一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法及系统，方法包括：获取电力网络的主电路中各个设备的电气参数、连接关系，以及控制电路中元件的相关信息，生成拓扑描述文件；根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络；建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程；对各独立子网络的方程及控制电路的方程进行并行计算；当接收到仿真计算终止指令时，根据输入请求对电气量进行相应计算，输出仿真计算结果。本发明专利技术通过将电力网络中控制电路及主电路部分进行子网划分，适用于计算模块的计算容量，通过电力系统仿真，实现对电力系统的准确模拟，提升了复杂电力网络的仿真计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法及系统
本专利技术涉及电力系统仿真与控制
，具体涉及一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法及系统。
技术介绍
随着新能源发电、柔性直流/直流电网等技术迅猛发展，含大量高频电力电子开关的电气装置在电网所占的比例越来越大，为更详细的研究系统特性，仿真规模和仿真步长(单位仿真计算时间长度)是重现高频暂态的关键因素，仿真越详细、仿真步长越小，对系统特性模拟越准确。且随着快速保护系统如行波保护对高采样率的要求，将进一步增加系统对小步长电磁暂态仿真的需求。目前不含大规模电力电子设备的电力网络仿真整个系统规模在万节点左右，仿真计算时间的要求一般为20～50微秒仿真步长即可。而含电力电子设备的电力网络中一个电力电子设备仿真节点就在万节点左右(如模块化柔性直流换流阀设备)，因此，整个系统的仿真规模成倍增加，且仿真计算时间要求更短，为1～10微秒仿真步长。目前的实时仿真器(用于小步长仿真)多采用CPU为主的计算架构，而CPU作为通用处理器，主要擅长管理和调度，芯片上绝大部分空间不属于算术逻辑单元(arithmeticandlogicunit，ALU)，运算能力较专用处理器弱，且CPU是基于串行的计算模式，因此，CPU满足不了大系统小步长实时仿真的需求。而高性能计算处理器如FPGA等由大量逻辑运算单元、可编程I/O及内部连线构成，拥有完全可配置的并行硬件结构、分布式内存结构及流水线结构，可实现高度并行的数值计算，能够较好地满足小步长仿真的需求。为此，有人提出可将高性能计算处理器如FPGA等作为CPU的辅助加速单元放置特定的装置模型实现局部的小步长仿真。但是，为达到较大规模系统的实时仿真，现有技术中，不论是采用以多个CPU为主的计算架构来进行并行计算仿真，还是将高性能计算处理器如FPGA等作为CPU的辅助加速单元放置特定的装置模型并通过它们之间的并行计算来实现局部的小步长仿真，系统网络分割并行算法多采用“系统级”的并行，在这类“系统级”并行算法中，无论是基于差分方程法构造导纳对称阵进行矩阵变换、多区域戴维南等值(multi-areaTheveninequivalent,MATE)并行算法、还是基于MATE算法提出的节点分裂法，其根本思路均是将大系统分为多个子系统。然而，一个子系统中仍存在多种电气设备，且每个电气设备都作为一个不可分割的整体参与仿真计算，由于某些电气设备结构复杂，拓扑多变，矩阵规模庞大，仍然制约系统并行计算性能的提升。特别是在对含大规模电力电子的交直流混联非线性系统进行并行计算时，直流输电系统中换流阀的多次导通、关断会导致网络拓扑结构变化，虽然可以将拓扑结构变化和不变的部分划分开，分别列写子网内交流和直流网络的节点电压方程，并消去子网内交直流联络线电流来提高仿真效率；或者将子网络再划分为多个子-子网络，并将流经子网络中开关元件的电流消去以减少计算量，但是，其在本质上还是以“系统级”并行的方式进行计算仿真，仍不满足并行计算对网络划分灵活性的要求，也无法满足大系统小步长实时仿真的需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法及系统，解决现有技术中对于电力网络的仿真计算过程难以满足全系统小步长仿真的需求，并且计算效率低，占用内存大的问题。本专利技术实施例提供了一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，包括：步骤S1：获取电力网络的主电路中各个设备的电气参数、设备间和设备内部连接关系，以及控制电路中元件参数及连接关系的相关信息，生成拓扑描述文件；步骤S2：根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络，所述独立子网络包括主电路设备子网络和控制子网络，其中主电路设备子网络由主电路拆分后获得，所述主电路设备子网络包括预设数量的非电力电子设备、电力电子设备或电力电子单元设备，所述控制子网络由控制电路拆分后获得，所述控制子网络包括预设数量的控制模块；步骤S3：根据各独立子网络中设备或电力电子单元设备的特点，建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程；步骤S4：对各独立子网络的电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程，在不同类型的计算单元中采用相应的预设仿真计算步长进行并行计算，得到各独立子网络的计算结果，所述计算结果包括：各独立子网络中设备或设备元件的电气量、非电气量和控制电路的状态量，通过子网络间的专用接口实现相连独立子网络间计算结果的交互，以及电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程间相关联的计算数据信息的更新；步骤S5：判断是否接收到仿真计算终止指令；步骤S6：当接收到仿真计算终止指令时，输出各独立子网络的电气量和状态量，并根据输入请求对所述电气量进行相应计算，最后输出仿真计算结果。可选地，当未接收到仿真计算终止指令时，根据预设仿真计算周期，更新各独立子网络的主电路方程、控制电路的方程和非电气部分的方程之间相关联的数据信息，并返回执行步骤S4，直到接收到仿真计算终止指令。可选地，所述根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络的步骤，包括：通过对含有大规模电力电子设备的电力网络进行拓扑描述识别，将电力网络的主电路部分拆分成多个主电路设备子网络；通过对控制电路部分的拓扑描述进行识别，将控制电路部分拆分为多个控制子网络。可选地，所述通过对含有大规模电力电子设备的电力网络进行拓扑描述识别，将电力网络的主电路部分拆分成多个设备子网络的步骤，包括：根据主电路部分各电气设备的属性，将主电路部分划分为线性部分与非线性部分，所述线性部分与非线性部分由各电气设备的类型决定；以各非线性电气设备为单元，将非线性部分划分为对应各非线性电气设备的非线性子网络；获取主电路线性部分的电气设备的数量，判断电气设备的数量是否小于当前计算单元的计算容量所对应的预设电气设备的数量；当电气设备的数量不小于当前计算单元的计算容量对应的预设电气设备的数量时，将传输线或等效传输线作为网络划分节点，以网络划分节点数量最少为原则，将主电路线性部分进行拆分，得到多个线性子网络。可选地，所述根据各独立子网络中设备或电力电子单元设备的特点，建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程的步骤，包括：基于控制子网络的各控制元件模型，得到控制电路的方程；基于各线性子网络的各元件模型，得到电气部分的主电路方程的各线性方程；基于非线性子网络的各电气设备模型，得到电气部分的主电路方程的各非线性方程，并以等效受控源形式与线性方程进行连接；基于独立子网络的非电气模型，得到非电气部分的方程。可选地，所述对各独立子网络的电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程，在不同类型的计算单元中采用相应的预设仿真计算步长进行并行计算求解，得到各独立子网络的计算结果的步骤，包括：根据预设仿真计算周期，对电气部分主电路的方程、非电气部分的方程及控制电路的方程进行数据交互，更新计算电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程所需的数据信息；根据更新后的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：获取电力网络的主电路中各个设备的电气参数、设备间和设备内部连接关系，以及控制电路中元件参数及连接关系的相关信息，生成拓扑描述文件；/n步骤S2：根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络，所述独立子网络包括主电路设备子网络和控制子网络，其中主电路设备子网络由主电路拆分后获得，所述主电路设备子网络包括预设数量的非电力电子设备、电力电子设备或电力电子单元设备，所述控制子网络由控制电路拆分后获得，所述控制子网络包括预设数量的控制模块；/n步骤S3：根据各独立子网络中设备或电力电子单元设备的特点，建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程；/n步骤S4：对各独立子网络的电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程，在不同类型的计算单元中采用相应的预设仿真计算步长进行并行计算，得到各独立子网络的计算结果，所述计算结果包括：各独立子网络中设备或设备元件的电气量、非电气量和控制电路的状态量，通过子网络间的专用接口实现相连独立子网络间计算结果的交互，以及电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程间相关联的计算数据信息的更新；/n步骤S5：判断是否接收到仿真计算终止指令；/n步骤S6：当接收到仿真计算终止指令时，输出各独立子网络的电气量和状态量，并根据输入请求对所述电气量进行相应计算，最后输出仿真计算结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取电力网络的主电路中各个设备的电气参数、设备间和设备内部连接关系，以及控制电路中元件参数及连接关系的相关信息，生成拓扑描述文件；
步骤S2：根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络，所述独立子网络包括主电路设备子网络和控制子网络，其中主电路设备子网络由主电路拆分后获得，所述主电路设备子网络包括预设数量的非电力电子设备、电力电子设备或电力电子单元设备，所述控制子网络由控制电路拆分后获得，所述控制子网络包括预设数量的控制模块；
步骤S3：根据各独立子网络中设备或电力电子单元设备的特点，建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程；
步骤S4：对各独立子网络的电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程，在不同类型的计算单元中采用相应的预设仿真计算步长进行并行计算，得到各独立子网络的计算结果，所述计算结果包括：各独立子网络中设备或设备元件的电气量、非电气量和控制电路的状态量，通过子网络间的专用接口实现相连独立子网络间计算结果的交互，以及电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程间相关联的计算数据信息的更新；
步骤S5：判断是否接收到仿真计算终止指令；
步骤S6：当接收到仿真计算终止指令时，输出各独立子网络的电气量和状态量，并根据输入请求对所述电气量进行相应计算，最后输出仿真计算结果。


2.根据权利要求1所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，当未接收到仿真计算终止指令时，根据预设仿真计算周期，更新各独立子网络的主电路方程、控制电路的方程和非电气部分的方程之间相关联的数据信息，并返回执行步骤S4，直到接收到仿真计算终止指令。


3.根据权利要求1所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述根据拓扑描述文件将电力网络拆分为多个独立子网络的步骤，包括：
通过对含有大规模电力电子设备的电力网络进行拓扑描述识别，将电力网络的主电路部分拆分成多个主电路设备子网络；
通过对控制电路部分的拓扑描述进行识别，将控制电路部分拆分为多个控制子网络。


4.根据权利要求3所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述通过对含有大规模电力电子设备的电力网络进行拓扑描述识别，将电力网络的主电路部分拆分成多个设备子网络的步骤，包括：
根据主电路部分各电气设备的属性，将主电路部分划分为线性部分与非线性部分，所述线性部分与非线性部分由各电气设备的类型决定；
以各非线性电气设备为单元，将非线性部分划分为对应各非线性电气设备的非线性子网络；
获取主电路线性部分的电气设备的数量，判断电气设备的数量是否小于当前计算单元的计算容量所对应的预设电气设备的数量；
当电气设备的数量不小于当前计算单元的计算容量对应的预设电气设备的数量时，将传输线或等效传输线作为网络划分节点，以网络划分节点数量最少为原则，将主电路线性部分进行拆分，得到多个线性子网络。


5.根据权利要求4所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述根据各独立子网络中设备或电力电子单元设备的特点，建立当前设备或电力电子单元设备电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程的步骤，包括：
基于控制子网络的各控制元件模型，得到控制电路的方程；
基于各线性子网络的各元件模型，得到电气部分的主电路方程的各线性方程；
基于非线性子网络的各电气设备模型，得到电气部分的主电路方程的各非线性方程，并以等效受控源形式与线性方程进行连接；
基于独立子网络的非电气模型，得到非电气部分的方程。


6.根据权利要求5所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述对各独立子网络的电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程，在不同类型的计算单元中采用相应的预设仿真计算步长进行并行计算求解，得到各独立子网络的计算结果的步骤，包括：
根据预设仿真计算周期，对电气部分主电路的方程、非电气部分的方程及控制电路的方程进行数据交互，更新计算电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程所需的数据信息；
根据更新后的控制电路的数据信息，求解控制电路的方程；
根据更新后的非线性子网络的数据信息，求解主电路各非线性子网络的计算方程，得到各非线性子网络电气值，确定等效受控源参数；
根据更新后的各线性子网络的数据信息及等效受控源参数，求解主电路各线性子网络的计算方程，得到各线性子网络的电气值。


7.根据权利要求6所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述根据预设仿真计算周期，对电气部分主电路的方程、非电气部分的方程及控制电路的方程进行数据交互的步骤，包括：
分别获取电气部分的主电路方程、非电气部分的方程及控制电路的方程求解的时间；
当求解电气部分的主电路方程和非电气部分的方程的累计时间与求解一次控制电路方程的时间相等时，将数据信息进行交互。


8.根据权利要求7所述的含大规模电力电子设备的电力网络仿真方法，其特征在于，所述根据更新后的各线性子网络的数据信息，求解主电路各线性子网络的计算方程，得到各线性子网络的电气值的步骤，包括：
根据线性子网络的数据信息及等效受控源参数更新各线性子网络的计算方程的电源项；
根据更新后的电源项，采用迭代计算方法求解各独立子网络电气设备的电气量及状态量。


9...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞辉，林畅，刘栋，高阳，纪锋，贺之渊，邱宇锋，高路，林俊杰，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院有限公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11