一種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法，屬于電力系統(tǒng)數(shù)字仿真領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，幾種典型的電站仿真軟件中的建模方法包括：
[0003] ( -）：S3仿真軟件支撐系統(tǒng)：該軟件是由美國link公司于七十年代中期研制成 功的，S3的模塊劃分方法是面向程序設計而不是面向仿真目標的，建模人員需要根據(jù)具體 的仿真對象去編制復雜的仿真模型。為此，Link公司又開發(fā)了一些面向?qū)ο蟮妮o助建模工 具如流體網(wǎng)絡自動生成軟件包FLOWNETS ;該軟件包括一個連續(xù)方程和動量方程，用于計算 單相不可壓縮管網(wǎng)系統(tǒng)。
[0004] (二）：麗S模塊化建模系統(tǒng)：該軟件由美國EPRI于1983年開發(fā)成功，它是用于 電站仿真過程分析的模塊化建模系統(tǒng)，是目前最有代表性的電站過程分析軟件。該軟件在 設計時采用面向目標的模塊劃分原則，即模塊劃分完全以獨立的物理設備或部件為基礎， 模塊具有高度的數(shù)學獨立性和良好的兼容性。MMS將所有模塊分成S型（儲能型）和R型 (流動阻力型）兩種基本類型以及這兩種類型的組合型RS和SR型模塊，以解決水力耦合問 題。描述S型模塊的基本方程是質(zhì)量方程和能量方程，描述R型模塊的基本方程是動量方 程。為了保證模塊的完全獨立性，MMS將描述該部件的所有方程（其中包括壓力流量計算） 都包含在模塊內(nèi)部，因此在確定了模塊的所有邊界條件之后，就可以計算模塊的所有輸出。 這樣的模塊即可以作為一個基本單元構(gòu)成較大的系統(tǒng)，亦可以單獨進行仿真分析。為了保 證模塊連接時不發(fā)生沖突，MMS規(guī)定同種類型的模塊不能直接連接，當兩個R型模塊進行連 接時（電站仿真中常遇到），必須在其中增加一個假想的連接模塊。連接模塊具有S型模塊 的屬性但不儲存任何物質(zhì)。其作用僅在于計算兩個R型模塊之間的壓力。MMS的應用對象 是電站過程分析，無實時要求，因此MMS的這種使模塊具有完全獨立性的模塊劃分方法是 很適宜的。
[0005] (三）：CETRMANTM模塊化建模環(huán)境：該軟件是美國CE公司在CEPURSTM軟件基礎 上開發(fā)的一個大型的、面向電站實時仿真的模塊化建模環(huán)境。CENTRANTM的模塊劃分原則 與MMS基本一致，即完全以獨立的設備或設備部件為基礎。為了提高計算效率保證模型的 實時性，CENTRAN將描述設備動態(tài)過程的守恒方程和特性方程分開來計算，具體的方法是將 連續(xù)方程和動量方程單獨做成一個節(jié)點壓力模塊，將能量方程做成一個混合模塊，這樣對 所有的節(jié)點壓力模塊求解即能計算出系統(tǒng)中的壓力和流量。在GEPURSTM中，節(jié)點壓力模塊 是用高斯-塞德爾迭代法求解的，收斂速度較慢。因此對于稍大一點的熱力系統(tǒng)，必須對 網(wǎng)絡進行充分的合并、簡化，使用起來不太靈活。為此，CE公司又開發(fā)了大型管網(wǎng)計算軟件 包一THLF。THLF將系統(tǒng)中所有的節(jié)點壓力模塊用高效的稀疏矩陣技術(shù)統(tǒng)一求解，以達到能 實時模擬大型管網(wǎng)系統(tǒng)的目的。CETRANTM將管網(wǎng)中的節(jié)點和支路都看成是模塊，顯然這些 模塊已不再有設備模塊的概念，而只是從所有設備中分離出來專用于計算的模塊，具有MMS 中的S型模塊和R型模塊類似的性質(zhì)。CETRANTM的模塊連接是通過變量匹配來實現(xiàn)的，因 此用戶需要了解模塊內(nèi)部的計算關(guān)系才能進行模塊連接。
[0006] (四）：APROS高級過程仿真軟件：該軟件是由芬蘭技術(shù)研宄中心（VVT)于1989年 開發(fā)成功的用于過程分析和實時仿真的模型開發(fā)系統(tǒng)。在APROS中，一個大的系統(tǒng)被分為 多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又由基本熱力設備組成。而設備又由基本部件：節(jié)點和支路組成。 描述系統(tǒng)質(zhì)量、能量和動量守恒的方程均是分別對節(jié)點和支路建立的。因此節(jié)點和支路是 APROS從計算角度劃分出來的模塊，其節(jié)點和支路和MMS中的S型模塊和R型模塊具有同樣 的性質(zhì)。APROS的這種建模方法實際上將一個設備看做是一個管網(wǎng)系統(tǒng)，設備間通過邊界點 進行連接，就可以組成更高一級的管網(wǎng)系統(tǒng)。顯然，APROS將一個熱力系統(tǒng)看作是一個有節(jié) 點和支路構(gòu)成的管網(wǎng)系統(tǒng)，最簡單的管網(wǎng)系統(tǒng)只有一個網(wǎng)絡元。APROS使用的積分算法是隱 式積分，并采用稀疏矩陣算法求解方程組，以滿足實時要求。
[0007] 在電站中，系統(tǒng)工質(zhì)大都是單相可壓縮或不可壓縮流體，如凝結(jié)水、給水、冷卻水 等水系統(tǒng)和燃油、潤滑油、密封油等油系統(tǒng)均可認為是單相不可壓縮流體網(wǎng)絡。主蒸汽系 統(tǒng)、風煙系統(tǒng)和壓縮空氣等系統(tǒng)則屬單相可壓縮流體網(wǎng)絡。單相可壓縮流體網(wǎng)絡模型可用 于模擬電廠輔機系統(tǒng)或絕大部分熱力系統(tǒng)。
[0008] 在電站仿真中，人們所關(guān)心的往往是系統(tǒng)中某些點處的物理參數(shù)隨時間的變化而 不關(guān)心沿空間的分布規(guī)律。在這種情況下，使用集中參數(shù)模型既能節(jié)省時間又能避免不必 要參數(shù)的計算。因此，目前國內(nèi)外所開發(fā)的電站仿真模型，都無一例外的選用了集中參數(shù)模 型來模擬電廠中的熱力過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 傳統(tǒng)的節(jié)點壓力方程是非線性方程組，由t時刻到t+Ι時刻這一過程的計算必須 使用迭代的方法，仿真模型計算量大且實現(xiàn)復雜。本發(fā)明提供一種流網(wǎng)的仿真模型及其 建模方法，基于此非線性方程組所形成的數(shù)值解流網(wǎng)仿真模型為線性方程組，從t時刻到 t+ Λ t時刻的計算無需迭代計算，因而每時步的計算量大大降低；并且該仿真模型物理意 義明確，便于理解，易于形成，相對于傳統(tǒng)方法很容易編程實現(xiàn)。
[0010] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0011] -種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法，將流網(wǎng)各元件暫態(tài)方程式的數(shù)值解方程式， 處理成此形式：G m (t+ Λ t) = Pm (t+ Λ t) *BXm (t) +Im (t)，
[0012] 其中，Gm(t+At)為下一時步的流量，Pm(t+At)為下一時步支路兩端壓差，BX m(t) 為本時步計算中支路m的等效流導，Im (t)為本時步計算中支路m的流量源。
[0013] 根據(jù)上式構(gòu)成的流網(wǎng)節(jié)點壓強方程有此形式：GY*P =頂+Hp +WG，
[0014] 其中，P為節(jié)點壓強向量，GY為節(jié)點等效流導矩陣，IM+HP +WG為節(jié)點注入質(zhì)量流 量。
[0015] 流導矩陣GY是方陣，其階數(shù)就等于網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)n，流導矩陣是稀疏矩陣，其 各行非零非對角元數(shù)就等于與該行相對應節(jié)點所連接的串聯(lián)支路數(shù)，流導矩陣的對角元 GY(i，i)就等于該節(jié)點相連的所有串聯(lián)或并聯(lián)支路等效流導的總和，流導矩陣的非對角元 GY(i，j)等于連接節(jié)點i，j的支路等效流導的負值，IM(i)為與節(jié)點i相連的各支路數(shù)值解 中流量源注入節(jié)點i的質(zhì)量流量和，WG(i)為并聯(lián)于相應節(jié)點上的負載設備或作為壓力源 的設備如泵的壓頭或氣包的內(nèi)壓所形成的注入節(jié)點i的質(zhì)量流量，Hp (i)為與節(jié)點i相連 的各支路節(jié)點壓強和支路內(nèi)壓之差所形成的注入節(jié)點i的質(zhì)量流量和，該質(zhì)量流量改變管 網(wǎng)支路內(nèi)工質(zhì)的密度。
[0016] 本發(fā)明一種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法，技術(shù)效果如下：
[0017] 1)、傳統(tǒng)的流網(wǎng)節(jié)點壓力方程是非線性方程組，由t時刻到t+Ι時刻這一過程的計 算必須使用迭代的方法，仿真模型計算量大且實現(xiàn)復雜。本發(fā)明提供一種流網(wǎng)的仿真模型 及其建模方法，將流網(wǎng)支路元件暫態(tài)方程式的數(shù)值解方程式，處理成式（9)所示線性方程， 所形成的流網(wǎng)節(jié)點壓力方程如式（15)所示，該流網(wǎng)節(jié)點壓力方程從t時刻到t+ Λ t時刻 的計算無需迭代計算，因而每時步的計算量大大降低；
[0018] 2)、流網(wǎng)節(jié)點壓力方程中等效導納的形成與電網(wǎng)節(jié)點電壓方程導納矩陣的形成一 致，仿真模型物理意義明確，便于理解，易于形成，相對于傳統(tǒng)方法更容易編程實現(xiàn)。
[0019] 3)、本發(fā)明流網(wǎng)節(jié)點壓力方程組（15)式與電網(wǎng)節(jié)點電壓方程組有相同的形式，適 合于實現(xiàn)電站生產(chǎn)系統(tǒng)整體，即電站的電氣部分，輔機系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)或水力系統(tǒng)等流體部 分的建模與仿真。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的支路m的仿真模型圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明的流體網(wǎng)絡計算流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 一種流網(wǎng)的仿真模型，其中，可壓縮流體網(wǎng)絡模型采用集中參數(shù)模型。考慮流體的 慣性，不考慮流體內(nèi)部的波動過程。
[0023] 以支路m為例，對支路m建立非定常粘性流體的伯努利方程：
【主權(quán)項】
1. 一種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法，其特征在于， 將流網(wǎng)元件暫態(tài)方程式的數(shù)值解方程式，處理成如下形式： Gm(t+At) =Pm(t+At)*BXm(t)+Im(t); 其中，GniU+At)為下一時步的質(zhì)量流量， Pm(t+At)為下一時步支路兩端壓差， BXm(t)為本時步計算中支路m的等效流導， Im (t)為本時步計算中支路m的流量源； 根據(jù)上式構(gòu)成的流網(wǎng)節(jié)點壓強方程有如下形式：GY*P=頂+Hp+WG; 其中：P為節(jié)點壓強向量，GY為節(jié)點等效流導矩陣，IM+HP+WG為節(jié)點注入質(zhì)量流量，流 導矩陣GY是方陣，其階數(shù)就等于網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)n，流導矩陣是稀疏矩陣，其各行非零非對角 元數(shù)就等于與該行相對應節(jié)點所連接的串聯(lián)支路數(shù)，流導矩陣的對角元GY(i，i)就等于該 節(jié)點相連的所有串聯(lián)或并聯(lián)支路等效流導的總和，流導矩陣的非對角元GY(i，j)等于連接 節(jié)點i，j的支路等效流導的負值，頂(i)為與節(jié)點i相連的各支路數(shù)值解中流量源注入節(jié) 點i的質(zhì)量流量和，WG(i)為并聯(lián)于相應節(jié)點上的負載設備或作為壓力源的設備如泵的壓 頭或氣包的內(nèi)壓所形成的注入節(jié)點i的質(zhì)量流量，Hp(i)為與節(jié)點i相連的各支路節(jié)點壓 強和支路內(nèi)壓之差所形成的注入節(jié)點i的質(zhì)量流量和，該質(zhì)量流量改變管網(wǎng)支路內(nèi)工質(zhì)的 密度。
【專利摘要】一種流網(wǎng)的仿真模型及其建模方法，將流網(wǎng)元件暫態(tài)方程式的數(shù)值解方程式，處理成支路質(zhì)量流量與支路壓強的線性方程表達式，從而與電網(wǎng)暫態(tài)仿真模型的形成具有相同的形式，相比于傳統(tǒng)的流網(wǎng)仿真模型，本發(fā)明不僅每時步的計算量大大降低，而且具有仿真模型物理意義明確，便于理解，易于形成，易于編程實現(xiàn)的特點。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104778319
【申請?zhí)枴緾N201510168773
【發(fā)明人】朱建國, 汪長林, 危雪, 魯明芳
【申請人】三峽大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月10日