《电力系统仿真》讲义.doc

系统仿真的基本概念 1-1 系统仿真的定义 [系统仿真定义] 建立系统模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应混合模型），并在模型上进行试验。 [系统仿真范例] 水利方面 在葛洲坝和三峡大坝建设前，许多单位都建立起缩小了的长江水道模型和大坝模型，并进行冲水试验，获得流体力学和结构力学等相关参数，为工程设计提供依据。 电力方面 在动模实验室中用电动机-发电机组对实际发电厂进行模拟，并且用电感-电容π形结构模拟输电线路；在高压实验室中用冲击发生器模拟雷电；在计算机上用EMTP软件对电力系统电磁暂态过程进行数值分析，用PSASP软件对电力系统机电动态过程进行数值分析。 国防方面 用巨型计算机按数学特性相同的原则模拟核裂变（聚变）反应过程，这样可以减少真正核试验的次数，甚至不进行核爆炸试验也能发展出先进的核武器。 [系统仿真依据] 最基本的依据是相似定理。 从应用角度分析几种相似等效方法： 几何比例相似。军事指挥员的沙盘演习。 特性比例相似。两个系统运动的物理本质完全不同，但具有相似的微分方程，且参数一一对应，我们称这两个系统的特性比例相似。 注：动模试验也是根据特性比例相似的原则，这个原则可理解为真实系统与模拟系统具有相同的无量纲（标幺值）方程。 感觉相似。主要是视觉、听觉、触觉和运动感觉相似，是人在模拟环境中的仿真，特别是用各类模拟器件对操作人员进行训练的依据。如航天员在宇航中心培训，宇航中心就是一个虚拟太空环境。 逻辑思维方法相似。对获取的信息进行分析、归纳、综合、判断直至操作控制的方法相似。例如机器人。 微分方程的数值解法、离散相似法。如数值方法中的龙格-库塔法、差分法、非线性曲线的分段线性化等。这是数字仿真的基础。 电力系统仿真就是以电力系统为仿真对象的系统仿真。 1-2 系统仿真的作用 人类认识或研究、开发一个系统可以通过理论推演或实物试验的方法进行，但对于一些大的、复杂系统，如一个电网，无法得到其数学模型的解析解，有的子系统甚至无法得到可信的数学模型，而由于多种条件限制，实物试验不可能做或做起来困难很大，这样就只能借助于模型试验（即仿真）来达到认识或研发一个系统的目的。通常在下列情况时一般考虑用模型试验（仿真）而不用实物试验： 系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，因此不可能在真实系统上进行实验； 在真实系统上做试验会破坏系统运行。例如在正常运行的电网中做一个短路故障试验，有可能造成系统剧烈振荡乃至崩溃； 如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试验的一部分，行为往往会和平常不同，因此会影响试验效果，这时最好将人也建立模型。例如一些基于专家系统的软件或装置； 在实际系统上做多次试验时，很难保证每次的操作条件都相同，因而无法对试验结果做出正确判断。例如一个电器产品为什么要通过型式试验和出厂试验，就是为了人为地设置一些确切的操作条件，以获得对未来使用性能的正确判断； 试验时间太长或费用太高或有危险。例如“神州3号、4号”上的模拟人； 系统无法复原。例如，想要知道变电站运行中的变压器绝缘到底能够耐受多高冲击电压，不可能真的对正在运行的变压器施加很高的冲击电压。 有些学者以较为学术化的术语归纳了仿真方法的适用情况： 不存在完整的数学公式，或者还没有一套解答数学模型公式的方法； 虽然可以有解析法方法，但数学过程太复杂，仿真可以提供比较简单的求解方法； 解析解存在而且是可能的，但超出了个人的数学能力，因而应该估计一下，建立仿真模型、检查并且运行模型的费用比起向外求助以获得解析解，何者合算； 希望在一段较短的时间内能观测到过程的全部历史，以及估计某些参数对系统行为的影响； 难于在实际的环境中进行实验观测； 需要对系统或过程进行长期运行的比较，而仿真则可以随意控制时间，使它加快或减慢。 1-3 系统仿真的分类 仿真可以有多种分类方法。 按系统模型的类型，可分为： 连续系统仿真——系统模型以微分方程描述； 间断（事件）系统仿真——系统模型以面向事件、面向进程、面向活动的方式描述； 连续/间断（事件）混合系统仿真； 定性系统仿真——系统模型以模糊理论等描述。 按仿真的实现方法和手段，可分为： 物理仿真； 计算机仿真，又称数学仿真； 实物在回路中的仿真，一般称为半实物仿真； 人在回路中的仿真。 物理仿真要求模型与原型有相同的物理属性，其优点是模型能最真实全面地体现原系统特性，缺点是模型制作复杂、成本高、周期长、灵活性差；计算机仿真的优缺点正好与物理仿真相反。 1-4 计算机仿真的三个要素与三项基本活动 计算机仿真（即数学仿真）采用数学模型，它是用数学语言描述系统行为的特性。 计算机仿真的三个要素是：系统、模型、计算机。 联系它们的