CN109783845A - 边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边界点分群解耦的机电‑电磁混合仿真分网方法，包括：根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电‑电磁分网边界点；根据所述分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。该方法提高了混合仿真的实时性和运算效率。

Description

边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统暂态并行计算技术领域，并且更具体地，涉及一种边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法及装置。

背景技术

大规模电磁暂态模型仿真的机电-电磁混合实时仿真的实现依赖于并行计算技术。实现方法之一是对大规模电网进行合理分割，采取多核并行计算的思路实现软件加速，以满足实时仿真要求。

目前，已经可以实现在机电暂态网络内设计网络分割技术，并通过并行计算进行机电暂态过程仿真；也可以实现在电磁暂态网络内设计网络分割技术，并通过并行计算进行电磁暂态过程仿真；甚至也可以设计机电和电磁协调的网络分割技术，通过并行计算实现机电-电磁混合仿真。这些分网算法在机电-电磁边界规模较小时可满足实时仿真的需要，但在机电-电磁边界规模较大时，将导致机电-电磁边界处的计算量激增，因此不能满足混合仿真时的实时性要求。

发明内容

本发明提供一种边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法及装置，以克服目前在进行机电-电磁暂态混合仿真时实时性不能满足要求的问题。

第一方面，本发明提供的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法，包括：

步骤1：根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

步骤2：考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

步骤3：不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

步骤4：考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

具体地，所述的方法，

电磁暂态网络为特高压交直流骨干电网，采用电磁暂态模型建模；

待混合仿真电网中除去电磁暂态网络之后的其余网络为机电暂态网络，采用机电暂态模型建模。

具体地，步骤2，包括：

1)从待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

具体地，步骤3，包括：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图；

5)以连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，采用启发式算法，按照预先指定的电磁子网分网数目N，将电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。

具体地，将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网之后，还包括：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个电磁子网不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后这L个电磁子网分裂成I个电磁子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

步骤3中，在形成多个电磁暂态子网之后，还包括：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后L个子网分裂成I个子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

具体地，步骤4，包括：

1)取步骤2中机电-电磁分网边界点分群号为初始值；

2)按照步骤3，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点。

具体地，针对分布参数线路，长输电线解耦条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

具体地，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小的优化目标函数如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；

f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

具体地，采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。

第二方面，本发明提供的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网装置，包括：

待混合仿真电网划分模块，用于根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据所述分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

机电暂态子网形成模块，用于考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

电磁暂态子网形成模块，用于不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

混合仿真子网群形成模块，用于考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

具体地，所述电磁暂态网络为特高压交直流骨干电网，采用电磁暂态模型建模；

所述待混合仿真电网中除去所述电磁暂态网络之后的其余网络为机电暂态网络，采用机电暂态模型建模。

具体地，所述机电暂态子网形成模块，具体用于：

1)从所述待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个所述机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

具体地，所述电磁暂态子网形成模块，具体用于：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图；

5)以所述连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，采用启发式算法，按照预先指定的电磁子网分网数目N，将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。

具体地，在将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网之后，所述电磁暂态子网形成模块还用于：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个电磁子网不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后这L个电磁子网分裂成I个电磁子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

具体地，所述混合仿真子网群形成模块，具体用于：

1)取所述机电暂态子网形成模块中确定的机电-电磁分网边界点分群号为初始值；

2)根据所述电磁暂态子网形成模块形成的电磁暂态子网，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

所述待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点。

具体地，在所述电磁暂态子网形成模块确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路时，针对分布参数线路，所述长输电线解耦条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

具体地，在所述电磁暂态子网形成模块以所述连通子图拓扑图为初始分网方案，采用启发式算法时，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小的优化目标函数如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；

f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

具体地，所述电磁暂态子网形成模块采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。

本发明提供的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法及装置利用机电-电磁分网的边界点在机电侧电网中的拓扑解耦特性，将边界点分组；在机电侧和电磁侧均独立地进行分网，形成机电暂态子网、电磁暂态子网、边界点分群以及电磁暂态计算子网群；随后，可以分别以子网群为单独的计算单元采用并行计算方法进行仿真，从而有效地解决机电-电磁混合仿真时，接口计算效率低这一瓶颈问题，提高混合仿真的实时性和运算效率。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明优选实施方式的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法的流程示意图；

图2是IEEE14节点电网的单线图的示意图；

图3为图2相应的连通子图拓扑图；

图4为图2相应的电磁子网划分方案；

图5为机电-电磁混合仿真边界处划分电磁暂态计算子网群示意图；

图6为本发明优选实施方式的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网装置的组成示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

随着特高压交直流混联、新能源大规模接入，电网和电源结构发生深刻变化。与传统交流同步电网相比，现有电网逐步呈现电力电子化特征，秒级/毫秒级转子运动过程与微秒级电磁暂态过程紧密交织、相互影响。传统以研究机电暂态过程为主的大电网分析和仿真方法，已不能准确描述当前及未来电网的物理特性；以电网局部或者设备级电磁暂态建模仿真亦无法开展联网背景下大电网分析。

鉴于特高压交直流骨干网要求的仿真结果的准确度更高，仅采用机电暂态建模不能满足仿真精度的要求，因此必须采用电磁暂态来进行建模才能够满足准确度要求。而机电-电磁混合仿真时，实时性就成为了新的瓶颈问题。

为了提高机电-电磁混合仿真的实时性，本发明首先根据预先指定的机电-电磁边界点，将特高压交直流骨干电网划分为由电磁暂态模型建模的电磁暂态电网，而将其他电网(大部分通常为中低压侧电网)划分为由机电暂态模型建模的机电暂态电网；针对机电暂态电网，将机电-电磁分网边界点作为约束条件，将机电暂态电网划分为L个机电暂态子网及k个机电联络系统；针对电磁暂态电网，采用分布参数线路解耦方法和节点分裂法，将电磁暂态电网划分为M个以上的电磁暂态子网及k个电磁联络系统；根据电磁暂态子网划分，将所述机电-电磁分网边界点、所述M个电磁暂态子网划分为k个电磁暂态计算子网群；至此，混合仿真的分网工作就已经完成，可以通过并行计算进行机电-电磁暂态混合仿真。

该方法利用机电暂态网络在混合仿真边界处的解耦特性选取边界点并分组，减小混合仿真边界等值矩阵维数；同时采用长输电线路解耦和节点分裂解耦相结合的方法对电磁暂态网络分网，减少与边界点相连的电磁暂态网络规模，从而消除具有大量机电-电磁分网边界点的大电网混合仿真在接口处的计算瓶颈，加速仿真计算，具有很好的实用推广价值。

本发明实施例利用机电暂态网络在混合仿真边界处的解耦特性选取边界点并分组，从而减小了混合仿真边界等值矩阵规模；采用长输电线路解耦和节点分裂解耦相结合的方法对电磁暂态网络分网，通过减小与边界点相连的电磁暂态网络的规模，消除了机电-电磁分网边界点的大电网混合仿真在接口处的计算瓶颈，加速仿真计算，具有很好的实用推广价值。

如图1，本发明实施例的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法，包括：

步骤1：根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

步骤2：考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

步骤3：不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

步骤4：考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

下面结合附图和具体实施例对本发明的边界点分群解耦的电网暂态混合仿真分网方法作进一步的详细说明。

步骤1：根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据所述分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络。

准确仿真特高压交直流骨干网的动态特性，是提高大规模电网安全稳定分析的准确性的关键。对于直流电网以及含柔性交流输电系统FACTS(Flexible AlternativeCurrent Transmission Systems，简称FACTS)设备的电网，机电暂态网络模型的仿真方式由于模型和步长问题，诸如非线性、谐波以及换相失败等多种现象均不能正确模拟，因此必须对特高压交直流骨干网采用电磁暂态网络进行建模。

在确定机电-电磁分网边界点时，采用以下设定原则：

根据机电-电磁分网边界点，将需要更高仿真准确度的特高压交直流骨干网划分为电磁暂态网络，其他电网则划分为机电暂态网络。

在采用电磁暂态网络模型仿真特高压交直流骨干网时，机电暂态网络呈拓扑解耦特点，且特高压交直流骨干网的大部分线路满足分布参数解耦条件。

步骤2：考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网，并将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统。

机电暂态网络分网的步骤如下：

1)从待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

步骤3：不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

电磁暂态网络分网的步骤如下：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

针对分布参数线路，确定为长输电线解耦的条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图，如附图2中s1,…,s11；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图，如附图3中所示，图中连通子图下面三个数字分别对应该子图内单相节点数、元件数和相邻的长输电解耦线路数；

5)以连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

采用启发式算法求解上式优化问题：按照预先指定的电磁子网分网数目N，将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。求解步骤如下：

(5.1)每个连通子图视为一个电磁子网；

(5.2)根据电磁子网内单相节点数以及元件数之和由大到小排列，设为1,2,…,N,N+1,…,K；

(5.3)按照预先指定的电磁子网分网数目N，取前N个电磁子网作为电磁分网初始方案；

(5.4)对电磁子网N+1,…,K，根据4)中形成的连通子网拓扑图，按顺序检查其是否是连通子图N邻近连通子图，如果是连通子图N+M(N<M<K)，合并连通子图N和N+M，取编号为N，并恢复被合并连通子图间的长传输线解耦元件为新编子图N内部元件，更新子图N单相节点数，元件数，以及相连分布参数长传输解耦线数，更新连通子网拓扑图；

(5.5)转到(5.2)，更新连通子图队列，继续合并子图，直至新产生的连通子图N不再有邻近连通子图为止；

(5.6)如果子图N后面还有没有处理的子图，则取子图N-1，采用子图N相同的策略进行子图合并，如此反复至所有子图处理完毕，最后剩下的N个子图即电磁网分网方案，连接边即确定的分布参数长传输线解耦线路；

6)对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网。设全部的N个电磁子网中有L个不满足实时性评估要求，采用节点分裂法后L个子网分裂成I个子网(包含L个子网在内)，则最终电磁子网个数为I+N-L，I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

其中，采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，是与子网单相节点Nsub和元件数有关的函数，需要综合考虑元件模型描述、数值积分算法、计算机单核主频等因素，需在一定计算环境下测试确定，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。

具体地，某一电磁暂态子网通过节点分裂法形成新的电磁暂态子网时，设定其电磁暂态计算子网群号与最初待分裂的电磁暂态子网的群号相同。

应该理解为，电磁暂态计算子网群号，即电磁暂态计算子网群的编号的意思，与电磁暂态子网的意思不同。电磁暂态子网是电磁暂态网络中划分出来的由某个进程负责计算的拓扑网络，是电磁暂态并行计算的最小分割。电磁暂态子网群则是电磁暂态子网的集合。电磁暂态计算子网群子网间分裂节点组成电磁联络系统，和分群后的机电-电磁分网边界点一起形成边界处混合仿真并行计算时的最小计算分割。

步骤4：考虑电磁暂态子网划分，调整机电-电磁分网边界点分群，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

步骤如下：

1)取步骤2中机电-电磁分网边界点分群号初始值；

2)按照所述步骤3第6步，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

上述步骤4中2)步这保证了某一电磁暂态子网通过节点分裂法形成的新电磁暂态子网，其电磁暂态计算子网群号与最初待分裂的电磁子网的群号相同。

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

所述待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点，如图5所示。

最终形成的混合仿真分网方案具有如下特征：不同群号的机电-电磁分网边界点在机电侧完全电气解耦；不同电磁暂态计算子网群的电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连。

该实施例的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法，具有以下特点：

1、提供的机电-电磁边界设定原则可满足中低压机电暂态网络呈解耦特点，而特高压交直流骨干电磁暂态网络则有更多的满足分布参数解耦的长输电线路，从而更有利于电磁暂态网络的子网划分和规模调整。

2、提供的机电暂态网络分网方法首先考虑了机电-电磁分网边界点的存在性约束，将电磁暂态网络首先从全网中移除，更符合机电暂态分网时平衡计算量的要求，有利于提高并行效率。

3、基于启发式规则提出的对特高压交直流骨干网进行的电磁子网划分方法，综合考虑了电磁子网的计算量和通信量的平衡，且能满足划分足够多子网的要求，并减少了与机电-电磁分网边界点关联的电磁子网的规模，从而可以减少混合仿真接口处的计算量。

4、提出的将机电-电磁分网边界点分群、电磁子网划分为电磁暂态计算子网群的方法，将机电暂态网络侧机电-电磁分网边界点群间完全拓扑解耦；电磁侧各电磁暂态计算子网群之间只通过分布参数长输电解耦线路相连，解除了各电磁暂态计算子网群之间的计算耦合关系，进一步降低了机电-电磁分网边界点处的计算量，提高了混合仿真计算的并行性。

以下结合附图，详细说明本发明一个实施例的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法。

以图2所示的小规模电磁暂态网络来说明该实施例的电磁分网方法。该IEEE14节点的电网的单线图中，共有14个三相节点(图中采用Bus来标识)，4台发电机(图中采用Gen来标识)，1个无穷大电压源，3个变压器((图中采用变压器来标识))以及若干个RLC模拟负荷。

对该IEEE14节点的电网进行电磁分网的关键步骤如下：

(1)建立全网拓扑图，并确定满足长输电线解耦条件的线路；

(2)从图3中移除所有满足长输电线解耦条件的长输电线解耦线路；

采用深度优先搜索或者宽度优先搜索执行一次全网遍历，得到11个连通子图S1,S2,…,S11。对每个连通子图，如果有长输电线解耦线路属于子图的内部元件，则还原该长输电线路的连接，使其不再是子图间的长输电线解耦线路。

(3)形成连通子图是节点，分布参数长输电线为边的拓扑图。对图2中的IEEE14节点图，处理后形成如图3所示的连通子图拓扑图。

在图3中，圆圈“○”内表示移除长输电线传输线后的连通子图，而每两个连通子图之间的连接线则表示长传输解耦线。在每个连通子图的下方，有三个数字，分别表示：连通子图内的单相节点数N_sub、连通子图内的内部元件数N_comp，与该连通子图相连的长传输解耦线数N_dsub。其中单相节点数、内部元件数可用于描述在求解电磁子网网络方程时的计算量，而相连的长传输解耦线数(即连通子图的度)则描述了并行仿真过程中通信量的大小。

对于并行仿真计算来说，计算效率实际上由计算最耗时的子网决定。要提高单个子网的仿真效率，需要该子网包含的单相节点数和元件数尽可能的少，同时需要与邻近子网通信最少。

(4)针对图3，在指定分网数目为3时，采用上述步骤3的启发式规则搜索，形成如图4所述的电磁子网划分方案。

在机电网络分网和电磁网络分网确定后，根据机电-电磁分网边界点在机电侧的电气孤岛号将边界点分群，同时按照上述步骤4调整边界点分群和划分电磁暂态计算子网群。最终划分完成后，机电-电磁混合仿真边界处划分电磁暂态计算子网群示意图如图5所示，其中，包括L个机电子网(如左侧ST所示)，M个以上电磁子网(如右侧EMT所示)，k个电磁暂态计算子网群；L个机电子网和M个电磁子网之间的联络系统中包括有n个边界点，这些边界点被划分为k个群。

如图6所示，本发明一个实施例的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网装置，包括：

待混合仿真电网划分模块100，用于根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

机电暂态子网形成模块200，用于考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

电磁暂态子网形成模块300，用于不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

混合仿真子网群形成模块400，用于考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

具体地，电磁暂态网络为特高压交直流骨干电网，采用电磁暂态模型建模；

待混合仿真电网中除去电磁暂态网络之后的其余网络为机电暂态网络，采用机电暂态模型建模。

具体地，机电暂态子网形成模块200，具体用于：

1)从待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

具体地，电磁暂态子网形成模块300，具体用于：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图；

5)以连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，采用启发式算法，按照预先指定的电磁子网分网数目N，将电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。

具体地，在将电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网之后，电磁暂态子网形成模块300还用于：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个电磁子网不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后这L个电磁子网分裂成I个电磁子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

具体地，混合仿真子网群形成模块400，具体用于：

1)取机电暂态子网形成模块200中确定的机电-电磁分网边界点分群号为初始值；

2)根据电磁暂态子网形成模块300形成的电磁暂态子网，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点。

具体地，在电磁暂态子网形成模块300确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路时，针对分布参数线路，长输电线解耦条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

具体地，在电磁暂态子网形成模块300以连通子图拓扑图为初始分网方案，采用启发式算法时，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小的优化目标函数如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；

f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

具体地，电磁暂态子网形成模块300采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。

该实施例的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网装置与前述的边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法具有相同的处理步骤，因此具有相同的技术效果，这里不再赘述。

以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据所述分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

步骤2：考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

步骤3：不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

步骤4：考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述电磁暂态网络为特高压交直流骨干电网，采用电磁暂态模型建模；

所述待混合仿真电网中除去所述电磁暂态网络之后的其余网络为机电暂态网络，采用机电暂态模型建模。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤2，包括：

1)从所述待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个所述机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤3，包括：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图；

5)以所述连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，采用启发式算法，按照预先指定的电磁子网分网数目N，将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

在将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网之后，还包括：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个电磁子网不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后这L个电磁子网分裂成I个电磁子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤4，包括：

1)取所述步骤2中机电-电磁分网边界点分群号为初始值；

2)按照所述步骤3，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

所述待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

针对分布参数线路，所述长输电线解耦条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小的优化目标函数如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；

f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。

10.一种边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真分网装置，其特征在于，包括：

待混合仿真电网划分模块，用于根据待混合仿真电网的拓扑结构，确定机电-电磁分网边界点；根据所述分网边界点，将待混合仿真电网划分为机电暂态网络和电磁暂态网络；

机电暂态子网形成模块，用于考虑边界点约束，进行机电暂态网络分网；将边界点分群，形成多个机电暂态子网和机电联络系统；

电磁暂态子网形成模块，用于不考虑边界点约束，采用分布参数线路解耦法和节点分裂法，将电磁暂态网络分网，形成多个电磁暂态子网和电磁联络系统；

混合仿真子网群形成模块，用于考虑电磁暂态子网划分，调整边界点的分群方式，划分电磁暂态计算子网群，形成混合仿真分网方案。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述电磁暂态网络为特高压交直流骨干电网，采用电磁暂态模型建模；

所述待混合仿真电网中除去所述电磁暂态网络之后的其余网络为机电暂态网络，采用机电暂态模型建模。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述机电暂态子网形成模块，具体用于：

1)从所述待混合仿真电网中移除电磁暂态网络，剩下机电暂态网络；

2)对机电暂态网络进行连通性分析，确定多个电气孤岛并编号，以及确定机电-电磁分网边界点的电气孤岛号；

3)采用优化边界点法，对机电暂态网络进行网络分割，得到所有机电暂态子网和机电联络系统；

4)将机电-电磁分网边界点加入到机电联络系统；

5)取机电-电磁分网边界点的电气孤岛号为初始群号，这时，每个所述机电-电磁分网边界点均有对应的分群号，不同分群间机电暂态网络在机电侧完全拓扑解耦。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述电磁暂态子网形成模块，具体用于：

1)建立电磁暂态网络的拓扑图；

2)确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路；

3)从电磁暂态网络的拓扑图中移除所有的长输电线解耦线路后，执行深度优先或者宽度优先遍历，确定多个连通子图；

4)以连通子图为节点，以分布参数长输电线路为边，形成连通子图拓扑图；

5)以所述连通子图拓扑图为初始分网方案，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小为优化目标，采用启发式算法，按照预先指定的电磁子网分网数目N，将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，

在将所述电磁暂态网络分割为N个电磁暂态子网之后，所述电磁暂态子网形成模块还用于：

对每个电磁子网进行计算量实时性评估，对不满足实时性评估要求的子网采用节点分裂法进一步分网；

若N个电磁子网中有L个电磁子网不满足实时性评估要求，且采用节点分裂法后这L个电磁子网分裂成I个电磁子网，其中I>L，则最终电磁子网的个数为I+N-L，这I个电磁子网间边界点即电磁联络系统。

15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述混合仿真子网群形成模块，具体用于：

1)取所述机电暂态子网形成模块中确定的机电-电磁分网边界点分群号为初始值；

2)根据所述电磁暂态子网形成模块形成的电磁暂态子网，如果电磁暂态子网I采用节点分裂法后形成了I₁，I₂，…，I_k共K个电磁暂态子网，则这K个子网所关联的机电-电磁分网边界点群号取它们中最小的群号；

3)如果电磁暂态网络中的某个电磁暂态子网关联多个不同群号的机电-电磁分网边界点，则保留最小的群号，其他与该子网关联的边界点修改为该最小群号；

4)如果某一群号的机电-电磁分网边界点关联多个电磁暂态子网，而且这些电磁暂态子网仅关联这一个群号，则这些电磁暂态子网组成一个电磁暂态计算子网群；

这时，不同电磁暂态子网群之间的任两个电磁暂态子网在电磁侧仅通过分布参数长输电线路相连；

所述待混合仿真电网被划分为：k个电磁暂态计算子网群及对应的k组机电-电磁分网边界点。

16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，

在所述电磁暂态子网形成模块确定电磁暂态网络中满足长输电线解耦条件的多条分布参数线路时，针对分布参数线路，所述长输电线解耦条件如下式所示：

其中，T是仿真步长，v是电磁波沿输电线的传播速度，l是输电线的长度，l₀是输电线的单位长度电感，c₀是输电线的单位长度对地电容。

17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，

在所述电磁暂态子网形成模块以所述连通子图拓扑图为初始分网方案，采用启发式算法时，以全部的电磁子网的计算耗时和通信耗时综合最小的优化目标函数如下式所示：

其中，n是指定的分网数目，m是所有的分网方案数目，f_1i(N_sub,N_comp)是子网i的计算耗时，为子网内的单相节点数N_sub和子网内的元件数N_comp的函数；

f_2i(N_dsub)是子网i与其他子网交换长输电线解耦线路的解耦节点信息的通信耗时，是与子网i相连的长输电线解耦线路数N_dsub的函数。

18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，

所述电磁暂态子网形成模块采用下式对每一个电磁暂态子网进行实时性评估：

t＝f₃(N_sub,N_comp)＜kT

其中，f₃用于描述求解电磁暂态子网的计算量，N_sub为电磁暂态子网内的单相节点数，N_comp为电磁暂态子网内的内部元件数，k是考虑通信等因素的常数系数。