電力系統機電暫態(tài)一電磁暫態(tài)混合仿真的研究.doc

電力系統機電暫態(tài)一電磁暫態(tài)混合仿真的研究 張興然 （保定電力職業(yè)技術學院，河北保定071051） 【摘要】隨著電網規(guī)模的日趨擴大，傳統的機電暫態(tài)或者電磁暫態(tài)仿真軟件在分析電網的運行特性時，已開始顯露出各自的局限性。將兩者聯合起來進行混合仿真，可以較好的解決仿真的規(guī)模、速度和精度的協調問題。在分析機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)各自的特點的基礎上，文中介紹了兩者接口的原理和所涉及的問題。最后，對現有的三種混合仿真的接口時序方法進行了對比分析。 關鍵詞機電暫態(tài)；電磁暫態(tài)；混合仿真；接口時序 作者簡介：張興然（1981），女，河北保定人，講師，研究方向為電力系統分析。 0引言 電力系統發(fā)生故障或操作后，將產生復雜的電磁暫態(tài)過程和機電暫態(tài)過程，兩者同時發(fā)生并相互影響。由于這兩個暫態(tài)過程的變化速度相差很大，通常近似地對它們分別進行仿真。隨著電力電子設備和高壓直流輸電技術的廣泛使用，機電暫態(tài)過程仿真中使用這些設備的準穩(wěn)態(tài)模型或簡化模型，會導致仿真結果存在較大誤差；另一方面，雖然電磁暫態(tài)仿真能夠準確表達電力電子設備模型，由于受模型與算法的限制，其仿真規(guī)模不大，難以適應于現代大電力系統?，F有的機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)分析軟件在對系統進行分析時，已經難以滿足需要，電力系統的快速發(fā)展對仿真技術也提出了新的要求和挑戰(zhàn)1-3。 電力系統電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿真是指，在一次仿真過程中將計算對象的電網拓撲按照需要分割成電磁暫態(tài)計算網絡和機電暫態(tài)計算網絡分別實施計算，通過電路連接界面即接口上的數據交換實現一體化仿真進程。電力系統混合仿真技術將電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真技術很好的結合起來，彌補了二者單獨進行暫態(tài)仿真的不足。電磁暫態(tài)過程與機電暫態(tài)過程的混合仿真可兼得各自的優(yōu)點?；旌戏抡娴年P鍵在于兩仿真程序之間的接口問題，接口時序設計尤為重要4。 本文首先介紹了，電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的特點；在比較二者特點的基礎上，闡述了把兩者進行接口的原理和接口時所遇到的問題；最后重點介紹了，現有的三種混合仿真中數據接口時序的設計，并對各自的優(yōu)缺點進行了分析。 1電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的特點 電力系統機電暫態(tài)過程的仿真主要用于分析電力系統的穩(wěn)定性，即分析當電力系統在某一正常運行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經過一段時間回到原來的運行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的問題。而電磁暫態(tài)過程仿真的主要目的在于分析和計算故障或操作后可能出現的暫態(tài)過電壓和過電流，以便根據所得到的暫態(tài)過電壓和過電流對相關電力設備進行合理設計，確定已有設備能否安全運行，并研究相應的限制和保護措施。由于仿真目的不同，兩類暫態(tài)過程仿真在計算步長、變量表示、仿真時間范圍、模型建立和仿真規(guī)模等方面都存在差異。具體區(qū)別如表1所示5。 2混合仿真的接口原理 混合仿真技術綜合了機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)點，對大規(guī)模的常規(guī)電力系統進行機電暫態(tài)仿真，對其中重點關注的局部網絡進行電磁暫態(tài)仿真。但是電力系統機電暫態(tài)過程和電磁暫態(tài)過程是兩個用不同數學模型表征、具有不同時間常數的物理過程，在仿真原理和方法上存在較大差異。為了將大規(guī)模復雜電力系統的機電暫態(tài)仿真和局部系統的電磁暫態(tài)仿真集成在一個進程中，需要采用接口技術，通過仿真過程中機電暫態(tài)網絡計算信息和電磁暫態(tài)網絡計算信息的隨時交換，來實現大規(guī)模電力系統的電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)混合仿真。 電力系統電磁暫態(tài)計算和機電暫態(tài)計算進行接口時需要機電暫態(tài)網絡的計算信息和電磁暫態(tài)網絡的計算信息隨時交換，以使機電暫態(tài)網絡和電磁暫態(tài)網絡的仿真在一次計算過程種完成。但是由于機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真在模型處理，積分步長，計算模式上的不同，接口時面臨著種種問題，接口時序就是其中一個重要的問題。 3數據交換時序的設計 機電電磁暫態(tài)混合仿真中的數據時序交互主要有串行和并行以及相互迭代三種方式。由于機電暫態(tài)仿真步長較大，而電磁暫態(tài)仿真步長較小。因此混合仿真中數據交換時序應該以機電暫態(tài)計算步長為單位進行6-7。 3.1串行時序 如圖1所示，為一種較常見串行接口時序，其中T0，T1，T2表示數據交換的各個時刻，數字1，25表示數據時序交互的先后順序。由圖可見，電磁暫態(tài)網絡仿真時，機電暫態(tài)網絡的仿真處于停止狀態(tài)，同樣，機電暫態(tài)網絡仿真時，電磁暫態(tài)網絡的仿真也處于停止狀態(tài)，電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真交替進行。電磁機電計算期間的相互等待影響了仿真速度，難以滿足混合仿真中實時交互的要求。但采用這種仿真時序，能夠保證兩個仿真網絡計算的精度基本不受影響。 步驟1：機電暫態(tài)仿真過程將T0時刻求得的接口點電壓、電流等信息轉換成諾頓等值電路參數形式，送入電磁暫態(tài)仿真?zhèn)?。 步驟2：電磁暫態(tài)仿真過程利用T0時刻從機電暫態(tài)仿真過程獲得的諾頓等值參數，進行T0到T1時段的電磁暫態(tài)計算。 步驟3：電磁暫態(tài)仿真過程計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態(tài)仿真過程。 步驟4：機電暫態(tài)仿真過程獲得邊界點信息后，進行T0T1時刻網絡的計算。 步驟5：重復以上各步。 3.2并行時序 圖2是一種并行接口時序，電磁與機電側在計算過程中都不需要等待，兩側各自并行計算；因而提高了仿真速度，滿足了在接口處實時交換數據的要求。但采用這種仿真時序，電磁側在t+T時刻采用的都是對側t時刻的等值信息，因而存在一定的交接誤差，影響了計算精度。特別是在網絡結構發(fā)生變化時，接口點電壓和電流將會發(fā)生突變，如果采用這種并行數據交互方式，則對側網絡的故障信息難以得到及時，準確，充分的傳遞，也無法正確反映對側網絡動態(tài)變化對于本側造成的影響。 步驟1：仿真開始時刻，機電暫態(tài)網絡在邊界點的等值阻抗和等值電勢值被傳給電磁暫態(tài)計算過程； 步驟2：電磁暫態(tài)計算過程利用該時刻從機電暫態(tài)計算過程獲得的戴維南等值參數，進行T0到T1時段的電磁暫態(tài)計算。 步驟3：電磁暫態(tài)計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態(tài)計算過程。同時，從機電暫態(tài)計算過程獲得機電暫態(tài)網絡的戴維南等值阻抗和電勢。 步驟4：機電暫態(tài)計算過程獲得邊界點信息后，進行T0T1時刻網絡的計算。同時，電磁暫態(tài)過程進行T1到T2時段的電磁暫態(tài)計算。 步驟5：電磁暫態(tài)計算到T2時刻時，機電暫態(tài)過程計算到T1，二者同步驟3一樣進行數據交換。 步驟6：機電電磁二者并行計算，同步驟4，之后不斷重復以上各步。 3.3相互迭代時序 圖3采用相互迭代接口時序，在系統穩(wěn)態(tài)運行時采用并行交互方式以提高仿真速度，在系統網絡結構發(fā)生變化時采用串行交互方式以提高仿真精度。也就是綜合以上2種方法，這樣可以較好地協調接口時序方式引起的速度和精度問題。 圖3具體過程如下： 步驟1：T1時刻，電磁暫態(tài)網絡發(fā)生故障，此時，電磁暫態(tài)計算過程或機電暫態(tài)計算過程均沒有開始進行故障后的計算，機電暫態(tài)計算過程照常將接口信息送入電磁暫態(tài)計算過程。 步驟2：電磁暫態(tài)計算過程獲取信息后，進行一個周波的計算，直到T3時刻。 步驟3：將T1T3這一個周波時段的邊界點基波有效值計算出來，并將此信息送入機電暫態(tài)計算過程。 步驟4：機電暫態(tài)獲取電磁暫態(tài)網絡的等值電路參數后，接著連續(xù)進行一個周波的計算。 步驟5：機電過程從T2時刻開始，電磁過程計算從T3時刻開始，兩過程之間接口時序又恢復為并行計算。 從上述對以上三種方法的分析比較上來看，在混合仿真中，采用相互迭代的時序是比較好的方法，既保證了計算的效率，又可以在故障時采用串行方式以保證精度。 4結論 實現電力系統電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿真，一方面擴大了電磁暫態(tài)仿真的規(guī)模，另一方面也為電磁暫態(tài)網絡的仿真分析提供了必要的系統背景。采用電磁暫態(tài)機電暫態(tài)混合仿真技術進行工程分析和應用，既能避免由于電磁暫態(tài)仿真規(guī)模的限制而產生的進行系統等值的工作量，還能大大提高系統分析研究的準確度，對于研究交直流系統、直流多饋入系統和大功率電力電子設備對系統運行的動態(tài)影響等都將切實起到作用，因此，電磁暫態(tài)機電暫態(tài)混合仿真成為目前電力系統仿真領域的熱點問題之一。 參考文獻 王冠,蔡曄,張桂斌,等高壓直流輸電電壓源換流器的等效模型及混合仿真技術J電網技術,xx,27(2):4-8 WangGuan，CaiYe，ZhangGuibinetalEquivalentmodelofHVDC-VSCanditshybridsimulationtechniqueJPowerSystemTechnology,xx,27(2)：4-8 王路,李興源,羅凱明,等交直流混聯系統的多速率混合仿真技術研究J電網技術,xx,29(15):23-27 WangLu，LiXingyuan，LuoKaimingetalStudyonmultiratehybridsimulationtechnologyforAC/DCpowersystemJPowerSystemTechnology，xx,29(15):23-27 HeffernanMD，TurenerKS，ArrillagaJetalComputationofAC-DCsystemdisturbancePartI.InteractivecoordinationofgeneratorandconvertertransientmodelsJIEEETransonPowerApparatusandSystems，1981,PAS-100(11):4341-4348 TurnerKS，HeffernanMD，ArnoldCPetalComparisonofAC-DCsystemdistu