针对励磁系统的用户自定义建模方法及其应用①

杨 潇

(河北省电力研究院， 石家庄 050021)

针对励磁系统的用户自定义建模方法及其应用①

杨 潇

(河北省电力研究院， 石家庄 050021)

为提高电力系统仿真的灵活性和开放性，提出一种基于改进插入式建模技术的励磁系统用户自定义建模方法。将暂态稳定性仿真中采用的励磁系统的传递函数拆分为两类自定义的基本传输模块：非状态变量模块和状态变量模块，以描述元件的数学模型。应用该方法编写了用户自定义建模程序，实现拓扑分析和自动初值平衡等功能。通过实例分析详细阐述了自定义模型文件的格式含义，分析了用户自定义程序和主程序之间的关系。应用此方法搭建的用户自定义模型初值平衡操作简单，通过修改若干自定义模型参数便可迅速拓展出新模型。最后通过算例验证了基于该方法建立的用户自定义建模程序的准确性和可拓展性。

电力系统仿真； 暂态稳定仿真； 励磁系统； 用户自定义建模； 改进插入式建模技术

暂态稳定仿真是电力系统规划和运行中经常面对的重要工作。由于控制理论和控制策略不断完善和发展，新的一次设备、二次设备不断涌现，仅仅依靠原有仿真软件中提供的模型库已经无法满足客户需求。用户自定义建模UDM(user define modeling)技术便应需而生，以方便用户自行构建所需模型，提高暂态稳定性仿真的灵活性和开放性。目前绝大部分的电力系统仿真商业软件都有用户自定义建模程序。

国内外学者和技术研发人员对用户自定义建模技术做了许多卓有成效的探索工作，提出了的实现技术和方法[1～5]，但仍存在着如下一些不足。

(1)用户需要使用专业的仿真语言或宏命令建立自定义模型，增加了使用难度，提高了软件的使用门槛。

(2)大部分UDM程序的数据是通过频繁的读写磁盘文件来获得，大大降低了仿真的效率，增加了仿真时间。

(3)已有仿真模型的利用率不高，每次仿真都几乎需要重新编写相关建模信息。

在众多的电力系统建模方法中，插入式建模技术在灵活性和开放性上具有很大优势，可以灵活模拟电力系统动态元件模型，有利于状态方程与系统参数之间的相关分析，并且可以自由选择输入、输出信号以便于控制器设计[6,7]。本文在其基础上提出改进插入式建模技术IPMT(improved plug-in modeling technique)，将用户自定义模型划分为新的两类基本传输模块，然后按照传递函数框图顺序形成模块关联矩阵，用于暂态稳定仿真模型初值平衡[8]和系统求解过程。这种方法能够清晰地描述模块间的关系，不需要繁琐的矩阵变换即可实现用户自定义模型的求解，模型初值平衡实现简单，已有模型利用率高。

1 IPMT原理及在仿真程序中具体应用

1.1 基本原理

文献[6]指出，任何一个基于传递函数表达的系统结构均可以分解为一些基本单元，在IPMT中同样认为系统可以仅由两类基本的传输模块和一些基本参数组成，如图1所示。

图1 两类基本传输模块

图1中：m和x分别表示非状态变量和状态变量；下标i表示输入；a、b、Ta、Tb为基本参数；f(·)是由基本参数表达的非线性函数。

当形成用户自定义模型的传输模块后，参考传输模块两端的节点编号，可以构成关系式为

(1)

以图2所示的简单系统为例，可以建立关系式为

(2)

图中r，y分别代表系统的输入、输出。

图2 含有4个传输模块的示例系统

文献[6]中规定关联矩阵按照一阶传输模块、输出、零阶传输模块顺序排列，这种排列方法造成初值平衡时读取相应模块拓扑信息困难，需要额外的存储空间记录模块顺序；在IPMT方法中按照传递函数顺序依次写出关联矩阵元素，初值平衡时可以直接按排序读入所需拓扑信息，进行暂态稳定仿真，相比之下实现更为简单。

1.2 具体应用

典型的用户自定义建模程序(以下简称用户程序)可以与主程序进行数据交换，为用户提供了一个统一建模平台，用户不用了解程序内部的结构和算法，用直观的方式建立新模型，增强软件对系统元件装置和控制功能扩展的适应能力。用户模型的求解方法应该具有良好的适应性，能够处理更一般化的数学模型，本文提出的基于IPMT的用户程序体现了以上基本特征，其功能的实现过程如图3所示。其中，接口变量包括用户模型的输入、输出等信息，预先在实时数据库中定义一定的接口变量，动态仿真主系统和用户程序在计算前从实时库中读取数据，每次迭代均将结果写入实时库；基本功能框库是由IPMT的两类基本传输模块组合形成的各种基本功能框的集合；模型文件定义了具体模型参数和拓扑结构信息的格式。

图3 用户自定义建模的实现流程

1.2.1 模型文件

IPMT建模过程采用的模型文件主要包括以下几个部分：

(1)模型所在母线号、发电机号、模块个数等程序所需信息；

(2)关联矩阵，用来反映模块之间联系；

(3)所调用的模块，一般是输入模块编号；

(4)不同模块的参数。

本文以图4(a)所示的IEEE 1型励磁系统模型为例，说明在IPMT方法下如何实现用户自定义建模。首先，将图4(a)系统结构变换为图4(b)形式，以基本功能框库中的基本功能框描述系统结构，路径1代表前馈部分，路径2代表反馈部分。

(a) 变换前的1型励磁系统

(b) 变换后的1型励磁系统

与IPMT方法相对应的模型文件格式定义如表1～表4所示，模型文件由4个数据块组成：

(1)数据块1记录母线号、发电机号(区别同一母线上不同发电机)、环节总数、输出所在位置、参考值(Vref)引入环节所在位置。

(2)数据块2按照公式(2)顺序记录模块关联矩阵。

(3)数据块3记录模块类型，并与数据块2的矩阵顺序对应；需要说明的是每个传输模块的类型都是用一个两位数来表示的。每个两位数的十位数字代表的是其所属大类：数字“1”代表非状态变量传输模块，数字“2”代表的是状态变量传输模块；个位数字用来区分具体模块类型。输入顺序是按照传递函数流程从左到右，先前馈后反馈的顺序依次写出传输模块的类型。

(4)数据块4记录模块中的具体参数，参数顺序对应数据块3的模块顺序。

表1 1型励磁系统的模型文件(数据块1)

表2 1型励磁系统的模型文件(数据块2)

表3 1型励磁系统的模型文件(数据块3)

表41型励磁系统的模型文件(数据块4)

Tab.4ModelfilesofIEEEtype1excitationsystem(block data 4)

用户只需了解模型文件的规定格式，掌握模型文件所需信息，就可以调用程序。此外，程序一次性读入所需数据，不必频繁读写磁盘，可以提高仿真速度。

1.2.2 用户程序和主程序的关系

用户程序除了具备通过模型文件的读入进行拓扑分析的功能以外，还要包括模型的初值平衡功能、模型的迭代计算功能，这些功能在暂态稳定性主程序的启动部分、初始化部分以及迭代计算部分中实现。具体计算流程可用图5来表示。

模型初始化是对用户自定义模型进行暂态稳定性仿真重要的一环，应用IPMT方法建立的用户程序进行模型初始化，主要利用接口变量和模型文件中提供信息自动进行初值平衡计算。初值平衡计算流程图如图6所示，以图4所示励磁系统为例，反馈部分和前馈部分初值平衡时计算方向不同，需要分别计算：反馈部分仍是按传递函数框图部分箭头方向正向计算，而主干部分则是反向计算。图6中T为初值平衡环节的序号，A为输出环节序号，V为参考值环节序号。

图5 暂态稳定仿真流程

图6 初值平衡程序流程

2 算例验证

采用Microsoft Visual C++6.0编程实现基于IPMT的用户自定义建模程序，以IEEE 39节点系统作为测试算例，发电机均采用6阶模型，安装在39母线发电机A的励磁系统采用用户自定义模型描述，仿真步长为0.01 s，0.1 s在17母线-16母线间线路1%处发生三相闪络型短路故障，0.2 s故障消失，3.0 s仿真结束。39节点系统图和网络参数参见文献[9]。

2.1 算例1

为了验证IPMT方法的准确性，39母线发电机A接入IEEE 1968年提出的1型励磁系统模型，采用上述用户自定义程序实现该模型，其模型文件参见表1～表4。同时建立PSASP用户自定义模型，两者仿真结果如图7所示。

(a) 励磁电压

(b) 39号母线发电机相对功角

从图中的励磁电压和发电机相对功角的比较可以看出，仿真结果和PSASP是基本一致的。

2.2 算例2

39母线发电机A接入IEEE AC5A交流无刷励磁模型，如图8所示，相对表1～表4模型的传递框图有4处拓扑结构发生变化，用虚线圈标出：

(1)在参考电压引入部分之前加入了电压测量与补偿环节；

(2)励磁电压输出部分去掉了一个终端限幅环节；

(3)在反馈部分的拓扑结构发生了变化；

(4)在反馈部分加入了一个超前滞后环节。

根据这4处变化改写原模型文件，如表5～表8所示，其中有虚线圈的数字表示对应上述4处变化在文件中需要改变的部分。

仿真结果与PSASP的结果对比如图9所示，由以上的变换和仿真结果比较可以看出，IPMT方法建立的用户自定义程序能够通过对已有UDM的模型文件进行少量修改，快速建立拓扑结构相似的新模型，而且仿真的准确率依然可以保障，这样节省了用户在建模上花费的时间，提高了仿真建模的效率，具有良好的拓展性。

图8 经IPMT变换后的IEEE AC5A 传递函数框图

表6 AC5A的模型文件(数据块2)

表7 AC5A的模型文件(数据块3)

表8 AC5A的模型文件(数据块4)

(a) 励磁电压

(b) 39号母线发电机相对功角

3 结语

本文通过对插入式建模技术进行改进，扩大了原有方法的适用范围，应用改进方法将励磁系统的传递函数拆分为两类基本的传输模块，推导出模块输入输出关联矩阵，以此为根据规定了模型文件格式，编写用户自定义建模程序，实现拓扑分析、自动初值平衡等功能，并对两种励磁模型进行暂态稳定性仿真试验。结果表明采用此种方法进行仿真具有准确率高、拓展性好的特点，并且此方法可以用于电力系统其它控制器的用户自定义建模研究。

[1] Panciatici P，Daniel D, Nonon P,etal.User-defined equipment models for long term and transient stability studies[C]∥The 2nd International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, Hong Kong, China: 1993.

[2] Zhang X C，Cheng G H， Xu Z. User defined excitation system models for power system stability analysis in PSASP[C]∥IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, Dalian, China: 2005.

[3] 吴中习，周孝信，包忠民(Wu Zhongxi, Zhou Xiaoxin, Bao Zhongmin).暂态稳定计算中的用户自定义模型(User defined modeling for transient stability studies)[J].电网技术(Power System Technology)，1991，15(3): 46-50.

[4] 黄英怀(Huang Yinghuai).电力系统分析综合程序的用户自定义模型(User-defined model of power system analysis software package)[J].广东电力(Guangdong Electric Power),2002 ,15(5)：46-48.

[5] 骆玲，文劲宇(Luo Ling, Wen Jinyu).PSS/E用户自定义功能在励磁系统建模中的应用研究(Research on the application of PSS/E user-defined modeling technique for excitation system modeling)[J].电气应用(Electrotechnical Application)，2007，26(8)：21-24.

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[7] 王克文，王信杰，谢志棠(Wang Kewen, Wang Xinjie, Xie Zhitang).基于传输块的暂态稳定建模(Transient stability modeling based on the transfer-block representation)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007，19(6)：18-23.

[8] 周则昕，吴中习(Zhou Zexin, Wu Zhongxi).建立自定义模型时的初值平衡问题(Initial value balance problem for creating user-defined model)[J].电网技术(Power System Technology)，1996，20(1)：15-19.

[9] 张伯明．高等电力系统分析[M].北京：清华大学出版社，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

杨 潇(1984-)，男，助理工程师，研究方向为电力系统仿真、配电网规划等。Email:yangholmes.student@sina.com