本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真，特別是一種用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真方法。

背景技術(shù)：

基于經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面的考慮，時(shí)域仿真已成為電力系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與研究的重要工具。當(dāng)前，電力電子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括柔性交流輸電、高壓直流輸電以及分布式發(fā)電在內(nèi)的電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，特別是大量的可再生能源發(fā)電設(shè)備一般都需要通過(guò)電力電子變流器才能接入到電網(wǎng)中，而電力電子這種本質(zhì)上隨時(shí)間不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)時(shí)域仿真提出了新的要求與挑戰(zhàn)。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的電磁暫態(tài)仿真而言，主要強(qiáng)調(diào)電力電子器件對(duì)系統(tǒng)整體的影響，此時(shí)過(guò)于詳細(xì)的開(kāi)關(guān)模型是沒(méi)有必要的，采用簡(jiǎn)化的理想開(kāi)關(guān)模型通常能滿足計(jì)算要求。

隨著電力電子開(kāi)關(guān)元件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷增多，傳統(tǒng)的EMTP算法在開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作的處理上存在描述不準(zhǔn)確的問(wèn)題，致使時(shí)域仿真出現(xiàn)錯(cuò)誤。自上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，不斷有學(xué)者為了解決這個(gè)問(wèn)題提出各種方法。通常采用線性插值確定電力電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間點(diǎn)，并結(jié)合常微分方程的數(shù)值解法以實(shí)現(xiàn)仿真的重新同步。直到目前，在實(shí)現(xiàn)仿真與真實(shí)時(shí)間的重新同步方面，由于采用了較多次數(shù)的插值，影響了仿真速度，不適應(yīng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真。同時(shí)，同一步長(zhǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)的多重動(dòng)作將導(dǎo)致仿真難以檢測(cè)和計(jì)算，這也是電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的一大難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真算法，該方法在保證仿真速度的同時(shí)，又能滿足實(shí)時(shí)性與精確性的要求。

本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下：

一種用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真方法，其特點(diǎn)在于，該方法包括步驟如下：

步驟1、電力系統(tǒng)初始化：

首先，確定仿真電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，主要包括：

1)對(duì)仿真電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各支路位置和電阻、電感、電容元件進(jìn)行編號(hào)并記錄；

2)交、直流電源的接入節(jié)點(diǎn)號(hào)、幅值、頻率、初始相位信息；

3)電力電子器件在仿真網(wǎng)絡(luò)中的具體位置以及每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的等效電阻、電容等參數(shù)；確定與仿真時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，包括初始仿真步長(zhǎng)Δt、總仿真時(shí)長(zhǎng)T；

然后，確定各類型換向型器件的不同輸入控制信號(hào)：若為自然換向型器件，則控制信號(hào)為器件所在支路的電壓或電流方向；若為強(qiáng)制換向型器件，則控制信號(hào)為調(diào)制方式得出的開(kāi)關(guān)方波；

步驟2、利用全局隱式梯形積分法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每條支路中的電阻、電感、電容元件進(jìn)行差分化，形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣G：

步驟3、判斷仿真是否達(dá)到指定總仿真時(shí)長(zhǎng)T，當(dāng)達(dá)到總仿真時(shí)長(zhǎng)T，則轉(zhuǎn)入步驟9；否則，轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4、電磁暫態(tài)仿真計(jì)算，詳細(xì)步驟如下：

步驟4.1、根據(jù)各類電力電子的輸入控制信號(hào)，判斷某一仿真步長(zhǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作情況，若有開(kāi)關(guān)動(dòng)作則轉(zhuǎn)入步驟4.2；否則，轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟4.2、采用權(quán)重積分法與后向歐拉積分法對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)多重開(kāi)關(guān)進(jìn)行處理，其步驟如下：

步驟4.2.1、確定不同電力電子開(kāi)關(guān)類型的準(zhǔn)確開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)，若為強(qiáng)制換向型開(kāi)關(guān)器件，則準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)由控制信號(hào)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)確定；若為自然換向型開(kāi)關(guān)器件，利用線性內(nèi)插法得到準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)，同一步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生二重開(kāi)關(guān)事件，t_A、t_B為開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)，則取兩者平均值t_C為該步長(zhǎng)內(nèi)統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)，引入?yún)?shù)x＝(t+2Δt-t_C)/Δt；同時(shí)利用線性插值法f(t_C)＝f(t+Δt)+x·[f(t+2Δt)-f(t+Δt)]得到該點(diǎn)處的相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)變量，并根據(jù)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)情況形成新的導(dǎo)納矩陣G；

步驟4.2.2、根據(jù)動(dòng)態(tài)電路換路原理，取半步長(zhǎng)后的非狀態(tài)變量作為統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)t_C的系統(tǒng)狀態(tài)量，而t_C時(shí)刻的狀態(tài)變量由于自身特性不能突變因此保持不變，此時(shí)仿真時(shí)間重回至t_C時(shí)間點(diǎn)，并再次判斷是否有同步開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，若有則轉(zhuǎn)入步驟4.2.1；否則，轉(zhuǎn)入步驟4.2.3；

步驟4.2.3、基于插值得到的參數(shù)x與保持節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣不變的原則，引入權(quán)重因子θ，并按下列情況處理：

當(dāng)1/2<x≤1時(shí)，仿真改變積分步長(zhǎng)至xΔt，利用權(quán)重積分法差分化電路元件，根據(jù)θx＝1/2求出權(quán)重因子，并先后進(jìn)行一步權(quán)重積分和兩步半步長(zhǎng)后向歐拉積分完成重新同步化過(guò)程；

當(dāng)0≤x≤1/2時(shí)，仿真改變積分步長(zhǎng)至(x+1/2)Δt，利用權(quán)重積分法差分化電 路元件，根據(jù)θ(x+1/2)＝1/2求出權(quán)重因子，并先后進(jìn)行一步權(quán)重積分和一步半步長(zhǎng)后向歐拉積分完成重新同步化過(guò)程；

步驟5、若電力電子開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)未發(fā)生變化，則令t＝t+Δt，并計(jì)算Norton等效電流I；

步驟6、計(jì)算電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的注入電流I_injection，并求解傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓方程GU＝I；

步驟7、計(jì)算各支路電流與各節(jié)點(diǎn)電壓，并將相關(guān)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)；

步驟8、判斷仿真時(shí)間t是否達(dá)到T，若未達(dá)到，則轉(zhuǎn)入步驟3；否則，轉(zhuǎn)入步驟9；

步驟9、仿真結(jié)束。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明利用開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)在步長(zhǎng)內(nèi)的具體位置引入相關(guān)參數(shù)構(gòu)造分段函數(shù)并計(jì)算積分權(quán)重，解決了權(quán)重積分法與傳統(tǒng)全局隱式梯形積分的電磁暫態(tài)仿真算法無(wú)法結(jié)合的難題。

2、本發(fā)明加入了同一步長(zhǎng)內(nèi)可能出現(xiàn)的多重開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的處理過(guò)程，主要處理方式分為兩種。第一種方式為，當(dāng)獨(dú)立型開(kāi)關(guān)在同一步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生動(dòng)作時(shí)，本發(fā)明可通過(guò)線性內(nèi)插法確定各個(gè)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)并記錄用以解決強(qiáng)制換向型器件由于門極信號(hào)的到來(lái)狀態(tài)突變的多重開(kāi)關(guān)事件；第二種方式為，當(dāng)具體因果關(guān)系的開(kāi)關(guān)元件在同一步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生動(dòng)作時(shí)，本發(fā)明加入了半步長(zhǎng)后向歐拉法，以探測(cè)并解決強(qiáng)制換向型器件狀態(tài)變量突變導(dǎo)致自然換向型器件開(kāi)通或關(guān)斷的多重開(kāi)關(guān)事件。而后選取各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)的平均值作為該步長(zhǎng)內(nèi)統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)，并采用插值法計(jì)算該時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量。

3、本發(fā)明利用權(quán)重?cái)?shù)值積分方法對(duì)標(biāo)仿真時(shí)間與真實(shí)時(shí)間以快速準(zhǔn)確地完成重新同步化過(guò)程，并基于節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣不變?cè)瓌t，抑制數(shù)值振蕩，提高仿真效率，降低編程復(fù)雜程度。

4、本發(fā)明多重開(kāi)關(guān)微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真算法，能夠有效解決電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中同一步長(zhǎng)內(nèi)出現(xiàn)多重開(kāi)關(guān)進(jìn)而影響仿真效率和精確度的傳統(tǒng)難題，同時(shí)能夠準(zhǔn)確確定開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)并解決強(qiáng)制換向型器件仿真狀態(tài)變量突變的問(wèn)題，并能在開(kāi)關(guān)動(dòng)作后快速完成重新同步化過(guò)程，以滿足電磁暫態(tài)仿真的實(shí)時(shí)性要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施流程圖

圖2為本發(fā)明方法中多重開(kāi)關(guān)處理的流程示意圖

圖3為典型獨(dú)立型多重開(kāi)關(guān)的仿真結(jié)果

圖4為典型的具有因果關(guān)系多重開(kāi)關(guān)的仿真結(jié)果

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真方法，其核心是利用線性內(nèi)插取得同一步長(zhǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)的平均值作為統(tǒng)一開(kāi)關(guān)時(shí)間時(shí)刻，并采用權(quán)重?cái)?shù)值積分法完成仿真時(shí)間與真實(shí)時(shí)間的再同步過(guò)程以滿足電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的要求，最大限度簡(jiǎn)化處理電力電子開(kāi)關(guān)器件的高頻動(dòng)作過(guò)程。本發(fā)明解決了電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真對(duì)于多重開(kāi)關(guān)處理的難題，同時(shí)提高了電力電子器件的仿真速度與精度，本發(fā)明用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真算法的具體仿真流程可參照?qǐng)D1。

圖1是本發(fā)明方法的一個(gè)具體實(shí)施流程圖，左側(cè)虛線框圖內(nèi)為傳統(tǒng)EMTP仿真流程，虛線框圖外右側(cè)為具體處理電力電子多重開(kāi)關(guān)的流程，為本發(fā)明的核心。

本發(fā)明多重開(kāi)關(guān)動(dòng)作的處理過(guò)程包括：計(jì)算準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)并選取各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)的平均值作為該步長(zhǎng)內(nèi)統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)，采用插值法計(jì)算該時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量；根據(jù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作平均時(shí)刻在該步長(zhǎng)內(nèi)的具體位置，引入分段函數(shù)參數(shù)并計(jì)算積分權(quán)重，后經(jīng)一至二步后向歐拉積分至下一整步時(shí)間點(diǎn)，得到該時(shí)刻正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c系統(tǒng)初值，完成重新同步化過(guò)程，而后轉(zhuǎn)換至隱式梯形積分法繼續(xù)完成全局計(jì)算。本發(fā)明用于電力系統(tǒng)的多重開(kāi)關(guān)處理的微網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真算法，具體實(shí)施步驟包括如下步驟：

步驟1.電力系統(tǒng)初始化：

首先，確定仿真電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，主要包括：

1)對(duì)仿真電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各支路位置和電阻、電感、電容元件進(jìn)行編號(hào)并記錄；

2)交、直流電源的接入節(jié)點(diǎn)號(hào)、幅值、頻率、初始相位等信息；

3)電力電子器件在仿真網(wǎng)絡(luò)中的具體位置以及每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的等效電阻、電容參數(shù)；

再者，確定與仿真時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，包括初始仿真步長(zhǎng)Δt、總仿真時(shí)間T；

然后，確定各類型換向型器件的不同輸入控制信號(hào)：若為自然換向型器件，如二極管等，則控制信號(hào)為器件所在支路的電壓或電流方向；若為強(qiáng)制換向型器件，如絕緣柵雙極型晶閘管等，則控制信號(hào)為調(diào)制方式得出的開(kāi)關(guān)方波；

步驟2.形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣G：

利用全局隱式梯形積分法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每條支路中的電阻、電感、電容元件進(jìn)行差 分化，以電容為例，有G_C＝2C/Δt，以此類推進(jìn)而形成一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣G；

步驟3.判斷仿真是否達(dá)到指定總仿真時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到總仿真時(shí)長(zhǎng)，則轉(zhuǎn)入步驟9；否則，轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4.電磁暫態(tài)仿真計(jì)算：

步驟4.1.根據(jù)各類電力電子的輸入控制信號(hào)，判斷某一仿真步長(zhǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作情況，若有開(kāi)關(guān)動(dòng)作則轉(zhuǎn)入步驟4.2；否則，轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟4.2.進(jìn)行權(quán)重積分法與后向歐拉積分法的電力電子開(kāi)關(guān)多重開(kāi)關(guān)算法處理流程，步驟如下：

步驟4.2.1.根據(jù)電力電子開(kāi)關(guān)類型的不同采用不同方式確定其準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)，若為強(qiáng)制換向型開(kāi)關(guān)器件，則準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)可由控制信號(hào)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)確定；若為自然換向型開(kāi)關(guān)器件，由于仿真步長(zhǎng)小，可認(rèn)為仿真步長(zhǎng)內(nèi)相關(guān)狀態(tài)變量滿足線性變化關(guān)系，則可利用線性內(nèi)插法得到準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)。以圖2為例，同一步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生二重開(kāi)關(guān)事件，t_A、t_B為開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)，則取兩者平均值t_C為該步長(zhǎng)內(nèi)統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)，引入?yún)?shù)x＝(t+2Δt-t_C)/Δt；同時(shí)利用線性插值法f(t_C)＝f(t+Δt)+x·[f(t+2Δt)-f(t+Δt)]得到該點(diǎn)處的相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)變量，并根據(jù)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)情況形成新的導(dǎo)納矩陣G；

步驟4.2.2.采用局部后向歐拉積分法結(jié)合權(quán)重積分法進(jìn)行重新初始化過(guò)程。根據(jù)動(dòng)態(tài)電路換路原理，取半步長(zhǎng)后的非狀態(tài)變量，如電感電壓、電容電流等，作為統(tǒng)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)t_C的系統(tǒng)狀態(tài)量，而t_C時(shí)刻的狀態(tài)變量由于自身特性不能突變因此保持不變。此時(shí)，仿真時(shí)間重回至t_C時(shí)間點(diǎn)，并再次判斷是否有同步開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，若有則轉(zhuǎn)入步驟4.2.1；否則，則轉(zhuǎn)入步驟4.2.3；

步驟4.2.3.考慮到t_C不處于整步時(shí)間點(diǎn)，為了滿足電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的需求，需對(duì)標(biāo)仿真時(shí)間與真實(shí)時(shí)間以完成重新同步化過(guò)程。基于插值得到的參數(shù)x與保持節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣不變的原則，現(xiàn)將構(gòu)造分段函數(shù)并基于此引入權(quán)重因子θ，把處理流程分為兩種類型，如圖2中算法1、算法2所示，圖中所示數(shù)字即為在重新同步化過(guò)程中的仿真順序。

當(dāng)1/2<x≤1時(shí)，如圖2中算法1所示，在點(diǎn)2處，下一步仿真改變積分步長(zhǎng)至xΔt，利用權(quán)重積分法差分化電阻、電感、電容等電路元件，以電容為例，有G_C＝C/θxΔt，為保證實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中盡可能占用最少的計(jì)算資源，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣需保持不變，即要求利用步驟3.2.1中求出的參數(shù)x并根據(jù)θx＝1/2求出權(quán)重因子，計(jì)算差分法Norton等效電流項(xiàng)，進(jìn)行一步權(quán)重積分至點(diǎn)3處，接著再以半步長(zhǎng)后向 歐拉法進(jìn)行兩次積分仿真至點(diǎn)4、點(diǎn)5處；經(jīng)過(guò)以上重新同步化過(guò)程后，全局仿真重新采用隱式梯形法進(jìn)行，至點(diǎn)6；

當(dāng)0≤x≤1/2時(shí)，如圖2中算法2所示，在點(diǎn)2處，下一步仿真改變積分步長(zhǎng)至(x+1/2)Δt，利用權(quán)重積分法差分化電阻、電感、電容等電路元件，以電容為例，有G_C＝C/θ(x+1/2)Δt，根據(jù)θ(x+1/2)＝1/2求出權(quán)重因子，計(jì)算差分法Norton等效電流項(xiàng)，進(jìn)行一步權(quán)重積分至點(diǎn)3處，接著再以半步長(zhǎng)后向歐拉法進(jìn)行一次積分仿真至點(diǎn)4處；經(jīng)過(guò)以上重新同步化過(guò)程后，全局仿真重新采用隱式梯形法進(jìn)行，至點(diǎn)5；

完成以上對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)器件的多重開(kāi)關(guān)處理后，進(jìn)入步驟5；

步驟5.如電力電子開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)未發(fā)生變化，則令t＝t+Δt，并計(jì)算Norton等效電流I；

步驟6.計(jì)算電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的注入電流I_injection，并求解傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓方程GU＝I；

步驟7.計(jì)算各支路電流與各節(jié)點(diǎn)電壓，并將相關(guān)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)；

步驟8.判斷仿真是否結(jié)束，若不則轉(zhuǎn)入步驟3；反之轉(zhuǎn)入步驟9；

步驟9.仿真結(jié)束。

圖2為多重開(kāi)關(guān)處理的重新同步化過(guò)程示意圖，算法1、算法2中的數(shù)字即為仿真進(jìn)行順序，圖中以二重開(kāi)關(guān)時(shí)刻t_A、t_B為例，t_C為兩個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的平均值。

如圖3、圖4所示，兩者分別為典型多重開(kāi)關(guān)電路的仿真結(jié)果圖，包括與離線電磁暫態(tài)工具PSCAD進(jìn)行比較的對(duì)比情況。本發(fā)明最終能夠完成獨(dú)立型多重開(kāi)關(guān)及具有因果關(guān)系多重開(kāi)關(guān)的處理，在保證實(shí)時(shí)仿真速度的基礎(chǔ)上，與PSCAD仿真結(jié)果吻合度高，體現(xiàn)了較大的精確度。