基本信息
内容简介
本书重点介绍了电力系统中的电磁暂态数值分析方法与工程应用。全书分为两部分。第1部分介绍了目前较为流行的几种电磁暂态仿真软件，包括EMTP-ATP、EMTP-RV、EMTDC/PSCAD和XTAP的发展历程、主要原理和用法。第2部分首先介绍了应用范围更广的两种典型数值电磁仿真方法，即时域有限差分（Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD）法与部分元等效电路（PartialElementEquivalentCircuit，PEEC）法的原理和应用，然后分别针对风电、光伏系统的雷击浪涌暂态过程、暂态过电压和绝缘配合、电压源型FACTS特性、电缆系统中SVC应用以及接地系统进行了电磁暂态数值仿真分析并与在实际应用中的实测结果进行对比，论证了数值分析方法的正确性。本书涵盖面广，内容详实，适合作为相关领域研究人员和现场工程人员的参考书。
目录
译者序
原书前言
第 １ 章 电路理论应用方法和数值电磁分析介绍 １
１. １ 基于电路理论方法的 ＥＭＴＰ １
１. １. １ ＥＭＴＰ 原型概述 １
１. １. ２ 节点分析法 ３
１. １. ３ 等效电阻电路 ４
１. １. ４ 稀疏矩阵 ６
１. １. ５ 频率相关线路模型 ７
１. １. ６ 变压器 ７
１. １. ７ 三相同步电机 ８
１. １. ８ 通用电机 ９
１. １. ９ 开关 １０
１. １. １０ 避雷器和保护间隙 （角形避雷器） １３
１. １. １１ 包含非线性元件 １５
１. １. １２ ＴＡＣＳ １６
１. １. １３ ＭＯＤＥＬＳ （ＥＭＴＰ － ＡＴＰ 中的实现） １７
１. １. １４ ＥＭＴＰ 中制定的电力系统元件 １９
１. １. １５ 基本输入数据 １９
１. ２ 数值电磁分析 ３０
原书前言
第 １ 章 电路理论应用方法和数值电磁分析介绍 １
１. １ 基于电路理论方法的 ＥＭＴＰ １
１. １. １ ＥＭＴＰ 原型概述 １
１. １. ２ 节点分析法 ３
１. １. ３ 等效电阻电路 ４
１. １. ４ 稀疏矩阵 ６
１. １. ５ 频率相关线路模型 ７
１. １. ６ 变压器 ７
１. １. ７ 三相同步电机 ８
１. １. ８ 通用电机 ９
１. １. ９ 开关 １０
１. １. １０ 避雷器和保护间隙 （角形避雷器） １３
１. １. １１ 包含非线性元件 １５
１. １. １２ ＴＡＣＳ １６
１. １. １３ ＭＯＤＥＬＳ （ＥＭＴＰ － ＡＴＰ 中的实现） １７
１. １. １４ ＥＭＴＰ 中制定的电力系统元件 １９
１. １. １５ 基本输入数据 １９
１. ２ 数值电磁分析 ３０
前言
原书前言
数值分析是研究电力系统各种现象的一种标准方法。 在电力系统暂态领域， ２０世纪 ６０ 年代数字计算机的兴起开启了数值仿真之路。 １９７３ 年， Ａ． Ａｍｅｔａｎｉ 作为国际大电网组织工作组 （ＣＩＧＲＥ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ） １３ － ０５ 的成员， 开始调研由大学和工业界开发的各种相关软件的精度和局限。 经过工作组的三年调研， 所有成员一致认为， 由美国内政部 （ 后来的美国能源部） 的邦纳维尔电力管理局 （ ＢＰＡ）Ｈ Ｗ Ｄｏｍｍｅｌ 教授开发的电磁暂态程序 （ＥＭＴＰ） 比当时世界上所有其他软件都优秀。 从那时起， 世界各地的学者、 工程人员和大学生开始应用 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ， 同时许多专家对其进行了深入开发。 １９８０ 年， ＥＭＴＰ 不仅是电力系统暂态分析的标准工具之一， 而且还被用来进行诸如潮流之类的稳态分析以及通用电力电子电路如 ＡＣ ／ＤＣ 变换器的动态行为分析。
１９８４ 年， 合作开发组和美国电力科学研究院 （Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ／Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） 开始重新设计了 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 整体构架， 并在１９８６ 年由 Ｈｙｄｒｏ － Ｑｕéｂｅｃ 完成了 ＥＭＴＰ － ＲＶ （ ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ） 的第 １ 版。 同时， 由于曼尼托巴水电公司投运了 Ｎｅｌｓｏｎ Ｒｉｖｅｒ ＨＶＤＣ 输电系统， 由其 ＨＶＤＣ 研究中心开发了专门用于分析 ＨＶＤＣ 输电系统的全新 ＥＭＴＰ 软件， 称之为 ＥＭＴＤＣ 和ＰＳＣＡＤ。 另外， 自 １９７３ 年以来一直参与 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 研发的 Ｗ． Ｓｃｏｔｔ － Ｍｅｙｅｒ 博士， 利用业余时间个人开发了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ （Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ） 以便于公众应用。
自 ２０ 世纪 ９０ 年代起， 世界范围内广泛 应 用 的 ＥＭＴＰ 仿 真 工 具 有 三 种。ＢＰＡ － ＥＭＴＰ最初是针对电力系统稳态及诸如开关、 故障和雷电浪涌等暂态过程分析开发的。 由于智能电网和 ＦＡＣＴＳ 的推广， ＥＭＴＰ 型分析软件需要处理更长的时间周期， 即从毫秒级到秒级甚至分钟级。 为适应这一需求， 上述三种软件不断进行修改和更新， 很多电力公司还专门开发了新的仿真工具。 较为典型就是 ＸＴＡＰ， 由日本电力公司开发。 除此之外， 还出现了被称为实时仿真器的 ＲＴＤＳ 和 ＡＲＥＮＥ。
以上工具软件原理上都采用了电磁波传播模式为横向传播 （Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｏｄｅ， ＴＥＭ） 的电路理论假设。 为了仿真横向和非横向传播模式相关的暂态现象， 例如建筑物 （水平加垂直钢架结构） 内和输电线与附近雷电互感耦合的暂态电磁场等， 数值电磁分析 （ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ＮＥＡ） 就是一种比较有效的方法。 ＮＥＣ 和 ＶＳＴＬ 就是基于 ＮＥＡ 方法较为知名的软件。
在本书的第 １ 部分中， 第 １ 章中介绍了基于电路理论仿真工具和 ＮＥＡ 方法的基本原理。 然后结合部分应用案例， 介绍了各种仿真软件工具的特性、 特长和不足。
仿真软件 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＰ － ＲＶ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ 和 ＸＴＡＰ 分别在第 ２ ～ ５ 章介绍。 第 ６ 章和第 ７ 章则分别阐述数值电磁分析方法中的时域有限差分 （Ｆｉｎｉｔｅ －Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ － Ｄｏｍａｉｎ， ＦＤＴＤ） 法与部分元等效电路 （Ｐａｒｔｉａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔ， ＰＥＥＣ） 法的原理和应用。
在本书第 ２ 部分中， 重点介绍了应用 ＮＥＡ 方法分析研究电力系统中的暂态和动态现象。
第 ８ 章主要阐述应用 ＦＤＴＤ 方法分析可再生能源系统相关的各种元件如风电机组与塔架、 接地以及光伏系统等。
第 ９ 章介绍了风电场和汇流系统。 其系统建模应用了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ、 ＡＲＥＮＥ 和 ＮＥＡ 方法。 最后针对逆流浪涌进行了浪涌分析。
第 １０ 章讨论了保护设备的数值分析， 重点是故障测距和高速开关设备的仿真。本章采用的是 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ。
第 １１ 章论述了电力系统过电压和保护方法， 并研究了应用避雷器抑制过电压以及电力系统的绝缘配合。
第 １２ 章描述了 ＦＡＣＴＳ 中的动态现象尤其是 ＳＴＡＴＣＯＭ， 并对电压源型变换器的谐波谐振进行了数值分析。
第 １３ 章阐述了电缆系统中 ＳＶＣ 的应用。 基于有效值分析和仿真讨论了基于ＳＶＣ 的电缆系统电压控制。
第 １４ 章重点了讨论接地系统。 阐述了接地电极的基本概念和暂态响应。 这种响应采用数值电磁模型进行仿真和分析， 并给出了一个接地电极对输电线雷击响应影响的灵敏度分析案例。
Ａｋｉｈｉｒｏ ＡｍｅｔａｎｉＤｏｓｈｉｓｈａ 大学荣誉教授
日本京都
数值分析是研究电力系统各种现象的一种标准方法。 在电力系统暂态领域， ２０世纪 ６０ 年代数字计算机的兴起开启了数值仿真之路。 １９７３ 年， Ａ． Ａｍｅｔａｎｉ 作为国际大电网组织工作组 （ＣＩＧＲＥ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ） １３ － ０５ 的成员， 开始调研由大学和工业界开发的各种相关软件的精度和局限。 经过工作组的三年调研， 所有成员一致认为， 由美国内政部 （ 后来的美国能源部） 的邦纳维尔电力管理局 （ ＢＰＡ）Ｈ Ｗ Ｄｏｍｍｅｌ 教授开发的电磁暂态程序 （ＥＭＴＰ） 比当时世界上所有其他软件都优秀。 从那时起， 世界各地的学者、 工程人员和大学生开始应用 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ， 同时许多专家对其进行了深入开发。 １９８０ 年， ＥＭＴＰ 不仅是电力系统暂态分析的标准工具之一， 而且还被用来进行诸如潮流之类的稳态分析以及通用电力电子电路如 ＡＣ ／ＤＣ 变换器的动态行为分析。
１９８４ 年， 合作开发组和美国电力科学研究院 （Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ／Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） 开始重新设计了 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 整体构架， 并在１９８６ 年由 Ｈｙｄｒｏ － Ｑｕéｂｅｃ 完成了 ＥＭＴＰ － ＲＶ （ ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ） 的第 １ 版。 同时， 由于曼尼托巴水电公司投运了 Ｎｅｌｓｏｎ Ｒｉｖｅｒ ＨＶＤＣ 输电系统， 由其 ＨＶＤＣ 研究中心开发了专门用于分析 ＨＶＤＣ 输电系统的全新 ＥＭＴＰ 软件， 称之为 ＥＭＴＤＣ 和ＰＳＣＡＤ。 另外， 自 １９７３ 年以来一直参与 ＢＰＡ － ＥＭＴＰ 研发的 Ｗ． Ｓｃｏｔｔ － Ｍｅｙｅｒ 博士， 利用业余时间个人开发了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ （Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ） 以便于公众应用。
自 ２０ 世纪 ９０ 年代起， 世界范围内广泛 应 用 的 ＥＭＴＰ 仿 真 工 具 有 三 种。ＢＰＡ － ＥＭＴＰ最初是针对电力系统稳态及诸如开关、 故障和雷电浪涌等暂态过程分析开发的。 由于智能电网和 ＦＡＣＴＳ 的推广， ＥＭＴＰ 型分析软件需要处理更长的时间周期， 即从毫秒级到秒级甚至分钟级。 为适应这一需求， 上述三种软件不断进行修改和更新， 很多电力公司还专门开发了新的仿真工具。 较为典型就是 ＸＴＡＰ， 由日本电力公司开发。 除此之外， 还出现了被称为实时仿真器的 ＲＴＤＳ 和 ＡＲＥＮＥ。
以上工具软件原理上都采用了电磁波传播模式为横向传播 （Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｏｄｅ， ＴＥＭ） 的电路理论假设。 为了仿真横向和非横向传播模式相关的暂态现象， 例如建筑物 （水平加垂直钢架结构） 内和输电线与附近雷电互感耦合的暂态电磁场等， 数值电磁分析 （ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ＮＥＡ） 就是一种比较有效的方法。 ＮＥＣ 和 ＶＳＴＬ 就是基于 ＮＥＡ 方法较为知名的软件。
在本书的第 １ 部分中， 第 １ 章中介绍了基于电路理论仿真工具和 ＮＥＡ 方法的基本原理。 然后结合部分应用案例， 介绍了各种仿真软件工具的特性、 特长和不足。
仿真软件 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＰ － ＲＶ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ 和 ＸＴＡＰ 分别在第 ２ ～ ５ 章介绍。 第 ６ 章和第 ７ 章则分别阐述数值电磁分析方法中的时域有限差分 （Ｆｉｎｉｔｅ －Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ － Ｄｏｍａｉｎ， ＦＤＴＤ） 法与部分元等效电路 （Ｐａｒｔｉａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔ， ＰＥＥＣ） 法的原理和应用。
在本书第 ２ 部分中， 重点介绍了应用 ＮＥＡ 方法分析研究电力系统中的暂态和动态现象。
第 ８ 章主要阐述应用 ＦＤＴＤ 方法分析可再生能源系统相关的各种元件如风电机组与塔架、 接地以及光伏系统等。
第 ９ 章介绍了风电场和汇流系统。 其系统建模应用了 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ、 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ、 ＡＲＥＮＥ 和 ＮＥＡ 方法。 最后针对逆流浪涌进行了浪涌分析。
第 １０ 章讨论了保护设备的数值分析， 重点是故障测距和高速开关设备的仿真。本章采用的是 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ。
第 １１ 章论述了电力系统过电压和保护方法， 并研究了应用避雷器抑制过电压以及电力系统的绝缘配合。
第 １２ 章描述了 ＦＡＣＴＳ 中的动态现象尤其是 ＳＴＡＴＣＯＭ， 并对电压源型变换器的谐波谐振进行了数值分析。
第 １３ 章阐述了电缆系统中 ＳＶＣ 的应用。 基于有效值分析和仿真讨论了基于ＳＶＣ 的电缆系统电压控制。
第 １４ 章重点了讨论接地系统。 阐述了接地电极的基本概念和暂态响应。 这种响应采用数值电磁模型进行仿真和分析， 并给出了一个接地电极对输电线雷击响应影响的灵敏度分析案例。
Ａｋｉｈｉｒｏ ＡｍｅｔａｎｉＤｏｓｈｉｓｈａ 大学荣誉教授
日本京都
