[發(fā)明專利]基于樹形分層雙向迭代的電力系統(tǒng)數(shù)字混合仿真方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210144029.8
• 申請(qǐng)日: 2012-05-10
• 公開（公告）號(hào): CN102708250A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孔祥玉;房大中
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析，具體講，涉及基于樹形分層雙向迭代的電力系統(tǒng)數(shù)字混合仿真方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析軟件一般分為電磁暫態(tài)分析軟件和機(jī)電暫態(tài)分析軟件(TSP)。基于基波、單相和相量模擬技術(shù)的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序不能仿真高壓直流(HVDC)和柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)等電力電子裝置的快速暫態(tài)特性和這些非線性元件引起的波形畸變特性。它假定傳輸系統(tǒng)工作在正弦穩(wěn)態(tài)下，只考慮發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)，而忽略了HVDC和FACTS等快速控制器件的內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性，對(duì)HVDC和FACTS的模擬采用的是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。而電磁暫態(tài)仿真程序，如目前國內(nèi)最常用的PASCAD/EMTDC程序，基于ABC三相瞬時(shí)值表示，對(duì)電力電子設(shè)備的仿真使用詳細(xì)的器件級(jí)模型，適于仿真FACTS和HVDC系統(tǒng)及其控制器的快速暫態(tài)特性、故障后系統(tǒng)電壓、電流的恢復(fù)特性以及電力電子器件內(nèi)部故障。但電磁暫態(tài)仿真程序受模型與算法的限制，其仿真規(guī)模不大。為彌補(bǔ)上述不足，將兩者聯(lián)系的混合仿真技術(shù)一直是電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

當(dāng)前電力系統(tǒng)區(qū)域互聯(lián)規(guī)模日趨龐大，區(qū)域間關(guān)聯(lián)增強(qiáng)，眾多大功率電力電子設(shè)備在HVDC和FACTS中的應(yīng)用，使得反映不同物理特征的動(dòng)態(tài)過程相互交織在一起。電力系統(tǒng)發(fā)展的新形勢(shì)要求在仿真過程中既能夠模擬大規(guī)模互聯(lián)系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程，又能夠模擬局部響應(yīng)快速的電磁暫態(tài)過程；同時(shí)對(duì)準(zhǔn)確模擬區(qū)域電網(wǎng)之間、大區(qū)與局部系統(tǒng)之間的相互作用也提出更高要求。

為滿足實(shí)時(shí)仿真的需要，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真必須在現(xiàn)有經(jīng)典模型和算法的基上研究能夠加快仿真速度的新方法。總結(jié)近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究成果主要有以下幾方面：

(1)大規(guī)模電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方程涉及高維稀疏線性方程組的計(jì)算，充分利用電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)稀疏性，采用稀疏技術(shù)。

(2)仿真開始前，對(duì)系統(tǒng)所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化帶來的電導(dǎo)矩陣的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)于每種情況下的電導(dǎo)矩陣的逆矩陣。在仿真過程中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儠r(shí)，直接采用預(yù)先計(jì)算的對(duì)應(yīng)電導(dǎo)矩陣的逆矩陣進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方程的求解。

(3)采用網(wǎng)絡(luò)分割的辦法，將整體網(wǎng)絡(luò)方程組分解為中小規(guī)模的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)方程組，來有效減少網(wǎng)絡(luò)方程的求解規(guī)模，同時(shí)由多個(gè)處理器并行計(jì)算，子網(wǎng)之間通過通訊完成各部分信息的交互。

由于電力系統(tǒng)由各種不同的元件所組成，這些元件包括同步電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)荷、交流線路及變壓器、HVDC和FACTS等，每個(gè)元件的動(dòng)態(tài)性能對(duì)于系統(tǒng)的暫態(tài)過程都有直接或間接的影響。國內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)電-電磁混合仿真大都采用常規(guī)數(shù)值仿真數(shù)學(xué)模型，雖然能完整地描述電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為，但結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)不突出。模型中不能充分體現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的分層分區(qū)特性，也沒有抽象歸納出各種不同元件在物理結(jié)構(gòu)、電氣關(guān)聯(lián)和功能上的一般性特點(diǎn)，更無法將HVDC等直流輸電部分的分離出來，并將其快速暫態(tài)特性和內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性準(zhǔn)確、方便的描述出來。由于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的表示方法會(huì)影響到數(shù)值仿真的計(jì)算方式，常規(guī)的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的上述不足對(duì)混合仿真程序的模塊化特點(diǎn)和靈活性、可維護(hù)性會(huì)產(chǎn)生惡劣影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電力系統(tǒng)電磁-機(jī)電數(shù)字混合仿真方法，以有效提高電力系統(tǒng)仿真分析效率，使部分關(guān)鍵設(shè)備需要電磁級(jí)詳細(xì)信息的規(guī)模化電力系統(tǒng)機(jī)電仿真計(jì)算成為可能，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于樹形分層雙向迭代實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁-機(jī)電數(shù)字混合仿真方法，包括下列步驟：

采用樹形分層對(duì)網(wǎng)絡(luò)劃分和電力系統(tǒng)元件進(jìn)行組件化分解，電力系統(tǒng)元件包括發(fā)電機(jī)及其控制器、負(fù)荷、HVDC、FACTS器件及其控制器；將整體電力系統(tǒng)高維方程組分解為低維的多個(gè)方程組來處理；然后運(yùn)用雙向迭代技術(shù)，編寫接口程序，調(diào)用EMTDC仿真引擎完成多步電磁暫態(tài)仿真，并按照模塊化要求獲得TSP部分的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)外接口數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)EMTDC子系統(tǒng)和TSP子系統(tǒng)的快速交替仿真及并行實(shí)施。

所述下列步驟進(jìn)一步細(xì)化為：

步驟101：系統(tǒng)初始化模塊化處理，將電力網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點(diǎn)分裂原則分割為適度規(guī)模的多個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)之間的聯(lián)結(jié)方式為多層樹形結(jié)構(gòu)；

步驟102：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)劃分的結(jié)果，使用電力系統(tǒng)組件樹描述整個(gè)電力系統(tǒng)，組件樹由多個(gè)組件依多層樹形結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)組件表示一個(gè)子網(wǎng)或者一個(gè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件；

步驟103：對(duì)電力系統(tǒng)組件樹中各個(gè)組件數(shù)學(xué)模型中的待求變量進(jìn)行分類，列寫出電力系統(tǒng)組件樹中各個(gè)組件的獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型方程；