針對勵磁系統的用戶自定義建模方法及其應用①

楊 瀟

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

針對勵磁系統的用戶自定義建模方法及其應用①

楊 瀟

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

為提高電力系統仿真的靈活性和開放性，提出一種基于改進插入式建模技術的勵磁系統用戶自定義建模方法。將暫態穩定性仿真中采用的勵磁系統的傳遞函數拆分為兩類自定義的基本傳輸模塊：非狀態變量模塊和狀態變量模塊，以描述元件的數學模型。應用該方法編寫了用戶自定義建模程序，實現拓撲分析和自動初值平衡等功能。通過實例分析詳細闡述了自定義模型文件的格式含義，分析了用戶自定義程序和主程序之間的關系。應用此方法搭建的用戶自定義模型初值平衡操作簡單，通過修改若干自定義模型參數便可迅速拓展出新模型。最后通過算例驗證了基于該方法建立的用戶自定義建模程序的準確性和可拓展性。

電力系統仿真； 暫態穩定仿真； 勵磁系統； 用戶自定義建模； 改進插入式建模技術

暫態穩定仿真是電力系統規劃和運行中經常面對的重要工作。由于控制理論和控制策略不斷完善和發展，新的一次設備、二次設備不斷涌現，僅僅依靠原有仿真軟件中提供的模型庫已經無法滿足客戶需求。用戶自定義建模UDM(user define modeling)技術便應需而生，以方便用戶自行構建所需模型，提高暫態穩定性仿真的靈活性和開放性。目前絕大部分的電力系統仿真商業軟件都有用戶自定義建模程序。

國內外學者和技術研發人員對用戶自定義建模技術做了許多卓有成效的探索工作，提出了的實現技術和方法[1～5]，但仍存在著如下一些不足。

(1)用戶需要使用專業的仿真語言或宏命令建立自定義模型，增加了使用難度，提高了軟件的使用門檻。

(2)大部分UDM程序的數據是通過頻繁的讀寫磁盤文件來獲得，大大降低了仿真的效率，增加了仿真時間。

(3)已有仿真模型的利用率不高，每次仿真都幾乎需要重新編寫相關建模信息。

在眾多的電力系統建模方法中，插入式建模技術在靈活性和開放性上具有很大優勢，可以靈活模擬電力系統動態元件模型，有利于狀態方程與系統參數之間的相關分析，并且可以自由選擇輸入、輸出信號以便于控制器設計[6,7]。本文在其基礎上提出改進插入式建模技術IPMT(improved plug-in modeling technique)，將用戶自定義模型劃分為新的兩類基本傳輸模塊，然后按照傳遞函數框圖順序形成模塊關聯矩陣，用于暫態穩定仿真模型初值平衡[8]和系統求解過程。這種方法能夠清晰地描述模塊間的關系，不需要繁瑣的矩陣變換即可實現用戶自定義模型的求解，模型初值平衡實現簡單，已有模型利用率高。

1 IPMT原理及在仿真程序中具體應用

1.1 基本原理

文獻[6]指出，任何一個基于傳遞函數表達的系統結構均可以分解為一些基本單元，在IPMT中同樣認為系統可以僅由兩類基本的傳輸模塊和一些基本參數組成，如圖1所示。

圖1 兩類基本傳輸模塊

圖1中：m和x分別表示非狀態變量和狀態變量；下標i表示輸入；a、b、Ta、Tb為基本參數；f(·)是由基本參數表達的非線性函數。

當形成用戶自定義模型的傳輸模塊后，參考傳輸模塊兩端的節點編號，可以構成關系式為

(1)

以圖2所示的簡單系統為例，可以建立關系式為

(2)

圖中r，y分別代表系統的輸入、輸出。

圖2 含有4個傳輸模塊的示例系統

文獻[6]中規定關聯矩陣按照一階傳輸模塊、輸出、零階傳輸模塊順序排列，這種排列方法造成初值平衡時讀取相應模塊拓撲信息困難，需要額外的存儲空間記錄模塊順序；在IPMT方法中按照傳遞函數順序依次寫出關聯矩陣元素，初值平衡時可以直接按排序讀入所需拓撲信息，進行暫態穩定仿真，相比之下實現更為簡單。

1.2 具體應用

典型的用戶自定義建模程序(以下簡稱用戶程序)可以與主程序進行數據交換，為用戶提供了一個統一建模平臺，用戶不用了解程序內部的結構和算法，用直觀的方式建立新模型，增強軟件對系統元件裝置和控制功能擴展的適應能力。用戶模型的求解方法應該具有良好的適應性，能夠處理更一般化的數學模型，本文提出的基于IPMT的用戶程序體現了以上基本特征，其功能的實現過程如圖3所示。其中，接口變量包括用戶模型的輸入、輸出等信息，預先在實時數據庫中定義一定的接口變量，動態仿真主系統和用戶程序在計算前從實時庫中讀取數據，每次迭代均將結果寫入實時庫；基本功能框庫是由IPMT的兩類基本傳輸模塊組合形成的各種基本功能框的集合；模型文件定義了具體模型參數和拓撲結構信息的格式。

圖3 用戶自定義建模的實現流程

1.2.1 模型文件

IPMT建模過程采用的模型文件主要包括以下幾個部分：

(1)模型所在母線號、發電機號、模塊個數等程序所需信息；

(2)關聯矩陣，用來反映模塊之間聯系；

(3)所調用的模塊，一般是輸入模塊編號；

(4)不同模塊的參數。

本文以圖4(a)所示的IEEE 1型勵磁系統模型為例，說明在IPMT方法下如何實現用戶自定義建模。首先，將圖4(a)系統結構變換為圖4(b)形式，以基本功能框庫中的基本功能框描述系統結構，路徑1代表前饋部分，路徑2代表反饋部分。

(a) 變換前的1型勵磁系統

(b) 變換后的1型勵磁系統

與IPMT方法相對應的模型文件格式定義如表1～表4所示，模型文件由4個數據塊組成：

(1)數據塊1記錄母線號、發電機號(區別同一母線上不同發電機)、環節總數、輸出所在位置、參考值(Vref)引入環節所在位置。

(2)數據塊2按照公式(2)順序記錄模塊關聯矩陣。

(3)數據塊3記錄模塊類型，并與數據塊2的矩陣順序對應；需要說明的是每個傳輸模塊的類型都是用一個兩位數來表示的。每個兩位數的十位數字代表的是其所屬大類：數字“1”代表非狀態變量傳輸模塊，數字“2”代表的是狀態變量傳輸模塊；個位數字用來區分具體模塊類型。輸入順序是按照傳遞函數流程從左到右，先前饋后反饋的順序依次寫出傳輸模塊的類型。

(4)數據塊4記錄模塊中的具體參數，參數順序對應數據塊3的模塊順序。

表1 1型勵磁系統的模型文件(數據塊1)

表2 1型勵磁系統的模型文件(數據塊2)

表3 1型勵磁系統的模型文件(數據塊3)

表41型勵磁系統的模型文件(數據塊4)

Tab.4ModelfilesofIEEEtype1excitationsystem(block data 4)

用戶只需了解模型文件的規定格式，掌握模型文件所需信息，就可以調用程序。此外，程序一次性讀入所需數據，不必頻繁讀寫磁盤，可以提高仿真速度。

1.2.2 用戶程序和主程序的關系

用戶程序除了具備通過模型文件的讀入進行拓撲分析的功能以外，還要包括模型的初值平衡功能、模型的迭代計算功能，這些功能在暫態穩定性主程序的啟動部分、初始化部分以及迭代計算部分中實現。具體計算流程可用圖5來表示。

模型初始化是對用戶自定義模型進行暫態穩定性仿真重要的一環，應用IPMT方法建立的用戶程序進行模型初始化，主要利用接口變量和模型文件中提供信息自動進行初值平衡計算。初值平衡計算流程圖如圖6所示，以圖4所示勵磁系統為例，反饋部分和前饋部分初值平衡時計算方向不同，需要分別計算：反饋部分仍是按傳遞函數框圖部分箭頭方向正向計算，而主干部分則是反向計算。圖6中T為初值平衡環節的序號，A為輸出環節序號，V為參考值環節序號。

圖5 暫態穩定仿真流程

圖6 初值平衡程序流程

2 算例驗證

采用Microsoft Visual C++6.0編程實現基于IPMT的用戶自定義建模程序，以IEEE 39節點系統作為測試算例，發電機均采用6階模型，安裝在39母線發電機A的勵磁系統采用用戶自定義模型描述，仿真步長為0.01 s，0.1 s在17母線-16母線間線路1%處發生三相閃絡型短路故障，0.2 s故障消失，3.0 s仿真結束。39節點系統圖和網絡參數參見文獻[9]。

2.1 算例1

為了驗證IPMT方法的準確性，39母線發電機A接入IEEE 1968年提出的1型勵磁系統模型，采用上述用戶自定義程序實現該模型，其模型文件參見表1～表4。同時建立PSASP用戶自定義模型，兩者仿真結果如圖7所示。

(a) 勵磁電壓

(b) 39號母線發電機相對功角

從圖中的勵磁電壓和發電機相對功角的比較可以看出，仿真結果和PSASP是基本一致的。

2.2 算例2

39母線發電機A接入IEEE AC5A交流無刷勵磁模型，如圖8所示，相對表1～表4模型的傳遞框圖有4處拓撲結構發生變化，用虛線圈標出：

(1)在參考電壓引入部分之前加入了電壓測量與補償環節；

(2)勵磁電壓輸出部分去掉了一個終端限幅環節；

(3)在反饋部分的拓撲結構發生了變化；

(4)在反饋部分加入了一個超前滯后環節。

根據這4處變化改寫原模型文件，如表5～表8所示，其中有虛線圈的數字表示對應上述4處變化在文件中需要改變的部分。

仿真結果與PSASP的結果對比如圖9所示，由以上的變換和仿真結果比較可以看出，IPMT方法建立的用戶自定義程序能夠通過對已有UDM的模型文件進行少量修改，快速建立拓撲結構相似的新模型，而且仿真的準確率依然可以保障，這樣節省了用戶在建模上花費的時間，提高了仿真建模的效率，具有良好的拓展性。

圖8 經IPMT變換后的IEEE AC5A 傳遞函數框圖

表6 AC5A的模型文件(數據塊2)

表7 AC5A的模型文件(數據塊3)

表8 AC5A的模型文件(數據塊4)

(a) 勵磁電壓

(b) 39號母線發電機相對功角

3 結語

本文通過對插入式建模技術進行改進，擴大了原有方法的適用范圍，應用改進方法將勵磁系統的傳遞函數拆分為兩類基本的傳輸模塊，推導出模塊輸入輸出關聯矩陣，以此為根據規定了模型文件格式，編寫用戶自定義建模程序，實現拓撲分析、自動初值平衡等功能，并對兩種勵磁模型進行暫態穩定性仿真試驗。結果表明采用此種方法進行仿真具有準確率高、拓展性好的特點，并且此方法可以用于電力系統其它控制器的用戶自定義建模研究。

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[3] 吳中習，周孝信，包忠民(Wu Zhongxi, Zhou Xiaoxin, Bao Zhongmin).暫態穩定計算中的用戶自定義模型(User defined modeling for transient stability studies)[J].電網技術(Power System Technology)，1991，15(3): 46-50.

[4] 黃英懷(Huang Yinghuai).電力系統分析綜合程序的用戶自定義模型(User-defined model of power system analysis software package)[J].廣東電力(Guangdong Electric Power),2002 ,15(5)：46-48.

[5] 駱玲，文勁宇(Luo Ling, Wen Jinyu).PSS/E用戶自定義功能在勵磁系統建模中的應用研究(Research on the application of PSS/E user-defined modeling technique for excitation system modeling)[J].電氣應用(Electrotechnical Application)，2007，26(8)：21-24.

[6] 鐘志勇，謝志棠，王克文(Zhong Zhiyong, Xie Zhitang, Wang Kewen).適用于電力系統動態穩定分析的元件建模新方法(A novel modeling technique for modern power system dynamic studies)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2000，20(3)：30-33.

[7] 王克文，王信杰，謝志棠(Wang Kewen, Wang Xinjie, Xie Zhitang).基于傳輸塊的暫態穩定建模(Transient stability modeling based on the transfer-block representation)[J].電力系統及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007，19(6)：18-23.

[8] 周則昕，吳中習(Zhou Zexin, Wu Zhongxi).建立自定義模型時的初值平衡問題(Initial value balance problem for creating user-defined model)[J].電網技術(Power System Technology)，1996，20(1)：15-19.

[9] 張伯明．高等電力系統分析[M].北京：清華大學出版社，1996.

UserDefinedModelingMethodandItsApplicationforExcitationSystem

YANG Xiao

(Hebei Electrical Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

A method of user defined modeling (UDM) for excitation system known as improved plug-in modeling technique (IPMT) is proposed. IPMT divides the whole transfer function of the excitation system into two user-defined basic transfer blocks, namely state variables and non-state variables, in order to form the mathematical model. The UDM program based on IPMT is compiled, which incorporates the ability to analyze model configuration and balance initial value. An introduction is given to explain the fundamentals of writing model files, and the connection between UDM program and main simulation program is illustrated. Compared with the conventional modeling approaches, the method is convenient in balancing initial value, and creating new models by reusing the existed ones. Finally, several examples are used to verify the accuracy and expansibility of the UDM program based on IPMT.

power system simulation； transient stability simulation； excitation system； user defined modeling； improved plug-in modeling technique

2009-07-02

2009-10-26

TM712

A

1003-8930(2011)01-0069-05

楊 瀟(1984-)，男，助理工程師，研究方向為電力系統仿真、配電網規劃等。Email:yangholmes.student@sina.com