CN105550385A - 一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统，方法包括将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；对低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；对高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟。系统包括配电网数字模型单元及配电网物理真型单元。本发明提出的方法及系统实现了与实际时钟同步的仿真，其建模速度快、经济；参数调整方便；能对复杂配电网进行仿真，能够准确地模拟电力系统元件的动态过程，直观且可靠地反映系统运行状况，实现了实时数字仿真与物理模的优势互补的结合，实现了硬件设备在环的配电网小步长暂态实时仿真。

Description

一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网暂态技术领域，具体涉及一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统。

背景技术

近年来，随着供电需求增长及配电网技术的发展，配电网规模不断扩大、结构日益复杂，其规模大、节点多、设备杂、运行方式多的特点日益突出。同时，可再生能源、新能源技术发展与投入力度的加大，在配电网侧，大量的分布式电源、微电网、大容量充电器、储能系统等接入配电网，运行方式日益复杂，配电网结构和参数具有明显的独特性、不对称性和多元性。配电网暂态仿真是提高运行能力，分析决策的有力工具。

现阶段的配电网暂态仿真方法主要有两种：配电网物理仿真和配电网全数字暂态仿真。物理仿真是采用实际的物理真型设备或者等比例缩小的物理设备进行仿真模拟的过程，仿真结果精细、可信度高，但缺点是受限于仿真规模，周期长，硬件设备往往比较昂贵，维护和操作难度较大；配电网全数字暂态仿真成本低，计算迅速，耗时短，可以仿真较大规模的配电网网络，但是由于仿真对象复杂性的限制，仿真计算结果的准确性不如物理仿真，精度不够，同时，由于配电网本身具有规模大、设备类型、结构与参数具有不对称等特点，以及含复杂控制策略的分布式电源接入，导致配电系统暂态实时仿真的实现较为困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统，该方法及系统实现了与实际时钟同步的仿真，其建模速度快、经济；参数调整方便；能对复杂配电网进行仿真，能够准确地模拟电力系统元件的动态过程，直观且可靠地反映系统运行状况，实现了实时数字仿真与物理模的优势互补的结合，实现了硬件设备在环的配电网小步长暂态实时仿真。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；

步骤2.对所述低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

步骤3.对所述高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟。

优选的，所述步骤1，包括：

将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；

所述低精度要求单元中包括所述配电网中的变压器、馈线、变电站、线路、馈线、若干变电站构成的供电区域及含高频开关信号的电力电子接口分布式电源；

所述高精度要求单元中包括所述配电网中的光伏单元、风电单元、整流负荷、燃气轮机、UPQC、充电桩、储能单元、小水电装置及燃料电池。

优选的，所述步骤2，包括：

2-1.建立所述配电网的配电网数字模型；

2-2.采用模型分解技术，对所述配电网数字模型进行分割，得到各配电网分区；

2-3.各所述配电网分区均采用FPGA分块计算方法进行系统级并行加速。

优选的，所述2-2，包括：

采用模型分解技术，以所述低精度要求单元中的各部件及整个配电系统为仿真对象，对所述配电网数字模型进行小步长实时仿真分割，得到各配电网分区；所述小步长小于等于5μs。

优选的，所述步骤3，包括：

3-1.基于相似理论判断一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性；

3-2.根据经济性原则，建立所述配电网的配电网物理真型；所述配电网物理真型采用等比例缩小后的所述高精度要求单元中的各部件来模拟实际所述高精度要求单元中的各部件。

优选的，所述3-1，包括：

根据相似理论，一个配电系统的静态与动态物理量与另一配电系统的相应物理量之间存在着固定的比例系数，当两个配电系统或设备在几何、性能、结构与行为过程之间具有相似性时，则从其中一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性，所述相似理论的判断公式为：

$m_V=\frac{V}{V^{\′}},m_I=\frac{I}{I^{\′}},m_P=\frac{P}{P^{\′}},\mathrm{......}\left(1\right)$

式(1)中，m_V为一个配电系统中的电压V与一个配电系统中的电压V′的比值；m_I为一个配电系统中的电流I与一个配电系统中的电流I′的比值；m_P为一个配电系统中的功率P与一个配电系统中的功率P′的比值。

一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统，所述系统包括配电网数字模型单元及配电网物理真型单元；

所述配电网数字模型单元用于对配电网中的低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

所述配电网物理真型单元用于对配电网中的高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟；

所述配电网数字模型单元与所述配电网物理真型单元用双向DC/AC转换单元连接。

优选的，所述双向DC/AC转换单元包括DC/AC转换器和AC/DC转换器；

所述配电网数字模型单元与所述DC/AC转换器之间、所述AC/DC转换器与所述配电网物理真型单元之间分别设有同步协调单元；所述DC/AC转换器与所述配电网物理真型单元之间设有功率放大单元。

优选的，双向DC/AC转换单元将所述配电网数字模型单元输出DC信号转换成AC信号，同时将所述配电网物理真型单元通过高速采集的电压、电流的AC信号转换成DC信号；

所述配电网物理真型单元的功率信号为交流50HZ；

所述配电网数字模型单元的功率信号通过所述功率放大单元进行放大；

所述同步协调单元用于协调所述配电网数字模型单元与所述配电网物理真型单元的电压及时间一致性。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法及系统，方法包括将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；对低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；对高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟。系统包括配电网数字模型单元及配电网物理真型单元。本发明提出的方法及系统实现了与实际时钟同步的仿真，其建模速度快、经济；参数调整方便；能对复杂配电网进行仿真，能够准确地模拟电力系统元件的动态过程，直观且可靠地反映系统运行状况，实现了实时数字仿真与物理模的优势互补的结合，实现了硬件设备在环的配电网小步长暂态实时仿真。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，方法及系统实现了与实际时钟同步的仿真，其建模速度快、经济；参数调整方便；能对复杂配电网进行仿真，能够准确地模拟电力系统元件的动态过程，直观且可靠地反映系统运行状况，实现了实时数字仿真与物理模的优势互补的结合，实现了硬件设备在环的配电网小步长暂态实时仿真。

2、本发明所提供的技术方案中，可以实现对含分布式电源、电动汽车、信息物理设备等新型设备的复杂配电网进行小步长实时暂态仿真，仿真精度高，可信度高。

3、本发明所提供的技术方案，将难以准确建模的单元用等比例缩放的物理真型设备进行模拟，将其余部分用数字仿真模拟，可以实现高精度需求下暂态建模的高效、简便，同时不失准确性。

4、本发明所提供的技术方案，数字部分用基于FPGA的小步长数字仿真实现，模拟部分用经过缩放的物理真型设备模拟，通过由双向DC/AC转换、功率方法及同步装置构成的接口连接，可以保证仿真的实时性，与系统实际运行时间保持一致，仿真速度快，最大程度保证了暂态仿真的贴近实际运行工况。

5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法的流程图；

图2是本发明的仿真方法的步骤2的流程图；

图3是本发明的仿真方法的数字暂态仿真部分原理图；

图4是本发明的仿真方法的步骤3的流程图；

图5是本发明的一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统的结构示意图；

图6是本发明的一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统实现一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法的具体应用例的示意图；

图7是本发明的应用例中的含分布式电源的配电网小步长暂态仿真方法原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法，包括如下步骤：

步骤1.将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；

步骤2.对低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

步骤3.对高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟。

其中，步骤1，包括：

将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；

低精度要求单元中包括配电网中的变压器、馈线、变电站、线路、馈线、若干变电站构成的供电区域及含高频开关信号的电力电子接口分布式电源；

高精度要求单元中包括配电网中的光伏单元、风电单元、整流负荷、燃气轮机、UPQC、充电桩、储能单元、小水电装置及燃料电池。

如图2和3所示，步骤2，包括：

2-1.建立配电网的配电网数字模型；

其中，配电网数字模型为依据配电网中设备、元件的运行原理及电气特性，用数学方程式建立配电网数字仿真模型。

2-2.采用模型分解技术，对配电网数字模型进行分割，得到各配电网分区；

2-3.各配电网分区均采用FPGA分块计算方法进行系统级并行加速；

即基于FPGA的小步长数字暂态仿真的底层利用FPGA的可编程逻辑资源实现硬件加速，实现仿真步长5μs以下。同时，内部采用模型分解技术，对配电网数字模型进行分割分块，以馈线、变电站及所属馈线、若干变电站构成的供电区域、整个配电系统为仿真对象进行小步长实时仿真分割，分割过程可以依据复杂度和计算量均衡、问题研究需要的原则进行，分割后的分区模块可以采用多FPGA分块计算的方法进行系统级并行加速。

其中，2-2，包括：

采用模型分解技术，以低精度要求单元中的各部件及整个配电系统为仿真对象，对配电网数字模型进行小步长实时仿真分割，得到各配电网分区；小步长小于等于5μs。

如图4所示，步骤3，包括：

3-1.基于相似理论判断一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性；

3-2.根据经济性原则，建立配电网的配电网物理真型；配电网物理真型采用等比例缩小后的高精度要求单元中的各部件来模拟实际高精度要求单元中的各部件。

其中，3-1，包括：

根据相似理论，一个配电系统的静态与动态物理量与另一配电系统的相应物理量之间存在着固定的比例系数，当两个配电系统或设备在几何、性能、结构与行为过程之间具有相似性时，则从其中一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性，相似理论的判断公式为：

$m_V=\frac{V}{V^{\′}},m_I=\frac{I}{I^{\′}},m_P=\frac{P}{P^{\′}},\mathrm{......}\left(1\right)$

式(1)中，m_V为一个配电系统中的电压V与一个配电系统中的电压V′的比值；m_I为一个配电系统中的电流I与一个配电系统中的电流I′的比值；m_P为一个配电系统中的功率P与一个配电系统中的功率P′的比值。

如图5所示，一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统，包括配电网数字模型单元及配电网物理真型单元；

配电网数字模型单元用于对配电网中的低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

配电网物理真型单元用于对配电网中的高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟；

配电网数字模型单元与配电网物理真型单元用双向DC/AC转换单元连接。

其中，双向DC/AC转换单元包括DC/AC转换器和AC/DC转换器；

配电网数字模型单元与DC/AC转换器之间、AC/DC转换器与配电网物理真型单元之间分别设有同步协调单元；DC/AC转换器与配电网物理真型单元之间设有功率放大单元。

双向DC/AC转换单元将配电网数字模型单元输出DC信号转换成AC信号，同时将配电网物理真型单元通过高速采集的电压、电流的AC信号转换成DC信号；

配电网物理真型单元的功率信号为交流50HZ；

配电网数字模型单元的功率信号通过功率放大单元进行放大；

同步协调单元用于协调配电网数字模型单元与配电网物理真型单元的电压及时间一致性。

如图6和7所示，本发明提供在一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统实现一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法的具体应用例，其包括：

对于一部分内部运行机理清晰、数学建模容易、仿真精度要求低的配电网单元，如变压器、线路、部分简单的负荷及分布式电源(DistributionGeneration,DG)，可采用基于FPGA的小步长数字暂态仿真，对于内部机理不明确、建模难度大、仿真精度要求高的设备和网络则采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟，数字部分和模拟部分通过接口装置及协调机制进行联合暂态仿真；物理系统和计算之间通过接口进行连接与交互。下面分别详细说明主要涉及的3个部分：

(1)基于FPGA的小步长数字暂态仿真。为了对含分布式电源的配电网进行暂态仿真，仿真步长要求较小，尤其是对含高频开关信号的电力电子接口分布式电源的暂态仿真。本发明中采用基于FPGA的仿真技术，利用FPGA的可编程逻辑资源实现c加速，仿真步长可以达到5μs以下。由于仿真步长较小，仿真计算量增大，为了保证仿真速度与外接物理仿真装置的时长一致，内部采用模型分解技术，对配电网数字模型进行分割分块，以馈线、变电站及所属馈线、若干变电站构成的供电区域、整个配电系统为仿真对象进行小步长实时仿真分割，分割过程可以依据复杂度和计算量均衡、问题研究需要的原则进行，分割后的分区模块可以采用多FPGA分块计算的方法进行系统级并行加速。数字部分用的是基于FPGA的小步长数字暂态仿真方法实现，因为仿真步长很小，所以计算量会非常大，特别是当需要用数字仿真的网络规模较大时，此时为了使得数字暂态仿真的速度较快，跟得上外面物理实际装置的运行速度，就需要加速，加速的原理是分区计算，将需要数字暂态仿真的部分进行分区分块，每一块用一个FPGA核实现计算，这样多个FPGA就可以实现大规模网络的并行计算，计算速度较快。模型分块的准则是：各个FPGA之间计算量均衡。

(2)物理真型模拟。对于机理不明晰，建模复杂，难以表达的物理单元可以用物理系统模拟。配电网物理真型模拟是基于相似原理采用等比例缩放的物理设备来模拟实际运行的设备。根据相似理论，一个配电系统的静态与动态物理量与另一配电系统的相应物理量之间存在着固定的比例系数，当两个配电系统或设备在几何、性能、结构、行为过程等方面具有一定的相似性时，如公式(1)所示，可以从其中一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性。

$m_V=\frac{V}{V^{\′}},m_I=\frac{I}{I^{\′}},m_P=\frac{P}{P^{\′}},\mathrm{......}\left(1\right)$

因此，可以根据经济性原则，用等比例缩小的物理真型设备模拟实际的物理设备性能。可以设置并进行物理暂态性能模拟的设备或系统单位包括：风电、光伏、充电桩、储能、整流负荷等新型设备模型。

(3)同步及协调接口。为了使得构成硬件在环的数字和物理混合协同仿真，需要使用接口，接口包括三个部分：双向DC/AC转换、功率放大单元、同步装置构成。双向DC/AC转换单元可以将数字软件仿真部分的输出DC信号转换成AC信号，同时也可以将物理模拟仿真部分通过高速采集的电压、电流等AC信号转换成DC信号。由于数字侧的信号功率有限，物理模拟侧的设备为交流50HZ大功率信号，数字侧的信号功率需要通过功率放大单元进行放大。同步装置主要作用是电压协调和时间一致性的协调，电压协调的作用是数字部分和模拟侧电压协调，数字侧适应的电压范围一般为-15V～+15V，需要将从物理侧采集的电压经过AC/DC转换后进一步调理到该范围内；时间一致性协调的作用是保证数字软件仿真和物理模拟侧仿真在数据交换时保证在同一个时间断面上进行实时仿真。

图7为含分布式电源的配电网小步长暂态仿真方法的原理；图7中的仿真系统可划分为3个部分：数字部分、接口和物理模拟部分。数字部分包括有变电站、负载、开关，这一部分用基于FPGA的小步长数字暂态仿真实现，接口部分包括数字部分和物理模拟部分时间同步和电压协调功能，物理模拟部分包括分布式电源(DistributionGeneration,DG)等，物理模拟主要是将利用数学模型建模困难或者仿真精度要求较高的单元用等值物理模拟单元实现。通过该仿真系统，可以实现物理设备在环路的暂态仿真。

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，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1.将配电网中的各装置划分为低精度要求单元及高精度要求单元；

步骤2.对所述低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

步骤3.对所述高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中：

所述低精度要求单元中包括所述配电网中的变压器、馈线、变电站、线路、馈线、若干变电站构成的供电区域及含高频开关信号的电力电子接口分布式电源；

所述高精度要求单元中包括所述配电网中的光伏单元、风电单元、整流负荷、燃气轮机、UPQC、充电桩、储能单元、小水电装置及燃料电池。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

2-1.建立所述配电网的配电网数字模型；

2-2.采用模型分解技术，对所述配电网数字模型进行分割，得到各配电网分区；

2-3.各所述配电网分区均采用FPGA分块计算方法进行系统级并行加速。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述2-2包括：

采用模型分解技术，是以所述低精度要求单元中的各部件及整个配电系统为仿真对象，对所述配电网数字模型进行小步长实时仿真分割，得到各配电网分区；所述小步长小于或等于5μs。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

3-1.基于相似理论判断一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性；

3-2.根据经济性原则，建立所述配电网的配电网物理真型；所述配电网物理真型采用等比例缩小后的所述高精度要求单元中的各部件来模拟实际所述高精度要求单元中的各部件。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述3-1包括：

根据相似理论，一个配电系统的静态与动态物理量与另一配电系统的相应物理量之间存在着固定的比例系数，当两个配电系统或设备在几何、性能、结构与行为过程之间具有相似性时，则从其中一种配电系统或设备推理另一等比例的配电系统或设备的特性，所述相似理论的判断公式为：

$m_V=\frac{V}{V^{\′}},m_I=\frac{I}{I^{\′}},m_P=\frac{P}{P^{\′}},......\left(1\right)$

式(1)中，m_V为一个配电系统中的电压V与一个配电系统中的电压V′的比值；m_I为一个配电系统中的电流I与一个配电系统中的电流I′的比值；m_P为一个配电系统中的功率P与一个配电系统中的功率P′的比值。

7.一种含分布式电源配电网的小步长暂态仿真系统，其特征在于，所述系统包括配电网数字模型单元及配电网物理真型单元；

所述配电网数字模型单元用于对配电网中的低精度要求单元中的各部件采用基于FPGA的小步长的数字暂态仿真；

所述配电网物理真型单元用于对配电网中的高精度要求单元中的各部件采用物理真型或等比例缩小的物理单元进行模拟；

所述配电网数字模型单元与所述配电网物理真型单元用双向DC/AC转换单元连接。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述双向DC/AC转换单元包括DC/AC转换器和AC/DC转换器；

所述配电网数字模型单元与所述DC/AC转换器之间、所述AC/DC转换器与所述配电网物理真型单元之间分别设有同步协调单元；所述DC/AC转换器与所述配电网物理真型单元之间设有功率放大单元。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，双向DC/AC转换单元将所述配电网数字模型单元输出DC信号转换成AC信号，同时将所述配电网物理真型单元通过高速采集的电压、电流的AC信号转换成DC信号；

所述配电网物理真型单元的功率信号为交流50HZ；

所述配电网数字模型单元的功率信号通过所述功率放大单元进行放大；

所述同步协调单元用于协调所述配电网数字模型单元与所述配电网物理真型单元的电压及时间一致性。