CN111062145B - 一种基于三层分区和电气距离的电磁暂态仿真等值方法 - Google Patents

一种基于三层分区和电气距离的电磁暂态仿真等值方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法。为降低分析电力电子化电力系统暂态特性时的电磁暂态仿真计算量，已有方法将整个电力系统划分为两层区域，由于忽略了外部区域中各类非线性元件的动态特征，其仿真精度有待进一步提高。本发明提出电力系统被划分为内‑中‑外三层区域：内部区域指电力系统电磁暂态仿真中需受到重点关注的部分，中间区域包含一些对研究区域影响较大的非线性元件，外部区域则用简化等值网络表示，并应用基于节点间等值阻抗的电气距离指标，提出了一种外部区域与中间区域接口识别方法。相对基于内‑外两层分区的已有方法，本发明可实现更佳的仿真精度，且仍可保持较理想的仿真效率。

Description

一种基于三层分区和电气距离的电磁暂态仿真等值方法
技术领域
本发明属于电力系统仿真技术领域，涉及一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法。
背景技术
随着新能源发电、直流输电及柔性输电技术的发展，电力系统呈现出电力电子化的趋势。相对于机电暂态仿真技术，步长更小的电磁暂态仿真技术能更精确描述电力电子元件具有的高频开关暂态过程。然而，对整个含电力电子装置的电力系统进行详细的电磁暂态仿真将耗费大量时间，占用较多硬件资源。为解决这一问题，如图1(a) 所示，一种常见的做法为将电力系统分为两部分：仅保留电力系统某些重要部分(称为内部区域)各元件详细电磁暂态模型，将其余部分 (称为外部区域)用线性时不变等值网络简化替代，简称内-外两层分区等值法。
本发明将连接电力系统不同子区域间的节点(母线)称作接口。已有的内-外两层分区等值法主张以直流系统(新能源系统、柔性装置)的并网点为接口，将电力系统中含电力电子装置的子系统与交流主网分别定义为内部与外部区域，将后者用线性时不变等值网络简化替代。该方法完全忽略了外部区域各非线性元件的动态特征，仿真精度有待进一步提升。由于一些距离内部区域较近的非线性元件的动态过程对内部区域影响较大，为提高内部区域各电气量仿真精度，考虑增设接口II，从而将整个电力系统分为内-中-外三层区域：内部区域包含需作重点仿真分析的电力电子元件电磁暂态详细模型；中间区域包含对内部区域影响较大的非线性交流元件详细模型，用于辅助提升内部区域的仿真精度；将外部区域简化为由等值导纳Y(s)及电流源I 构成的线性时不变等值网络，如图1(b)所示，用于提高整体仿真效率。识别接口II的具体位置是一大技术难点，为解决这一问题，本发明应用一种基于节点间阻抗的电气距离定义，量化除内部区域外电力系统各节点位置，基于此提出一种应用于电力系统电磁暂态仿真的内部-中间-外部三区域分网方法。
发明内容
本发明提出了一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法。
本发明的基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，包括以下步骤：
(1)将电力系统分为内-中-外三层区域，分别表示需要在电磁暂态仿真中作重点研究的区域、对重点研究区域仿真精度构成较大影响的区域、可用线性时不变等值网络替代的区域；
(2)确定电力系统内部与中间区域间的接口位置，即接口I；
(3)计算电力系统除内部区域外各节点相对接口I的电气距离；
(4)计算误差指标；
(5)确定临界电气距离的值；
(6)结合临界电气距离与误差指标，识别中间区域与外部区域间接口，即接口II的位置。
如图1所示，电力系统被接口I与接口II划分为三部分：内部区域、中间区域和外部区域。本发明认为，在电磁暂态仿真中，由于电力电子装置(如直流输电系统、新能源发电系统或柔性输电系统或其他含有电力电子元件的子系统)具有频繁的开关动作和复杂的控制策略，电力系统中该类装置分布较为集中的区域应被确定为内部区域，加以详细仿真计算；交流主网由于规模较大，作精细电磁暂态仿真的必要性相对较小，应被适当合理简化，将交流主网中对内部区域仿真精度有较大影响的部分纳入中间区域，将交流主网中对内部区域影响较小的部分设为外部区域。本发明将接口I设在含有电力电子元件的子系统的并网点，即PCC点(如：将接口I确定在直流系统换流母线或新能源发电系统、微网系统、柔性输电装置并网点处)。
事实上，交流主网中含有较多非线性元件，将其完全用线性时不变等值网络替代难以精确表示内外部区域之间的相互影响，势必会降低内部区域各电气量的仿真精度。观察发现，交流主网中非线性元件位置不同，对内部区域仿真精度的影响程度也不同。本发明提出，可借助电气距离的概念，量化各主网节点的位置，保留靠近内部区域的若干节点处非线性元件的详细模型，而简化较远节点处的非线性元件，以兼顾内部区域仿真精度及电力系统整体仿真速度。
定义电力系统中除内部区域外各节点(简称为主网节点)与接口 I之间的等值阻抗大小为两者间的电气距离，并计算其数值。本发明可用如图2所示的方法定义节点i和j间的电气距离：设节点i处有注入电流Ii，其余节点注入电流均为零，将两节点间电压降Uij与Ii的比值定义为它们间的电气距离Dij。Dij亦可表达为如式(1)所示的形式，其中Zii，Zij和Zjj代表节点阻抗矩阵的对应元素：
Dij＝|Uij/Ii|＝|(Zii-Zij)-(Zij-Zjj)| (1)
Dij的大小反映了两节点间的电气耦合程度。若i节点位于接口I，j节点为主网节点，则Dij可量化各主网节点相对于接口I(i节点)的位置。
为了通过量化非线性元件的简化对内部区域的影响来确定临界电气距离，本发明提出，定义如式(2)所示的误差指标Eij，以量化忽略主网节点j及更远处非线性元件在暂态过程中的动态特征对内部区域电磁暂态仿真精度的影响。其中vr,ij(t)表示将主网节点j及电气距离更远节点处的非线性元件用线性电路模型替代后，内部区域某电气量(例如节点电压、支路电流或功率)的仿真结果；vo,ij(t)表示原系统中该电气量的仿真结果；ts与te分别表示观测时间窗口的起讫时刻。
Figure BDA0002348516300000031
本发明提出，基于前述电气距离指标Dij与误差指标Eij，按照以下方法确定节点集合S，用于识别接口II的位置：
(a)计算主网节点j与接口I(节点i)之间的电气距离Dij，将各主网节点按照Dij大小排序；
(b)计算各主网节点j对应的误差指标Eij；
(c)根据实际精度需要，确定Eij的可接受上限(例如本发明中设为10％)，将Eij小于该上限的主网节点相对于接口I(节点i)的最小电气距离定义为临界电气距离。将Dij小于该临界值的节点集合记为Si；
(d)若交流主网为多端口网络，即接口I包含多个节点，则重复步骤(a)-(d),取各个Si的并集作为最终的节点集合S；
(e)识别接口II的位置。将不属于集合S的主网节点纳入外部区域；集合S中，按与外部区域是否直接相连，分别将对应节点识别为接口II或纳入中间区域：直接相连则识别为接口II，不直接相连则识别为中间区域节点。
为提高仿真效率，接口II的位置也可根据网络实际拓扑结构作适当合理调整，尽可能减小外部区域的端口个数。
本发明的有益效果是：
相对于基于内-外两层分区的已有的内部-外部两区域分网法，本发明方法提高了经外网等值后的电力系统内部区域电磁暂态仿真精度，且能实现较理想的仿真加速效果。
附图说明
图1电力系统区域划分示意，(a)已有内-外两层分区等值法，(b) 所提内-中-外三层分区等值法；
图2电气距离定义；
图3经修改的魁北克水电局7机29节点系统；
图4执行流程；
图5仿真结果， (a)节点30电压， (b)电流I0；
具体实施方式
下面结合附图及如图3所示的具体算例对本发明作进一步详细说明，验证本发明方案的有效性及有益效果。本算例由加拿大魁北克水电局7机29节点纯交流系统修改而来：新增200MW VSC-HVDC 直流系统，其受端(节点30)通过一条RL串联线路与节点1相连。本算例中除各同步发电机、节点24处的异步电动机、节点29处的异步发电机外，其余节点处的负荷用恒阻抗模型模拟。节点30处于t＝1s 时发生三相金属性短路故障，0.1s后故障排除。本发明的总体执行框图如图4所示，具体实施步骤阐述如下：
(1)电力系统分为内-中-外三层区域，分别表示需要在电磁暂态仿真中作重点研究的区域、对重点研究区域仿真精度构成较大影响的区域、可用线性时不变等值网络替代的区域。
所述的步骤(1)电力系统分为内-中-外三层区域，分别表示需要在电磁暂态仿真中作重点研究的区域、对重点研究区域仿真精度构成较大影响的区域、可用线性时不变等值网络替代的区域的具体实现方法为：
将电力系统中需要进行电磁暂态详细模拟的，例如含有电力电子装置的子系统(如直流输电系统、新能源并网系统等)设为内部区域；将交流主网中对内部区域仿真精度有较大影响的部分纳入中间区域；将交流主网中对内部区域影响较小的部分设为外部区域。本算例中，设
图3虚线框部分(即直流输电系统)为内部区域，29节点交流主网可进一步划分为中间区域和外部区域。
(2)确定电力系统内部与中间区域间的接口位置，即接口I。所述的步骤(2)确定电力系统内部与中间区域间的接口位置，即接口I的具体实现方法为：
由于直流输电系统为内部区域，交流主网为中部及外部区域，设节点30，即直流输电系统馈入点为接口I。
(3)计算电力系统除内部区域外各节点相对接口I的电气距离。
所述的步骤(3)计算电力系统除内部区域外各节点相对接口I 的电气距离的具体实现方法为：
按照式(1)，依次计算各主网节点与接口I之间的电气距离Dij。
(4)计算误差指标。
所述的步骤(4)计算误差指标的具体实现方法为：
将各主网节点按电气距离Dij从小到大的顺序排序，并按式(2)计算各节点对应的误差指标Eij，其中以节点30电压为受关注电气量，设ts＝1s、te＝1.3s。结果如表1所示。
表1各主网节点的电气距离指标
Figure BDA0002348516300000061
(5)确定临界电气距离的值。
所述的步骤(5)确定临界电气距离的值的实现方法为：
若设Eij的可接受上限为10％，按照定义，节点2对应的电气距离值0.0025定义为临界电气距离。
(6)结合临界电气距离与误差指标，识别中间区域与外部区域间接口，即接口II的位置。
所述的步骤(6)结合临界电气距离与误差指标，识别中间区域与外部区域间接口，即接口II的位置的实现方法为：
将电气距离低于该临界值的各主网节点纳入节点集合S，将其余节点纳入外部区域，得到接口II的位置。由表1可见，应有 S＝{1,23,24,2}。从
图3知，接口II应设于节点1，节点23、24、2属于中间区域。
以下说明本发明相对于已有方法的有益效果：
图5对比了原系统、分别基于已有方法和本发明对系统进行分网及简化等值后，内部区域电气量在故障发生前后的仿真结果，其中 (a)、(b)分别为节点30电压和电流I0(在
图3中标出)。等值网络采用频率相关等值(FDNE)方法构建，且确保两种方法下等值网络的导纳拟合精度保持一致，以排除该因素对仿真误差水平差异的影响。表2给出了本发明相对已有方法的对比分析结果，其中Ets、Ett分别表示原始系统与等值后系统同一电气量在稳态及短路故障后0.3s内的相对误差。可见，本发明能实现更好的等值精度，并且能实现与已有方法大致相当的仿真效率。
表2仿真精度及耗时
Figure BDA0002348516300000071
注：仿真耗时一栏表示不同组别下的等值网络仿真2s所耗的实际时间，原始系统耗时 83.3834s。该栏实验结果通过处理器为主频2.80GHz的
Figure BDA0002348516300000072
CoreTMi5-8400 CPU，内存为 8GB的64位的计算机得到。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将电力系统分为内-中-外三层区域，分别表示需要在电磁暂态仿真中作重点研究的区域、对重点研究区域仿真精度构成较大影响的区域、可用线性时不变等值网络替代的区域；
(2)确定电力系统内部与中间区域间的接口位置，即接口I；
(3)计算电力系统除内部区域外各节点相对接口I的电气距离；
(4)计算误差指标；
(5)确定临界电气距离的值；临界电气距离的确定应符合以下标准：若将所有电气距离大于该临界值的节点处的非线性元件用线性电路模型近似替代，其中，无源元件用恒阻抗模型，有源元件用恒压源串联恒阻抗模型，内部区域中受关注电气量相对原系统的误差指标Eij仍能处于可接受的范围内；将电气距离低于临界电气距离的各主网节点纳入中间区域，而将其余主网节点纳入外部区域，即得到接口II的位置；为提高仿真效率，接口II的位置可根据电力系统实际拓扑结构作适当合理调整，尽可能减小外部区域的端口个数；
(6)结合临界电气距离与误差指标，识别中间区域与外部区域间接口，即接口II的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体为：根据具体研究需要，将电力系统中需要进行电磁暂态详细模拟的区域设为内部区域，包括直流输电系统、新能源并网系统或柔性输电系统，将交流主网中对内部区域仿真精度有较大影响的部分纳入中间区域，将交流主网中对内部区域影响较小的部分设为外部区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于：所述的步骤(2)中将接口I设在含有电力电子元件的子系统的并网点，即PCC点；定义电力系统中除内部区域外各节点即主网节点与接口I之间的等值阻抗大小为两者间的电气距离，并计算其数值。
4.根据权利要求1所述的一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，节点i和j间的电气距离Dij定义为：
Dij＝|Uij/Ii|＝|(Zii-Zij)-(Zij-Zjj)|
其中Zii，Zij和Zjj代表节点阻抗矩阵的对应元素，Ii为接口Ⅰ即节点i处的注入电流，其余节点注入电流均为零，Uij为两节点间电压降。
5.根据权利要求1所述的一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于：所述的步骤(4)中误差指标Eij定义为：
Figure FDA0003374347450000021
其中vr,ij(t)表示将主网节点j及电气距离更远节点处的非线性元件用线性电路模型替代后，内部区域受关注电气量的仿真结果；vo,ij(t)表示原系统中该电气量的仿真结果；ts与te分别表示观测时间窗口的起讫时刻。
6.根据权利要求1所述的一种基于三层分区和电气距离的电力系统电磁暂态仿真等值方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，根据电气距离指标Dij与误差指标Eij，按照以下方法确定节点集合S，用于识别接口II的位置：
(a)计算主网节点j与接口I即节点i之间的电气距离Dij，将各主网节点按照Dij大小排序；
(b)计算各主网节点j对应的误差指标Eij；
(c)根据实际精度需要，确定Eij的可接受上限，将Eij小于该上限的主网节点相对于节点i的最小电气距离定义为临界电气距离；将Dij小于该临界值的节点集合记为Si；
(d)若交流主网为多端口网络，即接口I包含多个节点，则重复步骤(a)-(d),取各个Si的并集作为最终的节点集合S；
(e)识别接口II的位置：将不属于集合S的主网节点纳入外部区域；集合S中，按与外部区域是否直接相连，分别将对应节点识别为接口II或纳入中间区域：直接相连则识别为接口II，不直接相连则识别为中间区域节点。
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