[发明专利]基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统数字仿真分析，具体讲，涉及基于树形分层双向迭代的电力系统数字混合仿真方法。

背景技术

现有电力系统数字仿真分析软件一般分为电磁暂态分析软件和机电暂态分析软件(TSP)。基于基波、单相和相量模拟技术的电力系统机电暂态仿真程序不能仿真高压直流(HVDC)和柔性交流输电系统(FACTS)等电力电子装置的快速暂态特性和这些非线性元件引起的波形畸变特性。它假定传输系统工作在正弦稳态下，只考虑发电机和负荷的动态，而忽略了HVDC和FACTS等快速控制器件的内部动态特性，对HVDC和FACTS的模拟采用的是准稳态模型。而电磁暂态仿真程序，如目前国内最常用的PASCAD/EMTDC程序，基于ABC三相瞬时值表示，对电力电子设备的仿真使用详细的器件级模型，适于仿真FACTS和HVDC系统及其控制器的快速暂态特性、故障后系统电压、电流的恢复特性以及电力电子器件内部故障。但电磁暂态仿真程序受模型与算法的限制，其仿真规模不大。为弥补上述不足，将两者联系的混合仿真技术一直是电力系统仿真领域研究的重点和难点。

当前电力系统区域互联规模日趋庞大，区域间关联增强，众多大功率电力电子设备在HVDC和FACTS中的应用，使得反映不同物理特征的动态过程相互交织在一起。电力系统发展的新形势要求在仿真过程中既能够模拟大规模互联系统的机电暂态过程，又能够模拟局部响应快速的电磁暂态过程；同时对准确模拟区域电网之间、大区与局部系统之间的相互作用也提出更高要求。

为满足实时仿真的需要，电力系统数字仿真必须在现有经典模型和算法的基上研究能够加快仿真速度的新方法。总结近年来国内外学者的研究成果主要有以下几方面：

(1)大规模电力系统的网络方程涉及高维稀疏线性方程组的计算，充分利用电力系统网络稀疏性，采用稀疏技术。

(2)仿真开始前，对系统所有可能的拓扑结构变化带来的电导矩阵的变化进行统计，并计算对应于每种情况下的电导矩阵的逆矩阵。在仿真过程中，当网络拓扑改变时，直接采用预先计算的对应电导矩阵的逆矩阵进行网络节点方程的求解。

(3)采用网络分割的办法，将整体网络方程组分解为中小规模的多个网络方程组，来有效减少网络方程的求解规模，同时由多个处理器并行计算，子网之间通过通讯完成各部分信息的交互。

由于电力系统由各种不同的元件所组成，这些元件包括同步电机、励磁系统、原动机及调速系统、负荷、交流线路及变压器、HVDC和FACTS等，每个元件的动态性能对于系统的暂态过程都有直接或间接的影响。国内外现有机电-电磁混合仿真大都采用常规数值仿真数学模型，虽然能完整地描述电力系统动态行为，但结构化、标准化的特点不突出。模型中不能充分体现电力网络的分层分区特性，也没有抽象归纳出各种不同元件在物理结构、电气关联和功能上的一般性特点，更无法将HVDC等直流输电部分的分离出来，并将其快速暂态特性和内部动态特性准确、方便的描述出来。由于系统数学模型的表示方法会影响到数值仿真的计算方式，常规的电力系统数学模型的上述不足对混合仿真程序的模块化特点和灵活性、可维护性会产生恶劣影响。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种电力系统电磁-机电数字混合仿真方法，以有效提高电力系统仿真分析效率，使部分关键设备需要电磁级详细信息的规模化电力系统机电仿真计算成为可能，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于树形分层双向迭代实现电力系统电磁-机电数字混合仿真方法，包括下列步骤：

采用树形分层对网络划分和电力系统元件进行组件化分解，电力系统元件包括发电机及其控制器、负荷、HVDC、FACTS器件及其控制器；将整体电力系统高维方程组分解为低维的多个方程组来处理；然后运用双向迭代技术，编写接口程序，调用EMTDC仿真引擎完成多步电磁暂态仿真，并按照模块化要求获得TSP部分的标准化对外接口数据，以实现EMTDC子系统和TSP子系统的快速交替仿真及并行实施。

所述下列步骤进一步细化为：

步骤101：系统初始化模块化处理，将电力网络按照节点分裂原则分割为适度规模的多个子网，子网之间的联结方式为多层树形结构；

步骤102：根据网络划分的结果，使用电力系统组件树描述整个电力系统，组件树由多个组件依多层树形结构组成，每个组件表示一个子网或者一个电力系统动态元件；

步骤103：对电力系统组件树中各个组件数学模型中的待求变量进行分类，列写出电力系统组件树中各个组件的独立的数学模型方程；