一种电磁暂态仿真方法及系统与流程
本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种电磁暂态仿真方法及系统。
背景技术：
随着高压直流输电、柔性交流输电技术以及新能源的快速发展，我国电网逐渐形成大规模交直流混联的输电系统格局，电网特性复杂，短时间内大量电力电子装置的动作与大电网中长期的动态过程紧密相连，导致电网分析变得更加复杂化。
对于电力系统，电磁暂态是最重要的系统分析手段，但是随着电力电子设备在电力系统中应用，电磁暂态仿真面临着仿真速度和仿真精度之间的矛盾，例如现有技术中基于状态空间平均理论提出的动态相量法(dynamicphasor，dp)建立的动态相量模型用于仿真时，只考虑了较低的几次特征谐波，导致仿真精度不高，若是考虑谐波次数增加，会出现求解方程规模增大的问题，导致计算速度降低。因此现有技术普遍存在仿真速度和仿真精度无法兼顾的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电磁暂态仿真方法及系统，提高仿真速度和仿真精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电磁暂态仿真方法，包括：
获取谐波电压源的电压信号；
采用经验模态分解法对所述电压信号进行时间尺度分解，得到多个单分量信号；
计算各单分量信号的瞬时频率，得到各分量频率；
获取预划分的多个连续频段；
按各个所述分量频率所属的频段对各所述单分量信号进行重组，得到各频段的单分量信号集合；
将属于同一所述单分量信号集合的所有单分量信号进行合并，得到多个合并信号；
对每个频段内的所述合并信号进行时间尺度变换，得到低频复数信号；
将所述低频复数信号代入电网的微分方程，得到电网各节点仿真信号。
可选的，所述采用经验模态分解法对所述电压信号进行时间尺度分解，得到多个单分量信号，具体包括：
将所述电压信号标记为原始信号；
根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线；
根据公式h1＝z(t)-m1计算得到待检测分量；其中h1为待检测分量；z(t)为原始信号，m1为上包络线与下包络线的均值；
判断所述待检测分量是否为固有模态函数分量，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示否，则将所述待检测分量标记为原始信号并返回步骤“根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线”；
若所述第一判断结果表示是，则将所述待检测分量标记为单分量信号，并从原始信号中将所述待检测分量分离开，得到剩余信号；
根据所述剩余信号和所述单分量信号判断是否满足终止条件，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示否，则将所述剩余信号标记为原始信号并返回步骤“根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线”；
若所述第二判断结果表示是，则终止时间尺度分解，得到分解得到的所有单分量信号和一个剩余信号。
可选的，所述计算各单分量信号的瞬时频率，得到各分量频率，具体包括：
以所述单分量信号希尔伯特变换结果作为虚部，以所述单分量信号作为实部，生成所述单分量信号的解析信号；
计算所述解析信号的虚部与实部的商的反正切值，得到所述解析信号的瞬时相位；
将所述瞬时相位对时间求导得到所述分量频率。
可选的，所述对每个频段内的所述合并信号进行时间尺度变换，得到低频复数信号，具体包括：
利用公式
根据采样定理对所述低频信号进行采样，得到低频复数信号。
可选的，所述将所述低频复数信号代入电网的微分方程，得到电网各节点仿真信号，具体包括：
将所述微分方程转换到旋转坐标系下，得到旋转坐标系微分方程；
将所述低频复数信号代入所述旋转坐标系微分方程得到各频段求解结果；
将各频段求解结果转换回静止坐标系下进行叠加得到电网各节点仿真信号。
本发明还公开一种电磁暂态仿真系统，包括：
电压信号获取模块，用于获取谐波电压源的电压信号；
经验模态分解模块，用于采用经验模态分解法对所述电压信号进行时间尺度分解，得到多个单分量信号；
分量频率计算模块，用于计算各单分量信号的瞬时频率，得到各分量频率；
频段划分模块，用于获取预划分的多个连续频段；
重组模块，用于按各个所述分量频率所属的频段对各所述单分量信号进行重组，得到各频段的单分量信号集合；
合并模块，用于将属于同一所述单分量信号集合的所有单分量信号进行合并，得到多个合并信号；
变换模块，用于对每个频段内的所述合并信号进行时间尺度变换，得到低频复数信号；
代入计算模块，用于将所述低频复数信号代入电网的微分方程，得到电网各节点仿真信号。
可选的，所述经验模态分解模块包括：
电压信号标记单元，用于将所述电压信号标记为原始信号；
包络线拟合单元，用于根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线；
待检测分量计算单元，用于根据公式h1＝z(t)-m1计算得到待检测分量；其中h1为待检测分量；z(t)为原始信号，m1为上包络线与下包络线的均值；
第一判断单元，用于判断所述待检测分量是否为固有模态函数分量，得到第一判断结果；
待检测分量标记及返回单元，用于若所述第一判断结果表示否，则将所述待检测分量标记为原始信号并返回所述包络线拟合单元；
待检测分量标记及分离单元，用于若所述第一判断结果表示是，则将所述待检测分量标记为单分量信号，并从原始信号中将所述待检测分量分离开，得到剩余信号；
第二判断单元，用于根据所述剩余信号和所述单分量信号判断是否满足终止条件，得到第二判断结果；
剩余信号标记及返回单元，用于若所述第二判断结果表示否，则将所述剩余信号标记为原始信号并返回所述包络线拟合单元；
终止单元，用于若所述第二判断结果表示是，则终止时间尺度分解，得到分解得到的所有单分量信号和一个剩余信号。
可选的，所述分量频率计算模块包括：
解析信号计算单元，用于以所述单分量信号希尔伯特变换结果作为虚部，以所述单分量信号作为实部，生成所述单分量信号的解析信号；
瞬时相位计算单元，用于计算所述解析信号的虚部与实部的商的反正切值，得到所述解析信号的瞬时相位；
分量频率计算单元，用于将所述瞬时相位对时间求导得到所述分量频率。
可选的，所述变换模块包括：
时间尺度变换单元，用于利用公式
采用单元，用于根据采样定理对所述低频信号进行采样，得到低频复数信号。
可选的，所述代入计算模块包括：
坐标转换单元，用于将所述微分方程转换到旋转坐标系下，得到旋转坐标系微分方程；
代入单元，用于将所述低频复数信号代入所述旋转坐标系微分方程得到各频段求解结果；
坐标换回及叠加单元，用于将各频段求解结果转换回静止坐标系下进行叠加得到电网各节点仿真信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明的电磁暂态仿真方法及系统采用了时间尺度分解和分频段并行运算的方法对电磁暂态进行仿真，从而能够将分解后的各频带的信号转换为低频信号，由此能够支持大步长采样仿真，提高了仿真效率。同时，由于通过时间尺度分解将信号分解为多个频段的多个合并信号，实现各频段的信号的并行运算，提高计算速度。另外，通过时间尺度分解将信号分解成多个频段，各个频段之间单独运算，从而减少信号之间的耦合，提高运算速度。并且，本发明通过时间尺度分解将信号分解成多个频段并采用时间尺度变换生成低频信号，从而使本发明的方案能够对各个频段的信号进行仿真，打破了只能对低频信号仿真的局限，使得高次谐波也能被考虑在内，提高仿真精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的方法流程图；
图2为本发明实施例1中对电压信号进行时间尺度分解的流程图；
图3为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的经验模态分解结果图；
图4为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的单分量信号重组示意图；
图5为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的某个单分量信号集合的合并示意图；
图6为本发明电磁暂态仿真方法具体实施例的电网系统节点结构图；
图7为本发明实施例2电磁暂态仿真系统的系统结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种电磁暂态仿真方法及系统，提高仿真速度和仿真精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
图1为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的方法流程图。
参见图1，该电磁暂态仿真方法，包括：
步骤101：获取谐波电压源的电压信号。
步骤102：采用经验模态分解法对所述电压信号进行时间尺度分解，得到多个单分量信号。经验模态分解可以使本实施例适用于非线性非平稳信号。
图2为本发明实施例1中对电压信号进行时间尺度分解的流程图。
参见图2，该步骤102具体包括：
步骤201：将所述电压信号u(t)标记为原始信号。
步骤202：根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线。首先确定原始信号的所有局部极值点，然后用三次样条曲线将所有的局部极大值点连接起来形成上包络线，再用三次样条曲线将所有的局部极小值点连接起来形成下包络线。上下包络线形成后，所有的数据点均包含在上包络线与下包络线之间。
步骤203：根据公式h1＝z(t)-m1计算得到待检测分量；其中h1为待检测分量；z(t)为原始信号，m1为上包络线与下包络线的均值。
步骤204：判断所述待检测分量是否为固有模态函数分量，得到第一判断结果。待检测分量属于固有模态函数分量需要满足的两个条件为：1、待检测分量的极值点和过零点数目相等或最多相差1个。2、待检测分量的上包络线和下包络线的局部均值为0。
步骤205：若所述第一判断结果表示否，则将所述待检测分量标记为原始信号并返回步骤202。
步骤206：若所述第一判断结果表示是，则将所述待检测分量标记为单分量信号，并从原始信号中将所述待检测分量分离开，得到剩余信号。
通过反复执行步骤202～206从而逐个将各个单分量信号分离出来。
步骤207：根据所述剩余信号和所述单分量信号判断是否满足终止条件，得到第二判断结果。终止条件为：剩余信号为单调函数或单分量信号的上下包络线的均值小于预设值。
步骤208：若所述第二判断结果表示否，则将所述剩余信号标记为原始信号并返回步骤202；
步骤209：若所述第二判断结果表示是，则终止时间尺度分解，得到分解得到的所有单分量信号和一个剩余信号。即
经过经验模态分解后，可以将电压信号仅表示为多个单分量信号的线性组合，即
图3为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的经验模态分解结果图。
参见图3，经过经过经验模态分解后，电压信号被分解为不同频率的多个单分量信号。
步骤103：计算各单分量信号的瞬时频率，得到各分量频率。
该步骤103的具体过程包括：
以所述单分量信号希尔伯特变换结果作为虚部，以所述单分量信号作为实部，生成所述单分量信号的解析信号。计算公式为：
ch(t)＝ch(t)+jh[ch(t)]＝ch(t)+jzh(t)
其中ch(t)为序号为h的单分量信号的解析信号，h[ch(t)]表示对ch(t)进行希尔伯特变换。
计算所述解析信号的虚部与实部的商的反正切值，得到所述解析信号的瞬时相位。计算公式为：
其中，φh(t)为瞬时相位。
将所述瞬时相位对时间求导得到所述分量频率。计算公式为：
其中，ωh(t)为瞬时角频率，即所述分量频率。
步骤104：获取预划分的多个连续频段。
将预设的0～f的频率范围n等分，从而得到n个连续频段。通常情况下，频率上限f为2khz。
步骤105：按各个所述分量频率所属的频段对各所述单分量信号进行重组，得到各频段的单分量信号集合。
图4为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的单分量信号重组示意图。
参见图4，根据各单分量信号所处的频段，将各单分量信号划分到对应的频段中。属于同一频段的单分量信号构成一个单分量信号集合，即构成一组单分量信号。
步骤106：将属于同一所述单分量信号集合的所有单分量信号进行合并，得到多个合并信号；
图5为本发明实施例1电磁暂态仿真方法的某个单分量信号集合的合并示意图。
参见图5，将属于同一个单分量集合的各单分量信号按时刻相加。即将单分量集合内各单分量信号属于同一时刻的值相加。
步骤107：对每个频段内的所述合并信号进行时间尺度变换，得到低频复数信号；时间尺度变换的主导频率取各频段的中心频率。
该步骤107具体包括：
利用公式
根据采样定理对所述低频信号进行采样，得到低频复数信号。
由于时间尺度变换后得到的信号为低频信号，因此可以支持大步长仿真，从而能够提高仿真效率。
步骤108：将所述低频复数信号代入电网的微分方程，得到电网各节点仿真信号。
该步骤108具体包括：
将所述微分方程转换到旋转坐标系下，得到旋转坐标系微分方程；
将所述低频复数信号代入所述旋转坐标系微分方程得到各频段求解结果；
将各频段求解结果转换回静止坐标系下进行叠加得到电网各节点仿真信号。
下面给出本发明的方法的一个具体实施例：
图6为本发明电磁暂态仿真方法具体实施例的电网系统节点结构图。
参见图6，该具体实施例的电网系统包括3个节点。电源为谐波电压源，仿真步长为50μs。
电压源的电压信号按照上述步骤101～107进行处理。其中步骤104的频段划分的具体频段数为10个频段。
在执行步骤108时，该电网系统的微分方程在静止坐标系下为：
将微分方程转换到旋转频率为ωr的旋转坐标系下为：
其中，u1、u2、u3分别为3个节点的电压。i12、i23和i3l分别为第一第二节点间电流、第二第三节点间电流和第三节点至末端间的电流。l12、l23和l3l分别为第一第二节点间电感、第二第三节点间电感和第三节点至末端间的电感。r23和r3l分别为第二第三节点间电阻和第三节点至末端间的电阻。i20和i30分别为第二节点的对地电流和第三节点的对地电流。c20和c30分别为第二节点的对地电容和第三节点的对地电容。
u1dq、u2dq、u3dq分别为旋转坐标系下3个节点的电压；i12dq、i23dq和i3ldq分别为旋转坐标系下第一第二节点间电流、旋转坐标系下第二第三节点间电流和旋转坐标系下第三节点至末端间的电流。
然后在旋转坐标系下求解，并将各频段求解结果转换回静止坐标系下进行叠加得到电网各节点仿真信号。
实施例2：
图7为本发明实施例2电磁暂态仿真系统的系统结构图。
参见图7，该电磁暂态仿真系统，包括：
电压信号获取模块1001，用于获取谐波电压源的电压信号；
经验模态分解模块1002，用于采用经验模态分解法对所述电压信号进行时间尺度分解，得到多个单分量信号；
分量频率计算模块1003，用于计算各单分量信号的瞬时频率，得到各分量频率；
频段划分模块1004，用于获取预划分的多个连续频段；
重组模块1005，用于按各个所述分量频率所属的频段对各所述单分量信号进行重组，得到各频段的单分量信号集合；
合并模块1006，用于将属于同一所述单分量信号集合的所有单分量信号进行合并，得到多个合并信号；
变换模块1007，用于对每个频段内的所述合并信号进行时间尺度变换，得到低频复数信号；
代入计算模块1008，用于将所述低频复数信号代入电网的微分方程，得到电网各节点仿真信号。
可选的，所述经验模态分解模块1002包括：
电压信号标记单元，用于将所述电压信号标记为原始信号；
包络线拟合单元，用于根据所述原始信号的局部极大值点和局部极小值点拟合所述原始信号的上包络线和下包络线；
待检测分量计算单元，用于根据公式h1＝z(t)-m1计算得到待检测分量；其中h1为待检测分量；z(t)为原始信号，m1为上包络线与下包络线的均值；
第一判断单元，用于判断所述待检测分量是否为固有模态函数分量，得到第一判断结果；
待检测分量标记及返回单元，用于若所述第一判断结果表示否，则将所述待检测分量标记为原始信号并返回包络线拟合单元；
待检测分量标记及分离单元，用于若所述第一判断结果表示是，则将所述待检测分量标记为单分量信号，并从原始信号中将所述待检测分量分离开，得到剩余信号；
第二判断单元，用于根据所述剩余信号和所述单分量信号判断是否满足终止条件，得到第二判断结果；
剩余信号标记及返回单元，用于若所述第二判断结果表示否，则将所述剩余信号标记为原始信号并返回包络线拟合单元；
终止单元，用于若所述第二判断结果表示是，则终止时间尺度分解，得到分解得到的所有单分量信号和一个剩余信号。
可选的，所述分量频率计算模块1003包括：
解析信号计算单元，用于以所述单分量信号希尔伯特变换结果作为虚部，以所述单分量信号作为实部，生成所述单分量信号的解析信号；
瞬时相位计算单元，用于计算所述解析信号的虚部与实部的商的反正切值，得到所述解析信号的瞬时相位；
分量频率计算单元，用于将所述瞬时相位对时间求导得到所述分量频率。
可选的，所述变换模块1007包括：
时间尺度变换单元，用于利用公式
采用单元，用于根据采样定理对所述低频信号进行采样，得到低频复数信号。
可选的，所述代入计算模块1008包括：
坐标转换单元，用于将所述微分方程转换到旋转坐标系下，得到旋转坐标系微分方程；
代入单元，用于将所述低频复数信号代入所述旋转坐标系微分方程得到各频段求解结果；
坐标换回及叠加单元，用于将各频段求解结果转换回静止坐标系下进行叠加得到电网各节点仿真信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明的电磁暂态仿真方法及系统采用了时间尺度分解和分频段并行运算的方法对电磁暂态进行仿真，从而能够将分解后的各频带的信号转换为低频信号，由此能够支持大步长采样仿真，提高了仿真效率。同时，由于通过时间尺度分解将信号分解为多个频段的多个单分量信号，实现各频段的信号的并行运算，提高计算速度。另外，通过时间尺度分解将信号分解成多个频段，各个频段之间单独运算，从而减少信号之间的耦合，提高运算速度。并且，本发明通过时间尺度分解将信号分解成多个频段并采用时间尺度变换生成低频信号，从而使本发明的方案能够对各个频段的信号进行仿真，打破了只能对低频信号仿真的局限，使得高次谐波也能被考虑在内，提高仿真精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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