一种基于ODM的电力系统机电暂态仿真建模方法与流程

本发明针对电力系统机电暂态仿真中模型日趋复杂、新设备和新物理现象不断涌现等问题，提出一种对美国电气和电子工程师协会动力和能源分会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，Power&EnergySociety，简称IEEEPES）发布的通用数据模型（OpenDataModel，ODM）进行改进并转化成具有高度可扩展性的电力系统机电暂态仿真模型的方法，可作为开发电力系统机电暂态仿真程序底层框架的通用方法。

背景技术：
电力系统机电暂态仿真是电力系统运行、规划、科学研究和日常管理的重要基础。除采用先进的数值积分技术外，准确的电力系统机电暂态数学模型及其在仿真软件中的有效实现也是机电暂态仿真顺利进行的先决条件。目前电力系统仿真软件都以二维表形式进行数据建模和存储，在程序内部以数组的形式存储数据。这两点使得这些电力系统仿真软件难以适应电力系统信息化进展。主要存在两个问题：1)可读性低，可扩展性差，不利于操作。目前各国电力企业已经或正在推进基于IEC61970的公用信息模型（CommonInformationModel，CIM）标准进行调度和运行，其中CIM由RDF/XML定义得到，现有二维表模型很难与之适应。2)程序内部以全局或静态变量来存储系统状态信息，在多线程环境下存在线程竞争，解决这一问题需要进行繁琐的锁或同步操作，而且在计算资源分布式环境下数据交换量大，中间状态难以保存。上述不足使得已有的电力系统仿真模型及算法难以适应多核、分布式计算平台。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具备充分的可扩展性和开放性，有利于模型维护以及与其他需操作此模型的程序进行交互的基于ODM的电力系统机电暂态仿真模型的建模方法。本发明层次清晰，简单易行。本发明的技术方案是：本发明的基于ODM的电力系统机电暂态仿真模型的建模方法，包括如下步骤：1）对ODM模型中的不足进行改进；2）基于改进后的ODM模型，根据目标电力系统的模型情况，构建适用于电力系统机电暂态仿真计算的过渡模型；3）对上述过渡模型进行转化，得到最终的电力系统机电暂态仿真模型。上述步骤1）中对ODM模型进行改进的方法为：增加原ODM模型中不存在的新模型类型，即增加感应电动机、用户自定义控制器的模型类型。上述增加新模型类型的方法为：按照ODM模型定义规则，根据此类模型的一般结构和参数进行典型定义。上述步骤2）中构建适用于电力系统机电暂态仿真计算的过渡模型时采用可扩展架构作为载体。上述步骤2）中构建某一类模型的过渡模型时，若实际模型与已有模型不一致，则基于已有模型扩展其参数，从而形成此类模型的另一子类。上述步骤3）中从过渡模型到最终的电力系统机电暂态仿真模型的转化基于元模型体系结构。本发明的建模方法，可直接利用已非常成熟的IT技术开发灵活高效的电力系统机电暂态仿真程序，大大降低了开发的难度。同时，此模型具备充分的可扩展性和开放性，有利于模型维护以及与其他需操作此模型的程序进行交互。此外，本发明的仿真模型基于针对电力工业实际情况改进后的ODM模型，本质上是可扩展的，根据仿真模型与数据库ER图之间的内在对应关系，可以很容易地实现仿真模型与常规关系数据库间的相互转化,从而达到对仿真模型数据进行统一管理的目的。附图说明图1为本发明的原理图；图2为实施例中扩展后的PSS模型结构图；图3为基于改进ODM的电力系统机电暂态仿真模型框架。具体实施方式实施例：本发明的基于ODM的电力系统机电暂态仿真模型的建模方法，包括如下步骤：1）结合实际电力系统情况，针对IEEEPES发布的ODM模型中的不足进行改进；2）基于改进后的ODM模型，根据目标电力系统的模型情况，以可扩展架构作为载体，构建适用于电力系统机电暂态仿真计算的过渡模型，由于可充分利用载体本身的可扩展性，可以对所获得的过渡模型进行任意的扩展和自定义；3）对基于元模型体系结构，对上述过渡模型进行转换，得到最终的电力系统机电暂态仿真模型，此模型同样具有高度的可扩展性。上述步骤1）中对ODM模型进行改进的方法为：增加原ODM模型中不存在的新模型类型，即增加感应电动机、用户自定义控制器的模型类型。上述增加新模型类型的方法为：按照ODM模型定义规则，根据此类模型的一般结构和参数进行典型定义。上述步骤2）中构建适用于电力系统机电暂态仿真计算的过渡模型时采用可扩展架构作为载体。上述步骤2）中构建某一类模型的过渡模型时，若实际模型与已有模型不一致，则基于已有模型扩展其参数，从而形成此类模型的另一子类。上述步骤3）中从过渡模型到最终的电力系统机电暂态仿真模型的转化基于元模型体系结构。下面以BPA格式的IEEE标准9节点算例系统（简称为ieee9）为例，介绍本发明中提到的基于ODM的电力系统机电暂态仿真建模过程。典型的元模型结构可以描述为：实例层、模型层、元模型层和元-元模型层。每一层描述如下：a)信息层（informationlayer）信息是由我们希望描述的数据组成，这些数据通常是一些用户数据(userdata)，主要职责是描述信息领域中的详细信息。b)模型层（modellayer）模型层是由元数据组成，元数据是描述信息层的数据，元数据的集合被称作为模型。信息层的数据，是模型层的一个实例。c)元模型层（metamodellayer）元模型层是由元-元数据组成，元-元数据定义了元数据的结构和语义，其集合被称作为元模型。元模型层是对模型层的进一步抽象，模型是元模型的一个实例。d)元-元模型层（meta-metamodellayer）元-元模型层是由元-元数据的结构和语义的描述组成，元-元模型的定义要比元模型更加抽象、简洁。一个元-元模型可以定义多个元模型，而每个元模型也可以与多个元元模型相关联。元模型是元-元模型的一个实例。四层元模型体系结构是精确定义一个复杂模型语义的基础。除此之外，该体系结构通过递归地将语义应用到不同层次上来完成语义结构的定义，为元模型扩展以及基于四层元模型体系结构的不同标准之间的结合提供了体系结构基础。元模型体系结构本身是一种通用的数据描述的方法，有利于各种高级语言的实现。前文所述基于IEC61970的公用信息模型（CommonInformationModel，CIM）标准即以此格式发布。（1）算例系统简介ieee9系统中共有9条母线，6条输电线路，3个变压器，涉及的动态模型包括5阶凸极机和6阶隐极机的次暂态模型，连续、旋转直流励磁系统（EA），输入信号为轴滑差的电力系统稳定器（PowerSystemStabilizer，PSS）模型（SS），以及水轮机调速器和原动机模型（GH）。（2）扩展过渡模型上述ieee9系统中，PSS模型以及水轮机调速器和原动机模型是原ODM中不存在的模型，需要先对原ODM加以扩展才能实现整个系统模型的建立。在此以PSS模型为例，采用可扩展架构对原ODM进行扩展和描述，得到系统仿真的过渡模型。具体方式如下：首先保证输入信号为轴滑差的PSS模型（SS）继承了已有PSS模型的各项基本信息，然后对自身的各项模型参数（如KQV、TQ等）进行定义（需保证这些参数的唯一性）。（3）最终发布的扩展后模型按照元模型体系结构的分层，将已获得的PSS扩展过渡模型分解到对应层面，从而形成最终的电力系统机电暂态仿真模型。一般单一元件的分解过程只需对应到模型层。最终的能方便用于电力系统机电暂态仿真的扩展后PSS模型见图2，图中包含了经典模型、IEEE1981模型等ODM中原有的PSS模型，以及扩展所得新模型（SS）。如前所述，用合理的方式来描述电力系统机电暂态模型是电力系统仿真软件能充分利用目前涌现的新技术来进行灵活高效的电力系统机电暂态仿真的前提条件。必须放弃目前电力系统仿真领域主流的二维表形式描述方法，否则任何先进性均无从谈起。本方法基于IEEEPES发布的通用数据模型，在对其进行适当改进以符合中国电力工业界的实际情况后，得到以可扩展架构作为载体的过渡模型，此过渡模型可任意扩展以满足不同用户的需求。基于元模型体系结构，将过渡模型转化成最终的电力系统机电暂态仿真模型，其可作为进一步开发电力系统机电暂态仿真程序和电力系统基础数据管理数据库的基础。现有的IEEEPES发布的ODM版本尚未完善，异步电动机、柔性交流输电装置（FACTS）等模型均未建立，各种励磁、调速等装置的模型也不完备。同时，该模型中存在一些电力系统机电暂态计算不涉及的模型，如详细的配电网络结构模型等。本方法对其做了适当改进，所得模型更适合中国电力工业的实际情况。本方法以改进的ODM模型为基础，以可扩展架构作为载体，保证了所建立的电力系统机电暂态仿真过渡模型在模型扩展方面具有天然的优势。基于元模型体系结构，将所得的过渡模型转换成相应最终的电力系统机电暂态仿真模型。所得模型以支持扩展的过渡模型为基础，完全继承了其高度可扩展的技术优势，由此所得到的建模框架也是高度可扩展的。针对IEEEPES的ODM模型中尚未有的电气元件，按照ODM模型定义规则增加此元件的典型模型，并在相应的过渡模型架构中形成其机电暂态模型。针对IEEEPES的ODM模型中已存在但机电暂态仿真中并不涉及的电气元件模型，将其删除并对原有的过渡模型架构作适当调整。对于实际模型与IEEEPES已有的ODM模型不一致的同一类电气元件，直接对其典型模型进行扩展。将所得过渡模型转化成最终的电力系统机电暂态仿真模型，以供机电暂态仿真程序和电力系统基础数据库开发使用。目前人们对电力系统仿真软件提出了更高的要求，主要是需要进行仿真分析的电网规模更大，要求的计算速度更快，应更容易引入新的设备模型。常规的二维表形式的电力系统机电暂态仿真数据格式已渐渐无法适应这些要求。本发明所得到的模型易于扩展和改进，在机电暂态仿真软件开发和电力系统基础数据管理两方面具有明显优势，能够很好地适应电力工业技术的发展要求。(1)机电暂态软件开发基于本发明发布的仿真模型及相应建模方法，可直接利用已非常成熟的IT技术开发灵活高效的电力系统机电暂态仿真程序，大大降低了软件开发的难度。同时，此模型具备充分的可扩展性和开放性，有利于模型维护以及与其他需操作此模型的程序进行交互。(2)电力系统基础数据管理本发明发布的电力系统机电暂态仿真模型基于针对中国电力工业实际情况改进后的ODM模型，本质上是可扩展的，其中各元件模型之间的关系框架见图3，该图也可被当作一个典型的电力系统机电暂态仿真数据库的ER图。根据仿真模型与数据库ER图之间的内在对应关系，可以很容易地实现仿真模型与常规关系数据库间的相互转化,从而达到对仿真模型数据进行统一管理的目的。