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
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-ATP 38
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MODELS 40
2.2.4 辅助模块 41
2.2.5 频域分析 42
2.2.6 潮流选项——FIX SOURCE 42
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 TACS 51
2.4.2 MODELS 53
2.4.3 用户自定义组件（type-94） 54
2.5 图形预处理器ATPDraw 55
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 Analyzer 65
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/PSCAD 117
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 XTAP 145
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