一种多端直流配电网实时仿真装置及其仿真方法

摘要

本发明公开了一种多端直流配电网实时仿真装置及其仿真方法，它包括上位机，各台实时仿真器分别通过交换机与上位机连接；在多端直流配电网模型中直流配电中心处，将模型分割为五个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器进行仿真，实时仿真器之间通过网线以及交换机连接起来构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置；解决了现有技术由于系统节点数及换流站较多，计算量大内存及处理器开销很大，造成处理器过载或内存溢出，给模型的实时化带来了巨大的困难等技术问题。

权利要求

1.一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，所述装置包括上位机，实时仿真器的数量大于1台，各台实时仿真器分别通过交换机与上位机连接；所述仿真方法包括：它是在多端直流配电网模型中，在直流配电中心处，将模型分割为五个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器进行仿真，实时仿真器之间通过网线以及交换机连接起来构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置；在多端直流配电网模型中的直流配电中心增设有电容器；

其特征在于：它具体包括：

步骤1、对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件；

步骤1所述对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件的方法为：采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：

其中:

式中：ikL(t)为流过电感元件电流，IhL(t-Δt)上一步长电流值，ukL(t)-umL(t)为电感上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小，Δt为仿真步长，ikL(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值，ukL(t-Δt)-umL(t-Δt)为电感元件上一步长的压降；

电容元件差分化表达式为：

其中

式中：ikC(t)为流过电容元件电流，IhC(t-Δt)上一步长电流值，ukC(t)-umC(t)为电容上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，C为电容值大小，Δt为仿真步长，ikC(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，ukC(t-Δt)-umC(t-Δt)为电容元件上一步长的压降；

步骤2、在直流配电中心处，将多端直流配电网分割为五个大小相等的子系统，命名为第一子系统、第二子系统、第三子系统、第四子系统和第五子系统；

步骤3、采用测量元件测量第一子系统分割接口处的电压信号以及第二至第五子系统分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代第二至第五子系统子系统，受控电压源替代第一子系统；

步骤4、将第一子系统中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给第二至第五子系统子系统的受控电压源的信号接收端，第二至第五子系统子系统中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给第一子系统受控电流源的信号接收端。

2.根据权利要求1所述的一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，其特征在于：所述实时仿真器的数量为5台。

说明书

一种多端直流配电网实时仿真装置及其仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网仿真技术，尤其涉及一种多端直流配电网实时仿真装置及其仿真方法。

背景技术

[0002] 受仿真机存储容量及CPU处理能力的限制，其所能实时计算的开关数及电气节点数都是有限的。随着城市人口规模的不断扩大，城市用地的紧缺也成为制约电网发展的重要因素。在这样的一个背景下，基于多端直流的柔性互联城市配电网可作为城市配电网拓扑结构模式选择的一种有益补充，可以有效提升城市配电网接纳清洁能源能力。但由于系统节点数及换流站较多，计算量会大大增加，内存及处理器开销很大，常常造成处理器过载或内存溢出而导致计算失败。正是这个原因，目前柔性互联的城市配电网实时仿真面临很大挑战。

[0003] 大部分仿真机的解算基础是基于状态空间法，当所仿真的模型中所包含的节点数及开关器件比较多时，将整个系统作为一个状态空间对电路进行预计算，并针对数目众多且相互耦合的开关器件状态所要做的大量预计算，将会需要非常大的内存空间及计算量，这就给模型的实时化带来了巨大的困难。

发明内容

[0004] 本发明的目的是：提供一种多端直流配电网实时仿真装置及其仿真方法，以解决现有技术针对多端直流的柔性互联城市配电网的仿真采用状态空间法存在的由于系统节点数及换流站较多，计算量会大大增加，内存及处理器开销很大，常常造成处理器过载或内存溢出而导致计算失败，给模型的实时化带来了巨大的困难等技术问题。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种多端直流配电网实时仿真装置，它包括上位机，实时仿真器的数量大于1台，各台实时仿真器分别通过交换机与上位机连接。

[0007] 所述实时仿真器的数量为5台。

[0008] 所述的一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，它是在多端直流配电网模型中，在直流配电中心处，将模型分割为五个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器进行仿真，实时仿真器之间通过网线以及交换机连接起来构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。

[0009] 所述的一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，它具体包括：

[0010] 步骤1、对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件；

[0011] 步骤2、在直流配电中心处，将多端直流配电网分割为五个大小相等的子系统，命名为第一子系统、第二子系统、第三子系统、第四子系统和第五子系统；

[0012] 步骤3、采用测量元件测量第一子系统分割接口处的电压信号以及第二至第五子系统分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代第二至第五子系统子系统，受控电压源替代第一子系统；

[0013] 步骤4、将第一子系统中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给第二至第五子系统子系统的受控电压源的信号接收端，第二至第五子系统子系统中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给第一子系统受控电流源的信号接收端。

[0014] 步骤1所述对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件的方法为：

[0015] 采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：

[0016]

[0017] 其中:

[0018] 式中：ikL(t)为流过电感元件电流，IhL(t-Δt)上一步长电流值，ukL(t)-umL(t)为电感上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小，Δt为仿真步长，ikL(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值，ukL(t-Δt)-umL(t-Δt)为电感元件上一步长的压降；

[0019] 电容元件差分化表达式为：

[0020]

[0021] 其中

[0022]

[0023] 式中：ikC(t)为流过电容元件电流，IhC(t-Δt)上一步长电流值，ukC(t)-umC(t)为电容上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，C为电容值大小，Δt为仿真步长，ikC(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，ukC(t-Δt)-umC(t-Δt)为电容元件上一步长的压降。

[0024] 在多端直流配电网模型中的直流配电中心增设有电容器。

[0025] 本发明有益效果：

[0026] 本发明采用多个实时仿真器，实现多个实时仿真器的同时仿真，减小了单个仿真机的预计算量和存储量，加快仿真效率，从而实现仿真的实时化；

[0027] 在分割模型直流配电中心增设电容器，设置合适的电容初始值，并设置电容电压的初始值，设置初始电压可使仿真计算从预设值开始，而选定合适的电容值时，即可满足稳定判据，保证仿真稳定性；

[0028] 解决了现有技术针对多端直流的柔性互联城市配电网的仿真采用状态空间法存在的由于系统节点数及换流站较多，计算量会大大增加，内存及处理器开销很大，常常造成处理器过载或内存溢出而导致计算失败，给模型的实时化带来了巨大的困难等技术问题。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例采用的交流电网拓扑图；

[0030] 图2为本发明实施例模型分割结构图；

[0031] 图3为本发明实施例模型分割接口原理结构图；

[0032] 图4为电感元件及其等值电路图；

[0033] 图5为电容元件及其等值电路图；

[0034] 图6为本发明实施例的分割前短路点电流波形实施效果；

[0035] 图7为本发明实施例的分割后短路点电流波形实施效果；

[0036] 图8为本发明实施例的分割前短路点电压波形实施效果；

[0037] 图9为本发明实施例的分割后短路点电压波形实施效果；

[0038] 图10为本发明结构示意图。

具体实施方式

[0039] 一种多端直流配电网实时仿真装置，它包括上位机，实时仿真器的数量大于1台，各台实时仿真器分别通过交换机与上位机连接。

[0040] 所述实时仿真器的数量为5台。

[0041] 所述的一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，它是在多端直流配电网模型中，在直流配电中心处，将模型分割为五个大小相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器进行仿真，实时仿真器之间通过网线以及交换机连接起来构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。

[0042] 所述的一种多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，它具体包括：

[0043] 步骤1、对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件；

[0044] 步骤2、在直流配电中心处，将多端直流配电网分割为五个大小相等的子系统，命名为第一子系统、第二子系统、第三子系统、第四子系统和第五子系统；

[0045] 步骤3、采用测量元件测量第一子系统分割接口处的电压信号以及第二至第五子系统分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代第二至第五子系统子系统，受控电压源替代第一子系统；

[0046] 步骤4、将第一子系统中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给第二至第五子系统子系统的受控电压源的信号接收端，第二至第五子系统子系统中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给第一子系统受控电流源的信号接收端。

[0047] 步骤1所述对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路用来替代电感和电容元件的方法为：

[0048] 采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：

[0049]

[0050] 其中:

[0051] 式中：ikL(t)为流过电感元件电流，IhL(t-Δt)上一步长电流值，ukL(t)-umL(t)为电感上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小，Δt为仿真步长，ikL(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值，ukL(t-Δt)-umL(t-Δt)为电感元件上一步长的压降；

[0052] 电容元件差分化表达式为：

[0053]

[0054] 其中

[0055]

[0056] 式中：ikC(t)为流过电容元件电流，IhC(t-Δt)上一步长电流值，ukC(t)-umC(t)为电容上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，C为电容值大小，Δt为仿真步长，ikC(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，ukC(t-Δt)-umC(t-Δt)为电容元件上一步长的压降。

[0057] 信号在网线以及交换机之间传输会有一定的延时，在直流网分割中，延时引起的误差表现为幅值误差，无法对接口延时进行直接补偿，在多端直流配电网模型的直流配电中心增设电容器，设定合适的电容值使分割模型满足稳定判据，以消除幅值误差。并设置电容器的初始电压。

[0058] 下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

[0059] 实施例1：如图1-图9所示，多端直流配电网实时仿真装置，其特征在于：包括上位机和五个实时仿真器，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到五个实时仿真器。

[0060] 多端直流配电网实时仿真装置的仿真方法，该方法为：在多端直流配电网中，在直流配电中心处，将模型分割为五个大小近似相等的子系统，将每个子系统对应一个实时仿真器进行仿真，实时仿真器之间通过网线以及交换机连接起来，构成一个仿真机群，然后利用测量元件测量分割端口两侧的信号，并且在分割端口处加装信号接收装置，接收来自对侧端口传递的信号，将每个端口测量到的信号通过网线以及交换机传递给对侧的信号接收装置。

[0061] 多端直流配电网中电力电子开关器件众多，例如，本例中有三个21电平MMC电路，则可知每个MMC电路中有252个开关，三个MMC一共有756个开关，在进行实时仿真时，实时仿真器会对每种开关状态进行预计算并且存储预计算所得到的系统矩阵，则k的取值将达到2756个，这需要实时仿真器巨大的存储空间和计算量，将导致实时仿真器无法在一个步长内完成所有的计算，最终不能对模型进行实时仿真。而将三个MMC电路平均分为三个状态空间群组，在一个仿真机内运行，此时k的取值将达到3*2252个，这就大大节省了很大的存储空间和预计算量。不仅如此，将模型分割以后，分别在不同的实时仿真器内运行每个状态空间群
252
组，则k的取值将达到2 个，这更加节省了每个实时仿真器的存储量和预计算量。目前，对于提高仿真机的存储能力及CPU的处理能力所需研发费用昂贵，所以，研究和采用适当的模型分割及其接口算法来实现大电网的实时仿真已经势在必行。

[0062] 多端直流配电网实时仿真装置仿真方法，具体步骤如下：

[0063] 1)对集中电感和电容元件进行离散化处理，处理后的等值电路替代电感和电容元件，采用隐式梯形积分法，则电感元件差分化表达式为：

[0064]

[0065] 其中:

[0066] 式中：ikm(t)为流过电感元件电流，IL(t-Δt)上一步长电流值，uk(t)-um(t)为电感上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，L为电感值大小，Δt为仿真步长，ikm(t-Δt)为流过电感元件上一步长电流值，uk(t-Δt)-um(t-Δt)为电感元件上一步长的压降。电容元件差分化表达式为：

[0067]

[0068] 其中

[0069] 式中：ikm(t)为流过电容元件电流，IC(t-Δt)上一步长电流值，uk(t)-um(t)为电容上的压降， 为电感差分化处理后的等效电阻，C为电容值大小，Δt为仿真步长，ikm(t-Δt)为流过电容元件上一步长电流值，uk(t-Δt)-um(t-Δt)为电容元件上一步长的压降。

[0070] 2)在直流配电中心处，将多端直流配电网分割为五个大小近似相等的子系统，命名为子系统1至子系统5；

[0071] 3)采用测量元件测量子系统1分割接口处的电压信号以及子系统2、3、4、5分割接口处的电流信号，并且采用替代定理，在测量元件后接上受控源，用受控电流源替代子系统2、3、4、5，受控电压源替代子系统1；

[0072] 4)将子系统1中测量的电压信号通过网线以及交换机传输给子系统2、3、4、5的受控电压源的信号接收端，子系统2、3、4、5中测量的电流信号通过网线以及交换机传输给子系统1受控电流源的信号接收端。

[0073] 多端直流配电网实时仿真方法包括多端直流直流配电网实时仿真装置，它包括上位机和五个实时仿真器，上位机通过以太网模块连接到交换机，交换机通过网口连接到五个实时仿真器。

[0074] 实施例2：图1是一个多端直流配电网，在直流配电中心处将多端直流配电网系统一分为五，MMC2及开闭所A1等归为子系统1；MMC1及开闭所A2等归为子系统2；MMC3及开闭所B等归为子系统3；直流变压器及直流微网等归为子系统4；逆变器及交流微网等归为子系统5。上位机和实时仿真器之间通过以太网连接，子系统1至子系统5通过上位机编译及下载到仿真机1至5中进行仿真，各实时仿真器之间通过网线以及交换机连接。利用电压测量元件测量子系统1分割接口处的电压信号，利用电流测量元件测量子系统2、3、4、5分割接口处的电流信号，并且在电压测量元件后接上受控电流源，接收来自子系统2、3、4、5分割端口处测量得到的电流信号，在电流测量元件后接上受控电压源，接收来自子系统1分割端口处测量得到的电压信号，测量得到的电压及电流信号通过网线以及交换机进行信号传输。分割后模型如图2所示。

[0075] 信号在网线以及交换机之间传输会有一定的延时，在直流网分割中，延时引起的误差表现为幅值误差，无法对接口延时进行直接补偿，在分割模型直流配电中心增设电容器，设定合适的电容值，并设置电容器的初始电压。

[0076] 实施效果：在图1和图2实施例中验证了该技术的效果，正常运行时，t＝6秒时B3点发生三相接地故障，t＝6.1秒时故障消失，图4分别是故障点分割前后的电流和电压对比图，从图中可以看出，不管在稳态还是暂态情况下，分割前后电流及电压波形基本一致。因此，此模型分割方法是成功的。

[0077] 本发明公开了在单个硬件条件不满足要求的条件下，采用替代定理，将多端直流配电网在直流配电中心处将系统分割为五个子系统，用以解决无法实时仿真多端直流配电网问题。分割方法为测量分割接口处的电压和电流信号，利用受控电压源和受控电流源作为信号接收装置接收测量的电压和电流信号，而测量的电压电流信号通过网线以及交换机进行传输，实现模型的分割和分机仿真。从而将原来一个仿真机内仿真的系统分为多个仿真机进行仿真，减小了单个仿真机的预计算量和存储量，同时也减小了矩阵的个数，加快仿真，从而实现仿真的实时化。