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【摘 要】 目前，我国电力系统的发展正面临着大容量、大机组、高电压等级、远距离输电、大电网互联和电力市场改革等问题的挑战，传统的离线非实时仿真技术已不能完全满足电力系统科研、规划、设计和运行的实际需要，从长远看，建立大型的实时数字仿真系统是现代电力系统仿真技术发展的必然趋势。
在发电机励磁控制系统数字仿真方面，世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁控制系统，这种无旋转励磁机的可控硅自并励系统运行可靠、性能良好、结构简单、制造容易，大大降低了系统造价，因此选择这种励磁系统作为数字仿真实例具有很高的现实意义。
【关键词】 电力系统；数字仿真；应用
一、绪论
1、选题意义
电力工业的迅速发展，一系列远距离输电系统的建立，电网结构日趋复杂，使得电力系统的稳定性问题成为广大电力工作者共同关心的同题。同步发电机的励磁系统对于电力系统的可靠性有着重要意义，它直接影响到发电机的性能、稳定性和技术要求。同时，当电力系统发生故障时，发电机励磁系统对保证机组的安全运行及迅速恢复供电电压也具有重要作用。
2、计算机仿真技术
所谓仿真就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。数字仿真（计算机仿真）就是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行实验研究。计算机仿真过程简述：第一步：建立系统的数学模型。第二步：建立仿真模型。第三步：编制仿真程序。第四步：进行仿真实验并输出仿真结果。数字仿真涉及到三个具体的部分：一是实际系统，二是数学模型，三是计算机，并且共有两次模型化。第一次是将实际系统变成数学模型，第二次是将数学模型变成仿真模型，这可以用图1-1来表示。
就控制系统的仿真而言，它是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性学科。控制系统建模与数字仿真主要研究如何给控制系统建立数学模型，然后进行模型仿真以观察和分析模型本身特性，或进行系统仿真以研究和分析系统或控制器的特性。
图1-1 一次模型化与二次模型化
3、同步发电机的励磁自动控制系统
励磁调节器由主回路和控制回路两部分组成。主回路包括励磁变压器和可控硅整流电路，其作用是向发电机转子提供励磁电流。控制回路由电压测量单元，综合放大单元、积分单元、适应单元和移相触发单元组成，其作用是根据发电机电压变化形成控制信号实现正确的电压调节。励磁调节器和发电机一起组成一个闭环反馈控制系统——发电机励磁控制系统。
同步发电机的励磁自动控制系统类型结构图如图1-3所示。
图1-3 发电机励磁自动控制系统类型结构图
二、数字仿真概述
1、系统数字仿真
数字仿真是控制系统计算机辅助设计的一种手段，它是根据性能相似原理构成系统的仿真模型。电力系统稳定计算的关键问题之一是建立系统准确的数学模型。但随着电网规模的扩大，在对电力系统仿真时，往往缺少与实际运行状况相吻合的模型参数。因此，为使稳定计算结果更贴近实际系统，常用的方法是计算机数字仿真，需进行励磁系统建模试验，由试验结果辨识得到模型参数计算机集成制造系统（CIMS）思想的实施能够给企业带来巨大的经济效益。
2、数字仿真的步骤
仿真是研究系统的一种先进方法。
第一步：问题的描述。第二步：建立系统的数学模型。可以是机理建摸，也可以是采用系统参数辨识的方法，或两者结合的方法来建摸。第三步：建立仿真模型。即通过一定的算法对原系统的数学模型进行离散化处理，就连续系统而言，就是建立相应的差分方程。第四步：编制仿真程序。对于非实时仿真，可用一般的高级语言或仿真语言。通过试验对仿真系统模型及程序进行校验和修改，然后按系统仿真的要求输出仿真结果。
3、数字仿真的优点
数字仿真在系统研究中有如此快速的发展是因为计算机技术和软件技术的飞速发展，而系统数字仿真的独特优点也是促使其快速发展的重要因素。这些独特优点是：
1）不受被研究系统的规模和复杂性的限制。并且，若要对尚处于论证或设计阶段的系统进行研究，由于实际系统并不存在，因此只能进行数字仿真；
2）利用数字仿真技术研究系统，具有经济、安全、效率高等优点。许多系统试验，例如电力系统故障试验、稳定性破坏试验、核电站控制系统试验等，直接在原型系统上做试验有很大危险性，甚至是不允许的。这时，用系统数字仿真的方法是唯一可行的途径
3）利用数字仿真技术研究系统非常方便灵活。由于在模型上进行试验，因而容易改变系统的结构和参数，还可以避免环境的干扰，很好地控制试验过程，并且有可以重现试验条件、放大或缩小自然现象和过程等一系列优点，便于对系统进行观察和研究。
4）可用于对未来系统发展的预测。
4、数字仿真在电力系统的应用
电力系统仿真可以分为研究仿真和培训仿真。研究仿真包括电磁暂态和暂态稳定仿真；培训仿真包括属于EMS的调度员仿真器DTS、变电站培训人员培训仿真器和发电厂机组运行人员培训仿真器。电力系统数字仿真发展十分迅速，应用日益广泛，主要应用于以下几个方面：
1）研究用的电力系统数字仿真
电力系统数字仿真最先应用于电力系统暂态过程的研究。电力系统电磁暂态计算程序（EMTP）就是一种功能很强，适用性很广的研究用数字仿真程序，它可用于研究电磁暂态、电磁谐振、机—电振荡、机组轴系扭振和由断路器切换、雷电冲击引起的暂态过程。除此以外，还有大量适合于专门功能的电力系统数字仿真程序，它们具有小型、灵活、适用性强的优点。最近发展起来的既有研究功能又有辅助设计功能的数字仿真系统是电力系统继电保护装置的计算辅助分析仿真系统，它是一种有实物（例如线路保护装置）接入的数字仿真系统。
2）培训用的电力系统仿真器
目前用于电力系统培训的仿真器有电力系统调度培训仿真器、发电厂单元机组培训仿真器和变电站培训仿真器等。培训仿真器和研究用仿真器有很大区别。培训仿真器以培训运行、操作人员为目的，所以要求培训仿真环境尽可能逼真，要求仿真器的操作机构、仪表、信号和音响与实际系统相同，使学员有身临其境之感，只有在认真严肃的培训环境中，才有利于培养学员对系统变化的反应能力和判断力，提高运行技术水平。相对而言，培训仿真器对于动态过程的计算精度和数学模型要求不高，因而这方面的费用可以节省。
三、发电机励磁系统数字仿真的发展趋势
电力系统仿真技术的发展趋势随着电力系统的发展而发展，对电力系统的安全可靠提出了更高的要求；同时，随着电力系统大量先进的控制装置的应用，如FACTS和电力电子装置、直流输电系统、继电保护装置、安全稳定监控装置等，对电力系统仿真技术提出了新的要求。
大规模实时仿真系统、电力系统的大量先进的控制和测量装置，如FACTS控制装置、直流输电控制装置、继电保护装置、安全稳定监控装置（包括广域测量装置等）都要由电磁暂态和机电暂态的实时仿真装置进行试验验证，才能投入实际系统使用。因此，发展数字式或数模混合式电力系统实时仿真装置都是必须的。在发电机励磁控制系统数字仿真方面，世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁控制系统，这种无旋转励磁机的可控硅自并励系统运行可靠、性能良好、结构简单、制造容易，大大降低了系统造价。虽然同步发电机的非线性励磁控制在理论上已经得到了充分的研究并在我国开始应用，但我国大部分机组还是使用PSS/PID的控制方式，因为非线性控制领域中还存在一些问题有待进一步研究，可以断言，非线性励磁控制方式的采用将是励磁控制方式发展的必然趋势。
作者简介：杨少雷、男、1983-10-06，于2008年7月毕业于华北电力大学、本科学士学位。现工作于神华河北国华沧东发电有限责任公司运行部集控值班员，助理工程师。主要研究方向是数字仿真机在发电机励磁系统的应用。
在发电机励磁控制系统数字仿真方面，世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁控制系统，这种无旋转励磁机的可控硅自并励系统运行可靠、性能良好、结构简单、制造容易，大大降低了系统造价，因此选择这种励磁系统作为数字仿真实例具有很高的现实意义。
【关键词】 电力系统；数字仿真；应用
一、绪论
1、选题意义
电力工业的迅速发展，一系列远距离输电系统的建立，电网结构日趋复杂，使得电力系统的稳定性问题成为广大电力工作者共同关心的同题。同步发电机的励磁系统对于电力系统的可靠性有着重要意义，它直接影响到发电机的性能、稳定性和技术要求。同时，当电力系统发生故障时，发电机励磁系统对保证机组的安全运行及迅速恢复供电电压也具有重要作用。
2、计算机仿真技术
所谓仿真就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。数字仿真（计算机仿真）就是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行实验研究。计算机仿真过程简述：第一步：建立系统的数学模型。第二步：建立仿真模型。第三步：编制仿真程序。第四步：进行仿真实验并输出仿真结果。数字仿真涉及到三个具体的部分：一是实际系统，二是数学模型，三是计算机，并且共有两次模型化。第一次是将实际系统变成数学模型，第二次是将数学模型变成仿真模型，这可以用图1-1来表示。
就控制系统的仿真而言，它是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性学科。控制系统建模与数字仿真主要研究如何给控制系统建立数学模型，然后进行模型仿真以观察和分析模型本身特性，或进行系统仿真以研究和分析系统或控制器的特性。
图1-1 一次模型化与二次模型化
3、同步发电机的励磁自动控制系统
励磁调节器由主回路和控制回路两部分组成。主回路包括励磁变压器和可控硅整流电路，其作用是向发电机转子提供励磁电流。控制回路由电压测量单元，综合放大单元、积分单元、适应单元和移相触发单元组成，其作用是根据发电机电压变化形成控制信号实现正确的电压调节。励磁调节器和发电机一起组成一个闭环反馈控制系统——发电机励磁控制系统。
同步发电机的励磁自动控制系统类型结构图如图1-3所示。
图1-3 发电机励磁自动控制系统类型结构图
二、数字仿真概述
1、系统数字仿真
数字仿真是控制系统计算机辅助设计的一种手段，它是根据性能相似原理构成系统的仿真模型。电力系统稳定计算的关键问题之一是建立系统准确的数学模型。但随着电网规模的扩大，在对电力系统仿真时，往往缺少与实际运行状况相吻合的模型参数。因此，为使稳定计算结果更贴近实际系统，常用的方法是计算机数字仿真，需进行励磁系统建模试验，由试验结果辨识得到模型参数计算机集成制造系统（CIMS）思想的实施能够给企业带来巨大的经济效益。
2、数字仿真的步骤
仿真是研究系统的一种先进方法。
第一步：问题的描述。第二步：建立系统的数学模型。可以是机理建摸，也可以是采用系统参数辨识的方法，或两者结合的方法来建摸。第三步：建立仿真模型。即通过一定的算法对原系统的数学模型进行离散化处理，就连续系统而言，就是建立相应的差分方程。第四步：编制仿真程序。对于非实时仿真，可用一般的高级语言或仿真语言。通过试验对仿真系统模型及程序进行校验和修改，然后按系统仿真的要求输出仿真结果。
3、数字仿真的优点
数字仿真在系统研究中有如此快速的发展是因为计算机技术和软件技术的飞速发展，而系统数字仿真的独特优点也是促使其快速发展的重要因素。这些独特优点是：
1）不受被研究系统的规模和复杂性的限制。并且，若要对尚处于论证或设计阶段的系统进行研究，由于实际系统并不存在，因此只能进行数字仿真；
2）利用数字仿真技术研究系统，具有经济、安全、效率高等优点。许多系统试验，例如电力系统故障试验、稳定性破坏试验、核电站控制系统试验等，直接在原型系统上做试验有很大危险性，甚至是不允许的。这时，用系统数字仿真的方法是唯一可行的途径
3）利用数字仿真技术研究系统非常方便灵活。由于在模型上进行试验，因而容易改变系统的结构和参数，还可以避免环境的干扰，很好地控制试验过程，并且有可以重现试验条件、放大或缩小自然现象和过程等一系列优点，便于对系统进行观察和研究。
4）可用于对未来系统发展的预测。
4、数字仿真在电力系统的应用
电力系统仿真可以分为研究仿真和培训仿真。研究仿真包括电磁暂态和暂态稳定仿真；培训仿真包括属于EMS的调度员仿真器DTS、变电站培训人员培训仿真器和发电厂机组运行人员培训仿真器。电力系统数字仿真发展十分迅速，应用日益广泛，主要应用于以下几个方面：
1）研究用的电力系统数字仿真
电力系统数字仿真最先应用于电力系统暂态过程的研究。电力系统电磁暂态计算程序（EMTP）就是一种功能很强，适用性很广的研究用数字仿真程序，它可用于研究电磁暂态、电磁谐振、机—电振荡、机组轴系扭振和由断路器切换、雷电冲击引起的暂态过程。除此以外，还有大量适合于专门功能的电力系统数字仿真程序，它们具有小型、灵活、适用性强的优点。最近发展起来的既有研究功能又有辅助设计功能的数字仿真系统是电力系统继电保护装置的计算辅助分析仿真系统，它是一种有实物（例如线路保护装置）接入的数字仿真系统。
2）培训用的电力系统仿真器
目前用于电力系统培训的仿真器有电力系统调度培训仿真器、发电厂单元机组培训仿真器和变电站培训仿真器等。培训仿真器和研究用仿真器有很大区别。培训仿真器以培训运行、操作人员为目的，所以要求培训仿真环境尽可能逼真，要求仿真器的操作机构、仪表、信号和音响与实际系统相同，使学员有身临其境之感，只有在认真严肃的培训环境中，才有利于培养学员对系统变化的反应能力和判断力，提高运行技术水平。相对而言，培训仿真器对于动态过程的计算精度和数学模型要求不高，因而这方面的费用可以节省。
三、发电机励磁系统数字仿真的发展趋势
电力系统仿真技术的发展趋势随着电力系统的发展而发展，对电力系统的安全可靠提出了更高的要求；同时，随着电力系统大量先进的控制装置的应用，如FACTS和电力电子装置、直流输电系统、继电保护装置、安全稳定监控装置等，对电力系统仿真技术提出了新的要求。
大规模实时仿真系统、电力系统的大量先进的控制和测量装置，如FACTS控制装置、直流输电控制装置、继电保护装置、安全稳定监控装置（包括广域测量装置等）都要由电磁暂态和机电暂态的实时仿真装置进行试验验证，才能投入实际系统使用。因此，发展数字式或数模混合式电力系统实时仿真装置都是必须的。在发电机励磁控制系统数字仿真方面，世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁控制系统，这种无旋转励磁机的可控硅自并励系统运行可靠、性能良好、结构简单、制造容易，大大降低了系统造价。虽然同步发电机的非线性励磁控制在理论上已经得到了充分的研究并在我国开始应用，但我国大部分机组还是使用PSS/PID的控制方式，因为非线性控制领域中还存在一些问题有待进一步研究，可以断言，非线性励磁控制方式的采用将是励磁控制方式发展的必然趋势。
作者简介：杨少雷、男、1983-10-06，于2008年7月毕业于华北电力大学、本科学士学位。现工作于神华河北国华沧东发电有限责任公司运行部集控值班员，助理工程师。主要研究方向是数字仿真机在发电机励磁系统的应用。