双高电力系统异步多速率离线仿真方法及装置与流程

本发明涉及电力系统仿真，尤其涉及一种双高电力系统异步多速率离线仿真方法、一种双高电力系统异步多速率离线仿真装置、一种电子设备及一种存储介质。

背景技术：

1、随着风、光等新能源发电技术的快速发展以及源、网、荷核心设备的电力电子化，电力系统正形成高比例可再生能源以及高比例电力电子设备的双高发展趋势，从而使得组织形态以及运行特征发生了较为深刻而持久的变化。虽然这种转变有益于可持续电网的建设，但却对电力系统的安全稳定运行提出了挑战。

2、当前已经出现了许多与可再生能源以及电力电子装备并网相关的问题，例如强不确定性、功率振荡和过电压等，因此，为了确保系统的稳定运行，需要借助有效的暂态仿真方法，以深入了解这些动态过程的内部机理与特征变化，在实际应用中，暂态离线仿真可以灵活选用足够小的微秒级步长以捕捉新能源与变流器装备最详细的暂态，从而更精确地刻画动态过程，为理论分析提供支持。

3、目前较为主流的离线仿真器多采用cpu串行处理器作为底层硬件计算资源，而基于串行处理器的仿真器设计囿于信号处理速度以及物理结构的限制，仿真计算能力较为有限。随着计算机技术的不断发展，现有的cpu已包含多处理器核心，具备一定的并行能力，能够有效提升处理速度，从而为高性能双高电力系统离线仿真器的开发提供了新的思路。

4、然而，可再生能源的规模化并网使得电力系统的仿真规模剧增，导致离线仿真器的计算负担过重，同时，考虑到电力电子开关的高频开关特性，需要以微秒级的仿真时步对这些暂态过程进行高保真再现，计算负担以及计算效率之间的矛盾对双高电力系统的离线仿真提出了重大挑战。

5、多速率仿真，即采用不同时步对多解耦子网进行仿真的形式，被认为是实现大规模系统快速离线仿真的最有力手段之一。目前，同步多速率算法是仿真应用中最成熟的多速率算法，其支持具有整数倍时步关系的互联子系统的可扩展仿真。相应地，将同步多速率算法应用于仿真必须满足一定的先决条件，即硬件资源与同步约束之间要达成两个平衡，一方面是整数倍时步要求下计算资源以及仿真精度之间的协调，另一方面是可扩展仿真中通信资源与解耦子系统数量之间的协调。

6、然而，由于对计算效率的需求，有时很难实现协调平衡，其原因在于，对于仿真器而言，计算资源与解算速度是两个相互矛盾的概念，在有限的计算资源条件下，很难为每个解耦子系统确定一个合适的仿真步长，以同时实现高仿真精度与整数倍时步的协调平衡，特别是对于解耦后会形成大量子系统的大规模电网。虽然该问题可以通过进一步分解子网络以及配置更丰富的硬件资源进行缓解，然而这会增加仿真的计算成本以及协调处理负担。

技术实现思路

1、本发明提供了一种双高电力系统异步多速率离线仿真方法、装置、电子设备及存储介质，用于解决或部分解决现有相关技术中在对使用多核心cpu进行电力系统离线仿真时，因计算资源条件有限，导致难以实现高仿真精度和整数倍时步之间协调平衡的问题。

2、本发明提供的一种双高电力系统异步多速率离线仿真方法，所述方法包括：

3、获取待仿真电力系统，所述待仿真电力系统包含多个第一子系统，每一所述第一子系统对应一个第二子系统；

4、设置全局仿真步长，根据异步多速率仿真的同时性约束，设置所述第一子系统与所述第二子系统之间数据交互的传输时延，并基于所述传输时延，构建所述第一子系统对应的第一节点方程，以及所述第二子系统对应的第二节点方程；

5、按照所述全局仿真步长，基于快慢子系统交互时序，计算所述第一子系统的第一电流源相关插值，以及所述第二子系统的第二电流源相关插值；

6、根据所述第一电流源相关插值求解所述第一节点方程，同时根据所述第二电流源相关插值求解所述第二节点方程；

7、当仿真时间达到预设仿真时间时，结束仿真，并输出仿真求解结果。

8、可选地，所述根据异步多速率仿真的同时性约束，设置所述第一子系统与所述第二子系统之间数据交互的传输时延，包括：

9、基于仿真设置，确定传输时延取值下限以及传输时延取值上限，并根据所述传输时延取值下限以及所述传输时延取值上限，确定系统传输时延取值范围；

10、根据所述第一子系统以及所述第二子系统的仿真迭代次数以及仿真迭代步长，通过下述公式，确定同时性约束取值范围：

11、

12、对所述系统传输时延取值范围以及所述同时性约束取值范围进行取并集处理，获得目标传输时延取值范围；

13、若所述目标传输时延取值范围为非空集，则选取所述目标传输时延取值范围中的最小值作为所述第一子系统与所述第二子系统之间数据交互的传输时延；

14、若所述目标传输时延取值范围为空集，则重新调整所述待仿真电力系统的仿真参数，并基于调整后的仿真参数，重新进行传输时延的设置；

15、其中，mn为第二子系统的仿真迭代次数，tn是第n个第二子系统的仿真迭代步长，mm为第一子系统的仿真迭代次数，tm是第m个第一子系统的仿真迭代步长，τmn为第m个第一子系统与第n个第二子系统之间数据交互的传输时延。

16、可选地，所述基于所述传输时延，构建所述第一子系统对应的第一节点方程，以及所述第二子系统对应的第二节点方程，包括：

17、基于所述传输时延，通过如下公式，构建所述第一子系统对应的第一节点方程：

18、gmvm(t)＝im(t)-ih,m(t-tm)-im,m(t-τmn)-im,n(t-τmn)

19、其中，t表示仿真时刻，gm是第m个第一子系统的节点电导矩阵，vm是第m个第一子系统的节点电压，im是第m个第一子系统的节点注入电流，ih,m是第m个第一子系统中除贝瑞隆线路模型之外其他各元件的历史项电流源，im,m是第m个第一子系统中的贝瑞隆线路模型在第m个第一子系统侧的历史项电流源，im,n是第m个第一子系统中的贝瑞隆线路模型在第n个第二子系统侧的历史项电流源；

20、通过如下公式，构建所述第二子系统对应的第二节点方程：

21、gnvn(t)＝in(t)-ih,n(t-tn)-in,n(t-τmn)-in,m(t-τmn)

22、其中，gn是第n个第二子系统的节点电导矩阵，vn是第n个第二子系统的节点电压，in是第n个第二子系统的节点注入电流，ih,n是第n个第二子系统中除贝瑞隆线路模型之外其他各元件的历史项电流源，in,n是第n个第二子系统中的贝瑞隆线路模型在第n个第二子系统侧的历史项电流源，in,m是第n个第二子系统中的贝瑞隆线路模型在第m个第一子系统侧的历史项电流源。

23、可选地，所述按照所述全局仿真步长，基于快慢子系统交互时序，计算所述第一子系统的第一电流源相关插值，以及所述第二子系统的第二电流源相关插值，包括：

24、步骤s01：初始化仿真器，并设置初始仿真时刻为0，启动仿真；

25、步骤s02：根据所述全局仿真步长，将仿真时刻向前推进；

26、步骤s031：根据快慢子系统交互时序，通过如下公式计算所述第一子系统的第一电流源相关插值：

27、

28、

29、步骤s032：根据快慢子系统交互时序，通过如下公式计算所述第二子系统的第二电流源相关插值：

30、

31、

32、其中，表示im,m的插值，表示im,n的插值，表示in,n的插值，表示in,m的插值，h＝1,2,…,mm，g＝1,2,…,mn，δt′、δt″均表示仿真时间差，表示向上取整运算，表示向下取整运算。

33、可选地，所述根据所述第一电流源相关插值求解所述第一节点方程，包括：

34、根据所述第一电流源相关插值，在每一次迭代求解过程中，通过如下公式求解所述第一节点方程：

35、

36、以使得所述第一子系统完成相应仿真迭代次数的仿真求解，并输出对应的求解结果。

37、可选地，所述根据所述第二电流源相关插值求解所述第二节点方程，包括：

38、根据所述第二电流源相关插值，在每一次迭代求解过程中，通过如下公式求解所述第二节点方程：

39、

40、以使得所述第二子系统完成相应仿真迭代次数的仿真求解，并输出对应的求解结果。

41、可选地，在进行仿真之前，所述方法还包括：

42、将需要进行离线仿真的多核cpu电力系统确定为待仿真电力系统；

43、采用贝瑞隆线路模型对所述待仿真电力系统进行解耦，获得多个待分配子系统，并读取各个所述待分配子系统的元件参数；

44、基于所述元件参数，生成各个所述待分配子系统电气部分的节点电导纳矩阵以及控制部分的计算矩阵；

45、构建各个所述待分配子系统各自对应的子系统存储结构体，并将各个所述待分配子系统的节点电导纳矩阵、计算矩阵以及仿真相关数据，存储至各自对应的子系统存储结构体；

46、将各个所述待分配子系统按照实际解算时间进行降序排序，并定义全部在拓扑上具有直接连接关系的子系统对，同时定义第一子系统编号集合以及第二子系统编号集合，其中，所述第一子系统编号集合中的编号m与第二子系统编号集合中编号n为一一对应关系。

47、本发明还提供了一种双高电力系统异步多速率离线仿真装置，包括：

48、待仿真电力系统获取模块，用于获取待仿真电力系统，所述待仿真电力系统包含多个第一子系统，每一所述第一子系统对应一个第二子系统；

49、传输时延节点方程构建模块，用于设置全局仿真步长，根据异步多速率仿真的同时性约束，设置所述第一子系统与所述第二子系统之间数据交互的传输时延，并基于所述传输时延，构建所述第一子系统对应的第一节点方程，以及所述第二子系统对应的第二节点方程；

50、电流源相关插值计算模块，用于按照所述全局仿真步长，基于快慢子系统交互时序，计算所述第一子系统的第一电流源相关插值，以及所述第二子系统的第二电流源相关插值；

51、传输时延节点方程求解模块，用于根据所述第一电流源相关插值求解所述第一节点方程，同时根据所述第二电流源相关插值求解所述第二节点方程；

52、仿真求解结果输出模块，用于当仿真时间达到预设仿真时间时，结束仿真，并输出仿真求解结果。

53、本发明还提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：

54、所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

55、所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上任一项所述的双高电力系统异步多速率离线仿真方法。

56、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上任一项所述的双高电力系统异步多速率离线仿真方法。

57、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

58、提供了一种基于多核心cpu的双高电力系统异步多速率离线仿真方法，针对子系统节点方程的构建，根据异步多速率仿真的同时性约束设置子系统之间交互数据的传输时延，并基于传输时延对节点方程进行调整，使得求解出的仿真结果能够充分考虑双高电力系统的结构特点，从而可以有效地提高基于多核心cpu的双高电力系统离线仿真器的仿真精度以及灵活性，为实现基于多核心cpu的大规模复杂电力系统的快速离线仿真奠定了基础。