CN102521452B - 一种大电网合环计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大电网合环计算系统，其包括：合环潮流计算单元、机电暂态计算单元、串行计算单元和并行计算单元；其改进之处在于，所述合环计算系统包括机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元；所述合环潮流计算单元、所述机电暂态计算单元和所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元并列设置；所述串行计算单元分别接收所述合环潮流计算单元和所述机电暂态计算单元的数据；所述并行计算单元接收所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元的计算结果。本发明提供的大电网合环计算系统，根据大规模电网合环计算的需求，实现了基于潮流计算、机电暂态仿真、混合仿真综合分析方法的合环电流计算。

Description

一种大电网合环计算系统

技术领域

本发明属于电网仿真领域，具体涉及一种大电网合环计算系统。

背景技术

随着电网互联程度的加深，电网经逐步改造，供电可靠率不断提高。当对电网进行网内故障处理、负荷转移和设备检修时，可采用某些开环运行输电线路进行合环的方法，以减少停电次数和停电时间，提高供电的连续性和可靠性。

电网合环操作将产生冲击电流和合环后的稳态电流，当稳态电流或冲击电流过大时，将导致继电保护装置动作，直接影响电网的安全稳定运行。因此，在进行操作前需对合环电流进行计算，确认操作是否可行。合环操作本身将产生过电压，威胁设备安全。不成功的合环操作，无疑将增加停电次数，降低系统供电的可靠性和经济性，甚至损坏电气设备。此外，对于大规模电网，合环操作可能产生大规模潮流转移导致形成环网的支路甚至环网以外的支路过载，需要给予特别的关注。

以下为本发明中出现的词语机电暂态、电磁暂态和机电-电磁混合仿真做出解释：

机电暂态 电力系统机电暂态仿真是使用时域仿真的方法研究电力系统的机电暂态稳定性，即电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。

电磁暂态 分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便对电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。此外，对于研究新型快速继电保护装置的动作原理，故障点探测原理以及电磁干扰等问题，也常需要进行电磁暂态过程分析。

机电-电磁混合仿真 在一次仿真过程中将计算对象的电网拓扑按照需要分割成机电暂态计算网络和电磁暂态计算网络分别实施计算，通过电路连接界面即接口上的数据交换实现一体化仿真过程，实现电力系统机电暂态与电磁暂态混合仿真。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种大电网合环计算系统，根据大规模电网合环计算的需求，实现了基于潮流计算、机电暂态仿真、混合仿真综合分析方法的合环电流计算。

为实现上述目的，本发明提供一种大电网合环计算系统，其包括：合环潮流计算单元、机电暂态计算单元、串行计算单元和并行计算单元；其改进之处在于，所述合环计算系统包括机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元；所述合环潮流计算单元、所述机电暂态计算单元和所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元并列设置；所述串行计算单元分别接收所述合环潮流计算单元和所述机电暂态计算单元的数据；所述并行计算单元接收所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元的计算结果。

本发明提供的优选技术方案中，所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元包括：电磁暂态网络划分模块、机电暂态网络模块、电磁暂态网络模块和机电-电磁接口模块；所述电磁暂态网络划分模块对所述机电暂态网络模块和所述电磁暂态网络模块进行划分；所述机电暂态网络和所述电磁暂态网络通过所述机电-电磁接口模块连接。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述机电暂态网络模块为三序相量网络，所述机电暂态网络模块采用相量方程线性表示。

本发明提供的第三优选技术方案中，所述电磁暂态网络模块为三相瞬时值网络，所述电磁暂态网络模块由利用电容、电感元件构成的微分方程或偏微分方程组成。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述电磁暂态网络划分模块，根据设定的合环点信息，将合环点附近区域电网作为电磁暂态网络，同时将所有与电磁暂态网络外的母线有联系的支路作为机电暂态网络。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述合环点信息包括合环点位置、合环点两侧母线以及合环点继电保护定值信息。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述机电-电磁接口模块，包括：相互连接的三相瞬时值转换组件和三序相量值转换组件。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述三相瞬时值转换组件获得机电暂态网络的三序戴维南等值电势和阻抗后，将其转换为三相瞬时值形式；所述三序相量值转换组件将边界点的三相电压、电流瞬时值转换为相量值，再转换为三序相量值。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述三序相量值转换组件首先通过傅立叶变换，将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电流瞬时值，转换成相量值，将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电压瞬时值，转换成相量值；然后将边界点的A、B、C相电流和相电压转换为正、负、零序电流、电压相量。

与现有技术比，本发明提供的一种大电网合环计算系统，实现了基于潮流计算、机电暂态仿真、混合仿真综合分析方法的合环电流计算全新解决方案，能够准确计算合环稳态电流与冲击电流，与已有解决方案相比，具有仿真规模大、计算精度高、能够计及谐波分量与负荷不对称等诸多优点；而且，将机电暂态-电磁暂态混合仿真方法应用于合环电流计算，集中了机电暂态仿真和电磁暂态仿真的各自优点，既可以反映特定系统中详细的电磁暂态变化过程，又可仿真较大规模的电力系统，无需等值，准确性高；还提出了网络最大级数搜索算法，根据设置合环点自动划分电磁暂态网络，解决了以往进行混合仿真计算需要手工划分电磁暂态网络且容易产生错误的问题；再者，实现了机电暂态-电磁暂态混合仿真的单机并行算法，解决了以往混合仿真依赖PC机群系统的问题，在满足离线仿真的同时，极大地降低了软件成本。

附图说明

图1为大电网合环计算系统的结构示意图。

图2为机电暂态网络分网及接电磁暂态网络示意图。

图3为机电-电磁接口模块的工作流程图。

图4为机电-电磁接口模块示意图(节点分裂前)。

图5为机电-电磁接口模块示意图(节点分裂后)。

图6为合环混合仿真计算的单机并行算法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种大电网合环计算系统，其包括：合环潮流计算单元、机电暂态计算单元、串行计算单元和并行计算单元；其改进之处在于，所述合环计算系统包括机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元；所述合环潮流计算单元、所述机电暂态计算单元和所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元并列设置；所述串行计算单元分别接收所述合环潮流计算单元和所述机电暂态计算单元的数据；所述并行计算单元接收所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元的计算结果。

所示系统具备以下计算功能：

合环潮流计算

为保证合环潮流计算的收敛性，合环计算系统中提供了多种计算方法(PQ分解法、牛顿法、最佳乘子法、PQ分解转牛顿法)供选择。与常规潮流计算相比，合环潮流计算包含了合环前与合环后两次潮流计算。合环潮流报告给出合环前母线电压差、相角差，为有经验的运行人员提供初步判断的依据；计算得到的合环稳态电流与过流保护定值相比较，若合环稳态电流超出过流保护定值，则操作不可行，反之操作可行，给出合环操作可行性的确定性依据。此外，合环潮流可输出合环路径上相关支路以及任意其他支路、任意母线在合环前、合环后的潮流对比结果，容易发现合环操作可能带来的潮流转移及其他潮流不合理问题。

合环机电暂态计算

合环机电暂态仿真分析合环操作对系统稳定性的影响，计算合环冲击电流值。常规机电暂态仿真计算需设定故障卡，对指定的故障进行模拟。与常规机电暂态仿真计算相比，合环机电暂态仿真根据用户设定的合环点信息自动形成合环操作动作序列卡，不额外设定故障卡。合环机电暂态计算给出合环操作后系统暂态稳定性的确定结论，计算得到的冲击电流与继电保护定值相比较，判定合环操作是否可行。

合环混合仿真计算

合环操作时不同的合环相角冲击电流的大小不同，对系统产生的影响也不相同。机电暂态仿真的典型仿真步长为10毫秒，因此在对不同的合环相角模拟上显得时间刻度不够精细。电磁暂态仿真通常描述过程持续时间在纳秒、微秒、毫秒级的系统快速暂态特性，计算步长一般为20-200微秒，典型计算步长为50微秒，与机电暂态计算相比，能以更精细的时间刻度模拟系统的动态。

此外，电磁暂态计算采用ABC三相瞬时值表示，可以描述系统三相不对称、波形畸变，以及高次谐波叠加等特性；机电暂态计算则基于工频正弦波假设条件，将系统由三相网络经过线性变换转换为相互解耦的正、负、零序网络分别计算，系统变量采用基波相量表示，因此，机电暂态仿真只能反映系统工频特性及低频振荡等特性。合环混合仿真计算指根据设置的合环点信息，将合环点附近区域自动划分为电磁暂态网络，其他大部分电网为机电暂态网络，在一次仿真过程中实现对大规模电力系统的机电暂态仿真和局部合环点区域网络的电磁暂态仿真，能够计算得到对应不同的合环相角下冲击电流瞬时值以及合环点附近各母线电压、各母线电流和功率的瞬时值，可进一步分析合环操作过电压情况。应用开关统计功能，对一个周期内不同合环时刻进行逐个时间点的混合仿真，给出冲击电流值的变化区间，并得到合环冲击电流最大(最恶劣)的情况。

机电暂态-电磁暂态混合仿真技术

电力系统电磁暂态仿真和机电暂态仿真这两种类型的仿真在变量数学模型和仿真时间范围、积分步长等方面都存在着很大差异。电磁暂态计算采用ABC三相瞬时值表示，可以描述系统三相不对称、波形畸变，以及高次谐波叠加等特性；机电暂态计算则基于工频正弦波假设条件，将系统由三相网络经过线性变换转换为相互解耦的正、负、零序网络分别计算，系统变量采用基波相量表示，因此，机电暂态仿真只能反映系统工频特性及低频振荡等特性。

电磁暂态计算元件模型采用网络中广泛存在的电容、电感等元件构成的微分方程或偏微分方程描述；而机电暂态网络计算中，系统元件模型采用相量方程线性表示。相对于电磁暂态模型，机电暂态仿真模型都根据仿真条件作了一定程度的简化。

为了实现机电与电磁暂态的接口，机电暂态网络计算部分需做如下工作：

(1)程序初始化时求取机电暂态网络的三序戴维南等值阻抗和电势。

如图2所示，机电暂态网络分3个子网S1、S2、S3，都接有电磁暂态网络(简称EMT)，其中：分网联络点：1，4，5，7；接EMT点：2，3，6，8，9；以上各类点统称为端口点。各子网端口点：子网1：1，2，3；子网2：4，5，6；子网3：7，8，9。

在主控机形成如下的端口方程：

式(1)的右端项中不包含EMT电流。

对式(1)中的Y阵求逆，可得Z阵(9×9)＝[Zij]，i＝1，2，...，9，j＝1，2，...，9。

从边界点看过去的机电暂态网络的等值阻抗为

$Z_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{ccccc}{Z}_{22}& Z_{23}& Z_{26}& Z_{28}& Z_{29}\\ Z_{32}& Z_{33}& Z_{36}& Z_{38}& Z_{39}\\ Z_{62}& Z_{63}& Z_{66}& Z_{68}& Z_{69}\\ Z_{92}& Z_{93}& Z_{96}& Z_{98}& Z_{99}\\ & & & & \end{array}\right]---\left(2\right)$

等值电势为

$E_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{c}{V}_2\\ V_3\\ V_6\\ V_8\\ V_9\end{array}\right]---\left(3\right)$

(3)每一积分时段，根据电磁暂态网络发送的边界点的正、负、零序电压和电流求取电磁暂态网络的诺顿等值电流源。

其计算公式为：

I_S＝I_emt+Y_emtV_emt (4)

式中，I_S为电磁暂态网络的等值电流源，V_emt、I_emt分别为电磁暂态网络边界点的正、负、零序电压和电流，Y_emt为电磁暂态网络的等值导纳。

(4)每一积分时段，求取机电暂态网络的三序戴维南等值电势。其计算方法同(1)。如果存在有故障或操作导致机电暂态网络结构发生变化情况，则需重新求取机电暂态网络的三序等值阻抗。

如前所述，机电暂态网络为三序相量网络，而电磁暂态网络为三相瞬时值网络，因此，需要对机电-电磁暂态接口数据进行序-相变换及瞬时量-相量变换，这部分工作由电磁暂态网络计算部分来完成，主要有：

(1)获得机电暂态网络的三序戴维南等值电势和阻抗后，将其转换为三相瞬时值形式。

(2)将边界点的三相电压、电流瞬时值转换为相量值，再进一步转换为三序相量值。

在所述步骤2中，通过傅立叶变换，将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电流瞬时值，转换成相量值；将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电压瞬时值，转换成相量值；然后将边界点的A、B、C相电流、电压(相量)转换为正、负、零序电流、电压(相量)。

上述工作由电磁暂态仿真中的机电-电磁接口模块来完成，以并行计算时序为例，其流程图如图3所示。接口模块首先接收机电暂态网络的边界点正、负、零序等值电势(相量形式)，然后结合机电暂态网络的边界点正、负、零序等值阻抗，将其变换成ABC相电流源并联ABC相导纳的形式；另一方面，接口模块还要将电磁网络边界点的ABC相注入电流及ABC相电压瞬时值，转换成正、负、零序相量值，并发送给机电暂态网络。完成一次信息交互后，机电和电磁暂态网络继续进行下一个时步各自的计算。

整个电磁暂态网络的仿真是基于对称矩阵求解方法进行计算的。当电磁暂态网络与机电暂态网络联合计算时，按本课题的接口方法，电磁暂态网络需要接入机电暂态网络的戴维南等值电路，若机电暂态网络中包括发电机，机电暂态网络的正、负、零序等值阻抗阵转换成A、B、C三相导纳阵后，会出现导纳阵不对称的情况，需作特殊处理，其处理方法为：将机电暂态等值网络看成是电磁暂态的一个子网。具体实现方法如下：

假设图3中区域A代表电磁暂态网络，区域B代表机电暂态等值网络；A与B之间的边界点为m(这里m不仅仅代表一个边界点，而是代表边界点的集合)。那么，图4的表现形式还能转换为图5的形式。也就是，将边界点m一分为二，使得区域A中有m点，同时在区域B中也有m点。A与B之间将形成如图5所示的[α]关联关系。

假设A与B之间的电流流向如图所示，那么，A和B的网络方程可以写为：

Y_AV_A＝h_A+pi_α(5)

Y_BV_B＝h_B-qi_α(6)

其中，YA、YB分别为子网A、B的导纳矩阵，VA、VB分别为子网A、B的节点电压相量，hA、hB分别为子网A、B的等值电流源，iα表示子网A、B之间的联络电流向量，p、q分别为反映子网A、B中某些节点与联络电流向量iα的关联关系的关联阵，p、q中的元素非0即1。

另外，由于边界点同时存在于A、B两个子网中，因此有：

p^TV_A＝q^TV_B    (7)

将(5)(6)(7)式联立，并且考虑到q为单位阵，可得：

$(p^T{Y}_A^{-1}p+Y_B^{-1})i_{\mathrm{\α}}=Y_B^{-1}{h}_B-p^T{Y}_A^{-1}{h}_A---\left(8\right)$

利用(8)式求出iα后，代入(5)和(6)，即可分别求出各点电压。

根据上述办法，在与机电暂态接口的每步计算中，首先需要求出联络电流iα，所幸的是，由于接口点个数不可能太多，因此方程(8)的求解不成问题，只需在仿真初始化时以及机电暂态网络或电磁暂态网络结构发生变化时刻进行LU分解，其它时刻进行回代计算即可。

机电暂态-电磁暂态混合仿真应用于大规模电网合环计算，集中了机电暂态和电磁暂态仿真的各自优点，既可以反映合环点附近局部电网中详细的电磁暂态变化过程，又可仿真较大规模的电力系统，无需等值，准确性高。

基于最大级数搜索算法的电磁暂态网络自动划分

在进行混合仿真前，需确定机电暂态网络(可一个或多个)和电磁暂态网络(可一个或多个)，一般做法是：首先绘制系统单线图，在单线图上将电网划分为若干个相互独立的子网，然后检查网络分割结果的合理性。若单线图未完全画出，则很容易产生画面上相互独立的电网实际上还存在支路连接的情况，导致分网不成功。网络划分的结果，包括边界点、联络线等数据，存储在数据库中，可以提供给其他计算模块使用。对应一个工程可以有多套网络划分的方案，这些方案是可以在工程中保存的。显然，这种处理方式应用于合环计算系统会带来许多不变：首先，大规模电网中合环点可能有成百上千个，也就是说，每次进行合环计算都将面临分网工作；其次，已有的分网方案存储后，一旦潮流方式变化，这些方案将不再使用；再次，若电网数据更新，整个工程变化，则原有的存储方案将不复存在。

电力系统中的同心松弛是指在大规模的电力系统中，如果系统某处的参数发生了变化，如断线、母线有功或无功变化等，则距该处最近的母线或线路受到的影响很大，而在距离较远的区域则影响较小。根据同心松弛原理，合环操作产生的过电压、冲击电流在合环点附近区域最为严重，而对较远区域的影响相对较小。因此，电磁暂态网络应以合环点为中心进行划分。

基于上述考虑，提出电磁暂态网络自动划分的最大级数搜索算法，该算法根据设定的合环点信息，自动将合环点附近区域电网作为电磁暂态网络，由拓扑程序确定边界点和联络线，保证与机电暂态网络的独立性，其基本原理可解释如下：将合环点两侧母线作为同一母线定义为初始母线，同时定义具有阻抗的支路作为单元级数。在混合仿真配置页包含了最大搜索级数的选项，例如设置最大搜索级数为2，则所有距离初始母线不大于2个单元级数的母线与合环点两侧母线一起构成电磁暂态网络母线集合，所有与电磁暂态网络外的母线有联系的支路都划分到机电暂态网络。

如图6所示，为合环混合仿真计算的单机并行算法流程图，合环混合仿真算例包含机电暂态子网和电磁暂态子网各一个，Windows并行计算时有3个进程，分别为机电暂态计算进程、电磁暂态计算进程和IO进程。每个计算进程都与界面建立Socket通信；每个计算进程与IO进程之间建立MPIFIFO通信，用于文件输出。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大电网合环计算系统，其包括：合环潮流计算单元、机电暂态计算单元、串行计算单元和并行计算单元；其改进之处在于，所述合环计算系统包括机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元；所述合环潮流计算单元、所述机电暂态计算单元和所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元并列设置；所述串行计算单元分别接收所述合环潮流计算单元和所述机电暂态计算单元的数据；所述并行计算单元接收所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元的计算结果；

所述机电暂态-电磁暂态混合仿真计算单元包括：电磁暂态网络划分模块、机电暂态网络模块、电磁暂态网络模块和机电-电磁接口模块；所述电磁暂态网络划分模块对所述机电暂态网络模块和所述电磁暂态网络模块进行划分；所述机电暂态网络和所述电磁暂态网络通过所述机电-电磁接口模块连接；

所述机电暂态网络模块为三序相量网络，所述机电暂态网络模块采用相量方程线性表示；

所述电磁暂态网络模块为三相瞬时值网络，所述电磁暂态网络模块由利用电容、电感元件构成的微分方程或偏微分方程组成；

所述电磁暂态网络划分模块，根据设定的合环点信息，将合环点附近区域电网作为电磁暂态网络，同时将所有与电磁暂态网络外的母线有联系的支路作为机电暂态网络；

所述机电-电磁接口模块，包括：相互连接的三相瞬时值转换组件和三序相量值转换组件。

2.根据权利要求1所述的合环计算系统，其特征在于，所述合环点信息包括合环点位置、合环点两侧母线以及合环点继电保护定值信息。

3.根据权利要求1所述的合环计算系统，其特征在于，所述三相瞬时值转换组件获得机电暂态网络的三序戴维南等值电势和阻抗后，将其转换为三相瞬时值形式；所述三序相量值转换组件将边界点的三相电压、电流瞬时值转换为相量值，再转换为三序相量值。

4.根据权利要求1或3所述的合环计算系统，其特征在于，所述三序相量值转换组件首先通过傅立叶变换，将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电流瞬时值，转换成相量值，将电磁暂态网络边界点的A、B、C相注入电压瞬时值，转换成相量值；然后将边界点的A、B、C相电流和相电压转换为正、负、零序电流、电压相量。

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