动态电力系统第3章.pps

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1、,动态电力系统,2012年秋季研究生课程,第三章 时域仿真法暂态稳定分析,主要内容时域仿真法基本原理暂态稳定计算基本流程机网接口的处理故障与操作的处理微分方程和代数方程的求解方法电力系统微分方程的数值解法,现代电力系统特点 大规模 复杂的 非线性 分散控制研究的核心：稳定问题,为什么要研究电力系统稳定？后果严重：若失稳，则系统解列，造成大面积停电；若振荡太大，则影响用户供电。,电力系统稳定性定义,电力系统在受到扰动后,凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用，回复到原始稳态运行方式，或者达到新的稳态运行方式（的能力）。中国电力百科全书 1995年 电力系统稳定可以概括地定义为这样一种电力系统的特

2、性，即它能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受扰动后能够恢复到可以容许的平衡状态。P.Kundur（2002）,电力系统在给定的初始运行条件下受到扰动后回到一种平衡状态，同时大部分系统变量保持有界并使得（实际上）全系统保持完整。CIGRE（2004）电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。电力系统安全稳定导则（2001）,同步运行问题:由于电力系统使用同步发电机发电，因此系统正常运行的必要条件是系统所有同步发电机的转速要一致，要保持“同步”。当某台电机不同步

3、时，即出现了稳定问题：功角稳定问题。,电力系统暂态稳定性指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定。通常所考虑的大扰动包括发生各种短路故障、切除大容量发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化等。,主要目的是确定系统受到大的干扰后系统中各发电机组是否能继续维持同步运行，分析影响电力系统暂态稳定性的各种因素，并在此基础上提出改善电力系统暂态稳定性的措施。,暂态稳定分析基本方法 一类是时域仿真法，又称逐步积分法SBS法（step-by-step）在列出描述系统暂态过程的微分方程和代数方程组后，应用各种数值积分

4、方法进行求解，然后根据发电机转子间相对角度的变化情况来判断稳定性。另一类是直接法或能量函数法，其中有些方法是对李雅普诺夫直接法进行近似处理后发展而成的实用方法，有的则是将简单系统中的稳定判别方法推广应用于多机电力系统。,电力系统机电暂态过程 系统遭受扰动后，除了在系统中出现电磁暂态过程以外，特别地，由于扰动引起系统结构或参数的变化，使系统潮流和各发电机的输出功率也随之发生变化，从而破坏了原动机和发电机之间的功率平衡，在机组轴上产生不平衡转矩，使它们开始加速或减速。在一般情况下，扰动后各发电机输出功率的变化并不相同，因此它们的转速变化情况各不相同。这样，各发电机转子之间将因转速不等而产生相对运动

5、，结果使转子之间的相对角度发生变化，而相对角度的改变又反过来影响各发电机的输出功率，从而使各个发电机的功率、转速和转子间的相对角度继续发生变化。,与此同时：由于发电机端电压和定子电流的变化，将引起转子绕组电流的变化和励磁调节系统的调节过程；由于机组转速的变化，将引起调速系统的调节过程和原动机功率的变化，而由于电网中各节点电压的变化，将引起负荷吸收功率的变化，等等。它们在不同程度上直接或间接地影响发电机和原动机功率的变化。上述各种变化过程相互联系又相互影响，形成了一个以各发电机转子机械运动和电磁功率随时间变化为主体的机电暂态过程。,扰动后的暂态过程可能有两种不同的结局。一种是各发电机转子间相对角

6、度随时间的变化呈摇摆状态，且振荡幅值逐渐衰减。各机组之间的相对转速最终衰减为零，使系统回到扰动前的稳态运行情况，或者过渡到一个新的稳态运行情况。在此运行情况下，所有发电机仍然保持同步运行。对于这种结局，称电力系统是暂态稳定的。,另一种结局是暂态过程中某些发电机转子之间的相对角度随时间不断增大，它们之间始终存在着相对转速，使这些发电机之间失去同步。对于这种结局，称电力系统是暂态不稳定的，或称电力系统失去暂态稳定。发电机间失去同步后，将在系统中产生功率和电压的强烈振荡，结果使一些发电机和负荷被迫切除。在严重的情况下，甚至导致系统的解列或瓦解。,电力系统的暂态稳定性不但决定于扰动的性质及其发生的地点

7、，而且与扰动前系统的运行情况有关。因此，通常需要针对不同的稳态运行情况以及各种不同的扰动分别进行暂态稳定性分析。然而，如果要求系统在所有可能的运行情况下，遭受各种可能发生的扰动后，都能保持暂态稳定，则不但没有必要而且也不经济。为此，各国对于暂态稳定性的要求都有自己的标准。,中国：电力系统安全稳定导则,为了保证电力系统运行的安全性，在系统规划、设计和运行过程中都需要进行暂态稳定分析与校验。当稳定性不满足规定要求，或者需要进一步提高系统的传输能力时，还需要研究和采取相应的提高稳定措施。另外，在系统发生稳定性破坏事故以后，往往需要进行事故分析，找出破坏稳定的原因，并研究相应的对策。,基本假设(1)忽

8、略发电机定子绕组和电力网中电磁暂态过程的影响，只考虑交流系统中基波分量电压、电流和功率以及发电机转子绕组中非周期性分量的变化。这样，交流电力网中各元件的数学模型将可以简单地用它们的基波等值阻抗电路来描述。(2)在不对称故障或非全相运行期间，略去发电机定子回路基波零、负序分量电压、电流对电磁转矩的影响。只考虑基波正序分量，电力网可以用正序增广网络表示。,(3)此外，根据对计算结果精度的不同要求，以及由于分析方法本身的限制，还将对元件的数学模型采取各种不同程度的简化，有时甚至对一部分发电机或系统中的某些部分进行动态等值简化处理。,一、时域仿真基本原理,将电力系统各元件数学模型根据元件间的拓扑关系形

9、成全系统模型联立的微分方程和代数方程组，以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，并根据发电机转子摇摆曲线来判断系统在大扰动下能否保持同步运行。,实际系统的运行经验表明，在一般情况下失去暂态稳定的过程发展比较迅速，通常根据扰动后1秒左右(即第一个摇摆周期)或几秒钟(开始几个摇摆周期)内发电机转子间相对角度的变化情况，便可以判断系统是否稳定。因此，从20世纪50年代中期开始，大量研究工作主要针对如何计算扰动后这段短时间内系统的机电暂态过程，包括元件所采用的数学模型、网络求解和数值积分方法的研究。到70年代中期，这类数值解法已经相当成熟，并已开发出不少适合于工程应用的计算程序。,微分方程主要包括

10、：,（1）同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程。（2）同步发电机转子运动的摇摆方程。（3）同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程。（4）同步发电机组中原动机及其调速系统动态特性的微分方程。（5）感应电动机和同步电动机负荷动态特性的微分方程。（6）直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程。（7）其他动态装置（如SVC、TCSC等FACTS元件）动态 特性的微分方程。,代数方程主要包括：,（1）电力网络方程，即描述在公共参考坐标系x-y下节点电压与节点注入电流之间的关系。（2）同步发电机定子电压方程（建立在各自的d-q坐标系下）及d-q坐标系与x-y坐标系间联系的坐标变换方程。（3）

11、各直流线路的电压方程。（4）负荷的电压静态特性方程。,时域仿真法是将电力系统中各元件的动态写成一组微分方程式：,这里，,表示各元件的状态变量，如发电机转子角，角速度，发电机暂态和次暂态电 势，励磁系统及励磁调节系统的状态，原动机及调速系统的状态变量，描述负荷暂态过程的状态变量等。,在不考虑电力网络内发生的暂态过程，我们可以用一组代数方程来描述电力网内运行参数（）的关系，即：,上式中的代数方程式可包括网络方程，发电机定子绕组电压平衡方程，用静态特性模拟的负荷方程等。代数变量 可分别表示电力网络的运行参数，如节点电压和各节点的注入电流。,系统元件与网络的相互关系示意图,稳定计算实质 以遭受大扰动时

12、刻（t=0）的运行状态为初始状态，对上述方程组用某种数值方法推算t=0后系统运行状态的变化过程，并随时根据系统故障的演变和操作修改上式的具体内容。,核心问题机网接口的处理微分方程求解的数值稳定性问题微分方程与代数方程交替求解的交接误差问题故障与操作的处理,t,稳定的判据 电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。,1）相对角才是同步的表征2）绝对角不能用来判断稳定与否，所有单调上升或下降，只表示系统的转速高于或低于同步转速，不是表示失步。3）稳定判据：相对角中只要有一个随时间呈单调变化（超过180），

13、instable 所有角经过振荡后都能稳定在某一值，stable,在暂态稳定计算中，对于微分方程和代数方程需特别指出以下几点：（1）微分方程和代数方程的组成及其中的函数关系式在整个暂态过程中可能发生变化。事实上，当系统受到大干扰后，如切除输电设备、发生短路故障、线路自动重合、串联电容的强行补偿等，电力系统的结构和参数由于以上各种操作而发生改变，这时就必须修改Fj 的内容。另外随着研究问题的重点不同。的内容也需作相应的调整。如需详细仿真调速器的动作，而忽略励磁控制作用时，的内容和形式也必须作相应的修正等。,（2）由于忽略网络中的电磁暂态过程，各节点的电压、电流以及发电机和负荷的功率，在网络故障或

14、操作瞬间将发生突变，但状态变量 x 则是连续变化的。为此，在发生故障或操作后，需要根据故障或操作瞬间 x 的取值重新求解网络方程或整个代数方程式。（3）各发电机和负荷只通过网络相互影响，它们之间无直接联系。因此，微分方程式在各个发电机和各个负荷感应电动机之间没有直接耦合关系。,，,二、暂态稳定计算基本流程,显式积分法,隐式积分法,三、微分方程和代数方程的形成和修改,在暂态稳定计算程序中，形成微分方程实际上只是根据发电机、励磁系统、原动机、调速系统和感应电动机负荷等元件所采用的具体数学模型，给出其在典型数学模型中所属类别的信息和具体的参数，当发生操作时，如果涉及到微分方程的修改，则只需按照操作的

15、具体内容，修改相应数学模型所属的类别和参数。,当发生网络故障或操作时，将涉及到代数方程的修改，从而需要修改导纳矩阵，以反映故障或操作。当发生对称故障或操作（如三相短路、三相断开）时，一般处理三相短路的方法是在短路点与地之间追加一个小阻抗的支路，该小阻抗应该在保证计算不发生溢出的条件下取尽可能小的值；而三相断线则可以处理成某些接地支路或不接地支路的参数发生相应的改变，从而可以很容易地修改导纳矩阵中的元素。,电力系统中发生的短路故障和断线情况绝大部分是不对称的，而暂态稳定计算关心的是网络各节点电压和电流的正序分量，一般不要求详细计算负序网络和零序网络中电压、电流的分布情况。因此在简单故障情况下，对

16、于负序网络和零序网络的影响可以用在正序网络追加适当综合等值阻抗的方法来模拟，从而形成正序增广网络。,不对称故障的正序增广网络,为附加阻抗，它反映了负序和零序网络的影响,对应不同故障类型分别取值如下：单相接地短路：,两相短路：,两相接地短路：,单相断线：,两相断线：,其中,、分别为短路点（对应短路故障）或断口（对应断线故障）的正序、负序、零序等值阻抗。,为发生短路故障时的过渡阻抗。,四、发电机网络接口处理,网络模型：,（复矩阵方程）,：节点电流、电压列向量,：节点导纳矩阵，不包括发电机、负荷,发电机节点处理与模型有关。,1。忽略发电机凸极效应,发电机模型：,或,发电机向网络注入的电流：,与该节点

17、相应的网络方程：,上二式合并：,2。计及发电机凸极效应,须分别列写d、q轴向电压方程。例如，采用同步电机四绕组电路模型（d、q、f、Q）时，有：,写成矩阵形式：,dqxy变换,上面电压方程左乘T矩阵，化简：,其中,特点：导纳矩阵,是 的函数。,不具备,的形式，无法将上面方程化为复数方程与网络方程联立求解。,注解：,直接解法：,先将,增阶化为2n阶实数方程：,其中,对发电机节点g：,又有：,带入上式，整理，有：,直接算法：,由本时段末,和,求,修改,发电机节点对角分块矩阵,求解,2n阶网络方程,特点：概念清楚，不需迭代 内存增加一倍,时变，每时步需修改Y矩阵，并进行三角分解，计算量大。,迭代法：

18、,将发电机注入电流改写为：,式中,用复数表示：,其中,显然 可并入节点导纳矩阵,由预估值 给出,是 的函数，需要迭代,特点：计算速度快 对发电机、负荷的非线性适应性好,五、微分方程和代数方程的求解方法,应用数值解法计算电力系统暂态稳定时，需在每一个积分步长内同时求解微分方程和代数方程，这就需要在应用数值解法单纯求微分方程组的基础上加以扩充。由此产生了两种不同的算法，即交替求解法（显式积分法）和联立求解法（隐式积分法）。,（1）交替求解法 当采用显式积分方法（如欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法和预测校正法等）求微分方程数值解时，交替求解法求解电力系统的暂态稳定性的过程较简单。以欧拉法为例，对于时刻

19、t到t+t的积分步长段来说，在t时刻的 和 是已知量，这样，在求t+t时刻的数值解时，可以由以下两步的求解过程来完成。,第一步：对微分方程应用欧拉公式求解,第二步：将,代入代数方程求解,（2）联立求解法 联立求解仅适应于各种隐式积分方程。在t到 的积分步长内，将微分方程按照所采用的数值积分方法化成相应的差分方程，然后与 时刻的代数方程联立求解。,以梯形积分法为例：,对上述联立方程同时求解可得,联立求解的方法通常采用牛顿一拉夫逊法。,六、电力系统微分方程的数值解法,1。概念以一阶微分方程为例，对,设初值,取步长,则tn时刻x的精确值为,实际上，对积分项进行近似计算,不同的数值解法,单步法与多步法

20、单步：可自启动多步：不能自启动，遇到故障/操作，麻烦,显式解法和隐式解法显式：由状态变量的历史信息 预测新息xn+1 如前向Eular法：,求解方便，数值稳定性差,具有 1 阶精度。,隐式：通过求解方程 预测新息xn+1 如 后向Eular法：,梯形法：,求解复杂，数值稳定性好,具有 2 阶精度。,具有 1 阶精度。,高阶与低阶算法,K阶精度的算式具有k+1阶截断误差,阶数高 每时段计算量大 但步长可放大,属显式解法常用4阶RK（龙格库塔）法,高阶Taylar级数法（郭志忠）,采用高阶Taylar级数法进行暂态稳定计算可以在很大程度上减弱由于发电机暂态凸极效应所引起的导纳矩阵时变性对网络解算的

21、不利影响。发电机各时变量的导数可以在结合因子表技术的基础上准确、快速和递推地求取。快速高阶Taylar级数法暂态稳定计算（中国电机工程学报，1991，11（3）：8-16）,利用LU分解技术可以明显地加快Taylor级数法的计算速度。计算表明，14阶Taylor 级数法每一积分步长的计算量相当于4 阶龙格-库塔法。与4 阶龙格-库塔法相比，在相同计算精度要求下综合步长和阶数的选取，Taylor 级数法可提高8 倍左右的计算速度。,例：新英格兰10机39节点系统。7 阶详细发电机模型。Taylor级数法的步长取0.1s。作为比照，将4阶龙格-库塔法步长取0.01 秒的计算结果作为标准。明显地，当

22、阶数大于12时，虽然Taylor 级数法步长是龙格-库塔法的10 倍，但却具有很好的计算精度。,预测校正法单步：改进Eular法,具有 2 阶精度。多步：三点、四点、五点亚当姆斯法,2。误差来源 截断误差：有限次运算引起 舍入误差：机器字长引起 交接误差：微分方程和代数方程交替求解引起 近似误差：模型简化引起 限值误差：控制死区引起一般 h,计算速度,3。数值稳定性对方法而言。若计算过程中前步产生的误差在后续时步的计算过程中是衰减的，则其算法是稳定的。例：对,用前向Eular法时,实际得到的是近似值,误差：,显然，只有,时，e不会增殖，则,时，该算法是数值稳定的,对隐式梯形算法,实际得到的是近

23、似值,误差：,由于：,故对任意h 0，该算法都是稳定的，称为A稳定,4。刚性（stiff）问题 若线性化微分方程的最大特征值与最小特征值的比值T很大，则系统是刚性的，易于发生数值不稳定。与代数方程的病态类似。,解决方法 忽略时间常数很小的环节 采用数值稳定性好的计算方法 限制步长h,四阶RK法的一个结果,梯形法的一个结果,例：,真解：,显然，快变分量衰减很快，但其制约h的选取，对Eular法，h 2/1000,快变分量,Matlab关于微分方程的算法（变步长 non-stiff）,Matlab关于微分方程的算法（变步长 stiff）,Matlab关于微分方程的算法（定步长）,PSASP暂态稳定

24、算法,PSASP 暂态稳定仿真具体的算法为：采用隐式梯形积分的迭代法求解微分方程；采用直接三角分解和迭代相结合的方法求解网络方程；微分方程和网络方程两者交替迭代，直至收敛，以完成一个时段t 的求解。电磁暂态仿真采用带阻尼的隐式梯形积分法，避免开关动作后发生数值振荡；,5。对暂态仿真的要求 满足工程上的精度 数值计算方法可靠 占用内存小 模型适应性强 易于维护和改进,六、时域仿真法研究动态,SBS优点 直观，信息丰富 适应各种模型 是考核其它方法的校验手段,SBS缺点 速度慢，工作量大 不能定量描述稳定裕度 信息利用率低,学术动态：采用用户自定义模型，对各种控制器有良好适应性；发展新的暂稳算法；

25、并行计算；网格计算(Grid Computing)；云计算；计及概率因素的暂稳分析；与直接法、模式识别等相结合,辛几何算法及辛代数动力学算法,辛算法是由我国已故著名学者冯康及其研究小组，针对Runge-Kutta 算法不能保持Hamiltonian 系统的辛几何结构以及具有人为耗散等缺点而提出的。这一算法的提出为Hamiltonian 系统，同时也是为微分方程数值方法的研究提供了一个崭新的领域和广阔的空间。,辛算法较传统的非辛算法具有很多优越性，主要表现为：传统的数值积分即差分方法基于稳定性、收敛性等诸多因素的考虑，不可避免地引入人为的耗散机制等，从而歪曲了原来系统的特征，而辛算法具有能够保持

26、原来系统结构特征的优点，特别是能够长时间稳定地进行数值跟踪模拟，这意味着辛算法可以采用更大的积分步长。汪芳宗，等。电力系统暂态稳定性数值计算的几种新方法及其比较（电力系统保护与控制，2009，37（23）：15-19）,网格计算,互联网发展到今天已经经过了两代的历程。第一代：（7080年代），主要成就是把分布在世界各地的计算机用TCP/IP协议连接起来，在信息服务方面的用途主要是E-mail；第二代：（90年代-），这一代互联网技术的主要应用是web信息浏览以及电子商务等，也就是给当代人们带来巨大影响的internet及WWW技术。现在第二代网络技术已接近成熟，在这种情况下，科学家们提出又一种

27、具有革命性的信息技术“网格”（Grid），网格实际上是继传统因特网、万维网之后的第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的联通，万维网实现了网页的联通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括各种硬件资源、信息资源等。,关于网格的定义的描述有很多，简单地说，网格就是将整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算、存储及其它资源的全面共享。形象地描述网格，可以将它类比为“电力网”，网格是借鉴电力网(electricpower grid)的概念提出的。在传统internet中，人们获取信息是通过输入域名（网址）从而访问相应的服务器来得到的，而不象我们使用电器那样，插上插头就可以源源不断

28、地使用电力了，无需知道或指定电是哪个发电厂供应的，是火电、水电还是核电，电力是怎样传输的以及怎样管理的等。使用网格的最终目的是希望用户在使用网格计算时，就如同使用电力一样方便。,在Internet上，有不可估量的资源，有上千万的网站在提供网络服务，而网格的目的就是提供给最终用户与地理位置、具体的计算机设施无关的透明服务。当用户有一个服务请求时，网格系统会像电力系统那样，通过网格的管理系统，提供给用户相应的服务，用户并不知道服务是由哪里提供的、由谁提供的、怎样提供的对于复杂的服务，也可能是许多的计算机协同工作的结果，就像电能是来自整个电力网，无法分辨使用的是哪个发电厂的电能一样。,网格计算的概念

29、是在20世纪90年代美国的IWAY项目中首先被提出来。IWAY项目通过高速的网络将一些高性能的计算机和高级的虚拟环境连接在一起，为科学研究和项目服务。当时，连接了位于17个地点的超级计算机和10个不同带宽和协议的网络。,网格计算在电力系统中的应用,“数字电力系统”（G1998020301）是国家973项目“我国电力大系统灾变防治和经济运行重大科学问题的研究”的子课题。,我国电力系统面临的新问题大电网的安全稳定性问题 联网效益如何实现的问题 大电网的潮流控制问题 其它问题,解决问题的难点数据广域分布 参数分布式维护 信息种类多样 大系统模型复杂 计算资源广域分布 高可靠性要求,解决问题的关键,信

30、息处理平台,超强的处理分布式数据的能力 超强的计算能力 整合分散资源的能力 高可靠性,网格的研究现状美国、欧盟、日本、印度等已投入巨资 美国 Globus 欧盟 DataGrid-英国 eScience 国内 中科院计算所、清华大学计算机系,网格的体系结构之一沙漏结构,构造层实现对局部的资源的控制 连接层实现相互的通信 资源层实现对单个资源的共享 汇聚层协调多种资源的共享 应用层提供直接面向用户的服务,以协议为中心,网格的体系结构之二OGSA,以服务为中心,高级任务由众多的服务共同完成 服务是分层分级的 服务是动态组织的 网格基本服务由中间件提供,网格的应用领域分布式仪器系统 分布式超级计算

31、远程沉浸 数据密集型计算,中国电力网格的构想,计算能力共享 数据共享 网格上的所有用户可平等享受网格服务 资源管理、网格安全、服务质量由网格负责,网格在电力系统中的应用示例一全网一体化潮流计算 准确的子网模型 准确的子网参数 分布式计算 通过网格交互耦合信息 充分利用了现有的计算资源,网格在电力系统中的应用示例二,上下级调度间联合反事故演习 广域DTS,中国电力网格的建设建设基础硬件设施 构筑网格中间件 开发顶层应用,研究电力网格示范系统的目的探讨实现电力网格的可行性 展示电力网格的基本特点和功能 摸索建设电力网格中可能出现新问题,示范系统的演示功能一体化潮流 示范系统展示的网格功能 分布式计

32、算 动态组织资源 异构性 冗余性 安全性,示范系统的逻辑构成注册服务 协调服务 计算服务 存储服务 门户网站和监控系统,10M/100M以太网,示范系统的物理结构,计算（清华）,协调（教育部）,注册,计算（电科院）,协调（科技部）,计算（哈工大）,存储,门户 网站,计算（上交大）,监视,166.111.60.88,166.111.60.178,166.111.62.19,166.111.62.97,NT 2000,Linux,电力系统需要研究的问题电力网格的体系结构 电力系统基本服务的划分和资源描述方法 任务的分解与资源映射 电力网格中服务的动态组织和协调策略 基于网格的互联电网新模型 基于网

33、格的分布式算法,网格计算是继互联网、Web之后的第三次大浪潮。虽然目前还处于起步阶段，但网格技术和标准最终也会像Internet一样逐步完善和实用化。网格计算强大的分布处理能力具有应用于电力系统计算的潜力。基于网格计算的电力系统分布式计算在不断完善的基础上必将走向实用 为达到这一目标。还需要解决许多基础问题，如高效的数据通信机制、高效的分布式并行算法以及系统的稳定性等等。,网格计算的应用，可望有效解决电力系统实时、复杂的计算问题，对电力系统运行与控制产生巨大的变革，有着十分重大的意义。a应用网格技术对动态分布的海量数据进行整合处理，再利用其超级计算能力进行实时甚至超实时仿真，使电力系统实时性问

34、题可以得到更好的解决。b网格不改变现有的信息系统硬件设施，将现有的硬件、软件资源集成到网格这个统一平台上，各种资源充分协调工作，从而提高资源利用率。,c电力网格与通用网格有许多共同之处，如广域分布性、异构性、动态性、自治性、协同性等，对电力网格的研究必然促进网格计算基础理论进一步发展、完善，还可为网格计算应用于各种复杂大系统提供经验指导。,网格可实现跨地域的资源动态共享与协同工作，可充分有效利用现在资源构建新一代的高性能计算环境和信息服务基础设施。电力系统的广域分布式和分层调度管理等固有特性十分适合应用网格计算。因此，网格计算必然成为解决电力系统计算问题的最有效手段之一，将对电力系统的安全稳定

35、和经济运行产生深远影响。,云计算,云计算是一种商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和信息服务。,马克贝尼夫的原创,Marc Russell Benioff 1964-,1986年美国南加州大学学士1999年开办，任董事长2009年推出云计算平台2003-05年被任命为美国总统信息技术顾问委员会共同主席信息技术领域公认的原始创新领头人，获得多项奖励和荣誉,贝尼夫的原始创新:SaaS 1999年贝尼夫在旧金山一所小公寓创建了S，发明“批量生产”CRM软件的模式：通过在线服务，用户自定制个性化系统，无需购买服务器和整套软件。把软件当

36、作服务，按需租用，开创了软件社会化大生产的新纪元。10年来，全球CRM付费企业用户数已达百万，日交易量过亿次，SaaS供应商激增。贝尼夫进而想成为所有SaaS供应商的基础平台，组建了共享应用资源库AppExchange，相当于一个业务领域的软件在线超市，超市产品由第三方软件开发商提供，并帮助第三方的软件开发、交付应用和运营管理。成为所有SaaS供应商的上游，实现软件集约化和专业化大生产的局面。,云计算是一种基于互联网的大众参与的计算模式，其计算资源（包括计算能力、存储能力、交互能力等）是动态、可伸缩、被虚拟化的，而且以服务的方式提供。,云计算的概念模型,云计算的分类,云计算实现机制,判断是不是

37、云计算的三条标准,云计算的特点,超大规模,虚拟化,高可靠性,通用性,高可扩展性,按需服务,极其廉价,国外云计算发展现状,Amazon研发了弹性计算云EC2（Elastic Computing Cloud）和简单存储服务S3（Simple Storage Service）为企业提供计算和存储服务。诞生两年时间，Amazon上的注册开发人员就多达44万人，其中包括为数众多的企业级用户。,$.10 per server hour,Google搜索引擎建立在分布在30多个站点、超过200万台服务器构成的云计算设施的支撑之上，这些设施的数量正在迅猛增长。Google的一系列成功应用，包括Google地球

38、、地图、Gmail、Docs等也同样使用了这些基础设施。目前，Google已经允许第三方在Google的云计算中通过Google App Engine运行大型并行应用程序。Hadoop模仿了Google的实现机制。,2008年，IBM先后在无锡和北京建立了两个云计算中心；阿里巴巴成立了阿里云公司。还有许多公司腾云驾雾：腾讯、盛大、广达、800APP、世纪互联中国移动研究院已经建立起1000台机器的云计算试验中心；中国电信、中国联通都有相应动作。华为、中兴都转入了云计算研发。2008年11月25日，中国电子学会专门成立了云计算专家委员会。中国电子学会已举办两届中国云计算大会。北京、上海已经出台了

39、云计算发展规划。2009年5月22日，中国电子学会隆重举办首届中国云计算大会，1200多人与会，盛况空前。2009年12月，举办中国首届云计算学术会议。,云计算与网格计算区别,广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT 和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。网格计算即分布式计算。分布式计算是近年提出的一种新的计算方式。所谓分布式计算就是在两个或多个软件互相共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在通过网络连接起来的多台计算机上运行。,分布式计算,云计算,网格计算,云计算发展过程,主要区别：,网格计算的思路是聚合分布资

40、源，支持虚拟组织，提供高层次的服务，例如分布协同科学研究等。而云计算的资源相对集中，主要以数据中心的形式提供底层资源的使用，并不强调虚拟组织（VO）的概念。网格计算用聚合资源来支持挑战性的应用，因为高性能计算的资源不够用，要把分散的资源聚合起来；后来到了2004 年以后，逐渐强调适应普遍的信息化应用，特别在中国，做的网格跟国外不太一样，就是强调支持信息化的应用。但云计算从一开始就支持广泛企业计算、Web 应用，普适性更强。,在对待异构性方面，二者理念上有所不同。网格计算用中间件屏蔽异构系统，力图使用户面向同样的环境，把困难留在中间件，让中间件完成任务。而云计算实际上承认异构，用镜像执行，或者提

41、供服务的机制来解决异构性的问题。当然不同的云计算系统还不太一样，像Google 一般用比较专用的自己的内部的平台来支持。网格计算强调资源共享，任何人都可以做为请求者使用其它节点的资源，任何人都需要贡献一定资源给其他节点。网格计算强调将工作量转移到远程的可用计算资源上。云计算强调专有，任何人都可以获取自己的专有资源，并且这些资源是由少数团体提供的，使用者不需要贡献自己的资源。,网格计算用执行作业形式使用，在一个阶段内完成作用产生数据。而云计算支持持久服务，用户可以利用云计算作为其部分IT 基础设施，实现业务的托管和外包。网格计算更多地面向科研应用，商业模型不清晰。而云计算从诞生开始就是针对企业商

42、业应用，商业模型比较清晰。综上可得，云计算是以相对集中的资源，运行分散的应用（大量分散的应用在若干大的中心执行）；而网格计算则是聚合分散的资源，支持大型集中式应用（一个大的应用分到多处执行）。但从根本上来说，从应对Internet 的应用的特征特点来说，它们是一致的，为了完成在Internet 情况下支持应用，解决异构性、资源共享等等问题。,七、电力系统数字仿真软件介绍,1.EDSA软件 由美国EDSA Micro Corporation公司开发的电力设计系统分析软件包，是一个功能强大的针对电力电气系统进行设计、分析、模拟、控制的综合性工具软件包。EDSA软件已被美国专业工程师委员会协会确认为

43、电气专业软件，它广泛地应用于电力设计部门、电厂及电网管理部门，炼油厂、石油化工厂、油田、核电厂、航空控制中心、空间站等领域中的区域电网设计、分析与运行模拟，可作为电网自动控制系统中的在线或离线分析软件。主要功能有：潮流与最优潮流、ANSIIEEEIEC短路分析、负载对电网的冲击分析、谐波分析、暂态稳定分析、智能焊接设备分析、输电网智能型保护设备配合、功率因数的校正、接地母线的设计、电力系统设备性能分析、电动机参数估计、电缆托架分析、输电线的弧垂及张拉力分析、电网与变电站可靠性分析。,2.NETOMAC软件 NETOMAC(Network Torsion Machine Control)是德国西

44、门子公司(Siemens AG)开发和研制的用于电力系统仿真计算分析和研究的大型软件。是目前国际上集成化程度较高的电力系统分析软件，主要特点是：（1）元件模型全。它可详细模拟电力系统几乎所有的元件，包括避雷器、晶闸管等非线性元件，高压直流输电(HVDC)以及静止无功补偿器(SVC)等FACTS装置；(2)仿真频带宽。它既可模拟10-2Hz的汽轮发电机调节过程，也可以模拟106Hz的雷电波过程，能进行电磁暂态、机电暂态、稳态等各种电力系统过程的仿真计算；(3)功能多且强。它可进行潮流、短路、稳定、动态等值、电动机启动分析、参数辨识、机组轴系扭振、优化潮流等各种计算。此外，NETOMAC的开放性也

45、很好，它不仅提供了丰富的控制器设计功能，还具有较强的用户自定义功能，因而使用起来十分灵活方便。,3.PSCAD/EMTDC电磁暂态分析软件 EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC System)是目前世界上被广泛使用的一种电磁暂态分析软件。为了研究高压直流输电系统，Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局(Manitoba Hydro)开发完成了EMTDC的初版，随后在曼尼托巴大学创建高压直流输电研究中心，多年来在该直流输电研究中心领导下不断完善了EMTDC的元件模型库和功能，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完成电

46、力电子仿真及非线性控制的多功能工具。特别是PSCAD图形界面的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统仿真计算,而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。PSCAD/EMTDC软件包的主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，PSCAD/EMTDC软件包可以广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。,目前普遍采用的电磁暂态分析软件还有EMTP(Electro Magnetic Transient Program)，是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件,分别由美国邦纳维尔电力局（BPA版本）和加拿大哥伦比亚大学（UBC

47、版本）研究，吸收许多国家学者的共同成果发展起来的大型计算程序。1987年以来，EMTP的版本更新工作在多国合作的基础上继续发展,中国电力科学研究院在EMTP的基础上开发了EMTPE。ATP（The Alternative Transients Program）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本,它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广 泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP程序正式诞生于1984年，由Drs.W.Scott Meyer 和Tsu-huei Liu,所组成的世界各地的用户组不断地发展。加拿大哥伦比亚大学的MicroTr

48、an、德国西门子的NETOMAC也有电磁暂态分析功能。,4.MATLAB在电力系统电磁暂态和机电暂态仿真中的应用,MATLAB是美国MathWorks公司推出的一种基于矩阵计算的科学仿真软件，它采用了开放性开发的思想，形成了一系列规模庞大，覆盖面极广的工具箱，包括了控制理论，电力系统，数值计算等大量现代工程技术学科在内。与传统的编程语言相比，它内建了丰富的库函数，具有编程效率高，程序设计灵活，图形功能强等特点。它的电力系统工具箱(Power System Blockset,以下简称PSB)在Simulink环境下运行。所谓Simulink,实际上是指MATLAB内建的一个用来对动态系统进行建模

49、，仿真和分析的软件包，它既支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统。Simulink的出现，为用户提供了用方框图进行建模的模型接口，具有更直观，方便，灵活的特点。,在MATLAB命令行提示符下键入powerlib命令，即可打开Simulink窗口，并且展示PSB中的不同元件库，在powerlib中几乎集成了组成电力系统的所有元件，这使得电路模型能够快速建立起来，而且与之相联系的机械，热力，控制系统及其它设备规律的分析均包含其中。PSB仿真结果的有效性已被加拿大魁北克电站的运行数据，试验数据和仿真数据所证实。,仿真操作过电压等值计算电路,A相过电压,B相过电压,

50、C相过电压,5.机电暂态仿真和长过程动态仿真软件 目前,国内常用的机电暂态仿真程序是中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序(PSASP)，和中国电力科学研究院引进后改进的美国邦纳维尔电力局开发BPA 程序。国际上常用的有美国PTI公司的PSS/E,美国电力科学研究院（EPRI）的ETMSP，ABB公司的SYMPOW程序、德国西门子的NETOMAC也有机电暂态仿真功能。目前国际上主要的长过程动态稳定计算程序主要有:法国电力公司等开发的EUROSTAG程序、美国电力科学研究院的LTSP程序、美国通用电气公司和日本东京电力公司共同开发的EXTAB程序；另外,美国PTI的PSS/E程序、捷克电力