CN114282383A - 基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，包括如下步骤：步骤(1)基于有源配电网架空线路分布，确定有源配电网并行仿真分网位置，根据分网位置所在线路参数，计算其Bergeron等值参数模型；步骤(2)有源配电网实现解耦；步骤(3)利用EMTP相关算法，解耦后的各子系统独立进行电磁暂态仿真运算；步骤(4)同步等待过程：各子系统完成单步计算后，等待其他子系统完成计算；步骤(5)各子系统实现仿真接口间的数据交互，进入下一步计算。本发明应用于含有高比例分布式电源的有源配电网仿真场景，有效提高了有源配电网实时仿真的效率。

Description

基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统动态仿真领域，特别是基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法。

背景技术

随着分布式电源以及非线性负荷的大规模应用，当前有源配电网呈现多时间尺度、宽频域的特征，这一特征增加了配电网电磁暂态仿真的复杂性。具体而言，在仿真计算过程中，大量的电力电子装置(尤其是高频开关器件)体现出与传统电力系统装置显著的时间常数差异，从而导致仿真计算过程中状态空间矩阵多对应特征根相差巨大，削弱了仿真计算的精度。此外，为了提高电磁暂态仿真的精度和确保仿真计算的收敛性，电磁暂态仿真的步长不得不被限制在很小的时间尺度，这无疑降低了大规模有源配电网的仿真效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于线路模型解耦的有源配电网并行仿真方法，从提高配电网电磁暂态仿真效率的角度出发，提出了可适应于配电网平行仿真的网络解耦方法。它利用分布参数线路的传输特性，将线性插值方法引入传统Bergeron模型中，使其满足配电网短距离线路的小步长仿真要求。此外，依据这一原理，设计并建立了基于传输线路解耦的配电网并行计算仿真接口，实现了配电网多区域解耦仿真。

为解决上述技术问题，本发明提供基于线路模型解耦的有源配电网并行仿真方法，包括如下步骤：

步骤一、确定有源配电网并行仿真分网位置，并根据分网位置所在线路参数，计算其Bergeron等值线路模型；

步骤二、利用参与分网线路的Bergeron等值线路模型相关参数，修改网络方程，实现基于传输线路解耦模型的有源配电网解耦；

步骤三、利用EMTP算法，进行T时长的仿真，设定系统仿真步长后，EMTP程序以这一仿真步长逐步求解状态空间方程；解耦后的各子系统独立进行电磁暂态仿真运算，获取系统的状态变量；

步骤四、实现同步等待过程，即各子系统完成单步EMTP计算后，等待其他子系统完成计算；

步骤五、同步等待结束，各子系统开始仿真接口间的数据交互，完成后回到步骤三，进入下一步长的计算，否则计算结束。

进一步地，所述步骤一具体为：

(1)基于有源配电网架空线路分布，将传统交流电网与含高频器件的分布式电源系统分开，确定有源配电网并行仿真分网位置；

(2)Bergeron线路模型参数计算

由单导线的偏微分方程：

其中，R、L为单位长度线路的电阻、电感，G、C为单位长度线路的对地电导，电容；x是从线路的一端k到微分单元dx的距离，x的正方向与电流i的正方向相同，u，i是x和时间t的函数；

假设线路为无损线路，对上式分别对x取偏导数，其通解的形式为：

其中，Z_c是线路波阻抗，v为波速度；

得到Bergeron线路模型参数计算表达式：

其中，τ为线路传输延时；

(3)采用集总电阻表示有损线路：

其中，Z^*为有损模型等值阻抗；

(4)引入线性插值算法求出(t-τ)时刻的仿真结果，即(t-τ)时刻历史项电流为：

进一步地，所述步骤二具体为：

(1)根据待解耦线路解耦模型参数，搭建解耦模型；

(2)用解耦模型替换原网络方程中的线路模型；

(3)原网络方程分解成几个相对独立计算的方程，系统实现解耦。

进一步地，所述步骤三具体为：

(1)计算各子系统历史项电流源I_h；

(2)计算各子系统状态方程诸如电流列向量I_inj；

(3)求解各子系统状态空间方程：

V_n＝Y^-1I_inj

(4)计算各子系统各节点电压电流等状态量V_b、I_b；

(5)根据开关动作，更新各子系统导纳矩阵Y^-1。

进一步地，所述步骤四具体为：

(1)选取与配电网变电站直接相连的交流子系统作为协调分区；

(2)各子系统完成单步计算后通过仿真接口向协调分区发送相关信号；

(3)所有子系统均向协调分区发送信号后，系统完成同步，进行下一步工作。

进一步地，所述步骤五具体为：

(1)各交互接口将当前仿真步长所得仿真结果通过交互接口传递至对侧；

(2)接口采用并行交互时序，即两侧网络均采用对侧网络上一个仿真步长的计算结果；

(3)接口处数据交互完成后，仿真程序回到步骤三，子网络可各自独立进入下一步长的EMTP计算。

附图说明

图1为所提出的并行仿真方法的流程图。

图2为分布参数传输线。

图3为单相无损Bergeron模型。

图4为单相有损Bergeron模型。

图5为并行仿真交互示意图。

图6为IEEE-13标准节点测试馈线示意图。

图7为本发明仿真方法、传统Bergeron解耦方法的IEEE-13有源配电网仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明针对传统Bergeron模型的短距离线路适应性问题进行修正，将Bergeron线路模型应用于有源配电网解耦中，搭建了基于此模型的配电网并行计算接口，实现了有源配电网电磁暂态并行仿真。此外，附图仿真结果表明：本模型精度上优于传统Bergeron解耦模型，允许的仿真步长更大，通用性很高，在配电网小步长实时仿真中具有应用前景。

本发明公开的一种变流器硬件加速并行多速率电磁暂态实时仿真方法如图1所示，包括以下步骤：

(1)确定有源配电网并行仿真分网位置，根据分网位置所在线路参数，计算其Bergeron等值参数模型；

(11)基于有源配电网架空线路分布，将将传统交流电网与含高频器件的分布式电源系统分开，确定有源配电网并行仿真分网位置；

(12)Bergeron线路模型

R、L为单位长度线路的电阻、电感，G、C为单位长度线路的对地电导，电容。x是从线路的一端k到微分单元dx的距离，x的正方向与电流i的正方向相同，u，i是x和时间t的函数。这一单导线的偏微分方程：

假设线路为无损线路，对上式分别对x取偏导数，其通解的一般形式为：

其中，Z_c是线路波阻抗，v为波速度。

进一步整理后，得到如下表达式：

其中，τ为线路传输延时。

(13)对于有损线路，将线路的总电阻R分散在三处：线路两端各R/4，线路中间R/2，经整理后，可以表示为：

其中，Z^*为有损模型等值阻抗。

(14)当我们需要对配电网短距离输电线路进行精确模拟时，其传输延时τ的大小往往与仿真时间步长h相当，原先的方法会差生较大误差，需要引入插值算法求出(t-τ)时刻的仿真结果，以最为高效且便于理解的线性插值方法为例，(t-τ)时刻历史项电流可得出：

(2)实现有源配电网实现解耦；

(21)根据步骤(1)所计算出的线路解耦模型参数，搭建解耦模型

(22)用解耦模型替换原网络方程中的线路模型

(23)原网络方程分解成几个相对可独立计算的方程，系统实现解耦；

(3)利用EMTP相关算法，解耦后的各子系统独立进行电磁暂态仿真运算；

进行T时长的仿真，设定系统仿真步长后，EMTP程序以这一仿真步长逐步求解状态空间方程；

(31)各子系统计算历史项电流源I_h；

(32)各子系统计算状态方程诸如电流列向量I_inj；

(33)各子系统求解状态空间方程：

V_n＝Y^-1I_inj

(34)各子系统计算各节点电压电流等状态量电压列向量V_b、电流列向量I_b；

(35)根据开关动作，更新各子系统导纳矩阵Y^-1；

(4)同步等待过程：各子系统完成单步计算后，等待其他子系统完成计算；

(41)确定一个子系统作为协调分区，一般选取与配电网变电站直接相连的交流子系统作为协调分区；

(42)各子系统完成单步计算后通过仿真接口向协调分区发送相关信号；

(43)所有子系统均向协调分区发送信号后，系统完成同步，可进行下一步工作；

(5)各子系统实现仿真接口间的数据交互，完成后回到步骤三，进入下一步计算，否则计算结束。

(51)各交互接口将当前仿真步长所得仿真结果通过交互接口传递至对侧；

(52)接口采用并行交互时序，即两侧网络均采用对侧网络上一个仿真步长的计算结果。

(53)接口处数据交互完成后，子网络可各自独立进入下一步仿真计算。

为了所提出的线性插值方法(Linear Interpolation Method,LIM)对传统Bergeron传输线路模型(Traditional Bergeron,TB)精度改善的有效性。以IEEE-13标准节点测试馈线为例，以解耦前线路波形作为标准波形(Standard Waveform,SW)，分别比较不同仿真步长条件(h＝5μs和H＝25μs)下有源配电网并行仿真精度。

IEEE-13标准节点测试馈线示意图如图6所示，参数设置如表1所示。断路器A始终闭合，仿真时间t＝0.05s时，断路器B闭合，250kW规模的光伏阵列并入配电网，仿真步长h＝5μs和h＝25μs条件下Node 671处线电压Vab(p.u.)有效值变化曲线如图7所示。

表1 IEEE-13标准节点测试馈线参数

IEEE-13标准节点测试馈线参数	数值
		电压等级(kV)	4.16
频率(Hz)	60
		最大容量(kVA)	5000
分布式电源规模(PV规模)(kW)	250
		系统电压基值(kV)	4.16

仿真结果可知，传统的Bergeron传输线模型的精度会随着仿真步长的增加而大幅下降，当仿真步长h>25us时，解耦误差已比较明显；当仿真步长h进一步增大时，传统插值方法模拟暂态过程的误差将进一步增加。需要强调的是，即使采用线性插值方法的解耦线路模型的仿真误差同样随仿真步长的增加而增大，相较于线性插值方法，该方法由于收到仿真步长h的限制较小，解耦误差已得到明显改善。此外，相比于精度更高的非解耦的全电磁暂态仿真，此方法具有更高的计算效率。

Claims (6)

1.基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定有源配电网并行仿真分网位置，并根据分网位置所在线路参数，计算其Bergeron等值线路模型；

步骤二、利用参与分网线路的Bergeron等值线路模型相关参数，修改网络方程，实现基于传输线路解耦模型的有源配电网解耦；

步骤三、利用EMTP算法，进行T时长的仿真，设定系统仿真步长后，EMTP程序以这一仿真步长逐步求解状态空间方程；解耦后的各子系统独立进行电磁暂态仿真运算，获取系统的状态变量；

步骤四、实现同步等待过程，即各子系统完成单步EMTP计算后，等待其他子系统完成计算；

步骤五、同步等待结束，各子系统开始仿真接口间的数据交互，完成后回到步骤三，进入下一步长的计算，否则计算结束。

2.根据权利要求1所述的基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

(1)基于有源配电网架空线路分布，将传统交流电网与含高频器件的分布式电源系统分开，确定有源配电网并行仿真分网位置；

(2)Bergeron线路模型参数计算

由单导线的偏微分方程：

其中，R、L为单位长度线路的电阻、电感，G、C为单位长度线路的对地电导，电容；x是从线路的一端k到微分单元dx的距离，x的正方向与电流i的正方向相同，u，i是x和时间t的函数；

假设线路为无损线路，对上式分别对x取偏导数，其通解的形式为：

其中，Z_c是线路波阻抗，v为波速度；

得到Bergeron线路模型参数计算表达式：

其中，τ为线路传输延时；

(3)采用集总电阻表示有损线路：

其中，Z^*为有损模型等值阻抗；

(4)引入线性插值算法求出(t-τ)时刻的仿真结果，即(t-τ)时刻历史项电流为：

3.根据权利要求1所述的基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

(1)根据待解耦线路解耦模型参数，搭建解耦模型；

(2)用解耦模型替换原网络方程中的线路模型；

(3)原网络方程分解成几个相对独立计算的方程，系统实现解耦。

4.根据权利要求1所述的基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

(1)计算各子系统历史项电流源I_h；

(2)计算各子系统状态方程诸如电流列向量I_inj；

(3)求解各子系统状态空间方程：

V_n＝Y^-1I_inj

(4)计算各子系统各节点电压电流等状态量V_b、I_b；

(5)根据开关动作，更新各子系统导纳矩阵Y^-1。

5.根据权利要求1所述的基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

(1)选取与配电网变电站直接相连的交流子系统作为协调分区；

(2)各子系统完成单步计算后通过仿真接口向协调分区发送相关信号；

(3)所有子系统均向协调分区发送信号后，系统完成同步，进行下一步工作。

6.根据权利要求1所述的基于传输线路解耦的有源配电网电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

(1)各交互接口将当前仿真步长所得仿真结果通过交互接口传递至对侧；

(2)接口采用并行交互时序，即两侧网络均采用对侧网络上一个仿真步长的计算结果；

(3)接口处数据交互完成后，仿真程序回到步骤三，子网络可各自独立进入下一步长的EMTP计算。

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