輸電線路電磁暫態(tài)仿真及應(yīng)用

前言

第1章 ATP和ATPDraw簡(jiǎn)介

1．1 ATP簡(jiǎn)介

1．2 ATPDraw簡(jiǎn)介

1．3 ATP輸入文件中有關(guān)命令

1．4 文件類型

第2章 線路參數(shù)及其理論計(jì)算

2．1 線路電容

2．2 線路阻抗

第3章 線路模型概述

3．1 發(fā)展歷史

3．2 ATPDraw中的模型及參數(shù)

第4章 恒定集中參數(shù)線路模型

4．1 ATP中的л模型

4．2 三相線路的TNA л模型

第5章 恒定分布參數(shù)線路模型

5．1 單導(dǎo)線上的波過(guò)程

5．2 多導(dǎo)線上的波過(guò)程

5．3 多回線路的相模變換

第6章 頻變分布參數(shù)線路模型

6．1 導(dǎo)線的頻域波動(dòng)方程

6．2 導(dǎo)線的頻域等效電路

6．3 JMarti頻率相關(guān)模型

第7章 Bergeron模型和PI模型建立

7．1 基本選項(xiàng)和參數(shù)

7．2 頻率數(shù)據(jù)行

7．3 Bergeron模型

7．4 單回線路PI模型

7．5 雙回線路PI模型

7．6 頻率掃描

第8章 JMani模型建立

8．1 基本選項(xiàng)和參數(shù)

8．2 頻率數(shù)據(jù)行

8．3 擬合控制參數(shù)

8．4 模型參數(shù)計(jì)算

第9章 線路頻率相關(guān)模型的校核

9．1 線路參數(shù)

9．2 模型校核

第10章 輸電線路參數(shù)計(jì)算高級(jí)技巧

10．1 基本參數(shù)

10．2 線路高度變化

10．3 大地電阻率變化

10．4 變換矩陣隨頻率變化

10．5 線路的單位沖擊響應(yīng)

第11章 輸電線路電抗器選擇計(jì)算

11．1 并聯(lián)電抗器取值

11．2 中性點(diǎn)小電抗取值

11．3 潛供電流

11．4 參數(shù)不平衡對(duì)潛供電流的影響

11．5 單相接地時(shí)中性點(diǎn)小電抗上的工頻過(guò)電壓和過(guò)電流

第12章 網(wǎng)絡(luò)的頻率相關(guān)等效

12．1 電力設(shè)備模型

12．2 網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

12．3 等效網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例

第13章 直擊雷過(guò)電壓計(jì)算

13．1 電氣元件模型

13．2 MODELS

13．3 仿真計(jì)算

第14章 電力電纜參數(shù)

14．1 電纜結(jié)構(gòu)

14．2 參數(shù)理論計(jì)算

第15章 電力電纜模型及應(yīng)用

15．1 ATP中單芯電纜模型

15．2 ATP中三芯電纜模型

15．3 零序和正序參數(shù)計(jì)算

15．4 單相接地電弧轉(zhuǎn)移計(jì)算

參考文獻(xiàn)

《輸電線路電磁暫態(tài)仿真及應(yīng)用》利用ATP和ATPDraw詳細(xì)介紹線路參數(shù)計(jì)算、電磁暫態(tài)模型建立、電磁暫態(tài)仿真，主要內(nèi)容包括ATP和ATPDraw簡(jiǎn)介、線路參數(shù)及其理論計(jì)算、線路模型概述、恒定集中參數(shù)線路模型、恒定分布參數(shù)線路模型、頻變分布參數(shù)線路模型、Bergeron模型和PI模型建立、JMarti模型建立、線路頻率相關(guān)模型的校核、輸電線路參數(shù)計(jì)算高級(jí)技巧、輸電線路電抗器選擇計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)的頻率相關(guān)等效、直擊雷過(guò)電壓計(jì)算、電力電纜參數(shù)、電力電纜模型及應(yīng)用等。

《輸電線路電磁暫態(tài)仿真及應(yīng)用》可供電氣工程類研究生、高年級(jí)本科生用作教材或教學(xué)參考書，也可供從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)計(jì)、科研、管理和產(chǎn)品開發(fā)的人員參考。

電磁暫態(tài)程序簡(jiǎn)介

電磁暫態(tài)程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件。它包含通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證實(shí)的用于變壓器相傳輸線的模型、各種電機(jī)、二極管、晶閘管和開關(guān)、控制器等模型，是電力系統(tǒng)中高壓電力網(wǎng)絡(luò)和電力電子仿真應(yīng)用最廣泛的程序，側(cè)重于系統(tǒng)的運(yùn)行情況而不是個(gè)別開關(guān)的細(xì)節(jié)。

電磁暫態(tài)程序歷史

在1984年以前的十多年里，屬于美國(guó)能源部的邦維爾電管局(BPA)主導(dǎo)了EMTP程序的開發(fā)工作，它在人力和財(cái)力上對(duì)EMTP程序的開發(fā)工作給予了極大的支持。當(dāng)時(shí)的工作屬于公共域內(nèi)（public domain work），其成果可以免費(fèi)提供給任何一個(gè)感興趣的團(tuán)體。1984年以后，EMTP程序主要分為兩支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6個(gè)大型電力機(jī)構(gòu)組成）/EPRI（美國(guó)電力科學(xué)研究院）為代表，試圖將EMTP程序商業(yè)化(以下稱其為商業(yè)化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它繼續(xù)保持EMTP程序的可免費(fèi)使用性，但為了防止其成果被商業(yè)化的EMTP所利用，ATP-EMTP不屬于公共域內(nèi)。 有幾種EMTP版本以用于個(gè)人計(jì)算機(jī)，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美國(guó)邦納維爾電力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已對(duì)免費(fèi)使用EMTP構(gòu)成威脅，原BPAEMTP的開發(fā)者之一Dr.W.Scott Meyer為了維護(hù)EMTP的可免費(fèi)使用性，于1984年2～3月份，終止了12年的EMTP開發(fā)合同，并將他所有的業(yè)余時(shí)間用來(lái)開發(fā)一個(gè)富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式誕生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上電磁暫態(tài)分析程序（EMTP)最廣泛使用的一個(gè)版本，ATP-EMTP程序幾乎可為世界上的每一個(gè)人所免費(fèi)使用，并可在大多數(shù)類型的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

《電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真》準(zhǔn)確了解電磁暫態(tài)問(wèn)題對(duì)于在不影響供電可靠性和供電質(zhì)量的情況下保持電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保運(yùn)行至關(guān)重要。仿真已逐步成為電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的普遍工具，盡管目前它很少深入涵蓋本科生課程，但在未來(lái)它很可能成為核心課程。

本書的主要目的是描述高效地應(yīng)用計(jì)算技術(shù)用于求解包含線性或非線性元件的任意規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁暫態(tài)問(wèn)題。書中展示了如何采用不同的技術(shù)仿真含有各種元件的電力網(wǎng)絡(luò)電磁暫態(tài)過(guò)程、建立完善的數(shù)學(xué)模型，以及比較不同模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算需求等內(nèi)容。

本書主要面向電氣工程的高年級(jí)本科生或碩士、博士研究生，文中包含了闡明較難理解的概念（或方法）的基本示例。鑒于目前缺乏該領(lǐng)域的相關(guān)培訓(xùn)，電力工業(yè)各領(lǐng)域與之相關(guān)的工程師也能夠在該書中找到有助于其專業(yè)工作的巨大價(jià)值所在。|

譯者序

前言

縮寫和常數(shù) 1

第1章　定義、目的和背景 3

1．1　簡(jiǎn)介 3

1．2　電磁暫態(tài)的分類 3

1．3　暫態(tài)仿真器 5

1．4　數(shù)字仿真 6

1．4．1　狀態(tài)變量分析 6

1．4．2　差分方程方法 6

1．5　歷史沿革 7

1．6　應(yīng)用范圍 9

1．7　參考文獻(xiàn) 10

第2章　連續(xù)與離散系統(tǒng)分析 11

2．1　引言 11

2．2　連續(xù)系統(tǒng) 11

2．2．1　狀態(tài)變量表達(dá)式 12

2．2．2　狀態(tài)方程的時(shí)域解 19

2．2．3　連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真 21

2．3　離散系統(tǒng) 28

2．4　連續(xù)域與離散域之間的關(guān)系 30

2．5　小結(jié) 31

2．6　參考文獻(xiàn) 31

第3章　狀態(tài)變量分析 32

3．1　引言 32

3．2　狀態(tài)變量的選擇 32

3．3　狀態(tài)方程的形成 34

3．3．1　變換法 34

3．2．2　圖解法 36

3．4　求解過(guò)程 38

3．5　暫態(tài)變換器仿真 （TCS） 39

3．5．1　標(biāo)幺系統(tǒng) 40

3．5．2　網(wǎng)絡(luò)方程 40

3．2．3　TCS的結(jié)構(gòu) 43

3．5．4　換流閥開關(guān)處理 45

3．5．5　自動(dòng)步長(zhǎng)調(diào)整的效果 47

3．5．6　TCS變換器控制 50

3．6　算例 53

3．7　小結(jié) 57

3．8　參考文獻(xiàn) 57

第4章　數(shù)值積分代換 59

4．1　引言 59

4．2　犚，犔，犆元件的離散化 59

4．2．1　電阻 59

4．2．2　電感 60

4．2．3　電容 61

4．2．4　元件組合降階 62

4．3　傳輸線雙端諾頓等效模型 64

4．4　網(wǎng)絡(luò)求解 66

4．4．1　算例：電壓源轉(zhuǎn)化為電流源 67

4．2．2　含有開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)求解 68

4．4．3　算例：作用到犚犔負(fù)荷的電壓階躍 70

4．5　非線性或時(shí)變參數(shù) 77

4．5．1　電流源替代法 77

4．5．2　補(bǔ)償法 77

4．5．9　分段線性法 79

4．6　子系統(tǒng) 79

4．7　稀疏與編號(hào)優(yōu)化 82

4．8　數(shù)值誤差和不穩(wěn)定性 83

4．9　小結(jié) 84

4．10　參考文獻(xiàn) 84

第5章　根匹配法 86

5．1　引言 86

5．2　差分方程的指數(shù)形式 86

5．3　差分方程的狕域表示 88

5．4　在EMTP算法中的實(shí)現(xiàn) 91

5．5　差分方程指數(shù)形式族 97

5．5．1　階躍響應(yīng) 98

5．5．2　穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 99

5．5．3　頻率響應(yīng) 100

5．6　算例 102

5．7　小結(jié) 103

5．8　參考文獻(xiàn) 104

第6章　傳輸線和電纜 105

6．1　引言 105

6．2　貝瑞隆 （Bergeron）模型 106

6．2．1　多導(dǎo)體傳輸線 107

6．3　頻率相關(guān)傳輸線 110

6．3．1　頻域到時(shí)域的變換 113

6．3．2　相域模型 116

6．4　架空傳輸線參數(shù) 117

6．4．1　分裂導(dǎo)線束 119

6．4．2　地線 120

6．5　地下電纜 121

6．6　算例 123

6．7　小結(jié) 131

6．8　參考文獻(xiàn) 132

第7章　變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī) 134

7．1　引言 134

7．2　基本變壓器模型 134

7．2．1　數(shù)值實(shí)現(xiàn) 136

7．2．2　參數(shù)導(dǎo)出 136

7．2．3　模擬非線性 138

7．3　高級(jí)變壓器模型 139

7．3．1　單相UMEC模型 139

7．3．2　UMEC在PSCAD/EMTDC中的實(shí)現(xiàn) 143

7．3．3　三芯柱三相UMEC 144

7．3．4　快速暫態(tài)模型 147

7．4　同步機(jī) 148

7．4．1　電磁模型 148

7．2．9　機(jī)電模型 154

7．4．3　機(jī)網(wǎng)接口 156

7．4．4　可用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的類型 159

7．5　小結(jié) 159

第8章　控制和保護(hù) 162

8．1　引言 162

8．2　控制系統(tǒng)暫態(tài)分析 162

8．3　PSCAD/EMTDC中的控制模塊 163

8．3．1　算例 166

8．4　保護(hù)系統(tǒng)建模 172

8．4．1　互感器 172

8．4．2　機(jī)電式繼電器 174

8．4．3　電子式繼電器 175

8．4．4　基于微處理器的繼電器 175

8．4．5　斷路器 175

8．4．6　避雷器 176

8．5　小結(jié) 178

8．6　參考文獻(xiàn) 179

第9章　電力電子系統(tǒng) 181

9．1　引言 181

9．2　EMTDC中換流閥的表示 181

9．3　開關(guān)瞬時(shí)的配置和定位 182

9．4　尖峰和數(shù)值振蕩 （振顫） 184

9．4．1　插值和振顫消除 185

9．5　HVDC變換器 191

9．6　HVDC仿真算例 193

9．7　靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備 196

9．7．1　靜止無(wú)功補(bǔ)償器 197

9．7．2　靜止補(bǔ)償器 200

9．8　狀態(tài)變量模型 203

9．8．1　EMTDC/TCS接口實(shí)現(xiàn) 203

9．8．2　控制系統(tǒng)表示 205

9．9　小結(jié) 206

9．10　參考文獻(xiàn) 207

第10章　頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等效 208

10．1　引言 208

10．2　FDNE的位置 209

10．3　降階系統(tǒng)的范圍 209

10．4　頻率范圍 209

10．5　系統(tǒng)頻率響應(yīng) 209

10．5．1　頻域識(shí)別 210

10．5．2　時(shí)域識(shí)別 216

10．6　模型參數(shù)擬合 217

10．6．1　犚犔犆網(wǎng)絡(luò) 217

10．6．2　有理函數(shù) 218

10．7　模型實(shí)現(xiàn) 220

10．8　算例 220

10．9　小結(jié) 227

10．10　參考文獻(xiàn) 228

第11章　穩(wěn)態(tài)應(yīng)用 229

11．1　引言 229

11．2　初始化 230

11．3　諧波評(píng)估 230

11．4　非線性設(shè)備的相位依賴阻抗 231

11．5　時(shí)域起輔助作用 232

11．5．1　時(shí)不變非線性元件的迭代求解 233

11．5．2　一般非線性元件的迭代求解 234

11．5．3　加速技術(shù) 235

11．6　時(shí)域起主要作用 236

11．6．1　基本時(shí)域算法 236

11．6．2　步長(zhǎng) 236

11．6．3　直流系統(tǒng)表示 236

11．6．4　交流系統(tǒng)表示 237

11．7　電壓暫降 238

11．7．1　算例 239

11．8　電壓波動(dòng) 241

11．8．1　閃變滲透模型 241

11．9　電壓切痕 245

11．9．1　示例 245

11．10　小結(jié) 247

11．11　參考文獻(xiàn) 248

第12章　混合時(shí)間框架仿真 250

12．1　引言 250

12．2　混合算法描述 251

12．2．1　獨(dú)立程序修改 251

12．2．2　數(shù)據(jù)流 252

12．3　TS/EMTDC接口 253

12．3　等效電路 253

12．3．1　等效阻抗 254

12．3．2　等效電源 255

12．3．3　相—序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 256

12．3．4　接口變量推導(dǎo) 256

12．4　EMTDC到TS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 258

12．4．1　從變換器波形提取數(shù)據(jù) 259

12．5　交互協(xié)議 259

12．6　接口位置 260

12．7　測(cè)試系統(tǒng)和結(jié)果 261

12．8　討論 263

12．9　參考文獻(xiàn) 263

第13章　實(shí)時(shí)暫態(tài)仿真 265

13．1　引言 265

13．2　采用專用體系結(jié)構(gòu)的仿真 266

13．2．1　硬件 267

13．2．2　RTDS的應(yīng)用 269

13．3　在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)應(yīng)用 271

13．3．1　實(shí)時(shí)測(cè)試實(shí)例 272

13．4　小結(jié) 273

13．5　參考文獻(xiàn) 273

附錄犃　犘犛犆犃犇/犈犕犜犇犆程序結(jié)構(gòu) 275

A．1　參考文獻(xiàn) 281

附錄犅　系統(tǒng)識(shí)別技術(shù) 282

B．1　狊域識(shí)別 （頻域） 282

B．2　狕域識(shí)別 （頻域） 283

B．3　狕域識(shí)別 （時(shí)域） 285

B．4　Prony分析 286

B．5　遞歸最小二乘曲線擬合算法 287

B．6　參考文獻(xiàn) 289

附錄犆　數(shù)值積分 290

C．1　經(jīng)典方法回顧 290

C．2　積分公式的截?cái)嗾`差 293

C．3　積分方法的穩(wěn)定性 294

C．4　參考文獻(xiàn) 295

附錄犇　測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù) 296

D．1　GIGRE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型 296

D．2　新西蘭南島南部系統(tǒng) 299

D．3　參考文獻(xiàn) 301

附錄犈　導(dǎo)出差分方程 302

E．1　應(yīng)用到一階滯后函數(shù)的根匹配技術(shù) 302

E．2　應(yīng)用到一階微分極點(diǎn)函數(shù)的根匹配技術(shù) 302

E．3　通過(guò)雙線變換得到犚犔串聯(lián)支路的差分方程 303

E．4　通過(guò)數(shù)值積分代換得到犚犔串聯(lián)支路的差分方程 303

附錄犉　犕犃犜犔犃犅代碼示例 307

F．1　作用到犚犔負(fù)荷的電壓階躍 307

F．2　作用到犚犔負(fù)荷的電壓階躍 308

F．3　F．2示例的一般化程序 310

F．4　差分方程的頻率響應(yīng) 322

附錄犌　用于狀態(tài)變量分析的犉犗犚犜犚犃犖代碼 326

附錄犎　用于犈犕犜仿真的犉犗犚犜犚犃犖代碼 333

H．1　直流電源、開關(guān)和犚犔負(fù)荷 333

H．2　用于直流電源、開關(guān)和犚犔負(fù)荷的一般化 MET程序 335

H．3　交流電源、二極管和犚犔負(fù)荷 339

H．4　狀態(tài)變量分析程序 342

H．5　狀態(tài)變量分析程序 345

H．6　狀態(tài)變量分析程序 349

H．7　輸電線路程序的子程序 357

索引 360