CN103400523B - 电力系统开放式微型动态模拟与监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统开放式微型动态模拟与监测系统，包括微型发电模拟单元、微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元、微型监测模拟单元，微型发电模拟单元依次与微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元相连组成微型电网，微型电网接线端与微型监测模拟单元相连。本发明弥补了传统电力系统动态模拟系统和低电压电力系统动态模拟系统的不足，实现了模拟器件（如线路模拟、变电模拟）的标准化以便于组网，通过PMU装置采集电网信息，对电网数据进行计算分析，然后下达相应的控制命令，采取自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制。

Description

电力系统开放式微型动态模拟与监测系统

技术领域

本发明涉及一种集发电、输电、变电、负荷为一体的电力系统开放式微型动态模拟与监测系统。

背景技术

目前，电力系统的研究方法主要有数学仿真和物理模拟两种途径。

进行数学仿真需要写出物理现象在一定假设条件下的数学方程并借助专门的数学计算工具进行求解。但是由于电力系统是一个集稳态和暂态于一体的复杂系统，所以数学仿真的分析结果和实际结果往往存在较大误差，无法全面的反映出其物理过程；同时数学仿真要求对所研究的全部环节都必须能列出数学方程，这也限制了对电力系统中新的领域和现象的研究。

电力系统动态模拟系统是电力系统的物理模拟，它是根据相似理论建立起来的，具有与原型相同物理性质的物理模型，是实际电力系统按一定比例关系缩小了的，而又保留其物理特性的电力系统复制品。电力系统动态模拟主要由模拟发电机、模拟变压器、模拟输电线路、模拟负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置组成，是分析电力系统动态特征、测试继电保护及二次设备的重要手段。电力系统动态模拟需具有下列一些特点：

（1）可以在模型上直接观察到电力系统中产生的全部物理过程，获得明确的物理概念，并可很方便地对电力系统特性和诸多动态过程进行定性和定量的研究。

（2）对目前还不能或不完全能用数学方程很好地描述的问题，可以方便地利用动态模拟探求问题的物理本质，也可以校验现有理论和教学模拟的合理性、正确性，使理论和数学模型更加完善。

（3）对一些新型的继电保护和自动装置，可以直接接入动态模拟来研究。例如，新型的继电保护可以接在动态模拟系统中，进行各种短路故障试验，考核保护装置的各种性能。为校验继电保护的性能，在原型系统中制造各种短路事故是不可能的。

同时，动模系统也是进行电力系统自动化专业教学的有效方式，有利于学生对电力系统有一个整体的认识。

但是，现有的电力系统动态模拟装置建设投资巨大，占地面积大，运行和维护费用高，无法满足电力系统试验和教学的需要。另外在采用电子式互感器后，出现了通过物理元件实现的动态模拟实验系统（比如RTDS），其工作电压更低、参数更小，用各种信号发生器来模拟系统的设备，与现有动模系统相比，具有投资少、功耗低、运行费用低和操作方便等优点，可将投资巨大、占地面积广的动模实验室浓缩到一个操作灵活的实验台上。但这种动态模拟实验系统的缺点是将所有电力系统的设备浓缩到一个“黑匣子”里，使其应用范围受到很大的限制，如难以将新型的继电保护和自动装置接入来进行试验；没有实物的存在，无法给学生一种直观的认识，使其在教学中的应用价值大大下降。

同时，低电压电力系统动态模拟系统（申请号：201210536598.7）也存在很大的不足：（1）发电机端输出电能质量控制方法采用的是AC-DC-AC控制方法，即先通过低压整流装置将发电机端输出的交流电能转换为直流电，再通过低压逆变器将直流电量转换为交流电，从而实现电能质量的控制，这种方法用到了整流器、逆变器等电力电子器件，电力电子器件本身的脆弱性将使其成为限制发电模拟的最薄弱环节；再者发电机出口带逆变器，将无法精确模拟短路电流分布、同步稳定性等问题；而且电力电子器件易产生谐波污染电网，投资也很大；（2）负载模拟采用的是自主开发的低压器件甚至是弱电器件，这不能很好的模拟电力系统真实的各种动态特性的负载；（3）未具体指出线路、变电等模拟器件的标准，不便于组建大型系统；（4）未设计全网的监视和控制系统，不能掌握全网的运行状况，包括节点电压、功率、谐波等，也不能向全网发出调度控制命令。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种集发电、输电、变电、负荷为一体的电力系统开放式微型动态模拟与监测系统。本发明弥补了传统电力系统动态模拟系统和低电压电力系统动态模拟系统的不足，实现了模拟器件（如线路模拟、变电模拟）的标准化以便于组网，采集电网信息并对电网数据进行计算分析，然后下达相应的控制命令，采取电压和频率自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种电力系统开放式微型动态模拟与监测系统，包括微型发电模拟单元、微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元、微型监测模拟单元，微型发电模拟单元依次与微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元相连组成微型电网，微型电网接线端与微型监测模拟单元相连。

所述微型发电模拟单元包括传统火力发电和传统水力发电的微型原动机模拟单元、微型发电机模拟单元、微型自动发电控制模拟单元以及微型可再生能源发电模拟单元、微型核能发电模拟单元；微型发电机模拟单元采用三相同步发电机，其发出电力通过变压器实现变换后模拟110kV、220kV、500kV、1000kV电压等级，并形成主干输电网。

所述微型原动机模拟单元采用稀土永磁直流伺服电动机；所述微型发电机模拟单元采用5KW三相同步发电机，稀土永磁直流伺服电动机与5KW三相同步发电机同轴连接并带动它转动发电。

所述微型自动发电控制模拟单元包括：电压测量、电流测量、频率测量、功率测量、数据反馈、数据处理、控制信号输出，电压/频率测量部分采用PMU装置，该装置可以测量电压的幅值、相角和频率；电流测量采用电流互感器测量发电机输出电流的有效值；数据反馈部分采用串行传输方式，将PMU和电流互感器采集到的数据传输到控制器；在控制器中编写数据处理程序，计算处理原始数据，输出控制信号，以调节电压的有效值和频率，使其稳定在规定范围内；微控制器的核心分析算法是开放的，能根据需求任意更换；且自动发电的控制方法采用的是负反馈控制。

所述微型自动发电控制模拟单元是以TMS320F28335DSP为控制核心，辅之外围电路，实现励磁自动控制模拟和频率自动控制模拟。

所述微型变电模拟单元为微型变压器模拟单元。

所述微型输电模拟单元包括线路阻抗和导纳模拟单元；微型输电模拟单元采用集中参数模型π型等效电路，忽略线路的分布特性，将线路参数集中起来表示；线路的模拟采用多抽头电抗器并配合电容补偿实现，能够灵活模拟不同输电距离。

所述微型负荷模拟单元用于模拟实际用电设备所吸收的有功功率及无功功率，反映被吸收的功率随负荷所在母线电压及电网频率变化的动态或静态行为；微型负荷模拟单元包括两种模型，即传统的异步机组负荷模型、灯箱负荷模型、串并联电容器负荷模型，和以电力电子装置为基础的可控负荷模型；微型负荷模拟单元的负荷为电阻型、异步电动机、同步电动机构成的综合负荷模型，能够精确模拟实际系统负荷特性。

所述微型监测模拟单元包括信号采集装置PMU、信号传输装置、上位机监测终端，微型监测模拟单元为开放式监测系统，开放式监测系统分为两个模块系统：电力系统动态模拟监视系统和电力系统动态模拟控制系统；电力系统动态模拟监视系统包括电力系统动态模拟系统的工作状态变化曲线和电力系统动态模拟系统的工作状态实时显示；电力系统动态模拟控制系统包括系统的启动与停止、系统电压水平设置、系统频率水平设置、发电机自动并列、自动低频减载控制、自动电压水平控制、负载控制；具体过程是开发上位机监测系统，通过PMU装置采集电网信息存入数据库，调用数据库数据和电网分析程序对电网工作状态计算分析，然后下达相应的控制命令，采取自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制，而且电网分析程序是开放的，能够任意替换以满足不同分析要求，使监测系统更具灵活性。

微型监测模拟单元包括微型WAMS模拟系统、微型调度中心SCADA模拟系统。微型监测模拟单元的微处理器利用两步式复合频率计算方法计算系统频率，分析出220v交流电网相量信号的幅值、频率、相位，利用双模式授时/定位单元（GPS和北斗导航一体式）得到高精度的全球统一时标的时间、地理信息，与计算出的电网低压侧相量信号的幅值、频率、相位信号整合，得到时序的电网相量，并通过双模式数据发送单元（3G、CDMA或GPRS无线通信与有线Internet通信相结合）将数据发送到服务器终端；该PMU装置能够采集配网低压侧电压原始数据，并分析计算数据从而得到电压的有效值和频率大小，为微型电力系统动态模拟装置的开发提供数据支持，是实现发电机励磁控制、原动机转速控制、母线电压采集、负荷侧电压采集、继电保护必不可少的测量设备。

其中，微型WAMS模拟系统模拟电力系统的广域监测系统，采用同步相角测量技术，通过在全网关键测点配置同步相角测量单元（PMU），实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集、上传和监视。

微型调度中心SCADA模拟系统即微型动模的数据采集和监控系统，它是电网调度自动化系统的基础和核心，负责采集和处理电力系统运行中的各种实时和非实时数据，是电网调度中心各种应用软件主要的数据来源。SCADA系统包括实时数据采集、数据通信、SCADA系统支撑平台、前置子系统、后台子系统等

本发明有以下特点：（1）保留电力系统基本客观物理规律和基本元件，可以很好地模拟实际电力系统的各种现象和规律；（2）可以在模型上直接观察到电力系统中产生的全部物理过程，获得明确的物理概念，并可很方便地对电力系统特性和诸多动态过程进行定性和定量的研究；（3）可实现电力系统的各种物理仿真实验、采集实验数据、观察实验现象、总结实验规律；（4）将现代信息技术与本学科的研究相融合，建立能够进行电力系统科学研究的创新试验平台，（5）对目前还不能或不完全能用数学方程很好地描述的问题，可以方便地利用动态模拟探求问题的物理本质，也可以校验现有理论和教学模拟的合理性、正确性，使理论和数学模型更加完善。

本发明的独特之处在于：

1.全部符合实际电力系统物理规律的模拟环节，发电单元采用三相同步发电机，其发出电力通过变压器实现变换后模拟110kV、220kV、500kV、1000kV电压等级，并形成主干输电网；负荷为电阻型、异步电动机、同步电动机构成的综合负荷模型，可以精确模拟实际系统负荷特性。

2.同步监测系统模拟：现代电网需要全面、实时的监测系统作为运行决策的依据，采用PMU进行电网动态监测，并构建电力系统微型动态模拟系统的实时监测系统。PMU为一种结构简单、使用方便、信号传输可靠、成本低、安装灵活方便的新型电网监测手段，微处理器利用两步式复合频率计算方法计算系统频率，分析出220v交流电网相量信号的幅值、频率、相位，利用双模式授时/定位单元（GPS和北斗导航一体式）得到高精度的全球统一时标的时间、地理信息，与计算出的电网低压侧相量信号的幅值、频率、相位信号整合，得到时序的电网相量，并通过双模式数据发送单元（3G、CDMA或GPRS无线通信与有线Internet通信相结合）将数据发送到服务器终端。该PMU装置可以采集配网低压侧电压原始数据，并分析计算数据从而得到电压的有效值和频率大小，为微型电力系统动态模拟装置的开发提供数据支持，是实现发电机励磁控制、原动机转速控制、母线电压采集、负荷侧电压采集、继电保护必不可少的测量设备。

3.模拟单元标准化，便于组网：发电模拟单元、变电模拟单元、输电模拟单元、负荷模拟单元都采用标准化设计方案，易于组网以模拟不同规模电力系统。

本发明的有益效果：

1.本发明实现了模拟器件（如线路模拟、变电模拟）的标准化以便于组网。

2.本发明开发了上位机监测系统，通过PMU装置采集电网信息，对电网数据进行计算分析，然后下达相应的控制命令，采取自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制。

3.本发明的电能控制采用的是以DSP与PMU为核心的负反馈控制，未使用电力电子设备，可精确模拟短路电流分布、同步稳定性等问题，而且不产生谐波。

4.本发明的负载模拟中装置便于选取，并不失真实负载特性。

5.设计生产成本低，实验费用低、可维护性强、安全性高。

6.不失实验的客观规律和保留了电力系统的基本元件，可以很好地模拟实际电力系统的各种现象和规律。

7.可实现电力系统的各种物理仿真实验（比如短路试验、同步稳定试验、低频振荡试验等）、采集实验数据、观察实验现象、总结实验规律。

8.提供独特的同步电力系统模拟试验系统，解决该类教学资源紧张的困难，给学生创造一个实时的小型实验平台以加深学习内容和提高教学质量；建立能够进行电力系统科学研究的创新试验平台，将现代信息技术与本学科的研究相融合，在先进的研究环境中为高起点培养学生的综合研究能力和创新能力。

附图说明

图1是微型电力系统动态模拟系统整体示意图；

图2是发电模拟的工作流程框图；

图3是原动部分的原理框图；

图4是直流马达驱动器接线示意图；

图5是稀土永磁直流伺服电动机的工作示意图；

图6是发电部分原理框图；

图7是发电部分参数示意图；

图8是发电单元原理框图；

图9是发电单元结构示意图；

图10是永磁直流伺服电动机的参数原理图；

图11是输电线路单相π型等效电路；

图12是传统负荷模型示意图；

图13是微型监测系统模拟的工作流程框图；

其中Uc为驱动电压，E为电磁感应电压，T为电磁转矩；U_Gf为直流励磁电压，R_f为励磁回路等效电阻，L_f为励磁电感，i_f为直流励磁电流，U_G为发电机端电压；V_a为电枢电压，R_a为电枢电阻，L_a为电枢电感，J为转动惯量，B为摩擦系数，ω为角速度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是电力系统开放式微型动态模拟系统整体设计示意图，包括微型发电模拟、微型变电模拟、微型输电模拟、微型负荷模拟、微型监测模拟。

微型发电模拟包括传统火力发电和传统水力发电的微型原动机模拟、微型发电机模拟、微型自动发电控制模拟以及微型可再生能源发电模拟等。其中，微型原动机模拟采用稀土永磁直流伺服电动机，微型发电机模拟采用5KW三相同步发电机，永磁直流伺服电动机与小型同步发电机同轴连接并带动它转动发电。自动发电控制模拟包括：电压测量、电流测量、频率测量、功率测量、数据反馈、数据处理、控制信号输出。电压/频率测量部分采用PMU装置，该装置可以测量电压的幅值、相角和频率；电流测量采用电流互感器测量发电机输出电流的有效值；数据反馈部分采用串行传输方式，将PMU和电流互感器采集到的数据传输到控制器；在控制器中编写数据处理程序，计算处理原始数据，输出控制信号，以调节电压的有效值和频率，使其稳定在规定范围内。微控制器的核心分析算法是开放的，可根据需求任意更换。微型发电模拟的工作流程框图如图2所示。

微型发电模拟的原动部分原理框图如图3所示，其结构组成包括：直流电动机整流电源、平波电抗器、永磁直流伺服电动机。其中，直流电动机整流电源选用型号为MMT-220DR35AL的直流马达驱动器，其接线为AC220V端口接入单相市电，OUT端口输出直流电压，先经过平波电抗器，再接入永磁直流伺服电动机，如图4所示。永磁直流伺服电动机选用型号为130SZD09的稀土永磁直流伺服电动机，它是一种将输入信号转换为角速度来执行控制任务的直流电动机，其转速和转向随输入信号的变化而变化，并具有一定的带负载能力，稀土永磁直流伺服电动机的工作示意图如图5。微型发电模拟的发电部分原理框图如图6所示，其结构组成包括：直流励磁电源、小型同步发电机。其参数示意图如图7所示，直流励磁电源的输出电压为小型同步发电机提供励磁电压，励磁回路产生励磁电流，建立起主磁场。微型发电模拟的整体设计如图8所示，其结构示意图如图9所示，永磁直流电动机与小型同步电动机通过同轴连接器同轴连接，由直流电动机带动同步发电机转动发电，在结构层上组成完整的发电单元。

自动发电控制模拟是以TMS320F28335DSP为控制核心，辅之外围电路，实现励磁自动控制模拟和频率自动控制模拟。核心算法任意选取，比如PID算法。频率自动控制系统是由永磁直流电动机、整流电源、PMU、DSP组成的负反馈控制系统。PMU采集发电机输出电压向量，并将电压的频率反馈给DSP，跟据DSP中编写的由核心算法和外围电路数学模型组成的传递函数算法，输出模拟信号到整流电源的控制端以控制其输出电压，控制永磁直流电动机的转速，从而控制发电机输出电压的频率。频率自动控制系统的闭环控制过程：将频率输出量乘以系数K2得到反馈量，该反馈量与给定电压信号做差得到偏差量e，偏差量e作为PID控制器的输入，PID输出控制信号控制永磁直流伺服电动机的电枢电压，从而调节其转速。

电压自动控制系统是由可调开关稳压直流电源、同步发电机、PMU、DSP组成的负反馈控制系统。PMU采集发电机输出电压向量，并将电压有效值反馈给DSP，跟据DSP中编写的由核心算法和外围电路数学模型组成的传递函数算法，输出模拟信号到可调开关稳压直流电源的控制端以控制其输出电压，即控制同步发电机的励磁电压，从而控制同步发电机的输出电压大小。电压自动控制系统的闭环控制过程：将电压输出量乘以系数K1得到反馈量，该反馈量与给定电压信号做差得到偏差量e，偏差量e作为PID控制器的输入，PID输出控制信号控制同步发电机的励磁电压，从而调节其输出电压。

上述自动发电控制方法采用的是负反馈控制，且核心算法是开放的，核心算法可任意替换以满足装置的不断升级，这是本发明的一大改进。

本发明的输电线路模拟采用集中参数模型π型等效电路，忽略线路的分布特性，将线路参数集中起来表示。这些参数是串联电阻、串联电感、并联电导、并联电纳，分别用R、X、G、B表示，用Z、Y表示总阻抗和总导纳，这四种参数模型均采用可调元件，以达到模拟长度和分布参数可变的目的。而且线路模拟器件均采用标准化器件，其参数调节步长为标准值以便于组建网络和计算。图11是单相π型等效电路。设已知输电线路每相每公里正序网络参数为：x1—正序电抗（Ω/km）；r1—正序电阻（Ω/km）；b1—正序电纳（s/km）；g1—正序电导（s/km）；每公里零序参数为：x0—零序电抗（Ω/km）；r0—零序电阻（Ω/km）；b0—零序电纳（s/km）；g0—零序电导（s/km）。则长度为L千米的线路参数如式1、式2、式3、式4所示。

Z1=R1+jX1=r1*L+jx1*L 式1

Y1=G1+jB1=g1*L+jb1*L 式2

Z0=R0+jX0=r0*L+jx0*L 式3

Y0=G0+jB0=g0*L+jb0*L 式4

本发明的变电模拟也采用标准化器件，均为单相式，由三台组成一组，模拟时常用一组模型变压器模拟电力系统中的一台或几台变压器，因此模拟时应尽量使PK、P0，I0％接近原理，UK％与原型相等。为使模拟变压器的参数标幺值与原型的标幺值相等，需要用外串阻抗和外并导纳的方法对变压器参数进行补偿。接线方式及磁路系统与原系统相同，这些变压器的中性点接地方式不同，对零序电抗X％则在模拟变压器中性点用外串阻抗的方法加以补偿。

本发明的微型负荷模拟用于模拟实际用电设备所吸收的有功功率及无功功率，反映被吸收的功率随负荷所在母线电压及电网频率变化的动态或静态行为。本系统采用两套方案，即传统的异步机组负荷模型、灯箱负荷模型、串并联电容器负荷模型，和以电力电子装置为基础的可控负荷模型，均不失负荷的真实特性。传统负荷模型由异步机组负荷模型、灯箱负载模型、串并联电容器负荷模型等组成，该模型根据实际电力系统负荷的组成，采用实际用电装置进行串并联组合实现负荷模拟，如异步机组负荷模型采用常用的异步电机进行并联。改变电压，改变串联回路内的电阻电抗，改变电动发电机组的激磁特性及附加飞轮片，改变负荷投入数量，即可以得到一定范围内变化的负载。该模型在动态仿真时被直接接入负荷节点使用，如图12所示。

以电力电子装置为基础的可控负荷模型根据实际电力系统的负荷相应来进行负荷模拟，利用电力电子器件及变换电路有效模拟各种电流质量扰动。可控负荷模拟实验装置是一种多功能可控负荷品质扰动源,可有效模拟包括谐波、无功、有功、电流扰动、三相不平衡电流在内的各种负荷特性,并能模拟复合特性。利用电力电子器件实现的可控负荷特性模拟装置可以很好的克服传统装置的缺点,体积小、元件数量少、成本低、易在线更改、模拟精度高,能实现多目标复合模拟,可以模拟各种单一以及复合的负载特性,并可将能量回馈给电网,达到节能的效果,可较好地满足动模试验的要求。

如图13所示，为更好地监视和控制该动态模拟系统，本发明设计了开放式监测系统。该开放式监测系统弥补了低电压电力系统动态模拟系统的在监视与控制微型电力系统中的不足。该开放式监测系统分为两个模块：电力系统动态模拟监视系统和电力系统动态模拟控制系统。电力系统动态模拟监视系统包括电力系统动态模拟系统的工作状态变化曲线和电力系统动态模拟系统的工作状态实时显示。电力系统动态模拟控制系统包括系统的启动与停止、系统电压水平设置、系统频率水平设置、发电机自动并列、自动低频减载控制、自动电压水平控制、负载控制等。具体过程是开发上位机监测系统，通过自主开发的PMU装置采集电网信息存入数据库，调用数据库数据和电网分析程序对电网工作状态进行计算分析，然后下达相应的控制命令，采取自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制，而且电网分析程序是开放的，可以任意替换以满足不同分析要求，使监测系统更具灵活性。

本发明的相似原则：模拟发电机、模拟变压器、模拟线路的阻抗和导纳参数标幺值与原型的标幺值相等。假设用500V电压模拟实际电网500KV电压，为使阻抗基准值相等，取模拟电网的基准容量为1KVA，实际电网的基准容量为1000MVA。此时只要模拟发电机、模拟变压器、模拟线路的阻抗和导纳参数与实际电网的参数对应相等，就可以保证标幺值相等。模拟线路：阻抗和导纳取实际值。模拟变压器：均为单相式，由三台组成一组，模拟时常用一组模型变压器模拟电力系统中的一台或几台变压器，因此模拟时应尽量使PK、P0，I0％接近原理，UK％与原型相等。为使模拟变压器的参数标幺值与原型的标幺值相等，需要用外串阻抗和外并导纳的方法对变压器参数进行补偿。接线方式及磁路系统与原系统相同，这些变压器的中性点接地方式不同，对零序电抗X％则在模拟变压器中性点用外串阻抗的方法加以补偿。变压器参数计算公式如下：

$R_T=\frac{P_K{U}_N^2}{1000S_N^2}$ 式5

$X_T=\frac{U_K\%U_N^2}{100S_N}$ 式6

$G_T=\frac{P_o}{1000U_N^2}$ 式7

$B_T=\frac{I_o\%S_N}{100U_N^2}$ 式8

模拟发电机：根据原型发电机的形式及参数，选择形式相同、参数比较接近的模型发电机，然后用变更容量的方法进行细调，漏抗Xd不足可用加大模拟变压器漏抗或外串电抗

来补偿，惯性时间常数Ti用飞轮片调节，Tdo用副阻器来调节。

下面以表1中的具体例子说明模拟电网与实际电网的电压、功率、参数对应关系。

表1模拟电网与实际电网的电压、功率、参数对应关系

表1数据解释说明：模拟电网的线路参数使用实际电网的参数。假设模拟电网电压是500V，而实际电网电压是500KV。则实际电网的输送极限是模拟电网的1000000倍，假设模拟电网的输送极限是3KW，则它对应实际电网的3000MW。实际电网的电流对应模拟电网电流的1000倍，假设模拟电网电流是1A，则它对应实际电网的1000A。经计算，实际电网的电压损耗是模拟电网的1000倍，与电压的对应关系一致。取电压和输送容量的基准值的对应关系与标量值的对应关系一致（如表中的数据），则实际电网和模拟电网的电压标幺值相等且为1，同时实际电网和模拟电网的阻抗基准值相等，又因为模拟电网的线路参数使用实际电网的参数，所以实际电网和模拟电网的阻抗标么值相等。模拟变压器和模拟发电机的参数需要外加补偿才能使标幺值一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种电力系统开放式微型动态模拟与监测系统，其特征是，包括微型发电模拟单元、微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元、微型监测模拟单元，微型发电模拟单元依次与微型变电模拟单元、微型输电模拟单元、微型负荷模拟单元相连组成微型电网，微型电网接线端与微型监测模拟单元相连；

所述微型发电模拟单元包括传统火力发电和传统水力发电的微型原动机模拟单元、微型发电机模拟单元、微型自动发电控制模拟单元以及微型可再生能源发电模拟单元、微型核能发电模拟单元；微型发电机模拟单元采用三相同步发电机，其发出电力通过变压器实现变换后模拟110kV、220kV、500kV、1000kV电压等级，并形成主干输电网；

所述微型自动发电控制模拟单元包括：电压测量、电流测量、频率测量、功率测量、数据反馈、数据处理、控制信号输出，电压/频率测量部分采用PMU装置，该装置能够测量电压的幅值、相角和频率；电流测量采用电流互感器测量发电机输出电流的有效值；数据反馈部分采用串行传输方式，将PMU和电流互感器采集到的数据传输到微控制器；在微控制器中编写数据处理程序，计算处理原始数据，输出控制信号，以调节电压的有效值和频率，使其稳定在规定范围内；微控制器的核心分析算法是开放的，能根据需求任意更换；且自动发电的控制方法采用的是负反馈控制；

所述微型自动发电控制模拟单元是以TMS320F28335 DSP为控制核心，辅之外围电路，实现励磁自动控制模拟和频率自动控制模拟；

所述微型负荷模拟单元用于模拟实际用电设备所吸收的有功功率及无功功率，反映被吸收的功率随负荷所在母线电压及电网频率变化的动态或静态行为；微型负荷模拟单元包括两种模型，即传统的异步机组负荷模型、灯箱负荷模型、串并联电容器负荷模型，和以电力电子装置为基础的可控负荷模型；微型负荷模拟单元的负荷为电阻型、异步电动机、同步电动机构成的综合负荷模型，能够精确模拟实际系统负荷特性；

所述微型监测模拟单元包括信号采集装置PMU、信号传输装置、上位机监测终端，微型监测模拟单元为开放式监测系统，开放式监测系统分为两个模块系统：电力系统动态模拟监视系统和电力系统动态模拟控制系统；电力系统动态模拟监视系统包括电力系统动态模拟系统的工作状态变化曲线和电力系统动态模拟系统的工作状态实时显示；电力系统动态模拟控制系统包括系统的启动与停止、系统电压水平设置、系统频率水平设置、发电机自动并列、自动低频减载控制、自动电压水平控制、负载控制；具体过程是开发上位机监测系统，通过PMU装置采集电网信息存入数据库，调用数据库数据和电网分析程序对电网工作状态计算分析，然后下达相应的控制命令，采取自动控制措施，从而实现对全网的监视与调度控制，而且电网分析程序是开放的，能够任意替换以满足不同分析要求，使监测系统更具灵活性。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述微型原动机模拟单元采用稀土永磁直流伺服电动机；所述微型发电机模拟单元采用5KW三相同步发电机，稀土永磁直流伺服电动机与5KW三相同步发电机同轴连接并带动它转动发电。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述微型变电模拟单元为微型变压器模拟单元。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述微型输电模拟单元包括线路阻抗和导纳模拟单元；微型输电模拟单元采用集中参数模型π型等效电路，忽略线路的分布特性，将线路参数集中起来表示；线路的模拟采用多抽头电抗器并配合电容补偿实现，能够灵活模拟不同输电距离。