CN104298834A - 基于面向对象技术的直流系统建模方法及故障仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于面向对象技术的直流系统的建模方法及故障仿真方法，所述建模方法包括：分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型；针对于每个所述功能模型，调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型。本发明采用面向对象技术，有效的使降低了各模块间的关联程度，这就相对减少了程序员之间的相互影响。设计初期只由很少的程序员介入的情况下，通过在对象系统中按照从基本模型至功能模型再至整体系统，逐层封装继承的模式来实现，使得今后更改引起的成本大大降低，系统鲁棒性得到了提升。

Description

基于面向对象技术的直流系统建模方法及故障仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统模拟仿真技术领域，尤其是基于面向对象技术的直流系统建模方法及故障仿真方法。

背景技术

我国东部地区经济发达，用电负荷相对集中，但能源相对匮乏。近年来，随着我国西北地区大型新能源的建设，西部将有大量的风电及太阳能等清洁能源需要远距离输送到东部。采用高压直流输电(High voltage directcurrent，HVDC)能够有效地节约线路走廊、有助于改善网络结构、减少输电瓶颈，进而实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。同时，对提高我国输变电设备的自主创新和制造能力，也具有重大意义。为保证直流工程的顺利实施，进行计算机暂态仿真是必要环节。

针对暂态仿真，电磁暂态分析和机电暂态分析各有各的特点及应用领域，机电暂态程序基于基波、相量和时序分析，对特高压直流输电设备只能采用准稳态模型模拟，其前提为：1、换流器母线的三相交流电压是对称、平衡的正弦波；2、换流器本身的运行是完全对称平衡的；3、直流电流和直流电压是平直的。因此准稳态模型在交流系统不对称故障期间不适用。并且，准稳态模型中换流器本身的暂态过程忽略不计，以稳态方程式表示，无法描述换流阀受直流控制系统点火脉冲序列进行换相的详细过程，不能表示非对称故障，换流器内部故障，逆变器换相失败，以及控制系统对换流过程的影响等。对换相失败过程只能采用简单的经验判据。

针对计算机仿真，传统的软件开发是从算法的角度进行建模。而通常按照这种方法编写的软件不易于维护，系统鲁棒性也不高。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于面向对象技术的直流系统的建模方法，以解决现有技术中采用从算法的角度进行建模，得到的模型不易维护，并且系统鲁棒性也不高的问题。

在一些说明性实施例中，所述基于面向对象技术的直流系统建模方法，包括：分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型；针对于每个所述功能模型，调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型。

本发明的另一个目的是提供一种基于面向对象技术的直流系统的故障仿真方法。

在一些说明性实施例中，所述基于面向对象技术的直流系统的故障仿真方法，包括：用于采用上述建模方法构建的模型，包括：在直流输电一次系统和/或其控制系统中设置故障点；仿真运行，输出所述直流输电一次系统及其控制系统的电压和/或电流参数。

与现有技术相比，本发明的说明性实施例包括以下优点：

面向对象的程序设计降低了各模块间的关联程度，这就相对减少了程序员之间的相互影响。设计初期只由很少的程序员介入的情况下，通过在对象系统中按照从基本模型至功能模型再至整体系统，逐层封装继承的模式来实现，使得今后更改引起的成本大大降低，系统鲁棒性得到了提升。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是按照本发明的说明性实施例的流程图；

图2是按照本发明的说明性实施例的流程图；

图3是按照本发明的说明性实施例的流程图；

图4是按照本发明的说明性实施例的直流输电一次系统的结构示意图；

图5是按照本发明的说明性实施例的关系示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

为了更好的理解本发明中的说明性实施例，下面对本发明说明性实施例中的主要思想进行简单说明。

针对计算机仿真，传统的软件开发是从算法的角度进行建模。而通常按照这种方法编写的软件不易于维护，系统鲁棒性也不高。面向对象的方法认为：客观世界的问题都是由客观世界的实体及其相互之间的联系构成的。我们把客观世界的实体称为问题对象，那么对象都有自己的运动状态及运动规律，不同对象之间的相互作用和相互通信就构成了完整的客观世界。使用面向对象的方法人们可以逐步去解决问题，而在问题逐步深入过程中不必去重新修改前面已完成的设计工作。由于采用了数据抽象和封装技术，面向对象的程序设计降低了各模块间的关联程度，这就相对减少了程序员之间的相互影响。

参见图1，图1示出了基于面向对象技术的直流系统的建模的流程图。

在一些说明性实施例中，公开了一种基于面向对象技术的直流系统的建模方法，包括：

S11、分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型；

S12、针对于每个所述功能模型，调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型。

本发明由于基于面向对象的思想，采用了数据抽象和封装技术，面向对象的程序设计降低了各模块间的关联程度，这就相对减少了程序员之间的相互影响。设计初期只由很少的程序员介入的情况下，通过在对象系统中按照从基本模型至功能模型再至整体系统，逐层封装继承的模式来实现，使得今后更改引起的成本大大降低，系统鲁棒性得到了提升。

在一些说明性实施例中，所述直流输电一次系统及其控制系统由用户搭建完成。

在一些说明性实施例中，每个所述功能模型至少由一个基本模型组成。

在一些说明性实施例中，所述分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型，具体包括：根据所述直流输电一次系统及其控制系统中元器件的名称，确定所述直流输电一次系统及其控制系统的所述功能模型。

在一些说明性实施例中，所述调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型，具体包括：

S21、以功能模型在功能模型库中进行匹配，调取与该功能模型相匹配的基本模型；

S22、以调取到的所述基本模型在基本模型库中进行匹配，调取该基本模型的计算模型。

在一些说明性实施例中，所述基本模型的计算模型中至少包含一个该基本模块的仿真计算的方程。

在一些说明性实施例中，所述直流输电一次系统中至少包含有以下至少一个元器件：

三相RLC元件、单相RLC元件、晶闸管元件、输电线路元件、三相/单相故障元件、三相两绕组变压器元件。

现在参照图3，图3示出了基于面向对象技术的直流系统的故障仿真的流程图。

在一些说明性实施例中，公开了一种基于面向对象技术的直流系统的故障仿真方法，上述采用建模方法构建的模型，包括：

S31、在直流输电一次系统和/或其控制系统中设置故障点；

其中，故障点由用户自己设定。

S32、仿真运行，输出所述直流输电一次系统及其控制系统的电压和/或电流参数。

在一些说明性实施例中，所述输出所述直流输电一次系统及其控制系统的电压和/或电流参数，具体包括：输出所述直流输电一次系统及其控制系统在所述仿真运行的时间段内的电压和/或电流的变化曲线图。

以下提供了一个具体的实施例：

图4示出了面向对象的直流输电一次系统的结构示意图。

图5示出了直流输电一次系统及模型之间关系示意图。

在一些说明性实施例中，直流输电一次系统的电磁暂态仿真基本元件包括：三相RLC元件、单相RLC元件、晶闸管元件、输电线路元件、三相两绕组变压器元件。该一次系统可以由用户自己搭设，也可以仿真系统提供的包含有基本元件的基本系统。

通过这些元件的组合、连接和封装可实现直流输电系统的功能模块，包括：输电线路、换流变压器、六脉动换流器、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器。

具体流程，包括：

1、用户搭设或在仿真系统中选取直流输电一次系统；

2、扫描直流输电一次系统的元器件名称，确定功能模型；

3、以功能模型在功能模型库中调取基本模型；

4、以基本模型在基本模型库中调取计算模型。

在一些说明性实施例中，通过一次系统找出功能模型，例如：换流变压器、直流线路及接地极、交直流滤波器、六脉动换流器；

在一些说明性实施例中，根据功能模型找出基本模型，例如：三相两绕组变压器元件、RLC元件、晶闸管元件。

各元器件的仿真相关设定，具体如下：

1)、串联三相RLC元件，本元件为三相元件，由三相电阻、电感、电容串联而成，具体分为电阻R元件、电感L元件和电容C元件，对应的方程分别为：

电阻R元件：v＝R·i；

电感L元件：

电容C元件：v_c；

得到系统电压V电流i的关系式：

式中向量v、i分别为三相串联RLC元件两端的三相电压、流经该元件的三相电流，vc为电容两端的三相电压，电压的正方向为从元件带“+”号的一端指向无“+”的一端，电流的正方向为从元件带“+”号的一端流入。模型功能通过类函数实现。

另外，下文中元件i侧、j侧指的是按照电流正方向定义的流入侧和流出侧。

在一些说明性实施例中，需要用户对相关参数进行填写，亦或者选取基本模型的类型(例如元件厂商、型号、相关参数)。

在程序中，有名值依下式转换为标幺值：

电阻R(标幺值)＝电阻R(有名值)/ZB。

电感L(标幺值)＝2·π·F0·电感L(有名值)/ZB。

电容C(标幺值)＝2·π·F0·电容C(有名值)·ZB。

F0为仿真系统频率，我国采用50Hz。

输出参数：

2)、单相RLC元件

单相串联RLC元件由单相电阻、电感、电容串联而成。

单相串联RLC元件的数学模型如下：

$v=R\·i+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+v_c$

$i=C\frac{{\mathrm{dv}}_c}{\mathrm{dt}}$

式中v、i分别为单相串联RLC元件两端的电压、流经该元件的电流，v_c为电容两端的电压，电压的正方向为从元件带“+”号的一端指向无“+”的一端，电流的正方向为从元件带“+”号的一端流入。

输入参数

在程序中，有名值依下式转换为标幺值：

电阻R(标幺值)＝电阻R(有名值)/Z_B。

电感L(标幺值)＝2·π·F0·电感L(有名值)/Z_B。

电容C(标幺值)＝2·π·F0·电容C(有名值)·Z_B。

F0为仿真系统频率，我国采用50Hz。

输出参数

3)、晶闸管元件

晶闸管元件模型基本特性如下：

晶闸管的导通

晶闸管在下述条件之一满足时导通：

a)正向电压大于0且触发信号为1；

b)从晶闸管关断开始计时，至电压超过晶闸管正向压降为止，这部分时间段小于晶闸管最小关断时间时，晶闸管将重新导通。

导通的晶闸管用一电阻值很小的电阻来模拟。

晶闸管的关断

当流经晶闸管的电流小于或等于0时关断。

关断的晶闸管不是用电阻值很大的电阻来模拟，而是将连接点直接断开。

输入参数

在程序中，有名值依下式转换为标幺值：

晶闸管闭合电阻(标幺值)＝晶闸管闭合电阻/ZB

R-C缓冲电路电阻(标幺值)＝R-C缓冲电路电阻/ZB

R-C缓冲电路电容(标幺值)＝R-C缓冲电路电容1e-6·ZB。

此时ZB为直流系统基准阻抗。

输出参数

4)、三相/单相故障元件

单相故障元件，用于单相金属性或经电阻短路接地故障的设置。

输入参数

在程序中，有名值依下式转换为标幺值：

故障内阻(标幺值)＝故障内阻(有名值)/Z_B。

输出参数

流过i侧、j侧电流
	故障状态
故障电阻

三相故障元件，用于短路故障的设置。

输入参数

在程序中，有名值依下式转换为标幺值：

故障内阻(标幺值)＝故障内阻(有名值)/Z_B。

输出参数

A相、B相、C相故障电流
	故障状态
故障电阻

5)、三相两绕组变压器元件

换流变压器采用三相两绕组变压器模型，该模型由三个单相两绕组变压器根据接线方式连接而成，其中单相两绕组变压器采用R-L耦合电路模型。其单相等值电路。

输入参数

绕组1电阻R1(标么值)＝短路损耗/1000/额定容量/额定容量·基准容量/2。

绕组1漏抗X1(标么值)＝短路电压百分比/100/额定容量·基准容量/2。

绕组2电阻R2(标么值)＝短路损耗/1000/额定容量/额定容量·基准容量/2。

绕组2漏抗X2(标么值)＝短路电压百分比/100/额定容量·基准容量/2。

励磁支路电导Gm(标么值)＝空载损耗/1000/基准容量。

励磁支路负电纳Bm(标么值)＝空载电流百分比/100/基准容量·额定容量。

励磁支路电组Rm(标么值)＝Gm/(Gm2+Bm2)。

励磁支路电导Xm(标么值)＝Bm/(Gm2+Bm2)。

另外，有：

绕组1变比Tk1＝绕组1额定线电压/绕组1基准电压。

绕组2变比Tk2＝绕组2额定线电压/绕组2基准电压。

输出参数

功能模型

1)、六脉动换流器

六脉动换流器模型内部子电路用到的元件包括阀臂(晶闸管、单相电气节点及单相串联RLC元件)、单相电气节点及换流变压器(三相两绕组变压器模拟)。通过封装和程序编写，六脉动换流器模型主要实现以下功能：

(1)用于模拟操作或故障时寻址各阀臂(晶闸管)，例如换流器切除或投入、关断角计算、换相失败判断等。

(2)用于信号汇总与传递。虽然控制系统相关信号可以绕过这一层直接与晶闸管元件交互，但由于已经有了六脉动换流器的设计，通过这一层来完成信号传递可以简化输入数据与程序编写。

(3)用于换流器故障模拟。例如设置换流阀闭锁、设置换流阀丢失点火脉冲、设置该换流器切除与投入时间等。该换流器元件既可以接收直流输电控制系统发出的触发角，然后采用内部的触发脉冲发生器产生触发脉冲序列，也可以直接获取触发脉冲，对内部的晶闸管元件进行触发。

2)、直流线路及接地极

在电磁暂态仿真中，直流线路可用π型、T型集中参数线路模型或分布参数线路模型，电磁暂态仿真模型采用的是T型集中参数线路模型。

3)、换流变压器模型

换流变压器采用三相两绕组变压器模型，该模型由三个单相两绕组变压器根据接线方式连接而成，其中单相两绕组变压器采用R-L耦合电路模型。

为了满足直流输电系统仿真中进行抽头调节控制的需求，变压器新增了该功能，可以接收由用户自定义模型搭建的抽头调节控制器产生的信号，改变位于原边或副边的换流变抽头位置。在软件中，换流变压器模块包含在六脉动环流器图符内。其接线型式为Y/△、Y/Y两种，Y/△接法在二次侧电压相位与Y/Y接法相差30°。

4)、交/直流滤波器及滤波器模型

交流滤波器模型按照实际的滤波器电路接线与参数采用三相串并联RLC元件搭建。

支持用户自定义模块的直流控制系统建模

在一次系统的基础上，直流输电系统运行即为通过对整流侧和逆变侧触发角的调节，控制直流电压和直流电流，实现系统要求输送的功率或电流。控制性能将直接决定直流系统的各种响应特性以及功率/电流稳定性。直流输电系统其他控制功能还包括：换流变压器分接头控制、无功功率控制、整个直流系统的启动/停止控制、潮流翻转控制、接收和执行交流系统安全稳定装置的指令，动态调整直流系统的输送功率，以提高整个交/直/交联网系统的稳定性等。

±660kV直流线路控制系统复杂，而且不同工程有较大差别，不能采用统一模型。采用用户自定义(UserDefined以下简称UD)建模，可以使用仿真主程序提供的基本功能单元，根据实际工程设计、搭建系统的电气元件和控制装置。每个基本UD模块需要三个基本要素，输入变量、输出变量和基本运算函数功能框。通过面向对象技术实现基本UD模型时，输入变量、输出变量由类公共变量实现，基本运算功能由类函数实现。

各个UD基本模块需通过其输入/输出变量与所连接的电力系统联系在一起，参与系统仿真过程。可根据实际控制系统的数学表达式(或者传递函数框图)，将其拆分成各个基本功能框的组合，然后从基本功能框库中选择适当的基本功能框，通过这些功能框的拖放、连接以及参数设定，构建出所需要的模型。为了完成基于UD的控制二次系统与仿真一次系统之间的连接，需选择UD模型与一次系统的接口变量，每一个接口变量的选择包含三个方面的信息：与该接口变量相关的元件类型、与该元件相关的元件编号以及该接口变量类型。

针对直流系统建模，UD模块的特点为：

UD模块具有采样时间功能：根据直流控制保护的运行特点，需要增加对各个UD元件定制采样时间的功能，实现在整个工程建立统一的采样时间表，并可修改所有UD元件，使其可以选择对应的采样时间并工作在该采样时间下。

开发UDM控制模块计算顺序定制功能，使各个UDM控制模块按照设定的数字依从小到大的顺序参与计算。

中间变量及信号传递优化：使UD可以定制中间变量的名称，并可按照名称检索。

元件模糊查找功能升级：为便于大规模仿真算例的维护和使用，优化了原有的元件名搜索功能，新增加中间变量按名称查找的功能，并支持模糊查找。

从文件获取信号参与计算功能的开发：为了便于对比测试和扩展功能，开发了可从指定路径的文件中获取信号并直接参与每步计算的功能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于面向对象技术的直流系统的建模方法，其特征在于，包括：

分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型；

针对于每个所述功能模型，调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述直流输电一次系统及其控制系统由用户搭建完成。

3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，每个所述功能模型至少由一个基本模型组成。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述分析出直流输电一次系统及其控制系统的每个功能模型，具体包括：

根据所述直流输电一次系统及其控制系统中元器件的名称，确定所述直流输电一次系统及其控制系统的所述功能模型。

5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，所述调取组成该功能模型的基本模型及该基本模型的计算模型，具体包括：

以功能模型在功能模型库中进行匹配，调取与该功能模型相匹配的基本模型；

以调取到的所述基本模型在基本模型库中进行匹配，调取该基本模型的计算模型。

6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述基本模型的计算模型中至少包含一个该基本模块的参数计算的方程。

7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述直流输电一次系统中至少包含有以下至少一个元器件：

三相RLC元件、单相RLC元件、晶闸管元件、输电线路元件、三相/单相故障元件、三相两绕组变压器元件。

8.一种基于面向对象技术的直流系统的故障仿真方法，其特征在于，用于权利要求1-5中任一项所述的建模方法构建的模型，包括：

在直流输电一次系统和/或其控制系统中设置故障点；

仿真运行，输出所述直流输电一次系统及其控制系统的电压和/或电流参数。

9.根据权利要求8所述的故障仿真方法，其特征在于，所述输出所述直流输电一次系统及其控制系统的电压和/或电流参数，具体包括：

输出所述直流输电一次系统及其控制系统在所述仿真运行的时间段内的电压和/或电流的变化曲线图。