[發明專利]一種考慮非線性的變電站電磁暫態實時仿真方法

在審

• 申請號: 201410527468.6
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104298822A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 張炳達;陳雄;王瀟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06Q50/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種電磁暫態實時仿真方法。特別是涉及一種考慮非線性的變電站電磁暫態實時仿真方法。

背景技術

隨著全國互聯電網規模的逐漸壯大，電網結構及其運行方式顯得日益復雜。變電站作為電力系統的關鍵部分，保證其安全運行顯得尤為重要。隨著變電站自動化程度的提高，對運行人員的素質培訓也需相應提高。因此，對各級變電站運行人員進行技術培訓是一項保證電力安全生產的重要措施。

目前，變電站仿真與培訓系統主要有以下4種類型：

①針對變電站的一次側系統和二次側設備進行純軟件仿真，其明顯的缺點是培訓人員無法對真實的二次設備進行更深入地認識。

②采用保護測試儀裝置模擬變電站的一次側系統，該方法允許二次側連接真實物理設備，但其固有的缺點是各路輸出信號是單向的，無法形成閉環測試。

③使用真實的物理設備模擬變電站的一次側系統，能夠實現變電站一次側實時仿真，并對二次設備進行閉環測試，但由于一次設備前期投資較大和后期升級維護困難的原因，不適用于大規模的變電站仿真培訓。

④采用數字-物理混合式變電站仿真系統，其一次側采用數字仿真，二次側使用真實設備或軟件仿真的二次側設備，該類型變電站仿真系統關鍵在于保證一次側系統仿真實時性。

數字-物理混合型變電站仿真系統是一種高性價比的培訓工具，營造與真實變電站高度相似的培訓環境，已被電力培訓部門廣泛使用。倒閘操作、事故處理這兩項基本訓練要求變電站仿真系統必須考慮可能的操作對象和事故原因，使得變電站一次系統網絡具有較多節點，故對它進行電磁暫態實時仿真并不是一件易事。對于一個具有眾多節點的變電站系統而言，為使真實設備能夠正常運行，要求一次系統仿真裝置提供實時的電流電壓信號。然而，保證一次系統仿真器實時性的關鍵是快速地求解變電站仿真模型。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠保證變電站電磁暫態仿真實時性的考慮非線性的變電站電磁暫態實時仿真方法。

本發明所采用的技術方案是：一種考慮非線性的變電站電磁暫態實時仿真方法，包括如下步驟：

1)在離線環境下獲得變電站各個電氣元件的基本參數信息，為對仿真模型進行電磁暫態分析，需要將電感支路、電容支路根據仿真步長Δt的選擇分別采用隱式梯形法進行差分化處理；

2)用對非線性元件支路進行差分化處理后形成的相應伴隨電路替換原變電站網絡中的電路，得到的相應變電站伴隨網絡，根據變電站伴隨網絡形成節點導納矩陣，所述的相應伴隨電路包括等效電導G和等效電流源I_his；

3)按照非線性局部迭代的原則，對步驟2)中的節點導納矩陣進行節點排序，分成涉及非線性的節點和未涉及非線性的節點兩部分；

4)對步驟3)排序得到的節點導納矩陣中的兩個部分采用最小度獨立集法進行再次排序；

5)在離線環境下，根據步驟2)中的變電站伴隨網絡中的等效電流源I_his生成變電站伴隨網絡的節點注入電流列向量初值，與由步驟4)得到的節點導納矩陣形成節點電壓方程；

6)在離線環境下，考慮非線性局部迭代的前提下按照高斯消去法求解節點電壓方程，并更新電流源，編寫一套完整的指令流描述求解節點電壓方程的過程；

7)將步驟5)得到的節點電壓方程和步驟6)得到指令流以及仿真步長Δt通過上位機下載至基于FPGA的在線實時仿真環境；

8)在線實時仿真環境下，設置仿真時刻t＝0，仿真計時器置零，啟動仿真；

9)仿真計時器開始計時，仿真進入指令翻譯狀態，在所述的指令翻譯狀態中，讀取RAM中的指令，通過3級FIFO緩存實現指令無間斷翻譯；

10)使用步驟9)得到的指令翻譯，在仿真過程控制模塊中控制運算器與數據存儲空間進行快速的仿真參數讀寫交互；

11)控制運算器數據輸入端口獲得仿真參數，仿真進入運算器計算狀態，所述運算器是由加法器、乘法器和除法器構成，仿真過程控制模塊通過數據選擇器控制運算器內部計算單元的組合結構，構成各種的運算公式；

12)在線實時仿真環境下，由步驟9)、步驟10)和步驟11)構成的運算器系統完成伴隨電路的歷史電流源計算、伴隨網絡的節點注入電流計算、節點電壓方程的順序消去、節點電壓方程的逆序回代、支路電壓計算和支路電流計算，判斷仿真計時器是否計時至仿真步長Δt，如果是，則本次仿真結束，否則仿真計時器繼續計時直至計時至Δt；

13)仿真計時器時間到達仿真步長時，計時器清零，返回步驟9)。