基于rtds的电力系统混合实时仿真系统及仿真方法
【专利摘要】一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统及仿真方法，仿真系统设有实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统和混合仿真接口。仿真方法包括（1）仿真准备；（2）初始状态更新；（3）实时机电暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时电磁暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前电磁暂态计算，并进行更新；同时电磁暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时机电暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前机电暂态计算，并进行更新；不断重复直到仿真时间结束则停止。本发明能实时仿真大规模电网慢速动态的机电暂态过程和局部快速响应的电磁暂态过程，结构简单、结果精确、适用性宽。
【专利说明】基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统及仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统【技术领域】，特别是涉及一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统及其仿真方法。
【背景技术】
[0002] 当前电力系统区域互联规模日趋庞大，区域间关联增强；基于大功率电力电子技术的高压直流输电系统和新型柔性交流输电系统FACTS装置的大量应用，使得反映不同物理特征的动态过程相互交织在一起。电力系统发展的新形势对仿真技术提出了更高的要求，一方面要求在一次仿真过程中既能模拟大规模互联系统的暂稳动态特性准确反映区域电网间、大系统与局部系统间的相互作用；另一方面，同时又能模拟局部快速响应特性反映其电磁暂态过程。
[0003]而现有技术中的仿真系统，由于一些限制，不能进行实时仿真。此外，由于接口处的计算方法简单，存在误差大的缺陷，不适于大网络仿真研究、
因此，针对现有技术不足，提供一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统及其仿真方法以克服现有技术不足甚为必要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统及其仿真方法，能够对交直流电网的特性进行实时仿真研究，而且具有仿真结果精确、适用性宽广的特点。
[0005]本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统,设置有
实时电磁暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的电力电子局部元件部分进行实时电磁暂态计算；
实时机电暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的交流网络部分进行实时机电暂态计
算；
混合仿真接口，实现所述实时电磁暂态仿真系统与所述实时机电暂态仿真系统双向联接，将交流网络部分在机电暂态系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时电磁暂态仿真系统，并将电力电子局部元件在实时电磁暂态仿真系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时机电暂态仿真系统。
[0006]其中，被研究的交直流电网在HVDC换流母线或FACTS专用变压器处分割为交流网络部分和电力电子局部元件部分，交流网络部分通过实时机电暂态仿真系统行实时机电暂态仿真计算，电力电子局部元件部分通过实时电磁暂态仿真系统进行实时电磁暂态仿真计
笪
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[0007]上述混合仿真接口设置有第一动态等值电路、第二动态等值电路和时序控制电路； 所述时序控制电路控制每一时步内所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路的工作启始状况及参数更新；
在每一个时步开始时，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统进行初始状态更新，同时所述第一动态等值电路和第二动态等值电路进行参数更新；
在每一时步内，所述第一动态等值电路接收所述实时机电暂态仿真系统输送的当前时步的ABC分相受控电压源信号并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口电压输送至所述实时电磁暂态仿真系统，所述实时电磁暂态仿真系统根据所述第一动态等值电路输送的接口电压进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；
所述第二动态等值电路接收所述实时电磁暂态仿真系统输送的当前正负零三序接口功率并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口功率输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统根据所述第二动态等值电路输送的接口功率进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态；
在时序控制电路的控制下，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路开始下一时步的闭环交互，直到仿真时间结束则停止交互。
[0008]上述第一动态等值电路为戴维南动态等值电路，其电路参数具体为:
设系统原网络方程为二P:
网络阻抗矩阵为z = Y~l;
等值阻抗为I2q 二 AtlZAl ;
等值电势为=JfP;
式中，K为网络方程节点电压向量、产为网络方程节点注入电流向量、Jz是网络的节点-端口关联矢量，F是节点导纳矩阵，JjT是节点阻抗矩阵。
[0009]上述第二动态等值电路为动态功率源模型，在机电暂态网络中设置等值节点为BQ类型节点。
[0010]第一动态等值电路与第二动态等值电路分别位于对侧仿真系统中作为本侧仿真系统的等值电路。
[0011]上述时步设置为10ms。
[0012]上述实时电磁暂态仿真系统是RTDS仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统是基于UDC的实时机电暂态仿真系统。
[0013]本发明提供一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真方法,通过上述基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统采用如下方式进行， (I)仿真准备时刻，实时电磁暂态仿真系统和实时机电暂态仿真系统各自独立运行稳定，开始混合仿真；
(2 )所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统及混合仿真接口进行初始状态更新；
(3)实时机电暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时电磁暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；同时电磁暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态；
不断重复上述步骤(2)至(3)的交换过程，直到仿真时间结束则停止交互。
[0014]上述混合仿真接口设置有第一动态等值电路、第二动态等值电路和时序控制电路；
所述时序控制电路控制每一时步内所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路的工作启始状况及参数更新；
在每一个时步开始时，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统进行初始状态更新，同时所述第一动态等值电路和第二动态等值电路进行参数更新；
在每一时步内，所述第一动态等值电路接收所述实时机电暂态仿真系统输送的当前时步ABC分相受控电压源信号并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口电压输送至所述实时电磁暂态仿真系统，所述实时电磁暂态仿真系统根据所述第一动态等值电路输送的接口电压进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；
所述第二动态等值电路接收所述实时电磁暂态仿真系统输送的当前正负零三序接口功率并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口功率输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统根据所述第二动态等值电路输送的接口功率进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态；
在时序控制电路的控制下，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路开始下一时步的闭环交互，直到仿真时间结束则停止交互。
[0015]本发明的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统,设置有实时电磁暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的电力电子局部元件部分进行实时电磁暂态计算；实时机电暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的交流网络部分进行实时机电暂态计算；混合仿真接口，实现所述实时电磁暂态仿真系统与所述实时机电暂态仿真系统双向联接，将交流网络部分在机电暂态系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时电磁暂态仿真系统，并将电力电子局部元件在实时电磁暂态仿真系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时机电暂态仿真系统。
[0016]本发明的基于RTDS的电力系统混合实时仿真方法,过上述基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统采用如下方式进行，(I)仿真准备时刻，实时电磁暂态仿真系统和实时机电暂态仿真系统各自独立运行稳定，开始混合仿真；(2)所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统及混合仿真接口进行初始状态更新；(3)实时机电暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时电磁暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；同时电磁暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态；不断重复上述步骤(2)至(3)的交换过程，直到仿真时间结束则停止交互。
[0017]本发明通过混合仿真接口实现所述实时电磁暂态仿真系统与所述实时机电暂态仿真系统双向联接，将交流网络部分在机电暂态系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时电磁暂态仿真系统，并将电力电子局部元件在实时电磁暂态仿真系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时机电暂态仿真系统。能够在一次仿真过程中既能模拟大规模互联系统的暂态稳定特性以反映区域电网间、大系统与局部系统间的相互作用，也能同时模拟局部电网或元件的快速电磁暂态响应过程以反映如HVDC、FACTS装置快速开关过程特性。实时仿真大规模电网慢速动态的机电暂态过程和局部快速响应的电磁暂态过程，具有结构简单、结果精确、适用性宽的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0019]图1为本发明一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统的结构不意图。
[0020]图2为本发明研究的交直流电网的分网接口示意图。
[0021]图3为本发明机电暂态仿真计算数学模型结构图。
[0022]图4为本发明实时机电暂态程序流程示意图。
[0023]图5为本发明交流网络在电磁暂态侧等值电路示意图。
【具体实施方式】
[0024]结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0025]实施例1。
[0026]—种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统,如图1所不，设置有
实时电磁暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的电力电子局部元件部分进行实时电磁暂态计算；
实时机电暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的交流网络部分进行实时机电暂态计
算；
混合仿真接口，实现所述实时电磁暂态仿真系统与所述实时机电暂态仿真系统双向联接，将交流网络部分在机电暂态系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时电磁暂态仿真系统，并将电力电子局部元件在实时电磁暂态仿真系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时机电暂态仿真系统。
[0027]如图2所示，被研究的交直流电网在HVDC换流母线或FACTS专用变压器处分割为交流网络部分和电力电子局部元件部分，交流网络部分通过实时机电暂态仿真系统行实时机电暂态仿真计算，电力电子局部元件部分通过实时电磁暂态仿真系统进行实时电磁暂态
仿真计算。
[0028]实时电磁暂态仿真系统是RTDS仿真系统，实时机电暂态仿真系统是基于UDC的实时机电暂态仿真系统。
[0029]通过上述基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统进行仿真的方法，采用如下方式进行，
(1)仿真准备时刻，实时电磁暂态仿真系统和实时机电暂态仿真系统各自独立运行稳定，开始混合仿真；
(2)所述实时电 磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统及混合仿真接口进行初始状态更新；
(3)实时机电暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时电磁暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；同时电磁暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态；
不断重复上述步骤(2)至(3)的交换过程，直到仿真时间结束则停止交互。
[0030]发明是一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，由实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统和混合仿真接口组成。被研究的交直流电网在HVDC换流母线或FACTS专用变压器处分割为交流网络部分和电力电子局部元件部分，交流网络部分置于实时机电暂态仿真系统中进行实时机电暂态仿真计算，电力电子局部元件部分(HVDC或FACTS)置于实时电磁暂态仿真系统中进行实时电磁暂态仿真计算。混合仿真接口(IF)实现交流网络部分机电暂态侧TSA到电磁暂态侧EMT中的动态等值，以及电力电子局部元件电磁暂态侧EMT到机电暂态侧TSA中的动态等值。能够在一次仿真过程中既能模拟大规模互联系统的暂态稳定特性以反映区域电网间、大系统与局部系统间的相互作用，也能同时模拟局部电网或元件的快速电磁暂态响应过程以反映如HVDC、FACTS装置快速开关过程特性。实时仿真大规模的机电暂态响应和局部快速响应的电磁暂态过程，具有结构简单、结果精确、适用性宽的特点。
[0031]实时机电暂态仿真系统，全部电力系统的表达式包括同步发电机组、与同步发电机组相关的励磁控制系统和原动机及其调速系统、变压器及输电线路交流网络、负荷、其他动态元件，如图3所示，机电暂态方程求解包括微分方程(I)和网络代数方程(2):.= /(:3J)……⑴； dt '
【权利要求】
1.一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统,其特征在于:设置有实时电磁暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的电力电子局部元件部分进行实时电磁暂态计算； 实时机电暂态仿真系统，对被研究的交直流电网的交流网络部分进行实时机电暂态计算； 混合仿真接口，实现所述实时电磁暂态仿真系统与所述实时机电暂态仿真系统双向联接，将交流网络部分在机电暂态系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时电磁暂态仿真系统，并将电力电子局部元件在实时电磁暂态仿真系统中的动态数据等值后动态输送到所述实时机电暂态仿真系统。
2.根据权利要求1所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，其特征在于:被研究的交直流电网在HVDC换流母线或FACTS专用变压器处分割为交流网络部分和电力电子局部元件部 分，交流网络部分通过实时机电暂态仿真系统行实时机电暂态仿真计算，电力电子局部元件部分通过实时电磁暂态仿真系统进行实时电磁暂态仿真计算。
3.根据权利要求2所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，其特征在于:所述混合仿真接口设置有第一动态等值电路、第二动态等值电路和时序控制电路； 所述时序控制电路控制每一时步内所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路的工作启始状况及参数更新； 在每一个时步开始时，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统进行初始状态更新，同时所述第一动态等值电路和第二动态等值电路进行参数更新； 在每一时步内，所述第一动态等值电路接收所述实时机电暂态仿真系统输送的当前时步的ABC分相受控电压源信号并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口电压输送至所述实时电磁暂态仿真系统，所述实时电磁暂态仿真系统根据所述第一动态等值电路输送的接口电压进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态； 所述第二动态等值电路接收所述实时电磁暂态仿真系统输送的当前正负零三序接口功率并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口功率输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统根据所述第二动态等值电路输送的接口功率进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态； 在时序控制电路的控制下，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路开始下一时步的闭环交互，直到仿真时间结束则停止交互。
4.根据权利要求3所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，其特征在于:所述第一动态等值电路为戴维南动态等值电路，其电路参数具体为: 设系统原网络方程为YV=P: 网络阻抗矩阵为χ = Y~ι ；等值阻抗为rZm = AtlZAl ； 等值电势为^ =Jfl7 ； 式中，K为网络方程节点电压向量、产为网络方程节点注入电流向量、是网络的节点-端口关联矢量，y是节点导纳矩阵，z是节点阻抗矩阵。
5.根据权利要求4所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，其特征在于:所述第二动态等值电路为动态功率源模型，在实时机电暂态仿真系统中设置等值节点为BQ类型节点。
6.根据权利要求6所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统,其特征在于:所述时步设置为10ms。
7.根据权利要求1所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统，其特征在于:所述实时电磁暂态仿真系统是RTDS仿真系统,所述实时机电暂态仿真系统是基于UDC的实时机电暂态仿真系统。
8.一种基于RTDS的电力系统混合实时仿真方法，其特征在于:通过如权利要求1所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真系统采用如下方式进行， (1)仿真准备时刻，实时电磁暂态仿真系统和实时机电暂态仿真系统各自独立运行稳定后，系统开始混合仿真；
(2)所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统及混合仿真接口进行初始状态更新； (3)实时机电暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时电磁暂态仿真系统，实时机电暂态仿真系统进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态；同时电磁暂态仿真系统中的动态数据通过混合仿真接口等值处理后输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态； 不断重复上述步骤(2)至(3)的交换过程，直到仿真时间结束则停止交互。
9.根据权利要求8所述的基于RTDS的电力系统混合实时仿真方法,其特征在于: 所述混合仿真接口设置有第一动态等值电路、第二动态等值电路和时序控制电路； 所述时序控制电路控制每一时步内所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路的工作启始状况及参数更新； 在每一个时步开始时，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统进行初始状态更新，同时所述第一动态等值电路和第二动态等值电路进行参数更新； 在每一时步内，所述第一动态等值电路接收所述实时机电暂态仿真系统输送的当前时步ABC分相受控电压源信号并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口电压输送至所述实时电磁暂态仿真系统，所述实时电磁暂态仿真系统根据所述第一动态等值电路输送的接口电压进行当前电磁暂态计算，并以当前电磁暂态计算结果更新所述实时电磁暂态仿真系统作为下一时步的实时电磁暂态仿真系统初始状态； 所述第二动态等值电路接收所述实时电磁暂态仿真系统输送的当前正负零三序接口功率并进行等值计算后将等值计算后的结果作为接口功率输送至所述实时机电暂态仿真系统，所述实时机电暂态仿真系统根据所述第二动态等值电路输送的接口功率进行当前机电暂态计算，并以当前机电暂态计算结果更新所述实时机电暂态仿真系统作为下一时步的实时机电暂态仿真系统初始状态； 在时序控制电路的控制下，所述实时电磁暂态仿真系统、实时机电暂态仿真系统、第一动态等值电路和第二动态等值电路开始下一时步的闭环交互，直到仿真时间结束则停止交互。
【文档编号】G06F9/455GK103995734SQ201410270650
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】李伟, 郭琦, 韩伟强, 欧开健, 黄立滨, 胡云 申请人:中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心