CN108063442A - 一种电力系统交流电网实时仿真装置及其仿真方法 - Google Patents

一种电力系统交流电网实时仿真装置及其仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统交流电网实时仿真装置，包括上位机和两个实时仿真器UREP，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到两个实时仿真器UREP。本发明采用两个实时仿真器，实现多个实时仿真器的同时仿真，减小了单个仿真机的预计算量和存储量，加快仿真效率，从而实现仿真的实时化。

Description

一种电力系统交流电网实时仿真装置及其仿真方法
技术领域
本发明属于新能源发电及能源节约仿真技术领域，具体涉及一种电力系统交流电网实时仿真装置及其仿真方法。
背景技术
受仿真机存储容量及CPU处理能力的限制，其所能实时计算的电气节点数及存储容量都是有限的。我国电网已进入跨大区互联时期，系统的节点数超出了实时仿真器单个核的处理能力或所需储存容量太大，而给仿真器实时仿真大型电力系统带来了挑战。
大部分实时仿真机的解算基础是基于状态空间法，当所仿真的模型中所包含的系统节点数目较多时，将整个系统作为一个状态空间对电路进行预计算，并针对数目众多且相互耦合的系统元件所要做的大量预计算，将会需要非常大的内存空间及计算量，这就给模型的实时化带来了巨大的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种电力系统交流电网实时仿真装置及其仿真方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种电力系统交流电网实时仿真装置，其特征在于：包括上位机和两个实时仿真器UREP，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到两个实时仿真器UREP。
一种电力系统交流电网实时仿真装置的仿真方法，该方法为：在交流电网中，选取合适节点或节点集，将模型分割为两个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器UREP进行仿真，实时仿真器UREP之间通过网线以及交换机连接起来，构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。
一种电力系统交流电网实时仿真装置仿真方法，具体步骤如下：
1)对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路替代电感和电容元件，采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：
其中:
式中：ikm(t)为流过电感元件电流，IL(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电感上的压降，为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小,Δt为仿真步长,IL(t-Δt)＝ikm(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值；
电容元件差分化表达式为：
其中，
式中：ikm(t)为流过电容元件的电流，IC(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电容上的压降，为电容元件差分化后的等效电阻，C为电容值大小,Δt为仿真步长,ikm(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，[uk(t-Δt)-um(t-Δt)]为电容元件上一步长的压降；
2)在网络中选取合适的节点或节点集，将大电网分割为大小相等的两个子系统，分别称为子系统1和子系统2；
3)采用测量元件测量子系统1分割接口处的电压信号以及子系统2分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代子系统2，受控电压源替代子系统1；
4)将子系统1中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给子系统2的受控电压源的信号接收端，子系统2中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给子系统1受控电流源的信号接收端。
信号在网线以及交换机之间传输会有一定的延时，补偿延时t产生的误差，在子系统的受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，保证其在基波频率ω的幅值增益为1，相位超前ωt/π。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
(1)本发明采用两个实时仿真器，实现多个实时仿真器的同时仿真，减小了单个仿真机的预计算量和存储量，加快仿真效率，从而实现仿真的实时化；
(2)在受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，从而保证其在基波频率的幅值增益为1，相位超前，从而保证仿真的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例采用的交流电网拓扑图；
图2为本发明实施例模型分割结构图；
图3为电感电容元件及其等值电路图；
图4为电容元件及其等值电路图；
图5为本发明实施例的逆变侧分割前短路点电流波形图；
图6为本发明实施例的逆变侧分割后短路点电流波形图；
图7为本发明实施例的整流器分割前短路点电压波形图；
图8为本发明实施例的整流器分割后短路点电压波形图；
图9为本发明装置结构连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图9所示，一种电力系统交流电网实时仿真装置，其特征在于：包括上位机和两个实时仿真器UREP，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到两个实时仿真器UREP。
一种电力系统交流电网实时仿真装置的仿真方法，该方法为：在交流电网中，选取合适节点或节点集，将模型分割为两个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器UREP进行仿真，实时仿真器UREP之间通过网线以及交换机连接起来，构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。
例如，对于一个1000节点的大系统来说，其节点导纳矩阵的维数为1000*1000＝1000000，这就大大超过了实时仿真器的存储容量，而如果将系统平均分为两个状态空间群组，在一个仿真机内运行，此时系统节点导纳矩阵的维数为2*500*500＝500000，这就大大降低了矩阵维数，减小了仿真机内的存储量和预计算量，从而使得仿真机能在一个步长内完成预计算，从而实现系统的实时仿真。不仅如此，将模型分割以后，分别在不同的实时仿真器内运行每个状态空间群组，则每个实时仿真器内的系统矩阵维数为500*500＝250000，这更加节省了每个实时仿真器的存储量和预计算量。目前，对于提高仿真机的存储能力及CPU的处理能力所需研发费用昂贵，所以，研究和采用适当的模型分割及其接口算法来实现大电网的实时仿真已经势在必行。
模型分割会将一个大系统划分为两个或者多个状态空间群组，不仅减小了系统的等效电气节点数，还能减小每个实时仿真器的存储量和预计算量，从而加速仿真，实现大电网的实时仿真。
一种电力系统交流电网实时仿真装置仿真方法，具体步骤如下：
1)对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路替代电感和电容元件，采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：
其中:
式中：ikm(t)为流过电感元件电流，IL(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电感上的压降，为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小,Δt为仿真步长,IL(t-Δt)＝ikm(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值；
电容元件差分化表达式为：
其中，
式中：ikm(t)为流过电容元件的电流，IC(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电容上的压降，为电容元件差分化后的等效电阻，C为电容值大小,Δt为仿真步长,ikm(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，[uk(t-Δt)-um(t-Δt)]为电容元件上一步长的压降；
2)在网络中选取合适的节点或节点集，将大电网分割为大小相等的两个子系统，分别称为子系统1和子系统2；
3)采用测量元件测量子系统1分割接口处的电压信号以及子系统2分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代子系统2，受控电压源替代子系统1；
4)将子系统1中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给子系统2的受控电压源的信号接收端，子系统2中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给子系统1受控电流源的信号接收端。
信号在网线以及交换机之间传输会有一定的延时，补偿延时t产生的误差，在子系统的受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，保证其在基波频率ω的幅值增益为1，相位超前ωt/π。
本发明公开了在单个硬件条件不满足要求的条件下，采用替代定理，将大电网在合适的节点或节点集处分割为大小近似相等的两个子系统，用以解决无法实时仿真大电网的问题。分割方法为测量分割接口处的电压和电流信号，利用受控电压源和受控电流源作为信号接收装置接收测量的电压和电流信号，而测量的电压电流信号通过网线以及交换机进行传输，实现模型的分割和分机仿真。从而将原来一个仿真机内仿真的系统分为两个仿真机进行仿真，减小了单个仿真机的预计算量和存储量，同时也减小了大电网的节点导纳矩阵维数，加快仿真，从而实现仿真的实时化。由于数据间交换产生的电压和电流信号的延时问题，交流信号的时移等同于频域内的相移，接口延时的补偿可转化为对信号相位的补偿。故在受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，从而保证其在基波频率的幅值增益为1，相位超前，从而保证仿真的稳定性。
实施例2：图1是一个三机九节点交流电网，在线路3和线路4、线路5和线路6之间将此三机九节点系统一分为二，由发电机1、发电机3，线路1、线路2、线路3和线路5，变压器1和3以及负荷1组成部分归为子系统1，其余部分归为子系统2。上位机和实时仿真器之间通过以太网连接，子系统1通过上位机编译及下载到仿真机1中进行仿真，子系统2通过上位机编译及下载到仿真机2内进行仿真，而两个实时仿真器之间通过网线以及交换机连接。利用电压测量元件测量子系统1的分割端口线路3和线路5处的电压信号，利用电流测量元件测量子系统2的分割端口线路4和线路6处的电流信号，并且在电压测量元件后接上受控电流源，接收来自子系统2分割端口处测量得到的电流信号，在电流测量元件后接上受控电压源，接收来自子系统1分割端口处测量得到的电压信号，测量得到的电压及电流信号通过网线以及交换机进行信号传输。分割后模型如图2所示。
信号延时会导致仿真不稳定，从而导致波形失真，所以需要对延时信号进行补偿，为了补偿延时t产生的误差，在子系统的受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，从而保证其在基波频率的幅值增益为1，相位超前。设需要补偿的延时为，则补偿相位为，则有，根据公式求出，从而得到相位超前环节传递函数为。
实施效果：在图1和图2实施例中验证了该技术的效果，正常运行时，在t＝1.5秒时在母线6处发生三相接地故障，t＝1.6秒故障消失，图4分别是故障点分割前后的电流和电压对比图，从图中可以看出，不管在稳态还是暂态情况下，分割前后电流及电压波形基本一致。因此，此模型分割方法是成功的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电力系统交流电网实时仿真装置，其特征在于：包括上位机和两个实时仿真器UREP，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到两个实时仿真器UREP。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统交流电网实时仿真装置的仿真方法，其特征在于：该方法为：在交流电网中，选取合适节点或节点集，将模型分割为两个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器UREP进行仿真，实时仿真器UREP之间通过网线以及交换机连接起来，构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。
3.根据权利要求2所述的一种电力系统交流电网实时仿真装置仿真方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路替代电感和电容元件，采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：
<mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>R</mi> <mi>L</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中:IL(t-Δt)＝ikm(t-Δt)
式中：ikm(t)为流过电感元件电流，IL(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电感上的压降，为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小,Δt为仿真步长,IL(t-Δt)＝ikm(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值；
电容元件差分化表达式为：
<mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>C</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>R</mi> <mi>C</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，
式中：ikm(t)为流过电容元件的电流，IC(t-Δt)为上一步长电流值，[uk(t)-um(t)]为电容上的压降，为电容元件差分化后的等效电阻，C为电容值大小,Δt为仿真步长,ikm(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，[uk(t-Δt)-um(t-Δt)]为电容元件上一步长的压降；
2)在网络中选取合适的节点或节点集，将大电网分割为大小相等的两个子系统，分别称为子系统1和子系统2；
3)采用测量元件测量子系统1分割接口处的电压信号以及子系统2分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代子系统2，受控电压源替代子系统1；
4)将子系统1中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给子系统2的受控电压源的信号接收端，子系统2中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给子系统1受控电流源的信号接收端。
4.根据权利要求3所述的一种电力系统交流电网实时仿真装置的仿真方法，其特征在于：信号在网线以及交换机之间传输会有一定的延时，补偿延时t产生的误差，在子系统的受控电流源控制信号中加入相位超前环节，并且根据需要补偿的延时来设置超前环节的传递函数，保证其在基波频率ω的幅值增益为1，相位超前ωt/π。
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