一种基于大步长的电力系统暂态仿真方法及系统

本公开属于电力系统，具体涉及一种基于大步长的电力系统暂态仿真方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着电力系统规模的增大和结构的变化，电力系统的运行特性愈加复杂，发生的事故越来越难以用传统的分析方法预测，导致电力系统仿真技术也在不断变化，不同的仿真技术的特征和侧重有所不同。

3、电力系统是一个复杂的大规模非线性多时间尺度系统，含有大量不同时间常数的变量，有些变量具有快变特征，有些变量则具有慢变特征的特点；尤其是针对时间常数小、动态过程快的高比例电力电子设备，仅采用大步长仿真实现准确清晰的模拟快速动态过程，并获得以频率等慢动态为主导过程的仿真方法具有重要意义。

4、电力系统暂态仿真的数学模型是一组非线性的刚性微分代数方程(differentialalgebraic equation,dae)，数值积分算法是求解非线性刚性dae方程时域计算的核心，也是为构造高效求解算法的基础。因此，微分方程的求解方法至关重要，研究电力系统暂态仿真中的数值积分方法具有重要意义。

5、目前应用于求解微分方程的数值积分计算方法主要分为两类，一类是经典计算方法，比如最常见的四阶龙格库塔法、欧拉法及其变形、梯形法及其变形、线性多步法等方法，已在我国电力系统仿真领域取得了广泛的应用。还有一类新型积分算法，在经典积分算法的基础上进行了改进或与其他计算方法结合，提出了一些新的思路，比如精细积分法、矩阵指数法、配点法等。

6、其中，梯形积分方法由于具有二阶精度和对称a稳定性(symmetrical astability)，系统中原有的不稳定模式都能被表现出来，因而不存在超稳定性问题，计算效率高，求解网络方程时浮点数运算量与后退欧拉法相当，对刚性系统具有很强的适应性，非常适合于电力系统的暂态仿真，在实际仿真程序中应用广泛。中国电科院开发的psd和psasp采用了固定步长的梯形积分方法，常用仿真步长为0.01s，计算结果稳定可靠。

7、近年来，针对电力系统大规模多时间尺度的特点，还出现了精细积分方法、多步taylor级数展开法、多速率法等数值积分方法，可以有效提高电力系统暂态仿真效率。精细积分方法进行数值仿真允许采用较大步长，具有计算速度快、仿真精度高等优点；根据积分时刻和状态变量种类展开不同阶数的多步taylor级数展开法，可以有效提高电力系统暂态仿真效率；多速率法是根据局部截断误差或系统的物理特性对系统进行拓扑分割，并对分割后的变量采用不同的方法进行仿真分析，进而提高仿真效率。

8、发明人发现，现有的大规模电力系统大步长暂态仿真中至少存在以下不足：

9、(1)对于多速率仿真方法，前提是仿真前必须根据局部截断误差或系统的物理特性对所有变量进行合适的分组。但在快变分量和慢变分量的划分准则、全局步长和局部步长的选取、误差范围的选取等方面尚未形成标准，这对于电力系统的暂态仿真计算带来了困难。

10、(2)当电力系统仿真过程中的某些参数或结构改变时，现有的数值积分方法对仿真步长的容忍度较小，可能出现数值不稳定、甚至在大步长下无法收敛等问题；因此，在实际电力系统仿真中，难以满足用户仅采用大步长仿真获得以慢变量为主导过程的需求。

11、(3)在实际电力系统仿真中，在故障发生和施加控制时，快速动态过程必须进行小步长仿真，若采用定步长仿真会导致整体的仿真步长被限制为非常小，非常费时。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本公开提出了一种基于大步长的电力系统暂态仿真方法及系统，能满足用户期望仅采用大步长仿真实现准确快速地获得以慢变分量为主导过程的需求，保证大规模电力系统暂态仿真在大步长下的计算精度，提高整体的计算效率。

2、根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于大步长的电力系统暂态仿真方法，采用如下技术方案：

3、一种基于大步长的电力系统暂态仿真方法，包括：

4、获取电力系统模块的时间常数和预设仿真步长；

5、判断所获取的时间常数与预设仿真步长之间的大小关系，确定电力系统模块的实际仿真步长；

6、根据所述时间常数、所述预设仿真步长和所述实际仿真步长，完成电力系统的暂态仿真；

7、其中，所述电力系统的暂态仿真包括自适应积分步长优化方法和近似处理法。

8、作为进一步的技术限定，通过所获取的预设仿真步长与时间常数之间的关系，即分别判断时间常数ti的α倍、时间常数ti的β倍与预设仿真步长h之间的大小，选择合适的积分步长用于电力系统小模块内部的实际仿真计算，其中，α和β均表示时间常数设置参数，其中α＜β；即：

9、当h＜αti时，以h作为小模块内部的实际仿真步长计算积分步长，采用隐式梯形积分法计算求解；

10、当αti≤h≤βti时，则预设仿真步长大，采用改进的隐式梯形积分法计算求解；

11、当h＞βti时，则预设仿真步长大，采用大步长的近似处理法计算求解。

12、进一步的，在采用改进的隐式梯形积分法计算求解的过程中，需进行小步长处理，即将预设仿真步长h划分为ni倍的实际积分步长hi，在各个小模块内部重复ni次隐式梯形法的迭代计算。

13、进一步的，在采用大步长的近似处理法计算求解的过程中，以h作为小模块内部实际仿真计算的积分步长，考虑不同小模块在大步长仿真下的近似处理法。

14、进一步的，所述采用大步长的近似处理法包括一阶惯性模块的近似处理、微分模块的近似处理和超前滞后模块的近似处理；所述一阶惯性模块的近似处理为直接静态化处理，输出线性结果；所述微分模块的近似处理可等效为纯微分模块与一阶惯性模块的串联，考虑每个时刻前在该时刻所有的衰减量，通过叠加得到线性输出结果。

15、进一步的，所述超前滞后模块的近似处理可等效为一阶惯性模块与微分模块的并联，将两个模块各自先进行大步长处理，通过二者的累加求和得到超前滞后模块的大步长输出结果。

16、作为进一步的技术限定，在电力系统无故障时的仿真采用大步长，故障时采用小步长进行暂态仿真，施加控制后仍采用小步长，但是过渡到较稳定状态后，采用大步长仿真。

17、根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于大步长的电力系统暂态仿真系统，采用如下技术方案：

18、一种基于大步长的电力系统暂态仿真系统，包括：

19、获取模块，其被配置为获取电力系统模块的时间常数和预设仿真步长；

20、判断模块，其被配置为判断所获取的时间常数与预设仿真步长之间的大小关系，确定电力系统模块的实际仿真步长；

21、仿真模块，其被配置为根据所述时间常数、所述预设仿真步长和所述实际仿真步长，完成电力系统的暂态仿真；

22、其中，所述电力系统的暂态仿真包括自适应积分步长优化方法和近似处理法。

23、根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：

24、一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于大步长的电力系统暂态仿真方法中的步骤。

25、根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：

26、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于大步长的电力系统暂态仿真方法中的步骤。

27、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

28、本公开提出了自适应积分步长的优化策略，基于隐式梯形积分算法，相对于时间常数较小的模块，将用户设定的大步长自动转为小步长，进行n次的重复迭代计算，减少了时间常数较小模块每次迭代时的计算误差，而相对于时间常数较大的慢动态模块，也选择合适的积分步长进行仿真计算，进而保证了在大步长仿真下的所有模块计算精度。自适应积分步长的优化策略有利于准确清晰模拟时间常数小的快变分量的快速动态过程，进而提高在大步长仿真中总体的计算精度。

29、本公开提出了近似处理策略，包含三个模块的大步长仿真处理技巧：一是大步长下的一阶惯性模块直接静态化处理，线性输出即可；二是大步长下的微分模块可以等效为纯微分模块与一阶惯性模块的串联，考虑每个时刻前在该时刻所有的衰减量，叠加得到该时刻的输出；三是大步长下的超前滞后模块可以等效为一阶惯性模块与微分模块的并联，将两个模块各自先进行大步长处理，最后求和，得到最终超前滞后模块的大步长输出。对于时间常数很小模块，在大步长仿真下采用近似处理策略，计算效率高，并且仿真精度满足动态仿真的需求。近似处理策略对于仿真步长的容忍度更高，数值稳定度更高；提供了大步长仿真计算对于不同小模块的处理技巧，能够在仿真精度满足动态仿真的需求的同时，保证大步长仿真的计算效率，提高对于仿真步长的容忍度和数值稳定度。

30、本公开基于所提的小时间常数模块的两种策略，设计了在实际电力系统暂态仿真中的自主设定变步长的仿真方法框架。相比于定步长仿真，所提自主设定变步长的仿真方法的框架，更能够在保证了实际电力系统仿真过程中计算精度的基础上，提高整体的计算效率，能够很好地满足用户期望仅采用大步长仿真实现准确快速地获得以慢变分量为主导过程的仿真结果的需求。