一种电力系统全过程动态仿真方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统仿真领域，尤其涉及一种交直流混联电力系统全过程动态仿真方法及系统。


背景技术：

2.根据电力系统受到扰动后的动态过程作用时间的长短，暂态过程通常可以分为三部分：电磁暂态过程、机电暂态过程和中长期过程。电力系统受扰动后的电磁、机电和中长期动态过程是相互联系和相互影响的，并没有明确的界线。因此，电力系统从电磁暂态、机电暂态到中长期动态过程是一个连续的过程，电磁过程、机电暂态过程、中长期过程对电力系统不同时间尺度下的刻画，相互之间相辅相成，往往是密不可分的。
3.电磁暂态仿真受限于仿真规模和仿真速度，仅能对局部的区域进行精细化的模拟，难以对完整的交直流混联系统进行仿真，且仿真速度过慢，不利于进行多故障扫描，而中长期动态仿真、机电暂态仿真可以对大规模电网进行较快的仿真计算，但均无法精确模拟现代电力系统中越来越多的电力电子设备的动态行为，其难以反映直流的换相失败过程，对电网的运行和控制造成较大的误差。上述各种仿真分析技术都各自存在缺陷，若能进一步融合各种分析技术，对于不同的仿真局部采用不同的仿真分析技术，集成各种分析技术的优势，实现全过程动态的一体化仿真，具有重大的现实意义。


技术实现要素：

4.本发明提供一种电力系统全过程动态仿真方法及系统，以解决现有技术不具备适用于不同暂态过程的融合性仿真技术，本发明能够通用于电力系统不同暂态过程的仿真分析，实现仿真效率、规模和速度的统一。
5.本发明实施例提供一种电力系统全过程动态仿真方法，包括如下步骤：
6.利用电力系统的元件参数及网络拓扑结构构建电力仿真混合系统，获得所述电力系统的初始运行状态参数；其中，所述电力仿真混合系统包括电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，所述机电暂态仿真模型由电磁仿真子模型和多个机电仿真子模型组成，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；
7.根据所述初始运行状态参数，利用所述电磁暂态仿真模型和所述机电暂态仿真模型同步进行电力系统全过程的混合仿真，并输出所述电磁暂态仿真模型的电磁暂态仿真结果、所述机电暂态仿真模型的机电暂态仿真结果；
8.在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，控制所述电磁暂态仿真模型退出仿真，所述机电暂态仿真模型继续进行电力系统全过程的仿真，所述电磁仿真子模型输出电磁暂态仿真子结果，所述机电仿真子模型输出机电暂态仿真子结果；
9.在所述电力仿真混合系统进入中期动态过程后，对状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型进行断开操作，对状态变量不满足预设的机电稳态条件的另一部分所述机电仿真子模型进行向前仿真直至仿真结束，并输出所述电力仿真混合系
统的仿真结果；其中，所述仿真结果包括所述电力仿真混合系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。
10.优选地，在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，所述电磁暂态仿真模型向所述机电暂态仿真模型发送稳态进入信号；
11.所述机电暂态仿真模型响应于所述稳态进入信号，向所述电磁暂态仿真模型反馈退出信号，以使所述电磁暂态仿真模型退出仿真。
12.优选地，所述预设的电磁稳态进入条件如公式(1)所示：
13.|i
s,n 1
‑
i
s,n
|<ε1,n＝i,i 1,...,i m1ꢀꢀ
(1)
14.式中，i
s,n 1
、i
s,n
分别为第n 1步和第n步的所述电磁暂态仿真模型注入到所述机电暂态仿真模型的注入电流，ε1为第一预设偏差判定阈值，m1为满足所述预设的电磁稳态进入条件的连续步数的个数，需要连续m1个步长注入电流值均满足所述公式(1)，电磁暂态计算达到稳态。
15.优选地，所述状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型包括励磁机模型；
16.对应所述励磁机模型的预设的机电暂态稳态条件如公式(2)所示：
17.|e
fd,n 1
‑
e
fd,n
|<ε2,n＝i,i 1,...,i m2ꢀꢀ
(2)
18.式中，e
fd,n 1
、e
fd,n
分别为第n 1步和第n步的励磁电压，ε2为第二预设偏差判定阈值，m2为满足所述预设的机电稳态条件的连续步数的个数，需要连续m2个步长励磁电压值均满足所述公式(2)，励磁电压暂态计算达到稳态。
19.优选地，所述机电暂态仿真结果和所述电磁暂态仿真结果通过数据交互接口进行等值数据交互通信。
20.相应地，本发明实施例还提供了一种电力系统全过程动态仿真系统，包括：
21.构建单元，用于利用电力系统的元件参数及网络拓扑结构构建电力仿真混合系统，获得所述电力系统的初始运行状态参数；其中，所述电力仿真混合系统包括电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，所述机电暂态仿真模型由电磁仿真子模型和多个机电仿真子模型组成，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；
22.混合仿真单元，用于根据所述初始运行状态参数，利用所述电磁暂态仿真模型和所述机电暂态仿真模型同步进行电力系统全过程的混合仿真，并输出所述电磁暂态仿真模型的电磁暂态仿真结果、所述机电暂态仿真模型的机电暂态仿真结果；
23.第一机电单元，用于在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，控制所述电磁暂态仿真模型退出仿真，所述机电暂态仿真模型继续进行电力系统全过程的仿真，所述电磁仿真子模型输出电磁暂态仿真子结果，所述机电仿真子模型输出机电暂态仿真子结果；
24.第二机电单元，用于在所述电力仿真混合系统进入中期动态过程后，对状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型进行断开操作，对状态变量不满足预设的机电稳态条件的另一部分所述机电仿真子模型进行向前仿真直至仿真结束，并输出所述电力仿真混合系统的仿真结果；其中，所述仿真结果包括所述电力仿真混合系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。
25.优选地，在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，所述电磁暂态仿真模型向所述机电暂态仿真模型发送稳态进入信号；
26.用于所述机电暂态仿真模型响应于所述稳态进入信号，向所述电磁暂态仿真模型反馈退出信号，以使所述电磁暂态仿真模型退出仿真。
27.优选地，所述预设的电磁稳态进入条件如公式(1)所示：
28.|i
s,n 1
‑
i
s,n
|<ε1,n＝i,i 1,...,i m1ꢀꢀ
(1)
29.式中，i
s,n 1
、i
s,n
分别为第n 1步和第n步的所述电磁暂态仿真模型注入到所述机电暂态仿真模型的注入电流，ε1为第一预设偏差判定阈值，m1为满足所述预设的电磁稳态进入条件的连续步数的个数，需要连续m1个步长注入电流值均满足所述公式(1)，电磁暂态计算达到稳态。
30.优选地，所述状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型包括励磁机模型；
31.对应所述励磁机模型的预设的机电暂态稳态条件如公式(2)所示：
32.|e
fd,n 1
‑
e
fd,n
|<ε2,n＝i,i 1,...,i m2ꢀꢀ
(2)
33.式中，e
fd,n 1
、e
fd,n
分别为第n 1步和第n步的励磁电压，ε2为第二预设偏差判定阈值，m2为满足所述预设的机电稳态条件的连续步数的个数，需要连续m2个步长励磁电压值均满足所述公式(2)，励磁电压暂态计算达到稳态。
34.优选地，所述机电暂态仿真结果和所述电磁暂态仿真结果通过数据交互接口进行等值数据交互通信。
35.本发明实施例提供的电力系统全过程动态仿真方法及系统，通过构建电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，对不同的仿真局部采用不同的仿真分析技术，通过融合电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真，实现全过程动态的一体化仿真。本发明实施例能够通用于电力系统不同暂态过程的仿真分析，实现仿真效率、规模和速度的统一。
附图说明
36.图1是本发明实施例提供的一种仿真平台架构说明示意图；
37.图2是本发明实施例提供的一种电力系统全过程动态仿真方法流程示意图；
38.图3是本发明实施例提供的一种电力系统全过程动态仿真系统结构示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.参见图1，是本发明实施例提供的一种仿真平台架构说明示意图。
41.本发明实施例提供的仿真平台架构，包括：电磁暂态仿真程序、机电暂态仿真程序和电磁
‑
机电暂态混合仿真接口。具体的，电磁
‑
机电暂态混合仿真接口包括机电和电磁侧的数据交互接口和等值数据交互通信设计两个部分，机电暂态仿真和电磁暂态仿真通过数据交互接口进行等值数据交互通信。以下结合实施例对本发明提供的电力系统全过程动态
仿真方法进行具体说明。
42.参见图2，是本发明实施例提供的一种电力系统全过程动态仿真方法流程示意图，所述方法包括以下步骤：
43.s1，利用电力系统的元件参数及网络拓扑结构构建电力仿真混合系统，获得所述电力系统的初始运行状态参数；其中，所述电力仿真混合系统包括电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，所述机电暂态仿真模型由电磁仿真子模型和多个机电仿真子模型组成，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；
44.需要说明的是，在本发明实施例中，将电力仿真混合划分为电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，电磁暂态仿真模型用于对应刻画电力系统中局部动态响应的特性，机电暂态仿真模型用于对应刻画电力系统中其他如暂态稳定或静态稳定的稳定特性。
45.s2，根据所述初始运行状态参数，利用所述电磁暂态仿真模型和所述机电暂态仿真模型同步进行电力系统全过程的混合仿真，并输出所述电磁暂态仿真模型的电磁暂态仿真结果、所述机电暂态仿真模型的机电暂态仿真结果；
46.需要说明的是，利用所述电磁暂态仿真模型和所述机电暂态仿真模型同步进行电力系统全过程的混合仿真是以机电
‑
电磁暂态混合仿真为出发点，开展初始化、故障期间及故障恢复过程中的动态仿真。在机电
‑
电磁暂态混合仿真中进行机电侧仿真时，对电磁侧采用注入电流源进行等效。如果电磁侧的注入电流进入稳态，电磁暂态仿真将退出，仿真全部由机电暂态仿真完成。在电磁暂态仿真达到稳态退出后电磁侧的部分将变为机电暂态仿真，因此该部分的模型需要在初始时即在机电暂态仿真中建立相应的模型并同步开展仿真，其依据电磁暂态侧计算结果不断进行状态变量的调整，只是该部分机电暂态仿真的结果不与系统中的其他部分进行交互；在电磁暂态仿真退出后，该部分的机电暂态模型开展起作用，取代电磁暂态仿真与系统中的其他部分进行交互(注入电流形式)。
47.由于在电磁暂态仿真中，导纳阵是积分步长的函数，电磁暂态仿真方法只能采用固定步长。因此在机电暂态和电磁暂态的混合仿真阶段，机电暂态仿真方法不采用变步长积分算法，采用定步长隐式梯形积分算法。优选的，在混合仿真阶段，电磁仿真方法采用固定步长积分算法，机电暂态仿真采用定步长隐式梯形积分算法。
48.s3，在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，控制所述电磁暂态仿真模型退出仿真，所述机电暂态仿真模型继续进行电力系统全过程的仿真，所述电磁仿真子模型输出电磁暂态仿真子结果，所述机电仿真子模型输出机电暂态仿真子结果；
49.需要说明的是，在电磁暂态仿真结束，采用机电暂态仿真进行全系统的仿真的阶段是系统剧烈变化阶段结束后的相对变快阶段，由于系统变量变化仍比较快，采用变步长积分算法的情况下，误差控制和计算速度的矛盾比较突出。如果误差控制严格，步长容易过小，例如小于1ms，会使此暂态阶段仿真速度很慢；反之，如果误差控制条件放宽，虽然在此阶段的步长控制和计算速度可能比较合适，但在随后的慢变(中长期动态)过程中，由于累积误差会很大，校正迭代中往往不收敛，需要强制减小步长，计算量反而增加很多。因此，在此阶段采用定步长加速牛顿算法进行机电暂态仿真。此时系统模型需考虑常规机电暂态仿真中包含的模型，包括发电机及其各类控制器、各类型直流输电系统、各类facts(flexible alternative current transmission systems，柔性交流输电系统)装置、负荷等；还包括中长期动态仿真中需考虑的元件模型，包括继电保护和自动装置模型、发电厂机组的过励
和低励限制等限制器模型、锅炉汽机协调控制模型、水力系统模型、核反应堆模型、变电站有载调压模型、agc模型、avc模型等。
50.其中，采用定步长加速牛顿算法的机电暂态仿真进行全系统的仿真，包括：
51.利用电力系统的元件参数和网络拓扑结构，形成描述所述电力系统机电暂态过程的第一微分
‑
代数方程组；其中，所述第一微分
‑
代数方程组如下式所示：
[0052][0053]
式中，微分方程表示电力系统元件的动态特性，是电力系统的状态方程；代数方程表示电力系统元件的静态特性，主要是系统的网络方程；x为n个状态向量，v为m个代数向量，微分代数方程组的阶数为n和m之和；y是电力系统的导纳矩阵。
[0054]
利用所述电力系统初始化时的运行参数，获得初始仿真结果，其中，所述初始仿真结果包括状态变量的初始值和网络变量的初始值；
[0055]
基于牛顿积分算法，根据所述初始仿真结果计算所述第一微分
‑
代数方程组的雅可比矩阵，并在相邻两次迭代的雅可比矩阵解的残差小于第一预设阈值时，不更新雅可比矩阵，获得所述雅可比矩阵、所述第一微分
‑
代数方程组的第一状态变量和所述第一微分
‑
代数方程组的第一网络变量；
[0056]
利用所有设备的注入电流，形成描述所述电力系统机电暂态过程的第二微分
‑
代数方程组；其中，所述电力系统机电暂态过程的第二微分
‑
代数方程组如下式所示：
[0057][0058][0059]
式中，a
g
、b
g
、c
g
和y
g
是雅克比矩阵，雅可比矩阵a
g
、b
g
、c
g
和y
g
是(x，v)的函数；y
gn
是电力系统所有设备对应于非凸极效应的常数矩阵。
[0060]
基于牛顿积分算法，根据所述雅可比矩阵、所述第一状态变量和所述第一网络变量对所述第二微分
‑
代数方程组进行迭代求解，在相邻两次迭代的状态变量的残差小于第二预设阈值，且相邻两次迭代的网络变量的残差小于第三预设阈值时，计算收敛，进行下一步机电仿真计算，直至完成此阶段的机电暂态仿真。
[0061]
s4，在所述电力仿真混合系统进入中期动态过程后，对状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型进行断开操作，对状态变量不满足预设的机电稳态条件的另一部分所述机电仿真子模型进行向前仿真直至仿真结束，并输出所述电力仿真混合系统的仿真结果；其中，所述仿真结果包括所述电力仿真混合系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。
[0062]
需要说明的是，在系统仿真进入中期后，系统相对慢变阶段，快速变化的状态变量例如励磁机、pss(power system stabilize，电力系统稳定器)、电力电子设备等都进入相对稳定阶段，在此阶段将电力电子设备作为恒定注入电流，并忽略励磁机、pss等装置的影响，以提高系统的计算速度，缩短仿真计算时间。因此，可以判断励磁机模型和pss模型的状态变量是否满足预设的机电稳态条件。
[0063]
在本发明实施例中，优选地，在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入
条件之时，所述电磁暂态仿真模型向所述机电暂态仿真模型发送稳态进入信号；
[0064]
所述机电暂态仿真模型响应于所述稳态进入信号，向所述电磁暂态仿真模型反馈退出信号，以使所述电磁暂态仿真模型退出仿真。在一个具体实施例中，机电暂态仿真程序监测电磁暂态仿真是否满足预设的电磁稳态进入条件。若不满足，机电暂态仿真和电磁暂态仿真都进行到下一时刻；若满足，所述电磁暂态仿真模型向所述机电暂态仿真模型发送稳态进入信号，所述机电暂态仿真模型响应于所述稳态进入信号，向所述电磁暂态仿真模型反馈电压幅值为9999.0的退出信号，这样当电磁仿真程序接收到这个9999.0的电压幅值信号后，所述电磁暂态仿真模型退出仿真。
[0065]
在本发明实施例中，优选地，所述预设的电磁稳态进入条件如公式(1)所示：
[0066]
|i
s，n 1
‑
i
s，n
|＜ε1，n＝i，i 1，...，i m1ꢀꢀ
(1)
[0067]
式中，i
s，n 1
、i
s，n
分别为第n 1步和第n步的所述电磁暂态仿真模型注入到所述机电暂态仿真模型的注入电流，ε1为第一预设偏差判定阈值，m1为满足所述预设的电磁稳态进入条件的连续步数的个数，需要连续m1个步长注入电流值均满足所述公式(1)，电磁暂态计算达到稳态。
[0068]
需要说明的是，在机电
‑
电磁暂态混合仿真中进行机电侧仿真时，所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件即当电磁侧的电流注入满足预设的稳态进入条件，电磁暂态仿真退出，仿真全部由机电暂态仿真完成。
[0069]
在本发明实施例中，优选地，所述状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型包括励磁机模型；
[0070]
对应所述励磁机模型的预设的机电暂态稳态条件如公式(2)所示：
[0071]
|e
fd，n 1
‑
e
fd，n
|＜ε2，n＝i，i 1，...，i m2ꢀꢀ
(2)
[0072]
式中，e
fd，n 1
、e
fd，n
分别为第n 1步和第n步的励磁电压，ε2为第二预设偏差判定阈值，m2为满足所述预设的机电稳态条件的连续步数的个数，需要连续m2个步长励磁电压值均满足所述公式(2)，励磁电压暂态计算达到稳态。需要说明的是，因为pss的输出是加在励磁机的输入上，因此不必对pss做单独判断。在一个具体实施例中，机电暂态仿真自动向前仿真并监测励磁和pss是否满足预设的机电稳态条件。若不满足，机电暂态仿真进行到下一时刻；若满足，励磁和pss已进入稳态，将励磁机模型和pss模型断开，用这一时刻的励磁电压并保持其恒定，机电暂态仿真自动向前仿真直到仿真结束。
[0073]
在本发明实施例中，优选地，所述机电暂态仿真结果和所述电磁暂态仿真结果通过数据交互接口进行等值数据交互通信。
[0074]
参见图3，是本发明实施例提供的一种电力系统全过程动态仿真系统结构示意图，所述系统包括：
[0075]
构建单元11，用于利用电力系统的元件参数及网络拓扑结构构建电力仿真混合系统，获得所述电力系统的初始运行状态参数；其中，所述电力仿真混合系统包括电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，所述机电暂态仿真模型由电磁仿真子模型和多个机电仿真子模型组成，所述初始运行状态参数包括所述电力系统各个节点的初始电压和初始注入功率；
[0076]
混合仿真单元12，用于根据所述初始运行状态参数，利用所述电磁暂态仿真模型和所述机电暂态仿真模型同步进行电力系统全过程的混合仿真，并输出所述电磁暂态仿真
模型的电磁暂态仿真结果、所述机电暂态仿真模型的机电暂态仿真结果；
[0077]
第一机电单元13，用于在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，控制所述电磁暂态仿真模型退出仿真，所述机电暂态仿真模型继续进行电力系统全过程的仿真，所述电磁仿真子模型输出电磁暂态仿真子结果，所述机电仿真子模型输出机电暂态仿真子结果；
[0078]
第二机电单元14，用于在所述电力仿真混合系统进入中期动态过程后，对状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型进行断开操作，对状态变量不满足预设的机电稳态条件的另一部分所述机电仿真子模型进行向前仿真直至仿真结束，并输出所述电力仿真混合系统的仿真结果；其中，所述仿真结果包括所述电力仿真混合系统各个节点的电压、功率、发电机功角曲线和发电机相对摇摆角曲线。
[0079]
优选地，在所述电磁暂态仿真模型满足预设的电磁稳态进入条件之时，所述电磁暂态仿真模型向所述机电暂态仿真模型发送稳态进入信号；
[0080]
用于所述机电暂态仿真模型响应于所述稳态进入信号，向所述电磁暂态仿真模型反馈退出信号，以使所述电磁暂态仿真模型退出仿真。
[0081]
优选地，所述预设的电磁稳态进入条件如公式(1)所示：
[0082]
|i
s,n 1
‑
i
s,n
|<ε1,n＝i,i 1,...,i m1ꢀꢀ
(1)
[0083]
式中，i
s,n 1
、i
s,n
分别为第n 1步和第n步的所述电磁暂态仿真模型注入到所述机电暂态仿真模型的注入电流，ε1为第一预设偏差判定阈值，m1为满足所述预设的电磁稳态进入条件的连续步数的个数，需要连续m1个步长注入电流值均满足所述公式(1)，电磁暂态计算达到稳态。
[0084]
优选地，所述状态变量满足预设的机电稳态条件的一部分所述机电仿真子模型包括励磁机模型；
[0085]
对应所述励磁机模型的预设的机电暂态稳态条件如公式(2)所示：
[0086]
|e
fd,n 1
‑
e
fd,n
|<ε2,n＝i,i 1,...,i m2ꢀꢀ
(2)
[0087]
式中，e
fd,n 1
、e
fd,n
分别为第n 1步和第n步的励磁电压，ε2为第二预设偏差判定阈值，m2为满足所述预设的机电稳态条件的连续步数的个数，需要连续m2个步长励磁电压值均满足所述公式(2)，励磁电压暂态计算达到稳态。
[0088]
优选地，所述机电暂态仿真结果和所述电磁暂态仿真结果通过数据交互接口进行等值数据交互通信。
[0089]
可以理解的是，上述的所述装置的实施例的相关内容还可以参考上述的对应的所述方法的实施例的内容，在此不做赘述。
[0090]
本发明实施例提供的电力系统全过程动态仿真方法及系统，通过构建电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，对不同的仿真局部采用不同的仿真分析技术，通过融合电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真，实现全过程动态的一体化仿真。本发明实施例能够通用于电力系统不同暂态过程的仿真分析，实现仿真效率、规模和速度的统一。
[0091]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。