专利名称：一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型及其算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型及其算法，属于电力系统数字仿真领域。
背景技术：
在暂态稳定分析中，电力系统全系统数学模型的一般形式可写为
产/刷
\l{x,U) = YU⑴其中，χ =系统的状态变量；U =节点电压；I =节点注入电流；式⑴的第1个方程为描述发电机组或动态负荷的微分方程组；第2个方程为描述电网的代数方程组。电力系统暂态稳定仿真计算的核心即联立求解或交替求解方程1和2。目前对机网接口的计算主要有以下4种方法1、发电机采用经典模型时的处理方法。可化为发电机等值导纳Ye和发电机等值电流源Ie = YeE相并联的形式，将Ye并入导纳阵，无操作时导纳阵不变，而每时步根据发电机转子角更新发电机注入网络的等值电流源即可求解网络方程，计算节点电压。2、考虑凸积效应的直接解法。该方法将网络复数线性代数方程实、虚部分开，增阶化为xy同步坐标下实数线性代数方程，并将发电机方程由dq坐标化为xy坐标，，再和网络方程联立求解。这种解法对负荷非线性适应能力差，且发电机方程由dq坐标据转子角转化为xy坐标，引起导纳阵中发电机节点相对应的对角子块由于转子角的变化而为非定常元素，每一时步要重新计算因子表，耗费机时多且内存要增加一倍。3、考虑凸积效应的迭代解法。该方法的特点是力求在复数域中求解线性代数方程来实现网络方程的求解，并使导纳阵元素在无操作时保持定常，不随发电机转子角而变化。 但发电机凸积效应及转子角变化要通过修正发电机注入网络的电流源来计及，而电流源的计算还和tn+1时刻的节点电压值有关。由于tn+1时刻的节点电压正待计算，因此tn+1时刻的电流源的值需通过迭代法计算而逼近准确值。该方法相对于直接解法有节省内存、因子表定常、计算速度快、便于适应非线性负荷模型等特点。该方法在一些实用暂态稳定分析程序中仍有应用。4、考虑凸极效应的牛顿法。牛顿法是求解非线性代数方程组的优良方法，有良好的收敛性能。当发电机计及凸极效应，负荷计及非线性，系统中元件微分方程化为差分代数方程后，全网的代数方程联立，实质上是要求解一组非线性代数方程，故也可采用牛顿法求解。相对于直接解法和迭代解法，用牛顿法进行机网接口计算编程复杂，因为要计算雅可比矩阵元素，而雅可比矩阵元素随时间而变化，故计算机时也较多。但其最大优点是对非线性元件模型的适应性好，可将微分方程的差分代数方程和系统代数方程联立求解，无“交接误差”，故计算精度高、累计误差小，因而在暂态稳定分析中广泛应用。它常和隐式梯形积分法求解微分方程相结合。
电力系统暂态稳定数字仿真计算的核心是联立求解或交替求解(1)式中的方程1 和方程2。在交替求解的传统方法中，如机网接口计算方法2、3所述，各发电机dq轴转换计算在电网代数方程组的求解中进行，使得电网仿真模型成为时变的非线性代数方程组，因而电网仿真模型计算量大且编程实现较复杂。而机网接口计算方法4所述牛顿法是联立求解(1)式中的方程1和方程2，虽然具有计算精度高等优点，但每时步的计算量也很大，上述方法均不易构成大规模电力系统暂态稳定实时数字仿真的并行计算模型。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型及其算法，将各发电机dq轴转换计算放在发电机组仿真模型中求解，使得电网仿真模型为时不变的线性代数方程组，大大降低了交替求解中电网仿真模型的计算量。该发明不仅使得采用交替求解的电力系统暂态稳定仿真计算得到简化，模型的物理意义更加明确，而且也显著降低了模型的编程难度和维护工作量，其更加重要的意义在于采用该发明可以构成一种电力系统暂态稳定仿真并行计算模型。电网仿真模型子任务由PCO机计算，η个节点上的发电机组仿真模型子任务计算则平均分配给PCl PCm机进行并行计算。电网仿真模型计算量的显著降低使得图3所示方案的实现成为可能。该方案的突出优点是即便对于大规模电力系统的实时数字仿真，节点上的发电机组或动态负荷都可以使用详细模型。本发明采取的技术方案是一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型，所述电力系统暂态稳定数字仿真全系统数学模型分割为电网数学模型和发电机组数学模型两部分 (负荷动态模型的异步电机看作同步电机的特例)，电网数学模型包括η节点的电网复数线性代数方程YU =I和发电机定子绕组电压方程，其中各发电机定子绕组电压方程中的变量均为同一 dq轴上或xy同步坐标轴上描述的变量值，根据此数学模型形成电网仿真模型；发电机组数学模型包括dq轴转换方程和发电机组方程(不包括发电机定子绕组电压方程)， 根据此数学模型形成发电机组仿真模型。所述电网仿真模型，是将η节点的电网复数线性代数方程YU = I，增阶化为同一 dq轴上或xy同步坐标轴上的2η维实数线性代数方程YxyUxy = Ixy,将权利要求1所述各发电机定子绕组电压方程和增阶网络方程YxyUxy = Ixy —起联立，整理后可以形成如下方程 Ixy = ABxyE' Χ ,即为电网仿真模型，为时不变的实数线性代数方程，ABxy为2η维线性时不变矩阵，Ixy为2η维节点注入电流向量，E' xy为发电机定子绕组电压方程中的电势，为2η 维向量。所述发电机组仿真模型，是采用数值积分方法将发电机组的数学模型差分化，并将发电机组的差分化方程组中所包括的发电机定子绕组电压方程中的电势变量和机端电流变量，用电势E'卩和节点注入电流Ixy来表示，即将E'卩和Ixy由权利要求1中的同一 dq轴或xy轴上根据dq轴转换方程转化至本机的dq轴上，形成各发电机组的仿真模型。所述发电机组数学模型分割为同步电机数学模型，励磁系统数学模型，原动机及其调速系统数学模型三部分，其中同步电机数学模型包括转子绕组方程和dq轴转换方程， 励磁系统数学模型包括励磁系统方程，原动机及其调速系统数学模型包括原动机及其调速系统方程和转子运动方程，采用数值积分方法将同步电机的转子绕组方程差分化，得到其差分化方程组，并根据权利要求3所述方法进行dq轴转换计算，形成同步电机的仿真模型；
5同样，采用数值积分方法将励磁系统、原动机及其调速系统的数学模型差分化，分别形成励磁系统仿真模型和原动机及其调速系统仿真模型，同步电机的仿真模型、励磁系统仿真模型和原动机及其调速系统仿真模型一起构成发电机组仿真模型。一种电力系统暂态稳定数字仿真计算算法，由以下步骤构成步骤一根据上一次计算得到的E'卩的值，采用电网仿真模型计算发电机注入网络的电流Ixy的值；步骤二 根据同步电机仿真模型本时步的状态量的值，及Ixy的值，及上一次励磁系统仿真模型计算得到的励磁电压4和原动机及其调速系统仿真模型计算得到的转子角 δ的值，采用同步电机仿真模型计算下一时步的状态量的值E' xy；步骤三根据E' xy及Ixy的值可求取机端电压Ut的值等，并根据励磁系统本时步状态量的值，采用励磁系统仿真模型计算励磁系统下一时步状态量的值；步骤四已知E' ”及Ixy的值可求取机端电磁力矩Te的值，并根据原动机及其调速系统本时步状态量的值，采用原动机及其调速系统仿真模型计算其下一时步状态量的值；步骤五根据本次计算得到的发电机组状态量的值与上次计算得到的发电机组状态量的值之差的绝对值的大小判断计算是否收敛；步骤六若不收敛，则以本次计算得到的E' xy的值，重复步骤一到步骤六的计算和判断；步骤七若收敛，则令t = t+At，相应各状态量t时刻的值替换为t+At时刻的值，重复步骤一到步骤七进行下一时步的计算。一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型及其算法的有益效果如下发电机定子绕组与电网在电路上是直接相连的，电网的数学模型在包括发电机定子绕组电压方程的情况下不包括dq轴转换计算意味着发电机定子绕组的电压方程是在电网的数学模型所在的同步坐标轴上列写的。因此，电网仿真模型的计算量大大降低。而定子绕组电压方程中的电势变量和电流变量也出现在发电机转子绕组电压方程中，因此dq轴转换计算放在各发电机组的差分化方程组中进行。这不仅使得采用交替求解的电力系统暂态稳定仿真计算得到简化，模型的物理意义更加明确，也大大降低了编程难度。其更加重要的意义在于由于交替求解中各发电机组模型间的计算是解耦的，采用该发明可以构成一种实用的电力系统暂态稳定仿真并行计算模型。如图3所示，电网仿真模型子任务由PCO 机计算，η个节点上的发电机组仿真模型子任务计算则平均分配给PCl PCm机进行并行计算。电网仿真模型计算量的显著降低使得图3所示方案的实现成为可能。该方案的突出优点是即便对于大规模电力系统的实时数字仿真，节点上的发电机组或动态负荷都可以使用详细模型。发电机组的计算机仿真模型按照其物理子系统建立，分别为同步电机仿真模型， 励磁系统仿真模型，原动机及其调速系统仿真模型，可以分别建立这些物理子系统的仿真模型库，从而可以采用“搭积木”的方式构成不同的发电机组仿真模型，模型的编制和维护工作量都较大程度降低。
权利要求
1.一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型，其特征在于所述电力系统暂态稳定数字仿真全系统数学模型分割为电网数学模型和发电机组数学模型两部分，电网数学模型包括η节点的电网复数线性代数方程YU = I和发电机定子绕组电压方程，其中各发电机定子绕组电压方程中的变量均为同一 dq轴上或xy同步坐标轴上描述的变量值，根据此数学模型形成电网仿真模型；发电机组数学模型包括dq轴转换方程和发电机组方程，根据此数学模型形成发电机组仿真模型。
2.根据权利要求1所述一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型，其特征在于所述电网仿真模型，是将η节点的电网复数线性代数方程YU= I，增阶化为同一 dq轴上或xy同步坐标轴上的2η维实数线性代数方程YxyUxy = Ixy，将权利要求1所述各发电机定子绕组电压方程和增阶网络方程YxyUxy= Ixy —起联立，整理后可以形成如下方程=Ixy = ABxyE' Χ , 即为电网仿真模型，为时不变的实数线性代数方程，ABxy为2η维线性时不变矩阵，Ixy为2η 维节点注入电流向量，E' xy为发电机定子绕组电压方程中的电势，为2η维向量。
3.根据权利要求1所述一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型，其特征在于所述发电机组仿真模型，是采用数值积分方法将发电机组的数学模型差分化，并将发电机组的差分化方程组中所包括的发电机定子绕组电压方程中的电势变量和机端电流变量，用电势 E'卩和节点注入电流Ixy来表示，即将E'由权利要求1中的同一 dq轴或xy轴上根据dq轴转换方程转化至本机的dq轴上，形成各发电机组的仿真模型。
4.根据权利要求1或3所述一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型，其特征在于 所述发电机组数学模型分割为同步电机数学模型，励磁系统数学模型，原动机及其调速系统数学模型三部分，其中同步电机数学模型包括转子绕组方程和dq轴转换方程，励磁系统数学模型包括励磁系统方程，原动机及其调速系统数学模型包括原动机及其调速系统方程和转子运动方程，采用数值积分方法将同步电机的转子绕组方程差分化，得到其差分化方程组，并根据权利要求3所述方法进行dq轴转换计算，形成同步电机的仿真模型；同样，采用数值积分方法将励磁系统、原动机及其调速系统的数学模型差分化，分别形成励磁系统仿真模型和原动机及其调速系统仿真模型，同步电机的仿真模型、励磁系统仿真模型和原动机及其调速系统仿真模型一起构成发电机组仿真模型。
5.一种电力系统暂态稳定数字仿真计算算法，其特征由以下步骤构成步骤一根据上一次计算得到的E' xy的值，采用电网仿真模型计算发电机注入网络的电流Ixy的值；步骤二 根据同步电机仿真模型本时步的状态量的值，及Ixy的值，及上一次励磁系统仿真模型计算得到的励磁电压&和原动机及其调速系统仿真模型计算得到的转子角δ的值，采用同步电机仿真模型计算下一时步的状态量的值E' xy ；步骤三根据E' xy及Ixy的值可求取机端电压Ut的值等，并根据励磁系统本时步状态量的值，采用励磁系统仿真模型计算励磁系统下一时步状态量的值；步骤四已知E'卩及Ixy的值可求取机端电磁力矩Te的值，并根据原动机及其调速系统本时步状态量的值，采用原动机及其调速系统仿真模型计算其下一时步状态量的值；步骤五根据本次计算得到的发电机组状态量的值与上次计算得到的发电机组状态量的值之差的绝对值的大小判断计算是否收敛；步骤六若不收敛，则以本次计算得到的E' xy的值，重复步骤一到步骤六的计算和判断；步骤七若收敛，则令t = t+At，相应各状态量t时刻的值替换为t+At时刻的值，重复步骤一到步骤七进行下一时步的计算。
全文摘要
本发明提供了一种电力系统暂态稳定数字仿真计算模型及其算法，属于电力系统数字仿真领域。传统的机网接口算法将各发电机dq轴转换计算放在电网节点电压代数方程组的求解中进行，使得电网仿真模型成为时变的非线性代数方程组。本发明将各发电机dq轴转换计算放在各发电机组仿真模型中求解，使得电网仿真模型为时不变的线性代数方程组，大大降低了交替求解中电网仿真模型的计算量。该发明不仅使得采用交替求解的电力系统暂态稳定数字仿真计算得到简化，模型的物理意义更加明确，而且也显著降低了编程难度；由于交替求解中各发电机组仿真模型间的计算是解耦的，采用该发明可以构成一种实用的电力系统暂态稳定数字仿真并行计算模型。
文档编号H02J3/00GK102270845SQ20111021801
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者刘淑军, 危雪, 朱建国 申请人:朱建国