电力系统暂态与动态过程数值分析

本书重点介绍了电力系统中的电磁暂态数值分析方法与工程应用。全书分为两部分。第1部分介绍了目前较为流行的几种电磁暂态仿真软件，包括EMTP-ATP、EMTP-RV、EMTDC/PSCAD和XTAP的发展历程、主要原理和用法。第2部分首先介绍了应用范围更广的两种典型数值电磁仿真方法，即时域有限差分（Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD）法与部分元等效电路（PartialElementEquivalentCircuit，PEEC）法的原理和应用，然后分别针对风电、光伏系统的雷击浪涌暂态过程、暂态过电压和绝缘配合、电压源型FACTS特性、电缆系统中SVC应用以及接地系统进行了电磁暂态数值仿真分析并与在实际应用中的实测结果进行对比，论证了数值分析方法的正确性。本书涵盖面广，内容详实，适合作为相关领域研究人员和现场工程人员的参考书。

译者序
原书前言
第 １ 章 电路理论应用方法和数值电磁分析介绍 １
１. １ 基于电路理论方法的 ＥＭＴＰ １
１. １. １ ＥＭＴＰ 原型概述 １
１. １. ２ 节点分析法 ３
１. １. ３ 等效电阻电路 ４
１. １. ４ 稀疏矩阵 ６
１. １. ５ 频率相关线路模型 ７
１. １. ６ 变压器 ７
１. １. ７ 三相同步电机 ８
１. １. ８ 通用电机 ９
１. １. ９ 开关 １０
１. １. １０ 避雷器和保护间隙 （角形避雷器） １３
１. １. １１ 包含非线性元件 １５
１. １. １２ ＴＡＣＳ １６
１. １. １３ ＭＯＤＥＬＳ （ＥＭＴＰ － ＡＴＰ 中的实现） １７
１. １. １４ ＥＭＴＰ 中制定的电力系统元件 １９
１. １. １５ 基本输入数据 １９
１. ２ 数值电磁分析 ３０
１. ２. １ 引言 ３０
１. ２. ２ 麦克斯韦方程 ３０
１. ２. ３ ＮＥＡ 方法 ３１
１. ２. ４ 时域和频域的矩量法 ３２
１. ２. ５ 时域有限差分法 ３３
１. ３ 结论 ３４
参考文献 ３４
第 ２ 章 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ ３８
２. １ 引言 ３８
２. ２ 性能 ３９
２. ２. １ 概述 ３９
２. ２. ２ 内置电气元件 ４０
２. ２. ３ 嵌入式仿真模块 ＴＡＣＳ 和 ＭＯＤＥＬＳ ４０
２. ２. ４ 辅助模块 ４１
２. ２. ５ 频域分析 ４２
２. ２. ６ 潮流选项———ＦＩＸ ＳＯＵＲＣＥ ４２
２. ２. ７ 典型电力系统研究 ４３
２. ３ 解决方法 ４３
２. ３. １ 开关 ４４
２. ３. ２ 非线性 ４７
２. ３. ３ 传输线 ４８
２. ３. ４ 电机 ５０
２. ４ 控制系统 ５１
２. ４. １ ＴＡＣＳ ５１
２. ４. ２ ＭＯＤＥＬＳ ５３
２. ４. ３ 用户自定义组件 （ｔｙｐｅ － ９４） ５４
２. ５ 图形预处理器 ＡＴＰＤｒａｗ ５５
２. ５. １ 主要功能 ５６
２. ５. ２ 输入对话框 ５８
２. ５. ３ 线路和电缆建模———ＬＣＣ 模块 ５８
２. ５. ４ 变压器建模———ＸＦＭＲ 模块 ５９
２. ５. ５ 电机建模———Ｗｉｎｄｓｙｎ 模块 ６０
２. ５. ６ ＭＯＤＥＬＳ 模块 ６１
２. ６ 其他仿真后处理和仿真预处理程序 ６２
２. ６. １ 查看和创建科学绘图的 ＰｌｏｔＸＹ 程序 ６２
２. ６. ２ ＡＴＰＤｅｓｉｇｎｅｒ———电力网络的设计和仿真 ６２
２. ６. ３ ＡＴＰ Ａｎａｌｙｚｅｒ ６５
２. ７ 算例 ６６
２. ７. １ 雷电研究———线路建模、 闪络和电流波动 ６６
２. ７. ２ 中性点线圈调谐———优化 ７０
２. ７. ３ 电弧建模 ７２
２. ７. ４ 变压器励磁涌流计算 ７４
２. ７. ５ 电力系统工具箱： 继电器 ７９
参考文献 ８５
第 ３ 章 ＥＭＴＰ － ＲＶ 电磁暂态仿真 ８８
３. １ 引言 ８８
３. ２ ＥＭＴＰ 的主要模块 ８８
３. ３ 图形用户界面 ８９
３. ４ 稳态和时域解的 ＥＭＴＰ 网络方程公式 ９１
３. ４. １ ＥＭＴＰ 中使用的修正增广节点分析 ９１
３. ４. ２ 状态空间分析 ９６
３. ５ 控制系统 ９７
３. ６ 多相潮流解和初始化 ９９
３. ６. １ 潮流约束 １０１
３. ６. ２ 潮流方程的初始化 １０２
３. ６. ３ 稳态解的初始化 １０２
３. ７ 实现 １０２
３. ８ ＥＭＴＰ 模型 １０３
３. ９ 外部编程接口 １０４
３. １０ 应用示例 １０４
３. １０. １ 开关暂态研究 １０５
３. １０. ２ ＩＥＥＥ － ３９ 节点基准算例 １０６
３. １０. ３ 风力发电 １０６
３. １０. ４ 地磁扰动 １１０
３. １０. ５ ＨＶＤＣ 输电 １１０
３. １０. ６ 规模非常大的系统 １１２
３. １１ 结论 １１４
参考文献 １１４
第 ４ 章 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ １１７
４. １ 引言 １１７
４. ２ ＥＭＴＤＣ 的功能 １１９
４. ３ 时间步长之间的插值 １２０
４. ４ 用户建模 １２３
４. ５ 其他程序接口 １２３
４. ５. １ 与 ＭＡＴＬＡＢ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的接口 １２３
４. ５. ２ 与 Ｅ － ＴＲＡＮ 转换器的接口 １２３
４. ６ ＰＳＣＡＤ 中的操作 １２６
４. ６. １ ＰＳＣＡＤ 中的基本操作 １２６
４. ６. ２ 混合仿真 １２７
４. ６. ３ 电力系统设备的准确建模 １２８
４. ６. ４ 大型复杂的电力系统模型 １２８
４. ７ ＰＳＣＡＤ 的专业研究 １２９
４. ７. １ 全局增益裕度 １２９
４. ７. ２ 多控制功能优化 １２９
４. ７. ３ 次同步振荡 １２９
４. ７. ４ 次同步控制交互 １３０
４. ７. ５ 谐波频率扫描 １３１
４. ８ ＰＳＣＡＤ 的进一步开发 １３１
４. ８. １ 并行处理 １３１
４. ８. ２ 大型系统研究的通信、 安全和管理 １３２
４. ９ ＰＳＣＡＤ 在电缆暂态方面的应用 １３３
４. ９. １ 仿真设置 １３３
４. ９. ２ 用于电缆常数计算的参数 １３６
４. ９. ３ 电缆模型的改进 １３８
４. ９. ４ ＰＳＣＡＤ 应用于电缆暂态的总结 １４１
４. １０ 结论 １４２
参考文献 １４３
第 ５ 章 ＸＴＡＰ １４５
５. １ 引言 １４５
５. ２ 基于 ２Ｓ － ＤＩＲＫ 方法的数值积分 １４５
５. ２. １ ２Ｓ － ＤＩＲＫ 积分算法 １４６
５. ２. ２ 线性电感和电容公式 １４７
５. ２. ３ 与其他积分方法的分析精度比较 １４８
５. ２. ４ 与其他积分方法的分析稳定性和刚性衰减比较 １４９
５. ２. ５ 与其他积分方法的数值比较 １５１
５. ３ 基于鲁棒高效迭代方案的求解方法 １５８
５. ３. １ 问题描述 １５８
５. ３. ２ 迭代方法 １５９
５. ３. ３ ＸＴＡＰ 中使用的迭代方案 １６３
５. ３. ４ 数值算例 １６３
５. ４ 稳态初始化方法 １７１
５. ５ 面向对象设计的仿真代码 １７２
参考文献 １７３
第 ６ 章 采用时域有限差分法的数值电磁分析 １７７
６. １ 引言 １７７
６. ２ ＦＤＴＤ 法 １７７
６. ２. １ 基础 １７７
６. ２. ２ 优点和缺点 １８０
６. ３ 雷电回击通道和激励的表示 １８０
６. ３. １ 雷电回击通道 １８０
６. ３. ２ 激励 １８２
６. ４ 应用 １８３
６. ４. １ 近距离和远距离的雷电电磁场 １８３
６. ４. ２ 架空输电线路和塔架上的雷电浪涌 １８７
６. ４. ３ 架空配电线路上的雷电浪涌 １９２
６. ４. ４ 变电站的雷电电磁环境 １９５
６. ４. ５ 飞行器的雷电电磁环境 １９５
６. ４. ６ 建筑物的雷电浪涌和电磁环境 １９５
６. ４. ７ 接地电极浪涌 １９５
６. ５ 结论 １９６
参考文献 １９６
第 ７ 章 采用 ＰＥＥＣ 法的数值电磁分析 ２０４
７. １ 混合势积分方程 ２０６
７. ２ 广义 ＰＥＥＣ 模型 ２０７
７. ２. １ 广义 ＰＥＥＣ 法的推导 ２０７
７. ２. ２ ＰＥＥＣ 法的电路解释 ２１２
７. ２. ３ ＰＥＥＣ 元的离散化 ２１３
７. ２. ４ 平面半空间的 ＰＥＥＣ 模型 ２１３
７. ３ ＰＥＥＣ 模型的相关近似 ２１４
７. ３. １ 中心到中心的延迟近似 ２１４
７. ３. ２ 准静态 ＰＥＥＣ 模型 ２１５
７. ３. ３ 微元的计算 ２１６
７. ４ 矩阵公式和解 ２１８
７. ４. １ 频域电路方程和解 ２１９
７. ４. ２ 时域电路方程和解 ２２１
７. ５ ＰＥＥＣ 模型的稳定性 ２２３
７. ５. １ ＋ ＰＥＥＣ 公式 ２２３
７. ５. ２ 并联阻尼电阻 ２２４
７. ６ ＰＥＥＣ 模型的电磁场计算 ２２４
７. ７ 应用示例 ２２６
７. ７. １ 输电杆塔的浪涌特性 ２２６
７. ７. ２ 接地系统的浪涌特性 ２３２
参考文献 ２３４
第 ８ 章 可再生能源系统组件中的雷电浪涌 ２３８
８. １ 风力机中的雷电浪涌 ２３８
８. １. １ 风力机上雷电浪涌传播引起的过电压 ２３８
８. １. ２ 风力机的接地特性 ２４６
８. １. ３ 雷电事故及其调查示例 ２５４
８. ２ 太阳能发电系统 ２６３
８. ２. １ ＭＷ 级太阳能发电系统中的雷电浪涌 ２６４
８. ２. ２ 雷击太阳能发电系统引起的过电压 ２７８
参考文献 ２８５
第 ９ 章 风电场和汇流系统中的浪涌 ２８９
９. １ 引言 ２８９
９. ２ 冬季雷电和逆流浪涌 ２９０
９. ３ 风力机和风电场的接地系统 ２９１
９. ３. １ 风力机的接地系统 ２９１
９. ３. ２ 风电场的接地系统 ２９２
９. ４ 风电场雷电浪涌分析模型 ２９２
９. ４. １ 风电场模型 ２９２
９. ４. ２ 冬季防雷模型 ２９４
９. ４. ３ 浪涌保护装置 （ＳＰＤ） 型号 ２９４
９. ４. ４ ＡＲＥＮＥ 和 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ 之间的比较分析 ２９５
９. ５ 逆流浪涌引发 ＳＰＤ 烧毁事件的原理 ２９６
９. ５. １ 风电场中浪涌传播的分析 ２９６
９. ５. ２ 浪涌波形的详细分析 ２９７
９. ６ 架空地线防止逆流浪涌的影响 ２９８
９. ６. １ 风电场中汇流线的模型 ２９８
９. ６. ２ ＳＰＤ 的波形观察 ３００
９. ６. ３ ＳＰＤ 烧毁的概率评估 ３００
９. ６. ４ 接地系统电位上升的评估 ３０２
９. ７ 结论 ３０３
符号和缩略语 ３０４
致谢 ３０５
参考文献 ３０５
第 １０ 章 保护装置： 故障测距装置和高速开关设备 ３０７
１０. １ 引言 ３０７
１０. ２ 故障测距 ３０７
１０. ２. １ 故障测距算法 ３０７
１０. ２. ２ 使用 ＭＯＤＥＬＳ 描述故障测距模型 ３０８
１０. ２. ３ 故障电弧特性影响的研究 ３１０
１０. ２. ４ 设备测量输入误差的影响研究 ３１３
１０. ３ 高速开关设备 ３１８
１０. ３. １ 建模方法 ３１８
１０. ３. ２ 与测量结果的比较 ３１９
１０. ３. ３ 电压跌落幅值的影响 ３２０
１０. ４ 结论 ３２３
参考文献 ３２３
第 １１ 章 过电压保护和绝缘配合 ３２６
１１. １ 过电压分类 ３２６
１１. １. １ 暂时过电压 ３２６
１１. １. ２ 缓波头过电压 ３２７
１１. １. ３ 快波头过电压 ３２８
１１. １. ４ 极快波头过电压 ３２９
１１. ２ 绝缘配合研究 ３２９
１１. ２. １ 研究流程 ３２９
１１. ２. ２ 过电压类型的确定 ３３０
１１. ２. ３ 确定过电压类型之后的研究步骤 ３３１
１１. ３ 避雷器的选择 ３３２
１１. ３. １ 持续工作电压 ３３３
１１. ３. ２ 额定电压 ３３３
１１. ３. ３ 额定放电电流 ３３３
１１. ３. ４ 防护等级 ３３４
１１. ３. ５ 能量吸收能力 ３３４
１１. ３. ６ 额定短路电流 ３３５
１１. ３. ７ 研究流程 ３３５
１１. ４ 暂态分析示例 ３３６
１１. ４. １ 模型设置 ３３６
１１. ４. ２ 分析结果 ３４２
参考文献 ３４６
第 １２ 章 ＦＡＣＴＳ： 电压源型变换器 ３４８
１２. １ 类别 ３４８
１２. ２ 控制系统和仿真建模 ３４９
１２. ３ ＳＴＡＴＣＯＭ 的应用 ３５１
１２. ３. １ 电压波动 ３５２
１２. ３. ２ 小干扰稳定性 ３５２
１２. ３. ３ 电压稳定性 ３５４
１２. ３. ４ 暂态稳定性 ３５６
１２. ３. ５ 抑制过电压 ３５８
１２. ４ 高次谐波谐振现象 ３５９
１２. ４. １ 高次谐波谐振现象概述 ３５９
１２. ４. ２ 高次谐波谐振现象的原理 ３６５
１２. ４. ３ 现场试验 ３６６
１２. ４. ４ 注意事项和应对方法 ３６７
参考文献 ３６９
第 １３ 章 ＳＶＣ 在电缆系统中的应用 ３７１
１３. １ 孤岛的交流电缆互连 ３７１
１３. ２ 孤岛电压变化的典型示例 ３７２
１３. ３ ＳＶＣ 所需的控制功能 ３７２
１３. ４ ＳＶＣ 的 Ｖ－ Ｉ 特性 ３７３
１３. ５ ＳＶＣ 的自动电压调节器 （ＡＶＲ） ３７４
１３. ６ 暂态分析模型 ３７６
１３. ７ 控制参数设置调查 ３７８
１３. ８ 仿真结果的比较 ３７８
１３. ９ 应用的控制参数 ３８１
１３. １０ 暂态分析验证 ３８２
１３. １１ 运行试验验证 ３８４
１３. １２ 结论 ３８５
参考文献 ３８６
第 １４ 章 接地系统的暂态过程 ３８８
１４. １ 引言： 电力系统的暂态过程和接地系统 ３８８
１４. ２ 接地系统的基本计算 ３８８
１４. ３ 暂态电流的接地电极响应 ３９０
１４. ３. １ 概述 ３９０
１４. ３. ２ 谐波电流对接地电极特性的影响 ３９１
１４. ３. ３ 土壤电阻率和介电常数的频率相关性 ３９４
１４. ３. ４ 脉冲电流的接地电极特性 ３９７
１４. ３. ５ 土壤电离效应 ３９９
１４. ４ 接地电极暂态响应的数值仿真 ４００
１４. ４. １ 基本思路 ４００
１４. ４. ２ 接地电极响应的一般结果 ４０２
１４. ４. ３ 流过雷电电流时电极接地电位上升 ４０４
１４. ４. ４ 首次和后续回击电流的脉冲阻抗和冲击系数 ４０４
１４. ５ 案例： 接地电极对输电线路雷电响应的影响分析 ４０５
参考文献 ４０９

原书前言
数值分析是研究电力系统各种现象的一种标准方法。 在电力系统暂态领域， ２０世纪 ６０ 年代数字计算机的兴起开启了数值仿真之路。 １９７３ 年， Ａ． Ａｍｅｔａｎｉ 作为国际大电网组织工作组 （ＣＩＧＲＥ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ） １３ － ０５ 的成员， 开始调研由大学和工业界开发的各种相关软件的精度和局限。 经过工作组的三年调研， 所有成员一致认为， 由美国内政部 （ 后来的美国能源部） 的邦纳维尔电力管理局 （ ＢＰＡ）Ｈ Ｗ Ｄｏｍｍｅｌ 教授开发的电磁暂态程序 （ＥＭＴＰ） 比当时世界上所有其他软件都优秀。 从那时起， 世界各地的学者、 工程人员和大学生开始应用 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ， 同时许多专家对其进行了深入开发。 １９８０ 年， ＥＭＴＰ 不仅是电力系统暂态分析的标准工具之一， 而且还被用来进行诸如潮流之类的稳态分析以及通用电力电子电路如 ＡＣ ／ＤＣ 变换器的动态行为分析。
１９８４ 年， 合作开发组和美国电力科学研究院 （Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ／Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） 开始重新设计了 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 整体构架， 并在１９８６ 年由 Ｈｙｄｒｏ － Ｑｕéｂｅｃ 完成了 ＥＭＴＰ － ＲＶ （ ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ） 的第 １ 版。 同时， 由于曼尼托巴水电公司投运了 Ｎｅｌｓｏｎ Ｒｉｖｅｒ ＨＶＤＣ 输电系统， 由其 ＨＶＤＣ 研究中心开发了专门用于分析 ＨＶＤＣ 输电系统的全新 ＥＭＴＰ 软件， 称之为 ＥＭＴＤＣ 和ＰＳＣＡＤ。 另外， 自 １９７３ 年以来一直参与 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 研发的 Ｗ． Ｓｃｏｔｔ － Ｍｅｙｅｒ 博士， 利用业余时间个人开发了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ （Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ） 以便于公众应用。
自 ２０ 世纪 ９０ 年代起， 世界范围内广泛 应 用 的 ＥＭＴＰ 仿 真 工 具 有 三 种。ＢＰＡ － ＥＭＴＰ初是针对电力系统稳态及诸如开关、 故障和雷电浪涌等暂态过程分析开发的。 由于智能电网和 ＦＡＣＴＳ 的推广， ＥＭＴＰ 型分析软件需要处理更长的时间周期， 即从毫秒级到秒级甚至分钟级。 为适应这一需求， 上述三种软件不断进行修改和更新， 很多电力公司还专门开发了新的仿真工具。 较为典型就是 ＸＴＡＰ， 由日本电力公司开发。 除此之外， 还出现了被称为实时仿真器的 ＲＴＤＳ 和 ＡＲＥＮＥ。
以上工具软件原理上都采用了电磁波传播模式为横向传播 （Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｏｄｅ， ＴＥＭ） 的电路理论假设。 为了仿真横向和非横向传播模式相关的暂态现象， 例如建筑物 （水平加垂直钢架结构） 内和输电线与附近雷电互感耦合的暂态电磁场等， 数值电磁分析 （ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ＮＥＡ） 就是一种比较有效的方法。 ＮＥＣ 和 ＶＳＴＬ 就是基于 ＮＥＡ 方法较为知名的软件。
在本书的第 １ 部分中， 第 １ 章中介绍了基于电路理论仿真工具和 ＮＥＡ 方法的基本原理。 然后结合部分应用案例， 介绍了各种仿真软件工具的特性、 特长和不足。
仿真软件 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＰ － ＲＶ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ 和 ＸＴＡＰ 分别在第 ２ ～ ５ 章介绍。 第 ６ 章和第 ７ 章则分别阐述数值电磁分析方法中的时域有限差分 （Ｆｉｎｉｔｅ －Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ － Ｄｏｍａｉｎ， ＦＤＴＤ） 法与部分元等效电路 （Ｐａｒｔｉａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔ， ＰＥＥＣ） 法的原理和应用。
在本书第 ２ 部分中， 重点介绍了应用 ＮＥＡ 方法分析研究电力系统中的暂态和动态现象。
第 ８ 章主要阐述应用 ＦＤＴＤ 方法分析可再生能源系统相关的各种元件如风电机组与塔架、 接地以及光伏系统等。
第 ９ 章介绍了风电场和汇流系统。 其系统建模应用了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ、 ＡＲＥＮＥ 和 ＮＥＡ 方法。 后针对逆流浪涌进行了浪涌分析。
第 １０ 章讨论了保护设备的数值分析， 重点是故障测距和高速开关设备的仿真。本章采用的是 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ。
第 １１ 章论述了电力系统过电压和保护方法， 并研究了应用避雷器抑制过电压以及电力系统的绝缘配合。
第 １２ 章描述了 ＦＡＣＴＳ 中的动态现象尤其是 ＳＴＡＴＣＯＭ， 并对电压源型变换器的谐波谐振进行了数值分析。
第 １３ 章阐述了电缆系统中 ＳＶＣ 的应用。 基于有效值分析和仿真讨论了基于ＳＶＣ 的电缆系统电压控制。
第 １４ 章重点了讨论接地系统。 阐述了接地电极的基本概念和暂态响应。 这种响应采用数值电磁模型进行仿真和分析， 并给出了一个接地电极对输电线雷击响应影响的灵敏度分析案例。

Ａｋｉｈｉｒｏ ＡｍｅｔａｎｉＤｏｓｈｉｓｈａ 大学荣誉教授
日本京都