本发明专利技术涉及电力系统数字仿真分析。为提供一种电力系统数字混合仿真方法，以有效提高电力系统数字混合仿真效率，使包含直流输电线路的规模化电力系统的电磁-机电混合仿真计算成为可能，本发明专利技术采取的技术方案是，基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法，包括下列步骤：采用树形分层对网络划分和电力系统元件进行组件化分解；将整体电力系统高维方程组分解为低维的多个方程组来处理；然后运用双向迭代技术，编写接口程序，调用EMTP仿真引擎完成多步电磁暂态仿真，并按照模块化要求获得TSP部分的标准化对外接口数据，以实现EMTP子系统和TSP子系统的快速交替仿真及并行实施。本发明专利技术主要应用于电力系统数字仿真分析。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力系统数字仿真分析，具体讲，涉及。
技术介绍
现有电力系统数字仿真分析软件一般分为电磁暂态分析软件和机电暂态分析软件(TSP)。基于基波、单相和相量模拟技术的电力系统机电暂态仿真程序不能仿真高压直流 (HVDC)和柔性交流输电系统(FACTS)等电力电子装置的快速暂态特性和这些非线性元件引起的波形畸变特性。它假定传输系统工作在正弦稳态下，只考虑发电机和负荷的动态，而忽略了 HVDC和FACTS等快速控制器件的内部动态特性，对HVDC和FACTS的模拟采用的是准稳态模型。而电磁暂态仿真程序，如目前国内最常用的PASCAD/EMTDC程序，基于ABC三相瞬时值表示，对电力电子设备的仿真使用详细的器件级模型，适于仿真FACTS和HVDC系统及其控制器的快速暂态特性、故障后系统电压、电流的恢复特性以及电力电子器件内部故障。但电磁暂态仿真程序受模型与算法的限制，其仿真规模不大。为弥补上述不足，将两者联系的混合仿真技术一直是电力系统仿真领域研究的重点和难点。当前电力系统区域互联规模日趋庞大，区域间关联增强，众多大功率电力电子设备在HVDC和FACTS中的 应用，使得反映不同物理特征的动态过程相互交织在一起。电力系统发展的新形势要求在仿真过程中既能够模拟大规模互联系统的机电暂态过程，又能够模拟局部响应快速的电磁暂态过程；同时对准确模拟区域电网之间、大区与局部系统之间的相互作用也提出更高要求。为满足实时仿真的需要，电力系统数字仿真必须在现有经典模型和算法的基上研究能够加快仿真速度的新方法。总结近年来国内外学者的研究成果主要有以下几方面(I)大规模电力系统的网络方程涉及高维稀疏线性方程组的计算，充分利用电力系统网络稀疏性，采用稀疏技术。(2)仿真开始前，对系统所有可能的拓扑结构变化带来的电导矩阵的变化进行统计，并计算对应于每种情况下的电导矩阵的逆矩阵。在仿真过程中，当网络拓扑改变时，直接采用预先计算的对应电导矩阵的逆矩阵进行网络节点方程的求解。(3)采用网络分割的办法，将整体网络方程组分解为中小规模的多个网络方程组， 来有效减少网络方程的求解规模，同时由多个处理器并行计算，子网之间通过通讯完成各部分信息的交互。由于电力系统由各种不同的元件所组成，这些元件包括同步电机、励磁系统、原动机及调速系统、负荷、交流线路及变压器、HVDC和FACTS等，每个元件的动态性能对于系统的暂态过程都有直接或间接的影响。国内外现有机电-电磁混合仿真大都采用常规数值仿真数学模型，虽然能完整地描述电力系统动态行为，但结构化、标准化的特点不突出。模型中不能充分体现电力网络的分层分区特性，也没有抽象归纳出各种不同元件在物理结构、 电气关联和功能上的一般性特点，更无法将HVDC等直流输电部分的分离出来，并将其快速暂态特性和内部动态特性准确、方便的描述出来。由于系统数学模型的表示方法会影响到数值仿真的计算方式，常规的电力系统数学模型的上述不足对混合仿真程序的模块化特点和灵活性、可维护性会产生恶劣影响。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一种电力系统电磁-机电数字混合仿真方法，以有效提高电力系统仿真分析效率，使部分关键设备需要电磁级详细信息的规模化电力系统机电仿真计算成为可能，为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是，基于树形分层双向迭代实现电力系统电磁-机电数字混合仿真方法，包括下列步骤采用树形分层对网络划分和电力系统元件进行组件化分解，电力系统元件包括发电机及其控制器、负荷、HVDC、FACTS器件及其控制器；将整体电力系统高维方程组分解为低维的多个方程组来处理；然后运用双向迭代技术，编写接口程序，调用EMTDC仿真引擎完成多步电磁暂态仿真，并按照模块化要求获得TSP部分的标准化对外接口数据，以实现 EMTDC子系统和TSP子系统的快速交替仿真及并行实施。所述下列步骤进一步细化为步骤101 :系统初始化模块化处理，将电力网络按照节点分裂原则分割为适度规模的多个子网，子网之间的联结方式为多层树形结构；步骤102 :根据网络划分的结果，使用电力系统组件树描述整个电力系统，组件树由多个组件依多层树形结构组成,每个组件表示一个子网或者一个电力系统动态元件；步骤103 :对电力系统组件树中各个组件数学模型中的待求变量进行分类，列写出电力系统组件树中各个组件的独立的数学模型方程；步骤104 :对每个组件中的微分方程进行差分化，使各组件的非线性微分代数方程组在各时段转化为非线性代数方程；步骤105 :对每个组件列写出Jacobian矩阵方程，根据潮流计算结果获得各组件状态变量初值；步骤106 :基于所求变量在某时步的预测值,更新每个组件的Jacobian矩阵方程;步骤107 :进行EMTDC子系统和TSP子系统的快速交替仿真，采用双向迭代技术求解出每个组件模型中的变量修正量，并使用求出的变量修正量对待求变量进行修正；步骤108 :判断仿真是否结束，若未结束，进入下一时步的计算，转步骤106 ;否则， 退出仿真。在进行步骤101至104时，根据网络划分的结果和系统中动态元件的分布情况，采用电力系统组件树来描述整个电力系统的构成情况，通过列写组件树中各个组件的结构化数学模型方程进行模块化处理，这些树形分层实施特征在于(I)各网络以多层树形结构相联接，最上层只有一个子网。(2)子网通过一些母线与多个下层子网相连接；子网通过一些母线与一个上层子网相连接。每个子网的上界母线是其上层子网中的下界母线；(3)每个子网的上界母线的个数原则上没有数目限制。每个子网的各个下层子网可以拥有共同的上界母线，除此外，不能再有其它的公共母线；(4)最上层的子网没有上界母线，无下层子网的子网没有下界母线。、步骤107进一步细化的具体步骤为107-1 :开始混合仿真，系统处于故障前的稳态阶段，求取TSP对EMTDC的诺顿等效电路和接口母线瞬时频率；107-2 :在TO至Tl时刻之间进行EMTDC仿真，求取电磁暂态子系统各元件电压、电流瞬时值；107-3 :对EMTDC仿真得到的接口母线处电压、电流三相瞬时值进行曲线拟合，求取基频正序分量，EMTDC对TSP等效为恒功率负荷；107-4 :在TO至Tl时刻之间进行TSP仿真，利用过去一个周波的计算结果计算得出边界点电压、电流等参量的基波有效值，并送入机电暂态仿真部分，求取Tl时刻TSP仿真 变量；107-5 :假设Tl时刻系统发生故障(故障可以发生在电磁暂态侧，也可发生在机电暂态侧)，修改节点导纳矩阵，求取故障瞬间系统非状态变量；107-6 :使用Tl时刻TSP仿真变量更新诺顿等效电路，并求取接口母线瞬时频率；107-7 :在Tl至T2时刻之间进行EMTDC仿真，求取电磁暂态子系统各元件电压、电流瞬时值；107-8 :更新EMTDC对TSP的等效模块数值；107-9 :在Tl至T2时刻之间进行TSP仿真，求取T2时刻TSP仿真变量；107-10 :重复107-6到107-9过程，直到故障清除时刻。在进行步骤107-1到107-3时，求取TSP和EMTDC接口转换子程序，为了实现与电磁暂态的接口，机电暂态计算过程还包括如下步骤(I)初始化时求取电磁暂态网络的三序诺顿等值导纳和机电暂态网络的三序戴维南等值阻抗和电势；本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法，其特征是，包括下列步骤采用树形分层对网络划分和电力系统元件进行组件化分解，电力系统元件包括发电机及其控制器、负荷、HVDC、FACTS器件及其控制器；将整体电力系统高维方程组分解为低维的多个方程组来处理；然后运用双向迭代技术，编写接口程序，调用EMTDC仿真引擎完成多步电磁暂态仿真，并按照模块化要求获得TSP部分的标准化对外接口数据，以实现EMTDC子系统和TSP子系统的快速交替仿真及并行实施。2.如权利要求I所述的基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法，其特征是，所述下列步骤进一步细化为 步骤101 :系统初始化模块化处理，将电力网络按照节点分裂原则分割为适度规模的多个子网，子网之间的联结方式为多层树形结构； 步骤102 :根据网络划分的结果，使用电力系统组件树描述整个电力系统，组件树由多个组件依多层树形结构组成，每个组件表示一个子网或者一个电力系统动态元件； 步骤103 :对电力系统组件树中各个组件数学模型中的待求变量进行分类，列写出电力系统组件树中各个组件的独立的数学模型方程； 步骤104 :对每个组件中的微分方程进行差分化，使各组件的非线性微分代数方程组在各时段转化为非线性代数方程； 步骤105 :对每个组件列写出Jacobian矩阵方程，根据潮流计算结果获得各组件状态变量初值； 步骤106 :基于所求变量在某时步的预测值，更新每个组件的Jacobian矩阵方程；步骤107 :进行EMTDC子系统和TSP子系统的快速交替仿真，采用双向迭代技术求解出每个组件模型中的变量修正量，并使用求出的变量修正量对待求变量进行修正； 步骤108 :判断仿真是否结束，若未结束，进入下一时步的计算，转步骤106 ;否则，退出仿真。3.如权利要求2所述的基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法，其特征是，在进行步骤101至104时，根据网络划分的结果和系统中动态元件的分布情况，采用电力系统组件树来描述整个电力系统的构成情况，通过列写组件树中各个组件的结构化数学模型方程进行模块化处理，这些树形分层实施特征在于(I)各网络以多层树形结构相联接，最上层只有一个子网。(2)子网通过一些母线与多个下层子网相连接；子网通过一些母线与一个上层子网相连接。每个子网的上界母线是其上层子网中的下界母线；(3)每个子网的上界母线的个数原则上没有数目限制。每个子网的各个下层子网可以拥有共同的上界母线，除此外，不能再有其它的公共母线；(4)最上层的子网没有上界母线，无下层子网的子网没有下界母线。...
【专利技术属性】
技术研发人员：孔祥玉，房大中，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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