CN101930487A - 一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，属于电力系统暂态仿真技术领域。为电力系统建立混合实时仿真交互计算系统及其解析分析模型，从分网接口处分成电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统，对解析分析模型中的状态矩阵进行特征值分析，得计算系统模态，对模态进行判断，根据判断结果设置一阶惯性系统，对解析分析模型中的稳态增益进行校验，根据校验结果设置比例系数，继而实现平启动。本方法使得混合仿真能够稳定进行；并保证混合实时仿真无稳态误差，使得混合实时仿真能够连续长时间进行，且不影响混合实时仿真暂态和动态过程的模拟；能够保证混合实时仿真在闭环后3秒内达到稳态，且进行8小时以上的连续混合实时仿真。

Description

一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，属于电力系统暂态仿真技术领域。

背景技术

电力系统的暂态行为和过程所包含的电磁暂态过程和机电暂态过程，二者有机结合，是一个连续的过程，难以截然分离，在现代电力系统中这些暂态过程的耦合更加紧密。电力系统中电磁暂态过程和机电暂态过程是同时发生并相互影响的，如果能将二者结合起来统一考虑，则不但有助于了解大系统暂态稳定过程的动态特性，而且有助于了解大系统中某一特定部分的暂态变化过程。特别是当系统中存在电力电子设备或直流系统时，如果能将电力电子设备或直流系统用电磁暂态模型模拟，而将与其相连的网络用机电暂态模型模拟，对于直流系统而言，直流多落点系统的稳定性、换相失败、直流控制与保护以及交直流相互作用等问题都将得到详细、准确的分析；而关于电力电子设备对系统的影响和作用及其控制策略的研究也将登上一个新的台阶。

混合实时仿真在进行对象系统的暂态或动态过程模拟之前，首先需要解决的问题有：

(1)仿真快速平稳启动到稳定状态后，方可进行后续暂态过程的仿真。对混合实时仿真，稳态平启动还需考虑闭环扰动：在电磁、机电暂态两侧系统分别达到稳态后闭环，若两侧系统在接口处的初始稳定状态不一致或不相匹配，则混合实时仿真闭环后在接口位置会对两侧系统造成扰动，进一步延长了仿真系统进入稳态的时间。

(2)仿真系统达到稳定状态后，仿真平台能否长时间稳态运行，即闭环后混合实时仿真交互计算是否稳定。混合实时仿真在接口交互过程中引入的扰动、模型求解中数值扰动、仿真对象系统中出现的物理过程的扰动等，加之非迭代交互方式下两侧仿真计算的接口边界条件固有的1~2个交互步长的延时，都会对仿真长时间的稳态运行造成困难，因此务必考虑扰动下混合实时仿真交互计算系统自身的稳定性，避免不稳的交互计算过程影响仿真对象暂态稳定性的模拟。

(3)故障/扰动后，若仿真对象系统经受住故障/扰动而逐渐恢复稳态，系统频率恢复额定值，则要求仿真能够再次回到准确的稳态运行点。应当考察对象系统故障/扰动前后的稳定状态中，混合实时仿真稳态误差如何，即交互计算过程是否会给仿真对象系统稳态的模拟带来误差。

上述混合实时仿真三方面的问题，直接决定了混合实时仿真能否有效运行。调研分析表明：混合实时仿真闭环交互计算系统自身客观存在稳定性问题和稳态误差、混合仿真稳态平启动等问题，但目前尚没有研究对其进行定量分析，更缺乏完善的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，以提高混合实时仿真闭环交互计算系统的稳定性，降低计算系统的稳态误差，提高计算系统的稳定性，实现混合仿真稳态平启动。

本发明提出的电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，包括以下步骤：

(1)为电力系统建立一个混合实时仿真交互计算系统，将电力系统从分网接口处分成电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统，为上述混合实时仿真交互计算系统建立一个解析分析模型，该解析分析模型包括上述电磁暂态侧系统的第一仿真接口量交互与处理系统和第一端口响应模型以及上述机电暂态侧系统的第二仿真接口量交互与处理系统和第二端口响应模型；

(2)将上述解析分析模型的状态空间描述为

其中x为混合实时仿真交互计算系统的状态量，y为混合实时仿真交互计算系统的输出量，A、B、C和D为状态空间描述系数矩阵，对矩阵A进行特征值分析，得到混合实时仿真交互计算系统的模态，若所有模态的阻尼比大于或等于设定值α，则确定混合仿真交互计算系统为稳定运行，若所有模态的阻尼比小于设定值α，则在第一仿真接口量交互与处理系统输出位置加入一阶惯性系统，该一阶惯性系统的频域表达式为

其中T₁为时间常数设定值，T₁取值范围为5毫秒-20毫秒，α取值范围为5％-10％；

(3)分别对上述解析分析模型中的第一仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₁以及第二仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₂进行校验，若β₁＝1且β₂＝1，则混合实时仿真交互计算系统为无稳态误差状态，若β₁≠1，则在第一仿真接口量交互与处理系统的输出端即第一端口响应模型的输入端加入比例系数γ₁，

若β₂≠1，则在第二仿真接口量交互与处理系统的输出端即第二端口响应模型的输入端加入比例系数γ₂，

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2};$

(4)将电力系统潮流稳态模型分网接口处的母线设置为发电机节点，分网接口处的并联电抗L和电容C的值由下式确定：其中U为分网接口处的母线电压，ΔQ为分网接口处的注入电磁暂态侧系统无功功率的差额，根据电抗或电容的值对分网接口处的注入无功功率差额进行补偿，使电力系统两侧的电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统两侧分别达到稳态后，混合实时仿真闭环。

本发明提出的电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，其优点和效果包括：

(1)本发明的实时仿真方法，校验并确保了电力系统的混合实时交互计算系统的稳定性，使得混合仿真能够稳定进行。

(2)本发明的实时仿真方法，校验并确保混合实时仿真闭环交互计算过程满足无稳态误差条件，保证了混合实时仿真无稳态误差，加之稳定性得到保证，使得混合实时仿真能够连续长时间进行，且不影响混合实时仿真暂态和动态过程的模拟。

(3)本发明的实时仿真方法，稳态平启动步骤保证了混合实时仿真无稳态误差的快速启动。

(4)采用本发明的实时仿真方法，能够保证混合实时仿真在闭环后3秒内达到稳态，且进行8小时以上的连续混合实时仿真。

附图说明

图1是本发明的混合实时仿真交互计算系统解析分析模型示意图。

图2是本发明含一阶惯性系统的混合实时仿真交互计算系统解析分析模型示意图。

图3是本发明含有比例系数γ₁和γ₂的混合实时仿真交互计算系统解析分析模型示意图。

图4是本发明混合实时仿真平启动流程图。

具体实施方式

本发明提出的电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，包括以下步骤：

(1)为电力系统建立一个混合实时仿真交互计算系统，将电力系统从分网接口处分成电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统，为上述混合实时仿真交互计算系统建立一个解析分析模型，该解析分析模型包括上述电磁暂态侧系统的第一仿真接口量交互与处理系统和第一端口响应模型以及上述机电暂态侧系统的第二仿真接口量交互与处理系统和第二端口响应模型；

(2)将上述解析分析模型的状态空间描述为其中x为混合实时仿真交互计算系统的状态量，y为混合实时仿真交互计算系统的输出量，A、B、C和D为状态空间描述系数矩阵，对矩阵A进行特征值分析，得到混合实时仿真交互计算系统的模态，若所有模态的阻尼比大于或等于设定值α，则确定混合仿真交互计算系统为稳定运行，若所有模态的阻尼比小于设定值α，则在第一仿真接口量交互与处理系统输出位置加入一阶惯性系统，该一阶惯性系统的频域表达式为其中T₁为时间常数设定值，T₁取值范围为5毫秒-20毫秒，α取值范围为5％-10％；

(3)分别对上述解析分析模型中的第一仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₁以及第二仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₂进行校验，若β₁＝1且β₂＝1，则混合实时仿真交互计算系统为无稳态误差状态，若β₁≠1，则在第一仿真接口量交互与处理系统的输出端即第一端口响应模型的输入端加入比例系数γ₁，

若β₂≠1，则在第二仿真接口量交互与处理系统的输出端即第二端口响应模型的输入端加入比例系数γ₂，

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2};$

(4)将电力系统潮流稳态模型分网接口处的母线设置为发电机节点，分网接口处的并联电抗L和电容C的值由下式确定：

其中U为分网接口处的母线电压，ΔQ为分网接口处的注入电磁暂态侧系统无功功率的差额，根据电抗或电容的值对分网接口处的注入无功功率差额进行补偿，使电力系统两侧的电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统两侧分别达到稳态后，混合实时仿真闭环。

以下结合附图详细介绍本发明的内容：

(1)为电力系统建立一个混合实时仿真交互计算系统，继而建立混合实时仿真交互计算系统的解析分析模型。

为电力系统建立一个混合实时仿真交互计算系统，将电力系统从分网接口处分成电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统，两侧系统间通过反映两侧系统间相互联系和作用的接口量进行联系，接口量包括混合实时仿真分网接口处的母线电压和功率等电气量。

为混合实时仿真交互计算系统建立一个解析分析模型，如图1，该解析分析模型包括上述电磁暂态侧系统的第一仿真接口量交互与处理系统和第一端口响应模型以及上述机电暂态侧系统的第二仿真接口量交互与处理系统和第二端口响应模型。

因此，混合实时仿真交互计算系统的模型可以按照如下步骤建立：

①根据混合实时仿真电磁暂态侧系统、机电暂态侧系统在分网接口处的小扰动动态特性，建立两侧系统在分网接口处的输入-输出第一端口响应模型和第二端口响应模型。

电磁暂态侧系统往往等值为功率源/负荷的形式，因此第一端口响应模型反映电磁暂态侧系统端口功率随端口边界电压变化的响应，根据该侧系统功率或负荷特性建立相应的端口响应模型。

机电暂态侧系统往往等值为电压源形式，因此第二端口响应模型反映机电暂态侧系统端口电压随端口注入功率变化的响应，近似采用比例系数描述。该系数通过机电暂态仿真设置端口小扰动激励、实测端口输出的方法获得，也可以通过网络参数和系统稳定状态估算。

②第一接口量交互与处理系统包括两部分，分别为接口量交互和接口量提取、变换等处理，分别建立这两部分的小扰动模型。

接口量交互这一部分采用比例延时环节，即k·e^-τs描述，其中k为交互增益，τ为延时时间，该模块线性化后，采用一定阶数的Pade展开式近似。τ＝10ms、8阶Pade展开式系数如表1。

接口量提取、变换等处理这一部分包括接口量提取、滤波、形式转化等，处理算法对接口量信号有移相、延时和幅值放大或衰减的作用，根据接口量处理方法的具体情况建立相应的小扰动模型；

第二接口量交互与处理系统与第一接口量交互与处理系统建立过程类似。

③根据接口交互计算系统中各子系统连接关系将各子系统连接；

④根据扰动施加的位置和观测位置设置输入输出点。

照此，得到混合实时仿真交互计算系统的解析分析模型。

表1 8阶Pade展开式系数

(2)对步骤(1)解析分析模型的状态矩阵进行特征值分析。

将图1所示的混合实时仿真交互计算系统的传递函数形式的模型转化为状态空间方程形式：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}\\ y=\mathrm{Cx}+\mathrm{Du}\end{array}---\left(1\right)$

其中x为系统状态量，y为系统输出量，A、B、C、D为状态空间矩阵，A为状态矩阵。

将A对角化：

U^-1AU＝Λ                (2)

其中Λ为对角矩阵，其对角元即为混合实时仿真交互计算系统特征值。若所有模态的阻尼比大于或等于设定值α，则确定混合仿真交互计算系统为稳定运行。

若所有模态的阻尼比小于设定值α，则在混合实时仿真接口交互计算系统中加入一阶惯性系统，如图2；其中阻尼判定的设定值典型的可取5％~10％，

一阶惯性系统加入到第一仿真接口量交互与处理系统输出位置，其频域表达式为

其中T₁为时间常数设定值；T₁取值范围为5毫秒至20毫秒。

通过上述步骤，混合实时仿真交互计算系统自身变为稳定，且仿真系统中各种扰动均能在闭环仿真交互计算过程中被衰减，保证了混合实时仿真能够长时可靠进行，不会影响对象系统暂态稳定性的模拟。

(3)对混合实时仿真交互计算系统中交互计算部分的传递函数稳态增益进行校验。

混合实时仿真交互计算系统无稳态误差条件为：

T(s)＝1|_s→0              (3)

其中T(s)为描述混合实时仿真接口量交互与处理系统的传递函数，在其稳态增益为1的条件下，可保证闭环混合实时仿真稳态误差为0，即要求接口量在混合实时仿真交互与处理中不会被衰减或放大。

因此，对上述解析分析模型中的第一仿真接口量交互与处理系统和第二仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₁、β₂分别进行校验，若β₁＝1且β₂＝1，则混合实时仿真交互计算系统为无稳态误差状态。

若β₁≠1，则在第一仿真接口量交互与处理系统的输出位置加入比例系数γ₁，

若β₂≠1，则在解析分析模型中的第二仿真接口量交互与处理系统的输出位置加入比例系数γ₂，

加入比例系数γ₁、γ₂后混合实时仿真交互计算系统如图3，通过该步骤的调整，使得混合实时仿真交互计算系统满足无稳态误差条件。

(4)混合实时仿真稳态平启动。

混合实时仿真系统稳态模型设置和启动策略流程如图4所示，方法的核心是全网稳态求解中接口处设置。

混合实时仿真稳态平启动步骤是：

①采用一般的潮流解算方法对全网进行稳态求解，并将潮流稳态模型中接口母线设置为定有功功率和电压幅值的发电机节点；

②为了维持分网接口处母线电压在预定值所必需补偿的接口无功功率差额，由并联电抗、电容补偿，分网接口处的并联电抗L和电容C的值由下式确定：

其中U为分网接口处母线电压、ΔQ为分网接口处注入电磁暂态侧系统无功功率的差额；

③步骤①、②保证了电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统仿真达到稳态后稳定状态与初始潮流设定一致，当电力系统两侧的电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统两侧分别达到稳态后，混合实时仿真闭环。

通过上述步骤(1)～(4)，保证了混合仿真对象系统准确快速进入稳定状态、交互计算过程不影响对象系统故障/扰动下稳定性模拟、故障后恢复到准确的稳定运行点，解决了混合实时仿真可连续且长时间运行的首要问题，使得混合实时仿真系统连续运行8小时以上。

Claims (1)

1.一种电力系统的连续长时间稳定运行的混合实时仿真方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

(1)为电力系统建立一个混合实时仿真交互计算系统，将电力系统从分网接口处分成电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统，为上述混合实时仿真交互计算系统建立一个解析分析模型，该解析分析模型包括上述电磁暂态侧系统的第一仿真接口量交互与处理系统和第一端口响应模型以及上述机电暂态侧系统的第二仿真接口量交互与处理系统和第二端口响应模型；

(2)将上述解析分析模型的状态空间描述为

其中x为混合实时仿真交互计算系统的状态量，y为混合实时仿真交互计算系统的输出量，A、B、C和D为状态空间描述系数矩阵，对矩阵A进行特征值分析，得到混合实时仿真交互计算系统的模态，若所有模态的阻尼比大于或等于设定值α，则确定混合仿真交互计算系统为稳定运行，若所有模态的阻尼比小于设定值α，则在第一仿真接口量交互与处理系统输出位置加入一阶惯性系统，该一阶惯性系统的频域表达式为

其中T₁为时间常数设定值，T₁取值范围为5毫秒-20毫秒，α取值范围为5％-10％；

(3)分别对上述解析分析模型中的第一仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₁以及第二仿真接口量交互与处理系统的稳态增益β₂进行校验，若β₁＝1且β₂＝1，则混合实时仿真交互计算系统为无稳态误差状态，若β₁≠1，则在第一仿真接口量交互与处理系统的输出端即第一端口响应模型的输入端加入比例系数γ₁，

若β₂≠1，则在第二仿真接口量交互与处理系统的输出端即第二端口响应模型的输入端加入比例系数γ₂，

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2};$

(4)将电力系统潮流稳态模型分网接口处的母线设置为发电机节点，分网接口处的并联电抗L和电容C的值由下式确定：

其中U为分网接口处的母线电压，ΔQ为分网接口处的注入电磁暂态侧系统无功功率的差额，根据电抗或电容的值对分网接口处的注入无功功率差额进行补偿，使电力系统两侧的电磁暂态侧系统和机电暂态侧系统两侧分别达到稳态后，混合实时仿真闭环。

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