一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法

摘要

本发明公开了一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，涉及电力系统暂态稳定性研究和数字仿真技术领域，对电磁暂态仿真电网进行仿真，获取电磁暂态仿真数据，对机电仿真电网进行仿真，获取机电仿真数据，对机电仿真数据进行处理，获取电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，对电源频率进行修正，将三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过接口母线传递给电磁暂态仿真电网；对电磁暂态仿真数据进行处理，获取通过接口母线注入机电暂态仿真电网的有功功率和无功功率，形成机电仿真的接口母线模型传递给机电仿真电网。本发明实现了对规模较大的电网进行实时仿真；该混合仿真不受电网规模的限制。

权利要求

1.一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将电气元件所在区域视为电磁暂态仿真电网，对所述电磁暂态仿真电网进行电磁暂态仿真，获取电磁暂态仿真数据，将所述电磁暂态仿真电网以外的网络视为机电仿真电网，对所述机电仿真电网进行机电暂态仿真，获取机电仿真数据，将所述机电仿真电网和所述电磁暂态仿真电网之间的母线视为混合仿真的接口母线；

(2)对获得的所述机电仿真数据进行处理，获取电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，对电源频率进行修正，将所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过所述接口母线传递给所述电磁暂态仿真电网；

(3)对获得的所述电磁暂态仿真数据进行处理，获取所述接口母线注入电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q，将各接口求出的所述有功功率P和所述无功功率Q形成机电仿真模型传递给所述机电仿真电网；

其中，步骤(2)的具体内容包括：

1）从所述机电仿真数据中获取各同步发电机d-q坐标系下的电压（Vd、Vq）、电流值（Id、Iq）、网络节点导纳矩阵Y、节点电压 和注入电流 ；

2）根据所述电压（Vd、Vq）和所述电流值（Id、Iq）获取各发电机的统一电路模型中的等值发电机导纳YG和注入电流 ，并将所述等值发电机导纳YG和所述注入电流 添加到所述机电仿真电网中；

3）根据所述网络节点导纳矩阵Y、所述节点电压 和所述注入电流 通过网络等值方法，获取所述机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路；

4）将所述机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路转换为所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型；

5）对所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的电源频率进行修正；

其中，修正具体为：

fj为接口时刻边界母线j的戴维南等值电源的频率；f0为额定频率；H为机电仿真步长；θj,a(t+H)和θj,a(t)分别为t+H和t时刻第j个接口母线电压的相角；a为三相电压中的a项；

其中，所述统一电路模型具体为：

其中， 和 分

别代表d轴和q轴的等值电势和电抗；R代表定子电阻；δ为发电机功角，Ux+jUy和Ix+jIy分别为发电机在系统x-y坐标系下的机端电压和电流相量；

其中，步骤(3)具体包括：

1）从所述电磁暂态仿真数据中获取各接口母线三相瞬时值电压（ua,ub,uc）以及注入所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值电流向量序列；

2）采用最小二乘法求取所述各三相瞬时值电流向量序列对应的基频幅值和相角，将所述基频幅值和所述相角转换为三相相量 和

3）采用对称分量法对所述三相相量 和 进行坐标变换，提取所述接口母线处的节点电压正序分量 和注入所述电磁暂态仿真电网的电流正序分量

4）根据所述各接口母线的节点电压正序分量 和所述电磁暂态仿真电网的电流正序分量 获取所述接口母线注入所述电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q。

说明书

一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统暂态稳定性研究和数字仿真技术领域，特别涉及一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法。

背景技术

[0002] 电力系统数字仿真，广泛应用于暂态稳定性分析、保护装置整定与控制以及调度员实时培训仿真等领域。电力系统暂态过程十分复杂，按照不同的时间尺度，可以分为电磁暂态过程和机电暂态过程，对这两种过程的研究通常采用EMTP（Electromagnetic Transient Program，电磁暂态仿真）和TSP（Transient Simulation Program，机电暂态仿真）两种方法。

[0003] EMTP计算电网动态中的电压电流的瞬时值响应，仿真步长较小（通常采用微秒级步长（h），例如50μs）。TSP分析系统动态中发电机功角和母线电压的摇摆过程，仿真步长较大（通常采用毫秒级步长（H），例如2ms），因而可对较大规模的电网进行实时仿真。

[0004] 发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

[0005] 1、EMTP仿真需要详细描述网络中元件动态行为的数学模型，因而很难对规模较大的电网进行实时仿真；

[0006] 2、随着电力电子技术和高压直流输电技术的不断发展，对大电网的安全分析经常需要考虑这些新型元件的电磁动态过程，但TSP仿真无法进行这类仿真。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，通过该接口方法将机电暂态仿真与电磁暂态仿真结合在一起进行混合仿真，实现了对规模较大的电网进行实时仿真，详见下文描述：

[0008] 一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，所述方法包括以下步骤：

[0009] (1)将电气元件所在区域视为电磁暂态仿真电网，对所述电磁暂态仿真电网进行电磁暂态仿真，获取电磁暂态仿真数据，将所述电磁暂态仿真电网以外的网络视为机电仿真电网，对所述机电仿真电网进行机电暂态仿真，获取机电仿真数据，将所述机电仿真电网和所述电磁暂态仿真电网之间的母线视为混合仿真的接口母线；

[0010] (2)对获得的所述机电仿真数据进行处理，获取电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，对电源频率进行修正，将所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过所述接口母线传递给所述电磁暂态仿真电网；

[0011] (3)对获得的所述电磁暂态仿真数据进行处理，获取所述接口母线注入电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q，将各接口求出的所述有功功率P和所述无功功率Q形成机电仿真模型传递给所述机电仿真电网。

[0012] 步骤(2)中的所述对获得的所述机电仿真数据进行处理，获取电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，对电源频率进行修正，将所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过所述接口母线传递给所述电磁暂态仿真电网的具体内容包括：

[0013] 1）从所述机电仿真数据中获取各同步发电机d-q坐标系下的电压（Vd、Vq）、电流值（Id、Iq）、网络节点导纳矩阵Y、节点电压 和注入电流

[0014] 2）根据所述电压（Vd、Vq）和所述电流值（Id、Iq）获取各发电机的统一电路模型中的等值发电机导纳YG和注入电流 并将所述等值发电机导纳YG和所述注入电流 添加到所述机电仿真电网中；

[0015] 3）根据所述网络节点导纳矩阵Y、所述节点电压 和所述注入电流 通过网络等值方法，获取所述机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路；

[0016] 4）将所述机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路转换为所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型；

[0017] 5）对所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的电源频率进行修正；

[0018] 6）将所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过所述接口母线传递给所述电磁暂态仿真电网。

[0019] 所述对所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的电源频率进行修正具体为：

[0020]

[0021] fj为接口时刻边界母线j的戴维南等值电源的频率；f0为额定频率；H为机电仿真步长；θj,a(t+H)和θj,a(t)分别为t+H和t时刻第j个接口母线电压的相角。

[0022] 所述统一电路模型具体为：

[0023]

[0024] 其中， 和分别代表d轴和q轴的等值电势和电抗；R代表定子电阻。

[0025] 步骤(3)中的所述对获得的所述电磁暂态仿真数据进行处理，获取通过所述接口母线注入电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q，将各接口求出的所述有功功率P和所述无功功率Q形成机电仿真模型传递给所述机电仿真电网的具体内容包括：

[0026] 1）从所述电磁暂态仿真数据中获取各接口母线三相瞬时值电压（ua,ub,uc）以及注入所述电磁暂态仿真电网的三相瞬时值电流向量序列；

[0027] 2）采用最小二乘法求取所述各三相瞬时值电流向量序列对应的基频幅值和相角，将所述基频幅值和所述相角转换为三相相量 和

[0028] 3）采用对称分量法对所述三相相量 和 进行坐标变换，提取所述接口母线处的节点电压正序分量 和注入所述电磁暂态仿真电网的电流正序分量

[0029] 4）根据所述各接口母线的节点电压正序分量 和所述电磁暂态仿真电网的电流正序分量 获取所述接口母线注入所述电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q；

[0030] 5）将各接口求出的所述有功功率P和所述无功功率Q形成机电仿真模型，传递给所述机电仿真电网。

[0031] 本发明提供的技术方案的有益效果是：

[0032] 本发明提供了一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，本发明通过对机电暂态的数据与电磁暂态混合仿真的数据进行处理和传递，实现了机电暂态仿真与电磁暂态仿真结合在一起的混合仿真，实现了对规模较大的电网进行实时仿真；该混合仿真不受电网规模的限制，可以对混合仿真内部的电网进行电磁暂态混合仿真，对外部的电网进行机电暂态仿真，同时兼顾仿真效率和内部电网研究电磁暂态结果；该混合仿真能够更好地反映出电力电子设备和高压直流输电设备并网后对电力系统暂态功角稳定性的影响，反过来电磁仿真结果也能体现系统功角摇摆的影响，该接口方法，具有很好的通用性；并且，本发明提供的同步发电机的统一电路模型扩展了混合仿真模型的应用范围；采用考虑频率偏移的电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型能够正确反映出系统发生扰动后，发电机转子和各个边界母线电压、频率发生摇摆的物理过程；本发明用最小二乘技术和对称分量法提取电压、电流基频分量，可对非对称故障进行混合仿真。

附图说明

[0033] 图1为本发明提供的同步发电机的统一电路模型的示意图；

[0034] 图2为本发明提供的混合仿真数据交换流程的示意图；

[0035] 图3为本发明提供的含变电站的3机9节点验算系统的接线图；

[0036] 图4为本发明提供的EMTP仿真电路模型的示意图；

[0037] 图5为本发明提供的TSP仿真电路模型的示意图；

[0038] 图6是B1-B三相电流混合仿真结果与PSCAD全网电磁仿真的比对曲线的示意图；

[0039] 图7为本发明提供的一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法的流程图。

具体实施方式

[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0041] 为了将机电暂态仿真与电磁暂态仿真结合在一起进行混合仿真，本发明实施例提供了一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，参见图2和图7，详见下文描述：

[0042] 101：将电气元件所在区域视为电磁暂态仿真电网，对电磁暂态仿真电网进行电磁暂态仿真，获取电磁暂态仿真数据，将电磁暂态仿真电网以外的网络视为机电仿真电网，对机电仿真电网进行机电暂态仿真，获取机电仿真数据，将机电仿真电网和电磁暂态仿真电网之间的母线视为混合仿真的接口母线；

[0043] 102：对获得的机电仿真数据进行处理，获取电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，对电源频率进行修正，将电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过接口母线传递给电磁暂态仿真电网；

[0044] 其中，该步骤具体包括：

[0045] 1）从机电仿真数据中获取各同步发电机d-q坐标系下的电压（Vd、Vq）、电流值（Id、Iq）、网络节点导纳矩阵Y、节点电压 和注入电流

[0046] 其中，d轴表示同步发电机的直轴，q轴表示同步发电机的交轴。

[0047] 2）根据电压（Vd、Vq）和电流值（Id、Iq）获取各发电机的统一电路模型中的等值发电机导纳YG和注入电流 并将等值发电机导纳YG和注入电流 添加到机电仿真电网中；

[0048] 其中，本发明实施例中的统一电路模型采用图1所示的模型。对于不同种类的发电机，其在d-q坐标系下的统一定子电压方程可表示为：

[0049]

[0050] 式中，Ud、Uq、Id和Iq分别代表同步电机d轴和q轴的电压和电流；和 分别代表d轴和q轴的等值（暂态或次暂态）电势和电抗；R代表定子电阻。

[0051] 本发明实施例通过公式(2)所示的坐标变换方程将同步电机与机电仿真电网相连，其中，δ为发电机功角，Ux+jUy和Ix+jIy分别为发电机在系统x-y坐标系下的机端电压和电流相量，含义见图1。

[0052]

[0053] 将公式(2)代入公式(1)，推导出同步发电机在x-y坐标系下的模型，如下：

[0054]

[0055] 式中：

[0056] 在TSP子系统进行一步仿真之后，混合仿真组件接收同步发电机数据并按照公式(3)计算同步发电机电路模型的参数，并添加到组件接收到的网络节点导纳矩阵和注入电流数据中。

[0057] 3）根据网络节点导纳矩阵Y、节点电压 和注入电流 通过网络等值方法，获取机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路；

[0058] 4）将机电仿真电网的单相多端口戴维南相量等值电路转换为电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型；

[0059] 由于电力系统动态中各边界母线电压频率会在额定值附近摇摆，因而要对电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的电源频率进行修正。

[0060] 5）对电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的电源频率进行修正；

[0061] 其中，该步骤具体为：根据公式（4）对电源频率进行修订，

[0062]

[0063] fj为接口时刻边界母线j的戴维南等值电源的频率；f0为额定频率；H为机电仿真步长；θj,a(t+H)和θj,a(t)分别为t+H和t时刻第j个接口母线电压的相角。

[0064] 6）将电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型的参数通过接口母线传递给电磁暂态仿真电网。

[0065] 其中，参数具体包括：电压幅值、相角、修正后的电源频率和阻抗等。

[0066] 103：对获得的电磁暂态仿真数据进行处理，获取通过接口母线注入电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q，将各接口求出的有功功率P和无功功率Q形成机电仿真模型传递给机电仿真电网。

[0067] 其中，该步骤具体包括：

[0068] 1）从电磁暂态仿真数据中获取各接口母线三相瞬时值电压（ua,ub,uc）以及注入电磁暂态仿真电网的三相瞬时值电流向量序列；

[0069] 2）采用最小二乘法求取各三相瞬时值电流向量序列对应的基频幅值和相角，将基频幅值和相角转换为三相相量 和

[0070] 在一个机电仿真步长H时段内，电磁暂态仿真数据是对应步长为h的一组离散时域信号y(ti)。一般地，y(t)可以用以下傅里叶级数表示：

[0071]

[0072] 本发明实施例采用最小二乘法处理电磁暂态仿真数据获得接口母线处电压电流离散信号，求解出相应的基波电压电流相量。针对电力系统实际运行的特点，对公式(5)进行化简，舍去高次谐波，保留直流分量、基频和倍频分量，从而得到公式(6)。

[0073]

[0074] 按照三角公式将上式展开：

[0075] y(t)=C1F1(t)+C2F2(t) (7)

[0076] 式中： F1=cosωt，F2=sinωt。其中C1和C2为待求量，F1和F2为已知时序相量。

[0077] 利用最小二乘法建立如下误差函数。

[0078]

[0079] 其中，y(ti)表示电磁暂态仿真电网传递给混合仿真组件的接口母线的瞬时三相电压和电流。

[0080] E=[[Y]-[F][C]]T[[Y]-[F][C]] (9)T

[0081] 其中：[Y]=[y(t1),y(t2),…,y(tn)] ；

[0082] [C]=[C1,C2]T。

[0083] 对上式求导，并令其等于零，可以求解出未知量C，进而可以提取出基频余弦函数的幅值A1和相角 通过上述方法，便可得到接口母线处的电压电流的基波相量 和[0084] 3）采用对称分量法对三相相量 和 进行坐标变换，提取接口母线处的节点电压正序分量 和注入电磁暂态仿真电网的电流正序分量

[0085] 4）根据各接口母线的节点电压正序分量 和电磁暂态仿真电网的电流正序分量获取接口母线注入电磁暂态仿真电网的有功功率P和无功功率Q；

[0086] 5）将各接口求出的有功功率P和无功功率Q形成机电仿真模型，传递给机电仿真电网。

[0087] 该步骤具体为：将各接口求出的有功功率P和无功功率Q视为接口母线TSP仿真的恒定负荷，即机电仿真模型，参见图5，例如：P1+jQ1和P2+jQ2。

[0088] 下面结合一个实例来验证本发明实施例提供的一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法的可行性，详见下文描述：

[0089] 本发明实施例在3机9节点实验系统上进行修改，增加一个仿真变电站，其中包含两台配电变压器和4条线路，如图3所示。变电站外部网络(机电仿真电网)进行机电暂态仿真，其发电机选用双轴次暂态模型；变电站内部网络（电磁暂态仿真电网）采用电磁暂态仿真；B1和B2母线为接口母线。TSP仿真步长为0.02s，EMTP仿真步长为50us，设定在BL2母线处发生单相短路故障，故障从1.5秒开始，1.7秒故障消失。对整个实验系统进行全网潮流计算，求解出系统中各个状态变量的初始信息，分别传递给TSP仿真和EMTP仿真。实际仿真中为了保证系统接口的稳定性，在0.5秒时刻将两系统相连接。本发明实施例以
1.0秒到1.02秒混合仿真接口组件对系统仿真的控制步骤为例进行说明。

[0090] 步骤1：模块①首先接收机电仿真数据在1.0秒的数据信息并进行处理；

[0091] 本发明实施例中混合仿真含有两个接口，仿真将会形成对应的2端口电磁暂态仿真电网的三相瞬时值戴维南等值电路模型，如图4所示，对应的数据信息如表1所示。

[0092] 表1机电仿真电网在1.0秒向电磁暂态仿真电网传递的数据信息列表

[0093]

[0094] 步骤2：机电仿真电网将表1参数信息通过接口母线传递给电磁暂态仿真电网；

[0095] 步骤3：电磁暂态仿真电网进行电磁仿真H秒（注H是TSP仿真的步长）；对电磁暂态仿真电网EMTP仿真所得的三相电压电流波形数据处理后，提取出对应的电压、电流的正序分量，并进一步求出各接口有功功率P和无功功率Q形成机电仿真模型如图5所示，机电仿真电网接受的功率数据信息如表2所示。

[0096] 表2电磁暂态仿真电网在1.0+H秒向机电仿真电网传递的数据信息

[0097]

[0098]

[0099] 步骤4：电磁暂态仿真电网将表2参数信息传递给机电仿真电网并进行一步机电暂态仿真。

[0100] 按照上述步骤进行混合仿真至仿真结束时间3秒为止。图6所示为线路B1-B的三相电流，其中实线为混合仿真结果，虚线为商业软件PSCAD全网电磁仿真的结果，比较可见两条曲线能较好拟合，表明混合仿真数据交换方法的准确有效，验证了本发明实施例的可行性。

[0101] 综上所述，本发明实施例提供了一种用于机电与电磁暂态混合仿真的数据交换方法，本发明实施例通过对机电暂态的数据与电磁暂态混合仿真的数据进行处理和传递，实现了机电暂态仿真与电磁暂态仿真结合在一起的混合仿真，实现了对规模较大的电网进行实时仿真；该混合仿真不受电网规模的限制，可以对混合仿真内部的电网进行电磁暂态混合仿真，对外部的电网进行机电暂态仿真，同时兼顾仿真效率和内部电网研究电磁暂态结果；该混合仿真能够更好地反映出电力电子设备和高压直流输电设备并网后对电力系统暂态功角稳定性的影响，反过来电磁仿真结果也能体现系统功角摇摆的影响，该接口方法，具有很好的通用性；并且，本发明实施例提供的同步发电机的统一电路模型扩展了混合仿真模型的应用范围；采用考虑频率偏移的电磁暂态仿真电路模型能够正确反映出系统发生扰动后，发电机转子和各个边界母线电压、频率发生摇摆的物理过程；本发明实施例用最小二乘技术和对称分量法提取电压、电流基频分量，可对非对称故障进行混合仿真。

[0102] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0103] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。