方法采用PSS/E格式的 数据文件，提取计算出建立PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型需要的参数， 然后对电力系统网络模块进行分割，并将参数经过相应坐标变换算法生成 PSCAD/EMTDC环境下自动布局的子网络模块，最后在所述子网络模块间和 模块中进行自动布线，实现PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的建立。该建 立PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法，能够根据PSCAD/EMTDC电 磁暂态仿真程序的参数设置要求，进行相应的数据转换并将转换后的数据输 入PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序，生成的PSCAD/EMTDC电力系统仿 真模型能够实现对交直流电力系统进行高效准确的仿真分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的流 程结构图；

图2为图1所示实施例公开的生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的 方法流程图；

图3为本发明实施例公开的14节点系统电网平面分布图；

图4为本发明实施例公开的图3所示14节点系统坐标化后的坐标分布图；

图5为图1所示实施例公开的分割电力系统网络模块的流程结构图；

图6为本发明实施例公开的厂站间两折点式连接示意图；

图7为本发明实施例公开的连接线交叉情况判断示意图；

图8为39节点系统结构图；

图9为本发明实施例公开的故障情况下发电机功角曲线图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结 如下：

PSS/E：Power system simulator/engineering，一款优秀的面向工程实际的 仿真分析软件。

PSCAD：一个以图形为基础的电力系统模拟工具族。

EMTDC：一套基于软件的电磁暂态模拟程序，可以通过PSCAD进行调 用。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例公开的生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的流 程结构图，图2为图1所示实施例公开的生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真 模型的方法流程图，参见图1和图2所示，所述生成PSCAD/EMTDC电力系 统仿真模型的方法可以包括：

步骤201：生成电力网络连接信息、静态电力元件参数、动态电力元件参 数和电力网络布局信息。

步骤201可以叫做数据准备流程，具体为：根据PSS/E潮流数据文件， 提取并计算得到电力网络连接信息和静态电力元件参数；根据PSS/E动态数 据文件，提取并计算得到动态电力元件参数；根据电力系统网络布局文件， 提取并计算得到电力网络布局信息。

其中，潮流数据文件是软件PSS/E能够直接导出的一个文件，内部含有 整个电力系统电网的节点电压和节点相角等网络潮流信息。所述静态电力元 件参数和动态电力元件参数也是软件PSS/E可以直接导出的文件，静态电力 元件参数用于静态电力系统元件的自动建模，包括线路、负荷和变压器等信 息；动态电力元件参数用于动态电力系统元件的自动建模，包括发电机、励 磁器、调速器和电力系统稳定器等相关信息。

步骤201主要是为了得到建立PSCAD/EMTDC的电力系统仿真模型需要 的数据参数。由于PSS/E潮流数据文件以及PSS/E动态数据文件内部的数据 都是按照固定的格式排列的，所以采用MATLAB编程语言含有的fgets和 strread等函数，可以方便的实现所需数据的选择性提取，将从潮流数据文件 中提取的节点编号信息直接转换为电力网络连接信息。

电力网络布局文件同现有技术一样，是根据实际电力系统的各个厂站的 信息由人工编制而成，由实际厂站地理位置经平面二维化及坐标化获得，包 括电力系统中所有厂站的布局信息。其方法是将电力系统的各个厂站看做一 个无尺寸点，按照厂站的实际地理位置平铺设置于一个二维平面上，得到电 网分布平面图。一个可选的实施例是将电网分布平面图的左上角定为坐标原 点，向右向下分别作为X轴和Y轴的正方向，可以得到每个厂站在此坐标系 下的坐标值。举例说明，可参见图3，图3为本发明实施例公开的14节点系 统电网平面分布图。图4为本发明实施例公开的图3所示14节点系统坐标化 后的坐标分布图，按照上述坐标系建立方法，可得到如图4所示的厂站-坐标 对应关系。每个厂站的编号以及对应坐标分别按照先X轴从小到大，再Y轴 从小到大的排列顺序，依次编入数据文件，可得到电力网络布局文件，读取 上述文件内的参数信息，可形成电力网络布局信息。

步骤202：生成子网络模块连接信息和自动布局的子网络模块。

步骤202可以叫做模型建立流程，具体为：根据所述静态电力元件参数 和所述动态电力元件参数自动生成电力系统元件模型；根据所述静态电力元 件参数和所述电力网络布局信息，按照预设的规则分割电力系统网络模块， 按照电力系统网络布局信息内的坐标系和PSCAD/EMTDC环境下实际仿真的 所述模型信息之间的坐标变换算法生成PSCAD/EMTDC环境下自动布局的子 网络模块，并记录分割后的各个子网络模块连接信息。

其中，电力系统元件模型具体可采用MATLAB编程语言，根据所述静态 电力元件参数和所述动态电力元件参数自动生成电力系统元件模型。所述元 件模型在后续自动布线流程中可以被调用。PSCAD/EMTDC仿真文件可以以 文本形式打开，文本结构以仿真消息、元件模块定义和模块层次分布的顺序 依次排列。每一个特定的元件模块及其参数都可以以固定的格式写入，从而 自动生成元件模型。

在一个示意性的示例中，分割电力系统网络模块的具体过程可参见图5， 图5为图1所示实施例公开的分割电力系统网络模块的流程结构图。其中虚 线框中内容为具体分割转换过程。参见图5所示，分割电力系统网络模块具 体可以包括：结合所述静态电力元件参数、实际区域和电压判据，按照预设 的规则分割电力系统网络模块，并记录分割后的各个子网络模块范围信息及 其包含的模型信息及各个子网络模块连接信息；根据所述电力系统网络布局 信息内的坐标系和PSCAD/EMTDC环境下实际仿真的所述模型信息坐标系之 间的差异，计算获得坐标变换算法；根据所述坐标变换算法和各个子网络模 块的模型信息自动布局各个子网络模块。

其中，所述子网络模块连接信息即为电力网络经过分割后各个子网络模 块之间互相联络的信息；所述子网络模块范围信息能够表示网络模块分割后 形成的具体子网络模块框架；所述模型信息表示网络模块分割后，每一个子 网络模块内部包含的场站信息。

其中，所述的分割网络模块，具体可以包括根据静态电力元件参数中的 厂站区域信息，将含有相同区域值的厂站划分至一个区域模块中；根据电压 判据对不同电压等级的厂站进行分类划分。

为了保证最终生成的PSCAD/EMTDC仿真模型中厂站与实际厂站位置相 对应，以有利于电力系统研究人员对整体网络框架的把握和操作，采用以下 方法进行坐标转换：首先设定每个厂站包含与其母线相连的线路、变压器、 发电机、负荷和并联无功补偿器。由于每个PSCAD/EMTDC页面内的元件定 位亦采用XY坐标方式，即左上角为坐标原点，向右向下分别为X轴和Y轴 正方向的坐标系，因此，为了区别本发明所述的电力网络布局信息内的XY 坐标系和PSCAD/EMTDC下已有的XY坐标系，将电力网络布局信息内的坐 标系设为XYA坐标系，PSCAD/EMTDC下的坐标系设为XYB坐标系。在 XYB坐标系下，由于采用上述厂站结构，每个厂站的横向和纵向长度可分别 表示为DX和DY，不能作为一个无尺寸的点来处理，而在XYA坐标系下， 每个厂站均视为一个无尺寸点，因此，以DX和DY视作XYA坐标下横纵坐 标轴上的单位长度作为换算方法，利用含有子网络模块厂站参数信息的模型 信息，对电力网络布局信息进行坐标变换。在每个子网络模块内部，利用变 换后的坐标值，将厂站放入相应坐标位置，可得到已自动布局的子网络模块。

步骤203：自动布线。

步骤203可以叫做模型生成流程，具体包括：根据所述电力网络连接信 息和所述子网络模块的连接信息，对已自动布局好的子网络模块和已自动生 成的元件模型自动布线。

在自动布线之前，经过步骤201和步骤202，PSCAD/EMTDC电力系统 仿真模型中已包含多个子网络模块，各个子网络模块内部的厂站也布局完毕， 且每一个厂站包含的线路、变压器、发电机和负荷等元件模型都已生成，与 各个元件模型匹配的参数也输入完成，只需布好线，就生成了完整的 PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型。

由于PSCAD/EMTDC软件图形化界面上只能作90°角的折线连接线，考 虑到整体页面的简洁与统一，本文采用图6所示的两折点连接线方式进行网 络布线，图6为本发明实施例公开的厂站间两折点式连接示意图。图6表明， 无论其他厂站在厂站i的哪个方位，两者均可采用两折点连接线的方式相连 接，且每条连接线由四个端点确定：起点、折点1、折点2、终点。若此时已 作出n条连接线，在作第n+1条时，线路应避开已确定的4n个坐标点，以防 线路之间发生误连情况，程序可通过xy分别遍历的方法，减少程序执行时间。

根据子网络模块内部与子网络模块之间的区分，可将自动布线分为子网 络模块内部布线与子网络模块外部布线。由于模块之间的连接关系较简单， 模块外部布线可采用直接连线的方式实现自动布线。模块内部存在较多的元 件模型，若直接采用两折点连接方式，虽然也能达到自动布线的效果，但是 整体布线较为混乱，不利于模型调试与仿真结果观察。为达到模块内部布线 整齐，调试方便的目的，本发明采用如下步骤：

计算得到子网络模块中厂站距离判据；判断两个厂站之间的直线距离是 否大于所述距离判据；如果否，所述两个厂站采用两折点连线方式连接；如 果是，判断所述两个厂站的直线连接路径是否与已存在的线路交叉；如没有 交叉，所述两个厂站采用两折点连线方式连接；如果有交叉，将所述两个厂 站分别与自身名称相同的元件模型连接。

上述过程具体可以是：1.利用厂站的坐标信息计算子网络模块内部各厂 站之间的直线距离，根据式（1）可以获得厂站距离判据，当两个厂站之间的 连接距离小于距离判据L，直接采用两折点连接方式布线。反之，采用步骤2。

$L=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{l}_i+\mathrm{\Delta l}$式（1）

式中，L为子网络模块内部厂站距离判据，l_i为任意两个厂站之间的直线 距离，n为本子网络模块内各厂站之间连接线总数，Δl为距离判据自由调节 量，可根据实际情况设定。

2.当两厂站之间的连接距离大于距离判据L，需要进行交叉线判断，如 果两厂站的连接路径与已存在的连接线不发生交叉现象，可直接采用两折点 连接方式进行自动布线；如果存在交叉现象，可采用PSCAD/EMTDC的节点 标识（Node Label）元件，将发生交叉的两厂站分别同含有相同名称的节点标 元件模型连接即可。

交叉线的具体识别方法如下：将每个厂站看作一个无尺寸坐标点，已存 在的厂站连接线作直线段处理。图7为本发明实施例公开的连接线交叉情况 判断示意图，如图7所示，其中实线表示已存在的连接线，虚线表示未作出 的连接线。对已存在的连接线利用其起点和终点坐标，列出直线方程 AX+BY+C=0，对于斜率绝对值小于0.1的曲线，取斜率K=0，A=0；对于斜 率绝对值大于10的曲线，取斜率K=100，B=0。元素A，B，C及斜率K依 次放入矩阵MA，MB，MC，MK中存储。假设目前已存在n条连接线，在作 第n+1条连接线时，需遍历比较每条已存在的连接线，将第n+1条连接线的 斜率与前n条直线的斜率相比较，若斜率相差不多，可认为两者之间不存在 交叉，否则，计算出两者的交叉点坐标，由于此交叉点不一定存在于连接线 上，因此将此交叉点称为虚拟交叉点。通过比较虚拟交叉点与第n+1条连接 线段的起点和终点的横轴或纵轴坐标，判段是否存在交叉。若交点的横坐标 或纵坐标数值在起点和终点的范围内，表示存在交叉；反之，则不存在交叉。

在一个应用实例中，通过将PSS/E程序的分析结果与PSCAD/EMTDC仿 真程序的分析结果对比，判断在稳态和暂态情况下两者的准确定。

如图8所示的39节点系统是电力系统研究领域内通用的仿真模型，含有 39个节点（厂站），10台发电机，28条线路。将转换前后的文件进行稳态分 析，可以得到表1和表2所示的稳态参数对比表。

表1转换前后节点电压对比表

  节点编号   PSS/E(pu)   PSCAD/EMTDC(pu)   相对误差   30   1.048   1.055   0.67%   31   0.982   1.023   4.18%   32   0.983   0.963   2.03%   33   0.997   1.012   1.50%   34   1.012   0.980   3.16%   35   1.049   1.033   1.53%   36   1.064   1.056   0.75%   37   1.028   1.037   0.88%   38   1.027   1.029   0.19%   39   1.03   1.015   1.46%

表2转换前后线路有功功率对比表

从表1和表2可以看出，电压相对误差和线路有功功率的相对误差除个 别外，基本都在2%和1%以内，转换后的系统（PSCAD/EMTDC仿真程序） 在稳态情况下具有较好地准确性。

图9为本发明实施例公开的故障情况下发电机功角曲线图，其中实线为 PSCAD/EMTDC仿真模型的仿真曲线，虚线为PSS/E环境下的仿真曲线。在 t=0.3s时刻，在2号厂站附近发生三相接地短路故障，经0.1s后故障切除。以 39号节点上的发电机为参考机，可以得到32号节点上的发电机功角响应曲线。 从图9中可以看出，两条曲线十分接近，特别是在功角的第一摆上，因此， 可以看出转换后的系统在暂态情况下也具有较好地准确性。

综合上述稳态和暂态运行情况，可以看出转换后的系统具有较好地准确 性。

本实施例中，所述生成PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法采用 PSS/E格式的数据文件，提取计算出建立PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型 需要的参数，然后对电力系统网络模块进行分割，并将参数经过相应坐标变 换算法生成PSCAD/EMTDC环境下自动布局的子网络模块，最后在所述子网 络模块间和模块中进行自动布线，实现PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的 建立。该建立PSCAD/EMTDC电力系统仿真模型的方法，能够根据 PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序的参数设置要求，进行相应的转换并将转 换后的数据输入PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序，生成的PSCAD/EMTDC 电力系统仿真模型能够实现对交直流电力系统进行高效准确的仿真分析。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他 变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物 品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者 是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制 的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素 的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、 处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存 储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可 编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的 任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。