CN102436534A - 一种电力系统仿真方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电力系统仿真方法，该方法包括以下步骤：建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型；对电力系统进行潮流计算；将电力系统各个负荷的电磁暂态模型分配到并行计算机的多个计算节点上，并检测电力系统是否出现扰动；当出现扰动后对电力系统中的各个电磁暂态模型进行并行电磁暂态仿真，并利用电磁暂态仿真结果在下一机电暂态时刻对电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后电力系统的电气量参数。与现有技术相比，本发明将精确的电磁暂态模型引入机电暂态仿真，有效的提高了计算的准确性；并且将各个电磁暂态模型分配到并行计算机的各个节点，充分利用并行计算的特性，大大提高了计算效率，有效的提高了计算的准确性。

Description

一种电力系统仿真方法

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电力系统仿真方法。

背景技术

近年来，我国电力事业得到了迅猛的发展，风力发电机、储能装置、电气化铁路等各种电力电子装置在电力系统中已得到越来越广泛的应用。电力系统的安全运行已成为学术界、工程界研究的热点。

目前通常采用全系统数学模型的方法对电力系统暂态稳定进行分析，但这种方法在电力系统稳定分析中，各元件所采用的数学模型不但与稳定分析结果的正确性直接相关，而且对稳定分析的复杂性有很大影响，所以需要选用适当的模型描述各元件的特性，使得稳定分析的结果满足合理的精度要求并且要求计算简单，而对于包含众多负荷及各种控制装置的实际电力系统，各元件的建模会比较困难。

虽然可以对电力系统元件及电力网络建立完整的电磁暂态模型，并且可以十分精确的反应电力系统各个元件的运行状态。但是在这种环境中，对全系统进行电磁暂态仿真计算量庞大，计算时间长，并且对于大规模电力系统建模复杂程度较高。然而在实际工程应用中，当电力系统遭受扰动后，却要求模型能够快速、准确地对电力系统的稳定性进行研究，所以目前现有对电力系统暂态稳定分析的方法无法满足实际工程需要。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种电力系统仿真方法，该方法充分考虑模型的精确性与机电暂态仿真的快速性，利用并行计算的高效性，以对电力系统进行电磁和机电混合并行仿真。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种电力系统仿真方法，包括：

建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，所述电力系统包括至少一个负荷；

对所述电力系统进行潮流计算，得到扰动前所述电力系统的初始运行状态参数，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；

将所述电力系统各个负荷的电磁暂态模型分配到并行计算机的多个计算节点上，并且一个计算节点上分配一个负荷的电磁暂态模型；

检测所述电力系统是否出现扰动；

当出现扰动后，根据所述电力系统的初始运行状态参数，利用并行计算机的多个计算节点对所述电力系统中的各个电磁暂态模型进行并行电磁暂态仿真，得到所述电力系统中各个电磁暂态模型所在节点的注入电流；

利用所述注入电流在下一机电暂态时刻对所述电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后所述电力系统的电气量参数。

优选地，建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，具体包括：

利用电磁暂态软件建立所述电力系统中各个负荷的初始电磁暂态模型；

对所述初始电磁暂态模型的输入、输出进行规范化处理，得到所述电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，所述规范化处理包括：删除模型文件中所有测量模块、删除所有工作区数据导入源、输出量采用标准的输出接口及输入量使用标准的输入接口。

优选地，所述电磁暂态软件包括：Matlab/Simulink软件和PSCAD软件。

优选地，所述电磁暂态仿真步长的数量级为10^-6秒。

优选地，利用所述注入电流在下一机电暂态时刻对所述电力系统进行机电暂态仿真，具体包括：

根据所述注入电流求解电力系统机电暂态网络方程，得到电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线；

利用所述注入电流和上述求解网络方程得到的计算结果，对所述电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后所述电力系统电气量参数。

优选地，所述机电暂态仿真步长的数量级为10^-2秒。

优选地，所述电气量参数包括：电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。

优选地，在进行机电暂态仿真后，进一步包括：

判断所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和是否等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间；

如果是，结束仿真过程；

如果否，获取扰动后所述电力系统的电气量参数中的各个节点的电压和注入功率，并利用所获取的各个节点的电压和注入功率对上一时刻进行电磁暂态仿真的节点进行电磁暂态仿真；

利用本次电磁暂态仿真计算得到的所述电力系统中各个电磁暂态模型所在节点的注入电流进行机电暂态仿真，并再次判断所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和是否等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间，直到所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间。

由以上技术方案可见，与现有的技术相比，本申请实施例提供的该电力系统仿真方法，具有的有益效果：

1)传统电力系统机电暂态仿真采用全系统数学模型，对各元件建立合适数学模型较为复杂，而本发明将精确的电磁暂态模型引入机电暂态仿真，有效的提高了计算的准确性，使计算结果更符合实际；

2)传统电力系统机电暂态仿真建立数学模型不能很好的兼顾计算精度和计算效率，而本发明将各个电磁暂态模型分配到并行计算机的各个节点，充分利用并行计算的特性，同时进行电磁暂态仿真，大大提高了计算效率，有效的提高了计算的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电力系统仿真方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的对电力系统进行机电暂态仿真的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种电力系统仿真方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的含有两个牵引百年雅琪的电力系统的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的某时刻电力系统发生扰动时利用本申请提供的该电力系统仿真方法的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种电力系统仿真方法的流程示意图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

S100：建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型。

通常在对电力系统进行建模时，电力系统可以表述为发电机组、输电网络和综合负荷，这里总和符合可以包括：配电线路、变压器、并联补偿和终端设备等多种负荷。在本申请实施例中，需要对电力系统中的各个负荷建立电磁暂态模型。

在本申请实施例中，该步骤可以包括：

S101：利用电磁暂态软件建立所述电力系统中各个负荷的初始电磁暂态模型。

这里电磁暂态软件可以包括：Matlab/Simulink软件和软件PSCAD等软件。当建立各个负荷的初始暂态模型后，为了实现同一负荷的模型可以在不同实例中彼此独立地进行电磁暂态模型仿真，还需要对初始电磁暂态模型进行规范化处理。

S102：对所述初始电磁暂态模型的输入、输出进行规范化处理，得到所述电力系统中各个负荷的电磁暂态模型。

在本申请实施例中，规划化处理包括：删除模型文件中所有测量模块、删除所有工作区数据导入源、输出量采用标准的输出接口及输入量使用标准的输入接口等，经过规范化处理后，将各个负荷的电磁暂态模型导出即可。

经过规范化处理后，同一个负荷电磁暂态模型可以在不同实例中使用各自独立的工作内存和输入/输出句柄，从而可以实现多实例彼此独立的电磁暂态模型仿真。

S200：对电力系统进行潮流计算。

对电力系统进行潮流计算的目的是为了得到在没有出现扰动前电力系统的初始运行状态参数，也即电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率。

S300：将电力系统各个负荷的电磁暂态模型分配到并行计算机的多个计算节点上。

在本申请实施例中，为了提高仿真效率，采用并行计算机对电力系统中的各个负荷的电磁暂态模型进行并行仿真。在进行并行仿真前，需要将电力系统中各个负荷的电磁暂态模型分配到并行计算机的多个计算节点上，并且并行计算机中的每一个计算节点与一个负荷的电磁暂态模型相对应。

S400：检测电力系统是否出现扰动。

对于交直流电力系统中的大扰动主要有：发电机故障切除、直流输电系统因故障(或无故障)部分或全部切除、变压器和线路等元件故障并切除、大负荷的投入或切除。其中线路故障最为常见，故障形式有各种短路、开路和复合故障。对于交直流电力系统巾，小扰动动态稳定问题可能是局部性的，也可能是全局性的，其中：局部性小扰动稳定问题只涉及系统的一部分，它也可分为电厂模式振荡、机间模式振荡和与控制相关的不稳定等；全局性小扰动稳定问题由发电机组之间的相互影响造成，表现为一个区域里的一组发电机对另-区域的一组发电机发生摆动的振荡，这种振荡称为区域模式振荡。

当出现扰动后，电力系统的稳定性就会产生变化，此时进行S500。

S500：对电力系统中的各个电磁暂态模型进行并行电磁暂态仿真。

在出现扰动后，利用步骤S200中计算得到的电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率，利用并行计算机中的多个计算节点分别对电力系统中各个电磁暂态模型进行并行电磁暂态仿真，计算得到下一时刻各个节点的电压，为下一时刻的仿真做准备。

在进行电磁暂态仿真时，仿真步长的数量级为10^-6秒，仿真的时间与后续的机电暂态仿真的时间相同。

S600：对电力系统进行机电暂态仿真。

在本申请实施例中，该步骤包括：

S601：根据所述注入电流求解电力系统机电暂态网络方程。

机电暂态网络方程为：

YV＝I

式中：V——电力网络节点电压向量

I——电力网络节点注入电流向量

Y——电力网络节点导纳矩阵

求解得到的结果为该时刻电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。

S302：对所述电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后所述电力系统电气量参数。

在上述步骤S301中计算得到该时刻电力系统中各节点的电压和注入功率，在该步骤中利用电磁暂态仿真计算得到的注入电流以及上述求解网络方程得到的计算结果对电力系统进行机电暂态仿真，仿真后就可以得到扰动后电力系统的电气量参数，电力系统的电气量参数可以包括：电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线、发电机相对摇摆角曲线和YY，这些电气量参数可以用于对电力系统的稳定性进行分析，分析大功率电力电子设备对电力系统稳定性的影响，并且在分析时既可以模拟大规模电力系统的机电暂态过程，又路模拟局部的电力电子设备及其控制器的快速暂态特性。

另外，在本申请其它实施例中，如图4所示，该方法还可以包括：

S701：判断电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和是否等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间；

在进行机电暂态仿真时，可以预先设置电力系统机电暂态仿真的总时间。在进行机电暂态仿真后，将电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和与预设电力系统机电暂态仿真的总时间进行比较，如果电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和达到了预设电力系统机电暂态仿真的总时间，进行S702；如果电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和没有达到预设电力系统机电暂态仿真的总时间，进行S703。

S702：结束仿真过程。

S703：获取扰动后所述电力系统的电气量参数中的各个节点的电压和注入功率，继续对电力系统的各个负荷的电磁暂态模型进行电磁暂态仿真，并且对电磁暂态仿真后的电力系统进行机电暂态仿真。

在电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和没有达到预设电力系统机电暂态仿真的总时间时，需要循环执行步骤S500和S600，这样在对电力系统进行仿真时，每一次循环均进行机电暂态和电磁暂态的交互计算，并且直至完成所有时刻的仿真。

由以上技术方案可见，与现有的技术相比，本申请实施例提供的该电力系统仿真方法具有的有益效果：

1)传统电力系统机电暂态仿真采用全系统数学模型，对各元件建立合适数学模型较为复杂，而本申请实施例提供的该方法，将精确的电磁暂态模型引入机电暂态仿真，有效的提高了计算的准确性，使计算结果更符合实际；

2)传统电力系统机电暂态仿真建立数学模型不能很好的兼顾计算精度和计算效率，而本申请实施例提供的该方法，将各个电磁暂态模型分配到并行计算机的各个节点，充分利用并行计算的特性，同时进行电磁暂态仿真，大大提高了计算效率，有效的提高了计算的准确性。

此外，在本申请中还提供了一个应用该电力系统仿真方法的具体实施例，下面结合该具体实施例对该电力系统仿真方法进行详细说明：

图5为本申请实施例提供的含有两个牵引百年雅琪的电力系统的结构示意图。

如图5所示，图中，1～9编号为电力系统节点编号，其中牵引供电系统所用模型为电磁暂态模型，接于电力系统的1#母线和2#母线。

考虑到如图5所示的示例含两个牵引变压器(电磁暂态模型)的电力系统，采用本申请提供的该电力系统仿真方法对某时刻电力系统进行分析，各步骤分述如下：

1)在Matlab/Simulink环境中，建立详细电磁暂态模型，对模型输入、输出进行规范化处理，在Matlab/Simulink编辑界面中，点击Simulation菜单，选择Rapid Accelerator模式，再点击Configuration Paramters，进入参数设置选项卡，进行参数设置；

2)在完成步骤1)参数设置后，点击Real-Time Workshop(RTW)选项卡最下方的Build按钮，待此按钮恢复后，即完成了负荷模型动态链接库(dll)的导出和编译，同时生成BUS_export_ert_shrlib_rtw和slprj两个子目录，前者包含所有源文件，后者报告RTW的配置信息；

3)在Matlab/Simulink模型导出成dll后，在调用ert_main.c代码中的初始化函数Bus_export_initialize之前，对ert_main.c中的静态变量BUS_export_P进行设置，从而对同一模型，不同实例使用各自独立的工作内存和输入输出句柄，实现多实例彼此独立的电磁暂态模型计算；

4)对电力系统进行潮流计算，得到扰动前系统的运行状态，即电力系统各节点的初始电压和初始注入功率，并将各个电磁暂态模型分配到并行计算机的各个计算节点；

5)在扰动发生后，根据各个电磁暂态模型所在节点的初始电压和初始注入功率，进行电磁暂态模型并行仿真，得到该节点的注入电流，并将该注入电流代入到电力系统机电暂态网络方程：

YV＝I

式中：V——电力网络节点电压向量

I——电力网络节点注入电流向量

Y——电力网络节点导纳矩阵

由网络方程求解该时刻各节点的电压值和注入功率；

6)根据步骤5)得到的电磁暂态模型所在节点的电压，重复步骤5)计算下一时刻的各节点电压，直到完成所有时刻的计算。

图6为本申请实施例提供的某时刻电力系统发生扰动时利用本申请提供的该电力系统仿真方法的仿真结果图。

表1电力系统仿真方法的并行效果对比表

图5所示牵引供电系统为电磁暂态模型，其中共含有20辆运行的列车，均为电磁暂态模型，将这些电磁暂态模型分配到不同数量的计算节点中，每个计算节点分配不同的电磁暂态模型数量，得到不同计算节点下的计算效率，如表1所示，在牵引变处得到功率的电磁暂态仿真结果如图6所示。

从图6和表1可知，本申请实施例提供的该电力系统仿真方法使得电力系统机电暂态仿真结果更为准确、可靠，大大提高了计算效率，符合实际使用的需求。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电力系统仿真方法，其特征在于，包括：

建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，所述电力系统包括至少一个负荷；

对所述电力系统进行潮流计算，得到扰动前所述电力系统的初始运行状态参数，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；

将所述电力系统各个负荷的电磁暂态模型分配到并行计算机的多个计算节点上，并且一个计算节点上分配一个负荷的电磁暂态模型；

检测所述电力系统是否出现扰动；

当出现扰动后，根据所述电力系统的初始运行状态参数，利用并行计算机的多个计算节点对所述电力系统中的各个电磁暂态模型进行并行电磁暂态仿真，得到所述电力系统中各个电磁暂态模型所在节点的注入电流；

利用所述注入电流在下一机电暂态时刻对所述电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后所述电力系统的电气量参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，具体包括：

利用电磁暂态软件建立所述电力系统中各个负荷的初始电磁暂态模型；

对所述初始电磁暂态模型的输入、输出进行规范化处理，得到所述电力系统中各个负荷的电磁暂态模型，所述规范化处理包括：删除模型文件中所有测量模块、删除所有工作区数据导入源、输出量采用标准的输出接口及输入量使用标准的输入接口。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁暂态软件包括：Matlab/Simulink软件和PSCAD软件。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁暂态仿真步长的数量级为10^-6秒。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述注入电流在下一机电暂态时刻对所述电力系统进行机电暂态仿真，具体包括：

根据所述注入电流求解电力系统机电暂态网络方程，得到电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线；

利用所述注入电流和上述求解网络方程得到的计算结果，对所述电力系统进行机电暂态仿真，得到扰动后所述电力系统电气量参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述机电暂态仿真步长的数量级为10^-2秒。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电气量参数包括：电力系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行机电暂态仿真后，进一步包括：

判断所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和是否等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间；

如果是，结束仿真过程；

如果否，获取扰动后所述电力系统的电气量参数中的各个节点的电压和注入功率，并利用所获取的各个节点的电压和注入功率对上一时刻进行电磁暂态仿真的节点进行电磁暂态仿真；

利用本次电磁暂态仿真计算得到的所述电力系统中各个电磁暂态模型所在节点的注入电流进行机电暂态仿真，并再次判断所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和是否等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间，直到所述电力系统的机电暂态仿真计算时刻的总和等于预设电力系统机电暂态仿真的总时间。

Images