IEEE标准系统

案例介绍电磁暂态仿真案例

描述

IEEE 39节点标准系统，是美国新英格兰地区的一个电力网络。该系统包括10台发电机，39个母线，12台变压器。所有电机均采用了励磁、调速以及电力系统稳定器PSS进行调控。
作为测试，在实例算例中，于bus-16母线处添加了时长0.1s的三项接地短路故障，用户可根据需要自行修改、删除或添加。

系统可以选择两种启动方式：S2M启动方式与稳态潮流断面启动方式。详见潮流断面启动

该算例可用于传统暂态稳定分析，励磁、调速控制器设计，系统调频等特性分析等。

模型介绍

模型拓扑

IEEE39节点算例拓扑图如下，其中39号节点为松弛节点。除松弛节点外，各电机相连的母线（30-38）电压等级均为20kV，另外12号节点为25kV，剩下所有母线电压均为500kV.

拓扑图

CloudPSS上该算例采用单线图构建，其拓扑如下。

仿真图

子系统功能

CloudPSS上的IEEE39节点标准系统中，对电机采用了子系统功能进行封装。每个子系统内部的拓扑如下图所示（以30号电机为例），每台电机包含励磁器、调速器、原动机、电力系统稳定器四种控制器模型。

电机拓扑图

子系统功能的详细介绍详见“功能帮助”。

模型参数

所有电机参数、传输线参数、变压器参数来源于文献^[1]。

发电机参数

发电机原始标幺值参数如下:

UnitNo.	RatedPower	H	x’d	x’q	xd	xq	T’do	T’qo	xl
1	10000	5.000	0.600	0.800	2.000	1.900	7.000	0.700	0.300
2	1000	3.030	0.697	1.700	2.950	2.820	6.560	1.500	0.350
3	1000	3.580	0.531	0.876	2.495	2.370	5.700	1.500	0.304
4	1000	2.860	0.436	1.660	2.620	2.580	5.690	1.500	0.295
5	600	4.333	0.792	0.996	4.020	3.720	5.400	0.440	0.324
6	1000	3.480	0.500	0.814	2.540	2.410	7.300	0.400	0.224
7	1000	2.640	0.490	1.860	2.950	2.920	5.660	1.500	0.322
8	1000	2.430	0.570	0.911	2.900	2.800	6.700	0.410	0.280
9	1000	3.450	0.570	0.587	2.106	2.050	4.790	1.960	0.298
10	1000	4.200	0.310	0.080	1.000	0.690	10.200	0.000	0.125

经过折算后（折算方法见2.2.1），实际使用的发电机参数如下：

Bus No.	Rs	Xls	Xd	Xq	Rfd	Rkd	Rkq	Xlfd	Xlkd	Xlkq
39	0.0002	0.3	2	1.9	0.00078	0.08842	0.07805	0.36429	0.30000	0.16552
31	0.0002	0.35	2.95	2.82	0.00121	0.08680	0.11626	0.40044	0.26421	0.15970
32	0.0002	0.304	2.495	2.37	0.00114	0.08339	0.09828	0.25324	0.40916	0.15710
33	0.0002	0.295	2.62	2.58	0.00115	0.22949	0.10351	0.15010	0.09017	0.05636
34	0.0002	0.324	4.02	3.72	0.00208	0.03440	0.17167	0.53585	1.07442	0.48710
35	0.0002	0.224	2.54	2.41	0.00096	0.06964	0.10510	0.31334	0.48576	0.19141
36	0.0002	0.322	2.95	2.92	0.00132	0.16917	0.11841	0.17947	0.14560	0.08041
37	0.0002	0.28	2.9	2.8	0.00117	0.07570	0.11947	0.32609	0.41083	0.18230
38	0.0002	0.298	2.106	2.05	0.00118	0.08605	0.08481	0.32017	0.34453	0.16644
30	0.0002	0.125	1	0.69	0.00029	0.09301	0.03207	0.23460	0.38542	0.16051

线路参数

传输线原始参数如下表。其中，标幺值参数为线路全长参数（潮流计算使用的参数），有名值参数为单位长度参数（根据标幺值参数和基准容量、电压、线路长度折算）。在CloudPSS提供的39节点标准算例中，线路参数采用标幺值的方式录入。

以下标么值的线路参数基值选取：电压基值为500kV，功率基值为100MW。

		R1(pu)	X1(pu)	B1(pu)	km	R1(ohm/km)	X1(ohm/km)	B1(uS/km)	R0(ohm/km)	X0(ohm/km)	B0(uS/km)
1	2	0.0035	0.0411	0.6987	275.5	0.032	0.373	1.015	0.318	1.119	0.609
1	39	0.001	0.025	0.75	167.6	0.015	0.373	1.790	0.149	1.119	1.074
2	3	0.0013	0.0151	0.2572	101.2	0.032	0.373	1.017	0.321	1.119	0.610
2	25	0.007	0.0086	0.146	57.6	0.304	0.373	1.013	3.036	1.119	0.608
3	4	0.0013	0.0213	0.2214	142.8	0.023	0.373	0.620	0.228	1.119	0.372
3	18	0.0011	0.0133	0.2138	89.1	0.031	0.373	0.959	0.308	1.119	0.576
4	5	0.0008	0.0128	0.1342	85.8	0.023	0.373	0.626	0.233	1.119	0.375
4	14	0.0008	0.0129	0.1382	86.5	0.023	0.373	0.639	0.231	1.119	0.384
5	6	0.0002	0.0026	0.0434	17.4	0.029	0.373	0.996	0.287	1.119	0.598
5	8	0.0008	0.0112	0.1476	75.1	0.027	0.373	0.786	0.266	1.119	0.472
6	7	0.0006	0.0092	0.113	61.7	0.024	0.373	0.733	0.243	1.119	0.440
6	11	0.0007	0.0082	0.1389	55.0	0.032	0.373	1.011	0.318	1.119	0.607
7	8	0.0004	0.0046	0.078	30.8	0.032	0.373	1.012	0.324	1.119	0.607
8	9	0.0023	0.0363	0.3804	243.3	0.024	0.373	0.625	0.236	1.119	0.375
9	39	0.001	0.025	1.2	167.6	0.015	0.373	2.865	0.149	1.119	1.719
10	11	0.0004	0.0043	0.0729	28.8	0.035	0.373	1.012	0.347	1.119	0.607
10	13	0.0004	0.0043	0.0729	28.8	0.035	0.373	1.012	0.347	1.119	0.607
13	14	0.0009	0.0101	0.1723	67.7	0.033	0.373	1.018	0.332	1.119	0.611
14	15	0.0018	0.0217	0.366	145.4	0.031	0.373	1.007	0.309	1.119	0.604
15	16	0.0009	0.0094	0.171	63.0	0.036	0.373	1.086	0.357	1.119	0.651
16	17	0.0007	0.0089	0.1342	59.7	0.029	0.373	0.9	0.293	1.119	0.54
16	19	0.0016	0.0195	0.304	130.7	0.031	0.373	0.93	0.306	1.119	0.558
16	21	0.0008	0.0135	0.2548	90.5	0.022	0.373	1.126	0.221	1.119	0.676
16	24	0.0003	0.0059	0.068	39.5	0.019	0.373	0.688	0.19	1.119	0.413
17	18	0.0007	0.0082	0.1319	55	0.032	0.373	0.96	0.318	1.119	0.576
17	27	0.0013	0.0173	0.3216	116	0.028	0.373	1.109	0.28	1.119	0.666
21	22	0.0008	0.014	0.2565	93.8	0.021	0.373	1.093	0.213	1.119	0.656
22	23	0.0006	0.0096	0.1846	64.3	0.023	0.373	1.148	0.233	1.119	0.689
23	24	0.0022	0.035	0.361	234.6	0.023	0.373	0.616	0.234	1.119	0.369
25	26	0.0032	0.0323	0.513	216.5	0.037	0.373	0.948	0.37	1.119	0.569
26	27	0.0014	0.0147	0.2396	98.5	0.036	0.373	0.973	0.355	1.119	0.584
26	28	0.0043	0.0474	0.7802	317.7	0.034	0.373	0.982	0.338	1.119	0.589
26	29	0.0057	0.0625	1.029	418.9	0.034	0.373	0.983	0.34	1.119	0.59
28	29	0.0014	0.0151	0.249	101.2	0.035	0.373	0.984	0.346	1.119	0.59

变压器参数

		额定功率（MVA）	原边电压等级（kV）	副边电压等级（kV）	R	X
11	12	100	500	25	0.0016	0.0435
13	12	100	500	25	0.0016	0.0435
6	31	100	500	20	0	0.025
10	32	100	500	20	0	0.02
19	33	100	500	20	0.0007	0.0142
20	34	100	500	20	0.0009	0.018
22	35	100	500	20	0	0.0143
23	36	100	500	20	0.0005	0.0272
25	37	100	500	20	0.0006	0.0232
2	30	100	500	20	0	0.0181
29	38	100	500	20	0.0008	0.0156
19	20	100	500	500	0.0007	0.0138

负荷参数

节点编号	有功功率P（MW）	无功功率Q（MVar）
1	97.6	44.2
3	322	2.4
4	500	184
7	233.8	84
8	522	176
12	8.5	88
15	320	153
16	329	32.3
18	158	30
20	680	103
21	274	115
23	247.5	84.6
24	308.6	-92.2
25	224	47.2
26	139	17
27	281	75.5
28	206	27.6
29	283.5	26.9
31	9.2	4.6
39	1104	250

励磁调节器参数

本算例中采用IEEE标准的EXST1(PTI)型励磁调节器。具体信息见参考文献^[2]。在CloudPSS中构建的元件图标以及原理图如下：

励磁元件图
励磁原理图

各个引脚中，Vref、Vs、VT、IT、Ef0、S2M为输入引脚，其中：

Ef0引脚应与电机内部量测量#Ef0相连，为Ef的初值。
Ef输出连接电机的Ef端口。
If输入端口连接电机的If输出端口。
Vs连接到PSS的输出，没有PSS时可以输入常数0。
Vref（参考电压）可以连接到同模块输出的参考电压初始值Vref0，也可以直接设为1。
VT，IT为电机端电压和电流的标幺值。
S2M为Source to Machine信号。当电机采用Source to Machine启动时，输入模块的S2M信号应与输入电机的S2M信号保持一致。

其中参数设置如下：

RC	Xc	TR	TC	TB	KF	TF
0	0	0.01	1	10	0	1
KA	TA	VRMAX	VRMIN	KC	VIMAX	VIMIN
200	0.015	5	-5	0	0.1	-0.1

参数说明如下：

TA, TB, TC：Voltage regulator time constants [s]电压校准器时间常数
VRMAX, VRMIN：Maximum and minimum regulator output limits [p.u.]电压校准器输出范围
TF：Excitation control system stabilizer time constant [s] 励磁控制系统稳定器时间常数
KF：Excitation control system stabilizer gain [p.u.]励磁控制系统稳定器放大倍数

调速器和原动机参数

本算例中采用IEEE标准的STEAM_GOV_1型调速器和STEAM_TUR_1型原动机。在CloudPSS中构建的调速器STEAM_GOV_1元件图标以及原理图如下：

调速器元件图
调速器原理图

其中参数设置如下：

DB	Kg	TSR	TSM	P_up	P_donw	Cmax	Cmin
0	20	0	0.075	0.6786	-1	0.9	0

在CloudPSS中构建的原动机STEAM_TUR_1元件图标以及原理图如下：

调速器元件图
调速器原理图

其中参数设置如下：

K1	K2	K3	K4	K5	K6
0.2	0.4	0.4	0	0	0
K6	K8	T4	T5	T6	T7
0	0	0.3	10	0.6	0

仿真

CloudPSS的电磁暂态仿真中电气系统的启动可以大体分为两种：从零启动以及从潮流断面直接启动。

从零启动就是系统各处从电压、电流等于0的状态启动到稳态的过程。对于同步电机，这种启动方式包括了平启动、端电压爬升启动、励磁电压爬升启动、电压源转电机这几种方式。这些方式下仿真不需要预启动流程，可以直接从t=0时开始仿真。

从潮流断面的启动方式则利用了潮流断面数据直接从稳态启动。这种启动方式有几个要求：

全部设备元件的端口必须与母线直接相连（或通过分线器与母线相连）。
电机、母线的启动参数需要与潮流结果一致，否则仿真无法达到稳定甚至出现错误。
需要启用预启动功能，可在电磁暂态->启动参数->是否开启预启动流程中勾选开启。对于60Hz系统，电压爬升时间为0.05s；对于50Hz系统，爬升时间则为0.06s。最大启动时间则为预启动的最大时间，一般取一个大于0.5s的数。

作为演示，这里选择从零启动（即S2M启动）方式，点击仿真控制->开始后选择计算节点，即可得到暂态结果。

下面展示某次仿真的运行结果，注意在2s-2.1s间，16号母线处发生了三相接地短路故障。

所有电机的功角波形如图所示：

电机功角

所有电机的转速波形如图所示：

电机转速

所有电机的端电压标幺值仿真结果如图所示：

电机的端电压标幺值

所有电机的端电流标幺值仿真结果如图所示：

机端瞬时功率

以37号节点为例，在故障前后处机端电压波形的仿真结果为：

机端电压波形

Luc Gérin-Lajoie. IEEE PES Task Force on Benchmark Systems for Stability Controls[R]. EMTP-RV 39-bus system, Version 1.5 - Mars 04, 2015 ↩︎
IEEE Std 421.5™-2005. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. New York, IEEE, 2005 ↩︎