一种用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析方法及系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析方法及系统。

背景技术：

近年来，随着大容量柔性直流输配电、柔性交流输电在电网中的进一步应用，以及微电网、新能源的大规模接入，电力系统呈现电力电子化趋势。在实现电力电子化的过程中，基于元件详细动态特性建模的数字电磁暂态的分析，逐渐成为电力电子化电力系统最为有效准确的模拟手段。

目前所采用的分析手段，主要有2类：一类以simpowersystems为代表，采用状态变量分析；另一类以emtp(electro-magnetictransientsprogram)著称，采用伴随电路(元件的差分方程可视为诺顿等效电路)与节点导纳法构成的基本框架。相较而言，emtp类程序具有相对较小的计算量和可预计的计算耗时，逐渐成为电力系统电磁暂态离线和实时分析的基础。

但是，emtp方案无法直接模拟电力电子化电力系统外部随机激励和内部参数随机迁移，对于随机激励激发的连续电磁暂态过程的分析难以适用。若采用emtp多工况重复测试进行替代，则效率低下，使用不便。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析方法及系统，能够模拟和分析电力电子化电力系统外部随机激励、内部参数随机迁移及其激发的系统动态过程，可以用于测试系统控制保护策略的有效性和可靠性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

步骤s1、接收请求命令后，启动分析功能，获取待分析系统的参数数据，并进行初始化处理；

步骤s2、对所述待分析系统进行电力电子开关器件动作判定，并依据判定结果，更新参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源和随机电流源，并修正节点导纳矩阵；

步骤s3、确定参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源和随机电流源，和确定性元件伴随电路模型中的历史电流项；

步骤s4、利用所述参数迁移元件动态伴随电路和确定性元件伴随电路，构建电力电子化电力系统的整体伴随电路和节点等效注入电流，计算节点电压与支路电流，并更新存储；

步骤s5、判定流程是否结束，并向人员终端输出分析结果。

本发明实施例提供的用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析方法及系统，通过在单次分析中实现源-网-荷多类型随机激励连续模拟，有效增加极端工况数量，提高电磁暂态分析对电力电子化电力系统及其控制保护策略的测试能力；可有效减少参数调整和重复验证环节，降低总体分析耗时；同时，可获得更为完整的极端工况和控制保护策略作用下待分析系统中随机激励激发的动、静态特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的装置的大致结构示意图；

图3为本发明实施例提供的，电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析流程示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在目前的方案中，由于电磁暂态仿真的建模基础是常微分方程描述的确定性过程(初值和参数是不变常数)，对系统涉及的外部随机激励、内部参数随机迁移及其激发的动态过程不具备直接模拟能力，因此通常需要多工况测试进行详细系统特性验证。外部随机激励通常属于加性激励，一般由负荷或新能源发电过程引入，可通过风速、光辐照度或控制指令信号的时间序列来模拟，但需要较为详细的新能源发电环节、负荷本体模型作为中间过程，且时间序列的准确生成依赖对外部激励随机动态过程的辨识。内部参数迁移通常属于乘性激励，一般由设备运行状态变化或等效区域内部结构变化引起，直观表现为电感、电容等元件参数的随机动态过程，因而与emtp算法框架存在兼容性问题。考虑到确定性建模和仿真方法在表征和分析随机动态系统的局限性，由概率论与微分方程理论结合发展而成的随机微分方程(stochasticdifferentialequation,sde)理论被引入电气工程领域，逐渐成为研究随机激励对系统物理特性影响的重要手段之一。相关研究成果为源-网-荷随机激励条件下电磁暂态仿真技术的发展和应用奠定了基础，但参数随机迁移作为乘性激励的引入使得随机激励项不再单独存在，现有随机动态模型和算法在应用时存在极大限制。

总的来说，目前的方案无法直接用于外部随机激励、内部参数随机迁移的模拟及其激发的动态过程的分析，实际应用中需要多工况设置多次分析进行替代，效率低下，使用不便。

本实施例中，采用随机微分方程描述参数迁移元件的动态变化过程，并在任意时刻分析中将其离散为诺顿等效电路形式的动态伴随电路模型，包括等效导纳、历史电流源和随机电流源。然后，通过与确定性元件伴宿电路集成，构建系统整体伴随电路的节点导纳矩阵、等效注入电流和任意分析真时刻的节点电压方程求取，完成随机电磁暂态的分析。该算法实现了电力电子化电力系统参数迁移元件及其激发的系统动过程的连续模拟。这种连续模拟可将多工况测试集成到若干次甚至是一次测试中，能大幅提高分析效率和系统控制保护策略的测试可靠性。而该设计思路经过进一步的设计和实验，形成下述具体实施方式，以便于本领域技术人员可以应用。

本发明实施例提供一种用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析方法，如图1所示，包括：

步骤s1、接收请求命令后，启动分析功能，获取待分析系统的参数数据，并进行初始化处理。其中，所述待分析系统为电力电子化电力系统。

步骤s2、对所述待分析系统进行电力电子开关器件动作判定，并依据判定结果，更新参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源和随机电流源，并修正节点导纳矩阵。

步骤s3、确定参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源和随机电流源，和确定性元件伴随电路模型中的历史电流项。

步骤s4、利用所述参数迁移元件动态伴随电路和确定性元件伴随电路，构建电力电子化电力系统的整体伴随电路和节点等效注入电流，计算节点电压与支路电流，并更新存储。

步骤s5、判定流程是否结束，并向人员终端输出分析结果。

其中，输出的分析结果包括了计算后并存储的节点电压与支路电流。

举例来说，若通过计算机程序协助实现上述步骤s1-s5，则可以规划为1)至8)这8个环节，其中：

1)根据待分析系统的参数进行仿真初始化，包括初始时刻t＝t0、仿真步长δt、仿真总时长t，例如如果仿真时间1s，步长0.1s，则需要算10次，即每个0.1s都要重复这部分。对确定性元件电感、电容差分建模，构建节点导纳矩阵gt与ge，其中gt由隐式梯形积分法获得，ge由后向euler积分法获得。

2)仿真时刻更新t＝t0+δt。

3)若待分析系统存在电力电子开关器件动作，则进入步骤5-计算模块2，否则进入步骤4-计算模块1。

4)计算模块1：采用梯形milstein格式更新t时刻参数迁移元件、历史电流源及随机电流源。隐式梯形积分法计算t时刻确定性电感、电容元件历史电流源。索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵gt，将其赋予临时导纳矩阵g，并进入步骤6)。

5)计算模块2：采用后向milstein格式更新t时刻参数迁移元件、历史电流源及随机电流源。后向euler积分法计算t时刻确定性电感、电容元件历史电流项。索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵ge，将其赋予临时导纳矩阵g，并进入步骤6)。

6)由参数迁移元件历史电流源、随机电流源和确定性元件伴随电路模型中的历史电流源，计算伴随电路等效注入电流i。其中，除确定性元件等效导纳外，待分析系统伴随电路还包含式(1)、(3)、(5)、(6)、(8)和(10)中的各等效导纳、受控历史电流源、受控随机电流源。等效注入电流i由电源电流、确定性电感(电容)的历史电流、参数迁移电感(电容)的历史电流和随机电流按节点归属叠加计算获得。

7)解节点电压方程gu＝i，更新t时刻节点电压与支路电流存储。

8)判定仿真是否结束，若t≥t，则仿真结束，输出结果，否则返回步骤2)。

在本实施例的具体实现中，上述步骤s1包括：输入待分析系统参数，并设置初始参数，所示初始参数包括：时间t，其中，初始时刻t＝0、步长δt和总时长t。对确定性元件进行隐式梯形法和后向euler法差分建模，得到隐式梯形法节点导纳矩阵gt和后向euler法节点导纳矩阵ge。之后更新当前时刻t＝t0+δt。

例如图3所示上述步骤s1-s5的流程，可以进一步细化，得到步骤1-14的具体流程，其中：

步骤1：输入待分析系统参数，设置初始仿真时刻t＝0、仿真步长δt、仿真总时长t。

步骤2：对确定性元件电感、电容差分建模，构建节点导纳矩阵gt与ge，其中gt由隐式梯形积分法获得，ge由后向euler积分法获得。

步骤3：仿真时刻更新t＝t0+δt。

具体的，上述步骤s2包括：检测是否存在电力电子开关器件动作。

若不存在，则采用梯形milstein格式更新t时刻参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源和随机电流源；

通过隐式梯形积分法获取t时刻的确定性电感和电容元件伴随电路模型的历史电流源；

索引参数迁移元件，修正隐式梯形法节点导纳矩阵gt，将修正后的gt赋予t时刻临时导纳矩阵g。其中，gt赋给t时刻临时导纳矩阵g

例如图3所示上述步骤s1-s5的流程，可以进一步细化，其中：

步骤4：开关器件动作判定，若存在开关器件动作，则进入步骤8，否则进入步骤5。

步骤5：采用式(1)、(2)和(4)(即梯形milstein格式)更新t时刻参数迁移元件，并采用式(3)和(5)更新历史电流项及随机电流项。

步骤6：采用隐式梯形积分法计算t时刻确定性电感、电容元件历史电流项。步骤7：索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵gt，将其赋予临时导纳矩阵g，并进入步骤11。

参数迁移元件

前述的步骤4)包括：

对于参数迁移电阻r(t)，若其随时间变化的动态过程一般格式为dr(t)＝α(r(t))dt+β(r(t))dw(t)，其中α(r(t))与β(r(t))分别表示电阻参数的偏移过程与扩散过程，w(t)为描述参数随机变化的标准wiener过程。对dr(t)采用梯形milstein格式离散，可由式(1)得到当前时刻t参数迁移电阻值rn和等效导纳gr,n

式中：n为对应时刻t的离散下标。rn-1为上一时刻t-δt参数迁移电阻的电阻值。n(0,1)表示标准正态分布。为时刻t参数迁移电阻预估值，

对于参数迁移电感l(t)，若其随时间变化的动态过程一般格式为dl(t)＝α(l(t))dt+β(l(t))dw(t)，其中α(l(t))与β(l(t))分别表示电感参数的偏移过程与扩散过程。对dl(t)采用梯形milstein格式离散，可由式(2)得到当前时刻t参数迁移电感值，即

式中：ln-1为上一时刻t-δt参数迁移电感的电感值。为时刻t参数迁移电感预估值参数迁移电感在时刻t随机电磁暂态仿真中可表示为诺顿等效电路形式的动态伴随电路模型，即电感等效导纳gl,n、受控历史电流源ilhist,n-1(对应历史电流)、受控随机电流源ilrand,n-1(对应参数随机迁移)并联构成，其值为

式中，为电压。

对于参数迁移电容c(t)，若其随时间变化的动态过程一般格式为dc(t)＝α(c(t))dt+β(c(t))dw(t)，其中α(c(t))与β(c(t))分别表示电容参数的偏移过程与扩散过程。对dc(t)采用梯形milstein格式离散，可得当前时刻t参数迁移电容值，即

式中：cn-1为上一时刻t-δt参数迁移电感的电感值。为时刻t参数迁移电感预估值参数迁移电容在时刻t随机电磁暂态仿真中可表示为诺顿等效电路形式的动态伴随电路模型，，即电容等效导纳gc,n、受控历史电流源ichist,n-1(对应历史电流)、受控随机电流源icrand,n-1(对应参数随机迁移)并联构成，其值为

式中，kc,n＝cn/cn-1。

隐式梯形法节点导纳矩阵gt由式(1)、(3)和(5)修正，并赋予t时刻临时导纳矩阵g。

进一步的，上述步骤s2还包括：若不存在电力电子开关器件动作，则采用后向milstein格式更新t时刻参数迁移元件动态伴随电路中的历史电流源和随机电流源。采用后向milstein格式更新t时刻参数迁移元件动态伴随电路中的历史电流源和随机电流源。通过后向euler积分法获取t时刻确定性电感和电容元件的历史电流项。索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵ge，将修正后的ge赋予t时刻临时导纳矩阵g。

例如图3所示上述步骤s1-s5的流程，可以进一步细化，其中：

步骤8：采用式(6)、(8)和(10)(即后向milstein格式)更新t时刻参数迁移元件，并采用式(3)和(5)更新历史电流项及随机电流项。

步骤9：采用后向euler积分法计算t时刻确定性电感、电容元件历史电流项。

步骤10：索引参数迁移元件和出现动作的电力电子开关器件，修正节点导纳矩阵ge，将其赋予临时导纳矩阵g，并进入步骤11。

前述的步骤5)包括：

对于参数迁移电阻r(t)，对其变化过程dr(t)采用后向milstein格式进行离散，从而可由式(6)得到当前时刻t参数迁移电阻值rn和等效导纳gr,n即

对于参数迁移电感l(t)，对其变化过程dl(t)采用后向milstein格式进行离散，从而可由式(7)得到当前时刻t参数迁移电感值，即

从而使得参数迁移电感在时刻t随机电磁暂态仿真的诺顿等效电路，即电感等效导纳gl,n、受控历史电流源ilhist,n-1(对应历史电流)、受控随机电流源ilrand,n-1(对应参数随机迁移)分别为

式中，

对于参数迁移电容c(t)，对其变化过程dc(t)采用后向milstein格式进行离散，从而可由式(9)得到当前时刻t参数迁移电容值，即

从而使得参数迁移电容在时刻t随机电磁暂态仿真的诺顿等效电路，即电容等效导纳gc,n、受控历史电流源ichist,n-1(对应历史电流)、受控随机电流源icrand,n-1(对应参数随机迁移)为分别为

节点导纳矩阵ge由式(6)、(8)和(10)修正，并赋予临时导纳矩阵g。

具体的，上述步骤s4，包括：

利用参数迁移元件动态伴随电路模型中的历史电流源、随机电流源，和确定性电感和电容元件伴随电路模型中的历史电流源，获取伴随电路等效注入电流i；根据节点电压方程gu＝i，更新t时刻节点电压与支路电流存储，其中，u表示电压，g表示t时刻临时导纳矩阵。

例如图3所示上述步骤s1-s5的流程，可以进一步细化，其中：

步骤11：由参数迁移元件历史电流源、随机电流源和确定性元件伴随电路模型中的历史电流源，计算伴随电路等效注入电流i。

步骤12：求解节点电压方程gu＝i，更新t时刻节点电压与支路电流存储。

步骤13：判定仿真是否结束，若t＜t，则返回步骤3。

步骤14：输出结果，仿真结束。

本实施例中，通过在单次仿真中实现源-网-荷多类型随机激励连续模拟，有效增加极端工况数量，提高电磁暂态仿真对电力电子化电力系统的测试能力。可有效减少参数调整和重复验证环节，降低总体仿真耗时。同时，可获得更为完整的极端工况和控制保护策略作用下待分析系统中随机激励激发的动、静态特性。

本实施例还提供一种用于电力电子化电力系统的随机电磁暂态分析系统，改装置可以通过计算机程序代码的形式，运行在如图2所示的分析系统上，其中包括：

操作模块，用于接收请求命令后，启动分析功能，获取待分析系统的参数数据，并构建分析对象、初始化处理、分析/反馈和接口数据转换，并最终用于向人员终端输出分析结果。

计算处理模块，用于对所述待分析系统进行电力电子开关器件动作判定，并依据判定结果，更新参数迁移元件动态伴随电路中的历史电流源和随机电流源，并修正节点导纳矩阵，进而用于利用所述伴随电路等效注入电流，更新节点电压与支路电流存储。

所述操作模块，具体用于输入待分析系统参数，并设置初始参数，所示初始参数包括：时间t，其中，初始时刻t＝0、步长δt和总时长t。对确定性元件进行差分建模，得到节点导纳矩阵gt和ge。之后更新当前时刻t＝t0+δt。

所述计算处理模块，具体用于检测是否存在电力电子开关器件动作。若不存在，则采用梯形milstein格式更新t时刻参数迁移元件动态伴随电路中的历史电流源和随机电流源。通过隐式梯形积分法获取t时刻的确定性电感和电容元件的历史电流源。索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵gt，将修正后的gt赋予t时刻临时导纳矩阵g。

若存在电力电子开关器件动作，则采用后向milstein格式更新t时刻参数迁移元件动态伴随电路中的历史电流源和随机电流源。

通过后向euler积分法获取t时刻确定性电感和电容元件的历史电流项。

索引参数迁移元件，修正节点导纳矩阵ge，将修正后的ge赋予临时导纳矩阵g。

所述计算处理模块，还具体用于利用参数迁移元件的历史电流源、随机电流源，和确定性电感和电容元件的历史电流项，获取伴随电路等效注入电流i。根据节点电压方程gu＝i，更新t时刻节点电压与支路电流存储，其中，u表示节点电压，g表示用于t时刻分析的临时导纳矩阵。

本实施例中，通过在单次仿真中实现源-网-荷多类型随机激励连续模拟，有效增加极端工况数量，提高电磁暂态仿真对电力电子化电力系统的测试能力。可有效减少参数调整和重复验证环节，降低总体仿真耗时。同时，可获得更为完整的极端工况和控制保护策略作用下待分析系统中随机激励激发的动、静态特性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。