張東輝，金小明，周保榮，陳宇川，楊歡歡，蔡澤祥，朱 林

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PSS/E的自定義建模及其仿真研究

張東輝1，金小明1，周保榮1，陳宇川2，楊歡歡2，蔡澤祥2，朱 林2

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

深入研究了PSS/E的自定義功能。詳細(xì)介紹了PSS/E自定義的環(huán)境要求、格式要求、調(diào)用要求、基于等效電流注入的用戶自定義建模的原理。分析了在PSS/E中利用協(xié)調(diào)調(diào)用模式來(lái)實(shí)現(xiàn)該類(lèi)模型的方法和步驟。以靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)的自定義建模為例進(jìn)行了建模研究，并在自定義SVC模型中通過(guò)引入輔助信號(hào)以改善其性能。仿真結(jié)果充分表明了PSS/E自定義建模的可行性與可擴(kuò)展性，也驗(yàn)證了所建SVC模型的有效性，為其他電力系統(tǒng)復(fù)雜設(shè)備在PSS/E中的自定義建模提供指導(dǎo)。

PSS/E；用戶自定義建模；SVC；暫態(tài)仿真；等效注入電流

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型設(shè)備及控制策略等不斷投入電力系統(tǒng)中。而用于電力系統(tǒng)運(yùn)行分析的各類(lèi)軟件，其自身所提供的標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)可能無(wú)法完全匹配仿真的實(shí)際需要。為解決該問(wèn)題，一方面依賴軟件廠商對(duì)模型庫(kù)的擴(kuò)充與完善，通過(guò)軟件升級(jí)的方式增強(qiáng)可用性；另一方面，也可以通過(guò)引入標(biāo)準(zhǔn)化接口，允許用戶根據(jù)自身的研究對(duì)象，通過(guò)特定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編譯標(biāo)準(zhǔn)模塊供電力系統(tǒng)仿真分析軟件調(diào)用，即用戶自定義功能，滿足仿真需求[1-3]。

PSS/E是在全球范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真分析軟件，其主要功能包括潮流計(jì)算、短路計(jì)算與暫態(tài)穩(wěn)定分析等[4-7]。與PSD-BPA等同類(lèi)型軟件相比，PSS/E一項(xiàng)突出的特點(diǎn)就是其強(qiáng)大、靈活的用戶自定義功能。通過(guò)自定義功能，用戶能夠建立自己需要研究的滿足實(shí)際情況的模型并仿真驗(yàn)證，可提高元件模型的復(fù)用性，顯著提升建模仿真工作效率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PSS/E自定義功能的研究有一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[8-13]針對(duì)PSS/E中勵(lì)磁系統(tǒng)的自定義建模進(jìn)行研究，對(duì)PSS/E自定義模型的建立流程做了介紹。文獻(xiàn)[14-17]對(duì)調(diào)速器和低頻減載控制等進(jìn)行了PSS/E自定義環(huán)境下的建模研究。但相關(guān)工作僅針對(duì)單一對(duì)象且涉及的模型偏于簡(jiǎn)單，鮮有對(duì)PSS/E自定義功能的完整介紹，更缺少對(duì)建模思路與具體步驟的系統(tǒng)化梳理，尤其是缺少對(duì)復(fù)雜對(duì)象的建模研究。

基于上述問(wèn)題，本文從自定義建模的環(huán)境要求、數(shù)據(jù)要求和流程管控、實(shí)施步驟等環(huán)節(jié)深入探討了PSS/E的自定義功能。詳細(xì)研究了在PSS/E中基于等效電流注入的自定義模型建模方法和步驟，并以SVC為例搭建了自定義模型。同時(shí)，在相應(yīng)的自定義模型中還引入輔助信號(hào)用于改善其性能。與PSS/E的自帶SVC模型進(jìn)行了仿真對(duì)比，仿真結(jié)果表明了PSS/E自定義建模的可行性、可擴(kuò)展性以及模型的有效性。

1 PSS/E的自定義建模功能研究

1.1 自定義建模的基礎(chǔ)要求

(1) 環(huán)境要求

要使用PSS/E自定義建模功能，必須配置相應(yīng)的環(huán)境。以V33版PSS/E為例，需要配置開(kāi)發(fā)工具包Visual Studio 2010和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編譯器Inter Visual Fortran 2011。可以通過(guò)運(yùn)行PSS/E安裝路徑下的User Model Compile/Link and Environment Manager程序來(lái)檢驗(yàn)?zāi)壳芭渲檬欠駶M足PSS/E自定義環(huán)境要求。

(2) 格式要求

對(duì)自定義模型進(jìn)行編譯前，先用PSS/E動(dòng)態(tài)dyr文件生成CONEC、CONET文件：其中CONEC文件用于處理包含狀態(tài)變量和微分方程數(shù)組的自定義模型，CONET文件用于處理包含電流電壓代數(shù)方程的模型。之后用Fortran語(yǔ)言在兩個(gè)文件中編寫(xiě)自定義模型的源代碼，編譯成obj文件和生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件dsusr.dll。

(3) 調(diào)用要求

將生成的dsusr.dll需要放入PSS/E主程序目錄下，同時(shí)在PSS/E動(dòng)態(tài)dyr文件中加入調(diào)用自定義模型的控制語(yǔ)句。

1.2 自定義建模的數(shù)據(jù)要求

PSS/E模型中會(huì)包含各種參數(shù)變量和常量，如放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)、狀態(tài)變量、輸入及輸出變量等。PSS/E自定義模型需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)型定義，并以動(dòng)態(tài)數(shù)組的形式貯存和歸類(lèi)管理。常見(jiàn)的數(shù)組及其功能如表1所示。

PSS/E程序在執(zhí)行自定義模型的數(shù)據(jù)流向時(shí)有明確要求：首先從 CON 數(shù)組中獲得自定義模型的常量參數(shù)，其次從系統(tǒng)條件數(shù)組中獲得當(dāng)前運(yùn)行條件，再次從STATE 數(shù)組中獲得狀態(tài)變量當(dāng)前值傳遞給自定義模型子程序；然后由模型子程序來(lái)計(jì)算各個(gè)狀態(tài)變量的微分值；最后將計(jì)算出來(lái)的每一狀態(tài)變量的微分值放入到DSTATE數(shù)組中，返回到主程序進(jìn)行積分計(jì)算[9]。

表1 PSS/E自定義中的常用數(shù)組

PSS/E程序內(nèi)部通過(guò)MODE標(biāo)志實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流向的管控。MODE賦值為1~8來(lái)代表不同的狀態(tài)，其含義如表2所示。對(duì)于暫態(tài)仿真，MODE的1~4 必不可少。自定義模型就是根據(jù)MODE的變化執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的代碼。

表2 PSS/E中每個(gè)MODE標(biāo)記的功能

1.3 基于等效電流注入的自定義建模方法

根據(jù)研究對(duì)象的不同，PSS/E下的建模方法會(huì)存在一定的差異。例如，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，PSS/E主程序可識(shí)別并直接調(diào)用勵(lì)磁模型的輸出數(shù)據(jù)，即勵(lì)磁電壓數(shù)組EFD。對(duì)于這類(lèi)對(duì)象，自定義建模的思路直接，重點(diǎn)集中在考慮元件自身的結(jié)構(gòu)是否合理，控制邏輯關(guān)系是否全面完善等，將輸出數(shù)據(jù)存放在PSS/E內(nèi)部已自帶的數(shù)組中，PSS/E主程序直接調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)模型的功能。

還有一些對(duì)象，如直流、FACTS設(shè)備等，其模型的輸出數(shù)據(jù)無(wú)法為PSS/E主程序直接調(diào)用。例如，在PSS/E模型庫(kù)中，SVC控制器的輸出為并入母線的電納值B，直流控制的輸出是各個(gè)換流站的觸發(fā)角等信息，這些輸出數(shù)據(jù)在PSS/E程序內(nèi)部并沒(méi)有自帶數(shù)組。因此，針對(duì)該類(lèi)對(duì)象，本文介紹了一種在PSS/E下的等效電流注入的自定義建模方法。

元件通過(guò)母線實(shí)現(xiàn)和電力系統(tǒng)的連接。元件自身對(duì)系統(tǒng)的影響是通過(guò)對(duì)其相連母線上的注入功率所體現(xiàn)。若與母線電壓聯(lián)立，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為注入電流的形式，如圖1所示。PSS/E程序可以識(shí)別并調(diào)用電流CURNT數(shù)組。

圖1 電流注入類(lèi)自定義模型的實(shí)現(xiàn)

基于等效電流注入的自定義模型既需要承擔(dān)解微分方程求解，又需要計(jì)算注入電流完成代數(shù)方程求解。PSS/E提供了協(xié)調(diào)調(diào)用模式(Coordinated Call Models，CCM)用于來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程：將注入電流的計(jì)算以輔助函數(shù)的形式與CONEC自定義程序編寫(xiě)在同一個(gè)程序中，并要求該輔助函數(shù)的名稱取用CONEC子函數(shù)名稱且首字母要以T代替。

1.4 自定義模型的執(zhí)行流程

自定義模型的執(zhí)行流程可由MODE標(biāo)志進(jìn)行控制，如圖2所示。

圖2 MODE的執(zhí)行流程

第一次從MODE=8執(zhí)行到MODE=2的過(guò)程為程序的初始化過(guò)程，此時(shí)PSS/E程序會(huì)遍歷所有狀態(tài)變量，檢查初始條件。然后在MODE=2在和MODE=3之間一直循環(huán)直至仿真結(jié)束。

2 PSS/E下的SVC的自定義建模

2.1 SVC建模分析

本節(jié)以SVC為例，研究電力系統(tǒng)元件在PSS/E中的自定義建模。

圖4為PSS/E自帶SVC模型CSVGN5的控制框圖，輸入為母線電壓，輸出為電納svs。由于svs無(wú)法被PSS/E主程序直接調(diào)用，可將其按照上一節(jié)中的思路，以等效電流形式處理。

根據(jù)元件的控制框圖,可以確定與該模型相關(guān)的代數(shù)變量、狀態(tài)變量、輸入與輸出量，分別在CON、STATE、VAR、ICON數(shù)組中按規(guī)則分配空間。

對(duì)于控制框圖，通常思路是將傳遞函數(shù)分解為一階的形式，如圖3所示。

圖3 控制框圖的拆分

相應(yīng)的時(shí)域微分方程為

(2)

(3)

在自定義編程中，將2()作為狀態(tài)變量存于STATE數(shù)組中，其微分量存于DSTATE數(shù)組中。此外，PSS/E程序中也提供了內(nèi)部函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)一階慣性環(huán)節(jié)、超前滯后環(huán)節(jié)等，從而降低自定義難度。針對(duì)圖4所示傳遞函數(shù)，可以直接調(diào)用函數(shù)“()=LDLG_MODE( )”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 SVC的等效注入電流的處理

由于SVC的輸出量為電納B無(wú)法被PSS/E主程序直接調(diào)用，需要將其與母線電壓聯(lián)立轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的等效注入電流。

圖4 SVC控制簡(jiǎn)圖

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，SVC需要改變其輸出電納來(lái)改變輸出的無(wú)功量從而達(dá)到控制母線電壓的效果，即

(5)

3 實(shí)例仿真驗(yàn)證對(duì)比

通過(guò)上述自定義方法編寫(xiě)PSS/E自帶SVC模型CSVGN5，模型參數(shù)的選取范圍及其建議值如表3所示。

表3 控制參數(shù)的取值范圍和建議值

1) 測(cè)試案例一

在圖5所示的多機(jī)系統(tǒng)中，在靠近負(fù)荷中心的母線B202上安裝有進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓潭娙萜?。選擇在該處安裝SVC進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置線路L1靠近母線B152側(cè)2 s發(fā)生三相金屬性接地故障，0.1后切除故障線路。分別監(jiān)測(cè)母線B202、B152的電壓及SVC無(wú)功輸出情況，如圖6所示。

圖5 仿真測(cè)試系統(tǒng)

由圖6可見(jiàn)，在配置SVC后母線B202、B152在恢復(fù)過(guò)程中電壓波動(dòng)幅度小，故障后3 s電壓已趨于穩(wěn)定。而采用安裝電容器補(bǔ)償?shù)姆绞?，母線B202、B152電壓恢復(fù)較為緩慢。因此，相對(duì)于安裝電容器補(bǔ)償?shù)姆绞剑惭bSVC更有助于控制節(jié)點(diǎn)電壓水平。進(jìn)一步檢驗(yàn)比對(duì)自定義SVC模型與PSS/E自帶模型的輸出曲線，兩者的初始值、振蕩趨勢(shì)、穩(wěn)態(tài)值一樣，曲線重合。這說(shuō)明本文所介紹的建模方法與所搭建的SVC模型是正確的。

2)測(cè)試案例二

為改善SVC的性能，再次利用PSS/E的自定義功能在自定義模型中加入輔助信號(hào)，其控制框圖如圖7所示。選用母線B152電壓為輸入信號(hào)，故障場(chǎng)景設(shè)置與案例一相同，暫態(tài)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 輔助信號(hào)的控制框圖

由圖8得知，在自定義功能模型中引入輔助信號(hào)后，母線B202、B152在故障切除瞬時(shí)的沖擊電壓顯著降低，恢復(fù)過(guò)程中電壓波動(dòng)更為平穩(wěn)，有利于保護(hù)設(shè)備。

同時(shí)，在Intel I5 CPU 4GB RAM硬件環(huán)境及PSS/E V33.04軟件環(huán)境下，對(duì)系統(tǒng)自帶SVC模型、自定義SVC模型以及加載輔助信號(hào)的自定義SVC模型進(jìn)行了運(yùn)行效率檢測(cè)。在上述案例中，三種模型的計(jì)算用時(shí)均為0.6 s，內(nèi)存增量約0.4 MB。在南方電網(wǎng)某運(yùn)行方式下的檢測(cè)結(jié)果也有相同結(jié)論。PSS/E自定義模型可完全用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算。

4 結(jié)論

本文深入研究了PSS/E的自定義功能，詳細(xì)介紹了自定義建模的環(huán)境要求、數(shù)據(jù)要求和流程管控等核心環(huán)節(jié)，研究了在PSS/E中基于等效電流注入的自定義模型建模方法和步驟。以SVC為例搭建了自定義模型，并與PSS/E自帶的SVC模型進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了本文所述PSS/E關(guān)于自定義建模方法的正確性。本文所做工作可為建立其他用戶自定義模型提供指導(dǎo)，具備良好的參考價(jià)值。

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(編輯 葛艷娜)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51407079)

2015-05-17；

2015-09-22

張東輝(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析、控制與規(guī)劃； 朱 林(1979-)，男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)控制與自動(dòng)化、直流輸電技術(shù)。E-mail：zhul@scut.edu.cn