专利名称：一种交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种交直流电力系统电磁暂态数字仿真方法，更具体地说，涉及一种交直流电力系统的分割并行电磁暂态实时动态仿真方法。
背景技术：
电力系统电磁暂态过程仿真的主要目的在于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便根据所得到的暂态过电压和过电流对相关电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。
电磁暂态数字仿真一般采用三相瞬时值模型，计算步长取20-200微秒。
在直流输电系统的电磁暂态仿真中，换流器用三相暂态模型模拟；直流线路用π型、T型集中参数线路模型或分布参数线路模型；直流控制系统的模型包括调节系统和脉冲触发系统等。直流输电系统的电磁暂态仿真，不仅可用于交直流系统的一般稳定性分析，还可以用来深入地分析直流输电系统的内部问题，如换相失败问题、直流控制和保护等问题。另外，如果仿真的速度足够快，能达到实时，还可以用于直流控制与保护装置的试验。但是，相对于交流系统而言，要实现含直流输电系统的电力系统电磁暂态仿真的实时性并不容易，这是因为，直流输电系统中的关键元件-换流器是由若干个换流阀组成的，在一个周期内，换流阀会多次导通或关断，每一次导通或关断都意味着网络的拓朴结构发生变化。现有的电磁暂态数字仿真方法，将交直流电力系统中的交流网络、换流器、直流网络等各部分分别形成暂态等值计算电路，然后根据其连接关系形成统一的网络节点电压方程来进行求解。换流阀导通或关断导致网络拓扑结构发生变化时，该节点电压方程的计算电导阵需要重新进行三角(LU)分解，由于网络拓扑变化频繁，会引起计算量的大幅度上升，难以实现实时仿真。
发明内容
本发明的目的就是提供一种交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法，有效地解决上述交直流电力系统电磁暂态仿真的实时性问题。该方法的核心是交流网络与直流各部分分开计算，换流阀导通或关断后只影响其所在的换流器网络结构，需对其所在的换流器网络重新进行三角LU分解，不影响其它网络结构，因此可避免大交流网络和其它部分(如直流线路、其它换流器)的频繁LU分解过程。同时采用网络并行计算技术，以提高计算速度。
为此，根据本发明的一个方面，提供一种交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法，包括如下步骤 步骤1将一个目标交直流电力系统分割为多个子网，包括交流网络子网、换流器子网和直流网络子网； 步骤2对各子网求取端口点的等值阻抗矩阵； 步骤3设定初始计算时间t＝0； 步骤4判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生；如果是则转至步骤5，否则转至步骤6； 步骤5对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，求取端口点的等值阻抗矩阵； 步骤6各子网求取端口点的等值电势； 步骤7求取子网间的联络线电流或联络线变量(在换流器采用节点法情况下为联络线电流，在换流器采用回路法求解情况下为联络线变量，联络线变量可以是子网间联络线电流，也可以是子网间端口点电压)； 步骤8各子网根据得到的子网间联络线电流或联络线变量求取子网节点电压，在换流器采用回路法求解情况下根据子网间联络线变量求取换流器连支电流； 步骤9各子网求解发电机、控制系统等微分方程； 步骤10判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型；如果是则转至步骤11和12，否则转至步骤13； 步骤11用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理； 步骤12用户自定义模型、MATLAB模型计算； 步骤13判断是否有机电暂态接口；如果是则转至步骤14和15，否则转至步骤16； 步骤14机电暂态接口输入输出信息处理； 步骤15机电暂态仿真计算； 步骤16判断是否有物理装置；如果是则转至步骤17和18，否则转至步骤19； 步骤17物理装置输入输出信息处理； 步骤18物理装置运行； 步骤19将仿真时间增加一个时间步长； 重复执行上述步骤4至步骤19，直至到达总仿真时间为止。
根据本发明的另一个方面，提供一种电力系统数字仿真方法，包括如下步骤 步骤1将一个目标交直流电力系统分割为多个子网，子网可以是交直流混合网络，也可以是单独的交流、换流器和直流网络； 步骤2判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤3，否则转至步骤5； 步骤3对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流； 步骤4对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压； 步骤3和4的目的是计算各子网端口点的等值阻抗矩阵。
步骤5对于非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵； 步骤6设定初始计算时间t＝0； 步骤7判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生；如果是则转至步骤8，否则转至步骤12； 步骤8对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤9，否则转至步骤11； 步骤9对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流； 步骤10对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压； 步骤9和10的目的是计算网络结构变化子网端口点的等值阻抗矩阵。
步骤11对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵； 步骤12判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤13，否则转至步骤15 步骤13对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流； 步骤14对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压； 步骤13和14的目的是计算各子网端口点的等值电势。
步骤15对于非交直流混合网络，直接求取端口点的等值电势； 步骤16求取子网间联络线电流； 步骤17各子网根据子网间联络线电流求取子网节点电压； 步骤18各子网求解发电机、控制系统等微分方程； 步骤19判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型；如果是则转至步骤20和21，否则转至步骤22； 步骤20用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理； 步骤21用户自定义模型、MATLAB模型计算； 步骤22判断是否有机电暂态接口；如果是则转至步骤23和24，否则转至步骤25； 步骤23机电暂态接口输入输出信息处理； 步骤24机电暂态仿真； 步骤25判断是否有物理装置；如果是则转至步骤26和27，否则转至步骤28； 步骤26物理装置输入输出信息处理； 步骤27物理装置运行； 步骤28将仿真时间增加一个时间步长； 重复执行上述步骤7至步骤28，直至到达总仿真时间为止。
本发明的有益效果是根据本发明的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法，通过将目标电力系统分割为交流、换流器和直流多个子网，进而将涉及各个子网的计算任务分配到机群服务器的各个子机并行计算，从而实现交直流电力系统的实时或超实时电磁暂态仿真。其网络分割方式非常灵活，可以从交直流的任一连接点进行分网，交流网络还可进一步分网，分割成若干个交流子网。
该方法与机电暂态并行仿真方法结合，能够实现大规模电力系统的机电暂态和电磁暂态过程的并行仿真计算，实现大电力系统背景下对局部电网如直流输电、电力电子装置等的详细电磁暂态仿真模拟。
此外，可以在该方法所模拟的电力系统中接入用户自定义模型或MATLAB模型所模拟的控制系统，用于控制系统的结构设计和参数优化，这样可极大地扩展对电力系统的仿真分析能力，同时可以在该方法所模拟的电力系统中接入实际物理装置(如继电保护和安全自动装置、直流输电控制装置等)进行闭环仿真试验，以检验这些物理装置在实际电力系统中的效果。
图1是根据本发明的第一实施例的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法的流程图； 图2示意性示出了一种交直流电力系统分割方式； 图3示出了换流器采用回路法求解情况下换流器电压、电流的正方向； 图4是根据本发明的第二实施例的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法的流程图； 图5示意性示出了另一种交直流电力系统分割方式； 图6是本发明的第二实施例中针对特殊情况的简化流程图；
具体实施例方式 图1是根据本发明第一实施例的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法的流程图。
如图1所示，根据本发明第一实施例的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法包括如下步骤 步骤1交直流电力系统分割。
在该步骤1中，通过节点分裂或分布参数线路解耦的方法将目标交直流电力系统分为多个子网，包括交流网络子网、换流器子网和直流网络子网。交流网络子网或换流器子网或直流网络子网可以是1个，也可以是多个。
图2示出了一种交直流电力系统分割方式。如图2所示，目标电力系统被分割为六个子网S1～S6，其中S1、S2为换流器子网，S3为直流网络子网，S4、S5和S6为交流网络子网。
步骤2各子网求取端口点的等值阻抗矩阵。
例如，交流子网S4的节点电压方程如下 GAVA+pABiα-pACiγ+pac1iα1+pac1iα2＝hA(1) 其中，GA、VA、hA分别为交流网络A的导纳阵、节点电压及注入电流源，iα1、iα2为从交流网络流向换流器1、2的电流，pac1为反映某一交流节点与iα1(iα2)关联关系的关联阵，其中元素非0即1，iα、iγ为交流网络A至B、C至A的电流，pAB、pAC为反映交流网络A中某一交流节点与iα、iγ关联关系的关联阵，其中元素非0即1。
令式(1)中hA＝0，iα、iγ、iα1、iα2依次分别置1或-1(电流正方向为流入该子网则置1，否则置-1)，求取端口点节点电压，求出的电压向量列的组合即为端口点等值阻抗矩阵。
步骤3设定初始计算时间t＝0。
步骤4判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生。
在该步骤4中，判断此时刻各个子网中是否有开关动作或者换流阀导通或关断等情况发生。如果判断为“是”，则前进到步骤5；如果判断为“否”，则前进到步骤6。
步骤5对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，求取端口点的等值阻抗矩阵。
计算过程同步骤2。
步骤6各子网求取端口点的等值电势。
令式(1)中iα、iγ、iα1、iα2＝0，求取端口点节点电压，即为端口点等值电势。
步骤7求取子网间联络线电流。
根据各子网端口点的等值阻抗矩阵和等值电势求取子网间联络线电流。
设已求得子网S4的端口点的等值阻抗和等值电势，可写出其端口方程为 式中，vα1，vα2为子网S1与子网S4之间的端口点1(与换流器1相连)、端口点2(与换流器2相连)电压，vα为子网S4与子网S5之间的端口点电压，vγ为子网S4与子网S6之间的端口点电压；eα1(S4)，eα2(S4)，eα(S4)，eγ(S4)为各端口点等值电势；阻抗矩阵对角元素zα1，α1(S4)、zα2，α2(S4)等为端口点等值自阻抗，非对角元素zα1，α2(S4)、zα1，α(S4)等为端口点等值互阻抗。
类似地，可写出其他子网的端口方程分别为 子网S1 子网S2 子网S3 子网S5 子网S6 将式(2)～(7)合并，消去vα1，vα2，vα3，vα4，vα，vβ，vγ，vβ12，vβ34，最后得到子网间联络线电流方程式如下 Ai＝b(8) 其中i＝[iα，iβ，iγ，iα1，iα2，iα3，iα4，iβ12，iβ34]T为子网间联络线电流，矩阵A如下式所示
右端项b如下式所示
求解线性方程组(8)，可求得子网间联络线电流。
换流器也可以采用回路法求解，这样可以减少联络线方程式的维数。
此时，交流子网节点电压方程不变，为 GAVA+pABiα-pACiγ+pac1iα1+pac1iα2＝hA(9) GBVB-pBAiα+pBCiβ+pac2iα3+pac2iα4＝hB(10) GCVC+pCAiγ-pCBiβ＝hC (11) 直流子网节点电压方程不变，为 GdcVdc+pdc1iβ12+pdc2iβ34＝hdc(12) 子网S3、S4、S5、S6的端口方程不变，仍为式(5)、(2)、(6)、(7)。
子网S1和S2的端口方程改用端口点的等值导纳和等值电流源描述。
对于子网S1，设已求得其端口点的等值导纳和等值电流源，可写出其端口方程为(换流器1、2分开描述) 式中，vd1，vd2为换流器1、2直流侧电压，id1，id2为换流器1、2直流侧电流；Iα1(S4)，Iα2(S4)，Id1(S4)，Id2(S4)为各端口点等值电流源；导纳矩阵对角元素yα1，α1(S1)、yd1，d1(S1)等为端口点等值自导纳，非对角元素yα1，d1(S1)、yd1，α1(S1)等为端口点等值互导纳。
类似地，可写出子网S2的端口方程为； 以子网S1为例，端口点等值导纳和等值电流源的计算过程如下 换流器1、2采用回路法求解时，其连支电流方程式为 AL1IL1＝bL1+CL1vα1+DL1vd1(15) AL2IL2＝bL2+CL2vα2+DL2vd2(16) 式中IL1、IL1为换流器1、2的连支电流。
另外，根据连接关系，有下式成立 id1＝DL1TIL1(19) id2＝DL2TIL2(20) 将式(15)代入式(17)，可得 与式(14)对比，可得 类似地，根据式(14)、(15)、(19)，可得 根据式(14)、(16)、(18)，可得 根据式(14)、(16)、(20)，可得 另外，根据连接关系，有下式成立 vβ12＝vd1+vd2 (21) vβ34＝-(vd3+vd4) (22) iβ12＝id1＝id2 (23) iβ34＝-id3＝-id4 (24) id3＝DL3TIL3(25) id4＝DL4TIL4(26) vα1＝vα2 (27) vα3＝vα4 (28) 由式(2)、(5)～(7)、(13)、(14)、(19)～(26)，消去iα1，iα2，iα3，iα4，vα2，vα4，vα，vβ，vγ，vβ12，vβ34，iβ12，iβ34，id1，id2，id3，id4，最后得到联络线方程式如下 AX ＝b(29) 其中X＝[iα，iβ，iγ，vα1，vα3，vd1，vd2，vd3，vd4]T为子网间联络线变量，部分变量为子网间联络线电流，部分变量为子网间端口点电压，矩阵A如下式所示
右端项b如下式所示
求解线性方程组(29)，可求得子网间联络线变量X。
对于图2所示的系统，换流器采用节点法求解时联络线方程式的维数为23，采用回路法求解时联络线方程式的维数为19。
步骤8各子网根据得到的子网间联络线电流或联络线变量求取子网节点电压。例如，交流子网S4的节点电压可根据式(1)求出。在换流器采用回路法求解情况下则根据子网间联络线变量求取换流器连支电流。
步骤9各子网求解发电机、控制系统等微分方程。
在步骤9中，各个子网求解发电机、控制系统等的微分方程。在电力系统的电磁暂态计算中，各种动态元件，包括发电机、电动机、励磁调节器、调速器、电力系统稳定器、直流输电控制器、FACTS控制器等，均用微分方程来描述。这些微分方程可采用梯形隐积分方法将其差分化后，形成差分方程再求解。
步骤10判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型。
在该步骤10中，判断各个子网中是否有用户自定义模型或MATLAB模型。如果判断为“是”，则前进到步骤11和12；如果判断为“否”，则前进步骤13。
步骤11用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理。
在该步骤11中，需要求取并发送各外接模型(用户自定义模型、MATLAB模型)输入变量值，并接收和处理各外接模型的输出变量值。
用户自定义模型为用户自行搭建的模型，一般为励磁调节器、调速器、电力系统稳定器、直流输电控制器、FACTS控制器等控制系统模型。MATLAB模型是用户在MATLAB/Simulink环境下自行搭建的模型，一般也是上述控制系统模型。
步骤12用户自定义模型、MATLAB模型计算。
在步骤12中，需要先接收用户自定义模型、MATLAB模型的输入变量值，然后根据用户自定义模型、MATLAB模型的各功能框计算公式和连接关系，进行模型计算，求取并发送用户自定义模型、MATLAB模型输出变量值。
步骤12中的计算与其它步骤中的计算并行进行，由另外的独立程序(用户自定义模型计算程序、MATLAB模型计算程序)来实现。
如果步骤12中模型的计算量不大，也可以将其与其它步骤串行进行计算，由同一个程序来处理，这时，发送和接收数据可以去掉，步骤11和步骤12合并为图1所示的步骤12。
步骤13判断是否有机电暂态接口。
在该步骤13中，判断是否有机电暂态接口。如果判断为“是”，则前进到步骤14和15；如果判断为“否”，则前进到步骤16。
步骤14机电暂态接口输入输出信息处理。
在机电暂态仿真的整数倍步长点，求取并向机电暂态仿真程序发送与机电暂态子网接口的边界点正、负、零序电压和电流，接收机电暂态仿真程序发送的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤15机电暂态仿真计算。
步骤15由另外的独立的机电暂态仿真程序来实现，先接收电磁暂态程序发送的边界点正、负、零序电压和电流，进行机电暂态一个步长的积分计算，然后求取并向电磁暂态仿真程序发送与电磁暂态子网接口的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤16判断是否有物理装置。
在该步骤16中，判断是否有物理装置。如果判断为“是”，则前进到步骤17和18；如果判断为“否”，则前进到步骤19。
步骤17物理装置输入输出信息处理。
该步骤主要是进行数模和模数转换，将实时仿真的数字信号和开关信号分别通过PCI总线的D/A转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成模拟信号，然后再通过接口放大器，送入物理装置。物理装置对输入的信号做出响应后，将反馈的模拟信号和开关信号再通过PCI总线的A/D转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成数字信号，送入仿真程序中，完成整个闭环仿真。
该步骤也可以由独立的物理装置接口程序并行处理，这时需要在电磁暂态仿真程序和物理装置接口程序中增加输入输出量的发送和接收。
步骤18物理装置运行。
步骤19设t＝t+dt。
在该步骤19中将仿真计算的时间t增大一个步长dt。
步骤20判断增大后的时间是否大于总仿真时间，如果判断结果为“是”，结束整个仿真过程，如果判断结果为“否”，返回到步骤4，重复步骤4至18的仿真过程，计算下一时步的暂态过程。
需要说明的是，对于交直流电力系统来说，对其进行分网或交直流分割的目的在于，第一，将涉及各个子网的计算任务分配到机群服务器的各个子机，由各个子机并行计算，以提高计算速度，做到电磁暂态实时或超实时仿真。机群服务器的各个子机，需在主机的统一控制下并列进行相应的计算，并交换信息。第二，如果不分网只进行交直流分割而将分割的各个部分的计算任务在一台机器上来执行(串行计算)，也可以大幅度提高计算速度，这时因为将换流器分割开来后，换流阀的导通和关断将不再影响整个网络的拓扑结构，这样不需要将整个网络重新进行LU分解，只需要对换流器所在局部网络进行LU分解，会大大减少计算量。这是本发明的第二实施例中所要说明的内容。
在图1所示的根据本发明的第一实施例中，步骤2、5、6、8、9、11、14和步骤17均是利用机群服务器的主机和多个子机实现各个子网的计算任务。
图4示出了根据本发明的第二实施例的交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法的流程图。
步骤1交直流电力系统分割。
在该步骤1中，将一个目标交直流电力系统分割为多个子网，子网可以是交直流混合网络，也可以是单独的交流、换流器和直流网络。
步骤2判断该子网是否为交直流混合网络。
在该步骤2中，判断该子网是否为交直流混合网络，即该子网是否由交流网络和换流器或交流网络、换流器和直流网络组成。如果判断为“是”，则前进到步骤3；如果判断为“否”，则前进到步骤5。
步骤3对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流。
步骤4对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压。
步骤3和4的目的是计算各子网端口点的等值阻抗矩阵。
仍以图2所示系统为例，说明具体计算方法。设目标电力系统被分割为3个子网S1、S2和S3，如图5所示。子网S1含交流网络A及换流器1、2，子网S2含交流网络B，换流器3、4及直流网络，子网S3含交流网络C，因而子网S1和子网S2都是交直流混合网络，子网S3为非交直流混合网络。
对于子网S1，分别写出交流网络和换流器网络的端口方程如式(30)、(31)所示 由式(30)第一、二行和式(31)第一、二行，可形成子网内部交直流联络线方程 Aiinn＝b+ci(32) 其中iinn＝[iα1，iα2]T为子网内部交直流联络线电流，i＝[-iα，iγ，iβ12X]T为子网间联络线电流，A、b、c如下式所示 令子网S1中电流源置0，iα、iγ、iβ12依次分别置1或-1(电流正方向为流入该子网则置1，否则置-1)，其它电流置0，先根据式(32)求出iα1、iα2，再根据式(9)和下式(33)分别求取交流和换流器网络节点电压，求出的端口点电压向量列的组合即为端口点等值阻抗矩阵。
子网S2的端口点等值阻抗矩阵可类似求取。
步骤5对于非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵。方法同本发明第一实施例中的步骤2。
步骤6设定初始计算时间t＝0。
步骤7判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生。
在该步骤7中，判断此时刻各个子网中是否有开关动作或者换流阀导通或关断等情况发生。如果判断为“是”，则前进到步骤8；如果判断为“否”，则前进到步骤12。
步骤8对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤9，否则转至步骤11； 步骤9对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流； 步骤10对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压； 步骤9和10的目的是计算网络结构变化子网端口点的等值阻抗矩阵。
步骤11对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵； 步骤9、10和11的计算方法与步骤3、4和5相同，注意此时只需对网络结构发生变化的子网进行处理。
步骤12判断该子网是否为交直流混合网络。
在该步骤12中，判断该子网是否为交直流混合网络，即该子网是否由交流网络和换流器或交流网络、换流器和直流网络组成。如果判断为“是”，则前进到步骤13；如果判断为“否”，则前进到步骤15。
步骤13对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流。
步骤14对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压。
步骤13和14的目的是计算各子网的端口点等值电势。
仍以图5所示系统为例，说明具体计算方法。
对于子网S1 令子网S1中iα、iγ、iβ12＝0，先根据式(32)求出iα1、iα2，再根据式(9)和式(33)分别求取交流和换流器网络节点电压，求出的端口点节点电压，即为端口点等值电势。
子网S2的端口点等值电势可类似求取。
步骤16求取子网间联络线电流。
根据各子网端口点等值阻抗矩阵和等值电势求取子网间联络线电流。
仍以图5所示系统为例，说明具体计算方法。
子网S1、S2、S3的端口方程如下 子网S1 子网S2 子网S3的端口方程不变，仍为式(7)，其标识符改为S3，重写如下 将式(34)～(36)合并，消去vα，vβ，vγ，vβ12，最后得到子网间联络线电流方程式如下 Ai＝b(37) 其中i＝[iα，iβ，iγ，iβ12]T为子网间联络线电流，矩阵A如下式所示 右端项b如下式所示
求解线性方程组(37)，可求得子网间联络线电流。
步骤17各子网根据得到的子网间联络线电流求取子网节点电压。
步骤18各子网求解发电机、控制系统等微分方程。
步骤19判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型。
在该步骤19中，判断各个子网中是否有用户自定义模型或MATLAB模型。如果判断为“是”，则前进到步骤20和21；如果判断为“否”，则前进步骤22。
步骤20用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理。
在该步骤20中，需要求取并发送各外接模型(用户自定义模型、MATLAB模型)输入变量值，并接收和处理各外接模型的输出变量值。
步骤21用户自定义模型、MATLAB模型计算。
在步骤21中，需要先接收用户自定义模型、MATLAB模型的输入变量值，然后根据用户自定义模型、MATLAB模型的各功能框计算公式和连接关系，进行模型计算，求取并发送用户自定义模型、MATLAB模型输出变量值。
步骤21中的计算与其它步骤中的计算并行进行，由另外的独立程序(用户自定义模型计算程序、MATLAB模型计算程序)来实现。
如果步骤21中模型的计算量不大，也可以将其与其它步骤串行进行计算，由同一个程序来处理，这时，发送和接收数据可以去掉，步骤20和步骤21合并为图4所示的步骤21。
步骤22判断是否有机电暂态接口。
在该步骤22中，判断是否有机电暂态接口。如果判断为“是”，则前进到步骤23和24；如果判断为“否”，则前进到步骤25。
步骤23机电暂态接口输入输出信息处理。
在机电暂态仿真的整数倍步长点，求取并向机电暂态仿真程序发送与机电暂态子网接口的边界点正、负、零序电压和电流，接收机电暂态仿真程序发送的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤24机电暂态仿真计算。
步骤24由另外的独立的机电暂态仿真程序来实现，先接收电磁暂态程序发送的边界点正、负、零序电压和电流，进行机电暂态一个步长的积分计算，然后求取并向电磁暂态仿真程序发送与电磁暂态子网接口的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤25判断是否有物理装置。
在该步骤25中，判断是否有物理装置。如果判断为“是”，则前进到步骤26和27；如果判断为“否”，则前进到步骤28。
步骤26物理装置输入输出信息处理。
该步骤主要是进行数模和模数转换，将实时仿真的数字信号和开关信号分别通过PCI总线的D/A转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成模拟信号，然后再通过接口放大器，送入物理装置。物理装置对输入的信号做出响应后，将反馈的模拟信号和开关信号再通过PCI总线的A/D转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成数字信号，送入仿真程序中，完成整个闭环仿真。
该步骤也可以由独立的物理装置接口程序并行处理，这时需要在电磁暂态仿真程序和物理装置接口程序中增加输入输出量的发送和接收。
步骤27物理装置运行。
步骤28设t＝t+dt。
在该步骤28中将仿真计算的时间t增大一个步长dt。
步骤29判断增大后的时间是否大于总仿真时间，如果判断结果为“是”，结束整个仿真过程，如果判断结果为“否”，返回到步骤7，重复步骤4至28的仿真过程，计算下一时步的暂态过程。
前述不分网(整个系统为1个子网)只进行交直流分割而将分割的各个部分的计算任务在一台机器上来执行的情况，是属于本发明的第二实施例的特殊情况。此时，流程图如图6所示，与图4中的流程图相比，去掉了若干步骤。
步骤1交直流电力系统分割。
在该步骤1中，将一个目标交直流电力系统分割为多个部分，包括交流网络部分、换流器部分和直流网络部分，注意此时仍为1个子网。
步骤2形成子网内部交直流联络线方程的矩阵A。方法同前述非特殊情况下的步骤3和4中子网内部交直流联络线方程(32)的形成，但此时形成的联络线方程式中c＝0。
步骤3设定初始计算时间t＝0。
步骤4判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生。
在该步骤4中，判断此时刻是否有开关动作或者换流阀导通或关断等情况发生。如果判断为“是”，则前进到步骤5；如果判断为“否”，则前进到步骤6。
步骤5在有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生时，重新形成子网内部交直流联络线方程的矩阵A； 步骤6形成子网内部交直流联络线方程的右端项b； 步骤7求取子网内部交直流联络线电流； 步骤8根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压； 步骤9求解发电机、控制系统等微分方程。
步骤10判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型。
在该步骤10中，判断各个子网中是否有用户自定义模型或MATLAB模型。如果判断为“是”，则前进到步骤11和12；如果判断为“否”，则前进步骤13。
步骤11用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理。
在该步骤11中，需要求取并发送各外接模型(用户自定义模型、MATLAB模型)输入变量值，并接收和处理各外接模型的输出变量值。
步骤12用户自定义模型、MATLAB模型计算。
在步骤12中，需要先接收用户自定义模型、MATLAB模型的输入变量值，然后根据用户自定义模型、MATLAB模型的各功能框计算公式和连接关系，进行模型计算，求取并发送用户自定义模型、MATLAB模型输出变量值。
步骤12中的计算与其它步骤中的计算并行进行，由另外的独立程序(用户自定义模型计算程序、MATLAB模型计算程序)来实现。
如果步骤12中模型的计算量不大，也可以将其与其它步骤串行进行计算，由同一个程序来处理，这时，发送和接收数据可以去掉，步骤11和步骤12合并为图4所示的步骤12。
步骤13判断是否有机电暂态接口。
在该步骤13中，判断是否有机电暂态接口。如果判断为“是”，则前进到步骤14和15；如果判断为“否”，则前进到步骤16。
步骤14机电暂态接口输入输出信息处理。
在机电暂态仿真的整数倍步长点，求取并向机电暂态仿真程序发送与机电暂态子网接口的边界点正、负、零序电压和电流，接收机电暂态仿真程序发送的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤15机电暂态仿真计算。
步骤15由另外的独立的机电暂态仿真程序来实现，先接收电磁暂态程序发送的边界点正、负、零序电压和电流，进行机电暂态一个步长的积分计算，然后求取并向电磁暂态仿真程序发送与电磁暂态子网接口的边界点正、负、零序等值阻抗和电势。
步骤16判断是否有物理装置。
在该步骤16中，判断是否有物理装置。如果判断为“是”，则前进到步骤17和18；如果判断为“否”，则前进到步骤19。
步骤17物理装置输入输出信息处理。
该步骤主要是进行数模和模数转换，将实时仿真的数字信号和开关信号分别通过PCI总线的D/A转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成模拟信号，然后再通过接口放大器，送入物理装置。物理装置对输入的信号做出响应后，将反馈的模拟信号和开关信号再通过PCI总线的A/D转化卡和PCI总线的I/O转换卡，转换成数字信号，送入仿真程序中，完成整个闭环仿真。
该步骤也可以由独立的物理装置接口程序并行处理，这时需要在电磁暂态仿真程序和物理装置接口程序中增加输入输出量的发送和接收。
步骤18物理装置运行。
步骤19设t＝t+dt。
在该步骤19中将仿真计算的时间t增大一个步长dt。
步骤20判断增大后的时间是否大于总仿真时间，如果判断结果为“是”，结束整个仿真过程，如果判断结果为“否”，返回到步骤7，重复步骤4至19的仿真过程，计算下一时步的暂态过程。
采用本方法，其网络分割方式非常灵活，可以从交直流的任一连接点进行分网，例如，对于图2所示的系统，可以从iβ34处或iα1、iα2处或iα3、iα4处分网。
本方法也适用于纯交流电力系统的分网并行求解。
上面结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述。应该注意的是，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的精神的前提下，本领域技术人员能够进行多种修改和变更。
权利要求
1.一种交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，包括以下步骤
步骤1将一个目标交直流电力系统分割为多个子网，包括交流网络子网、换流器子网和直流网络子网；
步骤2各子网求取端口点的等值阻抗矩阵；
步骤3设定初始计算时间t＝0；
步骤4判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生；如果是则转至步骤5，否则转至步骤6；
步骤5对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，求取端口点的等值阻抗矩阵；
步骤6各子网求取端口点的等值电势；
步骤7求取子网间的联络线电流或联络线变量(在换流器采用节点法情况下为联络线电流，在换流器采用回路法求解情况下为联络线变量，联络线变量可以是子网间联络线电流，也可以是子网间端口点电压)；
步骤8各子网根据得到的子网间联络线电流或联络线变量求取子网节点电压，在换流器采用回路法求解情况下根据子网间联络线变量求取换流器连支电流；
步骤9各子网求解发电机、控制系统等微分方程；
步骤10判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型；如果是则转至步骤11和12，否则转至步骤13；
步骤11用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理；
步骤12用户自定义模型、MATLAB模型计算；
步骤13判断是否有机电暂态接口；如果是则转至步骤14和15，否则转至步骤16；
步骤14机电暂态接口输入输出信息处理；
步骤15机电暂态仿真计算；
步骤16判断是否有物理装置；如果是则转至步骤17和18，否则转至步骤19；
步骤17物理装置输入输出信息处理；
步骤18物理装置运行；
步骤19将仿真时间增加一个时间步长；
重复执行上述步骤4至步骤19，直至到达总仿真时间为止。
2.如权利要求1所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于其中换流器可采用节点法求解，也可采用回路法求解。
3.一种交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，包括以下步骤
步骤1将一个目标交直流电力系统分割为多个子网，子网可以是交直流混合网络，也可以是单独的交流、换流器和直流网络；
步骤2判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤3，否则转至步骤5；
步骤3对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流；
步骤4对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压，从而计算出各子网端口点的等值阻抗矩阵。
步骤5对于非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵；
步骤6设定初始计算时间t＝0；
步骤7判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生；如果是则转至步骤8，否则转至步骤12；
步骤8对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的子网，判断该子网是否为交直流混合网络；如果是则转至步骤9，否则转至步骤11；
步骤9对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流；
步骤10对于有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压，从而计算出网络结构变化子网端口点的等值阻抗矩阵；
步骤11对有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生的非交直流混合网络，直接求取端口点的等值阻抗矩阵；
步骤12判断该子网是否为交直流混合网络，如果是则转至步骤13，否则转至步骤15；
步骤13对于交直流混合网络，求取子网内部交直流联络线电流；
步骤14对于交直流混合网络，根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络、直流网络节点电压，从而计算出各子网端口点的等值电势；
步骤15对于非交直流混合网络，直接求取端口点的等值电势；
步骤16求取子网间联络线电流；
步骤17各子网根据子网间联络线电流求取子网节点电压；
步骤18各子网求解发电机、控制系统等微分方程求解；
步骤19判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型，如果是则转至步骤20和21，否则转至步骤22；
步骤20用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理；
步骤21用户自定义模型、MATLAB模型计算；
步骤22判断是否有机电暂态接口，如果是则转至步骤23和24，否则转至步骤25；
步骤23机电暂态接口输入输出信息处理；
步骤24机电暂态仿真计算；
步骤25判断是否有物理装置；如果是则转至步骤26和27，否则转至步骤28；
步骤26物理装置输入输出信息处理；
步骤27物理装置运行；
步骤28将仿真时间增加一个时间步长；
重复执行上述步骤7至步骤28，直至到达总仿真时间为止。
4.如权利要求3所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于可简化为不分网但进行交直流分割，分割后的各个部分的计算任务在一台机器上来执行的情况，此时，权利要求3中的步骤2、3、4、5、8、11、12、13、14、15、16及17均去掉，简化后步骤如下
步骤1将一个目标交直流电力系统分割为多个部分，包括交流网络部分、换流器部分和直流网络部分；
步骤2形成子网内部交直流联络线方程的矩阵A；
步骤3设定初始计算时间t＝0；
步骤4判断此时刻是否有开关动作，或换流阀导通、关断等使网络结构发生变化的情况发生；如果是则转至步骤5，否则转至步骤6；
步骤5在有开关动作或者换流阀导通或关断等使网络结构发生变化的情况发生时，重新形成子网内部交直流联络线方程的矩阵A；
步骤6形成子网内部交直流联络线方程的右端项b；
步骤7求取子网内部交直流联络线电流；
步骤8根据子网内部交直流联络线电流，分别求取交流网络、换流器网络和直流网络节点电压；
步骤9求解发电机、控制系统等微分方程；
步骤10判断是否有用户自定义模型或MATLAB模型，如果是则转至步骤11和12，否则转至步骤13；
步骤11用户自定义模型、MATLAB模型输入输出信息处理；
步骤12用户自定义模型、MATLAB模型计算；
步骤13判断是否有机电暂态接口，如果是则转至步骤14和15，否则转至步骤16；
步骤14机电暂态接口输入输出信息处理；
步骤15机电暂态仿真计算；
步骤16判断是否有物理装置，如果是则转至步骤17和18，否则转至步骤19；
步骤17物理装置输入输出信息处理；
步骤18物理装置运行；
步骤19将仿真时间增加一个时间步长；
重复执行上述步骤4至步骤19，直至到达总仿真时间为止。
5.如权利要求1或3所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于通过将目标电力系统分割为交流、换流器和直流多个子网，进而将涉及各个子网的计算任务分配到机群服务器的各个子机并行计算，从而实现交直流电力系统的实时或超实时电磁暂态仿真。
6.如权利要求4所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于通过将目标电力系统分割为交流、换流器、直流多个部分，进而将各个部分的计算任务在一台机器上串行计算，可大幅度提高计算速度。
7.如权利要求1或3所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于其网络分割方式非常灵活，可以从交直流的任一连接点进行分网，交流网络还可进一步分网，分割成若干个交流子网。
8.如权利要求1或3所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于交流网络的分网方式可以是节点分裂法分网，也可以是分布参数线路解耦法分网。
9.如权利要求1或3所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于也可用于纯交流电力系统的分网并行求解。
10.如权利要求1-9所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于该方法可与机电暂态并行仿真方法相结合，能够实现大规模电力系统的机电暂态和电磁暂态过程的并行仿真计算，实现大电力系统背景下对局部电网如直流输电、电力电子装置等的详细电磁暂态仿真模拟。
11.如权利要求1-9所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于可在该方法所模拟的电力系统中接入用户自定义模型或MATLAB模型所模拟的控制系统，用于控制系统的结构设计和参数优化，这样可极大地扩展对电力系统的仿真分析能力。
12.如权利要求1-9所述的交直流电力系统分割并行电磁暂态仿真方法，其特征在于可在该方法所模拟的电力系统中接入包括继电保护和安全自动装置、直流输电控制装置等实际物理装置进行闭环仿真试验，以检验这些物理装置在实际电力系统中的效果。
全文摘要
本发明涉及一种交直流电力系统分割并行的电磁暂态数字仿真方法，包括将目标交直流电力系统分割为多个子网，包括交流网络子网、换流器子网、直流网络子网或交直流混合网络子网；对各子网求取端口点的等值阻抗矩阵和等值电势；求取子网间联络线电流；根据子网间联络线电流求取各子网节点电压；求解各子网的发电机、控制系统等微分方程；进行用户自定义模型、MATLAB模型、物理装置输入输出信息处理；进行机电暂态接口输入输出信息处理。该仿真方法具有分网方式灵活、计算速度快等优点。该仿真方法能够同时适用于交直流系统电磁暂态分网并行计算、与机电暂态并行计算、接入用户自定义模型、MATLAB模型和物理装置处理等，从而实现对交直流电力系统的各种暂态和动态过程的数字仿真。
文档编号G06F17/50GK101719182SQ20091024186
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者田芳, 周孝信 申请人:中国电力科学研究院