CN103678900A - 一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法，通过对长线路搭建区域电网仿真模型，对仿真网络进行分块解耦；子系统并行仿真计算形成追加导纳阵，对常规元件与连接线注入电流源进行修正，以及正常运行方式与故障下的处理，将不同子网间数据交换以及仿真同步等步骤处理后，有效降低了电网计算节点数。本发明提高了整个电网仿真的计算速度，解决了由于区域配电网规模逐步扩大引起的矩阵阶数增加且不能达到实时仿真需求的问题，计算速度快，实时性好。

Description

一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法

技术领域

本发明涉及一种配电网仿真计算方法，尤其涉及一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

电力系统实时数字仿真（Real Time Digital Simulator，简称为RTDS）可以进行电力系统电磁暂态的全过程实时模拟，是研究电力系统规划、设计和运行的强有力工具。电力系统实时数字仿真必须按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一个步骤，要求仿真模型的时间比例尺完全等于原始模型的时间比例尺，即达到实时仿真要求。但是，由于区域配电网仿真规模逐步扩大，随之计算矩阵阶数增加，如果不进行网络解耦并行计算将无法达到实时仿真的需求。

当区域配电网的系统规模较大时，采用详细模型对其建模、仿真会带来较大的计算负担，一些情况下甚至是不可行的。为此，对于配电网系统在整体上采用简化的降阶模型是提高仿真计算效率、面向大规模系统分析计算、满足各种在线应用场景下运行要求的必然选择。例如，在分析配电网对并网运行的分布式电源、微网以及储能装置的各种影响时，可将规模庞大、结构复杂且高度不对称的配电网进行整体上的模型简化，并采用简化模型进行仿真、分析。此外，在研究微网运行特性时，对复杂的微网网络结构进行适当简化，采用详细建模突出分布式电源的影响，同样可以大幅度地提高仿真分析效率。相对于元件级的模型简化方法，系统整体模型简化方法可以宏观地考虑简化系统的整体动态特性而不受系统中元件类型特殊性的影响，并可以根据计算资源要求控制简化模型的复杂程度，同时可与大规模配电系统电磁暂态仿真方法相匹配，实现模型简化方法与暂态仿真方法的无缝结合。

申请号为201210583070.5的中国发明专利申请公开了一种保留无源性的大规模配电网络电磁暂态仿真模型简化方法，仅对外部系统中的线性配电网络进行，分布式电源、储能及控制器等元件的复杂非线性特征仍可通过其在研究系统中的详细模型来体现，系统整体模型简化方法可以更宏观地考虑简化系统的整体动态特性而不受系统中元件类型特殊性的影响，能够有效地对规模庞大、结构复杂且高度不对称的配电网络进行整体上的模型简化，并可以根据计算资源要求控制简化模型的复杂程度，同时能够保证所得简化模型的无源性和稳定性，并能够与大规模配电系统电磁暂态仿真方法相匹配，实现模型简化方法与暂态仿真方法的无缝结合，达到有效降低系统暂态仿真模型阶数、减小仿真计算量、加快仿真速度的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法，包括如下步骤：

A1.搭建区域配电网仿真模型，对仿真网络进行分块解耦；

A2.将分块解耦后的仿真网络分别进行并行仿真计算；

A3.分块解耦后的仿真网络交换数据后，进行同步触发。

其中较优地，所述步骤A1进一步包括如下步骤：

第1步：选取长输电线路，将其全部分布参数化为集中参数，将网络进行划分成子网络；

第2步：所述子网络中均包含连接相邻子网的连接线模型，将所述连接线模型处理为单端模型，同时相邻子网中的所述连接线模型参数相同并反映子网间的连接关系。

其中较优地，所述步骤A2进一步包括如下步骤：

第1步：根据各仿真网络的元件参数计算伴随模型，并将导纳阵元素追加到计算矩阵中；

第2步：对常规元件和连接线两部分的电流源分别进行处理；

第3步：进行初始值的计算；

第4步：在电网未发生故障情况下，加载历史值，等待同步触发脉冲加入激励源；加入所述激励源后并行解网络方程，得到配电网与分布式电源的等待方程；追加注入电源源，输出结果；

第5步：当电网发生突变时，需要进行跃变电量的计算，在求解网络方程前要修改导纳矩阵元素和注入电流源；同时，重新执行A1步骤，求取电网突变后拓扑结构下的等值网络及参数。

其中较优地，所述连接线输电模型采用动态数组进行存储。

其中较优地，当所述连接线为双回输电线路时，传播时间不是计算步长的整数倍时，采用线性插值方法近似处理。

其中较优地，所述第3步进一步包括如下步骤：

初始化全部节点电压和支路电流为0；

为模型增加激励源，由0开始按照递增幅度逐步增至正常激励；

采用并行计算方法解网络方程；

采用修正注入电源的方式追加电流源；

保存计算结果。

其中较优地，所述递增幅度不超过5%。

其中较优地，在所述连接线的正常仿真中加入短路前预处理过程，增加短路节点的同时计算新增节点两侧的电压、电流历史值。

本发明通过对大规模的区域配电网进行网络解耦，有效降低了电网计算节点数；采用并行计算处理的方法，提高了整个电网仿真计算时的速度，解决了电磁暂态实时仿真受电网规模限制的问题，从根本上解决了大规模的区域配电网电磁暂态仿真时很难满足实时性要求的问题。

附图说明

图1是本发明所提供的网络解耦计算方法的流程图；

图2是本发明中，单相长输电线路的模型示意图；

图3是本发明中，单相长输电线路的电磁暂态等效模型示意图；

图4是本发明中，三相长输电线路的电磁暂态等效模型示意图；

图5是本发明中，采用长连接线分块建模的示意图；

图6是本发明中，历史值在动态数组中的存储示意图；

图7是本发明中，单相连接线故障预处理的等效模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所提供的网络解耦计算方法主要包括如下步骤：

A1.搭建区域配电网仿真模型，对仿真网络进行分块解耦；

A2.将分块解耦后的仿真网络分别进行并行仿真计算；

A3.分块解耦后的仿真网络交换数据后，进行同步触发。

下面对本网络解耦计算方法展开详细说明。

首先，介绍步骤A1.搭建区域配电网仿真模型，对仿真网络进行分块解耦的步骤：

第1步：选取长输电线路，将其全部分布参数化为集中参数，将网络进行划分成子网络；

第2步：分块搭建模型，各子网络中均包含连接相邻子网的连接线模型，需要将连接线处理为单端模型，同时相邻子网中的连接线模型参数相同，并且能够反映子网间的连接关系。

以单相长线路为优选例，将系统中的长线路所有的分布参数化为集中参数，其无损线分布参数如图2所示。

设长线路的无损线长度为l，行波从一端传至另一端的时间为τ，则

沿正向可化为：

v_p(t)-v_q(t-τ)+Z₀[-i_p(t)-i_q(t-τ)]=0   （1）

整理得：

$i_p\left(t\right)=Z_0^{-1}{v}_p\left(t\right)-I_p(t-\mathrm{\τ}),---\left(2\right)$

其中： $I_p(t-\mathrm{\τ})=Z_0^{-1}{v}_p(t-\mathrm{\τ})+i_q(t-\mathrm{\τ}).$

同理，可得到反向行波：

$i_q\left(t\right)=Z_0^{-1}{v}_q\left(t\right)-I_q(t-\mathrm{\τ}),---\left(3\right)$

其中： $I_q(t-\mathrm{\τ})=Z_0^{-1}{v}_q(t-\mathrm{\τ})+i_q(t-\mathrm{\τ}).$

从而可得到长线路的电磁暂态模型等效电路。

如图3所示，由等效电路可以看出，从一端点p看进去的无损线等效电路相当波阻抗Z₀与一个等效电流源I_p(t-τ)并联，其中等效电流源I_p(t-τ)即历史电流源，反映了另一端点q历史值对此端点的影响，等效的两个端点在拓扑上没有联系。同样，从另一端点q点看进去，与p点相同，不再叙述。

同理，三相输电线路也可以通过模量变换实现解耦，等效电路如图4所示，其中S为正交矩阵，

S^-1=S^T；T=diag[110]，T₀=diag[001]。   （4）

根据上述原理，对长线路网络进行解耦，分块搭建区域电网模型，可降低整个网络计算矩阵的维数，从而提高计算实时性。

其次，介绍A2.子系统并行仿真计算的步骤。

将各子系统并行进行电磁暂态仿真计算，包括如下步骤：

第1步：形成追加导纳阵；

第2步：修正注入电流源；

第3步：计算初始值；

第4步：在正常运行方式下计算；

第5步：在故障或操作情况下计算。

下面，对各步骤进行进一步的详细说明。

第1步：形成追加导纳阵。根据各仿真网络的元件参数，计算伴随模型，导纳阵元素追加到计算矩阵中。

以p、q节点的阻抗支路为例，电磁暂态伴随模型为

i_L,n+1=G_Lu_L,n+1+J_L   （5）

则追加导纳元素位置如下：

$Y=\left[\begin{array}{ccccc}...& \left(p\right)& ...& \left(q\right)& ...\\ \left(p\right)& G& ...& -G& ...\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ \left(q\right)& -G& ...& G& ...\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\end{array}\right]---\left(6\right)$

第2步：修正注入电流源。对常规元件和连接线两部分的电流源分别进行处理，包括：

1）常规元件：除连接线外，其他元件的注入电流源均由上一计算时步的电流、电压计算值得到。

以图2所示p、q节点的阻抗支路为例，得到的电磁暂态伴随模型为：

$i_{L,n+1}={(\frac{2L}{h}+(1+\mathrm{\α})R)}^{-1}{u}_{L,n+1}+{(\frac{2L}{h}+(1+\mathrm{\α})R)}^{-1}\·[(1-\mathrm{\α})u_{L,n}+(\frac{2L}{h}-(1-\mathrm{\α})R)i_{L,n}]---\left(7\right)$

简化可得，伴随导纳矩阵元素和注入电流源的表达式：

i_L,n+1=G_Lu_L,n+1+J_L   （8）

其中：

$G_L={(\frac{2L}{h}+(1+\mathrm{\α})R)}^{-1},$ $J_L=G_L\·[(1-\mathrm{\α})u_{L,n}+(\frac{2L}{h}-(1-\mathrm{\α})R)i_{L,n}].---\left(9\right)$

对注入电流源进行修正，包括如下步骤：

步骤1：计算支路电流：

i_L,n+1=Gu_L,n+1+J_L,n   （10）

步骤2：计算注入电流源：

$J_{L,n+1}=G_L\·[(1-\mathrm{\α})u_{L,n+1}+(\frac{2L}{h}-(1-\mathrm{\α})R)i_{L,n+1}]---\left(11\right)$

步骤3：追加注入电流源：注入电流源以节点为单位，按照不同元件对该节点的注入电流进行追加，B为本元件追加注入电流前该节点处的注入电流源总和，见式（12）：

B=B+J_L,n,n+1   （12）

2）连接线：由步骤A1中推导出的输电线模型可知：要计算线路p端值，需要知道线路另一端q的u_q(t-τ)和i_q(t-τ)。当τ为计算步长h的整数倍时（即τ=nh），可以得到精确解。此时，上述模型中的I_p(t-τ)就变为I_p(t-nh)。

由于仿真计算时需要存储大量的数据进行下一步的计算，本发明采用一个动态数组进行存储。参见图6所示，环绕表HIST为一个存储历史值的队列，当前计算时刻指针为Address。本方法只需要移动起始指针，无须移动数值，省去了移动数据所用时间，从而提高仿真计算时的运算速度。

当连接线为双回输电线路时，要使τ恰好为三个模量的整数倍，可能性很小。当传播时间τ不是计算步长h的整数倍时，只能进行近似处理。本发明采用线性插值的方法进行近似处理，令

则

I(t-τ)=(1-δ)I(t-nh)+δI[t-(n-1)h]。   （13）

因此，对于长连接线而言，不仅需要求取注入电流源不仅仅需要上一时步的电压、电流值，还需要存储t-τ时刻的电压、电流值，如果时间τ不是计算步长h的整数倍时，需要采用线性差值的方法处理。其中，注入电流修正步骤与常规元件相同。

第3步：进行初始值的计算。为下一步仿真计算，需要准备初始值，建立模型完成后保存结果，然后初始化计算自动执行，进一步包括如下步骤：

步骤1：初始化：初值计算的全部节点电压和支路电流均初始化为0，分布参数、连接线的历史值也初始化为0。

步骤2：激励源：为保证振荡能快速收敛，初始激励为0，逐步递增直至达到正常激励，递增幅度不超过5%。

步骤3：解网络方程：采用并行计算的方法，如果采用迭代法需要收敛达到设定精度后才输出结果。

步骤4：追加注入电流源：采用修正注入电流源的方式。其中，电磁暂态仿真的历史值作为修正伴随网络注入电流源的初始值。

步骤5：结果保存：保存最后一个时步计算断面的结果作为正常计算的初始值，连接线需要保存至少τ时间的历史值。

第4步，正常运行方式计算。正常运行方式计算是电网未发生换路情况下的计算过程，与初值计算不同的是没有初始化过程，同时激励源求解与初值计算不同的是直接加设定的电源。

第5步，故障或操作情况下计算。与正常运行方式不同的是故障或操作情况下需要重新修改相关节点的导纳矩阵元素和注入电源。

为方便实现连接线在任意时刻、任意位置故障的仿真，本发明在连接线正常仿真中加入短路前预处理过程，增加短路节点，同时计算新增节点两侧的电压、电流历史值。

以单相连接线故障为例，等效模型如图7所示。在距离p端长度为kl，距离q端长度为k'l处A点，发生短路故障。通过增加短路节点A，此时A点电压为U_A(t)，同时计算其两侧的电压历史值分别为U_p(t)、U_q(t)，电流历史值为I_p(t)、I_q(t)。

再次,介绍步骤A3.交换数据，不同子网计算模块交换历史数据。以图5为例，将电网1计算的P点电压、电流值作为电网2连接线末端等效q端的电压、电流值交换；同时，将将电网2计算的P点电压、电流值作为电网1连接线末端等效q端的电压、电流值交换，数据交换完成之后，采用等待同步触发，等待标准时钟模块发出的同步触发脉冲，保证各仿真子进程之间保持同步。

与现有技术相比较，本发明通过对大规模的区域配电网进行网络解耦，有效降低了电网计算节点数；采用并行计算处理的方法，提高了整个电网仿真计算时的速度，解决了电磁暂态实时仿真受电网规模限制的问题。

以上对本发明所提供的网络解耦计算方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种用于区域配电网实时仿真的网络解耦计算方法，其特征在于包括如下步骤：

A1.搭建区域配电网仿真模型，对仿真网络进行分块解耦；

A2.将分块解耦后的仿真网络分别进行并行仿真计算；

A3.分块解耦后的仿真网络交换数据后，进行同步触发。

2.如权利要求1所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

所述步骤A1进一步包括如下步骤：

第1步：选取长输电线路，将其全部分布参数化为集中参数，将网络划分成子网络；

第2步：所述子网络中包含连接相邻子网的连接线模型，将所述连接线模型处理为单端模型，同时相邻子网中的所述连接线模型参数相同并反映子网之间的连接关系。

3.如权利要求1所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

所述步骤A2进一步包括如下步骤：

第1步：根据各仿真网络的元件参数计算伴随模型，并将导纳阵元素追加到计算矩阵中；

第2步：对常规元件和连接线两部分的电流源分别进行处理；

第3步：进行初始值的计算；

第4步：在电网未发生故障的情况下加载历史值，等待同步触发脉冲加入激励源；加入所述激励源后并行解网络方程，得到配电网与分布式电源的等待方程；追加注入电源源，输出结果；

第5步：当电网发生突变时进行跃变电量的计算，在求解网络方程前修改导纳矩阵元素和注入电流源，同时重新执行A1步骤，求取电网突变后拓扑结构下的等值网络及参数。

4.如权利要求3所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

所述连接线的输电模型采用动态数组进行存储。

5.如权利要求3所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

当所述连接线为双回输电线路时，传播时间不是计算步长的整数倍时，采用线性插值方法近似处理。

6.如权利要求3所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

所述第3步进一步包括：

初始化全部节点电压和支路电流为0；

为模型增加激励源，由0开始按照递增幅度逐步增至正常激励；

采用并行计算方法解网络方程；

采用修正注入电源的方式追加电流源；

保存计算结果。

7.如权利要求6所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

所述递增幅度不超过5%。

8.如权利要求3所述的网络解耦计算方法，其特征在于，

在所述连接线的仿真中加入短路前预处理过程，增加短路节点的同时计算新增节点两侧的电压、电流历史值。

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