一种开关电路电磁暂态分析方法及分析装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种开关电路电磁暂态分析方法及分析装置，其分析方法包括建立电路的状态方程、修改开关动作时刻发生改变的电路拓扑的状态方程、重新初始化开关动作后电路各节点的电位、求解电路的状态方程、根据计算得到的各时刻的状态量进行开关电路暂态分析；其分析装置包括方程建立模块、调整模块、初始化模块、开关电路求解模块和开关暂态分析模块；本发明专利技术提供的技术方案解决了长久以来一般电路网络编列状态方程的难题，使状态方程法在大规模电路网络电磁暂态分析中得以应用，且本发明专利技术编列状态方程的方法简洁，计算时间短，十分适合计算机编程实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统电路电磁暂态数值仿真领域，具体讲涉及一种开关电路电磁暂态分析方法及分析装置。
技术介绍
电力系统正常运行的破坏多半是由短路引起的，如大的短路电流使元件破损，电压的聚降造成系统裂解甚至崩溃，对用电设备的电磁干扰等。发生短路时，系统从一种状态变成另一种状态，并伴随发生复杂的电磁暂态现象。对电力系统电磁暂态分析方法包括节点分析法和状态方程法。目前一般用的EMTP，PSCAD/EMTDC等软件、实时仿真器RTDS和电力系统电磁暂态分析软件大多使用H.W.Dommel博士1969年提出的节点分析法作为基本算法。节点分析法首先选定积分方法和时间步长，将电感和电容等动态元件等效成诺顿电流源，在每一个特定的时刻将电路等效为电阻网络，通过构建电路的电导矩阵进行求解。节点分析法的主要缺点是选定的积分方法和时间步长不能改变，否则要对电路重新建模，严重降低了仿真效率；同时，节点分析法在电力系统发展早期是针对交流系统的电磁暂态问题提出的，并未特别关注电路中的开关特性，当理想开关动作时，节点分析法需要重新列电路方程，这也会降低仿真效率。状态方程法是首先构建电路网络系统模型的动态方程，进而选择适当积分方法和时间步长来解，与节点分析法比，状态方程法具有很大的灵活性。传统状态方程法的主要不足之处在于一般不能直接得到电路的状态方程，需选择电路中的电容电压和电感电流作为电路的状态量，对于更为复杂的中等规模的电路网络，必须借助网络图论的知识，通过复杂的拓扑分析得到。电路网络的状态方程编列过于复杂，尤其是当电路中含有受控源时，经常难于能形成所要求的标准形式。另一方面，当电路发生理想开关动作后，电路拓扑发生改变，需要重新编写电路的状态方程。目前软件中通常使用预处理技术，将电路中所有拓扑的状态方程保存在内存中，开关动作时切换电路方程。而当电路中存在大量理想开关时，计算和保存所有可能的拓扑方程将是计算机无法承受的计算负担。目前，使用状态方程法的软件有Matlab、SimPowerSystem、PLECS等，实时仿真器RT-LAB在其开关电路求解模块中也使用了状态方程法。为满足现有技术发展的需要，提高电路分析的速度和效率，需要提供一种暂态电路分析方法及分析装置，保证分析速度和效率，减少计算量。
技术实现思路
为满足现有技术发展的需要，实现计算机编程对开关电路的仿真，本专利技术提供了一种针对计算机软件设计的开关电路电磁暂态分析方法。本专利技术提供的开关电路电磁暂态分析方法，其改进之处在于，所述分析方法包括：S1、根据开关电路拓扑构建电路状态方程；S2、接收到开关动作信息后，修改发生改变的电路拓扑的状态方程；S3、接受到开关动作信息后，重新初始化电路各节点电位；S4、求解开关动作后修改的电路的状态方程；S5：根据计算得到的各时刻的状态量进行开关电路暂态分析。进一步的，所述步骤S1中状态方程的构建包括：(1-1)电路拓扑的数据化：对电路网络的节点和支路编号选择参考地电位节点；(1-2)确定系数矩阵：定义n+1阶零元素方阵KR、KL和KC，以及n+1阶零元素向量Is；支路执行伪代码循环，并将系数方阵和向量降阶处理为n阶；(1-3)用系数矩阵和电路系统方程构建下式(1)所示的电路状态方程：进一步的，所述伪代码循环包括：(1.1)按下式计算电阻支路的：(1.2)则按下式计算电感支路的：(1.3)按下式计算电容支路的：(1.4)按下式计算电压源支路且电压源的正极与节点j连接的：(1.5)按下式计算电流源支路且电流源的正向由节点i指向节点j的：其中，Rs：理想电压源内阻值；R：电阻支路的电阻值；L：电感支路的电感值；C：电容支路的电容值；Us：理想电压源支路的输出电压值；Is：电流源支路的输出电流值。进一步的，所述电路系统方程如下式(2)所示：式中，是n阶列向量，对应节点n的电位；KR、KL和KC：分别为n阶系数矩阵；Is：n阶电源列向量；系数矩阵K1、K2、R和x如下所示：E是单位对角矩阵；进一步的，按下式所示的系数矩阵修改所述步骤S2中t0时刻开关动作后的状态方程：其中，Kr是开关支路的等效电导矩阵，除和外，Kr中的其他元素其他均为零；KR,+：开关动作前的电阻系数矩阵；KR,-：开关动作后的电阻系数矩阵。进一步的，步骤S3所述的重初始化操作如下式所示：其中，节点电位随时间的积分量；Is,d+：理想电压源的诺顿等效电流源信息；Δt0＝td+-td-：极小的时间步长；xd+和xd-：分别表示td+和td-时刻的状态量。进一步的，步骤S4中电路的状态方程用下式所示的迭代格式递推求解：其中，Δt是时刻n和时刻n+1之间的时间步长；β为一个可供选择的系数；Rn是时刻n所对应的输入向量，Rn+1是n+1时刻所对应的输入向量。进一步的，所述可供选择的系数β可取值包括：β＝0，为前向欧拉法；β＝0.5，为梯形法；或，β＝1，为后向欧拉法。进一步的，根据计算出的各时刻的状态量获取仿真曲线，进行开关电路暂态分析。一种开关电路电磁暂态分析装置，所述分析装置包括：方程建立模块、调整模块、初始化模块、开关电路求解模块和开关暂态分析模块；所述方程建立模块根据电路拓扑图构建状态方程，并接收电路开关动作信息；所述调整模块在所述方程建立模块接收到电路开关动作信息后调整状态方程的系数矩阵；所述初始化模块初始化节点电位，并根据电路中的电容电压和电感电流对节点电位进行重初始化操作；所述开关电路求解模块用直接积分法递推求解状态方程；所述开关暂态分析模块根据计算得到的各时刻的状态量进行开关电路暂态分析。进一步的，所述方程建立模块包括数据化模块、循环模块和矩阵生成模块；所述数据化模块将电路拓扑信息以数据化表格形式存储在计算机中；所述循环模块包括电阻支路、电感支路、电容支路、电压源支路和电流源支路循环计算的伪代码；所述矩阵生成模块消去各系数矩阵的第0行和第0列，生成n阶方阵。进一步的，所述数据化模块的功能包括：(1)对电路网络的节点编号，并选定参考地电位节点；(2)对电路的支路编号，并以支路编号的顺序形成数据化的表格存储在计算机中；(3)构建电路拓扑的系统方程。进一步的，所述矩阵生成模块中包含状态方程和系统方程间的系数矩阵对应关系，如下式所示：其中，E是单位对角矩阵。况且与最接近的现有技术比，本专利技术提供的技术方案具有以下优异效果：1.本专利技术提供的技术方案在数据化电路拓扑后，确定系数矩阵并结合电路系统方程构建开关电路状态方程，解决了长久以来一般电路网络编列状态方程的难题，使状态方程法在大规模电路网络电磁暂态分析中的应用成为可能，且本专利技术提供的编列状态方程的方法简洁，依次处理每条支路即可，几乎不需要计算时间，十分适合计算机编程实现。2、本专利技术提供的技术方案在开关动作时刻电路拓扑发生改变后，仅需要根据开关状态对方程系数矩阵中的几个元素进行修改，即可修改状态方程，不需要重新列写状态方程，显著提高了开关电路的仿真效率。3、本专利技术提供的技术方案在开关动作时刻，使用极小步长的后向欧拉法对电路进行重初始化操作，便于计算机编程实现，仿真过程灵活地改变积分方法和时间步长。附图说明图1为本专利技术提供的开关电路电磁暂态分析方法流程图；图2为理想开关支路的闭合/断开状态示意图；图3为开关动作时刻电容的等效电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电路电磁暂态分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：S1、根据开关电路拓扑构建电路状态方程；S2、接收到开关动作信息后，修改发生改变的电路拓扑的状态方程；S3、接收到开关动作信息后，重新初始化电路各节点电位；S4、求解开关动作后修改的电路的状态方程；S5：根据计算得到的各时刻的状态量进行开关电路暂态分析。

【技术特征摘要】
1.一种开关电路电磁暂态分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：S1、根据开关电路拓扑构建电路状态方程；S2、接收到开关动作信息后，修改发生改变的电路拓扑的状态方程；S3、接收到开关动作信息后，重新初始化电路各节点电位；S4、求解开关动作后修改的电路的状态方程；S5：根据计算得到的各时刻的状态量进行开关电路暂态分析。2.如权利要求1所述的开关电路暂态分析方法，其特征在于，所述步骤S1中状态方程的构建包括：(1-1)电路拓扑的数据化：对电路网络的节点和支路编号选择参考地电位节点；(1-2)确定系数矩阵：定义n+1阶零元素方阵KR、KL和KC，以及n+1阶零元素向量Is；支路执行伪代码循环，并将系数方阵和向量降阶处理为n阶；(1-3)用系数矩阵和电路系统方程构建下式(1)所示的电路状态方程：K1dxdt=-K2x+R---(1).]]>3.如权利要求2所述的开关电路电磁暂态分析方法，其特征在于，所述伪代码循环包括：(1.1)按下式计算电阻支路的：KR(i,i)=KR(i,i)+R-1KR(i,j)=KR(i,j)-R-1KR(j,i)=KR(j,i)-R-1KR(j,j)=KR(j,j)+R-1---(2)]]>(1.2)则按下式计算电感支路的：KL(i,i)=KL(i,i)+L-1KL(i,j)=KL(i,j)-L-1KL(j,i)=KL(j,i)-L-1KL(j,j)=KL(j,j)+L-1---(3)]]>(1.3)按下式计算电容支路的：KC(i,i)=KC(i,i)+CKC(i,j)=KC(i,j)-CKC(j,i)=KC(j,i)-CKC(j,j)=KC(j,j)+C---(4)]]>(1.4)按下式计算电压源支路且电压源的正极与节点j连接的：KR(i,i)=KR(i,i)+Rs-1KR(i,j)=KR(i,j)-Rs-1KR(j,i)=KR(j,i)-Rs-1KR(j,j)=KR(j,j)+Rs-1Is(i)=Is(i)+Rs-1UsIs(j)=Is(j)-Rs-1Us---(5)]]>(1.5)按下式计算电流源支路且电流源的正向由节点i指向节点j的：Is(i)=Is(i)+IsIs(j)=Is(j)-Is---(6)]]>其中，Rs：理想电压源内阻值；R：电阻支路的电阻值；L：电感支路的电感值；C：电容支路的电容值；Us：理想电压源支路的输出电压值；Is：电流源支路的输出电流值。4.如权利要求2所述的开关电路电磁暂态分析方法，其特征在于，所述电路系统方程如下式所示：式中，是n阶列向量，对应节点n的电位；KR、KL和KC：分别为n阶系数矩阵；n阶电源列向量；系数矩阵K1、K2、R和x如下所示：E是单位对角矩阵；5.如权利要求1所述的开关电路暂态分析方法，其特征在于，按下式所示的系数矩阵修改所述步骤S2中t0时刻开关动作后的状态方程：TurnOn:KR,+=KR,-+KrTurnOff:KR,+=KR...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪锋，魏晓光，邱宇峰，贺之渊，汤广福，高冲，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11