电磁暂态仿真方法和电磁暂态仿真装置与流程

本发明涉及电磁暂态仿真技术领域，具体而言，涉及一种电磁暂态仿真方法和电磁暂态仿真装置。

背景技术：

我国电网目前已成为，世界上电压等级最高、复杂度最高的交直流混联大电网。针对如此复杂的电网进行分析，必须依赖精确、高效的仿真工具。大规模交直流电网暂态过程的仿真方法主要可分为两类。其一，是采用全电磁暂态仿真。为精确描述在整个系统范围内的多时间尺度暂态特性，全电磁暂态仿真通常需要采用很小的计算步长。因此，针对大规模交直流电网，此类方法精确度虽高，但计算量极大，仿真效率很低。另一种替代的方法是采用混合仿真，即针对交直流网络不同区域，采用不同模型、不同算法进行仿真。目前为止，应用最广泛的混合建模和仿真技术主要是机电-电磁混合仿真。

然而，“机电-电磁”混合仿真的接口设计方案在物理本质上存在延时误差和频率截断误差两个缺点。若直流区域某一换流阀发生故障，其暂态过程中非工频分量无法再传递到机电侧，无法产生正确的高频暂态响应；同时，由于延时的存在，传统机电-电磁混合仿真技术难以准确刻画故障在网络中的传播过程。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电磁暂态仿真方法和电磁暂态仿真装置，以改善现有的电磁暂态仿真技术中存在的计算量大或精度低的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种电磁暂态仿真方法，用于对包括多个子系统的电网进行电磁暂态仿真，各所述子系统的计算步长不同，所述方法包括：

将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，并获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源；

根据获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源计算当前时刻的联络线电流向量；

根据所述联络线电流向量计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量，并根据各节点电压向量计算所述目标子系统的内部电气量。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，所述将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源的步骤包括：

将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统的节点导纳矩阵、与边界线之间的节点-支路关联向量、在当前时刻的节点注入电流向量；

根据所述节点导纳矩阵和所述节点-支路关联向量计算得到所述目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，并根据所述节点导纳矩阵、所述节点-支路关联向量和所述节点注入电流向量计算得到所述目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，计算目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵的公式包括：

其中，tk为当前时刻，zeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，yk为目标子系统的节点导纳矩阵，mk为目标子系统的节点-支路关联向量。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，计算目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源的公式包括：

其中，tk为当前时刻，tk为当前时刻，eeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，yk为目标子系统的节点导纳矩阵，mk为目标子系统的节点-支路关联向量，ikh(tk)为目标子系统在当前时刻的节点注入电流向量。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，所述获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源的步骤包括：

针对每一个其它子系统，获取该其它子系统上一时刻的戴维南等值电压源和下一时刻的戴维南等值电压源；

根据获取的上一时刻的戴维南等值电压源和下一时刻的戴维南等值电压源计算得到对应的其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，计算每一个其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源的公式包括：

eeq,i(tk)＝(1-τki)*eeq,i(ti)+τki*eeq,i(ti-δti)；

tk≤ti≤tk+δti；

其中，tk为当前时刻，tk为当前时刻，eeq,i(tk)为其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，eeq,i(ti)为其它子系统在下一时刻边界的戴维南等值电压源，eeq,i(ti-δti)为其它子系统在上一时刻边界的戴维南等值电压源，δti为其它子系统的计算步长。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，计算当前时刻的联络线电流向量的公式包括：

其中，tk为当前时刻，il(tk)为当前时刻的联络线电流向量，zl为联络线组成的支路阻抗矩阵，zeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，zeq,i(tk)为每一个其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，eeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，为每一个其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，si为一个其它子系统。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，计算各子系统当前时刻的节点电压向量的公式包括：

yk(tk)*vk(tk)＝ikh(tk)-mk*il(tk)；

其中，tk为当前时刻，vk(tk)为子系统当前时刻的节点电压向量，il(tk)为当前时刻的联络线电流向量，ikh(tk)为子系统当前时刻的节点历史电流向量，mk为目标子系统的节点-支路关联向量，yk(tk)为子系统当前时刻的节点导纳矩阵。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述电磁暂态仿真方法中，在执行所述将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，并获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源的步骤之前，所述方法还可以包括：

针对需要进行电磁暂态仿真的电网，将该电网划分为多个子系统；

针对每一个子系统进行电磁暂态建模以形成电网的节点电压方程；

对所述节点电压方程进行高斯消去处理，以得到用于计算戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压的矩阵。

本发明实施例还提供了一种电磁暂态仿真装置，用于对包括多个子系统的电网进行电磁暂态仿真，各所述子系统的计算步长不同，所述装置包括：

戴维南等值处理模块，用于将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，并获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源；

电流向量计算模块，用于根据获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源计算当前时刻的联络线电流向量；

内部电气量计算模块，用于根据所述联络线电流向量计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量，并根据各节点电压向量计算所述目标子系统的内部电气量。

本发明提供的电磁暂态仿真方法和电磁暂态仿真装置，可以实现对各不同计算步长的子系统之间的耦合计算，从而避免因采用现有的全电磁暂态仿真技术而存在的计算量大的问题或因采用现有的“机电-电磁”混合仿真技术而存在计算精度低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电子设备的结构框图。

图2为本发明实施例提供的电磁暂态仿真方法的流程示意图。

图3为图1中步骤s110的流程示意图。

图4为图1中步骤s110的另一流程示意图。

图5为本发明实施例提供的电磁暂态仿真装置的结构框图。

图标：10-电子设备；12-存储器；14-处理器；100-电磁暂态仿真装置；110-戴维南等值处理模块；130-电流向量计算模块；150-内部电气量计算模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种电子设备10，可以包括存储器12、处理器14和电磁暂态仿真装置100。

所述存储器12和处理器14之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述电磁暂态仿真装置100包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器12中的软件功能模块。所述处理器14用于执行所述存储器12中存储的可执行的计算机程序，例如，所述电磁暂态仿真装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等，以实现电磁暂态仿真方法。

其中，所述存储器12可以是，但不限于，随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。其中，存储器12用于存储程序，所述处理器14在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器14可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器14可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

可以理解，图1所示的结构仅为示意，所述电子设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

可选地，所述电子设备10的具体类型不受限制，例如，可以是，但不限于，web(网站)服务器、数据服务器、电脑、移动上网设备(mobileinternetdevice，mid)等具有处理功能的设备。

结合图2，本发明实施例还提供一种可应用于上述电子设备10的电磁暂态仿真方法，以对包括多个子系统的电网进行电磁暂态仿真。其中，所述方法有关的流程所定义的方法步骤可以由所述处理器14实现。下面将对图2所示的具体流程进行详细阐述。

步骤s110，将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，并获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

在本实施例中，可以分别将所述多个子系统中的每一个子系统分别作为目标子系统以进行计算。可选地，针对每一个子系统，具体的计算顺序不受限制，可以根据对每一个子系统设置的计算步长进行设置。并且，计算步长可以根据对应的子系统的复杂程度进行设置，例如，针对较为简单的子系统可以设置一个较大的计算步长。

其中，为便于对子系统的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源进行实时更新，以获取到准确的当前时刻的参数，在本实施例中，可以对需要进行电磁暂态仿真处理的电网进行处理。例如，可以包括以下步骤：针对需要进行电磁暂态仿真的电网，将该电网划分为多个子系统；针对每一个子系统进行电磁暂态建模以形成电网的节点电压方程；对所述节点电压方程进行高斯消去处理，以得到用于计算戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压的矩阵。

可选地，将电网划分为多个子系统的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。并且，得到的子系统的数量也不受限制，可以根据电网的各个部分的分布状况进行设置。例如，可以将电网划分为n个子系统，分别为s1、s2、...、sn。

其中，针对n个子系统进行建模得到的节点电压方程可以为：

其中，yk(k＝s1，s2,...,sn)为不考虑边界联络线在内的各子系统的节点导纳矩阵，vk为各子系统的节点电压向量，ikh为各子系统的节点历史电流向量，mk为边界联络线与各子系统之间的节点-支路关联向量，l为联络线数量，zl为联络线构成的支路阻抗矩阵，il为联络线电流向量。

进一步地，对上述节点电压方程进行高斯消去处理可以得到：

并且，zeq是由各子系统的戴维南等值阻抗和联络线支路阻抗矩阵构成的协调计算戴维南等值阻抗矩阵，eeq为各子系统的戴维南等值电压源，计算公式可以包括：

其中，zeq，k为子系统的戴维南等值阻抗。

步骤s130，根据获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源计算当前时刻的联络线电流向量。

在本实施例中，通过执行步骤s110，可以获取到目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，以及各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，然后可以根据获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源按照预设的计算公式进行计算，以得到当前时刻的联络线电流向量。

可选地，计算当前时刻的联络线电流向量的公式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，在本实施例中，提供了一种可行的计算公式，可以包括：

其中，tk为当前时刻，il(tk)为当前时刻的联络线电流向量，zl为联络线组成的支路阻抗矩阵，zeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，zeq,i(tk)为每一个其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，eeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，为每一个其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，si为一个其它子系统。

步骤s150，根据所述联络线电流向量计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量，并根据各节点电压向量计算所述目标子系统的内部电气量。

在本实施例中，通过执行步骤s130可以计算得到联络线电流向量，通过该联络线电流向量按照预设计算公式可以计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量。并且，基于各节点电压向量可以计算得到目标子系统的内部电气量。

其中，所述内部电气量的具体内容不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以包括，但不限于电压、电流等。并且，计算所述内部电气量的具体方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以根据计算的具体内容和对应的子系统的类型进行设置，在本实施例中不做具体限定。

可选地，根据联络线电流向量计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量的计算公式的具体内容不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，在本实施例中提供了一种可行的计算公式，该计算公式可以包括：

yk(tk)*vk(tk)＝ikh(tk)-mk*il(tk)；

其中，vk(tk)为子系统当前时刻的节点电压向量，il(tk)为当前时刻的联络线电流向量，ikh(tk)为子系统当前时刻的节点历史电流向量，mk为目标子系统的节点-支路关联向量，yk(tk)为子系统当前时刻的节点导纳矩阵。

可选地，在执行步骤s110以获取目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源的方式不受限制，例如，可以是直接获取已经通过执行一系列的计算得到的，也可以是按照一定的计算公式实时进行计算，在本实施例中，为保证获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源具有较高的实时性，结合图3，可以通过步骤s111和步骤s113实时计算得到。

步骤s111，将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统的节点导纳矩阵、与边界线之间的节点-支路关联向量、在当前时刻的节点注入电流向量。

步骤s113，根据所述节点导纳矩阵和所述节点-支路关联向量计算得到所述目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，并根据所述节点导纳矩阵、所述节点-支路关联向量和所述节点注入电流向量计算得到所述目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

在本实施例中，可以根据目标子系统的节点导纳矩阵和目标子系统与边界线之间的节点-支路关联向量计算得到目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵。其中，计算该戴维南等值阻抗矩阵的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。

在本实施例中，提供了一种可行的计算公式以计算目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，该计算公式可以包括：

其中，zeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵，yk为目标子系统的节点导纳矩阵，mk为目标子系统的节点-支路关联向量。

进一步地，可以根据目标子系统的节点导纳矩阵、目标子系统与边界线之间的节点-支路关联向量以及目标子系统在当前时刻的节点注入电流向量，计算得到目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。其中，计算该戴维南等值电压源的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。

在本实施例中，提供了一种可行的计算公式以计算目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，该计算公式可以包括：

其中，eeq,k(tk)为目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，yk为目标子系统的节点导纳矩阵，mk为目标子系统的节点-支路关联向量，ikh(tk)为目标子系统在当前时刻的节点注入电流向量。

可选地，在执行步骤s110以获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源的方式不受限制，例如，可以是直接获取已经通过执行一系列的计算得到的，也可以是按照一定的计算公式实时进行计算，在本实施例中，为保证获取的戴维南等值电压源具有较高的实时性，结合图4，可以通过步骤s115和步骤s117实时计算得到。

步骤s115，针对每一个其它子系统，获取该其它子系统上一时刻的戴维南等值电压源和下一时刻的戴维南等值电压源。

步骤s117，根据获取的上一时刻的戴维南等值电压源和下一时刻的戴维南等值电压源计算得到对应的其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

在本实施例中，上一时刻和下一时刻之间的时间长度为对应的子系统的一个计算步长。通过获取一个其它子系统上一时刻的戴维南等值电压源和下一时刻的戴维南等值电压源，可以根据获取的两个时刻的戴维南等值电压源通过内插值法以计算得到该其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。

其中，通过内插值法进行当前时刻边界的戴维南等值电压源的计算可以由以下计算公式完成：

eeq,i(tk)＝(1-τki)*eeq,i(ti)+τki*eeq,i(ti-δti)；

tk≤ti≤tk+δti；

其中，eeq,i(tk)为其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源，eeq,i(ti)为其它子系统在下一时刻边界的戴维南等值电压源，eeq,i(ti-δti)为其它子系统在上一时刻边界的戴维南等值电压源，δti为其它子系统的计算步长。

结合图5，本发明实施例还提供一种可应用于上述电子设备10的电磁暂态仿真装置100，，以对包括多个子系统的电网进行电磁暂态仿真。其中，所述电磁暂态仿真装置100可以包括戴维南等值处理模块110、电流向量计算模块130以及内部电气量计算模块150。

所述戴维南等值处理模块110，用于将多个子系统中的任意一个作为目标子系统，获取该目标子系统在当前时刻边界的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源，并获取各其它子系统在当前时刻边界的戴维南等值电压源。在本实施例中，所述戴维南等值处理模块110可用于执行图2所示的步骤s110，关于所述戴维南等值处理模块110的具体描述可以参照前文对步骤s110的描述。

所述电流向量计算模块130，用于根据获取的戴维南等值阻抗矩阵和戴维南等值电压源计算当前时刻的联络线电流向量。在本实施例中，所述电流向量计算模块130可用于执行图2所示的步骤s130，关于所述电流向量计算模块130的具体描述可以参照前文对步骤s130的描述。

所述内部电气量计算模块150，用于根据所述联络线电流向量计算得到各子系统当前时刻的节点电压向量，并根据各节点电压向量计算所述目标子系统的内部电气量。在本实施例中，所述内部电气量计算模块150可用于执行图2所示的步骤s150，关于所述内部电气量计算模块150的具体描述可以参照前文对步骤s150的描述。

综上所述，本发明提供的电磁暂态仿真方法和电磁暂态仿真装置100，可以实现对各不同计算步长的子系统之间的耦合计算，从而避免因采用现有的全电磁暂态仿真技术而存在的计算量大的问题或因采用现有的“机电-电磁”混合仿真技术而存在计算精度低的问题。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。