CN105868513B - 基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，步骤S10，将新增模型电路转换为电磁暂态计算电路模型；步骤S20，根据电磁暂态计算电路模型的等效电路连接方式，写出对应的暂态计算网络方程；步骤S30，对暂态计算网络方程进行诺顿等值计算，得到等效电路的各端口参数；步骤S40，将上述各端口参数与主网络联立求解，得到每一时步的网路解。本发明通过对电磁暂态等效后的电路进行诺顿等值，从而快速得到各个端口的电流值以及等效的端口电导值，实现了用程序化方法得到新增模型等效电路，并通过接口与主网络联立计算，避免了新增模型时繁琐的等效电路推导过程。

Description

基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真领域，具体涉及一种基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法。
背景技术
近年来，电磁暂态仿真技术由于其经济性、灵活性、可重复性等独特优势而成为电力系统研究中最为有效的手段之一。而随着我国电力系统迅速发展，规模不断扩大，新型元件及系统控制技术不断在系统中得到应用，对电力系统电磁暂态仿真技术也带来了新的挑战。
为满足电力系统日益发展的需要，需要对新型的装置如新型直流换流器、FACTS装置等进行电磁暂态仿真建模。惯常的做法是通过隐式积分法，对模型电路中每一条支路进行电磁暂态计算网络等效，建立新增模型详细的电磁暂态仿真模型，然后与主网络进行迭代计算。模型电路越复杂、端口越多，新增模型等效电路推导越繁琐，建模的难度也随之增加。目前尚没有一种系统化、程序化的电磁暂态新增模型开发方法，能够快速得到新增模型端口电流值以及端口等效电导值，实现与主网络的联立计算。
现有电磁暂态仿真是列出新增模型电路中每一条支路的支路方程，通过隐式积分法对每一个支路方程差分化，将每一条支路都等效为等值电导(纯电阻支路)、电流源、历史电流源与等值电导并联的形式，形成电磁暂态计算网络，然后通过推导得到模型端口处的电流、电导值等，与主网络进行迭代、联立计算。当模型端口密集、电路复杂、支路中储能元件也较多时，支路方程差分化过程以及后续的电路推导过程都较为复杂，难以快速得到端口处的特征量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，使得电磁暂态仿真开发及研究人员可以利用程序化的方法得到新增模型的等效电路，通过接口与主网络联立计算，避免了新增模型时繁琐的等效电路推导过程。
为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，包括如下步骤：
步骤S10，将新增模型电路转换为电磁暂态计算电路模型；
步骤S20，根据电磁暂态计算电路模型的等效电路连接方式，写出对应的暂态计算网络方程；
步骤S30，对暂态计算网络方程进行诺顿等值计算，得到等效电路的各端口参数；
步骤S40，将上述各端口参数与主网络联立求解，得到每一时步的网路解。
进一步，所述步骤S10中，将新增模型电路中的每个储能元件及电阻元件都转化为对应的历史电流源与等值电导的并联形式，形成电磁暂态计算电路模型。
进一步，所述步骤S20的等效电路包括有节点导纳矩阵、节点电压列矢量和节点注入电路矢量。
进一步，所述步骤S30的等效电路各端口参数包括有每一对端口的电流值以及对对应的端口等效电导值。
进一步，所述步骤S40的将上述各端口参数与主网络联立求解，是通过修改主网络对应接口的导纳矩阵以及注入电流，与主网络实现联立求解。
进一步，所述储能元件包括有电感元件和/或电容元件。
进一步，所述电磁暂态计算电路模型的储能元件等效为历史电流源以及等值电导的形式。
进一步，所述暂态计算网络方程包括有N个节点和m个端口，其中N和m为正整数，所有节点、端口关联矢量按列排在一起，构成N*m维节点-端口关联矩阵ML。
进一步，若所述新增模型电路改变，则修改对应等效电路的接口参数，从而与主网络实现联立求解。
本发明所提出的电磁暂态仿真新增模型开发方法，通过对电磁暂态等效后的电路进行诺顿等值，从而快速得到各个端口的电流值以及等效的端口电导值，实现了用程序化方法得到新增模型等效电路，并通过接口与主网络联立计算，避免了新增模型时繁琐的等效电路推导过程。为电磁暂态仿真新建模型提供了一种简单高效的工程实用方法，对于设计、仿真人员掌握电磁暂态新建模型，快速实现新建模型与主网络联立计算具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法的步骤流程图。
图2为R、L、C元件电路示意图。
图3为本发明的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法的R、L、C暂态计算电路模型示意图。
图4为本发明的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法的多端口诺顿等值示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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，而不是全部实施例。
参看图1，其为本发明的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法的步骤流程图，包括如下步骤：
步骤S10，将新增模型电路转换为电磁暂态计算电路模型；
步骤S20，根据电磁暂态计算电路模型的等效电路连接方式，写出对应的网络方程；
步骤S30，对电磁暂态计算电路模型的等效电路进行诺顿等值计算，得到等效电路的各端口参数；
步骤S40，将上述各端口参数与主网络联立求解，得到每一时步的网路解。
所述步骤S10，在本实施例中采用隐式梯形积分法，所述新增模型电路包括有至少一个储能元件和/或至少一个电阻元件，所述储能元件包括有电感元件和/或电容元件，对图2中的电阻元件电路、电感元件电路和电容元件电路，进行差分化，将RLC支路等效为历史电流源与等值电导的并联形式，那么就有如下各元件的电磁暂态计算电路模型：
1)对电阻支路有：
ikm(t)＝[uk(t)-um(t)]/R (1)
式(1)不是微分方程，没有历史电流源项，因此其电磁暂态计算模型为：
IR(t-Δt)＝GR[uk(t-Δt)-um(t-Δt)] (2)
其中，IR为流过电阻元件的电流，t为当前时刻，△t为时间变化量，GR为电阻电导，uk为k端口的电压，um为m端口的电压。
2)对电感支路有：
对式(3)差分化并整理得：
其中，IL为流过电感元件的电流，t为当前时刻，△t为时间变化量，ikm为k端口到m端口的电流，L为电感，GL为电感电导，uk为k端口的电压，um为m端口的电压。
3)对于电容支路有：
将式(5)差分化，并整理得：
其中，IC为流过电容元件的电流，t为当前时刻，△t为时间变化量，ikm为k端口到m端口的电流，C为电容容量，Gc为电容电导，uk为k端口电压，um为m端口电压。
由式(1)—(6)可得图2所示的暂态计算电路模型。
由上述过程不难看出，对模型中每一个储能元件及电阻元件都可以将其等效为历史电流源与等值电导的形式。因此对于每一个新增模型，均可将模型中的储能元件及电阻元件等效为历史电流源以及等值电导的形式进行暂态计算。但对于如FACTS、直流模型等较为复杂的新增模型，储能元件、电阻元件、端口较多可能导致等效后的模型结构过于复杂，为了能够快速得到新增模型各端口的电流值以及端口等效电导值，实现与主网络的快速连接，需要对暂态计算等效后的网络进行等值处理。
所述步骤S20电磁暂态计算电路模型的计算网络，设有N个节点、m个端口，分别用下标“α，β，…m”来表示，相应端口上的节点对用(p，q)，(k，l)等表示。每个端口上第一个节点的电流流出方向为正方向，第二个节点的电流以流入网络为正方向。第一个节点和第二个节点之间的电压降作为端口电压的正方向。
把所有节点-端口关联矢量按列排在一起，构成N*m维节点-端口关联矩阵ML，如式(7)所示：
ML＝[Mα,Mβ…Mm] (7)
设等效后的暂态计算网络方程为：
为节点电压列矢量；为节点注入电路列矢量；Y为节点导纳矩阵。
所述步骤S30诺顿等值计算如下：
多端口诺顿等值电路的m*m阶等值导纳矩阵为：
Yeq＝ML -1Y(ML T)-1 (9)
诺顿等值电流源为网络中各个端口短路时的短路电流：
定义端口上的电流矢量和电压矢量分别为：
由此可以得到多端口诺顿等值电路方程如式(13)所示：
由于暂态计算等效后的网络只含有历史电流源和等值电导，因此Yeq＝Geq，由式(13)可得到新增模型各个端口的电流值以及等效的端口电导值，在本实施例中，采用MATLAB程序对等效电路进行诺顿等值计算，得出每一对端口的电流值以及对应的端口等效电导值。
步骤S40，通过修改主网络对应接口的导纳矩阵以及注入电流，与主网络实现了联立求解，得到每一时步的网路解，如果新增模型电路有变化时，如有开关变化或电力电子器件动作，可修改对应等效电路的参数值。
上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10，将新增模型电路转换为电磁暂态计算电路模型；
步骤S20，根据电磁暂态计算电路模型的等效电路连接方式，写出对应的暂态计算网络方程；
步骤S30，对暂态计算网络方程进行诺顿等值计算，得到等效电路的各端口参数；
步骤S40，将上述各端口参数与主网络联立求解，得到每一时步的网路解；
所述步骤S10中，将新增模型电路中的每个储能元件及电阻元件都转化为对应的历史电流源与等值电导的并联形式，形成电磁暂态计算电路模型；
所述步骤S40的将上述各端口参数与主网络联立求解，是通过修改主网络对应接口的导纳矩阵以及注入电流，与主网络实现联立求解。
2.根据权利要求1所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，所述步骤S20的等效电路包括有节点导纳矩阵、节点电压列矢量和节点注入电路矢量。
3.根据权利要求1所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，所述步骤S30的等效电路各端口参数包括有每一对端口的电流值以及对对应的端口等效电导值。
4.根据权利要求1所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，所述储能元件包括有电感元件和/或电容元件。
5.根据权利要求4所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，所述电磁暂态计算电路模型的储能元件等效为历史电流源以及等值电导的形式。
6.根据权利要求1或2所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，所述暂态计算网络方程包括有N个节点和m个端口，其中N和m为正整数，所有节点、端口关联矢量按列排在一起，构成N*m维节点-端口关联矩阵ML。
7.根据权利要求1所述的基于暂态计算网络等效的电磁暂态仿真新增模型开发方法，其特征在于，若所述新增模型电路改变，则修改对应等效电路的接口参数，从而与主网络实现联立求解。
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