CN1601472A - 电力系统数字仿真装置 - Google Patents

Abstract

一种电力系统数字仿真装置，包括控制装置，用于输入电力系统的仿真数据，将电力系统的机电暂态网络和电磁暂态网络分别分割为多个机电暂态子网和多个电磁暂态子网，并发布控制命令；一个机电暂态仿真器，用于在控制装置的控制下计算电力系统的机电暂态过程；一个电磁暂态仿真器，用于在控制装置的控制下计算电力系统的电磁暂态过程；一个机电/电磁暂态接口，用于进行机电暂态仿真器和电磁暂态仿真器之间的仿真数据的转换和传递，以便对电力系统的机电暂态过程和电磁暂态过程联合仿真。该数字仿真装置可以进行大规模电力系统的实时动态仿真，将该电力系统的机电暂态和电磁暂态仿真在一次仿真过程中完成。

Description

电力系统数字仿真装置

技术领域

本发明涉及一种电力系统仿真技术，特别涉及用于大规模交直流电力系统的全过程实时动态仿真装置。

背景技术

迄今为止能够实现电力系统实时仿真的手段主要包括物理仿真、数字物理混合仿真和全数字仿真。

物理仿真(又称物理模拟)基于相似理论，将电力系统实际元件，如发电机、AVR(自动调压器)、发电机调速器、电动机、变压器、输电线等，用参数成倍数缩小的真实物理元件模拟。使用多年的电力系统动态模拟实验室(简称动模)，就是典型的物理模拟。物理仿真的优点是直观明了、物理意义明确。其缺点是设备昂贵、占地面积大、可模拟的电力系统规模受制于仿真装置自身的规模和所使用的元件的物理特性，因而可扩展性和兼容性差，难以模拟大规模电力系统。

数字物理混合仿真(又称数模混合模拟)，采用的是数字仿真元件和基于相似理论的物理模型。在这一类装置中，通常采用的仿真方式是采用基于微处理器或DSP芯片的数字仿真技术模拟电机及其控制系统，不再采用按比例缩小的模拟旋转电机来模拟实际电机。而电力系统的其余部分仍然采用基于相似理论的物理模型进行模拟。数字物理混合仿真装置，较之早期的动模，其使用的灵活性和对电力系统的研究范围都有了较大提高。其主要优点是实时仿真范围可以覆盖电力系统的动态全过程，即可以基本上仿真从电磁暂态过程至机电暂态过程的电力系统动态全过程，可用于控制系统和继电保护试验，以及经适当简化的电力系统分析研究。由于这种数字物理混合仿真装置的主要部分仍是基于相似理论的物理模型，即使是数字化的电机模型采用的也是单片机技术，其所模拟的电力系统的规模也受到仿真装置的制约。因此数字物理混合仿真装置也具有上述物理仿真装置的缺点，仅能用来模拟较小规模的电网，并且每当所仿真的网络条件发生变化时，都要重新接线，需花费大量时间和人力。此外，这种数字物理混合仿真装置的可扩展性和兼容性也比较差。

电力系统全数字实时仿真装置基于现代计算机技术和信息技术，其产品造价低于上述的数字物理混合仿真装置，而且占地面积小，可扩展性好，是当前国际上实时仿真的主要发展方向。

根据公开发表的文献，国内外现有的商用电力系统全数字实时仿真产品中，还没有能够对大规模交直流电力系统的机电暂态和电磁暂态的全过程实时仿真并进行物理装置试验的装置，因此不能满足大规模电力系统的动态过程的仿真要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种电力系统数字仿真装置，该仿真装置能够精确模拟大规模电力系统各种情况下的运行状态，包括电磁暂态和机电暂态的全动态过程。

为此，根据本发明提供一种电力系统数字仿真装置，包括一个控制装置，用于输入一个电力系统的仿真数据，将所述电力系统的机电暂态网络和电磁暂态网络分别分割为多个机电暂态子网和多个电磁暂态子网，以及发布控制命令；一个机电暂态仿真器，用于接收利用所述控制装置输入的所述电力系统的机电暂态网络数据并响应所述控制装置发布的控制命令，计算所述电力系统的机电暂态过程；一个电磁暂态仿真器，用于接收利用所述控制装置输入的所述电力系统的电磁暂态网络数据并响应所述控制装置发布的控制命令，计算所述电力系统的电磁暂态过程；一个机电/电磁暂态接口，用于进行所述机电暂态仿真器和所述电磁暂态仿真器之间的仿真数据的转换和传递，以便实现对所述电力系统的机电暂态过程和电磁暂态过程的联合仿真。

根据本发明的电力系统数字仿真装置，可以进行大规模电力系统的实时动态仿真计算，将该电力系统的机电暂态仿真和电磁暂态仿真在一次仿真过程中完成。

根据本发明的电力系统数字仿真装置还可以联接SCADA和EMS系统以进行在线实时仿真；接入继电保护和自动装置等物理设备进行开关动作和闭环控制；接入MATLAB等商用软件进行局部和子任务计算，接入用户自定义模型以完成用户指定功能和任务。

根据本发明的电力系统数字仿真装置利用机群服务器的多结点集群结构，将庞大复杂的电力系统，按照网络拓扑优化分割为多个子网络，将计算任务分配到各个子机执行，并由主机统一控制，进行并行计算。主机和各子机的信息传输通过高速通讯网络Myrinet和Ethernet网络完成，以保证仿真计算的实时性。

根据本发明的电力系统数字仿真装置可以将整个电力系统的一部分进行机电暂态仿真，对其另一部分进行电磁暂态仿真，并且对该电力系统的这两部分的仿真能够在一次仿真计算过程中实时同步实现。

另外，根据本发明的电力系统数字仿真装置采用了一种不加节点的故障处理方法。这种方法简单灵活，并且加快了机电暂态仿真速度，为大规模电力系统机电暂态仿真计算的实时性提供了进一步保证。

附图说明

图1是根据本发明的电力系统数字仿真装置的示意图；

图2是根据本发明的电力系统数字仿真装置的信息传输示意图；

图3示出了将一个目标电力系统W分为三个电磁暂态子网A、B、C时的情况；

图4示出了目标电力系统的机电暂态网络和电磁暂态网络的分割方式；

图5示出了机电暂态仿真器和电磁暂态仿真器的信息交换的基本时序图；

图6示出了机电/电磁暂态接口所执行的操作的流程图；

图7(a)示出了无故障平稳状态下机电暂态仿真器的计算电路；

图7(b)示出了无故障平稳状态下电磁暂态仿真器的计算电路；

图8(a)示出了对称故障状态下机电暂态仿真器的计算电路；

图8(b)示出了对称故障状态下电磁暂态仿真器的计算电路；

图9(a)示出了不对称故障状态下机电暂态仿真器的计算电路；

图9(b)示出了不对称故障状态下电磁暂态仿真器的计算电路；

图10(a)示出了线路i-j的中间点发生短路故障的情况；

图10(b)示出了图10(a)所示的故障线路的等值线路；

图11示出了根据本发明的电力系统数字仿真装置的机电暂态子机与物理装置之间的连接示意图。

具体实施方式

电力系统仿真通常包括对电力系统的电磁暂态和机电暂态过程的仿真。

在电力系统发生扰动后，将产生复杂的机电暂态过程和电磁暂态过程，前者主要指由于发电机和电动机电磁转矩的变化所引起的电机转子机械运动的变化过程，后者则指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程。虽然机电暂态过程和电磁暂态过程同时发生并且相互影响，但是这两个暂态过程的变化速度相差很大，在工程上通常近似地对它们分别进行分析。

电力系统机电暂态过程的仿真主要用于分析电力系统的稳定性，即用来分析当电力系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态的问题。这类现象变化过程的持续时间常常在几秒到十几秒，系统频率变化不大。在交流稳态分析中，将网络中的支路电流和电压等变量变换成为复数相量，将网络各支路元件都代以它们的复数阻抗或导纳。机电暂态的仿真实际上是交替求解如下两组方程，即1)描述原动机调速系统、发电机、励磁系统、PSS等元件动态过程的微分方程求解，2)描述电网中母线和线路元件关系的网络代数方程求解。

机电暂态的仿真对象通常是大规模电力系统，其规模可以从几千到上万个母线和支路。通常，当仿真规模超过仿真装置(或软件)的能力时，就要对所要仿真的电力系统进行电路等值和简化。这样，就会增加工作量，还会影响局部网络计算结果的精确度。如果能将大规模的电力系统分割成若干小规模的电力系统，对各个小规模的电力系统并行计算，完成整个网络的仿真求解，就可以解决此问题。电力系统分解和并行计算的方法一直是电力系统仿真领域关注的课题，现代计算机技术的发展为实现大规模并行计算提供了可能。

机电暂态时域数字仿真的计算步长常常取10毫秒左右。

电磁暂态过程仿真的主要目的在于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便根据所得到的暂态过电压和过电流对相关电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。此外，对于研究新型快速继电保护装置的动作原理，故障点探测原理及电磁干扰等问题，也常需进行电磁暂态过程分析。由于电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况，因此，分析中需要考虑元件的非线性、电磁耦合、计及输电线路分布参数所引起的波过程，还要考虑线路三相结构的不对称、线路参数的频率特性以及电晕等因素的影响。这类电力系统现象变化快，持续时间短，而急剧变化过程中系统频率往往由正常的几十赫兹变化到几千赫兹。因此，在电磁暂态仿真中通常采用时域分析计算。电磁暂态仿真表现为微分方程的求解。由于在电力系统电磁暂态仿真中所用的数学模型非常复杂，需要求解微分方程也非常复杂，因而电力系统的电磁暂态仿真的规模受到一定限制，通常不超过几十个母线节点或线路。为了扩大电磁暂态的仿真规模，进行电力系统分网和并行计算是可行的途径。

电磁暂态的数字仿真的计算步长常常取20-200微秒，典型的计算步长是50微秒。

如上所述，用于电力系统机电暂态过程和电磁暂态过程的仿真模型和仿真方法有很大差别，计算步长相差10倍以上。在现实中，往往在对全系统进行机电暂态过程仿真的同时，希望对局部网络或元件作电磁暂态分析，即在一次仿真过程中，同时实现机电暂态和电磁暂态的仿真，这就涉及机电暂态仿真和电磁暂态仿真的接口技术。

对于大规模电力系统，为了同时实现机电暂态和电磁暂态的仿真，四个方面的技术问题必须解决：其一，机电暂态网络的分割和并行计算方法；其二，电磁暂态网络的分割和并行计算方法；其三，机电暂态计算和电磁暂态计算的接口方法；其四，机电暂态和电磁暂态各机群内部节点机之间的同步，以及机电暂态计算和电磁暂态计算两个机群之间的同步。

根据本发明的电力系统数字仿真装置就很好地将电力系统的机电暂态仿真和电磁暂态仿真结合起来，较好地解决了机电暂态仿真和电磁暂态仿真的接口问题。

图1是根据本发明的电力系统数字仿真装置的示意图，表示了根据本发明的电力系统数字仿真装置的各个部分之间的连接关系。

如图1所示，根据本发明的电力系统数字仿真装置主要包括一个控制装置10、机电暂态仿真器20、电磁暂态仿真器30和机电/电磁暂态接口80。控制装置10用于进行数据输入、网络分割、任务分配、输出设置、自定义模型输入等并发布控制命令等。机电暂态仿真器20用于响应从控制装置10输入的参数和控制命令，实时计算目标电力系统的机电暂态过程，而电磁暂态仿真器30用于响应从控制装置10输入的参数和控制命令，实时计算该电力系统的电磁暂态过程。机电/电磁暂态接口80用于实现电力系统中机电暂态网络和电磁暂态网络仿真计算的同步信息传递和联合计算。当然，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30可以单独运行，也可以联合计算。

根据本发明的电力系统数字仿真装置还可以包括用户自定义模型接口40，用于在机电暂态仿真器20和/或电磁暂态仿真器30与用户自定义模型之间建立适当的连接。

根据本发明的电力系统数字仿真装置还可以包括物理装置接口50，用于将一些物理装置，如：继电保护装置、自动控制设备、新型电力系统装置和一般通用控制装置连接到根据本发明的电力系统仿真装置的机电暂态仿真器20和/或电磁暂态仿真器30，进行电力系统闭环仿真。该物理装置接口50是一种物理接口，其详细描述见下文。

根据本发明的电力系统数字仿真装置还可以包括用于将调度自动化系统SCADA/EMS连接到控制装置10的SCADA/EMS接口60。调度自动化系统SCADA/EMS的实时数据，可以通过该SCADA/EMS接口60进行数据转换后传递给控制装置10，从而能够实现大规模电力系统的在线实时计算。

具体说来，来自于SCADA/EMS的实时数据通过SCADA/EMS接口60传送给控制装置10，再由控制装置10发送给机电暂态仿真器20。所述电网实时数据按设定的时间间隔更新，并即时反映在控制装置10的显示屏(未示出)的单线图上。

根据本发明的电力系统数字仿真装置还可以包括MATLAB接口70，用于将商用软件MATLAB与机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30连接，使得该电力系统数字仿真装置能够与商用软件MATLAB进行联合计算，增强了通用性。

图2是根据本发明的电力系统数字仿真装置的信息传输示意图，示出了该电力系统数字仿真装置的信息传递及工作流程。如图2所示，控制装置10包括一个总控制台11、一个机电暂态控制台12和一个电磁暂态控制台13。用户通过控制装置10实现原始数据的输入、网络的分割以及对机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30的控制。

从图2可以看出，SCADA/EMS接口60与总控制台11连接，用于接受来自于SCADA/EMS的实时数据。

机电暂态仿真器20包括机电暂态主机21和多个机电暂态子机211、212、...21n，机电暂态主机21和多个机电暂态子机211、212、...21n之间通过网络相联，完成它们之间的通信、控制和同步。电磁暂态仿真器30包括电磁暂态主机31和多个电磁暂态子机311、312、...31m，电磁暂态主机31和多个电磁暂态子机311、312、...31m之间也通过网络相联，完成它们之间的通信、控制和同步。

物理装置接口50根据需要与各个机电暂态子机211、212、...21n和/或各个电磁暂态子机311、312、...31m连接，用于连接需要进行仿真的物理装置。

下面详细描述根据本发明的电力系统数字仿真装置的操作过程。

在对目标电力系统进行仿真之前，用户从控制装置10中的总控制台11输入该电力系统的原始数据。然后，通过总控台11将机电暂态网络的计算任务分配给机电暂态控制台12，将电磁暂态网络的计算任务分配给电磁暂态控制台13。在机电暂态控制台12上进行机电暂态网络的分割，而在电磁暂态控制台13上进行电磁暂态网络的分割。以上所述的网络分割可以手工进行，也可以通过程序自动完成。

当在控制装置10上完成了整个计算任务的初始条件的建立、任务分配和网络分割后，由总控制台11发令，启动仿真运算过程。之后，机电暂态控制台12和电磁暂态控制台13分别将任务下发到机电暂态主机21和电磁暂态主机31，由它们将计算任务分别分配给各机电暂态子机211～21n和电磁暂态子机311～31m，并控制机电暂态主机21、机电暂态子机211～21n、机电/电磁暂态接口80、电磁暂态主机31和电磁暂态子机311～31m之间的协调，从而完成整个计算任务。

对于机电暂态仿真器20来说，机电暂态主机21可以由集群机中的任一PC节点担当；另外n个PC节点机作为机电暂态子机211～21n，负责执行网络分割后的子任务，这n个子机可以包括分别与用户自定义模型和MATLAB模型连接的UD子机和MATLAB子机，用于进行用户自定义模型的仿真和MATLAB模型的联合仿真。同时，任何一台子机都可通过通用I/O接口与物理装置相连。

同样，对于电磁暂态仿真器30来说，电磁暂态主机31也可以由集群机中的任一PC节点机担当；另外m个PC节点机作为电磁暂态子机311～31m，负责执行网络分割后的子任务，这m个子节点机可以包括分别与用户自定义模型和MATLAB模型连接的UD子机和MATLAB子机，用于进行用户自定义模型的仿真和MATLAB模型的联合仿真。同时，任何一台子节点机都可通过通用I/O接口与物理装置相连。

通过网络分割的方法已经将整个计算任务分成若干个子任务，并将这些子任务分配到各个子机上进行运算。为了使网络分割后对各个子任务并行计算的各个子进程的总效果等价于不进行网络分割的仿真进程，就需要保持机电暂态主机21、机电暂态子机211～21n、机电/电磁暂态接口80、电磁暂态主机31和电磁暂态子机311～31m之间计算的同步。根据本发明的电力系统数字仿真装置采用了数据同步的方式，实现了这些装置并行计算的同步。各机电暂态子机或电磁暂态子机间以及机电暂态和电磁暂态计算主机之间的连接均通过Myrinet/Ethernet局域网完成，进行同步信号的接收和数据传送。

下面详细介绍根据本发明的电力系统数字仿真装置所采用的仿真方法。

根据本发明的电力系统数字仿真装置所采用的机电暂态网络的并行计算方法为：首先，将目标电力系统的机电暂态网络通过节点分裂或支路分割的方法分为若干机电暂态子网，将各机电暂态子网间的联络节点、各机电暂态子网中的故障点和机电暂态网络与电磁暂态网络的边界点作为端口点，形成各子网的多端口等值导纳矩阵和等值电流源矩阵，通过联络线方程联系起来统一求解，称之为边界条件的计算。然后，将计入联网、故障和电磁暂态网络这三种因素综合求解后所得的端口电压，分发给各个子网，由各子网求解由于联网、故障和电磁暂态网络所产生的注入电流，以便求出各子网之间的联络线的电流，将其代入各子网的方程独立求解机电暂态网络的各节点电压。

具体来说，首先将一个大规模目标电力系统的机电暂态网络在机电暂态控制台12中由操作人员手动或通过程序自动分割成若干机电暂态子网。然后，将分割后的机电暂态子网信息发送到机电暂态主机21，由机电暂态主机21将各个机电暂态子网的计算任务分配到相应的机电暂态子机211-21n中，每个机电暂态子机211-21n负责一个机电暂态子网的机电暂态计算。

在各机电暂态子机211-21n中，将各机电暂态子网之间的联络点、各机电暂态子网中的故障点和机电暂态网络与电磁暂态网络的边界点作为端口点，分别形成各机电暂态子网的多端口等值导纳矩阵和等值电流源矩阵。然后在机电暂态主机21中利用边界条件，求得计入联网、故障和电磁暂态网络这三种因素后电力系统的所有机电暂态子网的上述端口点的端口点电压，并将此电压分发到各机电暂态子网对应的机电暂态子机211-21n中。在此之后在各机电暂态子机211-21n中求解各机电暂态子网的微分方程以及各机电暂态子网的网络方程，从而求取电力系统的各节点的正序、负序和零序电压以及所述机电暂态与电磁暂态边界点的正序、负序和零序电势，求出机电暂态网络各节点的实际电压。

在计算过程中，各机电暂态子机211-21n的运算结果实时发送到机电暂态主机21，经过机电暂态主机21处理后送到机电暂态控制台12输出。

其次，介绍一下电力系统的电磁暂态仿真过程。如图2所示，先将一个目标电力系统的电磁暂态网络在电磁暂态控制台13中由操作人员手动或通过程序自动分割成若干电磁暂态子网。然后，将分割后的电磁暂态子网的信息发送到电磁暂态主机31，由电磁暂态主机31将各个电磁暂态子网的计算任务分配到相应的电磁暂态子机311-31m中。每个电磁暂态子机311-31m负责一个电磁暂态子网的电磁暂态计算。

首先将各电磁暂态子网之间的联络点和所述电磁暂态网络和所述机电暂态网络的边界点作为端口点，在各电磁暂态子机311-31m中分别形成各电磁暂态子网的等值电导矩阵和等值电流源矩阵。然后根据电磁暂态网络的分网情况，在电磁暂态主机31中形成描述各电磁暂态子网之间的连接情况的降阶方程，并求解该降阶方程，得到电力系统的所述电磁暂态网络的各子网之间的联络线电流，并将该电流分发到各子网对应的电磁暂态子机311-31m中。在此之后，在各电磁暂态子机311-31m中求解各电磁暂态子网的微分方程和各电磁暂态子网的网络方程，求取所述电力系统的电磁暂态网络各节点的A相、B相和C相电压瞬时值，求取所述电磁暂态网络与所述机电暂态网络的边界点的三相注入电流在过去一个周波内的点的序列。

由于这时各个电磁暂态子机311-31m进行的计算中已经计入了联络线电流，因此，各个电磁暂态子机311-31m独立计算所得的节点电压就是电磁暂态总网络各节点的实际电压。计算过程中，各个电磁暂态子机311-31m的运算结果实时发送到电磁暂态主机31，经过电磁暂态主机31处理后送到电磁暂态控制台13输出。

假设将目标电力系统W分为三个电磁暂态子网A、B、C，如图3所示。

电磁暂态子网A、B、C的网络方程分别为：

Y_AV_A+p_ABi_α-p_ACi_γ＝h_A                           (1)

Y_BV_B-p_BAi_α+p_BCi_β＝h_B                           (2)

Y_CV_C+p_CAi_γ-p_CB_iβ＝h_C                           (3)

其中，标号Y_A、Y_B、Y_C分别为电磁暂态子网A、B、C的导纳矩阵，标号V_A、V_B、V_C分别为电磁暂态子网A、B、C的节点电压相量，标号h_A、h_B、h_C分别为电磁暂态子网A、B、C的等值电流源，标号i_α、i_β、i_γ表示电磁暂态子网A、B、C之间的联络线电流向量，标号P_AB、P_AC为反映电磁暂态子网A中某些节点与连线电流向量i_α、i_γ的关联关系的关联阵，P_BA、P_BC为反映电磁暂态子网B中某些交流节点与联络

线电流i_α、i_β向量关联关系的关联阵，P_CB、P_CA为反映电磁暂态子网C中某些交流节点与联络线电流i_β、i_γ向量关联关系的关联阵，P_AB、P_AC、P_BA、P_BC、P_CB、P_CA中的元素非0即1。

另外，需要注意的是，在以上目标电力系统的分割过程中，一个目标电力系统被分割为三个电磁暂态子网，其分割点的选取是任意的。因为，在分割时采取的是“点的分割”，而不是“线的分割”原则。也就是说，假设需要在节点m处将网络W分割为两个电磁暂态子网D和E，那么将节点m一分为二。结果是，在电磁暂态子网D中有m点，同时在电磁暂态子网E中也有m点。在这样的分网原则下，电磁暂态子网D和E之间的联络线的阻抗为0。

对于子网间联络线[α]、[β]、[γ]，其线路方程为：

$p_{\mathrm{AB}}^T{V}_A-p_{\mathrm{BA}}^T{V}_B=0...\left(4\right)$

$p_{\mathrm{BC}}^T{V}_B-p_{\mathrm{CB}}^T{V}_C=0...\left(5\right)$

$p_{\mathrm{CA}}^T{V}_C-p_{\mathrm{AC}}^T{V}_A=0...\left(6\right)$

将以上方程(1)-(6)联立，可得增广方程如下：

$\left[\begin{array}{ccccccc}{Y}_A& & & |& p_{\mathrm{AB}}& 0& -p_{\mathrm{AC}}\\ & Y_B& & |& -p_{\mathrm{BA}}& p_{\mathrm{BC}}& 0\\ & & Y_C& |& 0& {-p}_{\mathrm{CB}}& p_{\mathrm{CA}}\\ ----& ----& ----& --|--& ----& ----& ----\\ p_{\mathrm{AB}}^T& -p_{\mathrm{BA}}^T& 0& |& 0& & \\ 0& p_{\mathrm{BC}}^T& -p_{\mathrm{CB}}^T& |& & 0& \\ -p_{\mathrm{AC}}^T& 0& p_{\mathrm{CA}}^T& |& & & 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_A\\ V_B\\ V_C\\ ---\\ i_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_A\\ h_B\\ h_C\\ ----\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]...\left(7\right)$

将上式降阶简化可得：

$\left[\begin{array}{ccc}{p}_{\mathrm{AB}}^T{Y}_A^{-1}{p}_{\mathrm{AB}}+p_{\mathrm{BA}}^T{Y}_B^{-1}{p}_{\mathrm{BA}}& -p_{\mathrm{BA}}^T{Y}_B^{-1}{p}_{\mathrm{BC}}& -P_{\mathrm{AB}}^T{Y}_A^{-1}{p}_{\mathrm{AC}}\\ -p_{\mathrm{BC}}^T{Y}_B^{-1}{p}_{\mathrm{BA}}& p_{\mathrm{BC}}^T{Y}_B^{-1}{p}_{\mathrm{BC}}+p_{\mathrm{CB}}^T{Y}_C^{-1}{p}_{\mathrm{CB}}& {-p}_{\mathrm{CB}}^T{Y}_C^{-1}{p}_{\mathrm{CA}}\\ {-p}_{\mathrm{AC}}^T{Y}_A^{-1}{p}_{\mathrm{AB}}& -p_{\mathrm{CA}}^T{Y}_C^{-1}{p}_{\mathrm{CB}}& p_{\mathrm{AC}}^T{Y}_A^{-1}{p}_{\mathrm{AC}}+p_{\mathrm{CA}}^T{Y}_A^{-1}{p}_{\mathrm{CA}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{AB}}^T{Y}_A^{-1}{h}_A-p_{\mathrm{BA}}^T{Y}_B^{-1}{h}_B\\ p_{\mathrm{BC}}^T{Y}_B^{-1}{h}_B-p_{\mathrm{CB}}^T{Y}_C^{-1}{h}_C\\ p_{\mathrm{CA}}^T{Y}_C^{-1}{h}_C-p_{\mathrm{AC}}^T{Y}_A^{-1}{h}_A\end{array}\right]---\left(8\right)$

解以上降阶方程可得联络线电流相量i_α、i_β、i_γ，将其代入方程式(1)-(3)，0便可得出各个电磁暂态子网的节点的电磁暂态电压了。

电力系统机电暂态计算和电磁暂态计算之间进行接口的目的是为了使仿真过程中机电暂态的计算信息和电磁暂态的计算信息能够实时相互交换，以便使机电暂态网络和电磁暂态网络的仿真能够在一次仿真计算过程中完成。

图4示出了目标电力系统的机电暂态网络和电磁暂态网络的分割方式。如图4所示，该目标电力系统在节点1和5处被分割成两部分，包括节点2、3、4的网络为机电暂态网络，而包括节点6、7、8的网络为电磁暂态网络。

在机电暂态仿真器20中进行机电暂态计算所用的步长大，而在电磁暂态仿真器30中进行电磁暂态计算所用的步长小。因此，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30之间的数据交换是通过机电/电磁暂态接口80以机电暂态计算所用的步长为单位进行的。例如：机电暂态计算所用的步长为0.01秒，电磁暂态计算所用的步长为0.001秒(机电暂态计算步长是电磁暂态计算步长的10倍)。那么，通过机电/电磁暂态接口80，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30之间的数据交换每隔0.01秒进行一次。也就是说，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30每隔0.01秒进行数据交换时，机电暂态仿真器20进行了1步计算，而电磁暂态仿真器30则进行了10步计算。

通过机电/电磁暂态接口80，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30的信息交换的基本时序如图5所示。其中，图面上方的直线表示的是机电暂态计算的时序，图面下方的直线表示的是电磁暂态计算的时序，而箭头表示机电暂态仿真器20与电磁暂态仿真器30之间数据交换的方向，指向图面右下方的箭头表示机电暂态仿真器20向电磁暂态仿真器30发送数据，而指向图面右上方的箭头表示电磁暂态仿真器30向机电暂态仿真器20发送数据。

如上所述，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30之间的数据交换是通过机电/电磁暂态接口80实现的。机电/电磁暂态接口80的操作由控制装置10控制。

图6示出了机电/电磁暂态接口80所执行的操作的流程图。

如图6所示，机电/电磁暂态接口80在控制装置10的控制下，根据GPS时钟判断是否到达数据交换时刻(步骤101)。如果判断结果为“否”，继续等待，如果判断结果为“是”，则机电/电磁暂态接口80首先从机电暂态仿真器20读取从边界点向机电暂态网络看过去的机电暂态网络的正、负、零序等值电势E(1)，E(2)，E(0)和正、负、零序等值阻抗Z(1)，Z(2)，Z(0)(都为复数相量形式)(步骤102)，然后将该正、负、零序等值电势E(1)，E(2)，E(0)和正、负、零序等值阻抗Z(1)，Z(2)，Z(0)进行数学变换，变换成A、B、C三相形式的电流I(a)，I(b)，I(c)与A、B、C三相形式的导纳Y(a)，Y(b)，Y(c)(步骤103)，再将电流I(a)，I(b)，I(c)和导纳Y(a)，Y(b)，Y(c)送入电磁暂态仿真器30中进行电磁暂态联合计算(步骤104)。

另一方面，机电/电磁暂态接口80还要从电磁暂态仿真器30读取电磁暂态网络中与边界点相连的支路上流过的A、B、C三相电流i(a)，i(b)，i(c)在过去一个周波内的点的序列(步骤105)，通过傅立叶变换，将i(a)，i(b)，i(c)转换成边界点注入电流的正、负、零序相量i(1)，i(2)，i(0)(步骤106)，然后将所得到的边界点注入电流的正、负、零序相量i(1)，i(2)，i(0)送入机电暂态仿真器20进行机电暂态和电磁暂态联合计算(步骤107)。

完成一次数据交换后，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30分别继续进行下一个时步的计算。

假设机电暂态仿真器所用的步长为0.01秒，电磁暂态仿真器所用的步长为0.001秒，那么在时刻0秒、0.01秒、0.02秒......时，机电暂态仿真器20的某一机电暂态子机与电磁暂态主机30通过机电/电磁暂态接口80以及通信网络进行数据交换。之后，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30继续进行下一时步各自的计算。

关于电磁暂态仿真器20和机电暂态仿真器30实现数据交换的原理是这样的：为了使正常状态下机电暂态-电磁暂态联合计算时数据计算的工作量小(实时要求)，并且故障状态下能迅速反映故障情况，可以分三种情况分别考虑：无故障平稳状态、对称故障状态、不对称故障状态。

无故障平稳状态是指稳定运行状态。这时，为了简化计算、加快仿真速度，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30的数据交换可采用如下的形式：机电暂态仿真器20向电磁暂态仿真器30传送边界点的正序电压V(1)，电磁暂态仿真器30向机电暂态仿真器20传送边界点的正序阻抗Ze(1)。这样，机电暂态仿真器20的计算电路如图7(a)所示，从机电暂态网络这一侧看过去，电磁暂态网络等值成一个串联阻抗Z_e ⁽¹⁾的形式；电磁暂态仿真器30的计算电路如图7(b)所示，从电磁暂态网络这一侧看过去，机电暂态网络等值成一个串联的电压源V⁽¹⁾。

对称故障状态是指系统发生对称性故障后的运行状态，如三相短路故障、三相断线故障等。故障点可以在机电暂态网络侧，也可以在电磁暂态网络侧。这种情况下，为了使得任一部分发生的故障能在另一部分中即时体现，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30的数据交换可采用如下的形式：在故障初期机电暂态仿真器20向电磁暂态仿真器30传送从边界点向机电暂态网络看过去的等值电路的正序等值电势E⁽¹⁾和正序等值阻抗Zp⁽¹⁾(如果为多端连接则为正序等值阻抗矩阵，在故障持续期间，因网络结构不变只需传送一次)，电磁暂态仿真器30向机电暂态仿真器20传送边界点的正序阻抗Ze⁽¹⁾；在一定时间后机电暂态仿真器20向电磁暂态仿真器30传送边界点的正序电压V⁽¹⁾，电磁暂态仿真器30向机电暂态仿真器20传送边界点的正序阻抗Ze⁽¹⁾。这样，机电暂态仿真器20的计算电路如图8(a)所示。从机电暂态网络这一侧看过去，电磁暂态网络等值成一个串联阻抗Ze⁽¹⁾的形式；电磁暂态计算装置的计算电路如图8(b)所示，从电磁暂态网络这一侧看过去，机电暂态网络等值成一个串联的电压源V⁽¹⁾和阻抗Zp⁽¹⁾的形式。

不对称故障状态是指系统发生不对称故障后的运行状态，如单相短路故障、两相接地故障等。当不对称故障发生时，电磁暂态仿真器30向机电暂态仿真器20传送边界点的正、负、零序电流I⁽¹⁾、I⁽²⁾、I⁽⁰⁾，机电暂态仿真器20向电磁暂态仿真器30传送边界点的正、负、零序等值电势E⁽¹⁾、E⁽²⁾、E⁽⁰⁾和等值阻抗阵Ze⁽¹⁾、Ze⁽²⁾、Ze⁽⁰⁾，直至不对称故障清除。这样，机电暂态仿真器20的计算电路如图9(a)所示，从机电暂态网络这一侧看过去，电磁暂态网络等值成一个正负零序都串联联接的电流源I⁽¹⁾、I⁽²⁾、I⁽⁰⁾的形式；而电磁态计算装置30的计算电路如图9(b)所示，从电磁暂态网络这一侧看过去，机电暂态网络等值成一个正负零序都串联联接的等值电势E⁽¹⁾、E⁽²⁾、E⁽⁰⁾和等值阻抗阵Ze⁽¹⁾、Ze⁽²⁾、Ze⁽⁰⁾的形式。

由于根据本发明的电力系统仿真装置是通过机电暂态仿真器20的集群机组和电磁暂态仿真器30的集群机组并行协同工作来完成整个电力系统仿真任务的，因此，仿真过程中机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30之间时钟的同步，机电暂态仿真器20内部的机电暂态主机21和机电暂态子机211-21n之间，以及电磁暂态仿真器30内部的电磁暂态主机31和电磁暂态子机311-31m之间的时钟同步显得尤为重要。

对于机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30之间时钟的同步，可以通过GPS时钟将机电暂态主机21和电磁暂态主机31进行校准。

而对于机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30内部的同步，根据分网并行计算方法，不论是机电暂态的计算还是电磁暂态的计算，在每个时步的计算中，都需要其主机首先进行边界条件的计算或联络线电流的计算，然后各子机才能结合这些信息进行各个子网的独立计算。因此，机电暂态仿真器20和电磁暂态仿真器30内部的同步可以通过机电暂态主机21和电磁暂态主机31发出的同步信号协调进行。

另一方面，由于电磁暂态仿真器30所用的步长小，在每次与机电暂态仿真器20进行数据交换的时间段内，电磁暂态仿真器30内部仍需要进行多次计算，在这个多次计算过程中，由电磁暂态主机31的计算机时钟控制每步计算时刻即可。

为了加快计算速度，保证计算的实时性，在利用上述机电暂态仿真器20中采用了一种“不加点处理故障”的方法。传统仿真计算中，如果需要模拟故障的发生，必须在仿真进行前预设故障点和故障方式，仿真处理时，故障点以及故障线路两侧的开关节点都需要作为新增节点参与计算，因此，仿真系统节点增加、规模扩大，并且，故障方式必须预先设定。

本发明的电力系统数字仿真装置在进行机电暂态网络的故障处理时，利用了如下的叠加方法：

假设在节点i、j之间的线路i-j中间点2发生短路故障，如图10(a)所示，那么，该故障线路i-j就可以等值成一条原始线路(导纳为y)加一条故障线路的形式，如图10(b)所示，故障线路由一条导纳为-y的正常线路和一条加有开关、故障点的线路并联而成，其中标号2表示故障点，标号1和3分别表示故障线路i-j的断路器跳闸之后的两个端点。

在线路i-j无故障时，按照原始线路拓扑结构和线路导纳形成全系统的等值导纳阵；发生故障时，首先形成故障线的等值导纳矩阵如下：

然后，在故障点2接入故障，对Y_line进行修正，得到Y_faline

$Y_{\mathrm{faline}}=\left[\begin{array}{ccccc}{Y}_{11}^{*}& Y_{12}& & & Y_{1i}^{*}\\ Y_{21}& Y_{22}^{*}& Y_{23}& & \\ & Y_{32}& Y_{33}^{*}& & Y_{3j}^{*}\\ Y_{\mathrm{il}}^{*}& & & Y_{\mathrm{ii}}^{*}& Y_{\mathrm{ij}}\\ & & Y_{j3}^{*}& Y_{\mathrm{ji}}& Y_{\mathrm{jj}}^{*}\end{array}\right]$

消去新增节点1、2、3，收缩为i，j两点的二阶阵 $\left[\begin{array}{cc}{Y}_{\mathrm{ii}}^{*}& Y_{\mathrm{ij}}^{*}\\ Y_{\mathrm{ji}}^{*}& Y_{\mathrm{jj}}^{*}\end{array}\right]$ 后，将收缩后的二阶阵接入子网等值导纳矩阵相应位置就形成了故障时刻导纳阵。

由上可知，采用以上方法处理故障时，系统等值导纳矩阵的阶数、结构并未改变，仅仅在故障时刻对相关导纳值进行修改即可。这样，一方面故障地点和故障方式可以任意，使得故障的仿真非常灵活；另一方面，由于节点数目与正常无故障时相比并未增加，因此，仿真速度得到提高。

图11示出了根据本发明的电力系统数字仿真装置的机电暂态子机与物理装置之间的连接示意图。电磁暂态子机与物理装置之间的连接与之相同，不再赘述。根据本发明的电力系统数字仿真装置与物理装置之间的连接通过具有数-模、模-数、数-数转换功能的物理接口和放大器实现。

如图11所示，机电暂态子机将实时仿真的数字信号和开关信号分别通过PCI总线的D/A转化卡91和PCI总线的I/O转换卡92，转换成模拟信号，然后再通过接口放大器93，送入物理装置94。物理装置94对输入的数字信号做出反应后，将反馈的模拟信号和开关信号再通过PCI总线的A/D转化卡95和PCI总线的I/O转换卡92，转换成数字信号，送入与之联接的机电暂态子机中，完成整个闭环仿真。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述。应该注意的是，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的精神的前提下，本领域技术人员能够进行多种修改和变更。

Claims (11)

1.一种电力系统数字仿真装置，包括：

一个控制装置(10)，用于输入一个电力系统的仿真数据，将所述电力系统的机电暂态网络和电磁暂态网络分别分割为多个机电暂态子网和多个电磁暂态子网，以及发布控制命令；

一个机电暂态仿真器(20)，用于接收利用所述控制装置(10)输入的所述电力系统的机电暂态网络数据并响应所述控制装置(10)发布的控制命令，计算所述电力系统的机电暂态过程；

一个电磁暂态仿真器(30)，用于接收利用所述控制装置(10)输入的所述电力系统的电磁暂态网络数据并响应所述控制装置(10)发布的控制命令，计算所述电力系统的电磁暂态过程；

其特征在于，所述电力系统数字仿真装置还包括：

一个机电/电磁暂态接口(80)，用于进行所述机电暂态仿真器(20)和所述电磁暂态仿真器(30)之间的仿真数据的转换和传递，以便实现对所述电力系统的机电暂态过程和电磁暂态过程的联合仿真。

2.如权利要求1所述的电力系统数字仿真装置，其中，所述机电/电磁暂态接口(80)以如下方式在所述机电暂态仿真器(20)和所述电磁暂态仿真器(30)之间进行仿真数据的转换和传递：

从所述机电暂态仿真器(20)接收所述机电暂态网络和所述电磁暂态网络相接的边界点的正、负、零序等值电势和正、负、零序等值阻抗，并将其变换成三相形式的电流和导纳，然后将变换后的三相电流和导纳送入所述电磁暂态仿真器(30)中；

从所述电磁暂态仿真器(30)读取所述机电暂态网络和所述电磁暂态网络的边界点的三相注入电流在过去一个周波内的点的序列，通过傅立叶变换，将所述三相注入电流转换成正、负、零序电流相量，并将其送入所述机电暂态仿真器(20)中。

3.如权利要求1或2所述的电力系统数字仿真装置，其中，所述机电暂态仿真器(20)包括一个机电暂态主机(21)和多个机电暂态子机(211-21n)，所述机电暂态主机(21)响应所述控制装置(10)发布的控制命令，将各个机电暂态子网的计算任务分配到相应的所述机电暂态子机(211-21n)中，每个所述机电暂态子机(211-21n)负责一个机电暂态子网的机电暂态计算。

4.如权利要求1或2所述的电力系统数字仿真装置，其中，所述电磁暂态仿真器(30)包括一个电磁暂态主机(31)和多个电磁暂态子机(311-31m)，所述电磁暂态主机(31)响应所述控制装置(10)发布的控制命令，将各个电磁暂态子网的计算任务分配到相应的所述电磁暂态子机(311-31m)中，每个所述电磁暂态子机(311-31m)负责一个电磁暂态子网的电磁暂态计算。

5.如权利要求3所述的电力系统数字仿真装置，其中，所述机电暂态仿真器(20)执行如下计算：

将所述各机电暂态子网之间的联络点、所述各机电暂态子网中的故障点和所述机电暂态网络和所述电磁暂态网络的边界点作为端口点，在所述各机电暂态子机(211-21n)中分别形成所述各机电暂态子网的多端口等值导纳矩阵和等值电流源矩阵；

在所述机电暂态主机(21)中求得所述电力系统的所有机电暂态子网的上述端口点的端口点电压，并将此电压分发到各子网对应的机电暂态子机(211-21n)中去；

在所述各机电暂态子机(211-21n)中求解各机电暂态子网的微分方程；

在所述各机电暂态子机(211-21n)中求解各机电暂态子网的网络方程，求取所述电力系统的各节点的正序、负序和零序电压和所述机电暂态网络与所述电磁暂态网络的边界点的正序、负序和零序电势。

6.如权利要求4所述的电力系统数字仿真装置，其中，所述电磁暂态仿真器(30)执行如下计算：

将所述各电磁暂态子网之间的联络点和所述电磁暂态网络和所述机电暂态网络的边界点作为端口点，在所述各电磁暂态子机(311-31m)中分别形成所述各电磁暂态子网的等值电导矩阵和等值电流源矩阵；

根据所述电磁暂态网络的分网情况，在所述电磁暂态主机(31)中形成描述各电磁暂态子网之间的连接情况的降阶方程，并求解该降阶方程，得到所述电力系统的所述电磁暂态网络的各子网之间的联络线电流，并将该电流分发到各子网对应的电磁暂态子机(311-31m)中；

在所述各电磁暂态子机(311-31m)中求解各电磁暂态子网的微分方程；

在所述各电磁暂态子机(311-31m)中求解各电磁暂态子网的网络方程，求取所述电力系统的电磁暂态网络各节点的A相、B相和C相电压瞬时值，求取所述电磁暂态网络与所述机电暂态网络的边界点的三相注入电流在过去一个周波内的点的序列。

7.如权利要求1或2所述的电力系统数字仿真装置，其中，还包括至少一个用户自定义模型接口(40)，用于将用户自定义模型与所述机电暂态仿真器(20)连接，进行用户自定义模型的仿真。

8.如权利要求1或2所述的电力系统数字仿真装置，其中，还包括至少一个用户自定义模型接口(40)，用于将用户自定义模型与所述电磁暂态仿真器(30)连接，进行用户自定义模型的仿真。

9.如权利要求3所述的电力系统数字仿真装置，其中，还包括至少一个物理装置接口(50)，用于将物理装置与所述机电暂态子机(211-21n)连接，进行物理装置的闭环仿真。

10.如权利要求4所述的电力系统数字仿真装置，其中，还包括至少一个物理装置接口(50)，用于将物理装置与所述电磁暂态子机(311-31m)连接，进行物理装置的闭环仿真。

11.如权利要求1或2所述的电力系统数字仿真装置，其中，还包括至少一个SCADA/EMS接口(60)，用于将SCADA/EMS系统与所述控制装置(10)连接，以接收电网实时数据。

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