CN110968938A - 一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法及系统，包括以下内容：步骤1.根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；步骤2.确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；步骤3.根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真到达设定结束时间，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则返回步骤1。本发明只需一步迭代求解过程即可处理开关动作，有效提高仿真效率。

Description

一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电磁仿真技术领域，具体涉及一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法。

背景技术

目前，随着新能源发电并网、柔性直流输电、直流电网等的快速发展，电力电子在电力系统中的应用越来越多，含有大量电力电子开关的装置的数量和规模日益增加，为了准确分析系统及装置内部复杂的暂态特性，电磁暂态仿真分析必不可少。现有技术中，电磁暂态仿真主要包括：1.根据电路拓扑图形成描述电路拓扑数据文件；2.根据电路拓扑数据文件生成系统状态方程；3.对状态方程迭代求解；4.结果输出及数据后处理。

上述现有的关于含开关电路的电磁暂态仿真过程的第3步骤中，多将开关动作当作异常事件，在进行主程序计算时，当判断有开关动作发生，然后再有额外的程序步骤去对开关动作进行处理，包括多重开关判断、插值计算、消除开关动作时刻数值振荡等，使仿真程序极为繁琐。另外，现有电磁暂态仿真多采用梯形积分法和后向欧拉法，当需使用其他积分方法时，需对现有程序迭代计算部分进行更改，不够灵活。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种电磁暂态仿真方法，以解决上述技术问题。本发明的技术方案如下。

一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法，，其改进之处在于：所述方法包括：

步骤1.根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

步骤2.确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

步骤3.根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真到达设定结束时间，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则返回步骤1。

进一步的，所述步骤1，包括：当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

进一步的，所述步骤2包括：采用插值法确定当前时步内仿真系统中的开关动作情况。

进一步的，所述步骤3包括：若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统求解出的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为t₀时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为t₁时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析系统，其改进之处在于：所述系统包括：

采集模块，根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

处理模块，确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

执行模块，根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真到达设定结束时间，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则调用所述采集模块。

进一步的，所述采集模块：当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

进一步的，所述处理模块包括：采用插值法确定当前时步内仿真系统中的开关动作情况。

进一步的，所述执行模块包括：若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统求解出的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为t₀时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为t₁时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

本发明由于采取以上技术方案，与现有技术相比，其具有以下优点：

本发明无论选用何种积分方法和积分步长，在无需增加额外程序量的基础上将开关动作后的处理融进在主程序的计算中，只需一步迭代求解过程即可正常求解或处理开关动作，大大减少程序冗余度，可有效提高仿真效率，使得程序流程简洁，程序容易实现；同时，通过判断积分方法标志变量的值，可灵活选取不同的积分方法和积分步长，即可灵活使用变步长、变积分方法技术，也给其他积分方法留有接口，在不额外增加程序量的基础上，可灵活扩展其他积分方法。

附图说明

图1是本发明的用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析的流程图；

图2是本发明提供的实施例中用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析的详细流程图；

图3是本发明提供的实施例中用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析实施流程图；

图4是本发明的用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提供一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤1.根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

步骤2.确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

步骤3.根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真结束，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则返回步骤1。

其中，所述状态量值包括：电气状态量值和控制状态量值。

显而易见地，通过以上方案，无论选用何种积分方法和积分步长，在无需增加额外程序量的基础上将开关动作后的处理融进在主程序的计算中，只需一步迭代求解过程即可正常求解或处理开关动作，大大减少程序冗余度，可有效提高仿真效率，使得程序流程简洁，程序容易实现；同时，通过判断积分方法标志变量的值，可灵活选取不同的积分方法和积分步长，即可灵活使用变步长、变积分方法技术，也其他积分方法留有接口，在不额外增加程序量的基础上，可灵活扩展其他积分方法。

具体的，本发明提供的分析方法流程图如图2所示，下面基于图2对步骤1-3进行详细说明：

所述步骤1，包括：当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

在一个实施例中，不同的开关标志变量的值对应不同的积分方法和相应的仿真步长，在通常情况，常使用梯形积分法和后向欧拉法，其最大值为2，如表1所示：

表1

按照电磁暂态仿真的通常步长要求，本发明实施例中，dt₁可取(0,100μs)，dt₂＝2dt₁，dt1取更小时，有更高的仿真精度；

由于现有技术中多采用后向欧拉法和梯形积分法，因此，本发明上述实施例，只以后向欧拉法和梯形积分法为例进行说明，也可以采用其它积分方法，当采用其它积分方法时，添加相应的方法标志位(INT的值)、积分方法和步长即可，在此不再赘述。

进一步的，需分析当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况，进而采取相应处理措施，本发明提供的最优实施例中，所述步骤2的具体实现方式可以为：采用插值法确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况。

在一个实施例中，上述确定开关动作情况可以根据不同的开关类型确定开关的动作时刻，具体包括：

若为不控元件，利用插值法确定开关电流过零点；若为半控元件，开通时，利用插值法确定触发脉冲的过零点，关断时，利用插值法确定开关电流过零点；若为全控元件，利用插值法确定触发脉冲的过零点；若为时控元件，开通时，利用插值法确定时控信号到达设定控制时间的精确点，关断时，利用插值法确定开关电流过零点。

现有关于含开关电路的电磁暂态仿真中，多将开关动作当作异常事件，在进行主程序计算时，本发明提供的最优实施例中，所述步骤3给出了电磁暂态仿真过程中出现开关动作情况的处理办法，具体包括：若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为t₀时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为t₁时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种电磁暂态仿真方法的最优实施例，如图3所示，包括如下步骤：

(1)计算一个步长，图中从t₀到t₁，即0到1；

(2)发现有开关动作，插值求出开关动作最早时刻t_d，即2；

(3)插值求t_d时刻的状态量，仿真时间退回到t_d，令INT＝0；

(4)根据开关状态更新仿真系数矩阵；

(5)由于INT＝0，开关动作后的下一步计算采用后向欧拉法，图中从t_d到t_d+dt0，即2到3；

(6)若无开关动作，仿真到达t_d+dt0时刻，更新相应状态量，INT＝1，然后以(7)计算；若有开关动作，则在t_d到t_d+dt0进行(2)-(4)操作；

(7)INT＝1，再采用后向欧拉法计算一个时步，图中从t_d+dt0到t_d+dt0+dt1，即3到4；

(8)若无开关动作，仿真到达t_d+dt0+dt1时刻，更新相应状态量，INT＝2，然后以(9)计算；若有开关动作，在t_d+dt0到t_d+dt0+dt1进行(2)-(4)操作；

(9)INT＝2，采用梯形积分法计算。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种电磁暂态仿真系统，如图4所示，所述系统包括：

采集模块，用于根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

处理模块，用于确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

执行模块，用于根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真结束，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则调用所述采集模块。

进一步的，所述状态量值包括：电气状态量值和控制状态量值。

进一步的，所述采集模块用于：当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

进一步的，所述处理模块用于：采用插值法确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况。

进一步的，所述执行模块用于：若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为当前时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为下一时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤1.根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

步骤2.确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

步骤3.根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真到达设定结束时间，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1，包括：

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

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：

采用插值法确定当前时步内仿真系统中的开关动作情况。

4.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤3包括：

若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统求解出的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；

若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为t₀时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为t₁时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

5.一种用于电磁暂态仿真的理想开关过程分析系统，其特征在于：所述系统包括：

采集模块，用于根据电磁暂态仿真系统的开关标志变量求解电磁暂态仿真系统中的状态方程，获取当前时步电磁暂态仿真系统的状态量值；

处理模块，用于确定当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况；

执行模块，用于根据当前时步内电磁暂态仿真系统中的开关动作情况更新电磁暂态仿真系统的仿真时间、电磁暂态仿真系统的状态量值以及开关标志变量，若仿真到达设定结束时间，则输出电磁暂态仿真系统的状态量值，否则调用所述采集模块。

6.根据权利要求5所述系统，其特征在于：所述采集模块，用于：

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝0时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝1时，设置仿真步长为dt＝dt₁并采用后向欧拉法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

当所述电磁暂态仿真系统的开关标志变量INT＝2时，设置仿真步长为dt＝dt₂并采用梯形积分法求解电磁暂态仿真系统中的状态方程；

其中，dt₁∈(0,100μs)，dt₂≥2dt₁。

7.根据权利要求5所述系统，其特征在于：所述处理模块，用于：

采用插值法确定当前时步内系统中的开关动作情况。

8.根据权利要求5所述系统，其特征在于：所述执行模块，用于：

若当前时步内电磁暂态仿真系统中不存在开关动作，则更新下一时步仿真时间t₁＝t₀+dt，电磁暂态仿真系统的状态量值为所述当前时步电磁暂态仿真系统求解出的状态量值，开关标志变量INT＝INT+1(INT≤2)；

若当前时步内电磁暂态仿真系统中存在开关动作，则更新仿真时间t₁＝t_d，开关标志变量INT＝0，并按下式更新电磁暂态仿真系统的状态量值：

上式中，t₁为下一时步仿真时间，t₀为当前时步仿真时间，dt为仿真步长，t_d为当前时步内最早的开关动作时刻，x₀′为更新后的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₀为t₀时步的电磁暂态仿真系统的状态量值，x₁为t₁时步的电磁暂态仿真系统的状态量值。

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