一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法与流程

本发明涉及电力系统仿真，特别是一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法。

背景技术：

1、电力系统在较长时间内的动态仿真模拟是目前电力行业普遍关注的一个重要问题，不断增加的电力需求可能会导致电力系统无法在最初设计的条件下运行，很容易失去稳定性并可能造成严重的事故，动态仿真经常在工业界和学术界被用来检查电力系统对干扰的响应；在过去的几十年里，动态仿真已经成为任何参与电力系统的规划、设计、运行以及安全的研究者不可或缺的东西，电力系统运营公司依靠快速准确的动态仿真来培训运营商，分析大量场景，实时评估电力网络的动态安全或提前安排运行计划；另一方面，设计未来电力系统的研究者依赖于动态仿真来评估电力网络变化的影响，这些变化包括增加新的输电线路和增加可再生能源；从本质上来说，电力系统动态仿真是求解电力系统微分代数方程的问题，通常采用数值积分方法离散微分方程，并通过牛顿拉夫逊法求解代数方程，然后不断地更新状态变量和代数变量，直到最大仿真时间；因此为了更好地平衡计算效率和仿真精度之间的矛盾，需要设计根据状态变量本身的误差进行自适应改变仿真步长的策略。

2、但目前常见的解决方案存在诸多缺点，包括：隐式梯形法由于具有高稳定性、较高的精度和较高的计算效率，被广泛应用于电力系统动态仿真中；隐式梯形法的仿真步长越小，动态仿真的结果就越准确，但这对于大规模电力系统而言会产生很大的计算负担。

技术实现思路

1、鉴于对电力系统进行动态仿真时，现有技术中对大规模电力系统会产生很大的计算负担，存在计算效率和仿真精度之间的矛盾等问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种基于变量代换思想构建关于功角的等式并进行误差评估，实现仿真步长的自适应改变的方法。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法，其包括采集电力系统的相关数据，构建电力系统微分代数方程组并进行初始化，得到初始化的微分代数方程组；基于变量代换思想构建同步发电机的功角；将所述同步发电机的功角和所述初始化的微分代数方程组进行融合，得到改进的微分代数方程组；利用动态仿真的时间步长计算功角误差并根据功角误差进行判断，得到最终的动态仿真的时间步长；基于所述最终的动态仿真的时间步长和电力系统微分代数方程组进行离散化，得到非线性代数方程组并计算所述非线性代数方程组的雅可比矩阵。

5、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述电力系统的相关数据包括电力系统的状态变量和电力系统的代数变量；所述电力系统的状态变量包括同步发电机的功角、同步发电机的转速、同步发电机的电磁功率以及暂态电势；所述电力系统的代数变量包括节点的电压幅值和电压相角。

6、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述同步发电机的功角的计算公式如下：

7、

8、其中，δ为同步发电机的功角；ωs为同步发电机的额定转速；ω为同步发电机的转速。

9、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述同步发电机的额定转速和所述同步发电机的转速的计算公式如下：

10、

11、其中，e为同步发电机功角的余弦值；f为同步发电机功角的正弦值。

12、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述得到改进的微分代数方程组通过将所述同步发电机的额定转速和所述同步发电机的转速添加到所述初始化的微分代数方程组中，得到一组改进的微分代数方程组；所述改进的微分代数方程组的计算公式如下：

13、

14、0＝g(x,y)

15、x(0)＝x0,y(0)＝y0,e(0)＝e0,f(0)＝f0

16、其中，e0为稳态时同步发电机功角的余弦值；f0为稳态时同步发电机功角的正弦值。

17、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述利用动态仿真的时间步长计算功角误差通过利用动态仿真的时间步长计算同步发电机功角的余弦值和同步发电机功角的正弦值，进而计算功角误差；所述计算同步发电机功角的余弦值和同步发电机功角的正弦值的计算公式如下：

18、e(t2)＝e(t1)-hωsω(t1)f(t1)

19、f(t2)＝f(t1)+hωsω(t1)e(t1)

20、e(t2)2+f(t2)2＝1

21、其中，e(t2)为同步发电机功角的余弦值在t2时刻的值；e(t1)为同步发电机功角的余弦值在t1时刻的值；h为动态仿真的时间步长；ωs为同步发电机的额定转速；ω(t1)为同步发电机的转速在t1时刻的值；f(t1)为同步发电机功角的正弦值在t1时刻的值；f(t2)为同步发电机功角的正弦值在t2时刻的值；所述功角误差的计算公式如下：

22、error＝e(t2)2+f(t2)2-1

23、其中，error为功角误差。

24、作为本发明所述适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的一种优选方案，其中：所述根据功角误差进行判断包括以下步骤：输入动态仿真的时间步长；根据动态仿真的时间步长计算功角误差；判断功角误差是否足够小，若功角误差大于第一阈值，则减少动态仿真的时间步长，重新进行根据动态仿真的时间步长计算功角误差步骤；若功角误差小于等于第一阈值，则进行下一步；基于隐式梯形法更新电力系统的状态变量和电力系统的代数变量；判断是否达到设定的仿真时间，若未达到设定的仿真时间，则更新仿真时间，重新进行输入动态仿真的时间步长步骤；若已达到设定的仿真时间，则结束判断流程，得到最终的动态仿真的时间步长。

25、第二方面，本发明为进一步解决电力系统动态仿真中存在的安全问题，实施例提供了一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分系统，其包括：方程构建模块，用于采集电力系统的相关数据，构建初始化的微分代数方程组，并基于变量代换思想构建同步发电机的功角，根据同步发电机的功角和初始化的微分代数方程组得到改进的微分代数方程组；参数调整模块，用于利用动态仿真的时间步长计算功角误差，并根据功角误差和设定的仿真时间进行判断，对动态仿真的时间步长进行调整，得到最终的动态仿真的时间步长；变量计算模块，用于根据最终的动态仿真的时间步长和电力系统微分代数方程组得到非线性代数方程组，并计算非线性代数方程组的雅可比矩阵、电力系统状态变量和电力系统代数变量。

26、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的任一步骤。

27、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法的任一步骤。

28、本发明有益效果为：本发明提出一种适用于电力系统动态仿真的自适应步长积分方法，基于变量代换思想构建关于同步发电机功角的等式并对功角误差进行误差评估，更好地平衡计算效率和仿真精度之间的矛盾，实现仿真步长的自适应改变。