電力穩定仿真系統設計分析報告摘要隨著社會的進步和科技的發展，近年來世界各地也出現了一些大的電力系統，這些系統通常具有范圍廣、強非線性的特點。隨著電力市場化和區域聯網的不斷推進，電網運行狀態越發復雜多變且接近其極限水平,在運行中，由于某種破壞性的原因，有時會引起電力系統崩潰的問題。利用MATLAB7.0電力系統工具箱為平臺，通過SimPowerSystem建立電力系統運行中常見的單機—無窮大系統模型，設置的是電力系統中常見的單相接地故障，模型中采用快速切除故障、自動重合閘、變壓器中性點經小電阻接地、強行勵磁等方法進行仿真，并證明了上述方法能夠提高電力系統暫態穩定。目錄 26501電力系統暫態穩定性概述 1306231.1電力系統暫態穩定及其意義 198311.2國內外研究現狀及發展趨勢 2223942電力系統暫態穩定研究的內容 6267312.1電力系統機電暫態過程的特點 6296402.2大擾動后發電機轉子的相對運動 7222932.3等面積定則 974792.4極限切除角 10148843電力系統暫態穩定的研究方法 1259033.1分析電力系統暫態穩定的線性方法 1282323.2人工神經網絡法 14134403.3提高電力系統暫態穩定的方法 15314893.4研究設計的內容 1896164電力系統常用仿真簡介 20208964.1常用的電力系統仿真軟件 2062474.2MATLAB簡介 21144934.3MATLAB保存圖形 23148555基于SIMULINK的單機無窮大系統的暫態穩定性仿真 2442465.1單機-無窮大系統的建模 24147705.2采用的模塊及其參數設置 25165045.3電力系統暫態穩定性仿真 311電力系統暫態穩定性概述1.1電力系統暫態穩定及其意義電力系統暫態穩定問題是指電力系統受到大的擾動之后各發電機是否能繼續保持同步運行的問題。對于某一特定的穩定運行狀態，以及對于某一特定的擾動，如果在擾動后系統可以達到一個可以接受的穩定運行狀態，則對此初始狀態及此擾動而言，稱之為暫態穩定。引起電力系統大擾動的原因主要有以下幾種：(1)負荷的突然變化，如投入或切除大容量的用戶等；(2)切除或投入系統的主要元件，如發電機，變壓器及線路等；(3)發生短路故障其中以短路故障的擾動最為嚴重，常以此作為檢驗系統是否具有暫態穩定的條件。電力系統受到大的擾動時，表征系統運行狀態的各種電磁參數都要發生急劇的變化。但是，由于原動機調速器具有較大的慣性，它必須經過一定時間后才能改變原動機的功率。這樣，發電機的電磁功率和原動機的機械功率之間便失去了平衡，于是產生了不平衡轉矩。在不平衡轉矩的作用下，發電機開始改變轉速，使各發電機轉子間的相對位置發生變化（機械運動）。發電機轉子相對位置，即相對角的變化，反過來又將影響到電力系統中電流、電壓和發電機電磁功率的變化。所以，由大擾動引起的電力系統暫態穩定過程，是一個電磁暫態過程和發電機轉子間機械運動暫態過程交織在一起的復雜過程。電力系統是一個復雜的動態系統，一方面它必須時刻保證必要的電能質量及數量；另一方面它又處于不斷的擾動之中，擾動發生的時間、地點、類型、嚴重性均有隨機性，擾動發生后的系統動態過程中一旦發生穩定性問題，系統可能在幾秒內發生嚴重后果，造成極大的經濟損失和社會影響。電力系統暫態分析的主要目的是檢查系統在大的擾動下（如故障、切機、切負荷、重合閘操作等情況），各發電機組間能否保持同步運行，如果能同步運行，并具有可接受的頻率和電壓水平，則稱此電力系統在這一大擾動下是暫態穩定的。在電力系統規劃、設計、運行等工作中都要進行大量的暫態分析。通過暫態分析還可以考察和研究各種穩定措施的效果以及穩定控制的性能，因此通過仿真來驗證所求結果是否正確，即電力系統在某一狀態時是否是穩定的具有重要意義。 電力線系統穩定的破壞，往往會導致系統的解列和崩潰，造成大面積停電，所以保證電力系統穩定是電力系統安全運行的必要條件。判定電力系統暫態穩定性主要是在大擾動下檢查系統中各發電機組間能否保持同步運行水平，并具有可以接受的電壓和頻率水平。對這項工作已深入多年，并在離線計算中有成熟的算法取得了良好的成果。然而，隨著電力市場化和區域聯網的不斷推進，電網運行狀態越發復雜多變且接近其極限水平，同時，近年來國內外時有發生由于系統暫態穩定性不足且對策遲緩引起的大停電事故，造成了經濟上的巨大損失，這些都提示著我們提高對電網穩定性分析的重視。只有更快速更準確地對系統處于的穩定水平進行判斷，找到穩定性遭到威脅的環節才能進而有效地采取措施改善系統運行狀態。為此，進一步深入研究改進原有暫態穩定分析方法，開拓新的創造性的方法，解決其在實際系統中的應用的難題，仍然是我們面對的重要課題。1.2國內外研究現狀及發展趨勢電力系統的互聯，可以帶來顯著的經濟效益，但是電力系統的規模越大，引起系統事故的可能性也越大，系統中任一元件發生故障都有可能引起事故擴大。如果電網結構不夠強壯，或者安全自動裝置不夠健全，或者管理失當，都有可能使系統陷入穩定危機，甚至大面積停電，乃至全網崩潰，給國民經濟造成重大損失。因此國內外大型電力系統的運行與規劃都把電力系統的安全評定置于重要地位。隨著“西電東送、南北互供、全國聯網”戰略的全面實施，到2020年左右，我國將建成世界上罕見的跨區域和遠距離傳輸巨大功率的超高壓交、直流混合輸電系統。其經濟效益十分明顯，不僅可以優化能源布局，充分利用西部地區豐富的水力資源，還可以減少備用容量，進行區域間的相互功率支援和實現錯峰效益。另一方面，互聯電網的缺點是，由于對事故的連鎖反應，可能出現大面積停電。1996年7月2日和8月l0日美國西部大面積停電事故的關鍵特征是，解除一條線路后，其余線路被迫承擔被解列線路的負荷，而失去一條線路的網絡進一步過載，從而引起連鎖反應和導致系統崩潰。隨著電力市場的發展，電力系統的重構和解除管制，在主網基礎上建立起來的現代互聯電網在區域間傳輸的功率將日益增長。這種需求進一步增加了輸電系統的壓力。因此，估計大面積停電事故的幾率還將增長。穩定破壞是電網中較為嚴重的事故之一，大電力系統的穩定破壞事故，往往引起大面積停電，給國民經濟造成重大損失。在我國，由于電網結構相對薄弱，重負荷長距離線路較多，因而穩定事故的發生較為頻繁。據統計，平均全國每年有4.7次穩定事故，總損失電量為280.31萬kWh，社會上由于停電造成的損失就更大了。我國即將形成的大型互聯混合輸電系統在世界上是舉世無雙的，如何保證該系統的安全、穩定和經濟運行是一個極其重大和迫切的研究課題。在電力系統中，隨著偶然事故的發生，電力系統能否經受住隨后發生的暫態過程并過渡到一個新的穩定狀態，是電力系統安全評定的主要內容。用暫態分析方法去評定系統能否經受住這種過渡過程屬于動態安全分析的范疇。國內外電力系統穩定破壞事故統計表明，暫態穩定破壞的事故率居于首位，從而暫態穩定分析組成動態安全評定的主體。對于我國電網來說，其覆蓋面積大，結構薄弱，負荷密度極不均勻，而電源又往往遠離負荷中心，單位裝機容量分攤到標準輸電線長度比發達國家的少得多。由于長期以來輸電線路總長度年增長率只是總裝機容量年增長率的40%左右，其累積效應進一步惡化了系統的安全穩定性。三峽工程標志著全國性跨地區聯網的開始，高效的遠方大機組越來越重要，聯絡線的作用從緊急支援延伸到經濟換電而接近穩定極限。人區電網互聯在經濟性和安全穩定性之間的最佳協調問題對有關算法的需求迫在眉睫。因此，電力系統的穩定性問題不但在非線性理論方面，也在非線性系統的實踐方面具有代表性。開發有量化和在線能力的TSA和VSA工具，以及相應的控制決策支持工具就顯得非常迫切。當前的中國已步入大電網、高電壓和大機組的時代。隨著我國電力系統的日益發展和擴大，電力系統安全穩定問題己成為最重要的問題，越來越突出。解決好電力系統實時安全分析方法和安全穩定控制技術的研究和應用，已成為電力生產、運行、科研和制造部門的重要任務，不管在任何情況下，電力調度運行部門都要把電力系統安全穩定運行放在首位。國內外電力系統分析組成動態安全評定的主體，實現對電力系統的穩定分析有著重要的實際意義。隨著社會的進步和科技的發展，近年來世界各地也出現了一些大的電力系統，這些系統通常具有范圍廣、強非線性的特點。隨著電力市場化和區域聯網的不斷推進，電網運行狀態越發復雜多變且接近其極限水平,在運行中，由于某種破壞性的原因，有時會引起電力系統崩潰的問題，如發生在2003年8月14日的美加大停電，2012年7月30日的印度電網大停電。這都給我國的電網的運行帶來了很多啟示。我們知道，美國的電網是錯綜復雜的，以前曾經認為電網越復雜就越安全，可是美加大停電告訴我們事實并非如此。實際上，美國電網的每段輸電線比較短，這就導致了有很多節點；另外，美國是個資本主義國家，電網在運行的時候考慮的更多的是經濟因素，所以在美國電網中存在有比較破舊的設備。諸多因素導致了美加大停電，其實這也不是偶然現象了，在此之前美國已經出現過兩次規模較大的停電了。印度電網，印度同中國一樣都是大的發展中國家。印度的裝機容量和電壓水平發展的也很迅速，但和我國還有較大的差距。印度發電量世界排名第五，僅次于美國，中國，日本和俄羅斯，但印度的電力供應嚴重不足。2012年7月印度兩天之內連續發生大面積停電事故，是有史以來影響人口最多的電力系統事故，超過6.7億人口受到了停電的影響。從事故前印度北方電網嚴重超載運行情況來看，線路跳閘前，電網已嚴重超過其穩定限額運行，從而導致大面積停電。電力系統暫態穩定MATLAB仿真在國內外已經很成熟，但是，無論我們怎么考慮暫態穩定性都不為過。因為從全球來看，大面積停電并不罕見。所以電力系統的暫態穩定依然是個重要的課題。電力系統的互聯，可以帶來顯著的經濟效益，但是長期以來，“分省平衡”的策略成為我國電力發展的重要弊端，嚴重地制約著我國電力資源的優化配置，全國聯網的進程明顯滯后。同時，電網的互聯使得電力系統的規模變大，從而引起事故的可能性也越大。如果電網不夠強壯，自動安全裝置不夠健全管理不得當，都有可能破壞系統的穩定，導致大面積停電，甚至全網崩潰。以廠網分開為主要內容的電力體制改革實施后，我國電網建設的步伐明顯加快，并且根據我國電網的特點和發展趨勢，制定了“西電東送、南北互供、全國聯網”的電網發展戰略，大力推進跨區輸電、跨區聯網，其目標就是為了促進電力資源在更大范圍內的優化配置。截至到2006年，以三峽工程為核心，以華中電網為依托，向東南西北四個方向輻射聯網的輸電線路已基本建成。以北、中、南三大西電東送通道為主體南北網間多點互聯、縱向通道聯系較為緊密的全國電網互聯的格局已基本形成預計到2010年，西電東送的規模將達到5500萬kW；2020年將再增加到1億kW以上。“十一五”期間，除實施已經明確的三峽右岸至上海直流工程外，規劃建設的主要工程還有西北至華北直流輸電工程，西北與川渝聯網工程，華中與華北背靠背聯網工程，同時加大山西陽城送電華東的力度并實現華北與華東聯網。“十一五”末期，配合三峽地下電站開發，建設向華北送電的支流輸電工程，南北之間將形成以三峽為支撐的主干通道。目前我國發電機裝機容量達10.6億千瓦，居世界第二；年發電量達4.8億千瓦時，居世界第一，即便如此，我國的發電量還是不足的。近日，浙江三門核電站的建造也取得了重大進展。目前，我國尚未出現大面積的停電，但事實上我們的居民生活中時常停電，特別是夏天和冬天，但大多數情況下，是電力部門主動做的拉閘限電，而非事先出現了什么故障，也就是說這是由于發電量不足造成的，所以我國的發電量還有待于提高，相對地，電網的暫態穩定性的研究也是一個重大的課題。如此大規模的全國電網互聯系統的形成將大大有利于電力資源在全國范圍內的優化配置。但是由于我國電網的網架相對薄弱、負荷與發電中心地理位置較遠聯絡線負載較重，局部故障的發生可能引發整個系統的安全穩定問題。因此，如何保證這樣一個超大規模電力系統的安全、穩定和經濟運行，成為擺在我們面前的一個巨大的難題。若能夠實現對全國電力系統運行狀態的實時甚至是超實時仿真，就能為在線預決策和電力系統穩定控制打下堅實的基礎，對電力系統的安全、穩定運行無疑是一個巨大的保證，具有深遠的現實意義。由于機電暫態仿真的計算量非常大，依據現有的條件，要對全國聯網電力系統的機電暫態過程進行實時仿真目前還無法實現。而隨著并行處理技術的不斷發展，尤其是可擴展、高性價比的PC集群系統的出現，使這個目標實現的可能性越來越大。

2電力系統暫態穩定研究的內容2.1電力系統機電暫態過程的特點電力系統暫態穩定問題是指電力系統受到大的擾動之后各發電機是否能繼續保持同步運行的問題。當電力系統受到大的擾動時，表征系統運行狀態的各種電磁參數都要發生急劇的變化。但是，由于原動機調速器具有較大的慣性，它必須經過一定時間后才能改變原動機的功率。這樣，發電機的電磁功率與原動機的機械功率之間就失去了平衡，于是產生了不平衡轉矩。在不平衡轉矩作用下，發電機開始改變轉速，使各發電機轉子間的相對位置發生變化（機械運動）。發電機轉子相對位置，即相對角的變化，反過來又將影響到電力系統中電流、電壓和發電機電磁功率的變化。所以，由大擾動引起的電力系統暫態過程，是一個電磁暫態過程和發電機轉子間機械運動暫態過程交織在一起的復雜過程。精確地確定所有電磁參數和機械運動參數在暫態過程中的變化是很困難的，對于解決一般的工程實際問題往往也是不必要的。通常，暫態穩定分析計算的目的在于確定系統在給定的大擾動下發電機能否繼續保持同步運行。因此，只需要研究表征發電機是否同步運行的轉子運動特性，即功角隨時間變化特性便可以了。據此，我們找出暫態過程中對轉子機械運動其主要影響的因素，在分析計算中加以考慮，而對于影響不大的因素，則予以忽略或作近似考慮。所以做出以下基本假設：（1）忽略發電機定子電流的非周期分量和與它相對應的轉子電流的周期分量我們知道，在大擾動，特別是發生短路故障時，定子非周期分量電流將在定子回路電阻中產生有功損耗，增加發電機轉軸上的電磁功率，在某些情況下（在發電機空載或輕載時），附加了非周期分量電流的損耗后，可能使發電機的電磁功率大于原動機的功率，從而使發電機產生減速運動。然而，一方面由于定子非周期分量電流衰減時間常數很小，通常只有百分之幾秒，另一方面，定子非周期分量電流產生的磁場在空間是靜止不動的，它與轉子繞組直流（包括自由電流）所產生的轉矩以同步頻率作周期變化，其平均值很小，由于轉子機械慣性較大，因而對轉子整體相對運動影響很小。采用這個假設后，發電機定、轉子繞組的電流、系統的電壓及發電機的電磁功率等，在大擾動的瞬間均可以突變。同時，這一假定也意味著忽略電力網絡中各元件的電磁暫態過程。（2）發生不對稱故障時，不計零序和負序電流對轉子運動的影響對于零序電流來說，一方面，由于聯接發電機的升壓變壓器絕大多數采用三角形-星形接法，發電機都接在三角形側，如果故障發生在高壓網絡中（大多數是這樣），則零序電流并不通過發電機；另一方面，即使發電機流通零序電流，由于定子三相繞組在空間對稱分布，零序電流所產生的合成氣隙磁場為零，對轉子運動也沒有影響。負序電流在氣隙中產生的合成電樞反應磁場，其旋轉方向與轉子旋轉方向相反。它與轉子繞組直流電流相互作用，所產生的轉矩，是以近兩倍同步頻率交變的轉矩，其平均值接近于零，對轉子運動的總趨勢影響很小。加之轉子機械慣性較大，所以，對轉子運動的瞬時速度的影響也不大。不計零序和負序電流的影響，就大大地簡化了不對稱故障時暫態穩定的計算。此時，發電機輸出的電磁功率，僅由正序分量確定。不對稱故障時網絡中正序分量的計算，可以應用正序等效定則和復合序網。故障時確定正序分量的等值電路與正常運行時的等值電路不同之處，僅在于故障處接入由故障類型確定的故障附加阻抗.應該指出，由于與負序及零序參數有關，故障時正序電流、電壓及功率，除與正序參數有關外，也與負序及零序有關。所以，網絡的負序及零序參數，也影響系統的暫態穩定。（3）忽略暫態過程中發電機的附加損耗這些附加損耗對轉子的加速運動有一定的制動作用，但其數值不大，忽略它們使計算結果略偏保守。（4）不考慮頻率變化對系統參數的影響在一般暫態過程中，發電機的轉速偏離同步轉速不多，可以不考慮頻率變化對系統參數的影響，各元件參數值都按額定頻率計算。2.2大擾動后發電機轉子的相對運動在正常運行情況下，若原動機輸入功率為（在圖2-1中用一橫線表示）,發電機的工作點位點，與此對應的功角為。短路瞬間，發電機的工作點應在短路時的功率特性上。由于轉子具有慣性，功角不能突變，發電機輸出的電磁功率（即工作點）應由上對應于的點確定，設其值為。這時原動機的功率仍保持不變，于是出現了過剩功率>0，它是加速性的。圖2-1轉子相對運動及面積定則在加速性的過剩功率作用下，發電機獲得加速，使其相對速度>0，于是功角開始增大。發電機的工作點將沿著由向移動。在變動過程中，隨著的增大，發電機的電磁功率也增大，過剩功率則減小，但過剩功率仍是加速性的，所以，不斷增大（見圖2-1）。如果在功角為時，故障線路被切除，在切除瞬間，由于功角不能突變，發電機的工作點便轉移到上對應于的點。此時，發電機的電磁功率大于原動機的功率，過剩功率<0，變成減速性的了。在此過剩功率作用下，發電機轉速開始降低，雖然相對速度開始減小，但她仍大于零，因此功角繼續增大，工作點將沿由向變動。發電機則一直受到減速作用而不斷減速。如果達到點時，發電機恢復到同步速動，即=0，則功角抵達它的最大值。雖然此時發電機恢復了同步，但由于功率平衡尚未恢復，所以不能在點確立同步運行的穩態。發電機在減速性不平衡轉矩的作用下，轉速繼續下降而低于同步速度，相對速度改變符號，即<0，于是功角開始減小，發電機工作點將沿由點向點、變動。以后的過程，如果不計能量損失，工作點將沿曲線在點和點之間來回變動，與此相對應，功角將在和之間變動（見圖2-1虛線）。考慮到過程中的能量損耗，震蕩將逐漸衰減，最后在點上穩定地運行。也就是說，系統在上述大擾動下保持了暫態穩定性。2.3等面積定則當不考慮震蕩中的能量損耗時，可以在功角特性上，根據等面積定則確定最大搖擺角，并判斷系統穩定性。從前面的分析可知，在功角由變到的過程中，原動機輸入的能量大于發電機輸出的能量，多余的能量將使發電機轉速升高并轉化為轉子的能量而存在于轉子中；而當功角由變到時，原動機輸入的能量小于發電機輸出的能量，不足部分由發電機轉速降低而釋放的動能轉化為電磁能來補充。轉子由到移動時，過剩轉矩所做的功為（2-1）用標幺值計算時，因發電機轉速偏離同步速度不大，，于是（2-2）公式（2-2）右邊的積分，代表平面上的積分，對于圖的情況為畫著陰影的面積。在不計能量損失時，加速期間過剩轉矩所作的功，將全部轉化為轉子動能。在標幺值計算中，可以認為轉子在加速過程中獲得的動能增量就等于面積。這塊面積稱為加速面積。當轉子由變動到時，轉子動能增量為（2-3）由于<0，公式（2-3）積分為負值。也就是說，動能增量為負值，這意味著轉子儲存的動能減小了，即轉速下降了，減速過程中動能增量所對應的面積稱為減速面積，就是減速面積。顯然，當滿足（2-4）的條件時，動能增量為零，即短路后得到加速使其轉速高于同步速的發電機重新恢復了同步。應用這個條件，并將，以及和的表達式代入，便可求得。式(2-4)也可寫成（2-5）即加速面積和減速面積大小相等，這就是等面積定則。同理，根據等面積定則，可以確定搖擺的最小角度，即（2-6）由圖2-1可以看到，在給定的計算條件下，當切除角一定時，有一個最大可能的減速面積。如果這塊面積的數值比加速面積小，發電機將失去同步。因為在這種情況下，當功角增至臨界角時，轉子在加速過曾中所增加的動能未完全耗盡，發電機轉速仍高于同步速度，功角繼續增大而越過點，過剩功率變成加速性的了，使發電機繼續加速而失去同步。顯然，最大可能的減速面積大于加速面積，是保持暫態穩定的條件。2.4極限切除角當最大可能的減速面積小于加速面積時，如果減小切除角，由圖2-2可知，這既減小了加速面積，又增大了最大可能減速面積。這就有可能使原來不能保持暫態穩定的系統變成能保持暫態穩定了。如果在某一切除角時，最大可能的減速面積與加速面積大小相等，則系統將處于穩定的極限情況，大于這個角度切除故障，系統將失去穩定。這個角度稱為極限切除角。圖2-2極限切除角的確定由圖2-2可得（2-7）求出公式（2-7）的積分并經整理后可得（2-8）式中所有的角度都是用弧度表示的。臨界角（2-9）為了判斷系統的暫態穩定性，還必須知道轉子抵達極限切除角所用的時間，即所謂切除故障的極限允許時間（簡稱為極限切除時間）。為此，可通過求解故障時發電機轉子運動方程來確定功角隨時間變化的特性，如圖2-3所示。圖2-3極限切除時間的確定當已知切除角時，可以由曲線上找出對應的繼電保護和斷路器切除故障的時間。比較與由面積定則確定的極限切除角，若<,系統是暫態穩定的，反之則不穩定。也可以比較時間，由面積定則確定的極限切除角，在上求出相對應的極限切除時間<,系統是暫態穩定的，反之是不穩定的。

3電力系統暫態穩定的研究方法3.1分析電力系統暫態穩定的線性方法分析電力系統暫態穩定的線性方法主要有三類，即：時域仿真法（也稱為逐步積分法）、直接法、人工智能法。此外，不少學者將小波變換用于電力系統暫態穩定分析，并取得了一定成果。目前，在電力系統中取得實際應用的暫態穩定分析方法主要有兩類，即時域仿真法和直接法。下面簡單介紹其中幾種。（1）時域仿真判定法時域仿真法是利用某種數值解法，以系統的潮流解為計算初值，對電力系統的機電暫態過程進行數值仿真，然后根據仿真結果來分析在指定擾動下的系統的暫態穩定性。時域法是將電力系統各元件模型根據元件拓撲關系形成全系統模型，這是一組聯立的微分方程組和代數方程組，然后以穩態工況或潮流解為初值，求擾動下的數值解，即逐步求得系統狀態量和代數量隨時間的變化曲線，并根據發電機功角值大于某一特定閥值來判別系統能否在大擾動后維持暫態穩定運行。它是求解電力系統穩定性問題的主要方法。時域仿真法具有數學模型詳盡、能提供系統狀態變量隨時間相應的特點，所以適應于各種復雜模型和各種復雜擾動方式，但是計算量大、耗費機時、不適應于實時穩定控制，并且不能提供系統穩定程度的信息。為了彌補以上的缺點，現今正在研究一種超快速的時域仿真法，即借助于新的計算硬件包括并行處理機的方法。此法在計算方法上要求并行發電機方程、控制器方程及網絡方程，對中等規模網絡的仿真可達到實時的效果。這種方法的限制是不易給出穩定的定量信息和對系統關鍵參數的靈敏度分析信息。（2）直接法直接法在電力系統的應用始于20世紀50年代末期，早期引入電力系統中的等面積定則也屬于直接法的一種。從50年代到70年代末研究者們致力于數學上構造一種能反映電力系統暫態特征的嚴格的利亞普諾夫函數。其中，在忽略轉移電導的情況下，采用波波夫準則構造的Lure型比Lyapunuov函數得到較大發展，但由于在確定臨界切除時間過于保守，在模型方面，由于采用經典模型，負荷以恒定阻抗表示，當網絡化簡時，負荷阻抗被吸收到導納矩陣中。因此當忽略轉移電導時，會帶來很大誤差。由于這些問題未得到解決，直接法的發展一度處于低潮。70年代末到80年代初，Athay和Kakimo等人的工作為直接法的發展開創了一個新局面。在確定穩定域方面，涉及了故障的實際軌跡和轉移電導的影響，并構造了一個更能反映系統物理性的暫態能量函數，極大地克服了早期直接法的保守性。隨后，直接法的研究進入了一個高速發展階段，產生了很多新方法。直接法的分支結構分為復雜模型和經典模型兩種。經典模型有Lyapunuov函數和能量函數法兩種，能量函數法又可分為全局能量函數法（RUEP法、PEBS法、BCU法、加速度法等），局部能量函數法（單機能量函數法IMEF，擴展等面積法EEAC、動態擴展等面積法DEEAC，時間尺度解耦法TSD等）。下面簡單介紹其中幾種方法擴展等面積法（EEAC）是由我國學者薛禹勝博士于1986年提出來的，此方法將現代電力系統暫態穩定分析的思想與古典的等面積定則結合，具有快速、直觀的特點。作者在研究失穩模式后指出，對于一個給定的擾動，可以把多機系統分解為臨界機群和剩余機群兩部分，然后按部分角度中心概念變換為一個等值的兩機系統，進一步又可以將這個等值的兩機系統變換為一個等值的單機無窮大系統，從而可以使用等面積定則來求取臨界切除時間。EEAC法引入如下假設：，，式中：S代表臨界機群：A代表剩余機群。這個假設的實質是認為機組的失穩只與兩群之間的群際能量有關，而與各群之間的群內動能和勢能無關。各群的群內能量與群際能量之間不會產生能量交換。EEAC法對于兩群失穩模式較明顯的情況能夠得到非常精確的結果，而且由于避免了數值積分，因此計算速度很快，但對于兩群模式不明顯的情形，則往往會引起較大的誤差。其誤差的原因就在于忽略了群際能量與群內能量之間的轉化。2）加速度法加速度法基于這樣一個假設：在故障初期加速度與慣性常數之比最大的機組最容易失去穩定，從這個假設出發，可求出近似的UEP：（3-1）然后以近似的UEP處的能量作為臨界能量：（3-2）在故障期間，還可以通過對臨界機組的辨識對進行必要的修正。但由于機組失穩模式的復雜性，在故障初始時加速度最大的機組不一定失穩，因此要對臨界機組群進行修正。隨著故障的發展及故障切除后，到底哪些機組最終變成臨界機組群，加速度法不能確定。所以，加速度法只是一個經驗性的粗略方法，現在一般將它作為判別候選臨界機群的“過濾器”。（3）人工智能判定法人工智能方法可進行非模型的電力系統暫態穩定判別，具有在線計算速度快、容易生成決策用的啟發規則等優點，因此與傳統暫態穩定分析方法構成了良好的互補。目前，人工智能方法主要有：模式識別、專家系統法、模糊理論、神經網絡、支持向量機法。現將幾種常用的人工智能方法簡要介紹如下：模式識別法通過離線計算各種運行方式在預想事故下的暫態穩定性從而獲取知識樣本，并通過對樣本的“學習”，選取有用的知識，直接建立適應于在線應用的簡單計算器模型，即分類器。然后，將待分析的電力系統實時運行狀態的特征送入分類器，即可“識別”該運行狀態是暫態穩定的，還是不穩定的。分類器在使用過程中可不斷地被修改，使識別錯誤率不斷減少。模式識別法的優點是計算速度很快，其存在的主要問題是如何合理選擇樣本集和識別函數，以保證足夠的精度。此外離線計算量很大，而且識別函數受系統結構的影響。專家系統法電力系統運行中的很多問題，或由于計算量太大，或由于缺乏完善的數學模型，或由于缺乏必要的狀態量，使單純的數值方法難以勝任或不能滿足實時要求。通過專家系統，可以模擬人類專家思維和求解問題的方法，以知識作為信息處理的對象，從而更好地解決問題。目前，專家系統的理論與技術已經趨于成熟，但許多明顯的缺陷也日益顯露出來，如知識自動獲取的困難、自學能力差等。3.2人工神經網絡法目前提出的人工神經網絡（ANN）模型有50多種。 ANN是通過模仿生物神經網絡（人腦）所具有的大規模并行處理、分布式存儲、強的容錯性、聯想能力、自組織和學習能力等。有多個人工神經元相互連接而成的非線性動力學系統，其結構通常分為單層和多層兩類。人工網絡系統最基本的功能是分類和聯想，某一特定的功能是由網絡中各連接系數及各神經元的激活函數決定的。神經網絡用于暫態穩定分析時，一般作為穩定與不穩定模式的分類器或作為產生穩定指標的函數模擬器。為了對某一神經網絡模型賦予特定的功能，必須經歷學習和記憶兩個階段。人工神經網絡的優點是不需建立數學模型，不需求解非線性方程，回憶速度快，可以模擬任意復雜的非線性關系，因而其訓練精度較高，而且可以進行自學，因而能彌補專家系統的不足。其存在的主要問題是如何合理選擇有限數量的樣本構成樣本集，以便概括引出所需結果。3.3提高電力系統暫態穩定的方法由于大擾動后，發電機機械功率和電磁功率的差額，即加速功率是導致系統暫態穩定破壞的主要原因。因此，提高暫態穩定，應從減小發電機轉軸上的不平衡功率、減小轉子相對加速以及減少轉子相對動能變化量等方面著手。根據這種原則，提高電力系統暫態穩定的措施從兩方面來考慮，增加發電機輸出的電磁功率和減小原動機的機械功率。（1）增加發電機輸出的電磁功率的方法主要有以下幾種：1）自動重合閘裝置：重合閘成功可以增加減速面積，從而提高暫態穩定。電力系統中架空輸電線路的短路故障，大多數是由閃絡放電造成的，再切斷線路，經過一段電弧熄滅和空氣去游離的時間后，短路故障便完全消除了。這時，如果再把線路重新投入系統，它便能繼續正常工作。若重新投入輸電線路是由開關設備自動進行的，則稱之為自動重合閘。自動重合閘成功，對暫態穩定和事故后的靜態穩定，都有很好的作用。圖3-1用等面積定則說明了自動重合閘對暫態穩定的影響。當線路不重合時，系統不能保持暫態穩定。如果在瞬間將線路重合上去，恢復雙回路運行，則可保持暫態穩定。沒有重合閘重合閘成功圖3-1自動重合閘對暫態穩定的影響電力系統中瞬時性短路故障比例很大，重合閘成功率可達到90%以上。因此，采用重合閘措施，可顯著提高系統的供電可靠性和暫態穩定性。當然，不成功的重合閘，則不利于系統的暫態穩定性。2）快速切除故障：減輕電氣設備因短路電流產生的熱效應等不良影響，而且加快切除故障可以減小切除角，這樣既減小了加速面積，又增大了減速面積，對于提高暫態穩定起著決定作用。應該指出的是，切除故障時間是繼電保護裝置動作時間和開關接到跳閘脈沖到觸頭分開后電弧熄滅為止的時間總和。圖3-2快速切除故障對暫態穩定性的影響應該指出的是，減少故障切除時間對提高暫態穩定的效果，與短路故障的類型有很大關系。3）變壓器中性點經小阻抗接地：電壓器中性點經小電阻接地只對接地短路起作用。變壓器中性點接地的情況，對發生接地短路時的暫態穩定有著重大的影響。對于中性點直接接地的電力系統，為了提高接地短路（兩相短路接地、單相接地）時的暫態穩定，變壓器中性點可經過小電阻再接地。從物理概念上來說，短路時零序電流通過接地電阻時消耗有功功率，其中的一部分由發電機來負擔，因而使發電機輸出的電磁功率增加，從而減小了加速功率，提高暫態穩定。如何選擇中性點接地電阻值，是應用中的一個重要問題。電阻值過小，電阻上消耗的功率過小，作用不大；電阻過大，消耗功率太大，有可能使發電機在第二個搖擺周期失去穩定。對典型系統計算表明，電阻值以4%（以變壓器額定容量為基準）左右為宜。發電機采用電氣制動：電氣制動就是當系統中發生故障后，在送端發電機上迅速投入電阻，以消耗發電機輸出的有功功率（增大電磁功率），減小發電機轉子上的過剩功率，其接線圖如圖3-3。投入的電阻稱之為制動電阻。制動電阻有兩種接入方式（如圖3-4），當電阻串聯接入時，斷路器正常時是閉合的，投入制動電阻時將斷路器斷開；并聯接入時，開關正常時是斷開的，投入制動電阻時將其閉合。圖3-3電氣制動接線圖R×××G×××R 圖3-4制動電阻接入方式圖3-5用等面積定則來說明電氣制動的作用。是系統正常運行是的功角特性曲線，是發生故障時有電氣制動的功角曲線圖，是發生故障時無電氣制動的功角曲線圖。那么，從圖3-5中易得，無電氣制動時，加速面積是，減速面積是；有電氣制動時，加速面積是，減速面積仍然是。由于>，所以采用電氣制動，減少了加速面積，提高了電力系統的暫態穩定性。圖3-5電氣制動功角特性圖制動電阻的大小及其投切時間對電氣制動提高系統暫態穩定性作用的發揮非常重要。合適的制動電阻和投切時間，則可顯著提高系統暫態穩定性，否則，存在欠制動和過制動。欠制動時，制動電阻太大，會使制動作用不足，系統照樣失步；過制動時，制動電阻太小，發電機雖在第一次振蕩中沒有失步，但在故障切除和切除制動電阻之后的第二次振蕩中失步了。欠制動和過制動都不能保持系統的暫態穩定。因此，要通過認真計算后，確定出合適的制動電阻數值。制動電阻的切除時間，也要通過詳細的計算，求出不同輸送功率下制動電阻數值的上下限和投切時間，然后選擇一個合理的時間。5）強行勵磁一般的發電機自動調節勵磁系統都具有強行勵磁裝置。當由于外部短路而使發電機端電壓低于額定電壓的85%時，低電壓繼電器動作，并通過一中間繼電器將勵磁裝置的調節電阻強行短接，使勵磁機的勵磁電流大大增加，提高了發電機電動勢。增加了發電機輸出的電磁功率，減小了轉子的不平衡功率，提高了暫態穩定性。減少原動機輸出的機械功率對于汽輪機采用快速的自動調速系統或者快速關閉氣門。聯鎖切機，即在切除故障的同時，聯鎖切除送端發電廠中的一臺或兩臺發電機。采用機械制動，即采取轉子直接制動的方法。以上三種方法，都是利用當發生故障電磁功率減小時，通過減少原動機輸出的機械功率減少作用在轉子上的剩余功率，提高其暫態穩定性。3.4研究設計的內容應用MATLAB進行電力系統仿真的主要步驟是：（1）建立系統模型：建立的是單機無窮大系統（SIMB）。單機—無窮大系統認為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統模擬仿真最簡單、最基本的的運行方式，即對現實進行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結論，簡化計算過程。圖3-6無輸電線的單機—無窮大系統原理圖假定聯絡阻抗為純電感，則由發電機向無窮大系統送出去的有功功率的P為：（3-3）式中—包括發電機阻抗在內的發電機電動勢到無窮大系統母線的總阻抗；—功角；—發電機電勢；—系統母線電壓。由圖1可得MATLAB單機無窮大仿真模型可能用到的模塊：PSB電力系統工具箱：1）ElectricalSources中的Three-PhaseSource（三相電源）模塊2）Elements中的Three-PhaseParallelRLCLoad（三相負載RLC并聯）模塊用來仿真輸電線路，和Ground（交流接地）模塊，Three-PhaseFault（三相故障整流器）模塊用來仿真短路故障，Three-PhaseTransformer（TwoWindings）（三相變壓器繞組）模塊用來仿真變壓器，Machines里SynchronousMachinepuStandard（標么標準同步電機）模塊用來仿真同步發電機（2）設置仿真參數（3）進行動態仿真增加提高暫態穩定的模型，分別進行快速切除故障，變壓器中性點經小電阻接地，改變強勵倍數，記錄結果。（4）結果分析仿真之后，分析所得的圖形。從電壓圖、轉速圖和功角圖著手分析是否能夠提高暫態穩定。

4電力系統常用仿真簡介4.1常用的電力系統仿真軟件電力系統分析軟件用數學模型和數值方法對系統的運行進行研究，可用來確定規劃設計報告、擬定運行方式、整定自動裝置的控制參數、進行事故分析和輔助運行人員作出正確的決策。此外，還可用于教學和培訓。現代化的電網迫切需要現代化的分析手段，對軟件的功能、精度、規模和速度提出了更高的要求，期望充分利用計算機硬件和軟件技術的最新成就分析和處理電網的實際問題。目前，國際上有多種電力系統分析軟件包，在各國電力系統的實踐和研究中發揮了很大的作用。目前常用的電力系統仿真軟件有：MATLAB產品族它們的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數集應用來對圖像信號處理、控制系統設計、神經網絡等特殊應用進行分析和設計。它具有數據采集、報告生成和MATLAB語言編程產生獨立C/C++代碼等功能。MATLAB產品族具有下列功能：數據分析，數值和符號計算，工程與科學繪圖，控制系統設計，數字圖像信號處理，財務工程，建模、仿真、原型開發、應用開發和圖形用戶界面設計等。MATLAB產品族被廣泛地應用于信號與圖像處理、控制系統設計、通訊系統等諸多領域。開放式的結構使MATLAB產品族很容易針對特定的需求進行擴充，從而在不斷深化對問題的認識的同時，提高自身的競爭力。SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件，是20世紀80年代世界上應用最廣的電路設計軟件，1998年被定為美國國家標準。1984年，美國MicroSim公司推出來基于SPICE的微機版PSPICE(Personal-SPICE)。現在用得較多的是PSPICE6.2，可以說在同類產品中，它是功能最為強大的模擬和數字電路混合仿真EDA軟件，在國內普遍使用。最近推出了PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數據輸出，并在同一窗口同時顯示模擬與數字的仿真結果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，都可以得到精準的仿真結果，并可以自行建立元器件和元器件庫。EWB（ElectronicWorkbench）軟件是InteractiveImageTechnologiesLtd在20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2，相對其它EDA軟件，它是較小巧的軟件。但它對模擬電路的混合仿真功能卻十分強大，幾乎100%地仿真出真實電路的結果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發生器、邏輯轉換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學易用。它的很多功能模仿了SPICE的設計，但分析功能比PSPICE稍少一些。Protel是PROTEL公司在20世紀80年代末推出的CAD工具，是PCB設計者的首選軟件。它較早在國內使用，普及率最高，有些高校的電路專業還專門設有Protel課程，幾乎所有的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷版自動布線工具使用，現在普遍使用的是Protel99SE，它是個完整的全方位電路設計系統，包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯器件設計，圖標生成，支持宏操作等功能，并具有Client/Server(客戶服務器體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等)。使用多層印刷線路板的自動布線，可實現高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強大、界面友好、使用方便，但它最具代表性的功能是電路設計和PCB設計。以上各個電力系統仿真軟件的結構和功能不同，它們各自的應用領域也有所側重。4.2MATLAB簡介MATLAB一詞是MatrixLaboratory（矩陣實驗室）的縮寫。20世紀70年代后期，時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的CleveMoler教授為減輕學生編程負擔，為學生設計一組調用LLINPACK庫程序的“通俗易用”的接口，此即用Fortran編寫的萌芽狀態的MATLAB。此后，MATLAB軟件的功能不斷得到豐富和發展。MATLAB是美國MATHWORK公司1984年開始推出的一種簡潔的工程計算語言，它是以矩陣計算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到一個交互的工作環境中。在國際學術界，MATLAB已經被確認為準確、可靠的科學計算標準軟件。MATLAB將數值分析、矩陣運算、信號處理、圖形功能和系統仿真融為一體，使用戶在易學易用的環境中解決問題，如同書寫數學公式一樣，避免了傳統的復雜專業編輯。Simulink是在MATLAB環境下用于動態建模和仿真應用最廣泛的軟件包之一，意思是仿真鏈接。該軟件有兩個特別明顯的功能：仿真與鏈接。也就是說，可以直接利用鼠標在模型窗口中劃出所需要的控制系統模型，然后再利用該軟件提供的功能來對控制系統直接進行模擬，很明顯，這可以將一個原本很復雜的系統變得相當容易輸入。SIMULINK是一種強有力的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價來模擬真實動態系統的運行。SIMULINK準備有數百種預定義系統環節模型、最先進有效的積分算法和直觀的圖示化工具。依托SIMULINK強健的仿真能力，用戶在原型機制造之前就可建立系統的模型，從而評估設計并修補瑕疵。SIMULINK具有如下特點：（1）建立動態系統的模型并進行仿真。SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，用于對動態系統建模和控制規律的研究制定，SIMULINK幾乎可分析任何一種類型的真實動態系統。（2）以直觀的方式建模。利用SIMULINK可視化的建模方式，可迅速地建立動態系統的框圖模型。只需在SIMULINK元件庫中選出合適的模塊并拖放到SIMULINK建模窗口，鼠標點擊連接就可以了。（3）增添定制模塊元件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫是可定制的，用戶也可以修改已有模塊的圖標，允許用戶把自己編寫的C、FORTRAN、Ada代碼直接植入SIMULINK模型中。（4）快速、準確地進行設計模擬。SIMULINK優秀的積分算法給非線性系統仿真帶來了極高的精度。SIMULINK的求解器能確保連續系統或離散系統的仿真高速、準確的進行。（5）分層次地表達復雜系統。根據需要，各種模塊可以組織成若干子系統。在此基礎上，整個系統可以按照自頂向下或自底向上的方式搭建。（6）交互式的仿真分析。這種交互式的特征可幫助用戶快速評估不同的算法，進行參數優化。SimPowerSystems庫是SIMULINK下面的一個專用模塊庫，是在SIMULINK環境下進行電力、電子系統建模和仿真的先進工具。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統圖變化為狀態方程描述的系統形式，然后在SIMULINK下進行仿真分析。它為電路、電力電子系統、電機系統、發電、輸變電系統和配電計算提供了強有力的解決方法，尤其是當設計開發內容涉及控制系統設計時，優勢更為突出。PSB（PowerSystemBlocket）是一個圖編輯器，在Simulink環境下能建立系統原理并進行仿真計算。PSB庫提供了電力系統仿真通用的原件和裝置，包括RLC支路和負載、變壓器、傳輸線、避雷器、電機、電力電子裝置等。只需通過點擊和拖放PSB庫內的模型即可建立用戶所需要的電力系統仿真原理圖，并利用模型元件的對話框來設置相關參數，使用Simulink提供的示波器模型，可現實仿真結果及其波形。4.3MATLAB保存圖形模型圖的保存模型圖建立完后，點擊Edit,出現下拉菜單，選擇CopyModelToClipboard,就將模型圖復制成功了，在建立的文檔中粘貼即可。波形圖的保存運行之后，打開scope，得到圖形，在matlab指令窗口輸入：>>set(0,'ShowHiddenHandles','on')>>set(gcf,'menubar','figure')然后按下回車，則在scope窗口會出現菜單欄。點擊Edit,選擇下拉菜單中的AxesProperties,即可修改圖形的背景顏色和波形的顏色等其它屬性：選擇下拉菜單中的CopyFigure,即把整個波形圖和坐標復制成功，只需在建立的文檔中粘貼即可。

5基于SIMULINK的單機無窮大系統的暫態穩定性仿真5.1單機-無窮大系統的建模單機無窮大系統原理圖如圖5-1.GTS圖5-1單機無窮大系統原理圖根據圖5-1建立的單機無窮大系統仿真原理圖如圖5-2.圖5-2單機無窮大仿真原理圖圖中使用到的基本模塊有：示波器scope，邏輯加，增益gain，電機測量模塊MachinesMeasurementDemux，同步電機（標幺值單位）模塊SynchronousMachinepuStandard，勵磁系統ExcitationSystem，通用電力系統穩定器GenericPowerSystemStabilizer，三相并聯RLC負載ThreePhaseParallelRLCLoad，雙繞組三相變壓器Three-PhaseTransformer(TwoWindings)，電壓測量模塊VoltageMeasurement，分布參數線路模塊DistributedParametersLine，三相電源Three-PhaseSource，三相故障Three-PhaseFault，POWERGUI運行經驗表明，在110KV及以上的大接地電流系統的高壓架空線路上，短路故障中70%以上短路故障都是接地短路，尤其在220-500KV的架空線路上，由于線間距離大，其中單相接地短路故障的幾率高達90%以上，所以仿真時的故障采取的是單相接地短路。仿真模型中，發電機采用的是標幺制的同步電機，設置的有功是900MW；變壓器采用的是雙繞組三相變壓器，有功也是900MW，頻率均設置為我國電力的工頻50Hz。5.2采用的模塊及其參數設置MachinesMeasurementDemux(電機測量模塊)圖5-3電機測量模塊參數設置窗口SynchronousMachinepuStandard(同步電機（標幺值單位）模塊)圖5-4同步電機（標幺值單位）模塊參數設置窗口3.ExcitationSystem(勵磁系統)圖5-5勵磁系統參數設置窗口4.GenericPowerSystemStabilizer(通用電力系統穩定器)圖5-6通用電力系統穩定器參數設置窗口ThreePhaseParallelRL