[发明专利]一种考虑非线性的变电站电磁暂态实时仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁暂态实时仿真方法。特别是涉及一种考虑非线性的变电站电磁暂态实时仿真方法。

背景技术

随着全国互联电网规模的逐渐壮大，电网结构及其运行方式显得日益复杂。变电站作为电力系统的关键部分，保证其安全运行显得尤为重要。随着变电站自动化程度的提高，对运行人员的素质培训也需相应提高。因此，对各级变电站运行人员进行技术培训是一项保证电力安全生产的重要措施。

目前，变电站仿真与培训系统主要有以下4种类型：

①针对变电站的一次侧系统和二次侧设备进行纯软件仿真，其明显的缺点是培训人员无法对真实的二次设备进行更深入地认识。

②采用保护测试仪装置模拟变电站的一次侧系统，该方法允许二次侧连接真实物理设备，但其固有的缺点是各路输出信号是单向的，无法形成闭环测试。

③使用真实的物理设备模拟变电站的一次侧系统，能够实现变电站一次侧实时仿真，并对二次设备进行闭环测试，但由于一次设备前期投资较大和后期升级维护困难的原因，不适用于大规模的变电站仿真培训。

④采用数字-物理混合式变电站仿真系统，其一次侧采用数字仿真，二次侧使用真实设备或软件仿真的二次侧设备，该类型变电站仿真系统关键在于保证一次侧系统仿真实时性。

数字-物理混合型变电站仿真系统是一种高性价比的培训工具，营造与真实变电站高度相似的培训环境，已被电力培训部门广泛使用。倒闸操作、事故处理这两项基本训练要求变电站仿真系统必须考虑可能的操作对象和事故原因，使得变电站一次系统网络具有较多节点，故对它进行电磁暂态实时仿真并不是一件易事。对于一个具有众多节点的变电站系统而言，为使真实设备能够正常运行，要求一次系统仿真装置提供实时的电流电压信号。然而，保证一次系统仿真器实时性的关键是快速地求解变电站仿真模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够保证变电站电磁暂态仿真实时性的考虑非线性的变电站电磁暂态实时仿真方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑非线性的变电站电磁暂态实时仿真方法，包括如下步骤：

1)在离线环境下获得变电站各个电气元件的基本参数信息，为对仿真模型进行电磁暂态分析，需要将电感支路、电容支路根据仿真步长Δt的选择分别采用隐式梯形法进行差分化处理；

2)用对非线性元件支路进行差分化处理后形成的相应伴随电路替换原变电站网络中的电路，得到的相应变电站伴随网络，根据变电站伴随网络形成节点导纳矩阵，所述的相应伴随电路包括等效电导G和等效电流源I_his；

3)按照非线性局部迭代的原则，对步骤2)中的节点导纳矩阵进行节点排序，分成涉及非线性的节点和未涉及非线性的节点两部分；

4)对步骤3)排序得到的节点导纳矩阵中的两个部分采用最小度独立集法进行再次排序；

5)在离线环境下，根据步骤2)中的变电站伴随网络中的等效电流源I_his生成变电站伴随网络的节点注入电流列向量初值，与由步骤4)得到的节点导纳矩阵形成节点电压方程；

6)在离线环境下，考虑非线性局部迭代的前提下按照高斯消去法求解节点电压方程，并更新电流源，编写一套完整的指令流描述求解节点电压方程的过程；

7)将步骤5)得到的节点电压方程和步骤6)得到指令流以及仿真步长Δt通过上位机下载至基于FPGA的在线实时仿真环境；

8)在线实时仿真环境下，设置仿真时刻t＝0，仿真计时器置零，启动仿真；

9)仿真计时器开始计时，仿真进入指令翻译状态，在所述的指令翻译状态中，读取RAM中的指令，通过3级FIFO缓存实现指令无间断翻译；

10)使用步骤9)得到的指令翻译，在仿真过程控制模块中控制运算器与数据存储空间进行快速的仿真参数读写交互；

11)控制运算器数据输入端口获得仿真参数，仿真进入运算器计算状态，所述运算器是由加法器、乘法器和除法器构成，仿真过程控制模块通过数据选择器控制运算器内部计算单元的组合结构，构成各种的运算公式；

12)在线实时仿真环境下，由步骤9)、步骤10)和步骤11)构成的运算器系统完成伴随电路的历史电流源计算、伴随网络的节点注入电流计算、节点电压方程的顺序消去、节点电压方程的逆序回代、支路电压计算和支路电流计算，判断仿真计时器是否计时至仿真步长Δt，如果是，则本次仿真结束，否则仿真计时器继续计时直至计时至Δt；

13)仿真计时器时间到达仿真步长时，计时器清零，返回步骤9)。