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电力系统仿真软件DIgSILENT介绍


第 32 卷   12 期 第 2004 年 12 月

华东电力 East China Electric Power

Vol. 32   12 No. Dec.   2004

电力系统仿真软件 DIgSIL ENT 介绍
吕   ,韩祯祥 涛
( 浙江大学 电气工程学院 ,浙江   杭州   3

10027)

摘   : 介绍了德国 DIgSILENT 公司的大型集成化电力系统仿真软件的主要功能 、 要 特点和应用 。提供了电力 系统各个方面的分析功能 。高度图形化的操作模式和全新的数据管理理念使它区别于众多的电力系统分析 软件 ,具有独特的优点 。 关键词 : 电力系统 ; 仿真软件 ;DIgSILENT 中图分类号 :TP391. 9    文献标识码 :B    文章编号 :100129529 (2004) 1220037205
Key words :power system ; simulation software ; DIgSILENT

Introduction of power system simulation soft w are DIgSIL ENT
LU Tao , HAN Zhen2xiang ¨

( School of Electrical Engineering , Zhejiang Univ. , Hangzhou 310027 , China)

Abstract :The major functions , features and application of the large integrated power system simulation software designed by

DIgSILENT Company of Germany were introduced. The software has analytical functions for every aspects of power system ment concept. and is distinctive from other power system analysis software for its high degree graphic operation mode and new data manage 2

   电力系统仿真软件 DIgSILENT 的名称来源于 数字仿真和电网计算程序 ( DIgital SImuLation and Electrical NeTwok) , 最早的开发始于 1976 年 。自 1993 年开始 ,DIgSILENT 开始全面引入面向对象 编程技术和数据库概念 , 并对算法和元件模型进 行了较大改进 , 形成了代表性的 10. 31 版本 。该 版本允许用户在单一的数据库中创建详尽的电力 系统元件模型 ( 包括稳态 、 时域 、 频域等计算用的 一系列参数) ,不需再像一些电力系统分析软件那 样采用不同的软件包进行相应类型的电力系统仿 真计算 ( 例如输电 、 、 配电 发电或工业应用) 。现在 最新的 DIgSILENT 13. 0 是在 10. 31 版本基础上的 进一步发展 , 成为 DIgSILENT 电力系统仿真程序 新一代的代表 。

1  主要功能

1. 1   AC/ DC 潮流计算

DIgSILENT 可以描述复杂的单相和三相 AC

系统及各种交直流混合系统 。利用 DIgSILENT 进 行潮流计算时 , 通过指定发电机 、 异步电动机 、 负 荷等系统元件的特性来确定与之相连的母线在潮 流计算中相应的属性 , 这样就能够以简单的操作

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方式模拟复杂而真实的系统 。例如 , 在某一母线 上同时存在恒定 PQ 负荷 、 异步电动机负荷以及 与电压相关的负荷时 , 可以通过分别指定这 3 个 元件的特性来确定该母线的综合负荷特性 , 但这 一母线已不再是传统意义上的 PQ 节点了 。当 然 ,传统的指定 SL / PV/ PQ 节点 ( 母线) 的方法也 可以通过建立相应的元件并指定其特性来实现 。 此外 ,程序还提供了多种远程控制模式 ,例如多个 发电机共同控制系统频率或母线电压等 。DIgSI2 LENT 以更加接近实际情况的方式执行网络的控 制模式 ,使操作和计算均得到简化 。 潮流求解过程提供了 3 种方法以供选择 : 经 典的牛顿 — 拉夫逊算法 、 牛顿 — 拉夫逊电流迭代 法和线性方程法 ( 直接将所有模型作线性化处 理) 。迭代次数和允许误差可以根据计算需要具 体指定 ,默认值分别为 25 次和所有母线功率误差 均小于 1 kVA 。程序也采用了优化的稀疏矩阵存 储技术 。 当潮流计算遇到不收敛的情况时 , 程序会自 动将非线性的元件模型逐步线性化 ( 主要是将所 有负荷逐步转变为恒定阻抗 , 将非平衡节点发电 机转变为带内阻抗的简单电压源) ,进而得出计算

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结果 ,该结果可用于对系统不收敛的原因作进一 步分析 。 潮流计算的同时 ,DIgSILENT 还可以进行过 负荷校验计算等功能 。 分析结果的输出采用了基于表达式的输出技 术 ,用户可以根据其具体需要指定 。这一技术也 被应用于其他计算结果的输出功能中 。 此外 ,最新版本的 DIgSILENT 还提供了最优 潮流计算 ( OPF) 功能 , 作为对基本潮流计算的有 益补充 。最优潮流计算主要采用内点法 , 并提供 了多种约束条件和控制手段 , 其考虑的目标函数 主要有最小网损 、 最小燃料费用 、 最大利润及最小 区域交换潮流 。 1. 2   故障分析 DIgSILENT 故 障 分 析 功 能 既 可 以 分 别 根 据 IEC 909 、 IEEE std141/ ANSI e37. 5 以 及 德 国 的
VDE102/ 103 标准进行 , 也可以根据 DIgSILENT 自 身所提供的综合故障分析 ( General Fault Analysis - GFA) 方法进行 。DIgSILENT 故障分析功能支持 几乎所有的故障类型 ( 包括复故障分析) 。

可以仿真各种类型的故障 。仿真过程中的任何变 量 ( 包括 DSL 所提供的) 都可以被观察 , 并可将其 通过虚拟表计功能 (Virtual Instrument - VI ,详见 3. 4) 绘制成曲线图 。此曲线图可以被保留 , 以便于 与其他仿真过程进行比较 。 此外 ,程序还支持用户在任意时刻中断仿真 过程 ( 可以用手动方式 、 提前制定中断安排或根据 条件自动执行) 。当仿真过程被中断后 ,绝大多数 的 DIgSILENT 命令 ( 例如 , 显示或打印潮流结果 、 检验母线电压 、 计算特征值和分析控制器状态等) 都可以被正常执行 。 ( 1) 短期 、 中期和长期暂态仿真 短期暂态仿真主要用于分析次同步共振 、 铁 磁共振等多种电磁暂态过程 。此时 , 网络元件必 须采用其电磁暂态模型来描述 。 中期暂态仿真主要是指利用 RMS 仿真解决 典型的系统稳定性问题 。此时 , 网络元件的表示 方法是可选的 : 只用正序网络 ( 仿真研究的典型描 述方式) 或 a - b - c 三相描述方式 。 在某些情况下系统要进行长期稳定性分析 , 此时 ,锅炉控制系统 、 区域交换控制系统等慢速控 制系统就要被考虑进来 。在这种情况下 , 短期和 中期暂态仿真已经达到稳定状态 , 但长期暂态仿 真仍要继续进行 。长期暂态分析中元件模型与中 期暂态分析相同 , 只是在计算过程中系统矩阵保 持不变 ,从而只需按照计算精度要求自动调整步 长 ( 从几 ms 到几 min) 以适应分析需要 。 ( 2) 模态分析和参数辨识
DIgSILENT 提供了模态分析功能 , 可以计算

故障分析的结果既可以采用相分量也可以采 用序分量来表示各点的电压和电流 , 以及从故障 点看进去的戴维宁阻抗等 。元件过载或母线电压 越限等情况将在图形显示中以特殊的颜色标示出 来。 为了满足保护配合和预想事故分析的需要 ,
GFA 方法没有进行其他方法中传统的简化和假

设 ,而是对所有网络元件均采用完整的三相描述 且计及其初始状态 , 以计算出更接近实际情况的 满足精度要求的短路电流 。 1. 3   动态仿真
DIgSILENT 提 供 了 一 个 基 本 的 动 态 仿 真 内 核 ,这个内核与元件模型库 ( 详见 2. 1 ) 和仿真语

出在某初始条件下的系统特征值及各发电机在不 同振荡模式中的参与因子 , 以便进一步研究系统 的稳定性 。此外 ,DIgSILENT 还提供了参数辨识 功能 ,作为对时域仿真的另一种补充 。 1. 4   保护功能 DIgSILENT 的 元 件 模 型 库 提 供 了 电 流 互 感 器、 电压互感器 、 各种类型继电器 、 熔断器等丰富 的模型 。不同的保护配合可以通过图形操作模式 或编 程 语 言 ( DIgSILENT Programming Language DPL ,详见 2. 4 ) 来实现 。分析结果既可以通过 Ⅵ 输出 ,也可以形成详细的文本报告 。 DIgSILENT 所提供的保护功能主要是用于形 成继电器整定报告 、 继电器动作报告以及基于保 护装置 Ⅵ 图形的分析报告 、 变电站保护装置图等 。

言 (DIgSILENT Simulation Language - DSL ,详见2. 4) 一起构成了进行暂态分析的强有力的工具 , 既可 以进行短期 ( 电磁) 暂态仿真 ,也可以进行中期 ( 机 电) 暂态仿真和长期暂态仿真 。动态仿真中除了 包含基本暂态分析功能外 , 还提供了两种附加功 能 : 模态分析和参数辨识 。 软件提供的 DSL 功能 , 使用户可以自定义模 型 : 任何类型的静态/ 动态的多输入/ 多输出模型 , 例如电压控制器 、 等 。通过调用预定义的故 PSS 障类型或直接对系统进行操作 ,DIgSILENT 几乎

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1. 5   谐波分析 DIgSILENT 的谐波分析可以模拟各种谐波电

流源和电压源 , 并提供了计及集肤效应和内在自 感的与频率相关的元件模型 。在综合考虑网络中 所有元件后 ,计算出三相谐波电压和电流的分布 ( 非平衡谐波潮流) ,确定和分析谐波失真系数 ,并 以合适的步长绘制网络频率响应图 。 谐波分析功能还可以根据需要计算出某母线 的谐波自阻抗和互阻抗 ,且绘制出阻抗的 Bode 图 和 Nyquist 图 ,以方便用户了解阻抗的频率特性 , 进而找出滤波系统的最佳配置位置 。
1. 6   可靠性计算 DIgSILENT 提供的可靠性计算将系统充裕性

此外 ,该模型库还提供了丰富的控制器模型 ,包括 多种类型的发电机电压控制器 、 、 PSS 原动机控制 器、 静止无功补偿系统控制器等 。用户也可以根 据需要自行编写元件类型 。 采用这种方法的好处是显而易见的 。首先 , 不必再进行标么值换算 ( 虽然在工程手册的帮助 下 ,这种换算并不难实现 ) , 而可以直接采用一些 直观几何数据 、 铭牌数据等 ; 其次 ,对于软件来讲 , 这也大大减少了数据的重复储存 , 对提高计算速 度也有一定的帮助 。 2. 2   更贴近实际的母线模型
DIgSILENT 提供的母线类型中 , 除了所熟知

和安全性进行了综合考虑 ,主要包括三个方面 : 预 想事故分析 、 发电可靠性估计和网络可靠性估计 。 在开始进行可靠性计算之前 , 首先要专门定 义系统的随机行为 。这些随机模型包括 : 系统元 件可能处的不同状态 ( 可用 、 维护 、 修理等 ) 、 各状 态的持续时间 、 每年该元件改变运行状态的次数 等 。所有的可靠性评估都是基于 Weibull2Markov 随机模型进行的 。
DIgSILENT 提供了最优经济调度功能 。分析

DIgSILENT 可以根据网络的拓扑结构自动为每一 母线添加线路断路器和隔离开关 ( 当然这一过程

1. 7   经济调度

2. 3   电力电子技术的应用

过程中 ,软件充分考虑到了网络控制和备用 、 可靠 性等级 、 电力交换限制等多种约束条件 ,从而得到 经济调度 、 启停机计划的最优解 。

2  丰富而实用的元件模型

2. 1   有名值和元件模型库的采用

DIgSILENT 采用有名值进行计算 。电网元件

从类型数据和个体数据两个层面严格定义 。类型

的电力电子元件提供了丰富 、 开放且定期更新的 模型库 。所有的装置都可以通过 DSL 功能来进 行控制 。 2. 4   DSL 和 DPL 尽管 DIgSILENT 已提供了很丰富的模型库和 内建计算功能 , 但有些情况下这些模型或功能仍 不能满足用户的需要 。为此 , 程序提供了面向连 续过程的仿真语言 DSL 和面向程序化过程的编 程语言 DPL 以方便用户建立自定义的元件模型 或计算功能 ,从而能更为精确和全面地模拟整个

数据包含了该类型元件用于各个计算功能的基本 信息 , 例如某一架空线路的类型为 OHL 110 kV , 该架空线为潮流计算提供的基本信息为 x 1 = 0. 3 Ω/ km ,为短路计算提供的基本信息为 x2 = x 1 , x 0 = 0. 4 Ω/ km 。对某一类型数据的改变将影响到 所有采用该类型属性的元件 。个体数据则是每个 元件在分析计算中仅与该元件本身相关的数据 , 例如某一架空线路的长为 l = 10 km 。 DIgSILENT 元件模型库中提供了丰富的元件 类型以供选择 , 包括多种类型的输电线路 ( 含电 缆) 、 双绕组/ 三绕组变压器 、 同步/ 异步电机 、 负

3  特点

荷、 直流电机 、 静止无功补偿器 、 / 电流源等 。 电压

3. 1   数据的管理

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的根据不同的电压等级来划分外 , 还提供了实际 中常用的诸如双母线 、 双母带旁路母线 、 ? 母线 1? 等类型 ,而不是像常用软件中简单的以节点来替 代 。此外 ,为了对母线的结构有一个准确的描述 , 也可进行手动调整) 。这使得母线模型 ( 特别是在 配电网中) 更符合实际的物理元件 ,且避免了算例 定义复杂化 。

在 DIgSILENT 中执行潮流计算 、 故障分析 、 谐 波分析 、 动态仿真等功能时 ,可以引入多种电力电 子元件 , 包括 FACTS 装置 ( 如 SVS 、 TCSC 和 UP2 FC) 、 直流整流和逆变器等 。DIgSILENT 为所使用

系统 。这 与 其 他 电 力 系 统 仿 真 软 件 中 的 FOR2 TRAN 语言 ( 例如 PSS/ E) 或面向模块的仿真语言 ( 例如 NETOMAC) 所提供的功能相类似 ,但比它们 要更加全面 。

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减少数据冗余是 DIgSILENT 进行数据管理的 基本要求 。 ( 1) 数据库和数据管理器 DIgSILENT 的数据存储完全采用了数据库概 念 。这样 ,用户就不再像使用常用软件一样 ,需要 编辑 、 组织和维护众多不同类型的文件以及其中 所包含的数据 。DIgSILENT 采用一个有效的数据 管理器 ,将用户和内建数据库连接起来 。 DIgSILENT 使用一种分级的面向对象的数据 库 。该数据库以项目 ( Project ) 为基本单位对数据 进行存储 ,每个项目中可以包含多个算例 ( Case ) 。 在每个算例之中 , 存储有该算例所涉及的电网元 件信息 、 图形信息以及相应的计算设置等 。 多数电力系统分析软件往往仅把系统元件信 息作为数据库存储对象 , 而 DIgSILENT 的数据库 却包含了更多信息 ,其优点是显而易见的 。例如 , 将某一项目进行短路计算后存储 , 其中的短路计 算算例以及该算例中多个不同的短路计算设置 (比如对于不同的短路位置 ) 也就存储在数据库 中 ,从而可以在需要时被重新调用 。比较这种工 作方式和传统软件中反复输入短路位置的方式 , 可以清楚地体现出 DIgSILENT 数据库的优越性 。 除了拥有供个人使用的数据库外 ,DIgSILENT 还提供了多用户数据库服务 。这样 , 同一项目组 的成员就可以通过各自的帐号访问同一个数据 库 ,既保证数据安全 ,又方便操作 。 ( 2) 系统方案管理系统 一般说来 ,DIgSILENT 都是围绕着项目来组 织和存储数据的 。但有些情况下 ( 特别是对于规 划设计等需要进行多方案比较时) ,用户需要在基 本算例的基础上对某个或某些数据做相应的改 动 , 以形成不同的备选方案以便作进一步分析 。 系统方案管理系统提供了解决办法 , 它仅对发生 变化的数据进行存储 ,从而既保证了方案多样性 , 又避免了数据的重复储存 。 3. 2   基于 Windows 标准的操作模式和图模一体 化的处理方式 DIgSILENT 被设计成一个统一的高度集成化 的软件 。这样 ,在程序执行的过程中 ,就避免了传 统软件所面临的模型重复加载以及不同类型应用 程序之间计算结果的更新传递等诸多问题 。
DIgSILENT 提供了基于 Windwos 操作标准的

成的 ,需要强调的是 ,不同类型的工作窗口可被同 时显示和操作 , 以方便用户在各窗口间切换和对 照。 用户既可以直接在图形窗口中完成电网绘制 及其数据输入和修改 , 也可以通过数据管理器在 数据库中完成电网数据输入和修改 。DIgSILENT 将自动对算例定义及其图形表示进行比较和更 新 ,以保证二者的一致性 , 做到图模一体化 。当 然 ,根据用户的实际需要 ,可以不进行图形描述或 只进行部分描述 。 对于高级用户 ,DIgSILENT 也提供了传统的 命令行操作模式或 ASCII 文件操作模式 。 3. 3   多种参数描述方式 为更加真实地模拟实际电网状况 ,DIgSILENT 中大多数的元件参数除了采用传统的数字描述 , 还可以采用一维向量或二维矩阵描述 。采用向量 或矩阵描述时 , 每维变量都要基于软件所提供的 四种基本坐标之一 : 连续坐标 、 离散坐标 、 基于时 间的连续坐标或基于频率的离散坐标 。例如 , 可 以通过基于离散坐标的向量描述方式输入某负荷 一天内每小时的功率变化情况 。
3. 4   虚拟表计技术的广泛应用 DIgSILENT 广泛应用了 Ⅵ 的观念 。它可以被

看作是一个窗口 , 其中的显示内容由用户自己根 据需要确定 ,常用的包括一般的文本 、 各种计算结 果和各类波形图等 。这个窗口可以放置在程序主 窗口中的任意位置 , 这样就保证用户可以方便而 及时地查看分析结果 。 3. 5   数据兼容性 为了满 足 与 SCADA/ GIS 数 据 交 换 的 需 要 , DIgSILENT 提供了数据交换语言 ( DOLE) 。DOLE 接口实际上是一种面向对象的普通的 ASC Ⅱ接 口 ,通过它可以在二者之间实现稳态/ 动态数据的 实时更新 。 另外 ,DIgSILENT 可以通过常用的电子制表 软件 ( 比如 Microsoft Excel 或 Lotus 123) 进行数据 的输入和输出 。与 PSS/ E 、 U 、 PSS/ Neplan 等多种 常用电力系统仿真软件的数据自动转换功能更是 增加了 DIgSILENT 的适用范围 。

4  应用
DIgSILENT 已经成为进行电力系统分析的有

完全图形化的操作模式 。它是由几类工作窗口构

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第 32 卷   12 期 第 2004 年 12 月

华东电力 East China Electric Power

Vol. 32   12 No. Dec.   2004

火电厂基于状态检修思想的 现代设备管理模式研究
贺小明 ,王俊新 ,闫秀峰
( 武汉大学 动力与机械学院 ,湖北   武汉   430072)

was put forward and a profound study of learning organization for equipment management in power plant was conducted , which provides useful reference for reform of equipment management mode in power plants of China. Key words :power plant ; management mode ; condition - based maintenance ; equipment management

   目前 ,我国现行发 、 变电设备的检修模式是预 防性计划检修 , 存在着检修周期短 、 工期长 、 检修 费用高等问题 , 已越来越不适应市场经济改革的 要求 。实践证明基于设备运行状态的状态检修一 方面可以延长设备检修间隔 、 提高设备可靠性 ,另 一方面可以推动火电厂设备管理体制的改革 , 它 已成为火电厂设备管理发展的趋势 。笔者在对国 外先进设备管理模式进行系统学习的基础上 , 结

力工具 。经过近 30 年的发展 , 它已经在 80 多个 国家和地区得到了广泛的应用 。特别是面向对象

和数据库技术所带来的完全图形化的人机交互操 作和数据管理的新理念 , 更使它具有大多数电力 系统仿真软件所不具备的特点 , 从而顺应了发展 趋势 ,适应了市场需要 ,满足了用户的新需求 。 随着风力发电模型等新模型的引入 、 Power2
Factory Monitor 功能的集成以及经济分析功能的

不断加强 ,DIgSILENT 必将拥有更为广阔的应用 前景 。 此外 ,DIgSILENT 还专门提供了教育版本 , 以 供学校或研究机构的教学和科研使用 。

摘   : 提出了火电厂基于状态检修思想的设备管理模式框架 ,对火电厂设备管理的学习型管理组织进行了 要 较深入的研究 ,为我国火电厂设备管理模式的变革提供有益的探索 。 关键词 : 火电厂 ; 管理模式 ; 状态检修 ; 设备管理 中图分类号 :F406    文献标识码 :B    文章编号 :100129529 (2004) 1220041204

Study of modern equipment management mode based on condition2based maintenance concept in power plant
HE Xiao2ming , WANG J un2xin , YAN Xiu2feng

( College of Power & Mechanical Engineering , Wuhan Univ. , Wuhan 430072 , China)

Abstract :The framework of equipment management mode based on condition - based maintenance concept in power plant

合我国火电厂实际情况 , 提出适合于我国火电厂 实际情况的基于状态检修思想的设备管理模式 。

1  火电厂基于状态检修思想的设备管理

模式框架结构[ 1 ,2]

   笔者根据现代设备管理理论 、 状态检修思想 [3 ] 提出了 “金字塔” 火电厂基于状态检修思想的 型 设备管理模式 , 如图 1 所示 。该图体现了火电厂

5  结语

DIgSILENT 是一个历经工程实用的高度集成

化的电力系统仿真软件 。随着我国电力系统的飞 速发展 ,FACTS 等电力电子装置的逐步使用 ,超大 规模交直流混合电网的出现以及电力市场的实 施 ,给设计人员和工程人员都提出了更高的要求 。 学习 、 掌握和借鉴 DIgSILENT 中的优点对于促进 我国电力系统的规划 、 、 运行 分析和研究都有一定 的意义 。

? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

收稿日期 :2004207206

作者简介 : 吕   (19792) ,男 ,硕士 ,从事电力系统仿真研究 。 涛


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