海外电力工程中仿真分析软件的选择和应用

陈柏森 王乙斐 肖军 曹阳 陈功

摘要：为满足海外电力工程项目中日益迫切的仿真计算需求，借鉴海外电力工程项目建设中的经验，根据电力系统的动态过程作用时间长短，从电磁暂态和机电暂态两大角度，对认可度和适用性较高的PSS/E、Power Factory、EMTP-RV和ETAP等4款电力系统仿真软件的技术特点进行了介绍，对软件的功能特性和适用范围进行了比较和分析。分析结果表明：应根据电力系统分析角度的不同来选择适宜的仿真计算软件。研究成果可为中国企业在“一带一路”海外电力工程建设中选择电力系统仿真分析软件提供参考和借鉴。

关 键 词：仿真分析软件;电磁暂态;机电暂态;Power Factory;精细化建模;海外电力工程

中图法分类号：TM74

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0148-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.024

0 引 言

随着“一带一路”建设的推进，海外地区社会经济的发展以及多样化的电能需求的出现，在电力系统建设技术不断提高的同时，海外业主也提出了更高的要求[1]。越来越多的业主希望通过项目前期的规划和仿真分析，更加直观且有依据地了解系统的网络结构和项目的预期效果。因此选择恰当的仿真分析技术进行有效模拟，能够构建安全可靠、合理运行且经济高效的电力系统，从而指导实际的工程建设规模和时机，保证资金的投入产出效益。

仿真分析技术路线是通过电力系统仿真软件搭建系统模型并执行相应的电气计算来完成各项需求的预测。目前，海外常用的电力系统仿真软件主要包括以下几种。

（1）由美国PTI电力咨询公司开发的综合仿真软件PSS/E（Power System Simulator for Engineering）;

（2）德国 DIgSILENT GmbH 公司开发的电力系统分析综合程序DIgSILENT/PowerFactory （DIgital SImuLation and Electrical NeTwork）;

（3）曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC （Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current）程序;

（4）基于Windows平台的新一代图形化电磁类仿真软件EMTP-RV （Electromagnetic Transients Program-Restructured Version）;

（5）美国ETAP自动化公司开发的综合型电力及电气分析计算软件ETAP（Electrical Power System Analysis & Operation Software）。

通常而言，海外电力工程项目的系统仿真软件由业主指定，需与该国原有的系统模型相匹配。由于历史原因，不同国家认可的软件也各有不同。因此，具体采用哪一款电力系统仿真软件，仍需要根据工程所在国的实际情况来决定。

本文依据在海外电力工程项目建设中的经验，针对目前国外市场情况和实际需求，根据研究对象的动态过程作用时间的长短，从电磁暂态和机电暂态两大角度出发，结合实际电网工程项目，对认可度和适用性较高的几款电力系统仿真软件进行了对比和分析。本文分析成果可为“一带一路”发展战略中的海外电力工程项目建设所需的仿真软件的选择提供一定的参考和借鉴。

1 电磁暂态和机电暂态

在规划设计阶段，电力工程项目或多或少都离不开电磁暂态计算和机电暂态计算[2]，其中，输变电项目的系统研究需要开展电磁暂态和机电暂态2种计算，而配电系统项目则以机电暂态计算为主。目前，亚非拉欠发展国家地区的电力系统首先面临的是解决通电率的问题，相应的电力工程项目大多数电压等级都不高，所涉及到的地理范围也难以达到中国区域电网的规模，因此绝大部分项目都是以小范围内的配电系统分时序进行升级改造或扩建工作。

1.1 电磁暂态

电磁暂态过程的主要研究内容是电力系统受到扰动以后，在数微秒到数秒内电力系统中各元件的电磁场和电压、电流的动态变化过程，主要侧重于电力系统过电压计算、行波、谐波以及变压器特性分析等暂态计算内容。仿真步长以微秒为单位，节点规模较小，一般不超过3 000个。

模型方面，电磁暂态仿真采用的是微分或偏微分方程来表示电气元件的模型，是基于三相的瞬时值和对称矩阵进行求解，一般需要考虑到元件的非线性、电磁耦合关系以及元件的分布参数和频率特性等内容，模型描述要求详尽细致，同时还需要计及电力网络的暂态过程。尽管采用的算法以频域范围内的隐式数值积分方法为主，但求解方式和过程都较为复杂，需要对电力系统进行等值简化处理。

1.2 机电暂态

机電暂态研究旨在对电力系统遭受一定程度扰动后的稳定性进行分析的过程，主要包括小扰动后的静态稳定和大扰动情况下的暂态稳定。其实质是研究由扰动引起发电机和电动机电磁转矩的变化而导致电机转子机械运动变化的过程。仿真步长以ms为单位，持续时间一般为几秒到几十秒，没有仿真节点的限制。

模型方面，机电暂态仿真采用基波相量来表示系统元件，同时基于序网分解理论对电力系统进行解耦求解，反映的是工频范围内的系统运行情况，且无法表示毫秒级运行工况的直流系统的电力电子器件。算法方面，机电暂态仿真通过联立求解微分方程组和代数方程组的形式，在时域范围内，采用隐式梯形积分法、改进由拉法等数值计算方法处理的微分方程组;代数方程组则以牛顿法为主，收敛速度快，而且效果好。

2 海外电力系统常用软件

2.1 PSS/E

PSS/E软件最初是为了研究大电网、输电系统而设计的，是世界电力工业领域应用较为广泛的电力系统分析软件之一，用来研究电力传输系统和发电机的稳态和动态功能，能处理潮流计算、故障分析、网络等值、动态仿真和安全运行优化等问题[3]。PSS/E软件最大的优点在于拥有巨大的自定义空间，支持用户使用python语言来编写元件、控制模块和程序等高端操作。文献[4-6]采用python语言编写了直流输电建模和风电模块等程序，并通过仿真对比计算验证了模型的正确性。PSS/E软件在传统输电线路分析和机电暂态稳定方面也有着巨大的优势。段建民团队[7]利用PSS/E软件中的潮流计算模块，提出了基于PSS/E软件的电力系统电压稳定分析方法，对几种常用的暂态稳定分析方法予以了验证。浙江大学电机系团队[8]针对暂态稳定计算模型，在PSASP和PSS/E软件中进行了分析对比，结果显示二者的计算结果接近，进而验证了PSS/E软件在暂态分析中的有效性。

PSS/E具有强大的计算能力。目前，PSS/E33版本处理的电力网络最大规模为15万条母线、30万条线路、30万个负荷以及3.3万台发电机。图1给出了在PSS/E中建立典型输电系统的单线图模型，通过运行仿真模型，可以清晰直观地看到每条母线、线路上潮流的运行情况。

目前，PSS/E软件主要用于输电系统等大型电力系统的仿真分析，支持超大规模的电力系统建模，拥有灵活的、无复杂度限制的自定义模型，计算功能强大，结果精确度高。同时，该软件操作复杂，学习难度很大，要求操作人员具有足够的电气专业基础和一定的编程能力，软件灵活性和交互性很强，计算结果能得到电力界的广泛认可。目前在众多非洲国家中，各个国家电网数据模型均基于PSS/E软件建立，新建项目均要求在其原有模型基础上进行扩充和发展。但是由于建模时需要大量不同类型的数据，操作难度大，中文资料很少，运用起来较慢，因此在国内发展十分缓慢，仅有部分人群会使用PSS/E。

2.2 Power Factory

Power Factory软件是一款功能强大的电力系统电磁/机电暂态混合仿真程序[9-10]，几乎能够实现所有常用的电力系统仿真分析的需求，比如潮流计算、短路计算、机电暂态和电磁暂态计算、谐波分析、小干扰稳定分析等。同时，该软件把机电暂态分析模型与电磁暂态分析模型结合到一起，既能对电网的暂态故障进行分析，又能研究长期的电能质量问题及控制方法。至目前为止，Power Factory软件已被广泛应用于欧洲和南美洲大部分的国家电网系统，用于智能化分析、规划电网的发展与建设。

该款软件支持用户可针对不同的仿真模型和项目，建立不同的电力系统元件模型库，并采用DSL仿真语言来建立控制系统。赵大伟团队[11]在Power Factory软件中针对国内典型的发电机组的控制模型建模进行了仿真，验证了Power Factory软件在控制模型方面的准确性，为开展电力系统的暂态仿真研究提供了良好的平台。文献[12]以风电机组在低电压穿越中的实测特性为基础，在Power Factory软件中对双馈风电机组的建模、参数辨识、模型验证以及风电场的并网仿真等问题进行了深入的研究。王文怡团队[13]基于Power Factory软件平台，对不同交流电力系统互联同期运行的关键影响因素进行了建模与分析。

相对于其他仿真软件而言，Power Factory软件拥有贴合实际的多样化风电机组模型，并能够对光伏电站及其相关研究进行精细化建模，在新能源相关的仿真分析领域占有强大的地位。中国电力科学院研究团队[14]为计及风电和负荷随机性因素，基于Power Factory软件长时间序列仿真优化方法，分别以网络年电能损耗和分散式风电的年发电量为目标函数，计算得到分散式风电的最优接入位置和容量。邱纪星[15]基于Power Factory仿真平台，根据风电机组并网规范中低电压穿越的要求，验证了提出的电网电压跌落期间有功功率和无功功率的控制方法的有效性。在光伏研究方面，文献[16] 基于DIgSILENT仿真平台，搭建了适用于动态仿真的并网光伏发电系统的工程用数学模型，并通过仿真分析表明：该模型能够很好地实现最大功率跟踪、快速响应电网调度指令，对实际工程具有指导意义。图2展示了Power Factory软件中法国某地区的输电网系统拓扑图。

与其他软件不同，Power Factory软件的核心是数据库，其所有的电网结构、元件数据、仿真参数以及仿真结果都存放在项目对应的数据库中，分级分层，便于管理;Power Factory软件同时支持与PSS/E、PSS/U以及MATLAB等电力系统仿真软件进行数据交互，兼容性好，支持多种形式的数据输入和输出。

2.3 EMTP-RV

EMTP-RV软件是基于Windows平台开发的新一代图形化电磁类仿真软件[17-19]，是EMTP发展协调小组CEATI（CEA Technologies Inc.）与其国际合作伙伴超过20 a的研究成果。EMTP-RV是用于开发电力系统电磁暂态全功能和技术先进的仿真和分析软件，适用于各种电力系统的研究，在高仿真精度的前提下对大型电力系统和电力电子系统进行仿真。软件包含了详细的电机模型、变压器模型以及多种线缆模型等全面的内建模型库，能够对雷电冲击波、开关浪涌、暂态过电压、绝缘配合、铁磁谐振、电力电子和FACT装置等多方面的问题进行仿真研究，具有良好的工程应用前景。同时，该软件的分析结果在国际输变电工程中认可度非常高。

EMTP-RV软件是目前全球最先进的电磁暂态仿真软件之一，在国内外都受到广大业主的欢迎，计算结果也能够得到业主的高度认可。图3给出了在EMTP-RV软件中构建的GIS变电站绝缘配合模型。

文献[20]对规划的中俄直流“背靠背”工程使用电磁暂态仿真程序（EMTP-RV）进行建模仿真，研究并计算了各种操作过电压，并据此提出了通过在线路中部加装线路避雷器和优化直流控制系统的方法来有效限制線路过电压。文献[21] 利用EMTP-RV电磁暂态软件建立了厄瓜多尔新建230 GIS kV变电站的仿真模型，计算并验证了在雷电波不同侵入方式、雷击进线段不同杆塔与变电站不同运行方式下变电站内主要设备的雷电过电压水平。文献[22]在EMTP-RV软件中构建了一种新型的静止无功补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），使用正弦脉冲宽度调制技术，在稳态和瞬态运行条件下对STATCOM的性能进行研究。刘勇团队[23]在EMTP-RV软件中搭建由双馈风电机组构成的风电场的电力系统模型，分析了风电场并网运行特性。分析电网发生三相接地短路和单相接地短路故障时，风电场的有功输出、公共连接点母线无功电压波动以及系统频率的暂态变化幅度。文献[24]分析了风电场雷电闪络故障的特殊性，在此基础上，在EMTP-RV软件中模拟风电场电力系统的典型雷电过电压形成和传播过程，最后得出结论：风电场集散系统的绝缘设计方案不应直接复制电力系统配电网的设计方案。

2.4 ETAP

ETAP软件是用于发电、配电和工业电力系统设计、模拟、运行的较为全面的分析平台，已被应用于电力系统的各个阶段，从发电，到输电和配电到使用[25]。在美国，85%以上的核电站使用ETAP软件进行建模，ETAP软件是美国唯一可用于高危险行业的电气工程软件，可以实现电网暂稳态分析、电机启动、电缆拉力、实时控制等多方面功能。软件中附带有强大的数据库，而且数据库大多是基于现有的厂家产品而建立的，当进行建模时可以直接从系统库中调用元件模型，并且支持用户人为增加数据库模型。郑晓伟团队[26]针对低压电网短路电流计算问题，通过实例介绍了短路电流计算的过程和方法，并应用ETAP软件进行了仿真分析，验证了该软件具有速度快、结果准确等优点。文献[27]在ETAP软件中研究了适合的配网自动化系统的构架、配置和功能，研究表明改造方案有效降低了配电网的损耗，提高了用电行业的生产效率和经济效益。同时ETAP软件还可以用于电力系统的谐波分析。文献[28-29]在ETAP软件中对光伏电站和柔直系统的谐波特性进行了详细的分析，得到了预期的结果。ETAP软件是一款偏向于配电系统研究的软件，文献[30-31]在ETAP软件中针对配电网的可靠性进行分析，包括传统配电网和分布式电源接入的配电网可靠性分析，结果表明ETAP软件是进行配电网可靠性分析的有效工具。

在仿真计算方面，ETAP软件拥有多项国际通用计算标准和计算条件的控制选项，可以实现多样化的计算需求，无论是在电缆拉力和载流量分析、短路分析、电

动机启动、保护配合等计算方面，都有独立的模块参与计算。图4展示了在ETAP软件中进行电气计算的典型界面图。

3 对比与分析

在海外电力工程的研究与应用当中，上述几款软件在不同项目和不同背景下，所研究的主要技术内容和应用领域也不一样，这与软件本身所具有的技术特点是直接相关的，各软件特性对比与分析如表1所列。

（1）在应用领域和适用工程方面，PSS/E软件现隶属于西门子，较多是服务于国外市场的大中型输变电工程项目的咨询服务和前期规划设计等过程，而且市场多集中于欧美以及非洲等地区国家。Power Factory软件大多数以欧洲和南美洲市场为主，除了用于传统大型输变电项目、工业领域的研究以外，Power Factory软件还在风力发电和光伏发电方面具有显著的优势。EMTP-RV软件属于电磁暂态研究软件，主要用于过电压和绝缘配合的建模分析，是目前国际上高度认可的过电压计算分析软件，主要用于变电站和线路的过电压分析，计算精度高，结果可靠，在涉及到变电站以及高压线路等海外电力工程项目中，有着广泛的应用市场。ETAP软件属于美国本土开发的电力系统高集成分析软件，主要应用于美国本土核电/高危行业的电力分析、电力系统的实时监控和仿真，同时在配电网领域和地下电缆等方面，ETAP软件具有丰富的数据库和模块，建模可靠性更高。

（2）在技術内容领域，每个软件根据自身的特点，各有所长。PSS/E软件主要用于研究传统发输电系统和发电机组的稳态和动态性能，优势明显，支持多种形式的数据导入，同时也支持Python语言的程序写入，为建模和仿真多样性提供了可能。Power Factory软件除了可以进行输变电工程稳态和机电暂态研究以外，还拥有电磁暂态计算模块来分析过电压过程。最重要的是Power Factory软件内置双馈风机、光伏阵列等新能源数据库，可以对模块进行自由调用和按需修改，在新能源研究领域也发挥着重要的作用。EMTP-RV软件可以计算包括工频过电压、雷电过电压和操作过电压等目前各种类型的电力系统过电压工况，并具备强大的数据分析能力和可视化绘图能力。ETAP软件在高压弧闪分析和继电保护配置方面具有明显的优势，能够将现场数据收集和用户项目管理与ETAP软件同步，在海外配电系统的规划与控制方面得到了广泛的应用。

（3）在研究的电力系统规模方面，PSS/E和Power Factory软件均适用于大规模、多节点、多机等复杂程度较高的电力系统建模与分析。例如，PSS/E30版本处理的电力网络的最大规模为5万条母线，10万条线路，10万个负荷以及1.2万台发电机，这是很多电力仿真软件所无法比拟的。而EMTP-RV软件研究的主要为电磁暂态过程，电磁暂态一般是针对某个变电站、某段线路或者两者之间的简易组合，所以一般情况下建模对象的规模较小，但精细化程度更高。ETAP软件由于使用范围的限制，导致了其建模的规模，也无法达到较大节点数量，因此EMTP-RV和ETAP软件都仅适用于规模较小的电力系统工程或者较大规模电力系统工程的局部。

4 结 语

必要的电力系统仿真分析研究，能够为电力工程的建设提供理论依据和技术支撑，优化规划方案，提高设计水平，进而提升工程质量。

本文结合海外电力工程的实际运用和海外电力仿真软件应用的急迫性，针对几款国际认可度较高的电力系统仿真分析软件，从机电暂态和电磁暂态2个主要的应用领域，详细分析和比较了各软件的技术特点和功能特性，并提出了不同软件的应用特点，从多个角度分析了不同软件的适用领域和功能特长，可为开展“一带一路”建设、海外电力项目中系统仿真分析研究软件的选择提供参考和借鉴。

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（编辑：赵秋云）