BPA模型转换为PSCAD/EMTDC模型和参数的方法

由于机电暂态仿真主要侧重于系统发生扰动后网络中各元件的机电摇摆过程，电磁暂态仿真主要模拟计算网络在扰动后各元件的电磁振荡过程，前者所模拟仿真不及后者详细，计算步长也要比后者长，所采用的模型也存在一定的区别，特别是发电机模型。机电暂态仿真软件BPA采用二阶至六阶发电机模型，均未计及转子绕组电气量变化对电枢绕组的影响；而电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC由于要详细仿真网络中各元件在扰动后的电磁过程，就不能忽略转子绕组这一变化量的影响。此外，其他的模型，两者也存在不同程度的差异。

图2-5　电力系统生成树形成逻辑图

2.4.3.1　节点（母线）转换

节点（母线）转换是网络中所有模型转换最简单但是最重要的部分：因为节点（母线）结构体语言的简单性，因此在转换中不需要涉及参数大小的转换；节点（母线）位置坐标是其他元件位置坐标确定的基础。同时为了提高模型自动转换的效率，在读取网络中节点（母线）信息时，需要将连接在该节点（母线）下的电源和负荷分别记录到电源向量和负荷向量中。B系列卡片中，第21～25位记录恒定有功负荷、第26～30位记录恒定无功负荷、第31～34位记录在基准电压下节点并联的导纳有功负荷、第35～38位记录在基准电压下节点并联的导纳无功负荷、第43～47位记录节点并联的实际有功出力、第48～57位记录节点并联的无功出力相关数据。在记录中正值表示容性无功功率，负值表示感性无功功率。

读取机电暂态仿真软件BPA潮流文件，按照电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的文件格式要求和各节点（母线）位置坐标，输出节点（母线）的结构体语言，即完成网络中节点（母线）的转换。

2.4.3.2　线路模型转换

机电暂态仿真软件BPA在进行网络仿真计算时，采用的线路模型为集中参数模型，其包括L卡对应的对称参数模型和E卡对应的非对称参数模型两种。由于机电仿真软件BPA主要模拟计算电力系统的机电摇摆过程，仿真步长较长，因此在处理线路特性时，未计及线路的波过程。电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC在进行网络处理时，采用分布参数模型，主要包括Bergeron模型等。由于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC详细模拟网络的电磁变化过程，因此在仿真计算中考虑了线路传输的波过程。两种软件对线路模型的处理不同，导致了转换前后网络计算时，引入模型误差。若电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用阻抗元件替代线路模型，则基本上不会引入由于线路模型不相同而导致的计算误差，但是这对于研究线路的电磁暂态过程是不可取的。

读取机电暂态仿真软件BPA潮流文件中表征对称参数线路模型的L卡参数进行线路正序和负序参数的转换：卡片的第39～44位记录线路的正序电阻值、第45～50位记录线路的正序电抗值、第57～62位记录线路的正序电纳值、第63～66位记录线路的长度。读取机电暂态仿真软件BPA潮流文件中表征不对称参数线路模型的E卡参数进行线路正序和负序参数的转换：卡片的第39～44位记录线路的正序电阻值、第45～50位记录线路的正序电抗值、第57～62位记录线路的A端正序电纳值、第69～74位记录线路的B端正序电纳值。读取机电暂态仿真软件BPA潮流文件中表征线路零序参数的LO卡参数进行线路零序参数的转换：卡片的第36～42位记录线路的零序电阻值、第43～49位记录线路的零序电抗值、第57～62位记录线路的零序电纳值。图2-6为机电暂态仿真软件BPA线路正序、负序参数模型L卡，图2-7为机电暂态仿真软件BPA线路零序参数模型LO卡。

图2-6　线路模型正序、负序L卡（BPA）

图2-7　线路模型零序LO卡（BPA）

电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用的线路Bergeron模型及其参数如图2-8、图2-9所示。其中图2-8中包含线路名称、频率、长度；图2-9包含线路的详细参数：正序（负序）电阻、电抗和电纳以及零序正序（负序）电阻、电抗和电纳。

根据两种软件选取的基准容量的不同，将电阻、电抗以及电纳进行标幺值折算。折算时，由于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下线路模型的标幺值折算基准为线路所填写的基准功率，每条线路的基准功率可能不一致，在折算过程中，需要根据每条线路记录的功率进行折算。

由于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC需要模拟线路的波过程，那么在转换时，需要考虑仿真步长对线路波过程的影响。若线路长度大于仿真步长与光速的乘积时，需要将转换成能模拟波过程的线路模型，因此在转换过程中做如下处理：①若机电暂态仿真软件BPA提供了线路长度且线路的电压等级为110kV及以上时，按照机电暂态仿真软件BPA记录的线路长度转换线路模型；②若机电暂态仿真软件BPA未提供了线路，则按照各电压等级电抗值的经验值折算线路长度，即：

线路各电压等级电抗值的经验值请参考相关文献资料。若机电暂态仿真软件BPA的动态文件中未记录线路相关的零序参数时，可以根据中国电力科学研究院BAP软件使用手册中关于零序阻抗的计算方法进行估算线路的零序阻抗。

图2-8　线路Bergeron模型（PSCAD/EMTDC）

若线路长度小于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的仿真步长与光速的乘积时，将模型转换成电阻、电抗和电容的组合。由于电压等级小于110kV的网络一般为低压配电网络，线路一般都比较短，因此在转换过程时也忽略波过程的影响。

在读取分析机电暂态仿真软件BPA中线路模型各参数的基础上，根据电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的线路模型要求，输出线路在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下的线路结构体语言。

图2-9　线路Bergeron模型参数（PSCAD/EMTDC）

此外，机电暂态仿真软件BPA将网络中的Breaker模型也用L卡来模拟，此时L卡中所记录的电阻、电导都为零，而电抗为一非常小的值。因此在转换过程中，也需要将该种参数的L卡线路模型转换成电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下的相应模型。

2.4.3.3　变压器模型转换

机电暂态仿真软件BPA采用T卡片对变压器进行模拟仿真，每一个T卡对应一台双绕组变压器或者三绕组变压器的某两组绕组，与线路模型一样，T卡也有固定的格式。

读取机电暂态仿真软件BPA潮流文件中表征双绕组变压器模型的T卡参数进行线路正序和负序参数的转换：卡片的第39～44位记录双绕组变压器的正序电阻值、第45～50位记录双绕组变压器的正序电抗值、第51～56位记录双绕组变压器的正序电纳值。读取机电暂态仿真软件BPA动态文件中表征双绕组变压器模型的XO卡进行双绕组变压器连接类别的转换：机电暂态仿真软件BPA动态文件中XO卡的第31位表征双绕组变压器的三角形位于变压器的某一侧，根据该表征三角形接线绕组的特殊标示，可以将相应的变压器转换成星三角或者三角星接线方式。若机电暂态仿真软件BPA动态文件中无待转换双绕组变压器的XO卡时，默认将双绕组变压器转换成星形连接的连接组别。转换中需要根据两种软件选取的基准容量的不同，将各参数进行折算。图210为BPA软件编写的变压器正序、负序参数T卡；图211为变压器模型的零序参数XO卡。

图210　变压器模型正序、负序T卡（BPA）

图211　变压器模型零序XO卡（BPA）

电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用的变压器模型较机电暂态仿真软件BPA所使用的变压器模型要详细，但是两者所采用的参数基本上相同，双绕组和三绕组PSCAD/EMTDC变压器模型及参数如图212所示。但是在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下，变压器所使用的基准功率为变压器模型中所填写的基准功率。在进行转换时，多台变压器的基准功率可能不一致，此时需要将机电暂态仿真软件中系统记录的以基准功率为折算基准的各标幺值参数折算至每台变压器所填写的基准功率下。(www.xing528.com)

图212　变压器模型及参数（PSCAD/EMTDC）

三绕组变压器的转换比双绕组变压器的转换要复杂得多，也是模型自动转换中的一个难点。由于机电暂态仿真软件BPA将三绕组变压器记录为三个双绕组变压器，并且虚拟一个变压器中心点，该中心点的电压为任意数值。但是在电力系统中，升压三绕组变压器低压绕组在中间，高压绕组在外层，中压绕组在里层，Uk（1-2）%较大；降压三绕组变压器，中压绕组在中间，高压绕组在外层，低压绕组在里层，Uk（1-3）%较大；因此排在中间的绕组，其等值电抗较小或具有不大的负值。因此，这就提供了一个辨识三绕组变压器的重要依据。在转换中，如果某一T卡中电抗值较小或具有不大的负值，就将该T卡记录的双绕组变压器疑似为三绕组变压器的某一侧，并分别分析与该T卡记录的两节点（母线）的联接支路，若为T卡支路，则可以辨识为三绕组变压器。但是也有可能由于记录时存在的错误，误将电抗值填写错误，那么转换软件将提示用户该类信息，并在用户的确认下继续或退出转换。辨识出三绕组变压器的各个绕组后，根据基准功率对各参数进行折算。

根据读入的机电暂态仿真软件BPA记录的变压器模型，按照电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下变压器模型结构体语言的要求，输出变压器模型。

2.4.3.4　负荷模型转换

机电暂态仿真软件BPA将负荷模型分为静态负荷模型和动态负荷模型，即ZIP感应电机模型。在进行潮流计算时，机电暂态仿真软件BPA按照集中分布的原则将负荷记录在节点（母线）B系列卡片中，称为节点（母线）的总负荷大小。潮流计算并不需要提供负荷的具体的成分以及大小，因此机电暂态仿真软件BPA的潮流文件中负荷采用恒定功率模型。将记录网络负荷大小的二维向量中的负荷，按照电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC负荷模型的结构体语言要求，输出恒定功率模型。在转换时，同样需要进行折算。

对于潮流计算来说，恒定负荷模型可以满足要求。但是电力系统中的负荷不仅仅包括恒定功率，恒定电流负荷、恒定阻抗负荷以及各种感应电机等都被广泛的应用。因此在进行系统的动态过程模拟仿真计算时，必须兼顾所有的负荷对电力网络的影响。在机电暂态仿真软件BPA动态文件中，将负荷模型做出详细的分类：LA、LB卡表征代数模型即恒定功率负荷模型、恒定电流负荷模型、恒定阻抗负荷模型；LE卡标志的考虑配电网支路的综合负荷模型；MI、ML、MJ、MK卡表示的感应电机模型。

静态负荷的转换比较简单，根据机电暂态仿真软件BPA动态文件中的LA、LB卡进行相应参数之间的转换，将静态负荷转换成电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC能够识别的负荷结构体语句。LA、LB的第28～32位记录恒定阻抗有功功率负荷比例，第33～37位记录恒定阻抗无功功率负荷比例，第38～42位记录恒定电流有功功率负荷比例，第43～47位记录恒定电流无功功率负荷比例，第48～52位记录恒定功率有功功率负荷比例，第53～57位记录恒定功率无功功率负荷比例，第58～62位记录与频率有关的有功负荷比例（A型）、第63～67位记录与频率有关的无功负荷比例（A型），第68～72位记录频率变化1%引起的有功变化百分数，第73～77列记录频率变化1%引起的无功变化百分数。LE卡的第19～23位记录配电网支路电阻RD（相对配电网支路初始负荷容量的标么值），第24～28位记录配电网支路电抗XD（相对配电网支路初始负荷容量的标么值），第32～34位记录本支路有功功率占该节点总负荷有功功率的比例，第35～37位记录本支路无功功率占该节点总负荷无功功率的比例，第38～42位记录与本支路相连的所有发电机的有功总出力，第43～47位记录与本支路相连的所有发电机的无功总出力，第48～52位记录配电网支路静态负荷的功率因数。转换时，将电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中负荷结构体语言中负荷功率随电压频率变化系数做相应修改：恒定阻抗负荷，其变化为平方关系；恒定电流负荷，变化为线性关系；恒定功率负荷，不随电压频率的变化而发生变化。

动态负荷模型，即系统中的等效感应电机模型的转换相对较复杂。读取机电暂态仿真软件BPA中的MI、ML、MJ和MK卡片，将感应电机模型包括其各项参数转换成电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下与之相符的感应电机结构体语言。以上感应电机卡片中的第17～22位记录惯性时间常数（以本机为基值），第23～25位记录马达功率占母线功率的百分比，第26～29位记录负载率，第30～32位记录马达的最低负荷功率值，第33～37位记录定子电阻（标么值），第38～42位记录定子电抗（标么值），第43～47位记录激磁电抗（标么值），第48～52位记录转子电阻（标么值），第53～57位记录转子电抗（标么值），第58～60位记录马达低压释放的电压值，第61～64位记录马达低压释放时延（s），第65～69位记录转矩方程常数，第70～74位记录转矩方程常数。因为两种软件采用的感应电机模型不同，机电暂态仿真软件BPA采用单绕组模型，而电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用双绕组模型的鼠笼式电动机模型，因此在转换中需要将鼠笼式电动机模型的第二绕组处理成开路，才能满足转换前后感应电机模型的一致性。图213为机电暂态仿真软件BPA记录静态负荷模型LB卡片，图214为机电暂态仿真软件BPA记录的感应电机（马达）负荷模型MI卡片，图215为电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下负荷详细模型。

图213　静态负荷模型（BPA）

图214　感应电机负荷模型（BPA）

图215　负荷详细模型（PSCAD/EMTDC）

2.4.3.5　励磁模型转换

机电暂态仿真软件BPA模拟仿真了种类繁多的励磁模型，大致可以分为两类：1968年IEEE励磁系统卡（E系列卡）以及1981年IEEE励磁系统（F系列卡）。E系列励磁模型包括连续、旋转直流励磁系统（EA型）在内的9种励磁模型，F系列包含了12种模型；而电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC则未提供如此多种类的励磁模型。因此在实现励磁模型自动转换的时候，需要将电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC未提供的励磁模型做一些处理。根据模型传递函数之间的特点，可以实现模型各参数之间的转换。

机电暂态仿真软件BPA提供的连续、旋转直流励磁系统（EA型）励磁模型的传递函数如图216所示，其中：滤波器时间常数为TR；调压器增益KA，大型发电机组的KA较大一些；调压器放大器时间常数为TA；调压器放大器时间常数为TA1；与励磁方式有关的常数为K；励磁机时间常数为TE；75%最大励磁电压时励磁机饱和系数为SE.75 MAX；最大励磁电压时励磁机饱和系数为SEMAX。电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC提供的IEEE直流励磁模型DC1A的传递函数如图217所示，其中：TA、TB、TC为电压调节时间常数；TE为励磁时间常数；TF为励磁控制系统稳定器时间常数；KE自励磁放大倍数；KF为励磁控制系统稳定器放大倍数。这两种励磁模型，虽然在传递函数上不完全相同，但是可以通过一定的处理实现两种励磁模型传递函数的一致性：VUEL置零，VT经过滤波后的数值置为VC，，消去HV GATE的作用。经过处理后的两种励磁模型，其传递特性能满足模型自动转换的要求。若对于一些难于通过修改参数而实现自动转换的模型，可以采用电磁暂态仿真软件的可编辑功能实现模型的转换，在此不再赘述。

图216　连续、旋转直流励磁系统（EA型）励磁模型的传递函数（BPA）

图217　IEEE直流励磁模型DC1A（PSCAD/EMTDC）

采用同样的处理方式，可以实现其他励磁模型的转换。待确定转换模型的种类以后，读取机电暂态仿真软件BPA动态文件中的各励磁模型参数。如连续、旋转直流励磁系统模型EA卡的第17～20位记录调压器输入的滤波器时间常数TR；第21～25位记录调压器增益KA；第26～29位记录调压器放大器时间常数TA；第30～33位记录调压器放大器时间常数TA1；第38～41位记录与自励有关的励磁常数KE；第42～45位记录励磁机时间常数TE；第46～49位记录75%励磁电压时励磁机的饱和系数，用SE.75MAX来表示；第50～53位记录100%时最大励磁电压的励磁机饱和系数，用SEMAX表示；第54～58位记录最小励磁电压E FDMIN；第59～62位记录最大励磁电压E FDMAX；第63～66位记录调压器稳定回路的增益值KF；第67～70位记录调压器稳定回路的时间常数，用TF表示。根据电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC励磁模型结构体语言的要求，输出励磁模型结构体语言。

2.4.3.6　原动机调速器模型转换

原动机及调速器模型的转换方法与励磁模型大体一致，根据两种仿真软件提供模型的传递函数进行模型之间转换的依据。由于两种软件之间原动机及调速器模型之间存在较大的差异，在转换过程中利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的编辑功能，按照机电暂态仿真软件BPA提供的传递函数，搭建具有相同响应特性的原动机及调速器模型。

图218为机电暂态仿真软件BPA提供的水轮机和汽轮机通用GG模型，GG卡的第17～22位记录原动机最大输出功率P MAX；第23～27位记录调差系数R，第28～32位记录控制时间T1；第33～37位记录水轮机恢复时间T2，汽轮机为零；第38～42位记录伺服机时间常数T3；第43～47位记录T4，表示汽轮机的阀时间常数，水轮机阀时间常数为零；第48～52位记录0.5倍水轮机的水锤效应时间常数，也可以表示汽轮机再热器的时间常数T5。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下搭建与图218具有同样响应特性的模型，如图219所示。根据电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC原动机及调速器模型结构体语言的要求，输出原动机及调速器模型结构体语言。

图218　水轮机和汽轮机通用GG模型（BPA）

图219　具有相同响应特性的水轮机和汽轮机模型（PSCAD/EMTDC）

2.4.3.7　发电机模型转换

两种软件侧重的仿真不同，采用的模型也就相差很多。机电暂态仿真软件BPA一般采用典型机电暂态过程的发电机模型，如二阶、四阶和六阶模型等，该模型均未计及定子绕组磁链衰减的过程。电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用较详细的发电机模型来模拟扰动过程中发电机详细的电磁变化过程，一般为八阶详细模型，考虑了定子绕组磁链衰减的过程。但是在结构及参数上，机电暂态仿真软件BPA采用的六阶模型与电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC采用的八阶模型基本一致，只是PSCAD/EMTDC采用的发电机模型考虑了定子绕组磁链衰减的过程。转换时，BPA发电机六阶模型可以直接转换成PSCAD/EMTDC中的发电机模型。当BPA采用不计阻尼绕组的发电机四阶模型时，PSCAD/EMTDC应采用不计次暂态过程的发电机模型与之对应。当BPA采用经典的二阶模型模拟发电机特性时，转换中PSCAD/EMTDC仍采用等值电路模型。在四阶模型的基础上，进一步忽略转子磁链变化的过程，使得发电机模型退化为二阶模型。通过处理后的发电机模型，基本上能满足工程上的应用。

由于两者模型上存在一定的差异，因此会带入转换前后的误差，而这恰恰是电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC能够较详细的模拟电力系统电磁暂态过程的原因之一。图220为电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下的某发电机详细模型。根据电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTD发电机模型结构体语言的要求，输出发电机模型结构体语言。