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Smart Grid
智能电网
, 201
4, 4
,
7-10
http://dx.doi.org/10.12677/sg.2014.41002
Published Online
February
2014 (http://www.hanspub.org/journal/sg
.html
)
OPEN ACCESS
7
Based on Surface Pro Angle Stability of Power System
Simulation Analysis
Zhaorui Ni
North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou
Email:
nzr1993@sina.com
Received: Nov. 28
th
, 2013; revised: Dec. 30
th
, 2013; accepted: Jan. 9
th
, 2014
Copyright © 201
4 Zhaorui Ni
. This is an open access article distributed under the Creative Co mmons Attribution License, which permits unrestricted
use, distribution, and reprodu ction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution
License all Copyrigh ts © 201
4
are reserved f or Hans an d the own er of the intellectual property
Zhaorui Ni
. All Copyright © 201
4
are guarded by l
aw
and by Hans as a guardian.
Abstract:
To study
applying intelligent mobile equipment and power system communication, this paper select
s
Surface
Pro as a development platform, with a typical power system dynamic
a
ngle stability problem
as an
example, starting
from the instance modeling, programming (computing) process introduced in detail, compil
ing
the software and the
actual simulation and the result analysis
, t
ry
ing
to provide a compatible with the smart grid development stage of learn-
ing style.
Keywords:
Surface
Pro;
Power System;
Stability;
Program Design
; Simulation
基于
Surface Pro
的电力系统转角稳定性仿真分析
倪兆瑞
华北水利水电大学，郑州
Email: nzr1993@sina.com
收稿日期：
2013
年
11
月
28
日；修回日期：
2013
年
12
月
30
日；录用日期：
2014
年
1
月
9
日
摘
要：
为了将智能移动设备应用于电力系统学习交流中，本文选择
Surface Pro
作为开发平台，以一个典型电
力系统动态转角稳定性问题为例，从实例建模开始，详细介绍了程序设计
(
计算
)
流程，编制了软件并进行了实际
仿真和结果分析，展示了一种与智能电网发展阶段相适应的学习方式。
关键词：
Surface
Pro
；电力系统；稳定性；程序设计；仿真
1.
引言
随着智能移动设备
(
例如智能手机、平板电脑
)
的
逐步普及和
Windows 8
软件生态系统的逐步形成。
“
Windows
应用商店应用”平台的交互方式，为与智
能电网发展阶段相适应的学习方式的转变提供了可
能。
2012
年
6
月
19
日微软公司推出全新硬件品牌
Surface
(
奢飞思
)
系列平板电脑。与传统平板设备不同
的是，传统平板设备仅支持触控交互操作，不支持更
为精确的交互方式，这就造成传统平板设备娱乐体验
突出，但在需要精确操作的工作领域表现不佳；而
Surface
平板电脑所安装的
windows
操作系统，在支持
触控操作的同时，也支持更为精确的鼠标和键盘操作。
该产品分两个版本
Surface
RT
与
Surface
Pro
，分别搭
载
Windows RT
操作系统与
Windows 8 Pro
操作系统。
Windows RT
是专用于
ARM
架构硬件平台的操作系统，
适用于平板电脑，但是与传统
PC
软件不兼容。
Windows 8 Pro
基于
X86
架构
硬件平台，既适用于平
基于
Surface Pro
的电力系统转角稳定性仿真分析
OPEN ACCESS
8
板电脑，也适用传统
PC
软件
[1]
。
本文选择
Surface
Pro
作为开发平台，以一个典型
电力系统动态转角稳定性问题为例，从实例建模开始，
详细介绍了程序设计
(
计算
)
流程，编制了软件并进行
了实际仿真和结果分析
[2
,3]
。试图提供一种与智能电网
发展阶段相适应的学习方式。
2. Surface Pro
开发平台
Surface Pro
开发平台，硬件基于
X86
架构硬件平
台，软件基于
widows 8
操作系统，采用
Visual Studio
2012
和
Blend for Visual Studio 2012
为开发工具。
Visual Studio 2012
偏重于代码管理、程序调试和分发
部署等功能的实现，
Blend for Visual Studio 2012
是
Visual Studio 2012
在界面设计方面的有效补充，它偏
重于
Metro
风格的界面设计和动画调试等功能。在实
际开发过程成中，需要两个开发工具的协同使用。
开发技术方面有
NET(Visual C#
,
Visual Basic)
、
JavaScript
、
Visual C++
三种技术，这三种开发技术各
有优势，其中
.NET
集成了
Silverlight
、
WPF
和
Windows
Phone
多种开发技术，是目前
Windows
应用商店应用
的主流开发技术，而
JavaScript
侧重于
Web
应用的前
端开发，
Visual C++
则偏重于
DirectX
编程、硬件设备
编程和算法设计的实现。
开发流程方面主要遵循软件程序开发、本地或远
程调试、账号注册和应用程序发布四个步骤。
3.
实例模型
3.1
实例
单机
——
双回线系统接地故障发电机转角稳定性
分析实例，如
图
1
所示。单机双回线路系统中，一
回线中点发生三相经小电抗接地故障时，发电机的
机电
暂态过程
[4]
。其中，
T
I
表示机
械转矩，
T
e
表示电
磁转矩，
V
fd
表示励磁电压，
CB
表示断路器，
SW
表示
开关，
L
表示线路，
Z
表示阻抗。电路参数
(
标么值
)
如下：
母线
1
电压：
t
V
•
=
1.1
< 5
˚
，母 线
2
电压：
V
•
∞
=
1.0
< 0
˚
；
发电机参数：
X
l
s
=
0.1899
，
r
s
=
0.003
，
X
mq
= 1.609
，
X
md
= 1.609
，
X
l
kq
1
=
0.8125
，
r
kq
1
=
0.00178
，
X
l
fd
=
0.1414
，
r
fd
=
0.000926
，
X
l
kd
=
0.0812
，
r
kd
=
0.0133
，
H
=
5.6
se c
；
～
母线
1
母线
2
L
1
L
2
L
3
T
1
V
fd
CB
1
CB
2
CB
3
CB
4
Z
F
Z
L
SW
无
穷
大
系
统
Figure 1. Topology of the example circuit
图
1.
实例电路拓扑
线路参数：
L
1
Z
= 0 +
j
0.20
，
L
2
Z
= 0 +
j
0.10
，
L
3
Z
= 0 +
j
0.10
，
Z
L
=
50.0
+
j
0
，
Z
F
= 0 +
j
0.01
。
3.2.
建模
为简化计算，忽略发电机定子绕组的电磁暂态过
程。同时，本系统是三相平衡系统，故不考虑零序分
量。另外忽略转速变化对速度电动势的影响，即在定
子
q
、
d
轴电压方程中令，
reb
ωωω
= =
由上述基本假定及
q
、
d
轴各阻尼绕阻无外加电
压后，由
Park
方程
[5
-7]
得，
( )
( )
( )
1
11
1
b kq
r rr
kqaq kq
lkq
fd
r rr
fdb fdadfd
lfd
r rr
b kd
kdad kd
lkd
r
p
x
r
pV
x
r
p
x
ω
ω
ω
Ψ=Ψ −Ψ
Ψ=+Ψ −Ψ
Ψ=Ψ −Ψ
(1)
其中，
q
、
d
轴气隙磁链方程为，
( )()
1
,
rrr rrrr
aqmqqs kqadmddsfdkd
x iix iii
Ψ=−+Ψ=−+ +
电流方程为，
1
1
1
rr
qs aq
r
qs
ls
rr
r
ds ad
ds
ls
rr
kq aq
r
kq
lkq
rr
fd ad
r
fd
lfd
rr
r
kd ad
kd
lkd
i
x
i
x
i
x
i
x
i
x
Ψ −Ψ
=
−
Ψ −Ψ
=
−
Ψ −Ψ
=
Ψ −Ψ
=
Ψ−Ψ
=
(2)
基于
Surface Pro
的电力系统转角稳定性仿真分析
OPEN ACCESS
9
将电流方程代入磁链方程得，
12
12
1
12
121 2
1
111
111
rr
kq kq
rr
aqaq qs
lkq lkq
rr
kq kq
r
qs
mq lkqlkqlkqlkq
r
r
fd
rr
kd
adadds
lfd lkd
r
r
fd
r
kd
ds
md lfd lkdlfdlkd
xi
xx
i
xx xxx
xi
xx
i
xxxx x
−
−
ΨΨ
′′
Ψ= −++
ΨΨ
=+ +−++
Ψ
Ψ
′′
Ψ= −+ +
Ψ
Ψ
=+ +−++
(3)
电压方程为，
r rr
qss qsds
r rr
dss dsqs
V ri
V ri
=−+Ψ
=− −Ψ
(4)
q
、
d
轴定子磁链方程为，
rr r
qsaqls qs
rr r
dsadls ds
i
i
χ
χ
Ψ=Ψ−
Ψ=Ψ−
(5)
联立方程
(3
)~(
5)
，并将发电机端电压、电流变换
到网络坐标可得，
( )
( )
( )
( )
12
12
sincossin cos
cossin
cossincos sin
sin cos
ee e
qsdssqqs
rr
kq kq
e
sqdsaq
lkq lkq
ee e
qsdssd qs
r
r
fd
e
kd
sddsad
lfd lkd
VVrxi
rx ix
xx
VVr xi
rx ix
xx
δ δδδ
δδ
δ δδδ
δδ
′′
+ +−
ΨΨ
′′ ′′
++=− +
′′
−++
Ψ
Ψ
′′ ′′
+− +=+
(6)
其中，
dls ad
xxx
′′ ′′
= +
，
qls aq
xxx
′′ ′′
= +
转子运动方程和电磁转矩方程为，
( )
1
1
2
r
b
b
r
Ie
b
p
p TT
H
ω
δω
ω
ω
ω
= −
= −
(7 )
其中，
H
为惯性常数，
rr rrrr rr
edsqsqsdsadqsaqds
Ti iii
=Ψ −Ψ=Ψ−Ψ
(8)
网络方程
1
ee ee
qs dsqsds
ee
qs ds
t td
V jVV jV
i ji
ZZ
−− −
−= +
(9)
4.
设计与开发
4.1.
核心软件设计
选
1
r
kq
ψ
、
r
fd
ψ
、
r
kd
ψ
、
δ
、
ω
r
/
ω
b
为状态变量。主要
开发流程如图
2
所示。
首先，计算电抗参数包括发电机电抗参数和网络参
数。其次，计算正常运行时的初始值包括状态变量初值
和中间变量初值
,
例如发电机磁链、励磁电压及电磁转矩
的初始值。第三步，计算系统状态方程
(1)
、
(7)
。第四步，
计算状态方程
(1)
、
(7)
的系数，基于以上求得的
ψ
rkq
1
、
ψ
rfd
、
ψ
rkd
、
δ
、
ω
r
/
ω
b
、
V
e qs
、
V
eds
、
i
eqs
、
i
eds
，计算状态方程
(1)
、
(7)
的系数。第五步，根据终止条件，迭代计算直至满足
终止判据。
4.2.
程序开发
根据
C++/CX
和
JavaScript
语言各自的特点，本文
将程序主体部分采用
C++/CX
语言编写成
WinRT
组件，
采用
JavaScript
语言完成应用程序的前端开发。在
Jav a
-
Scrip t
语言所编写的应用中实现对所编写
WinRT
组件的
调用。
算法方面，微分方程组的求解采用四阶龙格
–
库塔
法，线性方程组的求解采用全选主元高斯
(
Gauss
)
消去
法。
5.
仿真结果讨论
本文分别从短路故障对转角稳定性的影响、不同
短路阻抗对转角稳定极限切除故障时间的影响和励
磁调节对转角稳定性的影响三方面进行了仿真分析。
1
)
励磁电压不参加迭代
(
不进行励磁调节
)
，三相
短路故障
(
短路阻抗为
j
0.01
)
对稳定性的影响。
a)
开始正常运行，
0.1
s
时发生三相短路故障，且
故障不切除时的
δ
-t
波形如图
3(a)
所示。由波形可见
系统很快失去稳定性。
b)
开始运行就发生三相短路故障，
0.1
s
时切除
故障的
δ
-t
波形如
图
3(b)
所示。由波形可见，当及时
切除故障后，系统保持稳定运行。
由波形图
3(a)
、图
3(b)
对比分析可知，在励磁系
统不参与调节的条件下，三相短路故障的产生将导致
基于
Surface Pro
的电力系统转角稳定性仿真分析
OPEN ACCESS
10
开始
计算电抗参数
计算初始值
解系统状态方程
计算状态方程
系数
结束
发生故障
满足条件
Y
N
Y
N
代入故障参数
励磁调节
Y
N
代入励磁参数
Figure 2. The design process
图
2.
设计流程
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figure 3. The simulation waveform
图
3.
仿真波形
发电机失去稳定，而当发生故障后，如果及时切除故
障，则可保持发电机的稳定运行。
2)
励磁电压不参加迭代
(
不进行励磁调节
)
，短路
阻抗不同时对极限切除故障时间的影响。
a)
当短路阻抗等于
j
0.01
时：正常运行
1 s
后发
生三相短路故障，极限切除故障时间是
3.87 s
。即故
障后的
2.87
s
。
δ
-t
波形如图
3(c)
所示。
b)
当短路阻抗等于
j
0.001
时：正常运行
1 s
后发
生三相短路故障，极限切除故障时间是
2.11
s
。即故
障后的
1.11
s
。
δ
-t
波形如图
3(d)
所示。
由波形图
3(c)
、图
3(d)
对比分析可知，在励磁系
统不参与调节的条件下，短路阻抗越小，极限切除故
障时间越少。
3)
励磁电压参加迭代
(
按迭代规律进行励磁调节
)
，
发生三相短路故障时，对系统稳定性的影响。
a)
当短路阻抗等于
j
0.01
时：正常运行
1s
后发生
三相短路故障。
δ
-t
波形如图
3(e)
所示。
b)
当短路阻抗等于
j
0.001
时：正常运行
1s
后发
生三相短路故障。
δ
-t
波形如
图
3(f)
所示。
由波形图
3(e)
、图
3(f)
对比分析可知，如果励磁
电压参加迭代
(
按迭代规律进行励磁 调节
)
则稳定极限
大大加强。
6.
结束语
1
)
在智能移动设备
Surface
Pro
平台上实现了电
力系统转角稳定性的仿真软件设计。
2
)
以一个典型电力系统动态转角稳定性问题为
例，从实例建模开始，详细介绍了程序设计
(
计算
)
流
程，编制了软件并进行了实际仿真和结果分析。
3
)
提供一种与智能电网发展阶段相适应的学习
方式。
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