基于仿真的电力系统优化研究

科ｌ技ｌ论Ｉ坛　科　电力电子、电力系统实时仿真技术研究　孙奇志余晓春　（哈尔滨电力职业技术学院，黑龙江哈尔滨１５００００）　摘要：阐述了电力电子、电力系统仿真的基本组成与特点，分析了针对电力系统实时仿真容易产生的问题，并从软件、硬件方面提出了适合仿　真系统运行的一些解决方案。　关键词：实时仿真；暂态；计算机集群；多核；仿真步长；梯形数值积分法　１概述　实时仿真是研究电力系统电磁和机电暂态过　称、优化系统规划与运行的重要手段。电力系统实　时仿真经历了三个发展过程：第—代模拟分析系　统；第二代摸拟膨　混合仿真系统；第三代全数字　实时仿真系统。　现在较前沿的电力电子、电力系统仿真软件　是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的全　数字实时仿真软件，如ｅＭＥＧｓｉｍ。与前两代仿真系　统相比ｅＭＥＧｓｉｍ具有以下优势：　（１）即可以对电力系统机电和电磁暂态分别　进行实时仿真，同时也可以对机电和电磁暂态混　合系统进行实时仿真。　（２）仿真精度高：ｅＭＥＧｓｉｍ实时仿真结果与　公认的离线分析软件ＥＭＴＰ－ＲＶ的仿真结果吻　合。　（３）良好的升级和扩充性：ｅＭＥＧｓｉｍ硬件采　用基于ＰＣ　Ｃｌｕｓｔｅｒ的计算机集群，当仿真的系统　规模增大时，只需增加ＣＰＵ的数目和增大内存容　量即可。　２系统组成　ｅＭＥＧＡｓｉｍ实时仿真系统包括两部分：主机　和目标机。　主机为运行Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的普通ＰＣ　机，其中药功能如下：　（１）模型开发　（２）离线仿真　（３）模型分隔和代码的自动生成　（４　搬的控制　（５）人机交互　目标机是模型实时运行的平台。主机上开发　好的电力系统模型通过以太网下载到目标机上，　目标机包括ＩＯ板卡，通过ＩＯ板卡和功放设备与　实际的电力设备进行数据交换。　目标机的特点如下：　（１）采用多ＣＰＵ以及多核技术的高性能硬件　平台。　（２）ＱＮＸ实时｝　作系统。　（３）仿真模型在多个ＣＰＵ（或多核）上并行执　行。　（４）基于ＦＰＧＡ的高精度ＩＯ模块，ＦＰＧＡ的　工作频率为１００Ｈｚ。　（５）所有ＩＯ板卡均带有信号调理模块。　（６）实时与超时仿真模式。　基于ＰＭＳＭ永磁电机有限元模型的实时仿　真　３电力系统实时仿真存在的问题分析　（１＞仿真的实时性问题。　（２）建模问题分析。　（３）开关器件的实时仿真问题。　（４　填　精度与数值隐定性问题。　（５肋真系统的升级和扩展问题分析。　３．１仿真的实时性分析。输电线路互联的电站　组成电力系统网络，各电站信号以光速在输电线　路中传播。然而信号具有传输延迟，并目这种延迟　随线路的长度而变化。因此当仿真步长小于传输　延迟时，对电站和线路并行仿真是可行的，否则实　时仿真是无法实现的。电站包括无源器件、发电　机、电动机、控制系统等。大多数控制系统的时间　常数远大于仿真步长，因此这些控制系统可独立　仿真，与电站节点方程并行处理，整体准确性不受　影响。将传输线路、电站、控制系统分解为并行子　任务，这些子任务分配到不同的ＣＰＵ上计算。每　—仿真时步开始，分别计算每—任务；仿真时步结　束，各子任务相互交换信息。　多节点、密集结构的电力系统往往具有以下　特点：一是距离近，不像大的陆地电力网，木同电　站或设备之间有着几十、几百、甚至上千公里；密　集结构的电力系统的电站与设备之间的距离最多　一百多米；二是节点数密集，与近距离相适应的电　力系统的节点全集中在一起，—个区域通常大约　有几十个电力器件。对于此类多节点、密集结构的　电力系统，现有的所有仿真软件均无法解决实时　仿真问题。可行的处理方法是在系统中加人专门　开发的解耦元件。通过解耦元件可以将—个复杂　的电力系统模型分解成几个独立的子系统，通过　将不同的子系统分别放在多个ＣＰＵ上运算，达到　降低每—个ＣＰＵ的计算量，实现整个系统实时仿　真的目的。　对于那些需要更短仿真步长（如纳秒级的用　户），利用当前较先进的软件包（如：ｅＭＥＧｓｉｍ　ＸＳＧ）可以将电力系统模型编译成能够在Ｆｌｅａ　卡上运行的实时代码，利用ＦＰＧＡ的高速并行处　理能力实现系统的实时仿真。ｌ比外，还可以建立电　力器件库，用户可以直接利用模型库中的元件搭　建自己的仿真系统。　３．２建模问题分析。建模：即根据研究对象的　基本物理规律，对物理系统写出描述其运动规律　的数学方程，即数学模型的过程。　模型开发工具一般采用ＭＡ　ＩＬＡＢ　ｉｍｕｌｉｎｋ　等工具，以及市场上专门针对电力系统实时仿真　的电力元件模型库，比如：带时间戳的整流电路模　型库、带时间戳的逆变器模型库、改进的电力电子　元器件库（包含了常用的电力电子设备元件）、实　时逻辑处理模块库、事件信号产生模块库等。　３３开关器件的实时仿真分析。随着高频电力　开关器件越来越多的应用到电力系统中，如何在　实时仿真的过程中准确的模拟高频开关设备的工　作情况，是电力系统实时仿真　的问题。为　此，需要采用一些专门的算法求解器（比如　ＡＲＴＥＭＩｓ）这种求解器专门用于对电力系统中的　高频开关元件进行实时仿真。通过求解器可以预　计算开关状态，通过在实时仿真前，预先计算出系　统中不同电力器件开关状态对应的矩阵，并将矩　阵的计算结果存储在计算机的内存中。仿真时，当　电力电子器件的开关状态发生变化时，ＣＰＵ直接　调用计算结果，从而节省了运算时间，使模型能够　用于实时仿真。此外，还可以采用实时产生开关信　号，实时捕捉采样间隔之间的触发信号，记录信号　产生的时间以及逻辑状态的改变情况，然后在模　型的计算过程中进行补偿，达到实时仿真的目的。　３４仿真系统的仿真精度和数值稳定性的问　题分析。传统Ｅ，电力系统仿真通常采用ＰＳＰＩＣＥ　仿真软件和在梯形数值积分法基础上编制的仿真　软件，实例计算表明，当步长△ｔ选取适当时，其仿　真结果与ＰＳＰＩＣＥ仿真软件所得结果相符。当选择　较大步长时，利用梯形数值积分法基础上编制的　仿真软件仍可得比较满意的结果，而用ＰＳＰＩＣＥ仿　真软件有可能出现发散。而针对含开关元件的电　力系统进行仿真，梯形积分法就在仿真精度和数　值稳定性匕出现了问题。针对这种问题，ｅＭＥＧｓｉｍ　提供了—些改进的求解算法，如：ａｒｔ５、ａｒｔ３等算法。　３５仿真系统的升级和扩展问题分析。仿真系　统硬件平台—般采用基于ＰＣ　Ｃｌｕｓｔｅｒ的计算机集　群，当被仿真的电网规模增大时，只需增加ＣＰＵ　数目和增大内存容量即可。这种方式与传统的ＳＧＩ　图形工作站模式比较具有很大的扩展和升级优　势，在将来的仿真系统中会大量应用，是仿真硬件　平台的发展趋势。　总结　在硬件方面，整个实时仿真系统采用Ｐｃ　Ｃｌｕｓｔｅｒ的｛—ｒ算机集群，不同计算机之间通过实时　网络通讯，从而保证系统实时仿真步长可以达到　ＵＳ级别；在软件方面运用求解器、并行算法以及利　用成熟的模型库，从软件相应方面满足了实时仿　真对时间相应的需求，为电力电子、电力系统仿真　提供了可能，该技术将会对电力电子、电力系统仿　真产生深远影响。　参考文献　【ｌ】周克宁．电力电子技术　北京：机械工业出版　社．２００４．　【２Ｊ何仰赞．电力系统分析ＩＩ　武汉：华中科技大学出　版社．２００２．　［３】赫培峰，崔建江，溽ｌ睾．计算机仿真技树ＭＪ．北京：　机械工业出版社。２０ｏ　【４】李国勇，谢克明，杨丽娟．计算机仿真技术与　ＣＡＤ一基于ＭＡ　ｎＡＢ的控制系统　第二版北　京：电子工业出版社．２００８．　阁曹梦龙，安世奇．控制系统计算机仿真技术哪北　京：化学工业出版社，２００９．　【ｑ《电力电子电路仿真的数值积分法及与ＰＳＰＩＣＥ　的对比》电子信息科技文献数据库［ＥＢ￣Ｌ１．会议论　文库。１９９８．　【７Ｉ电力系统保护与控制ｉｚ１２ｏｏ８（１５）．　『８１高电￣ｇｉｚＩ．２ＯＯ７（１１）．　—

智能电网中的电力系统仿真与建模

随着科技的不断发展和能源需求的增长，智能电网在现代生活中扮演着至关重要的角色。为了确保智能电网的安全、可靠和高效运行，电力系统仿真与建模是不可或缺的工具。本文将探讨智能电网中电力系统仿真与建模的意义、方法以及相关应用。

一、电力系统仿真与建模的意义

1.1 提高智能电网的安全性

通过电力系统仿真与建模，我们可以模拟和预测电力系统在不同工况下的运行情况。这有助于及时检测和解决潜在的安全隐患，提高智能电网的安全性。仿真还可以帮助我们分析系统的弱点，并采取相应的措施加以改善，从而保证电力系统的可靠性和稳定性。

1.2 优化智能电网运行策略

电力系统的仿真模型可以重现电网实际运行情况，包括负荷变化、电压波动等。通过对系统进行仿真分析，我们可以找到能够优化电网运行策略的方法，如合理分配电力资源、优化输电线路布局等。这有助于提高智能电网的能源利用率和运行效益。

1.3 减少智能电网建设成本

在智能电网的建设过程中，通过仿真模型可以评估不同方案的可行性和性能。借助仿真技术，我们可以事先发现并解决潜在的问题，避免在实际建设过程中出现不必要的成本和风险。 二、电力系统仿真与建模的方法

2.1 基于物理模型的仿真

基于物理模型的仿真是一种常用的电力系统仿真方法。它通过建立电力系统的数学模型来模拟系统的行为。这种方法基于物理定律和电力系统的结构特点，能够较精确地描述电力系统的运行情况。然而，它的建模工作量较大，对模型的准确性要求较高。

2.2 基于数据驱动的仿真

基于数据驱动的仿真是一种基于历史数据分析的仿真方法。它通过分析电力系统的历史运行数据，建立系统的统计模型，对电力系统的运行进行仿真。这种方法具有较低的建模工作量，适用于大规模系统仿真。然而，它的准确性可能受限于数据的质量和样本量。

三、电力系统仿真与建模的应用

3.1 智能电网规划与设计

电力系统仿真与建模可以帮助规划和设计智能电网。通过仿真分析，可以评估不同规划方案的性能和经济效益，从而选择最佳方案。此外，仿真还可以帮助设计电网的控制策略和优化电力资源配置，提高智能电网的运行效率。

电力系统有功功率控制策略研究与仿真

随着电力需求的不断增加以及可再生能源的快速发展，电力系统的安全稳定运行成为一个重要的课题。而电力系统的有功功率控制策略正是为保障系统的稳定运行而进行研究和实施的重要手段。本文将就电力系统有功功率控制策略进行深入探讨，并使用仿真方法进行验证和分析。

一、概述与背景

电力系统的有功功率控制策略是指通过控制发电机输出的有功功率以及负荷的调整来维持电力系统的稳定运行。这个策略的研究与实施非常重要，它可以有效避免电力系统的频率偏离标准范围，保障电网的安全稳定运行。

二、有功功率控制策略分类

有功功率控制策略可以根据控制对象、控制方式等不同因素进行分类。下面将介绍几种常见的有功功率控制策略。

1. 发电机功率控制策略

发电机功率控制策略是通过调整发电机的有功功率来维持电力系统的稳定运行。这种策略可以通过控制发电机的机械负荷或者调整发电机的励磁来实现。

2. 负荷调整策略

负荷调整策略是通过调整负荷的有功功率来实现电力系统的稳定运行。这种策略可以通过调整负荷的开启或关闭来控制有功功率的输出。

3. 可再生能源控制策略 随着可再生能源的快速发展，如风力发电和太阳能发电等，对电力系统的影响越来越大。可再生能源控制策略可以通过调整这些能源的输出功率，以及结合储能系统进行协调控制，维持电力系统的稳定运行。

三、有功功率控制策略的仿真研究

为了验证和优化有功功率控制策略的效果，使用仿真方法对电力系统进行研究是一种常见的手段。下面将介绍几种常用的仿真平台和仿真研究内容。

1. PowerWorld仿真平台

PowerWorld是一种常用的电网仿真软件，它可以对电力系统的稳态和暂态进行仿真分析。在有功功率控制策略的研究中，可以使用PowerWorld来模拟电力系统的运行状态，并从中分析改变不同控制策略对系统稳定性的影响。

2. MATLAB/Simulink仿真平台

MATLAB/Simulink是一种常用的建模和仿真工具，它可以对电力系统进行深入的仿真研究。通过建立模型，可以模拟电力系统中各个元件的行为，并设计相应的控制策略进行仿真验证。

基于分解的智能优化算法在电力系统　

无功优化中的仿真研究　

康健　，周庆庆　

（１．西安供电局，陕西西安７１００３２；２．陕西省电力公司，陕西西安７１００６８）　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＯＥＡＤ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

ＫＡＮＧ　Ｊｉａｎ　．ＺＨＯＵ　Ｑｉｎｇ－ｑｉｎｇ　

（１．Ｘｉ’ａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｘｉ’ａｎ　７　１　００３２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ　７　１　００４８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓｅｓ＆ｍｉｎｉｍｕｍ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｏｓｔｓ．　ＭＯＥＡＤ　

（Ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＯＥＡＤ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　

ｌｏｓｓｅｓ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｏｓｔｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｆａｓｔ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．