電力系統(tǒng)機電暫態(tài)-電磁暫態(tài)混合仿真的研究

張興然

（保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071051）

0 引言

電力系統(tǒng)發(fā)生故障或操作后，將產(chǎn)生復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程和機電暫態(tài)過程，兩者同時發(fā)生并相互影響。由于這兩個暫態(tài)過程的變化速度相差很大，通常近似地對它們分別進行仿真。隨著電力電子設(shè)備和高壓直流輸電技術(shù)的廣泛使用，機電暫態(tài)過程仿真中使用這些設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型或簡化模型，會導(dǎo)致仿真結(jié)果存在較大誤差；另一方面，雖然電磁暫態(tài)仿真能夠準(zhǔn)確表達電力電子設(shè)備模型，由于受模型與算法的限制，其仿真規(guī)模不大，難以適應(yīng)于現(xiàn)代大電力系統(tǒng)?，F(xiàn)有的機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)分析軟件在對系統(tǒng)進行分析時，已經(jīng)難以滿足需要，電力系統(tǒng)的快速發(fā)展對仿真技術(shù)也提出了新的要求和挑戰(zhàn)[1-3]。

電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿真是指，在一次仿真過程中將計算對象的電網(wǎng)拓?fù)浒凑招枰指畛呻姶艜簯B(tài)計算網(wǎng)絡(luò)和機電暫態(tài)計算網(wǎng)絡(luò)分別實施計算，通過電路連接界面即接口上的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)一體化仿真進程。電力系統(tǒng)混合仿真技術(shù)將電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真技術(shù)很好的結(jié)合起來，彌補了二者單獨進行暫態(tài)仿真的不足。電磁暫態(tài)過程與機電暫態(tài)過程的混合仿真可兼得各自的優(yōu)點。混合仿真的關(guān)鍵在于兩仿真程序之間的接口問題，接口時序設(shè)計尤為重要[4]。

本文首先介紹了，電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的特點；在比較二者特點的基礎(chǔ)上，闡述了把兩者進行接口的原理和接口時所遇到的問題；最后重點介紹了，現(xiàn)有的三種混合仿真中數(shù)據(jù)接口時序的設(shè)計，并對各自的優(yōu)缺點進行了分析。

1 電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的特點

表1 電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的特點比較

電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程的仿真主要用于分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即分析當(dāng)電力系統(tǒng)在某一正常運行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過一段時間回到原來的運行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的問題。而電磁暫態(tài)過程仿真的主要目的在于分析和計算故障或操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓和過電流，以便根據(jù)所得到的暫態(tài)過電壓和過電流對相關(guān)電力設(shè)備進行合理設(shè)計，確定已有設(shè)備能否安全運行，并研究相應(yīng)的限制和保護措施。由于仿真目的不同，兩類暫態(tài)過程仿真在計算步長、變量表示、仿真時間范圍、模型建立和仿真規(guī)模等方面都存在差異。具體區(qū)別如表1 所示[5]。

2 混合仿真的接口原理

混合仿真技術(shù)綜合了機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)點，對大規(guī)模的常規(guī)電力系統(tǒng)進行機電暫態(tài)仿真，對其中重點關(guān)注的局部網(wǎng)絡(luò)進行電磁暫態(tài)仿真。但是電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程和電磁暫態(tài)過程是兩個用不同數(shù)學(xué)模型表征、具有不同時間常數(shù)的物理過程，在仿真原理和方法上存在較大差異。為了將大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真和局部系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真集成在一個進程中，需要采用接口技術(shù)，通過仿真過程中機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)計算信息和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)計算信息的隨時交換，來實現(xiàn)大規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)混合仿真。

電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算和機電暫態(tài)計算進行接口時需要機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的計算信息和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的計算信息隨時交換，以使機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真在一次計算過程種完成。但是由于機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真在模型處理，積分步長，計算模式上的不同，接口時面臨著種種問題，接口時序就是其中一個重要的問題。

3 數(shù)據(jù)交換時序的設(shè)計

機電電磁暫態(tài)混合仿真中的數(shù)據(jù)時序交互主要有串行和并行以及相互迭代三種方式。由于機電暫態(tài)仿真步長較大，而電磁暫態(tài)仿真步長較小。因此混合仿真中數(shù)據(jù)交換時序應(yīng)該以機電暫態(tài)計算步長為單位進行[6-7]。

圖1 電磁-機電混合仿真接口串行時序

3.1 串行時序

如圖1 所示，為一種較常見串行接口時序，其中T0，T1，T2 表示數(shù)據(jù)交換的各個時刻，數(shù)字1，2…5 表示數(shù)據(jù)時序交互的先后順序。由圖可見，電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真時，機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真處于停止?fàn)顟B(tài)，同樣，機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真時，電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真也處于停止?fàn)顟B(tài)，電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真交替進行。電磁機電計算期間的相互等待影響了仿真速度，難以滿足混合仿真中實時交互的要求。但采用這種仿真時序，能夠保證兩個仿真網(wǎng)絡(luò)計算的精度基本不受影響。

步驟1：機電暫態(tài)仿真過程將T0時刻求得的接口點電壓、電流等信息轉(zhuǎn)換成諾頓等值電路參數(shù)形式，送入電磁暫態(tài)仿真?zhèn)萚2]。

步驟2：電磁暫態(tài)仿真過程利用T0時刻從機電暫態(tài)仿真過程獲得的諾頓等值參數(shù)，進行T0到T1時段的電磁暫態(tài)計算。

步驟3：電磁暫態(tài)仿真過程計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結(jié)果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態(tài)仿真過程。

步驟4：機電暫態(tài)仿真過程獲得邊界點信息后，進行T0～T1時刻網(wǎng)絡(luò)的計算。

步驟5：重復(fù)以上各步。

3.2 并行時序

圖2 電磁暫態(tài)-機電暫態(tài)混合仿真接口并行時序

圖2 是一種并行接口時序，電磁與機電側(cè)在計算過程中都不需要等待，兩側(cè)各自并行計算；因而提高了仿真速度，滿足了在接口處實時交換數(shù)據(jù)的要求。但采用這種仿真時序，電磁側(cè)在t+△T 時刻采用的都是對側(cè)t 時刻的等值信息，因而存在一定的交接誤差，影響了計算精度。特別是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，接口點電壓和電流將會發(fā)生突變，如果采用這種并行數(shù)據(jù)交互方式，則對側(cè)網(wǎng)絡(luò)的故障信息難以得到及時，準(zhǔn)確，充分的傳遞，也無法正確反映對側(cè)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化對于本側(cè)造成的影響。

步驟1：仿真開始時刻，機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)在邊界點的等值阻抗和等值電勢值被傳給電磁暫態(tài)計算過程；

步驟2：電磁暫態(tài)計算過程利用該時刻從機電暫態(tài)計算過程獲得的戴維南等值參數(shù)，進行T0到T1時段的電磁暫態(tài)計算。

步驟3：電磁暫態(tài)計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結(jié)果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態(tài)計算過程。同時，從機電暫態(tài)計算過程獲得機電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的戴維南等值阻抗和電勢。

步驟4：機電暫態(tài)計算過程獲得邊界點信息后，進行T0～T1時刻網(wǎng)絡(luò)的計算。同時，電磁暫態(tài)過程進行T1到T2時段的電磁暫態(tài)計算。

步驟5：電磁暫態(tài)計算到T2時刻時，機電暫態(tài)過程計算到T1，二者同步驟3 一樣進行數(shù)據(jù)交換。

步驟6：機電電磁二者并行計算，同步驟4，之后不斷重復(fù)以上各步。

3.3 相互迭代時序

圖3 采用相互迭代接口時序，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時采用并行交互方式以提高仿真速度，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時采用串行交互方式以提高仿真精度。也就是綜合以上2 種方法，這樣可以較好地協(xié)調(diào)接口時序方式引起的速度和精度問題。

圖3 具體過程如下：

步驟1：T1時刻，電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，此時，電磁暫態(tài)計算過程或機電暫態(tài)計算過程均沒有開始進行故障后的計算，機電暫態(tài)計算過程照常將接口信息送入電磁暫態(tài)計算過程。

圖3 并行串行相結(jié)合的數(shù)據(jù)交換方式

步驟2：電磁暫態(tài)計算過程獲取信息后，進行一個周波的計算，直到T3時刻。

步驟3：將T1～T3這一個周波時段的邊界點基波有效值計算出來，并將此信息送入機電暫態(tài)計算過程。

步驟4：機電暫態(tài)獲取電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的等值電路參數(shù)后，接著連續(xù)進行一個周波的計算。

步驟5：機電過程從T2時刻開始，電磁過程計算從T3時刻開始，兩過程之間接口時序又恢復(fù)為并行計算。

從上述對以上三種方法的分析比較上來看，在混合仿真中，采用相互迭代的時序是比較好的方法，既保證了計算的效率，又可以在故障時采用串行方式以保證精度。

4 結(jié)論

實現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿真，一方面擴大了電磁暫態(tài)仿真的規(guī)模，另一方面也為電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真分析提供了必要的系統(tǒng)背景。采用電磁暫態(tài)－機電暫態(tài)混合仿真技術(shù)進行工程分析和應(yīng)用，既能避免由于電磁暫態(tài)仿真規(guī)模的限制而產(chǎn)生的進行系統(tǒng)等值的工作量，還能大大提高系統(tǒng)分析研究的準(zhǔn)確度，對于研究交直流系統(tǒng)、直流多饋入系統(tǒng)和大功率電力電子設(shè)備對系統(tǒng)運行的動態(tài)影響等都將切實起到作用，因此，電磁暫態(tài)-機電暫態(tài)混合仿真成為目前電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的熱點問題之一。

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