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| 內容簡介： |
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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、EMTDCPSCAD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。
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| 目錄：
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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 ＥＭＴＰ１
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 ＴＡＣＳ１６
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
１. ２. １ 引言３０
１. ２. ２ 麦克斯韦方程３０
１. ２. ３ ＮＥＡ 方法３１
１. ２. ４ 时域和频域的矩量法３２
１. ２. ５ 时域有限差分法３３
１. ３ 结论３４
参考文献３４
第 ２ 章 ＥＭＴＰ － ＡＴＰ３８
２. １ 引言３８
２. ２ 性能３９
２. ２. １ 概述３９
２. ２. ２ 内置电气元件４０
２. ２. ３ 嵌入式仿真模块 ＴＡＣＳ 和 ＭＯＤＥＬＳ４０
２. ２. ４ 辅助模块４１
２. ２. ５ 频域分析４２
２. ２. ６ 潮流选项———ＦＩＸ ＳＯＵＲＣＥ４２
２. ２. ７ 典型电力系统研究４３
２. ３ 解决方法４３
２. ３. １ 开关４４
２. ３. ２ 非线性４７
２. ３. ３ 传输线４８
２. ３. ４ 电机５０
２. ４ 控制系统５１
２. ４. １ ＴＡＣＳ５１
２. ４. ２ ＭＯＤＥＬＳ５３
２. ４. ３ 用户自定义组件 （ｔｙｐｅ － ９４）５４
２. ５ 图形预处理器 ＡＴＰＤｒａｗ５５
２. ５. １ 主要功能５６
２. ５. ２ 输入对话框５８
２. ５. ３ 线路和电缆建模———ＬＣＣ 模块５８
２. ５. ４ 变压器建模———ＸＦＭＲ 模块 ５９
２. ５. ５ 电机建模———Ｗｉｎｄｓｙｎ 模块６０
２. ５. ６ ＭＯＤＥＬＳ 模块６１
２. ６ 其他仿真后处理和仿真预处理程序６２
２. ６. １ 查看和创建科学绘图的 ＰｌｏｔＸＹ 程序６２
２. ６. ２ ＡＴＰＤｅｓｉｇｎｅｒ———电力网络的设计和仿真６２
２. ６. ３ ＡＴＰ Ａｎａｌｙｚｅｒ６５
２. ７ 算例６６
２. ７. １ 雷电研究———线路建模、 闪络和电流波动６６
２. ７. ２ 中性点线圈调谐———优化７０
２. ７. ３ 电弧建模７２
２. ７. ４ 变压器励磁涌流计算７４
２. ７. ５ 电力系统工具箱： 继电器７９
参考文献８５
第 ３ 章 ＥＭＴＰ － ＲＶ 电磁暂态仿真８８
３. １ 引言８８
３. ２ ＥＭＴＰ 的主要模块８８
３. ３ 图形用户界面８９
３. ４ 稳态和时域解的 ＥＭＴＰ 网络方程公式９１
３. ４. １ ＥＭＴＰ 中使用的修正增广节点分析９１
３. ４. ２ 状态空间分析９６
３. ５ 控制系统９７
３. ６ 多相潮流解和初始化９９
３. ６. １ 潮流约束１０１
３. ６. ２ 潮流方程的初始化１０２
３. ６. ３ 稳态解的初始化１０２
３. ７ 实现１０２
３. ８ ＥＭＴＰ 模型１０３
３. ９ 外部编程接口１０４
３. １０ 应用示例１０４
３. １０. １ 开关暂态研究１０５
３. １０. ２ ＩＥＥＥ － ３９ 节点基准算例１０６
３. １０. ３ 风力发电１０６
３. １０. ４ 地磁扰动１１０
３. １０. ５ ＨＶＤＣ 输电 １１０
３. １０. ６ 规模非常大的系统１１２
３. １１ 结论１１４
参考文献１１４
第 ４ 章 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ１１７
４. １ 引言１１７
４. ２ ＥＭＴＤＣ 的功能 １１９
４. ３ 时间步长之间的插值１２０
４. ４ 用户建模１２３
４. ５ 其他程序接口１２３
４. ５. １ 与 ＭＡＴＬＡＢ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的接口１２３
４. ５. ２ 与 Ｅ － ＴＲＡＮ 转换器的接口１２３
４. ６ ＰＳＣＡＤ 中的操作１２６
４. ６. １ ＰＳＣＡＤ 中的基本操作１２６
４. ６. ２ 混合仿真１２７
４. ６. ３ 电力系统设备的准确建模１２８
４. ６. ４ 大型复杂的电力系统模型１２８
４. ７ ＰＳＣＡＤ 的专业研究１２９
４. ７. １ 全局增益裕度１２９
４. ７. ２ 多控制功能优化１２９
４. ７. ３ 次同步振荡１２９
４. ７. ４ 次同步控制交互１３０
４. ７. ５ 谐波频率扫描１３１
４. ８ ＰＳＣＡＤ 的进一步开发１３１
４. ８. １ 并行处理１３１
４. ８. ２ 大型系统研究的通信、 安全和管理１３２
４. ９ ＰＳＣＡＤ 在电缆暂态方面的应用１３３
４. ９. １ 仿真设置１３３
４. ９. ２ 用于电缆常数计算的参数１３６
４. ９. ３ 电缆模型的改进１３８
４. ９. ４ ＰＳＣＡＤ 应用于电缆暂态的总结１４１
４. １０ 结论１４２
参考文献１４３
第 ５ 章 ＸＴＡＰ１４５
５. １ 引言１４５
５. ２ 基于 ２Ｓ － ＤＩＲＫ 方法的数值积分１４５
５. ２. １ ２Ｓ － ＤＩＲＫ 积分算法１４６
５. ２. ２ 线性电感和电容公式１４７
５. ２. ３ 与其他积分方法的分析精度比较１４８
５. ２. ４ 与其他积分方法的分析稳定性和刚性衰减比较１４９
５. ２. ５ 与其他积分方法的数值比较１５１
５. ３ 基于鲁棒高效迭代方案的求解方法１５８
５. ３. １ 问题描述１５８
５. ３. ２ 迭代方法１５９
５. ３. ３ ＸＴＡＰ 中使用的迭代方案１６３
５. ３. ４ 数值算例１６３
５. ４ 稳态初始化方法１７１
５. ５ 面向对象设计的仿真代码１７２
参考文献１７３
第 ６ 章 采用时域有限差分法的数值电磁分析１７７
６. １ 引言１７７
６. ２ ＦＤＴＤ 法１７７
６. ２. １ 基础１７７
６. ２. ２ 优点和缺点１８０
６. ３ 雷电回击通道和激励的表示１８０
６. ３. １ 雷电回击通道１８０
６. ３. ２ 激励１８２
６. ４ 应用１８３
６. ４. １ 近距离和远距离的雷电电磁场１８３
６. ４. ２ 架空输电线路和塔架上的雷电浪涌１８７
６. ４. ３ 架空配电线路上的雷电浪涌１９２
６. ４. ４ 变电站的雷电电磁环境１９５
６. ４. ５ 飞行器的雷电电磁环境１９５
６. ４. ６ 建筑物的雷电浪涌和电磁环境１９５
６. ４. ７ 接地电极浪涌１９５
６. ５ 结论１９６
参考文献１９６
第 ７ 章 采用 ＰＥＥＣ 法的数值电磁分析２０４
７. １ 混合势积分方程２０６
７. ２ 广义 ＰＥＥＣ 模型２０７
７. ２. １ 广义 ＰＥＥＣ 法的推导２０７
７. ２. ２ ＰＥＥＣ 法的电路解释２１２
７. ２. ３ ＰＥＥＣ 元的离散化２１３
７. ２. ４ 平面半空间的 ＰＥＥＣ 模型２１３
７. ３ ＰＥＥＣ 模型的相关近似２１４
７. ３. １ 中心到中心的延迟近似２１４
７. ３. ２ 准静态 ＰＥＥＣ 模型２１５
７. ３. ３ 微元的计算２１６
７. ４ 矩阵公式和解２１８
７. ４. １ 频域电路方程和解２１９
７. ４. ２ 时域电路方程和解２２１
７. ５ ＰＥＥＣ 模型的稳定性２２３
７. ５. １ ＋ ＰＥＥＣ 公式２２３
７. ５. ２ 并联阻尼电阻２２４
７. ６ ＰＥＥＣ 模型的电磁场计算２２４
７. ７ 应用示例２２６
７. ７. １ 输电杆塔的浪涌特性２２６
７. ７. ２ 接地系统的浪涌特性２３２
参考文献２３４
第 ８ 章 可再生能源系统组件中的雷电浪涌２３８
８. １ 风力机中的雷电浪涌２３８
８. １. １ 风力机上雷电浪涌传播引起的过电压２３８
８. １. ２ 风力机的接地特性２４６
８. １. ３ 雷电事故及其调查示例２５４
８. ２ 太阳能发电系统２６３
８. ２. １ ＭＷ 级太阳能发电系统中的雷电浪涌２６４
８. ２. ２ 雷击太阳能发电系统引起的过电压２７８
参考文献２８５
第 ９ 章 风电场和汇流系统中的浪涌２８９
９. １ 引言２８９
９. ２ 冬季雷电和逆流浪涌２９０
９. ３ 风力机和风电场的接地系统２９１
９. ３. １ 风力机的接地系统２９１
９. ３. ２ 风电场的接地系统２９２
９. ４ 风电场雷电浪涌分析模型２９２
９. ４. １ 风电场模型２９２
９. ４. ２ 冬季防雷模型２９４
９. ４. ３ 浪涌保护装置 （ＳＰＤ） 型号２９４
９. ４. ４ ＡＲＥＮＥ 和 ＥＭＴＤＣ ／ＰＳＣＡＤ 之间的比较分析２９５
９. ５ 逆流浪涌引发 ＳＰＤ 烧毁事件的原理２９６
９. ５. １ 风电场中浪涌传播的分析２９６
９. ５. ２ 浪涌波形的详细分析２９７
９. ６ 架空地线防止逆流浪涌的影响２９８
９. ６. １ 风电场中汇流线的模型２９８
９. ６. ２ ＳＰＤ 的波形观察３００
９. ６. ３ ＳＰＤ 烧毁的概率评估３００
９. ６. ４ 接地系统电位上升的评估３０２
９. ７ 结论３０３
符号和缩略语３０４
致谢３０５
参考文献３０５
第 １０ 章 保护装置： 故障测距装置和高速开关设备３０７
１０. １ 引言３０７
１０. ２ 故障测距３０７
１０. ２. １ 故障测距算法３０７
１０. ２. ２ 使用 ＭＯＤＥＬＳ 描述故障测距模型３０８
１０. ２. ３ 故障电弧特性影响的研究３１０
１０. ２. ４ 设备测量输入误差的影响研究３１３
１０. ３ 高速开关设备３１８
１０. ３. １ 建模方法３１８
１０. ３. ２ 与测量结果的比较３１９
１０. ３. ３ 电压跌落幅值的影响３２０
１０. ４ 结论３２３
参考文献３２３
第 １１ 章 过电压保护和绝缘配合 ３２６
１１. １ 过电压分类３２６
１１. １. １ 暂时过电压３２６
１１. １. ２ 缓波头过电压３２７
１１. １. ３ 快波头过电压３２８
１１. １. ４ 极快波头过电压３２９
１１. ２ 绝缘配合研究３２９
１１. ２. １ 研究流程３２９
１１. ２. ２ 过电压类型的确定３３０
１１. ２. ３ 确定过电压类型之后的研究步骤３３１
１１. ３ 避雷器的选择３３２
１１. ３. １ 持续工作电压３３３
１１. ３. ２ 额定电压３３３
１１. ３. ３ 额定放电电流３３３
１１. ３. ４ 防护等级３３４
１１. ３. ５ 能量吸收能力３３４
１１. ３. ６ 额定短路电流３３５
１１. ３. ７ 研究流程３３５
１１. ４ 暂态分析示例３３６
１１. ４. １ 模型设置３３６
１１. ４. ２ 分析结果３４２
参考文献３４６
第 １２ 章 ＦＡＣＴＳ： 电压源型变换器３４８
１２. １ 类别３４８
１２. ２ 控制系统和仿真建模３４９
１２. ３ ＳＴＡＴＣＯＭ 的应用３５１
１２. ３. １ 电压波动３５２
１２. ３. ２ 小干扰稳定性３５２
１２. ３. ３ 电压稳定性３５４
１２. ３. ４ 暂态稳定性３５６
１２. ３. ５ 抑制过电压３５８
１２. ４ 高次谐波谐振现象３５９
１２. ４. １ 高次谐波谐振现象概述３５９
１２. ４. ２ 高次谐波谐振现象的原理３６５
１２. ４. ３ 现场试验３６６
１２. ４. ４ 注意事项和应对方法３６７
参考文献３６９
第 １３ 章 ＳＶＣ 在电缆系统中的应用３７１
１３. １ 孤岛的交流电缆互连３７１
１３. ２ 孤岛电压变化的典型示例３７２
１３. ３ ＳＶＣ 所需的控制功能３７２
１３. ４ ＳＶＣ 的 Ｖ－ Ｉ 特性３７３
１３. ５ ＳＶＣ 的自动电压调节器 （ＡＶＲ）３７４
１３. ６ 暂态分析模型３７６
１３. ７ 控制参数设置调查３７８
１３. ８ 仿真结果的比较３７８
１３. ９ 应用的控制参数３８１
１３. １０ 暂态分析验证３８２
１３. １１ 运行试验验证３８４
１３. １２ 结论３８５
参考文献３８６
第 １４ 章 接地系统的暂态过程３８８
１４. １ 引言： 电力系统的暂态过程和接地系统３８８
１４. ２ 接地系统的基本计算３８８
１４. ３ 暂态电流的接地电极响应３９０
１４. ３. １ 概述３９０
１４. ３. ２ 谐波电流对接地电极特性的影响３９１
１４. ３. ３ 土壤电阻率和介电常数的频率相关性３９４
１４. ３. ４ 脉冲电流的接地电极特性３９７
１４. ３. ５ 土壤电离效应３９９
１４. ４ 接地电极暂态响应的数值仿真４００
１４. ４. １ 基本思路４００
１４. ４. ２ 接地电极响应的一般结果４０２
１４. ４. ３ 流过雷电电流时电极接地电位上升４０４
１４. ４. ４ 首次和后续回击电流的脉冲阻抗和冲击系数４０４
１４. ５ 案例： 接地电极对输电线路雷电响应的影响分析４０５
参考文献４０９
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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
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