CN109948185B - 一种电力系统的解耦仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力系统的解耦仿真方法，包括：以电力系统中的预设元件作为边界，将电力系统解耦为至少两个子系统；子系统之间的预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值注入电源；根据电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值进而更新注入电源当前时刻的状态量，根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束。本发明实施例提供的解耦仿真方法，利用电压或电流的积分量稳定特性来将电力系统进行分网解耦，计算简单且数值稳定性高，各个子网中的节点电压值可跳变，适用于包含大量开关元件的电力系统电磁暂态解耦并行仿真。

Description

一种电力系统的解耦仿真方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体涉及一种电力系统的解耦仿真方法。
背景技术
分网并行计算是加快大型电力系统仿真速度的重要手段。现有技术中为了提高电力系统电磁暂态分析的仿真效率，一般采用分网并行的方法，将一个大型的电力系统解耦成几个小的子系统，分别进行计算。远距离传输线解耦方法是电力系统电磁暂态分析中常用的解耦方法，然而这种方法仅适用于两个系统使用远距离传输线相连的情况。而随着现代电力电子的发展，往往在一个变电站或换流站内部就有众多电压节点需要分析，这时远距离传输线解耦法就不再适用。其他常用的分网方法还有节点分裂法、支路撕裂法等。这些方法虽然能够将各个子系统进行并行求解，却仍然需要在每步迭代过程中串行求解系统间的联络电流，这些方法均并未考虑电力电子开关动作引起的节点电压跳变问题，因此这些方法并不适合包含大量开关元件的大型电力电子装备的仿真。
发明内容
因此，本发明提供一种电力系统的解耦仿真方法，解决了现有技术中对电力系统电磁暂态仿真时，未考虑电力电子开关动作引起的节点电压跳变问题导致仿真结果不准确的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种电力系统的解耦仿真方法，包括：以所述电力系统中的预设电路元件作为边界，将所述电力系统解耦为至少两个子系统；将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源；根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值；根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻所述各个子系统的节点电压值，直至仿真周期结束。
在一实施例中，所述预设电路元件为电感元件。
在一实施例中，所述将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源步骤，包括：将所述至少两个子系统之间的电感支路分解为各自的具有电流初始值的注入电流源。
在一实施例中，所述根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值的步骤，包括：根据所述电流初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
在一实施例中，所述根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束的步骤，包括：分别对所述至少两个子系统在初始时刻的下一时刻的边界节点的电压进行积分，更新电所述电流源初始时刻的下一时刻的电流值，并根据各个子系统的边界节点当前时刻的电流值，迭代更新所述电流源下一时刻的电流值，直至仿真周期结束。
在一实施例中，所述预设电路元件为电容元件。
在一实施例中，所述将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源的步骤，包括：将所述至少两个子系统之间的电容节点分解为各自的具有电压初始值的注入电压源。
在一实施例中，所述根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值的步骤，包括：根据所述电压初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
在一实施例中，根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束的步骤，包括：根据所述至少两个子系统的边界节点在初始时刻的下一时刻的边界节点的电流进行积分，更新所述电压源电压值，并根据各个子系统当前时刻的电压值计算当前步长的电压值，迭代更新所述电流源下一时刻的电流值，直至仿真周期结束。
第二方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述本发明实施例第一方面提供的电力系统的解耦仿真方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的一种电力系统的解耦仿真方法，包括：以电力系统中的电感或电容作为边界，将电力系统解耦为至少两个子系统；子系统之间的预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值注入电源；根据电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值进而更新注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束。本发明实施例提供的解耦仿真方法，利用电容或电感元件作为边界进行解耦，利用储能元件的电压或电流积分量稳定特性来进行分网解耦，计算简单，数值稳定性高，允许各个子网中的节点电压跳变，适用于包含大量开关元件的电力系统电磁暂态解耦并行仿真。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电力系统的解耦仿真方法一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例提供的由电感支路连接的电力系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的由电感支路连接进行解耦后的电力系统示意图；
图4为本发明实施例提供的由电感支路连接进行解耦后的电力系统进行异步计算的迭代步骤示意图；
图5为本发明实施例提供的由电容支路连接的电力系统示意图；
图6为本发明实施例提供的由电容支路连接进行解耦后的电力系统示意图；
图7为本发明实施例提供的由电容支路连接进行解耦后的电力系统进行异步计算的迭代步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种电力系统的解耦仿真方法，如图1所示，该电力系统的解耦仿真方法包括如下步骤：
步骤S1:以电力系统中的预设电路元件作为边界，将电力系统解耦为至少两个子系统。
在实际应用中，该预设电路元件为电感或者电容，将电力系统解耦的子系统可以根据行政区域进行划分，例如是将华北地区的电力系统根据大支路上的电感或电容分为北京、天津、河北、山西、内蒙古五个电站的子系统，也可以根据省内的行政区域划分为各个市区的子系统，在实际应用中，各子系统的仿真步长可以相同，也可以不相同。
步骤S2:将至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源。
本发明实施例中，根据预设电路元件为电感或者电容进行划分的边界，来确定对应的注入电源，例如：电感支路由两个注入电流源替代或者电容节点分裂出来的两个子系统的节点都经等效电压源接地。该注入电源在初始时刻具有电源初始值。
步骤S3：根据电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
本发明实施例中，对于电感元件，根据电感支路由两个子系统注入电流源的电流初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值；对于电容元件，根据电容节点处进行解耦等效的电压源的初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
步骤S4：根据各子系统的边界节点的电压值更新注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束。
本发明实施例提供的电力系统的解耦仿真方法，包括：以电力系统中的电感或电容作为边界，可以将电力系统解耦为多个子系统；子系统之间的预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值注入电源；根据电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值进而更新注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束。本发明实施例提供的解耦仿真方法，利用电压、电流的积分量稳定特性来进行分网解耦，计算简单，数值稳定性高，允许各个子网中的节点电压跳变，适用于包含大量开关元件的电力系统电磁暂态解耦并行仿真。
在一具体实施中，如图2所示的电力系统，由两个子系统构成(仅以此作为举例，不以此为限，在其他实施例中也可由三个以上的子系统组成)，两个子系统之间由一个电感量为L的电感元件连接在一起，将该电力系统在电感支路处进行解耦，被解耦为两个系统后的边界节点分为i1和i2，分别分属两个子系统1和子系统2，得到图3所示的没有电气连接的两个子系统，原来的电感支路由两个注入电流源替代，两个注入电流源分别连接在 i1节点与地电位之间以及i2节点与地电位之间；两个电流源的电流方向相反，大小相等，电流值等于图2中电感支路的电流值，电感支路上的电流可以表示为：
Figure RE-GDA0002030895920000071
根据式(1)，电感支路的电流由节点电压的积分量(节点电压随时间t 的积分量，即节点磁链)决定。在仿真计算中，积分量的数值稳定性要远远优于微分量。式(1)中两个节点的磁链值可以分别独立计算，因此允许两个子系统采用不同的时间步长，进行异步仿真。为了不失一般性，本发明以进行两个子系统的异步仿真为例，假设子系统1中的各个状态量变化较慢，是一个较慢系统，仿真时使用的步长为Δt1；子系统2中的各个状态量变化较快，是一个较快系统，仿真时使用的步长为Δt2；其中Δt1＝3Δt2(仅以此举例，不以此为限)。如图4所示，为该电力系统进行解耦后分网异步计算的迭代步骤，即使用n时刻(t＝nΔt1)两个系统的状态量，计算n+1时刻(t＝(n+1)Δt1时刻)的系统状态量的过程。由于子系统2中使用了较小步长，因此相较于子系统1而言，需要多计算两个中间时刻的状态，记为n′时刻和 n″时刻，电流源各个时刻的电流值均根据两个子系统的状态量共同决定，详细的计算过程如下：
①利用n时刻子系统1中i1号节点的状态量Ψi1(n)，子系统2中i2号节点的状态量Ψi2(n)(这里设n时刻为仿真的初始时刻，Ψi1(n)和Ψi2(n)为初始状态量)更新电流源的电流值，获得n时刻电流源的电流值Ι(n)。
②使用-Ι(n)作为子系统1的注入电流源，计算子系统1在n+1时刻的状态量。
③使用Ι(n)作为子系统2的注入电流源，计算子系统2在n′时刻的状态量。
④使用子系统2在n′时刻的状态量Ψi2(n′)和子系统1在n时刻的状态量更新n′时刻的电流值Ι(n′)。
⑤使用Ι(n′)作为子系统2的注入电流源，计算子系统2在n″时刻的状态量。
⑥使用子系统2在n″时刻的状态量和子系统1在n时刻的状态量更新n′时刻的电流值Ι(n″)。
⑦使用Ι(n″)作为子系统2的注入电流源，计算子系统2在n+1时刻的状态量。
如图4所示的为电流源在n时刻、n′时刻以及n″时刻的电流表达式。以上步骤是假定使用了节点动态方程，方程中节点电压和节点电压时间积分均为节点动态方程中提供的状态量。若使用节点分析法，所建立的节点电压方程中仅有节点电压作为状态量，就需要构造一个相关节点的节点磁链量，在每步中使用节点电压更新节点电压时间积分量。更新状态量的方式如下：
Ψi(0)＝0，且Ψi(n+1)＝Ψi(n)+uiΔt (2)
本发明实施例利用电力系统在电感支路处进行解耦，将原来的电感支路由两个注入电流源替代的方法，使得子系统的间的联络电流由节点电压积分的差值决定，节点电压积分量确定注入电流源电流值，节点电压积分值变换缓慢，在每个步长中根据各个子网的状态量实时更新即可，而各个子网的状态量是分别独立计算的，因此不需要串行求解联络电流，解耦方法采用积分函数，计算简单，不会造成数值振荡，数值稳定性高，各个子系统之间可以进行异步仿真，提高电力系统电磁暂态分析的仿真效率。
在另一具体实施例中，如图5所示的电力系统，由两个子系统构成(仅以此作为举例，不以此为限，在其他实施例中可由三个以上的子系统组成)，两个子系统共用一个电容节点(经由电容接地的节点)，电容值为C。将此电力系统在电容节点处进行解耦，得到如图6所示的没有电气连接的子系统1和子系统2，原来的电容节点分裂成两个子系统，分裂出来的两个边界节点i1和i2都经等效电压源接地。电容节点上的电压可以表示为：
Figure RE-GDA0002030895920000101
根据式(3)，电容上的电压由流入电容的电流积分量决定，在仿真计算中，积分量的数值稳定性要远远优于微分量。式(3)中两个子系统注入电容的电荷量可以分别独立计算。这就允许两个子系统采用不同的时间步长，进行异步仿真，详细的计算过程如下：
①根据n时刻电容电压值Uc(n)作为电压源，计算n时刻子系统1中所有节点的电压值，并根据节点电压计算电压源支路上的电流值i1(n)。
②根据n时刻电容电压值Uc(n)作为电压源，计算n时刻子系统2中所有节点的电压值，并根据节点电压计算电压源支路上的电流值i2(n)。
③根据步骤①和步骤②中计算得到的i1(n)和i2(n)更新n′时刻的电容电压值Uc(n′)。
④根据Uc(n′)，计算n′时刻子系统2中所有节点的电压值，并根据节点电压计算电压源支路上的电流值i2(n′)。
⑤根据i1(n)和i2(n′)更新n″时刻的电容电压值Uc(n″)。
⑥根据Uc(n″)，计算n″时刻子系统2中所有节点的电压值，并根据节点电压计算电压源支路上的电流值i2(n″)。
⑦根据i1(n)和i2(n″)更新n+1时刻的电容电压值Uc(n+1)。
这种通过分裂两个子系统电容节点，将电容等效成电压源，从而将电力系统解耦的方法，利用电流的积分量稳定特性来进行分网解耦，计算简单，数值稳定性高。由于允许各个子网中的节点电压跳变，适用于电力电子开关电路的分网并行仿真。
实施例2
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的电力系统的解耦仿真方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard DiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，包括：
以所述电力系统中的预设电路元件作为边界，将所述电力系统解耦为至少两个子系统，所述预设电路元件为电感元件或电容元件；
将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源；
根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值；
根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束。
2.根据权利要求1所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述预设电路元件为电感元件时，所述将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的步骤，包括：
将所述至少两个子系统之间的电感支路分解为各自的具有电流初始值的注入电流源。
3.根据权利要求2所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值的步骤，包括：
根据所述电流初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
4.根据权利要求3所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束的步骤，包括：
分别对所述至少两个子系统在初始时刻的下一时刻的边界节点的电压进行积分，更新电所述电流源初始时刻的下一时刻的电流值，并根据各个子系统的边界节点当前时刻的电流值，迭代更新所述电流源下一时刻的电流值，直至仿真周期结束。
5.根据权利要求1所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述预设电路元件为电容元件时，所述将所述至少两个子系统之间的所述预设电路元件所在的支路分解为对应的具有初始时刻的电源初始值的注入电源的步骤，包括：
将所述至少两个子系统之间的电容节点分解为各自的具有电压初始值的注入电压源。
6.根据权利要求5所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述根据所述电源初始值分别求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值的步骤，包括：
根据所述电压初始值，求解各个子系统的节点电压方程，获得子系统内部的所有节点的电压值。
7.根据权利要求6所述的电力系统的解耦仿真方法，其特征在于，所述根据各所述子系统的边界节点的电压值更新所述注入电源当前时刻的状态量，并根据更新后的注入电源的状态量计算下一时刻注入电源的状态量，直至仿真周期结束的步骤，包括：
根据所述至少两个子系统的边界节点在初始时刻的下一时刻的边界节点的电流进行积分，更新所述电压源电压值，并根据各个子系统当前时刻的电压值计算当前步长的电压值，迭代更新所述电压源下一时刻的电压值，直至仿真周期结束。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述权利要求1-7中任一所述的电力系统的解耦仿真方法。
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