一种大规模交直流输电系统电磁暂态模型自动生成方法

1.本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体为一种大规模交直流输电系统电磁暂态模型自动生成方法。


背景技术：

[0002]“双碳”目标下，以风电、光伏发电等新能源发电为主体的新型电力系统得到了广泛发展，电力系统高度电力电子化和扁平化的特点愈加明显。电力电子设备的大规模接入使得电力系统的动态特性日益复杂，而传统机电暂态分析程序的仿真步长为毫秒级，主要用于潮流计算、短路计算和静态稳定性分析，主要反映系统的工频信息，难以用于采用分布参数的输电线路过电压、交直流谐波耦合与宽频振荡等问题的计算与分析。因此，基于已有的机电暂态数据，或采用机电暂态-电磁暂态混合仿真技术，或采用全电磁暂态仿真技术成为分析电力系统电磁暂态特性的两条主要技术路线：1）机电暂态-电磁暂态混合仿真技术：机电暂态-电磁暂态混合仿真技术结合了机电暂态分析程序仿真速度快和电磁暂态分析程序精度高的特点，针对大规模交直流输电系统机电暂态分析过程中新能源厂站、换流站或其他重点关注的区域开展电磁暂态建模分析。该技术主要存在的问题是计算精度严重依赖于机电-电磁暂态接口位置的选择和数据交互算法的设计；机电暂态仿真部分的精度难以满足输电线路过电压、谐波耦合和宽频振荡计算分析等仿真精度要求较高场合的需求，从而导致整个模型的仿真精度受到限制，是一个机电暂态模型向全电磁暂态模型发展的过渡产物；2）电磁暂态仿真技术：电磁暂态仿真技术基于交直流输电系统的电压、电流瞬时值，并充分考虑电力电子设备的非线性特征和输电线路的分布参数特性，建立考虑高频动态特性的详细电磁暂态模型。针对现有交直流输电系统的主要参数一般以机电暂态数据格式存在的现状，现有技术多在机电暂态数据的基础上，采用人工或者自动的方式直接在电磁暂态仿真平台搭建仅含工频电路参数的电磁暂态模型。
[0003]
现有技术方案：1）措施1：机电暂态-电磁暂态混合仿真技术，可以参考以下文献：【参考文献1】刘文焯，侯俊贤，汤涌等；考虑不对称故障的机电暂态-电磁暂态混合仿真方法[j]，中国电机工程学报，2010.30(13):8-15；【参考文献2】岳程燕，田芳，周孝信等；电力系统电磁暂态-机电暂态混合仿真接口原理[j]，电网技术，2006(01):23-27+88；【参考文献3】柳勇军，闵勇，梁旭；电力系统数字混合仿真技术综述[j]，电网技术，2006(13):38-43。
[0004]
但该措施计算精度严重依赖于机电-电磁暂态接口位置的选择和数据交互算法的设计；机电暂态模型部分的精度难以满足线路过电压、谐波耦合和宽频振荡计算分析等仿
真精度要求较高场合的需求；计算过程中初始化过程繁琐；硬件配置要求高。
[0005]
2）措施2：电磁暂态仿真技术，可以参考以下文献：【参考文献4】张民，贺仁睦，孙哲，陶华，石岩；一种机电暂态向电磁暂态的模型转换方案及实现方法[p]，北京市：cn101539963b，2011-02-02；【参考文献5】郭强，朱艺颖，胡涛等；一种自动生成大规模电网电磁暂态仿真模型的方法及系统[p]，北京市：cn109766586a，2019-05-17。
[0006]
但该措施电力设备类型和数目的更新问题未得到有效解决，维护开销较高；仅含系统的工频电路参数信息，没有考虑电力电子设备的非线性特征和输电线路的分布参数特性，难以准确反映交直流输电系统的电磁暂态特性，不能满足操作过电压、谐波耦合和宽频振荡等计算分析需求。


技术实现要素：

[0007]
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种大规模交直流输电系统电磁暂态模型自动生成方法，可用于交直流输电线路过电压、变压器磁饱和、交直流谐波耦合、宽频振荡等各种涉及电磁暂态特性问题的研究。技术方案如下：一种大规模交直流输电系统电磁暂态模型自动生成方法，包括如下步骤：步骤1：分析机电暂态程序和默认的电磁暂态数据，抽象得到关注区域交直流输电系统的uml类图；并定义顶级父类及其子类，令其具有读数据、写数据、设置坐标的静态方法；步骤2：依据电力设备节点的数目，抽象得到包括节点类和支路类的次顶级父类；步骤3：基于节点类，派生得到电源类和负荷类；步骤4：基于支路类，派生得到交直流输电线路类、变压器类、换流器类和控制器类；至此得到的初始的电磁暂态模型；步骤5：校核潮流并计算潮流误差，对比机电暂态程序和所述电磁暂态模型的程序，分别计算由机电暂态程序计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值，并计算n个测量位置的潮流误差；若潮流误差的无穷范数小于误差上限值，则所述电磁暂态模型的程序正确；反之，则排查所述电磁暂态模型的程序，直至满足条件；步骤6：基于补充的电磁暂态数据，对交直流输电系统的元件类型和参数进行补充和修正；基于包括交直流输电线路的分布参数、换流器的详细控制参数，变压器的磁路参数的详细电磁暂态数据，根据研究对象的不同，选择一项或多项数据来修正所述初始的电磁暂态模型，其余参数仍采用默认的电磁暂态数据；得到最终适用于交直流输电系统的电磁暂态模型。
[0008]
进一步的，所述步骤2具体为：将节点数目为1的电力设备抽象为节点类，并增加节点名称和节点位置属性；将节点数目大于1的电力设备抽象为支路类，并增加支路名称和支路位置属性。
[0009]
更进一步的，所述步骤3具体为：步骤3.1.1：基于节点类，派生得到电源类，并增加包括额定电压、额定频率、额定容量的属性；步骤3.1.2：基于电源类，派生得到三相电压源，并增加包括阻抗类型、阻抗数值、
中心点接地选择、相位大小的电压源属性；步骤3.1.3：基于电源类，派生得到同步发电机，并增加包括定子电阻数值、直轴不饱和同步电抗、交轴不饱和同步电抗、直轴暂态电抗、交轴暂态电抗、直轴暂态开路时间常数、交轴暂态开路时间常数、直轴次暂态电抗、交轴次暂态电抗、直轴次暂态时间常数、交轴次暂态时间常数的属性；步骤3.2.1：基于节点类，派生得到负荷类，并增加包括额定容量和额定电压的属性；步骤3.2.2：基于负荷类，派生得到固定负荷；固定负荷拥有一个设置功率的实例方法setload（double p0、double q0、double vn、double np、double nq、double k
pf
、double k
qf
），满足：式中，p、q分别为固定负荷吸收的有功功率和无功功率，p0、q0分别为额定有功功率和额定无功功率，v和vn分别为相电压有效值的实际测量值和额定值，np和nq分别为有功的电压系数和无功的电压变化系数，δf为系统的频率变化量，k
pf
、k
qf
分别为有功和无功的频率变化系数；通过所述实例方法修改p0、q0、vn、np、nq、k
pf
、k
qf
系数来模拟不同类型的固定负荷；步骤3.2.3：基于负荷类，派生得到异步电动机负荷，增加包括额定转速、机械阻尼系数、定子电阻、定子电抗、转子电阻、转子电抗、激磁电抗的属性。
[0010]
更进一步的，所述步骤4具体为：步骤4.1：基于支路类，派生得到交直流输电线路，增加包括额定频率、正序阻抗、零序阻抗、线路长度的属性；步骤4.2：基于支路类，派生得到变压器类，增加包括额定频率、额定容量、额定绕组电压、铜耗、铁耗、激磁损耗的属性；步骤4.3：基于支路类，派生得到换流器类，增加包括换流器个数、每个换流器压降数、桥电流额定值发属性；步骤4.4：基于支路类，派生得到控制器类，增加包括输入信号、输出信号的属性，以及一个嵌套类controlset；步骤4.5：基于控制器类，派生得到同步发电机的控制器，并设置输入信号、输出信号，以及控制参数；步骤4.6：基于控制器类，派生得到异步电动机的控制器，并设置它的输入信号、输出信号，以及控制参数；步骤4.7：基于控制器类，派生得到换流器的控制装置，并设置它的输入信号、输出信号，以及控制参数。
[0011]
更进一步的，所述步骤5中计算n个测量位置的潮流误差，具体为计算有功功率、无
功功率和母线电压有效值的误差系数：式中，、和分别为有功误差、无功误差和母线电压有效值误差；p
1i
、q
1i
和v
1i
分别为由机电暂态程序计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值；p
2i
、q
2i
和v
2i
分别为由所述电磁暂态模型计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值；sn为交直流输电系统的基准容量，v
ni
为第i个测量位置的额定电压；若有功功率、无功功率和母线电压有效值的误差系数满足：则所述电磁暂态模型的程序正确。
[0012]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种基于面向对象编程的大规模交直流输电系统电磁暂态模型自动生成方法，基于大规模交直流输电系统的机电暂态程序和默认的电磁暂态数据，将包含换流器在内的多种电力设备及其拓扑关系抽象为节点和支路等父类，并派生得到电源、负荷、线路、变压器、换流器、控制器等六个子类，实例化后得到初始的电磁暂态模型，再考虑实际研究对象，采用交直流输电线路的分布参数、变压器的磁路参数和换流器的详细参数等电磁暂态数据对初始的电磁暂态模型进行修正，最终自动生成大规模交直流输电系统的电磁暂态模型，可用于交直流输电线路过电压、变压器磁饱和、交直流谐波耦合、宽频振荡等各种涉及电磁暂态特性问题的研究。
附图说明
[0013]
图1为118节点交直流输电系统的uml类图。
[0014]
图2为118节点交直流输电系统电磁暂态模型的整体结构。
[0015]
图3为系统中的某一组换流器。
[0016]
图4为系统中的某一控制器。
[0017]
图5为采用分布参数的某一交直流输电线路。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0019]
以118节点交直流输电系统的宽频振荡问题为研究对象，基于该系统的机电暂态程序、换流器的详细参数和输电线路的分布参数，给出该区域交直流输电系统电磁暂态模
型自动生成过程。
[0020]
步骤1、分析机电暂态程序和默认的电磁暂态数据，抽象得到关注区域交直流输电系统的uml类图，如图1所示。图1表示系统中存在的电力设备类及其继承关系，矩形方框表示电力设备类，带箭头的实线表示电力设备类之间的继承关系，其方向为由子类指向父类。
[0021]
步骤2、命名顶级父类baseclass，并使其具有readdata( )，writedata( )和setlocation( )等三个静态方法。
[0022]
步骤3、依据电力设备节点的数目，基于baseclass派生得到节点类和支路类。
[0023]
步骤3具体为：步骤3-1、将节点数目为1的电力设备抽象为节点类，并增加nodename、nodelocation等属性；步骤3-2、将节点数目大于1的电力设备抽象为支路类，并增加branchname、branchlocation等属性。
[0024]
步骤4、基于节点类，派生得到电源类和负荷类。
[0025]
步骤4-1-1、基于节点类，派生得到电源类，增加basekv、basefreq、sn等属性，以及电源类型选择方法choosesource( )。
[0026]
步骤4-1-2、基于电源类，派生得到三相电压源，增加config、signpara、imped、moni等结构体来分类存储三相电压源的属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据和默认的电磁暂态数据对各个电压源赋值。
[0027]
步骤4-1-3、基于电源类，派生得到同步发电机，增加config1、config2、interface、intial、basedata、equidata、genedata、satucurve、intialcon1、intialcon2、intialcon3、outname、outctr、moni等来分类存储同步电动机的属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据对各台同步电动机的定子电阻数值、直轴不饱和同步电抗、交轴不饱和同步电抗、直轴暂态电抗、交轴暂态电抗、直轴暂态开路时间常数、交轴暂态开路时间常数、直轴次暂态电抗、交轴次暂态电抗、直轴次暂态时间常数、交轴次暂态时间常数等属性进行赋值，机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。
[0028]
步骤4-2-1、基于节点类，派生得到负荷类，并增加basekv、sn等属性，以及一个负荷类型选择方法chooseload( )。
[0029]
步骤4-2-2、基于负荷类，派生得到固定负荷，增加设置功率的实例方法setload（double p0、double q0、double vn、double np、double nq、double k
pf
、double k
qf
），该实例方法用于设置固定负荷消耗的有功功率和无功功率，拥有额定有功p0、额定无功q0、额定电压vn、有功电压变化系数np、无功电压变化系数nq、有功频率变化系数k
pf
和无功频率变化系数k
qf
等七个形参参数，返回值则为固定负荷消耗的实际有功功率和无功功率，并满足：式中，p、q分别为固定负荷吸收的有功功率和无功功率，p0、q0分别为额定有功功率
和额定无功功率，v和vn分别为相电压有效值的实际测量值和额定值，np和nq分别为有功的电压系数和无功的电压变化系数，δf为系统的频率变化量，k
pf
、k
qf
分别为有功和无功的频率变化系数。
[0030]
通过上述实例方法setload（double p0、double q0、double vn、double np、double nq、double k
pf
、double k
qf
）修改p0、q0、vn、np、nq、k
pf
、k
qf
等系数来模拟不同类型的固定负荷。
[0031]
实例化后，利用机电暂态程序的数据对各个负荷进行赋值，对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。需要特别注意的是，若不考虑负荷的频率特性，则令k
pf = 0和k
qf = 0；若负荷为无功补偿装置，则令np = 0，p
0 = 0，nq = 2。
[0032]
步骤4-2-3、基于负荷类，派生得到异步电动机负荷，增加genedata、opt、sandr_r、sandr_l、mutualsatu、leaksatu、moni等结构体来分类存储异步电动机的属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据对各台异步电动机的额定转速、机械阻尼系数、定子电阻、定子电抗、转子电阻、转子电抗、激磁电抗等属性进行赋值。对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。
[0033]
步骤5、基于支路类，派生得到线路类、变压器类、换流器类和控制器类。
[0034]
步骤5-1、基于支路类，派生得到交直流输电线路，增加config、copieddata、rxl等结构体来分类存储交直流输电的属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据对各条交直流输电线路的length、basekv、sn、r、x
l
和xc等属性进行赋值。对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。
[0035]
步骤5-2、基于支路类，派生得到变压器类，增加config、windkv、satu、magn等属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据对变压器的sn、basefreq、x
l
、copperloss、ironloss等属性进行赋值。对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。
[0036]
步骤5-3、基于支路类，派生得到换流器类（本实施例中，换流器类具体指晶闸管型换流器），增加config、plo、valvedata等属性。实例化后，利用机电暂态程序的数据对各个换流器的type、voltdrop等属性进行设置。对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行赋值。
[0037]
步骤5-4、基于支路类，派生得到控制器类，增加signalinput、signaloutput等属性，以及一个控制参数嵌套类ctrlset。实例化后，利用机电暂态程序的数据对各个控制器的signalinput、signaloutput和ctrlpara进行初始化设置。对于机电暂态数据不具有的数据，则使用默认的电磁暂态数据库中的数据进行初始化。
[0038]
还包括：基于控制器类，派生得到同步发电机的控制器（具体包括励磁机、pss、原动机和调速器等），并设置输入信号、输出信号，以及控制参数。
[0039]
基于控制器类，派生得到异步电动机的控制器，并设置它的输入信号、输出信号，以及控制参数。
[0040]
基于控制器类，派生得到换流器的控制装置，并设置它的输入信号、输出信号，以及控制参数。
[0041]
步骤6、潮流校核和误差计算。对比机电暂态仿真程序和步骤1-5所得电磁暂态程
序分别计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值，并分别计算有功功率、无功功率和母线电压有效值的误差系数：其中，、和分别为有功误差、无功误差和母线电压有效值误差；p
1i
、q
1i
和v
1i
分别为由机电暂态程序计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值；p
2i
、q
2i
和v
2i
分别为由所述电磁暂态模型计算得到的有功功率、无功功率和母线电压有效值；sn为交直流输电系统的基准容量，v
ni
为第i个测量位置的额定电压。
[0042]
若有功功率、无功功率和母线电压有效值的误差系数：则步骤1-5所得电磁暂态程序正确；反之，则需排查程序1-5，直至满足误差系数要求。
[0043]
具体排查内容：1）核对自动建模程序有无正确读取全系统电力设备对象的机电暂态数据信息；2）检查全系统电力设备对象的拓扑连接关系是否与机电暂态数据提供的信息一致。
[0044]
步骤7、基于补充的换流器详细电磁暂态参数和交直流线路分布参数，对自动生成的交直流输电系统的设备类型和参数进行校正，得到最终适用于交直流输电系统的线路过电压和宽频振荡问题研究的电磁暂态模型，如图2～图5所示。
[0045]
图2为118节点交直流输电系统电磁暂态模型的整体结构，图中实线为交直流输电线路，中间为实心圆的双圈结构表示发电厂、变电站或者换流站，用于存放除交直流输电线路以外的电力设备实例对象。
[0046]
图3为交直流输电系统中的一组换流器实例对象，其中左边为整流设备，右边为逆变设备，am为触发角测量信号，gm关断角测量信号、ao为触发角控制信号、kb为整流设备和逆变设备的开关控制信号。
[0047]
图4为交直流输电系统的一个名为lcctrl17_18的控制器实例对象，图中signalinput为控制器的输入信号端子，signaloutput为控制器的输出信号端子。
[0048]
图5为采用分布参数的某一交直流输电线路实例对象，需要指出的是，实例对象采用的是频率相关（相域）模型，其参数设置界面由频率相关（相域）模型设置手册、杆塔参数设置和地平面参数设置界面等部分组成。其中，g1、g2为避雷线，c1、c2、c3为输电线路导体。
[0049]
图5中，频率相关（相域）模型设置手册详细内容如下：插补时间设置：开；曲线拟合起始频：0.5[hz]；曲线拟合截止频率：1.0e6[hz]；曲线拟合步数：100；输入特征导纳极点数：20；输入特征导纳最大拟合误差：2[%]；输入传输函数每延迟组最大极点数：20；输入传输函数的最大拟合误差：2[%]；直流校正设置：关闭；无源性校核：关闭。
[0050]
图5中，地平面参数设置界面具体内容如下：电地阻率：100 [ohm*m]；空中互感量积分方法的设置：分析近似（deri-semlyen）；地下互感量积分方法的设置：直接数值积分；空中与地下互感量积分方法的设置：解析近似（lucca）。
[0051]
本发明调用现有电磁暂态仿真程序emtdc提供的分布参数线路模型，参数设置界面如图5所示，且相关参数均使用默认值即可。
[0052]
综上，本发明将包含换流器在内的多种电力设备及其拓扑关系抽象为节点和支路等父类，并派生得到电源、负荷、线路、变压器、换流器、控制器等六个子类。结合机电暂态程序和默认的电磁暂态数据，得到初始的电磁暂态模型。采用交直流输电线路的分布参数、变压器的磁路参数和换流器详细参数等电磁暂态参数对初始的电磁暂态模型进行修正，得到宽频段的电磁暂态模型。