陶 華，許津津，鄒文聰

（泉州電業(yè)局，福建 泉州 362000）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，特別是交直流混合輸電的快速發(fā)展，電力電子設(shè)備大規(guī)模應用，電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真已不能滿足實際工程的需要，因此電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真日益重要。

國內(nèi)現(xiàn)行對電力系統(tǒng)的仿真一般集中于機電暫態(tài)仿真，大多采用BPA或者PSASP研究電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)特性。因此，國內(nèi)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)一般采用BPA或者PSASP軟件要求的格式進行存儲，從而缺乏網(wǎng)絡(luò)的電磁暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)。若要對目前運行的網(wǎng)絡(luò)進行電磁暫態(tài)仿真，需要從已記錄的機電暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)中獲取電磁暫態(tài)仿真軟件格式的數(shù)據(jù)。目前主要使用PSCAD或RTDS進行電網(wǎng)電磁暫態(tài)過程的研究，但現(xiàn)有的仿真軟件尚未提供將BPA或PSASP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PSACD格式數(shù)據(jù)的功能。

BPA采用文本格式對網(wǎng)絡(luò)潮流數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)分別進行存儲，利用名稱和電壓等級區(qū)分母線，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息之間的傳遞，因此在計算中不需要形成網(wǎng)絡(luò)的電氣接線圖，故BPA采用母線名稱和電壓等級的形式記錄電網(wǎng)數(shù)據(jù)。而PSCAD擁有先進的圖形化界面，可通過網(wǎng)絡(luò)的電氣接線圖識別網(wǎng)絡(luò)信息，在進行網(wǎng)絡(luò)仿真計算以前需要形成準確的網(wǎng)絡(luò)電氣接線圖。

因此，如何根據(jù)已記錄的BPA軟件格式的數(shù)據(jù)形成滿足PSCAD軟件要求的數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代電網(wǎng)仿真需要解決的問題之一。對于小型網(wǎng)絡(luò)，可以通過分析BPA記錄的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元器件模型，手工搭建PSCAD仿真模型。但對于包含數(shù)百、數(shù)千條母線和數(shù)千條傳輸線路及變壓器的大型網(wǎng)絡(luò)，如果手工搭建網(wǎng)絡(luò)的PSCAD仿真模型，不僅增加了仿真的工作量，更有可能在轉(zhuǎn)換過程中由于疏忽而導致過多的人為誤差。同時，由于需要形成網(wǎng)絡(luò)接線圖，在轉(zhuǎn)換過程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的電氣拓撲結(jié)構(gòu)合理地分配各元件的位置，以繪制完整清晰的拓撲接線圖，這是整個轉(zhuǎn)換中最重要也是最困難的地方。

為了解決上述問題，給電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真提供數(shù)據(jù)支撐，本文結(jié)合實際工程應用，提出了一種基于廣度優(yōu)先搜索算法的BPA向PSCAD模型轉(zhuǎn)換的方法，通過該方法可以搭建機電暫態(tài)數(shù)據(jù)向電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的平臺，其轉(zhuǎn)換思想大致如下：

a.分析待轉(zhuǎn)換電力網(wǎng)絡(luò)的特點，選擇滿足不同要求的元件模型；

b.依據(jù)記錄的BPA格式的數(shù)據(jù)文件，分析網(wǎng)絡(luò)的電氣拓撲結(jié)構(gòu)；

c.形成準確反映拓撲結(jié)構(gòu)的節(jié)點-支路關(guān)聯(lián)矩陣；

d.根據(jù)廣度優(yōu)先搜索算法形成電力系統(tǒng)的電氣生成樹；

e.根據(jù)生成樹中節(jié)點先后順序合理分配節(jié)點位置，逐一添加網(wǎng)絡(luò)中的元器件，形成電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD所需要的電力系統(tǒng)仿真文件。

本文最后通過實際算例在2種軟件環(huán)境下的電氣拓撲結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)響應曲線，驗證了本文提出的轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性。

1 模型轉(zhuǎn)換難點

1.1 線路模型

BPA在模擬線路的特性時，不計及波過程，這與PSCAD軟件中的PI型模型一致。為了更好地研究線路的動態(tài)過程，PSCAD常采用考慮波過程的詳細線路模型。

1.2 變壓器模型

BPA模擬三圈變時，采用3個兩圈變來等值，其中某個兩圈變的電抗可能等于或者小于零，此時向PSCAD轉(zhuǎn)換時，若轉(zhuǎn)換成3個兩圈變壓器，那么就會出現(xiàn)負阻抗的變壓器。這種負阻抗的變壓器模型，將會使得PSCAD無法進行計算。

1.3 負荷模型

BPA大都采用靜態(tài)模型和動態(tài)模型的組合來模擬負荷特性，轉(zhuǎn)換過程中，PSCAD可以采用Fixed Load模型和鼠籠式電動機模型來進行等值①Manitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.。但是PSCAD的鼠籠式電動機模型為定子雙繞組模型，而BPA感應電機模型為定子單繞組模型。

1.4 發(fā)電機模型

PSCAD采用的發(fā)電機模型是考慮磁鏈衰減過程的八階模型，而BPA發(fā)電機模型未考慮磁鏈的衰減過程，一般采用六階及以下的發(fā)電機模型。因此，如何有效轉(zhuǎn)換發(fā)電機模型成為制約轉(zhuǎn)換準確性的最大難點。

2 模型轉(zhuǎn)換方法

文獻[1]詳細闡述了基于深度優(yōu)先搜索算法的電力系統(tǒng)生成樹的形成方法及過程，本文在文獻[1]的基礎(chǔ)上，進一步分析研究機電暫態(tài)模型向電磁暫態(tài)模型轉(zhuǎn)換的方法。

PSCAD采用psc文件記錄元件信息，包括所有元件的坐標位置和參數(shù)。修改或添加PSCAD模型及其參數(shù)可以在可視化圖形界面上操作，也可以通過修改psc文件來完成，本文基于此提出模型轉(zhuǎn)換方法。

2.1 線路模型

由于BPA沒有考慮線路的波過程，因此可以采用PI型模型來等值。但是這種轉(zhuǎn)換未能反映線路真實的特性，一般把線路轉(zhuǎn)換成詳細模型，如Bergeron模型。

當線路長度小于15 km（仿真步長取50 μs）時，Bergeron模型未能計及波過程。為了體現(xiàn)波過程對輸電的影響，Bergeron模型需要填入線路的長度。若已記錄長度的線路，可以直接填寫線路長度；若BPA未給出線路的長度，則根據(jù)表1的經(jīng)驗值進行長度的估算，估算公式如下：

表1 不同電壓等級下線路的平均電抗Tab.1 Average impedance of different voltage levels

2.2 變壓器模型

升壓三繞組變壓器的低壓繞組在中間，高壓繞組在外層，中壓繞組在里層，Uk（1-2）% 較大；降壓三繞組變壓器的中壓繞組在中間，高壓繞組在外層，低壓繞組在里層，Uk（1-3）%較大。因此排在中間的繞組，其等值電抗的絕對值較小。

根據(jù)三圈變的這一特性，BPA數(shù)據(jù)中記錄的等效阻抗可成為判斷變壓器是否是三圈變的一個重要依據(jù)。若節(jié)點n和n+1之間的變壓器的等值電抗的絕對值較小，則判斷節(jié)點n的源節(jié)點和節(jié)點n之間、節(jié)點n+1和節(jié)點n＋1的子節(jié)點之間、節(jié)點n和節(jié)點n的子節(jié)點之間是否構(gòu)成三圈變[1]。若節(jié)點n和n＋1之間的變壓器是三圈變的一側(cè)，則三圈變的第二側(cè)必與n或者n+1相連接，第三側(cè)的另外一個節(jié)點是節(jié)點n（節(jié)點n為三圈變的虛擬節(jié)點）或者n＋1（節(jié)點n＋1為三圈變的虛擬節(jié)點）的非同一樹枝子節(jié)點。

2.3 負荷模型

通過改變Fixed Load模型中電壓對有功、無功的指數(shù)來實現(xiàn)恒功率、恒電流、恒阻抗模型的轉(zhuǎn)換。根據(jù)功率的大小以及穩(wěn)態(tài)負荷的比率，計算各負荷的初始功率，填入到PSCAD；根據(jù)功率的大小以及動態(tài)負荷的比率，計算動態(tài)負荷的大小，并填入到感應電機的初始功率中。

BPA感應電機模型為定子單繞組模型，PSCAD的鼠籠式電動機模型為定子雙繞組模型，在轉(zhuǎn)換時將PSCAD中鼠籠式電動機模型的第二繞組處理成開路。

2.4 發(fā)電機模型

BPA中發(fā)電機六階模型與PSCAD采用的發(fā)電機模型在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上基本一致，只是PSCAD采用的發(fā)電機模型考慮了定子繞組磁鏈衰減的過程。轉(zhuǎn)換時，BPA發(fā)電機六階模型可直接轉(zhuǎn)換成PSCAD中的發(fā)電機模型。當BPA采用不計阻尼繞組的發(fā)電機四階模型時，PSCAD應采用不計次暫態(tài)過程的發(fā)電機模型與之對應；當BPA采用經(jīng)典的二階模型模擬發(fā)電機特性時，轉(zhuǎn)換中PSCAD仍采用等值電路模型。在四階模型的基礎(chǔ)上，進一步忽略轉(zhuǎn)子磁鏈變化的過程，使得發(fā)電機模型退化為二階模型①Manitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.②中國電力科學研究院.中國版BPA潮流程序用戶手冊.2000.③中國電力科學研究院.中國版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊.2000.，[2-3]。經(jīng)過處理后的發(fā)電機模型基本能滿足工程應用。

2.5 發(fā)電機控制系統(tǒng)模型

根據(jù)2種軟件提供模型的傳遞函數(shù)，實現(xiàn)工程中常用的原動機調(diào)速器模型、勵磁模型和PSS模型的轉(zhuǎn)換，其模型轉(zhuǎn)換對應關(guān)系分別見表2—4①Manitoba HVDC Research Centre.EMTDC／PSCAD user manual.2005.②中國電力科學研究院.中國版BPA潮流程序用戶手冊.2000.③中國電力科學研究院.中國版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊.2000.。

此外，因為PSCAD仿真頁面所能承載的元器件有限，在轉(zhuǎn)換大型網(wǎng)絡(luò)時，應先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓撲聯(lián)系、網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)名或區(qū)域名多頁面轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。因此，轉(zhuǎn)換大型網(wǎng)絡(luò)時，根據(jù)生成樹預先計算各節(jié)點的坐標，根據(jù)最大坐標計算需要的頁面數(shù)，并按照計算坐標把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分成不同的子塊，同一子塊內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后在同一頁面內(nèi)。頁面之間通過外部連接節(jié)點Xnode進行信息的交換。

表2 原動機調(diào)速器模型轉(zhuǎn)換對應關(guān)系Tab.2 Model conversion of speed regulator for prime motor between BPA and PSCAD

表3 勵磁模型轉(zhuǎn)換對應關(guān)系Tab.3 Model conversion of exciter between BPA and PSCAD

表4 PSS模型轉(zhuǎn)換對應關(guān)系Tab.4 Model conversion of PSS between BPA and PSCAD

轉(zhuǎn)換詳細的負荷模型和發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型，采取類似的多頁面轉(zhuǎn)換：負荷頁面內(nèi)依據(jù)BPA各種動態(tài)負荷參數(shù)卡片，分別轉(zhuǎn)換成恒阻抗負荷、恒電流負荷、恒功率負荷和感應電動機的組合；發(fā)電機及其控制系統(tǒng)頁面中，同樣根據(jù)BPA中相關(guān)的動態(tài)參數(shù)卡片，轉(zhuǎn)換成與之對應的發(fā)電機模型、勵磁模型、原動機調(diào)速器模型以及PSS模型。負荷頁面和發(fā)電機頁面都通過外部連接節(jié)點Xnode與外界網(wǎng)絡(luò)進行信息的交換。

3 模型轉(zhuǎn)換準確性驗證

本節(jié)將從轉(zhuǎn)換前后網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和動態(tài)響應曲線驗證所提模型轉(zhuǎn)換方法的準確性和可靠性。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)驗證

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)準確性是保證轉(zhuǎn)換正確的基本前提，只有在驗證轉(zhuǎn)換后的拓撲結(jié)構(gòu)和原網(wǎng)絡(luò)一致的前提條件下，才能驗證轉(zhuǎn)換后網(wǎng)絡(luò)的各項物理指標與轉(zhuǎn)換前的網(wǎng)絡(luò)一致。此處采用IEEE 9節(jié)點算例驗證網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的正確性，轉(zhuǎn)換前后通過2種軟件繪出的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖分別如圖 1（a）、（b）所示，比較可知，兩圖的拓撲結(jié)構(gòu)完全一致。

圖1 節(jié)點負荷消耗功率仿真結(jié)果Fig.1 Simulative results of nodal power consumption

3.2 網(wǎng)絡(luò)響應曲線驗證

為了驗證所轉(zhuǎn)換的動態(tài)模型的準確性，對某實際電網(wǎng)分別用BPA和PSCAD進行仿真，該電網(wǎng)共有125個節(jié)點、159條支路。在某線路首端施加故障時間為0.1 s的三相短路擾動，某發(fā)電機的出口電壓、勵磁電壓（標幺值）、有功功率、無功功率分別如圖2（a）—（d）所示，某節(jié)點消耗的功率如圖3所示。由圖3可知，BPA和PSCAD的仿真趨勢基本一致，驗證了所提模型轉(zhuǎn)換方法在工程應用中是可行的。

圖2 發(fā)電機仿真結(jié)果Fig.2 Simulative results of generator

圖3 節(jié)點負荷消耗功率仿真結(jié)果Fig.3 Simulative results of nodal power consumption

4 結(jié)論

本文分析了基于深度優(yōu)先搜索算法的BPA向PSCAD模型轉(zhuǎn)換的方法，搭建了機電暫態(tài)數(shù)據(jù)向電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換平臺，為解決缺乏大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)的難題提供了一種全新的思路。通過實例從拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)在2種軟件下的動態(tài)響應行為驗證了本文所提轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性。該方法已通過計算機編程實現(xiàn)，并應用到了工程實際中。