CN102999361B - 一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，属于电网仿真领域。提出一套从机电暂态模型到电磁暂态模型的完整对应规则，按照不同的分析目的和要求将机电暂态模型对应至不同精细程度的电磁暂态模型。基于此规则，进一步提出一种从机电暂态数据到电磁暂态数据的自动更新的算法，在设定模型的具体对应关系后，以先元件自身后连接关系的处理顺序，进行数据的自动更新，其中复杂元件的处理借助电磁暂态自定义模版来解决。为如何在已知机电暂态数据的基础上正确、高效地建立电磁暂态数据提供了指导。
Description
技术领域
本发明属于电网仿真领域，具体涉及一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法。
背景技术
电力系统发生扰动后，会产生复杂的机电暂态过程和电磁暂态过程，前者主要指由于发电机和电动机电磁转矩的变化所引起的电机转子机械运动的变化过程，后者则指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程。虽然机电暂态过程和电磁暂态过程同时发生并且相互影响，但是要对它们统一分析却十分复杂。由于不同的问题往往出于关注点的不同而对这两个暂态过程各有偏重，再考虑到二者的变化速度相差很大，因此工程上通常近似地对它们分别进行分析。
这两种暂态过程的分析通常都采用数字仿真方法，其中机电暂态过程的仿真主要用于分析电力系统的稳定性，即用来分析当电力系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态的问题。这类现象变化过程的持续时间常常在几秒到十几秒。由于系统频率变化不大，仿真时采用基波相量理论分析计算，即将网络中的电压、电流等物理量以基频相量表示，除原动机调速系统、发电机、励磁系统、PSS等动态元件以微分方程建模外，网络中其他元件都以它们的阻抗或导纳建模。机电暂态仿真实际上即为交替求解微分方程组和描述电网中母线和线路元件关系的网络代数方程组。
电磁暂态过程仿真的主要目的在于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，以便根据所得到的暂态过电压和过电流对相关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。由于电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况，因此，分析中需要考虑元件的电磁耦合和非线性，有时还需计及输电线路分布参数所引起的波过程，以及考虑线路三相结构不对称、线路参数的频率特性以及电晕等因素的影响。这类电力系统现象的变化过程中系统频率往往波动很大，因此在电磁暂态仿真中通常采用时域瞬时值分析计算，而各元件均以微分方程建模。电磁暂态仿真实际上即为微分方程组的求解。
根据不同的分析目的，分析人员基于系统的网架结构、元件参数等数据进行机电暂态或者电磁暂态的建模与仿真。其中针对实际系统的电磁暂态分析，已知的基础数据一般都是电网运行方式或规划方式数据，其元件数据多以机电暂态模型的形式体现。如前文所述，机电暂态模型和电磁暂态模型虽然不同，但主要由于后者考虑了系统频率变化或者其他一些电磁暂态过程而造成，故而二者之间仍然存在重合的部分。因此如何基于已有数据来正确建立电磁暂态模型，就需要一套从机电暂态模型到电磁暂态模型的完整对应规则来支持和保证。
另外，电网运行方式或规划方式数据一般均已在一些机电暂态仿真软件中建立，若据此数据进一步在电磁暂态仿真软件中建模，则元件的部分参数录入、元件之间的连接关系搭建、仿真所依据的潮流初值的录入实际上均属重复性工作。而且现代电力系统规模不断扩大，运行方式也复杂多变，这都将引致机电暂态数据和电磁暂态数据的一致性维护问题，如纯靠人工来解决则颇为繁琐且耗时耗力。若能实现基于机电暂态、电磁暂态仿真软件的支持，从机电暂态数据到电磁暂态数据的自动转换以及更新，则必将大幅节省建模时间，并能保证数据的准确性及时效性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，实现了从机电暂态数据到电磁暂态数据的更新，且数据准确性高，时效性强。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，所述自动更新方法包括以下步骤：
步骤1.用户选定对应规则，并建立电磁暂态自定义模板库；
步骤2.读取并记录所述机电暂态数据和电磁暂态数据；
步骤3.令元件序数i为0；
步骤4.检索机电暂态数据第i个元件的元件名称；
步骤5.判断是否存在同名元件，若是则执行步骤6，若否则执行步骤8；
步骤6.判断连接关系是否相同，若是则执行步骤7，若否则将该元件的连接关系记录入连接关系更新列表后执行步骤7；
步骤7.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则提示用户手动修改该元件参数后执行步骤10，若否则更新该元件参数后执行步骤10；
步骤8.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则执行步骤9，若否则按对应规则直接转换后执行步骤10；
步骤9.按匹配的电磁暂态自定义模板转换；
步骤10.判断i是否等于N，若是则设置元件连接关系，若否则执行i=i+1后返回步骤4继续执行。
在步骤2中，所述机电暂态数据包括电力系统中元件总个数N、元件参数以及元件之间的连接关系。在步骤2中，所述电磁暂态数据包括元件参数以及元件之间的连接关系。
所述步骤9包括以下步骤：
步骤A.检索所述电磁暂态自定义模板库；
步骤B.判断是否存在匹配的自定义模板，若是则应用自定义模板将元件转换为自定义元件，若否则提示用户创建相应的模板。
所述对应规则为机电暂态模型和电磁暂态模型的对应规则，其包括交流线对应规则、发电机对应规则、变压器对应规则、感应电动机对应规则、电容器对应规则、电抗器对应规则、直流准稳态模型对应规则、SVC准稳态模型对应规则和TCSC准稳态模型对应规则。
所述交流线对应规则包括频率无关线路模型对应规则和频率相关线路模型对应规则；
所述频率无关线路模型对应规则中，当忽略线路分布参数所引起的波过程时，机电暂态模型中的交流线对应至电磁暂态模型的π型集中参数线路模型，若功率传输只采用单回线传输，则该交流线对应π型集中参数单回线路模型；若功率传输以多回线传输，则交流线整体对应至线间互耦π型集中参数多回线路模型；当考虑线路分布参数所引起的波过程时，机电暂态模型中的交流线对应至分布参数线路模型，若功率传输采用单回线路传输，则该线路对应至分布参数单回线路模型；若功率传输以多回线传输，则交流线整体对应至分布参数多回线路模型；
所述频率相关线路模型对应规则中，若功率传输采用单回线路形式，则该线路对应至频率相关传输单回线模型；若以多回线传输，则这些线路应整体对应至频率相关传输多回线模型。
所述发电机对应规则包括同步发电机对应规则、经典模型发电机对应规则和正弦函数电压源对应规则。
所述变压器对应规则包括理想变压器对应规则和普通变压器对应规则。
所述感应电动机对应规则包括单笼感应电动机对应规则、双笼感应电动机对应规则和绕线感应电动机对应规则。
所述电容器对应规则包括三相串联电容对应规则和三相耦合电容对应规则，所述电抗器对应规则包括三相串联RL对应规则和三相耦合RL对应规则。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.在已知机电暂态数据的基础上正确、高效地建立电磁暂态数据；
2.实现了从机电暂态数据到电磁暂态数据的更新；
3.节省时间，数据准确性高，时效性强；
4.方法简单可靠，易于执行。
附图说明
图1是机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法流程图；
图2是机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法实施例流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2，一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，所述自动更新方法包括以下步骤：
步骤1.用户选定对应规则，并建立电磁暂态自定义模板库；
步骤2.读取并记录所述机电暂态数据和电磁暂态数据；
步骤3.令元件序数i为0；
步骤4.检索机电暂态数据第i个元件的元件名称；
步骤5.判断是否存在同名元件，若是则执行步骤6，若否则执行步骤8；
步骤6.判断连接关系是否相同，若是则执行步骤7，若否则将该元件的连接关系记录入连接关系更新列表后执行步骤7；
步骤7.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则提示用户手动修改该元件参数后执行步骤10，若否则更新该元件参数后执行步骤10；
步骤8.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则执行步骤9，若否则按对应规则直接转换后执行步骤10；
步骤9.按匹配的电磁暂态自定义模板转换；
步骤10.判断i是否等于N，若是则设置元件连接关系，若否则执行i=i+1后返回步骤4继续执行。
在步骤2中，所述机电暂态数据包括电力系统中元件总个数N、元件参数以及元件之间的连接关系。在步骤2中，所述电磁暂态数据包括元件参数以及元件之间的连接关系。
所述步骤9包括以下步骤：
步骤A.检索所述电磁暂态自定义模板库；
步骤B.判断是否存在匹配的自定义模板，若是则应用自定义模板将元件转换为自定义元件，若否则提示用户创建相应的模板。
机电暂态模型至电磁暂态模型的对应规则如下：
电磁暂态模型与机电暂态模型相比，除了考虑系统频率变化以外，一般还需再计及一些因素的影响，例如输电线路分布参数所引起的波过程、线路参数的频率特性或者开关元件的非线性等，但这类因素到底计及多少需根据分析目的和要求而定。这即是说，不同的分析目的和要求需要不同精细程度的电磁暂态模型，电磁暂态模型和机电暂态模型并非一一对应关系。常用元件模型的具体对应规则详见表1，其中机电暂态模型按说明中的情况分类对应至相应的电磁暂态模型。由于各控制型元件的电磁暂态模型与机电暂态模型并无不同，故而此处不再将其列出。
表1
加注*标记的模型由于考虑晶闸管的触发等因素，故而模型实际上为若干晶闸管与其他元件模型的组合。
下文具体描述不同的分析目的和要求下机电暂态模型和电磁暂态模型的对应规则。
（1）交流线
首先针对是否计及线路导体和大地内部电流的问题。若近似认为线路导体和大地内部电流为零，则任何频率下的电流都是完全趋于导线和大地的表面，因此线路的电阻和电感参数都与频率无关；若认为导体和大地内部也有电流通过，并且不同的频率下，电流趋肤效应的程度也不同，则线路的电阻和电感参数是与频率相关的。基于这些考虑，可先将对应关系引向两个大的分类：频率无关线路模型和频率相关线路模型。下面就这两个分类进一步细化具体的对应规则。
●频率无关线路模型
在电磁暂态分析中，若所研究电气量的变化频率相对应的波长远大于线路长度，则可以忽略电磁波沿线路的传播时间，即忽略线路分布参数所引起的波过程，从而将机电暂态模型中的交流线对应至π型集中参数线路模型。进一步考虑功率传输采用单回或多回线路的问题，若只采用单回线传输，则该线路对应π型集中参数单回线路模型；若以多回线传输，由于各回线路之间存在互耦，则这些线路不能再简单地各自对应至π型集中参数单回线路模型，而应整体对应至线间互耦π型集中参数多回线路模型。
若线路长度与前述波长相比具有可比性，则必须认为线路的每一元段（无限小长度的一段）上，在线上具有无限小的电阻和电感，在线间则有电容和电导，即考虑线路分布参数所引起的波过程，从而将机电暂态模型中的交流线对应至分布参数线路模型。同样，若功率传输采用单回线路形式，则该线路对应至分布参数单回线路模型；若以多回线传输，则这些线路应整体对应至分布参数多回线路模型。
●频率相关线路模型
频率相关线路模型考虑线路分布参数所引起的波过程，故不再存在集中参数模型和分布参数模型的分类对应。但仍需针对功率传输采用的线路回路数，而进一步将对应规则分为频率相关传输单回线模型和频率相关传输多回线模型。
（2）发电机
若关注待转换发电机的d轴励磁绕组f、阻尼绕组D和q轴阻尼绕组g、Q的电磁暂态过程，即考虑q轴暂态电势E′q、次暂态电势E″q以及d轴暂态电势E′d、次暂态电势E″d的变化，则将机电暂态模型中的发电机对应至同步发电机；若只需近似模拟励磁调节器的作用，即考虑暂态电势E'恒定，则需再进一步根据待转换发电机是否为大规模系统的等值机，而选择相应的转换对应关系：若是，则将其对应至正弦函数电压源，即近似认为发电机具有无穷大动能；若非，则将其对应至E'恒定的经典模型发电机，即认为发电机具有有限动能。
（3）变压器
若忽略变压器绕组电阻、漏抗以及励磁支路电阻、电抗，则将机电暂态模型中的变压器对应至理想变压器；若考虑变压器电阻、漏抗、励磁支路电阻、电抗，则将其对应至普通变压器。
（4）感应电动机
若待转换的感应电动机的转子类型为鼠笼式，且只有单层鼠笼，则将机电暂态模型中的感应电动机对应至单笼感应电动机；若转子类型为鼠笼式，且有内外两层鼠笼，则将其对应至双笼感应电动机；若若转子类型为绕线式，则将其对应至绕线感应电动机。
（5）电容器
若忽略三相之间电容耦合，即忽略三相之间的互电容，则将机电暂态模型中的电容器对应至三相串联电容；若考虑三相之间电容耦合，即考虑三相之间的互电容，则将电容器对应至三相耦合电容。
（6）电抗器
若忽略三相之间电阻耦合和电感耦合，即忽略三相之间的互电阻和互电感，则将机电暂态模型中的电抗器对应至三相串联RL；若考虑三相之间电阻耦合和电感耦合，即考虑三相之间的互电阻和互电感，则将电抗器对应至三相耦合RL。
（7）直流准稳态模型
在机电暂态仿真中，直流输电系统中整流器和逆变器本身的暂态过程忽略不计，即直流输电系统的机电暂态模型中并未直接模拟晶闸管等元件，而是只以准稳态的形式模拟了整流器和逆变器的外特性；另外，为便于交流系统和直流系统接口，整流器、逆变器和直流线路一般作为一个整体而建模为直流准稳态模型。
在电磁暂态仿真中，由于要求对系统的模拟更详尽，考察的频率范围更广泛，因此整流器、逆变器和直流线路一般均按各自所含的实际物理器件分别进行详细建模，例如整流器和逆变器中的晶闸管元件及其缓冲电路均以详细模型模拟，从而充分体现晶闸管的触发和各元件的动态过程。
因此，直流输电系统的机电暂态模型至电磁暂态模型的对应关系，实际上是一对多的形式，即直流准稳态模型对应至若干元件模型的组合。
（8）SVC准稳态模型
在机电暂态仿真中，SVC内部电路的暂态过程忽略不计，即SVC的机电暂态模型中并未直接模拟晶闸管等元件，而是只以准稳态的形式模拟了SVC的外特性，最终以其等值电纳来体现SVC。
在电磁暂态仿真中，由于要求对系统的模拟更详尽，考察的频率范围更广泛，因此SVC按其所含的实际物理器件分别进行详细建模，例如晶闸管元件及其缓冲电路均以详细模型模拟，从而充分体现晶闸管的触发和各元件的动态过程。
因此，SVC的机电暂态模型至电磁暂态模型的对应关系，实际上是一对多的形式，即SVC准稳态模型对应至若干元件模型的组合。
（9）TCSC准稳态模型
在机电暂态仿真中，TCSC内部电路的暂态过程忽略不计，即TCSC的机电暂态模型中并未直接模拟晶闸管等元件，而是只以准稳态的形式模拟了TCSC的外特性，最终以其等值电抗来体现TCSC。
在电磁暂态仿真中，由于要求对系统的模拟更详尽，考察的频率范围更广泛，因此TCSC按其所含的实际物理器件分别进行详细建模，例如晶闸管元件及其缓冲电路均以详细模型模拟，从而充分体现晶闸管的触发和各元件的动态过程。
因此，TCSC的机电暂态模型至电磁暂态模型的对应关系，实际上是一对多的形式，即TCSC准稳态模型对应至若干元件模型的组合。
机电暂态模型和电磁暂态模型之间除了存在由于后者考虑了系统频率变化等因素而造成的不同之外，仍然存在重合的部分。仍以交流线为例进行说明。虽然根据不同的目的和要求，交流线机电暂态模型对应至多种电磁暂态模型，但线路的基本物理特性：损耗、磁场效应和电场效应在机电暂态模型和各电磁暂态模型中均需考虑，因此相关的参数：单位长度正序电阻、电感、电容和零序电阻、电感、电容以及回间零序耦合电感、回间零序耦合电容即为通用参数。其他模型与此类似，机电暂态模型和电磁暂态模型重合部分中的相关参数即为通用参数，具体内容参见表2。
表2
自动更新方法基于机电暂态、电磁暂态仿真软件的支持，将已在机电暂态仿真软件中建立的数据，基于设定的对应规则自动更新至电磁暂态软件中，以维护相应的电磁暂态数据。
若电磁暂态数据中存在机电暂态数据直接对应的元件，则只需依据表2所示的各通用参数进行参数更新；若电磁暂态数据中未找到机电暂态数据直接对应的元件，则需按照自动转换方法的细则进行这些元件的更新，由于不同的分析目的和要求需要不同精细程度的电磁暂态模型，因此在自动更新前，需首先按照表1的对应规则选定模型的具体对应关系。另外直流、SVC和TCSC等含晶闸管的复杂元件在机电暂态数据中只体现为单个元件，而在电磁暂态数据中则表现为若干个元件，并且二者间有较多细节无法直接对应，故而在自动更新算法的设计中，此类元件只能通过手工方式直接在电磁暂态软件中进行更新。
一套完整的电力系统数据应包含各组成元件和参数以及元件之间的连接关系。为保证正确性和清晰性，自动更新算法将按先元件后连接关系的顺序进行相应的处理。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述自动更新方法包括以下步骤：
步骤1.用户选定对应规则，并建立电磁暂态自定义模板库；
步骤2.读取并记录所述机电暂态数据和电磁暂态数据；
所述机电暂态数据包括电力系统中元件总个数N、元件参数以及元件之间的连接关系；
步骤3.令元件序数i为0；
步骤4.检索机电暂态数据第i个元件的元件名称；
步骤5.判断是否存在同名元件，若是则执行步骤6，若否则执行步骤8；
步骤6.判断连接关系是否相同，若是则执行步骤7，若否则将该元件的连接关系记录入连接关系更新列表后执行步骤7；
步骤7.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则提示用户手动修改该元件参数后执行步骤10，若否则更新该元件参数后执行步骤10；
步骤8.判断第i个元件是否为特殊元件，若是则执行步骤9，若否则按对应规则直接转换后执行步骤10；
步骤9.按匹配的电磁暂态自定义模板转换；
步骤10.判断i是否等于N，若是则设置元件连接关系，若否则执行i=i+1后返回步骤4继续执行。
2.根据权利要求1所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：在步骤2中，所述电磁暂态数据包括元件参数以及元件之间的连接关系。
3.根据权利要求1所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述步骤9包括以下步骤：
步骤A.检索所述电磁暂态自定义模板库；
步骤B.判断是否存在匹配的自定义模板，若是则应用自定义模板将元件转换为自定义元件，若否则提示用户创建相应的模板。
4.根据权利要求1所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述对应规则为机电暂态模型和电磁暂态模型的对应规则，其包括交流线对应规则、发电机对应规则、变压器对应规则、感应电动机对应规则、电容器对应规则、电抗器对应规则、直流准稳态模型对应规则、SVC准稳态模型对应规则和TCSC准稳态模型对应规则。
5.根据权利要求4所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述交流线对应规则包括频率无关线路模型对应规则和频率相关线路模型对应规则；
所述频率无关线路模型对应规则中，当忽略线路分布参数所引起的波过程时，机电暂态模型中的交流线对应至电磁暂态模型的π型集中参数线路模型，若功率传输只采用单回线传输，则该交流线对应π型集中参数单回线路模型；若功率传输以多回线传输，则交流线整体对应至线间互耦π型集中参数多回线路模型；当考虑线路分布参数所引起的波过程时，机电暂态模型中的交流线对应至分布参数线路模型，若功率传输采用单回线路传输，则该线路对应至分布参数单回线路模型；若功率传输以多回线传输，则交流线整体对应至分布参数多回线路模型；
所述频率相关线路模型对应规则中，若功率传输采用单回线路形式，则该线路对应至频率相关传输单回线模型；若以多回线传输，则这些线路应整体对应至频率相关传输多回线模型。
6.根据权利要求4所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述发电机对应规则包括同步发电机对应规则、经典模型发电机对应规则和正弦函数电压源对应规则。
7.根据权利要求4所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述变压器对应规则包括理想变压器对应规则和普通变压器对应规则。
8.根据权利要求4所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述感应电动机对应规则包括单笼感应电动机对应规则、双笼感应电动机对应规则和绕线感应电动机对应规则。
9.根据权利要求4所述的机电暂态数据至电磁暂态数据的自动更新方法，其特征在于：所述电容器对应规则包括三相串联电容对应规则和三相耦合电容对应规则，所述电抗器对应规则包括三相串联RL对应规则和三相耦合RL对应规则。
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| 图论在BPA模型向PSCAD模型自动转换中的应用;张民;《电网技术》;20120630;第36卷(第6期);163-169 * |
| 张民.图论在BPA模型向PSCAD模型自动转换中的应用.《电网技术》.2012,第36卷(第6期),163-169. |
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