CN111581738A - 一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法。利用构件化设计思想，将电力元件的电气特性、对外等效及内部电气量求解等部分封装为构件。并在构件的组合原理基础上提出了电力构件的组合。对于仿真系统中一些连接方式较为固定，或者研究人员只关注其外部特性的电力系统组合单元，采用组合构件的形式进行建模，形成具有全新操作事件和外部接口的组合型电力构件。本发明设计的方法减小了网络方程求解所需的时间，加快了仿真速度，有效增加了电力系统实时仿真规模。
Description
技术领域
本发明属于电力自动化技术领域，涉及一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法。
背景技术
电力系统实时仿真是实现新型二次设备硬件在环实验、对电力系统工作人员进行技术培训的基础，实现电力系统实时仿真具有十分重要的理论意义与工程应用背景。
状态变量法与节点电压法是两种经典的仿真求解方法。状态变量法通过预测校正法对各微分方程隐式地求解，在算法的选择上具有较大灵活性，并且对非线性元件的求解准确性较高，但计算效率较低并且不能灵活切换仿真步长。而节点电压法根据电力系统中基本元件的电压电流关系采用数值积分法将微分方程等值为对应的伴随电路模型，并通过节点电压法对线性电路求解，最后得到各节点的瞬时电压值。其特点是，仿真效率高且准确性高，同时可以保证良好的数值稳定性，已经成为电力系统实时仿真的主流算法。
但现有的用于电力系统实时仿真的节点电压法存在一大缺陷：在电力系统中，存在大量由一些基本电力元件以固定形式组成的单元，例如由隔离开关、断路器、电流互感器等组成的进线(出线)间隔单元，由线路、短路故障、断线故障等组成的可设置故障的线路单元，由变压器、接地刀闸、放电间隙等组成的变压器单元，由发电机、电流互感器、电压互感器、隔离开关、断路器等组成的发电机单元等。如果把每个元件都单独计算将会大大增加网络方程的维数，从而增加求解的计算量，增大了仿真时间，不利于实现实时仿真。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种设计合理、能有效减少网络方程求解计算量，从而提高电力系统实时仿真效率的电力系统实时仿真元件的构件化方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，包括以下步骤：
(1)根据用户所给的原始参数，计算实时仿真所用的仿真参数；
(2)用差分化方法将电力元件差分化，并通过YU＝I的方程描述电力元件等效后的仿真模型，其中Y为电力元件的等效节点导纳矩阵，U为节点电压向量，I为节点注入电流向量；
(3)判断电力元件是否有内部节点，如果有，则运用高斯消元法消除内部节点，只保留外部节点；如果没有，则不用消去；
(4)得到电力元件的对外等效电路，对外等效电路即为电力构件的对外接口；
(5)对已构件化的电力系统实时仿真元件进行组合；得到组合后的电力构件。
进一步的，步骤(5)具体包括以下步骤：
(502)对组合单元中的各仿真元件进行构件化，得到相应的电力构件；
(502)通过对应的连接关系对单个电力构件进行组合，并依据对应的节点导纳矩阵消去该组合构件的内部节点，只保留对外等效节点。
进一步的，将电力构件组合成为组合型电力构件后，能够通过修改组合型电力构件特有的用户参数来间接修改子构件的用户参数。
进一步的，组合型电力构件的操作事件和连接机制完全等同于一个普通的电力构件，能够正常参与电气系统的运算。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、将电力元件构件化消去电力元件内部节点，对电力元件进行内部等效后只剩边界节点，降低了网络方程的维数，减少了求解网络方程时的串行度。
2、将构件化后的电力元件进行组合，进一步减少了仿真所计算的节点，提高了仿真计算的速度以及仿真系统的灵活性和可扩展性。
3、在仿真建模过程中，电力构件对应的对外等效、内部求解以及连接方式等均被封装为构件的固有属性和方法，研究人员只需根据电力构件规定的用户参数进行参数设置即可，无需进行仿真程序的编写。
4、将电力构件组合成为组合型电力构件后，可以通过修改组合型电力构件特有的用户参数来间接修改子构件的用户参数。组合型电力构件的操作事件和连接机制完全等同于一个普通的电力构件，可以正常参与电气系统的运算。对于开发人员而言，不必掌握组合型电力构件内部的具体结构和原理，只需关注组合型电力构件的外部特性即可。组合构件的这些特性使得构件的封装性更加严密，避免了使用者对大量构件进行繁琐的操作，同时也有利于整个系统的维护和拓展。
附图说明
图1是本发明的电力元件构件化原理图；
图2是本发明的三相阻感负载电路图；
图3是本发明的三相阻感负载诺顿电路图；
图4是本发明的消去内部节点后三相阻感负载等效电路图；
图5是本发明的组合型电力构件原理图；
图6是本发明的可配置系统电源结构图；
图7是本发明的可配置系统电源仿真图；
图8(a)至图8(d)分别是本发明的可配置系统电源各子构件仿真模型图；8(a)至图8(d)分别为三相系统电源、三相断路器1、三相阻感负载和三相断路器2。
图9是本发明的可配置系统电源消去内部节点后组合构件等效电路；
图10是本发明的多层次组合构件原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，包括以下步骤：
(1)对电力系统实时仿真元件进行构件化。首先，根据用户所给的原始参数，计算实时仿真所用的仿真参数。然后，用差分化方法将电力元件差分化，并通过YU＝I的方程描述电力元件等效后的仿真模型，其中Y为电力元件的等效节点导纳矩阵，U为节点电压向量，I为节点注入电流向量。之后，判断该电力元件是否有内部节点，如果有，则运用高斯消元法消除内部节点，只保留外部节点；如果没有，则不用消去。最后，可以得到该电力元件的对外等效电路，该电路即为电力构件的对外接口。在仿真建模过程中，电力构件对应的对外等效、内部求解以及连接方式等均被封装为构件的固有属性和方法，研究人员只需根据电力构件规定的用户参数进行参数设置即可，无需进行仿真程序的编写。
(2)对已构件化的电力系统实时仿真元件进行组合。在电力系统仿真建模过程中，会出现数量较多且层次各异的组合单元，这为组合构件在电力系统仿真建模中的应用提供了应用条件。首先，对组合单元中的各元件进行构件化，得到相应的电力构件。然后，通过对应的连接关系对单个电力构件进行组合，并依据对应的节点导纳矩阵消去该组合构件的内部节点，只保留对外等效节点。最后，得到组合后的电力构件。将电力构件组合成为组合型电力构件后，可以通过修改组合型电力构件特有的用户参数来间接修改子构件的用户参数。组合型电力构件的操作事件和连接机制完全等同于一个普通的电力构件，可以正常参与电气系统的运算。对于开发人员而言，不必掌握组合型电力构件内部的具体结构和原理，只需关注组合型电力构件的外部特性即可。组合构件的这些特性使得构件的封装性更加严密，避免了使用者对大量构件进行繁琐的操作，同时也有利于整个系统的维护和拓展。
如图1所示，构件技术起源于软件工程，是可复用的软件组成成份。可以利用构件化设计思想，将电力元件的电气特性、对外等效及内部电气量求解等部分封装为构件，本发明将电力元件以等效电导和等效电流源并联的诺顿等效电路的形式与其他电力元件进行组合，形成整个电气系统的网络方程。构件化的电力元件(称为电力构件)用户接口主要用于对电力系统的元件种类、网络拓扑、电气参数等进行初始化和后续修改，这一修改过程既可以在搭建仿真对象时通过图形化建模软件实现，也可以在仿真运行时通过在线监测系统实现。
电力构件根据用户接口提供的参数生成对应电力元件的属性、方法和事件等，这些信息对于使用者而言是不可直接操作的，只能通过用户接口进行间接操作，类似于一个“黑箱”。对于电力元件而言，这些属性、方法和事件主要包括元件的基本电气方程、对外特性等效过程以及内部电气量求解方程等。
下面分别对本发明的功能和作用作进一步说明：
电力元件主要用于组成电气系统，其构件化对外接口为诺顿等效电路。下面以常见的三相阻感负载为例，给出电力元件的构件化方法。
设三相负载接成Y型，每相均为阻感支路，中性点经过阻感支路接地，如图2所示。其中，关联节点表明了负载的连接关系，额定电压、有功功率、无功功率、接地电阻、接地电感为用户可设定电气参数(简称用户参数)。设负载三相功率平衡，负载的电阻、电感等参数与用户参数之间有以下换算关系
其中，Ra、Rb、Rc与La、Lb、Lc分别为负载三相的电阻和三相的电感，UB为负载的额定线电压有效值，P为负载的额定三相有功功率，Q为负载的额定三相无功功率。
以A相负载为例，有电路方程
其中u1(t)、u2(t)分别表示节点1和节点2的电压，ia(t)为流过负载A相的电流。设仿真步长为Δt，采用后退欧拉法对上式进行差分化，得
ia(t)＝Ga(u2(t)-u1(t))+Isa(t-Δt)
其中，
其中Ga为等效电导，Isa(t-Δt)为历史电流源，其取值与上一仿真步长的电流有关。对B相、C相和接地支路作同样处理，可得到B相、C相和接地支路的特性方程。据此可得到三相阻感负载的诺顿等效电路，如图3所示。
由此可列出三相阻感负载对应的电磁暂态仿真方程
其中
三相阻感负载的节点1属于内部节点，可以将其提前消去，使其不包含在电力构件的对外接口中，利用高斯消元法消去节点1，三相阻感负载的电磁暂态仿真方程为：
其中
消去节点1之后模型的等效电路如图4所示。
其中
如此便得到三相阻感负载的对外等效电路，该电路即为电力构件的对外接口。将其与系统中其他电力构件进行连接即可得到电气系统的节点电压方程，进而求解出网络的节点电压。
在求解得到网络的节点电压后，需要对各个电力元件的内部电气量进行求解。继续以该三相阻感负载为例，当求解得到其外部节点2、3、4在本仿真步长的电压u2(t)、u3(t)、u4(t)后，有
如此可求出内部节点1在本仿真步长的电压u1(t)。再通过u2(t)、u1(t)可求出本仿真步长负载的a相电流ia(t)。
之后可根据负载的a相电流计算得到下一仿真步长所需的历史电流源，即
对负载的其余支路做同样处理，可得到负载下一仿真步长所需的历史电流源。如此重复以上过程即可推进仿真的进行。
以上即为电力元件的构件化方法。在仿真建模过程中，电力元件对应的对外等效、内部求解以及连接方式等均被封装为构件的固有属性和方法，研究人员只需根据电力元件规定的用户参数进行参数设置即可，无需进行仿真程序的编写。
构件具有封装性、间接操作和连接机制，这些特点使得构件具备很强的复用性，而复用性使得构件的组合成为可能。组合构件的结构如图5所示。将电力构件组合成为组合型电力构件后，可以通过修改组合型电力构件特有的用户参数来间接修改子构件的用户参数，子构件的等效诺顿电路经过一定变换可以得到组合型电力构件的等效诺顿电路。组合型电力构件的操作事件和连接机制完全等同于一个普通的电力构件，可以正常参与电气系统的运算。对于开发人员而言，不必掌握组合型电力构件内部的具体结构和原理，只需关注组合型电力构件的外部特性即可。
以下图6所示的可配置系统电源为例，给出由子构件对外特性得到组合型电力构件对外特性的方法以及组合型电力构件的对内求解方法。可配置系统电源由交流电源S、两组开关QF1、QF2和一组负载LD组合而成。该组合单元可用于模拟电力系统中系统电源的多种运行方式：用于模拟无穷大电力系统时，开关QF1和QF2均闭合，负载功率设为极小值；用于模拟吸收功率的系统时，QF1断开，QF2闭合，系统吸收的功率由负载LD的取值决定；用于模拟系统断电时，QF2断开。
可配置系统电源的仿真模型如图7所示。可配置系统电源由4个子构件S、QF1、QF2、LD组合而成。组合构件共包含9个节点，其中节点7、8、9为组合构件与外部网络连接的外部节点，其余节点为组合构件内部节点。
4个子构件的仿真模型如图8(a)、(b)、(c)、(d)所示。为此，根据各子构件的节点在组合构件中的节点关系，将各子构件的等效导纳和电流源进行叠加，得到组合构件的节点电压方程。
其中
利用高斯消元法求解，消去节点1、2、3、4、5、6，节点电压方程变为
消去节点1-6后，组合构件只剩下节点7、8、9三个外部节点，其等效电路如图9所示。经过以上变换，原本包含9个节点的组合构件可以等效为只包含3个外部节点的构件，该构件的诺顿等效电路即为组合构件与外部网络的接口。经过对外等效的组合构件可以直接参与整个系统的网络方程求解运算，在求解得到组合构件的外部节点电压u7(t)、u8(t)、u9(t)之后，可求出组合构件内部节点1至节点6的电压。求出组合构件内部节点电压后，将其继续代入各子构件的内部电气量求解方程，即可求出各子构件的内部电气量，进而进行下一仿真步长的求解。
由以上分析推广到一般情况，设某组合构件由m个子构件组合而成，则组合构件的特性方程可表示为
其中，Gi表示子构件i对应的节点导纳矩阵，u表示组合构件的节点电压列向量，Jsi表示子构件i对应的注入电流列向量，Ari和Aci分别表示子构件i到组合构件的节点行转换矩阵和节点列转换矩阵。若子构件i的节点j在组合构件中对应节点k，则有
列写组合构件节点电压方程的形式，得
其中G表示组合构件的等效节点导纳矩阵，ui(t)和Ji(t-Δt)分别表示组合构件内部节点的节点电压列向量和注入电流列向量，uo(t)和Jo(t-Δt)分别表示组合构件外部节点的节点电压列向量和注入电流列向量。
设该组合构件经过有限次初等行变换后消去所有内部节点，对应的初等变换矩阵为P，有
其中
改写为分块矩阵形式，得
其中Go为组合构件的对外等效节点导纳矩阵，Io'(t)为组合构件的对外等效注入电流列向量。此时组合构件的对外特性可表示为
Gouo(t)＝Jo'(t-Δt)
在通过求解网络方程得到组合构件的外部节点电压uo(t)后，可回代求出组合构件的内部节点电压，即
ui(t)＝Gi -1(Ji'(t-Δt)-Giouo(t))
以上即为组合型电力构件的建立方法。值得一提的是，由于组合型电力构件的对外接口与基本电力构件相同，因此组合型电力构件的组合层次并不局限于一层，组合型电力构件可以与其余构件(包括基本构件和其他组合构件)进行更高级别的组合，如图10所示。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，包括以下步骤：
(1)根据用户所给的原始参数，计算实时仿真所用的仿真参数；
(2)用差分化方法将电力元件差分化，并通过YU＝I的方程描述电力元件等效后的仿真模型，其中Y为电力元件的等效节点导纳矩阵，U为节点电压向量，I为节点注入电流向量；
(3)判断电力元件是否有内部节点，如果有，则运用高斯消元法消除内部节点，只保留外部节点；如果没有，则不用消去；
(4)得到电力元件的对外等效电路，对外等效电路即为电力构件的对外接口；
(5)对已构件化的电力系统实时仿真元件进行组合；得到组合后的电力构件。
2.根据权利要求1所述一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，其特征在于，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)对组合单元中的各仿真元件进行构件化，得到相应的电力构件；
(502)通过对应的连接关系对单个电力构件进行组合，并依据对应的节点导纳矩阵消去该组合构件的内部节点，只保留对外等效节点。
3.根据权利要求1所述一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，其特征在于，将电力构件组合成为组合型电力构件后，能够通过修改组合型电力构件特有的用户参数来间接修改子构件的用户参数。
4.根据权利要求1所述一种用于电力系统实时仿真元件的构件化方法，其特征在于，组合型电力构件的操作事件和连接机制完全等同于一个普通的电力构件，能够正常参与电气系统的运算。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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