CN105279351B - 基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统暂态仿真技术领域，公开了一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法及系统。本发明中，基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，包含以下步骤：将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块；其中，机电暂态仿真模块中包含电力网络的机电暂态仿真模型；电磁暂态仿真模块中包含电力网络的电磁暂态仿真模型；机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型耦合连接；将电力网络解耦为N个子网络；其中，N为大于1的自然数；根据机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型，通过对N个子网络进行并行计算，对电力网络同时进行机电暂态与电磁暂态仿真。这样，可以对大规模的电力网络进行仿真，而且，仿真精度高，提高了仿真速度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统暂态仿真技术领域，特别涉及一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法及系统。
背景技术
电力系统电磁暂态与机电暂态混合仿真，一直是电力行业研究的重点，国内外也已经提出多种方法。但是，大多数混合仿真方法都比较复杂，且接口技术实现困难，仿真过程需要将机电暂态和电磁暂态仿真模型通过不同的仿真软件分开进行模拟，这样，降低了仿真速度，不易操作，仿真规模一般比较小。而且，如果采用硬件接口，会引入额外的通信时间，也会降低仿真的速度。
现如今，电力系统大规模分布式电源的接入，导致电力系统运行越来越复杂，一般仿真系统软件的节点数受到了限制，仿真困难，仿真结果不精确，无法满足电力系统仿真的需求，如果继续采用上述方法，将无法满足超大规模电力网络的仿真需要。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法及系统，可以对大规模的电力网络进行仿真，而且，仿真精度高，提高了仿真速度。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，包含以下步骤：
将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块；其中，所述机电暂态仿真模块中包含所述电力网络的机电暂态仿真模型；所述电磁暂态仿真模块中包含所述电力网络的电磁暂态仿真模型；所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接；
将所述电力网络解耦为N个子网络；其中，N为大于1的自然数；
根据所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型，通过对N个子网络进行并行计算，对所述电力网络同时进行机电暂态与电磁暂态仿真。
本发明的实施方式还提供了一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，包含：机电暂态仿真模块、电磁暂态仿真模块与解耦模块；
所述机电暂态仿真模块嵌在所述电磁暂态仿真模块中；其中，所述机电暂态仿真模块中包含所述电力网络的机电暂态仿真模型；所述电磁暂态仿真模块中包含所述电力网络的电磁暂态仿真模型；所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接；
所述解耦模块，用于将所述电力网络解耦为N个子网络；其中，N为大于1的自然数；
所述电磁暂态仿真模块，用于通过对N个子网络进行并行计算，并根据所述电磁暂态仿真模型对所述电力网络电磁暂态仿真，还调用所述机电暂态仿真模块，根据所述机电暂态仿真模型对所述电力网络进行机电暂态。
本发明实施方式相对于现有技术而言，是将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块，这样，可以同时对电力网络进行机电暂态与电磁暂态仿真；而且，将电力网络解耦为N个子网络，通过对N个子网络进行并行计算，对电力网络进行机电暂态与电磁暂态仿真，由于解耦后子网络的计算量小，计算速度快，计算精度高，所以，可以在较短的时间内完成对大规模的电力网络的仿真，仿真精度高，提高了仿真速度。而且，机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接，避免了使用硬件接口，节约了仿真模型之间的通信时间，进一步提高了仿真速度。
另外，所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型通过SSN(状态空间节点法)接口模块耦合连接。采用SSN接口模块，接口方式简单、方便，用户体验佳。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法流程图；
图2是根据本发明第一实施方式中的基于状态空间节点法的计算流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：
步骤101，创建电力网络的电磁暂态仿真模型。在本实施方式中，可以利用MATLAB中的simulink模块创建电力网络的电磁暂态仿真模型。
步骤102，创建电力网络的机电暂态仿真模型。在本实施方式中，可以在MATLAB中利用simulink模块创建一个兼容ePHASORsim的FMU(Functional Mock-up Units，功能模型单元)文件。再利用ePHASORsim仿真器中的solver模块分析电力网络的机电暂态状态，创建机电暂态仿真模型。其中，FMU文件是一种功能模型单元，该FMU文件能够将ePHASORsim与solver模块相关联，继而将solver模块中的EXCEL表格中的数据关联到ePHASORsim中。
其中，仿真参数包含：general(总体概况)、pins(节点)、bus(母线)、currentinjector(电流注入器)、vsource(电压源)、machine(发电机)、exciter(励磁机)、pss(电力系统稳定器)、turbine and governor(汽轮机与调速系统)、load(负荷)、line(线路)、transforner(变压器)、switch(开关)、bus faults(线路故障)。
对于FMU文件，可以作为一个单独的工作簿添加到EXCEL文件中。这样，一个Excel文件就可以包含所有仿真参数；而且，EXCEL工作簿的名称与FMUcreator(FMU生成器)产生的FMU文件名称一致。
另外，需要说明的是，在实际应用中，FMU文件还可以是EXCEL文件、PSSe(POWERSYSTEM STATE ESTIMATION，电力系统状态估计)文件，不局限于本实施方式中的FMU文件。
需要说明的是，步骤101与步骤102的执行顺序在实际应用时可以调换，不局限于本实施方式中的执行顺序。
步骤103，将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块。在本实施方式中，可以通过如下方式将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块：在simulink模型中调用solver模块，具体方法是：打开simulink库浏览器窗口，选择RT-LAB模块库中的phasor(向量)模块，并将solver模块拖入新建立的窗口中；打开solver模块参数设置对话框，在“input file format(输入文件格式)”中选择EXCEL。
步骤104，将机电暂态仿真模块与数据表关联。也就是，即将机电暂态的仿真参数导入solver模块中。
步骤105，将电力网络解耦为N个子网络。其中，N可以为仿真系统自动分配的自然数，N大于1。具体地说，在本实施方式中，采用状态空间法来描述电力网络的系统状态，这样，不但可以在若干个目标节点上进行并行计算，而且，可以将大规模的电力网络的系统状态空间矩阵解耦为一些低阶的状态空间矩阵，使计算程序运行更快，提高仿真速度。
在本实施方式中，可以在simulink元件库中调用stubline模块，实现电力网络的解耦功能。
步骤106，将机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型耦合连接。在本实施方式中，将机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型通过SSN(状态空间节点法)接口模块耦合连接。混合仿真采用SSN接口模块，实现对电路的解耦，接口方式简单、方便；SSN接口模块提供了V-I(电压-电流)型端口，该端口可以将模型分成两个SSN子系统，实现了对包含多开关器件电路的解耦。
电磁暂态仿真模型与机电暂态仿真模型接口采用Artemis中的SSN接口模块，该模块可根据电路的相数选择为1相、2相、3相或6相，适用性强。SSN接口模块与感性系统相接的端口设置成V(电压)类型、SSN接口模块与容性系统相接的端口设置成I(电流)类型。
步骤107，根据机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型，通过对N个子网络进行并行计算，对电力网络同时进行机电暂态与电磁暂态仿真。
对于一个复杂的电力网络，其系统状态空间矩会十分庞大，会大大降低仿真速度，甚至超大规模电力网络由于存在大量的输入量、输出量和状态量，如复杂的电力电子换流电路、多电平的拓扑结构等、断路器动作产生的故障等都会形成状态空间矩阵，模型过大产生的状态空间矩阵就会过于复杂。在现有技术中，如果直接通过超大规模电力网络的系统状态空间矩进行解算，则过大的状态空间矩阵可能会导致CPU(中央处理单元)的内存溢出，编译的过程会出现错误，最终导致仿真无法完成。
而在本实施方式中，将电力网络的系统状态空间矩解耦为N个子网络的低阶状态空间矩阵，由于对低价状态空间矩阵进行计算，占用资源较小，可以大大降低对CPU计算能力的要求，而且，由于对低价状态空间矩阵进行计算，计算量小，可以提高仿真速度。
具体地说，采用状态空间节点法可以将电力网络的状态空间方程和电路的节点导纳矩阵相结合，将复杂的电力网络的仿真模型在多个CPU上并行计算，具体如图2所示，包含以下步骤：
步骤201，预计算。在本步骤中，通过预计算，可以得出电力网络的初始系统状态空间矩阵。
步骤202，更新每个子网络的开关状态。具体地说，是用户根据需求，调整开关的状态。
步骤203，选择每个子网络的离散状态空间矩阵。
步骤204，根据状态及历史输入，更新电力网络的系统状态。具体而言，是更新各子网络的状态空间矩阵。
步骤205，更新导纳矩阵。
步骤206，求解系统状态。根据各个子网络的状态空间矩阵以及状态方程，解算出电力网络的系统状态。具体而言，可以利用不同的CPU解算各个子网络的状态。
步骤207，更新子网络的状态。根据解算结果更新电力网络的系统状态空间矩阵。
步骤208，判断仿真是否结束。若是，则执行步骤209，否则，执行步骤202。具体而言，是判断是否接收到用户结束仿真的指令，若是，则执行步骤209，否则，执行步骤202。
步骤209，结束仿真。
在本实施方式中，还可以采用状态空间节点法在电力网络的M个节点上并行计算；其中，M可以为仿真系统自动分配的自然数。
与现有技术相比，本实施方式可以达到如下有益效果：
(1)采用solver模块进行机电暂态实时仿真规模大，母线最大可以达到20000个节点，电机最多可以达到5000台；采用solver模块可以进行实时仿真，仿真规模大，仿真速度快。
(2)采用solver模块后应用MATLAB仿真超大规模电力网络，打开仿真模型的速度快，运行时间短，提高了仿真速度。
(3)本实施方式采用simulink仿真平台，借用solver模块实现电力网络的混合仿真，实现方法简单，降低了电力网络系统电磁暂态与机电暂态混合仿真的复杂性。
(4)模型仿真速度快：采用stubline模块实现超大规模电力网络的解耦，应用状态空间节点法进行仿真分析，大大提高了仿真速度。
总而言之，与现有技术相比，将电力网络解耦为N个子网络，通过对N个子网络进行并行计算，对电力网络进行机电暂态与电磁暂态仿真，由于解耦后子网络的计算量小，计算速度快，计算精度高，所以，可以在较短的时间内完成对大规模的电力网络的仿真，仿真精度高，提高了仿真速度。而且，机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接，避免了使用硬件接口，节约了仿真模型之间的通信时间，进一步提高了仿真速度。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第二实施方式涉及一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，包含：机电暂态仿真模块、电磁暂态仿真模块与解耦模块。
机电暂态仿真模块嵌在电磁暂态仿真模块中；其中，机电暂态仿真模块中包含电力网络的机电暂态仿真模型；电磁暂态仿真模块中包含电力网络的电磁暂态仿真模型；机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型耦合连接。
解耦模块，用于将电力网络解耦为N个子网络；其中，N可以为仿真系统自动分配的自然数，N大于1。
电磁暂态仿真模块，用于通过对N个子网络进行并行计算，并根据电磁暂态仿真模型对电力网络电磁暂态仿真，还调用机电暂态仿真模块，根据机电暂态仿真模型对电力网络进行机电暂态。
电磁暂态仿真模块包含关联子模块；关联子模块，用于将机电暂态仿真模块与数据表关联；其中，数据表中为机电暂态模型的仿真参数。
基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统还包含SSN(状态空间节点法)接口模块。机电暂态仿真模型与电磁暂态仿真模型通过SSN接口模块耦合连接。
在本实施方式中，SSN接口模块可以采用Artemis(属于RT-LAB的一个元件库)中的SSN接口模块。
在本实施方式中，机电暂态仿真模块可以为ePHASORsim(一种机电暂态仿真软件)中的solver模块(解算模块)，电磁暂态仿真模块可以为MATLAB中的simulink模块。
与现有技术相比，将电力网络解耦为N个子网络，通过对N个子网络进行并行计算，对电力网络进行机电暂态与电磁暂态仿真，由于解耦后子网络的计算量小，计算速度快，计算精度高，所以，可以在较短的时间内完成对大规模的电力网络的仿真，仿真精度高，提高了仿真速度。而且，机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接，避免了使用硬件接口，节约了仿真模型之间的通信时间，进一步提高了仿真速度。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：
将电力网络的机电暂态仿真模块嵌入电磁暂态仿真模块；其中，所述机电暂态仿真模块中包含所述电力网络的机电暂态仿真模型；所述电磁暂态仿真模块中包含所述电力网络的电磁暂态仿真模型；所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接；
将所述电力网络解耦为N个子网络；其中，N为大于1的自然数；
根据所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型，通过对N个子网络进行并行计算，对所述电力网络同时进行机电暂态与电磁暂态仿真；
其中，所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型通过状态空间节点法SSN接口模块耦合连接；
在对N个子网络进行并行计算的步骤中，采用状态空间节点法在所述电力网络的M个预设节点上并行计算；其中，M为仿真系统自动分配的自然数。
2.根据权利要求1所述的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，其特征在于，在对所述电力网络同时进行机电暂态与电磁暂态仿真的步骤之前，还包含以下步骤：
将所述机电暂态仿真模块与数据表关联；其中，所述数据表中为机电暂态仿真模型的仿真参数。
3.根据权利要求1所述的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真方法，其特征在于，所述机电暂态仿真模块为ePHASORsim的解算模块，所述电磁暂态仿真模块为MATLAB中的simulink模块。
4.一种基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，其特征在于，包含：机电暂态仿真模块、电磁暂态仿真模块与解耦模块；
所述机电暂态仿真模块嵌在所述电磁暂态仿真模块中；其中，所述机电暂态仿真模块中包含电力网络的机电暂态仿真模型；所述电磁暂态仿真模块中包含所述电力网络的电磁暂态仿真模型；所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型耦合连接；
所述解耦模块，用于将所述电力网络解耦为N个子网络；其中，N为大于1的自然数；
所述电磁暂态仿真模块，用于对N个子网络进行并行计算，并根据所述电磁暂态仿真模型对所述电力网络进行电磁暂态仿真，还调用所述机电暂态仿真模块，根据所述机电暂态仿真模型对所述电力网络进行机电暂态仿真；
其中，所述基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统还包含状态空间节点法SSN接口模块；
所述机电暂态仿真模型与所述电磁暂态仿真模型通过所述SSN接口模块耦合连接；
所述电磁暂态仿真模块具体采用状态空间节点法在所述电力网络的M个预设节点上并行计算；其中，M为仿真系统自动分配的自然数。
5.根据权利要求4所述的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，其特征在于，所述电磁暂态仿真模块包含关联子模块；
所述关联子模块，用于将所述机电暂态仿真模块与数据表关联；其中，所述数据表中为机电暂态仿真模型的仿真参数。
6.根据权利要求4所述的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，其特征在于，所述SSN接口模块采用Artemis中的SSN接口模块。
7.根据权利要求4所述的基于电磁暂态与机电暂态的混合仿真系统，其特征在于，所述机电暂态仿真模块为ePHASORsim的解算模块，所述电磁暂态仿真模块为MATLAB中的simulink模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 200233 Shanghai, Yishan Road, No. 829, building 201, room 6, Applicant after: SHANGHAI KELIANG INFORMATION ENGINEERING Co.,Ltd. Address before: 200233 Shanghai, Yishan Road, No. 829, building 201, room 6, Applicant before: SHANGHAI KELIANG INFORMATION ENGINEERING Co.,Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Room 201, building 6, 829 Yishan Road, Xuhui District, Shanghai 200233 Patentee after: Shanghai Keliang Information Technology Co.,Ltd. Address before: Room 201, building 6, 829 Yishan Road, Xuhui District, Shanghai 200233 Patentee before: SHANGHAI KELIANG INFORMATION ENGINEERING Co.,Ltd. |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |