一种电力系统机电暂态过程的仿真分析方法

本发明涉及电力系统的暂态稳定性分析技术领域，具体的是，一种电力系统机电暂态过程的仿真分析方法。

由于各区域电网间的地域跨度大，电网结构复杂，负荷特征差异大，系统运行方式变化大，区域电网的互联扩大也导致了电力系统复杂程度的迅速增加，大大增加了发生系统性事故甚至大面积停电事故的几率，大面积停电事故的发生将给社会生产和人民生活带来巨大伤害，造成巨大经济损失。电力系统的系统设计、规划、运行和调度都应该充分考虑系统在突然受到大扰动后的运行稳定性。电力系统的机电暂态仿真是分析系统的动态性能及其运行稳定性的有效工具，在电力系统的系统设计、规划、运行和调度等方面有广泛的应用。在当前电力系统的设计和规划中，广泛采用了FACTS元件、继电保护装置等自动化控制设备。这些设备和装置均属于动态元件，其作用及对电网的影响需要首先通过机电暂态和电磁暂态仿真试验加以验证后，才能投入实际系统使用。机电暂态仿真还可以模拟实际电力系统运行，因而可用于培训调度及运行技术人员，帮助熟悉系统特性和运行规律；可进行输电线短路、断路及发电机断开等大扰动故障及处理的模拟和仿真，从而进行联合反事故演习，一方面有利于发现系统弊端、防范于未然，另一方面实现事故处理预演，有利于发掘更好的事故处理方案，并提高系统操作人员的事故应变能力。

本发明提出了一种电力系统机电暂态过程的仿真分析方法，机电暂态过程的仿真，主要研究电力系统受到扰动后的动态行为和保持同步运行的能力，分析系统的暂态稳定性能和静态稳定性能。其中，暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下，突然受到大的干扰后，诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，研究电力系统能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。静态稳定则是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。

电力系统机电暂态过程的仿真分析方法包括：

1.机电暂态仿真建模

（1）全系统模型构成

电力系统基本上由发电机及励磁原动机及调速器、网络、负荷及其它控制装置等动态元件所组成。系统中的所有动态元件是相互独立的，是电力网络将它们联系在一起。

全系统模型在数学上可以统一描述成如下一般形式的微分代数方程组：

其中，x表示微分方程中描述系统动态特性的状态变量；V表示代数方程组中系统的运行参量。整个系统模型包括了大量常微分方程组和大量稀疏代数方程组。因此暂态稳定分析是一个微分代数初值问题。

（2）微分方程组式(1)主要包括：

1)描述各同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程；

2)描述各同步发电机转子运动的摇摆方程；

3)描述同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程；

4)描述同步发电机组中原动机及调速系统动态特性的微分方程；

5)描述各感应电动机和同步电动机负荷动态特性的微分方程；

6)描述直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程；

7)描述其它动态装置(如SVC、TCSC等FACTS元件)动态特性的微分方程。

（3）代数方程组式(2)主要包括：

1)电力网络方程，描述在公共参考系X—Y下节点电压与节点注入电流之间的关系；

2)各同步发电机定子电压方程(建立在各自的d—g坐标系下)及d—q坐标系与x—Y坐标系间联系的坐标变换方程；

3)各直流线路的电压方程；

4)负荷的电压静态特性方程等。

（4）网络分割

一个电力系统可以被视为由多个子网组成子网间由联络线互相连接联络线与子网的联接母线被称之为边界点按处理器数目把网络分割为多个子网是最常用的并行化方法为提高并行计算的效率网络分割要满足以下要求：

1边界点的数目要尽量少它和处理器之间的数据交换量直接相关；

2每个处理器的计算量要大体相等；

3由于网络新增的注入元要尽量少。

（5）求解微分代数方程

微分代数方程组中的差分方程和网络方程可以使用以下紧凑形式表示

式中,；式f=0和g=0分别与式(1)和式(2)对应.假设已知,第k次迭代中待解的代数方程具有以下形式

式中 是残差矢量，是位移矢量，是雅可比矩阵。

为了在时间上并行求解在一个具有ns个连续步长的积分窗中展开式（4），如下式所示

2.机电暂态计算仿真流程

机电暂态计算仿真过程如下：

1.输入原始数据，主要包括系统的元件模型、参数、网络拓扑信息和稳定分析的要求(发电机模型的阶数)、潮流计算和暂态稳定计算需要的数据(线路参数、发电机参数等，线路两端节点号或名称等)、仿真步长以及仿真总时间等。调速励磁控制系统都不放在机电暂态程序里面，而放在外部利用RTDS下的数据通信进行数据交换；

2.根据输入的参数信息进行潮流计算，得到各节点的电压、相角以及全网的潮流分布信息。根据网络元件参数及网络拓扑关系形成节点导纳矩阵。将发电机内部暂态导纳和负荷中恒定导纳部分等值并入系统的导纳矩阵中。这一步主要是形成网络暂态稳定计算所需的所有变量初始值，为暂态计算做准备；

3.暂态计算开始时，通过标志位Flag判断出先进行发电机状态量的求解。Flag有0、l、2三个取值，当标志位为O时，表示新的一次暂态计算开始，各标志位和中断位初始化，为新的计算开始做准备；当标志位为l时，求解发电机暂态方程；标志位为2时，表示发电机方程解已完成，可以开始网络方程求解。

具体流程如下：

(1)标志位Flag为1，求解发电机的暂态方程——微分方程组，当发电机数目较多时，可以设置每一步求解n台发电机，分若干步求解完毕；

(2)Flag变为2，求解网络方程组。网络方程组的求解采用因子表分解的方法，具体求解中必然有循环或多重循环部分，可以在一个步长内完成m个循环的计算，分若干步完成；

(3)当系统网络求解完毕，标志位Flag回到0，表示全网络求解(包括微分方程组合代数方程组)完成了一次，将所有控制变量和计算量初始化，Flag为l，为下一时步的计算做好准备；

(4)重复以上步骤。采用时域仿真方法进行岛到到时步的计算，求取时刻系统的状态量和代数量。代数方程组和微分方程求解完成后等待数据交换信号；

通过对于电力系统的机电暂态的系统模型建立，网络分割以及微分代数方程组的求解来对电力系统的机电暂态进行仿真，并按照仿真流程进行仿真计算，通过仿真建模对电力系统的几点暂态进行分析，从而保障电力系统稳定性与安全性。

图1为电力系统等值结构图

图2为仿真分析计算流程图。

电力系统机电暂态过程的仿真分析方法包括：

1.机电暂态仿真建模

（1）全系统模型构成

电力系统基本上由发电机及励磁原动机及调速器、网络、负荷及其它控制装置等动态元件所组成。系统中的所有动态元件是相互独立的，是电力网络将它们联系在一起。

全系统模型在数学上可以统一描述成如下一般形式的微分代数方程组：

其中，x表示微分方程中描述系统动态特性的状态变量；V表示代数方程组中系统的运行参量。整个系统模型包括了大量常微分方程组和大量稀疏代数方程组。因此暂态稳定分析是一个微分代数初值问题。

（2）微分方程组式(1)主要包括：

1)描述各同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程；

2)描述各同步发电机转子运动的摇摆方程；

3)描述同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程；

4)描述同步发电机组中原动机及调速系统动态特性的微分方程；

5)描述各感应电动机和同步电动机负荷动态特性的微分方程；

6)描述直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程；

7)描述其它动态装置(如SVC、TCSC等FACTS元件)动态特性的微分方

程。

（3）代数方程组式(2)主要包括：

1)电力网络方程，描述在公共参考系X—Y下节点电压与节点注入电流之间的关系；

2)各同步发电机定子电压方程(建立在各自的d—g坐标系下)及d—q坐标系与x—Y坐标系间联系的坐标变换方程；

3)各直流线路的电压方程；

4)负荷的电压静态特性方程等。

（4）网络分割

一个电力系统可以被视为由多个子网组成子网间由联络线互相连接联络线与子网的联接母线被称之为边界点按处理器数目把网络分割为多个子网是最常用的并行化方法为提高并行计算的效率网络分割要满足以下要求

1边界点的数目要尽量少它和处理器之间的数据交换量直接相关;

2每个处理器的计算量要大体相等

3由于网络新增的注入元要尽量少

（5）求解微分代数方程

微分代数方程组中的差分方程和网络方程可以使用以下紧凑形式表示

式中,；式f=0和g=0分别与式(1)和式(2)对应.假设已知,第k次迭代中待解的代数方程具有以下形式

式中 是残差矢量，是位移矢量，是雅可比矩阵。

为了在时间上并行求解在一个具有ns个连续步长的积分窗中展开式（4），如下式所示

2.机电暂态计算仿真流程

机电暂态计算仿真过程如下

1.输入原始数据，主要包括系统的元件模型、参数、网络拓扑信息和稳定分析的要求(发电机模型的阶数)、潮流计算和暂态稳定计算需要的数据(线路参数、发电机参数等，线路两端节点号或名称等)、仿真步长以及仿真总时间等。调速励磁控制系统都不放在机电暂态程序里面，而放在外部利用RTDS下的数据通信进行数据交换；

2.根据输入的参数信息进行潮流计算，得到各节点的电压、相角以及全网的潮流分布信息。根据网络元件参数及网络拓扑关系形成节点导纳矩阵。将发电机内部暂态导纳和负荷中恒定导纳部分等值并入系统的导纳矩阵中。这一步主要是形成网络暂态稳定计算所需的所有变量初始值，为暂态计算做准备；

3.暂态计算开始时，通过标志位Flag判断出先进行发电机状态量的求解。Flag有0、l、2三个取值，当标志位为O时，表示新的一次暂态计算开始，各标志位和中断位初始化，为新的计算开始做准备；当标志位为l时，求解发电机暂态方程；标志位为2时，表示发电机方程解已完成，可以开始网络方程求解。

具体流程如下：

(1)标志位Flag为1，求解发电机的暂态方程——微分方程组，当发电机数目较多时，可以设置每一步求解n台发电机，分若干步求解完毕；

(2)Flag变为2，求解网络方程组。网络方程组的求解采用因子表分解的方法，具体求解中必然有循环或多重循环部分，可以在一个步长内完成m个循环的计算，分若干步完成；

(3)当系统网络求解完毕，标志位Flag回到0，表示全网络求解(包括微分方程组合代数方程组)完成了一次，将所有控制变量和计算量初始化，Flag为l，为下一时步的计算做好准备；

(4)重复以上步骤。采用时域仿真方法进行岛到到时步的计算，求取时刻系统的状态量和代数量。代数方程组和微分方程求解完成后等待数据交换信号；

通过对于电力系统的机电暂态的系统模型建立，网络分割以及微分代数方程组的求解来对电力系统的机电暂态进行仿真，并按照仿真流程进行仿真计算，通过仿真建模对电力系统的几点暂态进行分析，从而保障电力系统稳定性与安全性。