0 引言

电磁暂态仿真是用数值计算的方法对电力系统从微秒至秒之间的电磁暂态过程进行模拟，可以考虑输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程，以及一系列元件（避雷器、变压器、电抗器等）的非线性特性、直流输电和柔性交流输电（FACTS）装置的暂态过程^[1-2]，能够更准确地反映电网实际特性^[3-4]。近年来，随着高压直流输电系统和大规模新能源场站投入运行，大量电力电子元器件接入电网，传统电网特性逐渐发生变化^[5-10]，为更准确分析电网特性，优化电网设计、安排合理运行方式，电磁暂态仿真已成为电网仿真的重要手段^[11]。

目前，PSCAD/EMTDC是国内外电力行业常用的电磁暂态仿真软件，广泛用于直流输电系统、新能源并网特性、过电压与绝缘配合等电网仿真计算，具备多核并行计算功能，可支持较大规模电网电磁暂态仿真。该软件采用图形化的建模方式，通常需要人工手动建模，具有操作简单、容易掌握的优点。然而，当开展大电网电磁暂态建模仿真时，由于电网规模较大，手动建模存在耗时长、错误率较高等问题。因此，有必要开发自动转换程序，将已有的电网模型自动转换为电磁暂态模型^[12-18]。文献[12]在对BPA和Matpower数据结构特点进行详细分析基础上，设计开发出了一种转换数据的接口程序，并进行了模型测试与对比；文献[13-14]分析了BPA和Digsilent模型特点，并开发了相关转换软件，为电网机电暂态模型向电磁暂态模型转换提供了重要思路；文献[15-18]研究了机电暂态软件BPA和PSS/E潮流模型、暂态模型的特点，开发了BPA模型向PSS/E模型转换软件；文献[19]对比分析了BPA和PSCAD两种软件电网模型的差别，并对二者模型自动转换方法进行了相关研究，然而支持的电网模型规模仍然较小。

本文深入研究了机电暂态仿真软件PSD-BPA和电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC电网模型（主要包含传输线、发电机、负荷和变压器模型）数据结构和参数特征，确立模型对应参数转换关系，并据此开发了自动转换程序。该程序能够自动识别BPA中三绕组变压器和3个双绕组变压器模型，并完成转换；同时能够识别BPA中的PZ卡信息，根据PZ卡中电源出力以及负荷信息，直接修改对应地区电源出力和负荷大小。

以某省电网为例，进行了模型转换，通过对比转换前后线路有功功率、无功功率和母线节点电压相对误差，验证了转换程序的准确性和有效性，有效解决了大电网电磁暂态建模存在的效率较低、错误率较高等问题。

1 自动转换程序总体架构与功能

PSCAD/EMTDC是基于图形化建模的电磁暂态仿真软件，具有建模操作简单的特点，与此同时，为实现不同电力系统仿真软件的模型向PSCAD/EMT⁃ DC转换，还提供了电网模型的文本文件。因此，可开发应用程序，将已有软件的电网模型按照PSCAD/ EMTDC电网模型文本文件的数据格式进行编写，实现电网模型自动转换。

本文开发的自动转换程序总体架构示意图如图 1所示，读取PSD-BPA潮流文件、潮流结果文件和稳定文件，并且自动生成电网模型文本文件，该文件中含有电网模型的拓扑结构、元件及对应参数、潮流结果等信息；然后，调用PSCAD程序模块，根据上述结果文件，生成电网模型位图文件；最后，由电网位图文件和电网模型结果文件生成电网电磁暂态模型，而且直接运行后，潮流结果与PSD-BPA结果一致。

2 自动转换程序转换模块 2.1 传输线转换模块

在PSD-BPA软件中，以“L”和“L0”开头的数据卡按照一定格式记录交流传输线参数，包含线路两端节点名称、电压等级、并联回路标志号、线路阻抗标幺值和导纳标幺值等，PSD-BPA传输线数据见表 1。

转换程序根据PSD-BPA传输线参数格式和存储位置，读取其节点名、电压等级、阻抗标幺值和导纳标幺值，然后按照一定关系转换并存储。正序和零序参数转换关系见公式（1）—（6）。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：R_L^* —传输线电阻标幺值；

R_L —传输线电阻有名值，Ω；

Z_B —阻抗基准值，Z_B =U_B²/S_B，其中，U_B为电压基准值，kV；S_B为容量基准值，MVA；

X_L^* —传输线电抗标幺值；

X_L —传输线电抗有名值，Ω；

B_L^* —传输线对地电纳标幺值（一侧）；

B_L —传输线对地电纳有名值，MΩ·m；

R_L0^* —传输线零序电阻标幺值；

R_L —传输线零序电阻有名值，Ω；

X_L0^*—传输线零序电抗标幺值；

X_L0 —传输线零序电抗有名值，Ω；

B_L0^* —传输线对地零序电纳标幺值（一侧）；

B_L0 —传输线对地零序电纳有名值，MΩ·m。

不同传输线的传播时延不同，进行传输线模型转换时，根据PSD-BPA文件中的传输线阻抗和对地导纳计算传播时延，计算公式见式（7）：

(7)

式中：l为传输线长度，m；τ为传输线传播时延，s；v为电磁波传播速度，m/s，

其中，C为传输线电容有名值，F；L为传输线电感有名值，H。

传输线模型转换流程如图 2所示，从PSD-BPA潮流数据卡中读取线路节点名、电压等级和正序电阻、电抗和电纳参数，并按照式（1）—（3）转换；从PSD-BPA稳定数据中读取对应零序电阻、电抗和电纳参数，并按照式（4）—（6）转换。根据式（7）计算线路传播时延，当传播时延大于程序设定计算步长时，程序将传输线模型转换为Bergeron模型，当线路传播时延小于计算步长时，则将传输线模型转换为π型模型。

2.2 发电机节点转换模块

在PSD-BPA软件中，以“BQ”“BS”和“BG”等开头的数据卡按照一定格式记录发电机节点参数，包含发电机节点名称、电压等级、最大有功出力、实际有功出力、最大无功出力、安排无功出力、并联导纳负荷、恒定负荷、安排电压等，PSD-BPA发电机数据见表 2。

PSD-BPA程序中常用发电机节点主要包含BQ和BS两种类型，其中，BQ节点需要给定有功功率和节点电压，有功功率按照给定值输出，无功功率根据给定的电压值进行调整，当无功功率超出上界或者下界时，按照无功上界或者下界输出；BS节点为平衡节点，即电压和相角恒定不变。

转换程序从PSD-BPA潮流文件、稳定文件和结果文件中读取相关参数，生成电压源。发电机模型转换流程如图 3所示，从PSD-BPA潮流数据卡中读取发电机节点名称、电压等级、最大有功出力、实际有功出力、最大无功出力和安排电压值；从PSD-BPA稳定数据卡中读取该发电机对应直轴次暂态电抗标幺值，并按照式（8）转换；从PSD-BPA结果文件中读取发电机母线电压和相角，最后生成对应电压源。

(8)

式中：X″_d^*为直轴次暂态电抗标幺值；X″_d为直轴次暂态电抗有名值，Ω；Z_B为阻抗基准值。

2.3 负荷模型转换模块

通常，负荷模型以给定的有功功率和无功功率表示，只有在对计算精度要求较高时，才需要计及负荷的静态特性。负荷的静态特性可以用超越函数或多项式表示，见公式（9）、（10）。

(9)

(10)

式中：P为负荷有功功率，MW；Q为无功功率，Mvar；P_N为额定有功功率，MW；Q_N为额定无功功率，Mvar；U为电压，kV；U_N为额定电压，kV；p、q为待定系数，可通过拟合相应的特性曲线得到。

PSD-BPA程序中主要采用恒定功率和恒定阻抗负荷模型，其中，恒定功率负荷模型不受其节点电压的影响，可以保持有功和无功功率恒定不变；恒定阻抗负荷模型可以保持阻抗不变，其有功功率和无功功率随电压变化而变化。通常，在电力系统正常运行时，母线电压变化范围较小，因此采用恒定阻抗负荷模型时，其功率变化也较小。

无功补偿设备，包含变压器低压侧、母线和线路等无功补偿设备，也采用负荷模型模拟。PSD-BPA程序中负荷模型参数在B、BQ等节点数据卡中填写。转换程序从潮流文件中读取负荷模型相关参数，并转换为电磁暂态模型。负荷模型转换流程如图 4所示，从PSD-BPA潮流数据卡中读取标识符为“B”的数据卡，读取节点名、电压等级、恒定有功和无功负荷、恒定阻抗负荷，并转换为对应电磁暂态模型。

2.4 变压器模型转换模块

在电网中变压器通常采用双绕组或三绕组结构，PSD-BPA程序中双绕组变压器模型与PSCAD程序中模型相对应，比较容易转换；PSD-BPA程序中三绕组变压器模型由3台双绕组变压器表示，与PSCAD程序中的三绕组变压器模型存在较大差异，需要进行判别、处理，然后进行转换。PSD-BPA变压器数据如表 3所示。

PSD-BPA程序中三绕组变压器模型的3台双绕组变压器连接到1个公共节点，并且其电压等级为1 kV，这一特点可作为1台三绕组变压器和3台双绕组变压器并联两种结构的判据。三绕组变压器漏抗按照公式（11）—（13）折算。

(11)

(12)

(13)

式中：X_HM^*、X_HL^*、X_ML^*分别为三绕组变压器高—中、高—低和中—低绕组漏抗标幺值（按变压器容量折算）；S_T为变压器容量，MVA；S为PSD-BPA中基准容量，MVA；X_H^*、X_M^*和X_L^* 分别为PSD-BPA中高、中和低压侧漏抗标幺值（按PSD-BPA基准容量折算）。

三绕组变压器铜损等效电阻按照公式（14）—（16）折算。

(14)

(15)

(16)

式中：R_HM^*、R_HL^*和R_ML^*分别为三绕组变压器高—中、高—低和中—低绕组铜损等效电阻标幺值（按变压器容量折算）；R_H^*、R_M^*和R_L^*分别为PSD-BPA中高、中和低压侧铜损等效电阻标幺值（按PSD-BPA基准容量折算）。

双绕组变压器漏抗和铜损等效电阻标幺值按照公式（17）、（18）折算。

(17)

(18)

式中：X_TP^*为双绕组变压器漏抗标幺值（按变压器容量折算）；X_TB^*为双绕组变压器漏抗标幺值（按PSD-BPA基准容量折算）；R_TP^*为双绕组变压器铜损等效电阻标幺值（按变压器容量折算）；R_TB^*为双绕组变压器铜损等效电阻标幺值（按PSD-BPA基准容量折算）。

变压器模型转换流程如图 5所示。读取PSD-BPA潮流文件中变压器卡（T卡）参数，包含节点名称、电压等级、额定容量、铜损等效电阻、漏抗和分接头位置等；根据文中提到的判据识别双绕组和三绕组变压器，对于三绕组变压器，按照式（11）—（16）对其参数进行折算，对于双绕组变压器，按照式（17）和式（18）对其参数进行折算。

3 转换结果验证

本文以某省电网（三相节点数约为2300）为研究对象，利用开发的转换程序，将其PSD-BPA模型（包含潮流文件、稳定文件和潮流结果文件）转换为PSCAD电磁暂态模型。

转换软件界面如图 6所示，选择待转换的PSD-BPA潮流文件、稳定文件和潮流结果文件，设定电磁暂态模型基准容量和频率（需要与PSD-BPA保持一致），并具三绕组变压器转换功能。

点击“Confirm”确认转换后，自动生成转换结果（见图 7），该文件是可解析文件，每行记录1个元件参数。以元件编号为开始标识，以字符“0/”为结尾标识，按照元件类型将全网所有母线、负荷、发电机、变压器、线路等参数、对应潮流结果存储在文件中。

调用PSCAD程序，按照上述转换结果文件生成对应位图文件，然后根据实际电网拓扑结构对转换后位图文件中各个元件位置进行人工手动调整，形成最终的电网电磁暂态模型位图文件，典型位图如图 8所示。然后将转换结果文件和对应位图文件相关联，生成PSCAD/EMTDC可执行的文件。

3.1 电网模型转换前后潮流结果对比分析

完成模型转换后，进行全网电磁暂态仿真，然后将PSCAD软件中线路有功功率、无功功率、节点电压计算结果与PSD-BPA软件中对应计算结果进行对比，结果表明：有功功率和无功功率相对误差均不超过1%，节点电压相对误差不超过0.1%，验证了转换程序的准确性和可靠性。选取部分对比结果，如表 4—6所示。

3.2 电网模型转换前后动态结果对比分析

分别在BPA和PSCAD中设置相同故障，即在电网某一线路设置三相短路故障，故障时刻为t=3.0 s，故障持续时间为5个周波（100 ms）。其中，某发电厂BPA和PSCAD模型动态响应对比曲线如图 9—11所示，在t=3.0 s时，三相短路故障发生，发电机机端母线电压和有功功率迅速跌落，故障持续5个周波后消失，发电机机端母线电压逐渐恢复至1.0（p.u.）且在此稳定运行。故障期间发电机的无功功率迅速升高，以支撑和调节机端电压，随着故障消失，无功功率迅速下降到故障之前水平。由仿真对比结果可以看出，转换前后，发电机动态响应曲线基本一致。

4 结语

本文深入研究了PSD-BPA和PSCAD电网模型（包含传输线、变压器、负荷、发电机等）的数据结构和特点，开发了PSD-BPA至PSCAD模型自动转换程序，该程序可以便捷地将PSD-BPA电网模型和潮流结果转换到电磁暂态程序PSCAD中，而且二者潮流结果基本相同。以某省电网为例进行模型转换和仿真计算，经对比分析，转换后有功功率和无功功率相对误差均不超过1%，节点电压相对误差不超过0.1%；对比分析了故障情况下BPA和PSCAD火电机组动态响应曲线，二者基本一致，进一步验证了转换程序的准确性和可靠性。