面向配电系统的混合仿真算法、装置及计算机存储介质

本发明涉及一种面向配电系统的混合仿真算法、装置及计算机存储介质，属于配电系统仿真与分析。

背景技术：

1、随着高比例新能源电厂接入，配电网正在向多源、灵活的复杂能源网络转变。高比例新能源电厂的接入意味配电网含有丰富的电力电子设备，而不同的设备之间的动态时间参数差异较大，因此配电网中的动态过程具有多时间尺度、仿真规模大等特征。传统的数值积分算法不能够同时兼顾数值稳定性和计算效率与精度。不同的积分方法有不同的特点，显式积分算法计算简单，计算效率高，但数值稳定性差，不具备a-稳定，其仿真步长受到稳定性的极大限制，很难适用于刚性系统的暂态稳定仿真；隐式积分算法数值稳定性好，具备a-稳定，但需要进行迭代计算，计算较复杂，计算速度慢。

2、一般来说，在电力系统暂态阶段，具有绝对值大的负实部的特征值对应的解分量变化很快，用较小的步长仿真是合理的，此时的系统并不称作刚性系统；而在中长期仿真阶段，快变分量衰减到稳定值，慢变分量仍然在缓慢变化，此时的系统才成为刚性系统。刚性系统带来的问题在于，当仿真进入中长期时，快变分量已经衰减，系统动态主要由慢变分量的动态决定，为了实现更快的仿真速度，应当采取更大的仿真步长。利用不同积分的特点分别处理仿真的不同阶段，提高电力电子化配电系统动态仿真的效率与精度是一个值得研究的问题。

技术实现思路

1、本发明正是针对现有技术中的问题，提供了面向配电系统的混合仿真算法、装置及计算机存储介质，将配电网的运行状态划分为电暂态过程和中长期动态过程，通过对特征值参数与阈值条件对网络运行状态进行判定。根据不同状态的特点在电磁暂态过程和中长期动态过程使用不同的仿真步长和仿真计算方法，在电磁暂态过程使用小步长的四阶显式龙格库塔法满足计算效率和精度的需求；在中长期动态过程使用大步长的2级半隐式龙格库塔法提高效率。最终实现配电系统全过程高精度动态仿真。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、面向配电系统的混合仿真算法，包括以下步骤：

4、将配电系统的运行状态划分为电磁暂态过程和中长期动态过程并参数初始化，以配电系统的网络节点电压或者电流变化率的变化值的无穷范数为特征值，作为判断依据；

5、判断特征值是否超过阈值；若超过阈值，则判定为电磁暂态过程，切换使用基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法；反之，则判定为中长期动态过程，切换使用基于2级半隐式龙格库塔法的大步长数值积分计算方法，得到下一步长的计算的初值，并将得到的初值和判断网络运行状态的特征值进行判断，直至仿真结束。

6、其中，使用基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法计算仿真的前两个步长的系统状态变量值。

7、作为本发明的一种改进，将多涉及快过程、时间常数小、各扰动量快速衰减的暂态过程统一划分为电磁暂态过程，将各扰动量衰减速度慢的过程划分为中长期动态过程。

8、作为本发明的一种改进，所述配电系统的各网络节点电压和电流进行如下处理：

9、

10、其中，为进行处理后的第n步仿真计算得到的网络节点电压和节点电流，为第n步仿真后得到的系统网络中第i个节点的实际节点电压以v为单位；为第i个节点在系统网络中对应的电压等级以v为单位；为第n步仿真后得到的系统网络中第i个节点的实际注入电流以a为单位；为第i个节点在系统网络中对应电压等级求得电流等级以a为单位；m表示系统网络中节点的个数。

11、作为本发明的一种改进，所述前两个步长内的电压变化率和电流变化率的表达式为：

12、

13、其中，表示在初始化后系统内的换算后各节点电压的初值；分别表示在第一个仿真步长内和第二个仿真步长内计算得到的换算后各节点电压；表示初始化后求得的换算后的各动态元件的注入电流初值；分别表示在第一个和第二个仿真步长内计算得到的换算后的注入电流；h1表示第一步内的仿真步长；h2表示第二步的仿真步长。

14、作为本发明的一种改进，前两步的仿真步长相同均为小步长，用于保证仿真的精度，即满足以下约束条件：

15、h2＝h1＝hmin(3)

16、其中，hmin为在机电磁态过程使用的小步长仿真步长，h1表示第一步内的仿真步长；h2表示第二步的仿真步长。

17、作为本发明的一种改进，依据每步网络节点电压或电流变化率的变化值的无穷范数大小为系统状态的切换条件，对两类事件的相应的特征参数进行判定，从而自动切换仿真状态。其中，

18、

19、差值取的是无穷范数，表示的是第i+1步内与第i步内网络各个节点电压变化率差值最大的值，表示的是第i+1步内与第i步网络各个节点电流变化率差值最大的值。

20、作为本发明的一种改进，所述步骤s2阈值um,im的约束条件为：

21、

22、其中，um,im分别为网络节点电压变化率差值的阈值和网络节点电流变化率差值的阈值；当或者满足上式时则将网络运行状态判定为中长期动态过程，这时仿真采用大步长hmax，仿真计算方法使用基于2级半隐式龙格库塔法的大步长数值积分计算方法；反之，如果或者不满足则将网络运行状态判定为电磁暂态过程，使用小步长hmin进行仿真，并且使用基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法。

23、作为本发明的一种改进，当由半隐式龙格库塔法转换为四阶显式龙格库塔法时，仿真计算往前退一个仿真步长，然后从此步开始使用小步长数值积分计算方法进行计算。

24、作为本发明的一种改进，基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法得到的稀疏线性方程组为：

25、

26、其中，tn+1＝tn+h，xn＝x(tn)，xn代表tn时刻配电系统网络节点电压值或者电流值，代表tn时刻的平均斜率向量。作为本发明的一种改进，基于2级半隐式龙格库塔法的大步长数值积分计算方法得到的稀疏线性方程组为：

27、

28、其中，α1,α2为权重系数，j代表系统微分方程组的雅可比矩阵，β11,ξ11为常数系数，i为单位矩阵，h为仿真步长，tn+1＝tn+h，xn＝x(tn)，xn代表tn时刻配电系统网络节点电压值或者电流值，代表tn时刻的平均斜率向量。

29、一种面向电力电子化配电系统的显式-半隐式混合的仿真装置，包括：

30、仿真前准备模块，用于将配电系统的运行状态划分为电磁暂态过程和中长期动态过程并参数初始化，并以配电系统的网络节点电压或者电流变化率的变化值的无穷范数为特征值，作为判断依据；

31、仿真模块，判断特征值是否超过阈值，若超过阈值，则判定为电磁暂态过程，切换使用基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法；反之，则判定为中长期动态过程，切换使用基于2级半隐式龙格库塔法的大步长数值积分计算方法，得到下一步长的计算的初值，并将得到的初值和判断网络运行状态的特征值进行判断，直至仿真结束；

32、其中，使用基于四阶显式龙格库塔法的小步长数值积分计算方法计算仿真的前两个步长的系统状态变量值。

33、一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

34、一种电子设备，包括存储器、以及一个或多个处理器，所述存储器用于存储一个或多个程序；所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上所述的方法。

35、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明专利提供了一种面向电力电子化配电系统的显式-半隐式混合的仿真算法，本方法将全过程动态仿真分为涉及快过程的电磁暂态过程和各扰动分量衰减速度慢的中长期动态过程。在适用小步长的电磁暂态过程使用四阶显式龙格库塔法，其为显式积分计算效率高且具有4阶精度，而小步长也刚好满足其稳定性要求。在中长期动态过程应采2级半隐式龙格库塔法，其可以使用更大步长以提升仿真速度并且具有较高仿真精度。从而实现一种面向电力电子化配电系统的显式-半隐式混合的仿真算法。