一种配电网小步长仿真机同步仿真方法及装置与流程

本发明属于配电网运行，具体涉及一种配电网小步长仿真机同步仿真方法及装置。

背景技术：

1、目前，配电网逐渐发展为承载分布式新能源、电动汽车充换电站等电力电子化电源/负荷/设备规模化接入及协同运行的枢纽型平台。这意味着配电网中电力电子设备间的耦合交互作用更强，灵活资源分散性和随机性更高，系统稳定控制及电力电量平衡调控也更加困难，从而给配电网模型精度、仿真速度、算法有效性等多方面带来了巨大的挑战。配电网实时仿真技术作为新型电力系统相关研究中较为前沿核心的技术及测试手段，能够保证线路、开关、风机、光伏、智能终端等一、二次设备的物理/数字模型以与实际高度吻合的状态接入配电网仿真系统，精准模拟配电网的运行状态，已成为新型电力系统相关研究的重要平台。

2、配电网小步长实时仿真通过精确的模型和较小的仿真步长实现对配电网故障、分布式电源并/离网等动态过程进行仿真，具有仿真准确性较高、实时性较好等优点，是实现配电网规划校核、运行分析、智能决策与设备检测的重要手段。

3、目前，小步长实时仿真的一种发展方向是考虑仿真的规模受到仿真步长、计算资源的影响，通过对复杂配电网详细模型的平均化等效或者等值，忽略模型中的高频部分内容，实现模型的简化、降维降阶，并采用增大步长的方法进行仿真，这样能够实现一定计算资源下，增大实时仿真的规模。但是这种方法的本质是通过降低计算量以及计算复杂度，从而实现复杂有源配电网实时仿真规模的提升，其缺点是仿真精度会相应的降低。

4、配电网仿真精度的提升一方面取决于仿真模型的准确性，另一方面取决于仿真步长的选择，仿真模型越准确性，相应的仿真计算步长越小，得到的仿真结果也更加准确。小步长实时仿真中，由于仿真步长较小，导致计算量巨大，为保持仿真的实时性，造成仿真的规模急剧缩小，这也是实时仿真中一直尚未解决的痛点问题。

5、小步长实时仿真的另一种发展方向是复杂配电网进行分区解耦，通过将不同分区的配电网放在同一个仿真机板卡的不同cpu或者fpga核中进行计算，从而通过并行计算，扩展复杂配电网小步长实时仿真的规模。但是单台小步长仿真机的资源有限，无法满足不断扩大的配电网仿真规模需求。

6、黄伟、庞琳、曹彬和华亮亮发表的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算，属于长传输线分区解耦技术。但长传输分区解耦技术的缺点在于要求电网中存在相对较长的无分支、分段的供电线路，对于中低压配电网而言，供电线路长度相对较短且存在多分段多联络，尤其是低压配电网，供电线路长度往往只有几百米，不适合进行长传输分区解耦，容易造成误差过大的问题。

7、田芳、李亚楼、周孝信、吴中习和张星发表的电力系统全数字实时仿真装置，属于固定步长的单一速率仿真技术。定步长的仿真策略，如仿真步长设置为50微秒，即按照每个50微秒，对所仿真的电网进行一次数值计算，获得全网的仿真结果。在仿真的全过程中，仿真的步长不再变化。传统定步长仿真方法是一种单一仿真速率的仿真模式，对于不同的配电网采用相同的仿真步长，没有考虑到不同区域配电网对于仿真步长的差异化需求，造成可以用大步长仿真的区域采用了小步长，需要小步长仿真的区域用了较大步长，一方面造成仿真速度的下降，另一方面容易造成因步长选择不合理导致的仿真精度降低。

8、苏杭、徐晋、汪可友、许鹏和吴盼发表的考虑变换器损耗特性的小步长实时仿真方法属于单台仿真机的实时仿真技术。单台仿真机的实时仿真技术是采用单台仿真机来实现仿真计算、优化算法、实时调度策略和数据交换，利用单台仿真机的性能计算资源、计算算法、实时任务调度和数据传输，响应实时仿真需求。但单台仿真机的实时仿真技术存在以下缺点：（1）计算资源限制：单台仿真机的计算能力和存储容量有限，可能无法满足复杂仿真模型和大规模仿真任务的需求，导致仿真速度较慢或者无法实时处理；（2）数据传输延迟：在实时仿真中，单台仿真机的网络带宽和传输速度可能无法满足实时仿真的需求，导致数据传输延迟增加，影响实时响应能力；（3）硬件设备成本：要实现实时仿真技术，可能需要使用高性能的计算资源和高速的网络设备，这会增加硬件设备的成本。

技术实现思路

1、为克服上述相关技术中存在的问题，本技术提供一种配电网小步长仿真机同步仿真方法及装置。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种配电网小步长仿真机同步仿真方法，包括：

3、基于分布电容等值计算方法，将配电网划分为多个线路子分区，各线路子分区分别具有至少一台仿真机，各仿真机的仿真步长不统一；

4、所述各线路子分区分别基于各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段和仿真步长协同并行仿真；

5、在进行协同并行仿真的过程中：对于不同仿真速率的仿真机之间对需要交互的数据执行插值处理；和/或，对存在分区延时的线路子分区以补偿电压信号的方式实现分区延时补偿；

6、仿真完成后将各线路子分区的仿真结果进行合并。

7、优选的，所述基于分布电容等值计算方法，将配电网划分为多个线路子分区，包括：

8、对配电网进行网络拓扑分析，得到所述配电网的网络整体结构和所述网络整体结构中各配电网设备之间的连接关系；

9、根据所述配电网的网络整体结构和所述网络整体结构中各配电网设备之间的连接关系，将所述配电网划分为多个初始分区；

10、在相邻的两个初始分区之间加入考虑分布电容的短线路等效模型，并调整所述考虑分布电容的短线路等效模型的参数；

11、利用实时仿真技术对划分多个初始分区后的配电网进行仿真验证，若划分多个初始分区后的配电网和划分多个初始分区前的配电网的运行效果一致，则所述多个初始分区为所述多个线路子分区；否则，对所述配电网进行重新划分。

12、优选的，所述考虑分布电容的短线路等效模型的拓扑结构，包括：第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感和第三电感；

13、所述第一电阻、所述第一电感、所述第二电阻、所述第二电感、所述第三电阻和所述第三电感依次串联连接在连接于相邻的两个线路子分区之间的输电线路上；

14、所述第一电容的一端与所述第一电感和所述第二电阻之间的连接点连接，另一端接地；

15、所述第二电容的一端与所述第二电感和所述第三电阻之间的连接点连接，另一端接地。

16、优选的，所述各仿真机的预先设定的仿真步长的获取过程，包括：

17、将不含快变的电力电子设备的线路子分区中的仿真机的仿真步长设置为第一仿真步长，将含有预设数量的光伏并网逆变器的线路子分区中的仿真机的仿真步长设置为第二仿真步长；

18、其中，第一仿真步长小于第二仿真步长。

19、优选的，所述各线路子分区分别基于各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段和仿真步长协同并行仿真，包括：

20、根据仿真需求确定各线路子分区的仿真机数量和各仿真机的预设仿真速率；

21、将预设的各线路子分区的仿真模型分配给其对应的仿真机；

22、所述各线路子分区中各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段、预先设定的仿真步长和预设仿真速率，进行协同并行仿真。

23、优选的，所述对于不同仿真速率的仿真机之间对需要交互的数据执行插值处理，包括：

24、当在tn时刻第二仿真机的仿真速率与第一仿真机的仿真速率不同，则所述第一仿真机向所述第二仿真机传递其自身在[tn-2, tn-1]时步内的仿真结果xn-1和在[tn-1, tn]时步内的仿真结果xn，所述第二仿真机向所述第一仿真机传递其自身在[tn-1, tn]时步内的仿真结果yn，其中，n为正整数；

25、在[tn, tn+1]时步内，所述第一仿真机利用所述第二仿真机的仿真结果yn进行一次仿真计算；

26、在[tn, tn+1]时步内，所述第二仿真机利用外部系统状态量xn-1和xn进行插值，得到多个外部系统状态量，并利用所述多个外部系统状态量进行多次迭代计算；

27、其中，tn为第tn时刻，tn-2为第tn-2时刻，tn-1为第tn-1时刻，tn+1为第tn+1时刻。

28、优选的，所述对存在分区延时的线路子分区以补偿电压信号的方式实现分区延时补偿，包括：

29、采用基于二阶正交积分的正交信号发生器，处理预设的各短线路分区的仿真模型中数模混合仿真系统的物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；

30、对所述正交电压信号进行补偿计算，得到补偿电压信号；

31、将所述补偿电压信号输入至所述各短线路分区中的仿真机中，得到无相位延时的信号。

32、优选的，所述各线路子分区分别基于各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段和仿真步长协同并行仿真之前，还包括：

33、所述各线路子分区采用基于光纤网卡的阵列互联仿真方法，进行仿真机之间的连接。

34、优选的，所述各线路子分区采用基于光纤网卡的阵列互联仿真方法，进行仿真机之间的连接，包括：

35、采用光纤网卡进行各仿真机之间的互联，并设置各仿真机之间的通信协议；

36、将各仿真机的数据以流的方式通过光纤网卡传输至预设的fifo队列中；

37、在仿真过程中，各仿真机通过读写fifo队列来进行仿真机之间数据的交换。

38、优选的，所述协同并行仿真采用基于cpu-fpga混合步长的实时仿真方式和硬件在环仿真技术执行。

39、优选的，所述仿真需求至少包括以下两种：时间分辨率和仿真时间跨度。

40、优选的，所述多个外部系统状态量的计算式，包括：

41、xn,k=xn-1+[(k-1)/m]( xn-xn-1)

42、上式中，k∈[1,m]，m为插值迭代总次数；xn,k为第k次插值得到的外部系统状态量，xn-1为所述第一仿真机在[tn-2, tn-1]时步内的仿真结果，xn为所述第一仿真机在[tn-1, tn]时步内的仿真结果。

43、根据本技术实施例的第二方面，提供一种配电网小步长仿真机同步仿真装置，包括：

44、分区单元，用于基于分布电容等值计算方法，将配电网划分为多个线路子分区，各线路子分区分别具有至少一台仿真机，各仿真机的仿真步长不统一；

45、仿真单元，用于所述各线路子分区分别基于各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段和仿真步长协同并行仿真；

46、处理单元，用于在进行协同并行仿真的过程中：对于不同仿真速率的仿真机之间对需要交互的数据执行插值处理；和/或，对存在分区延时的线路子分区以补偿电压信号的方式实现分区延时补偿；

47、合并单元，用于仿真完成后将各线路子分区的仿真结果进行合并。

48、优选的，所述分区单元，具体用于：

49、对配电网进行网络拓扑分析，得到所述配电网的网络整体结构和所述网络整体结构中各配电网设备之间的连接关系；

50、根据所述配电网的网络整体结构和所述网络整体结构中各配电网设备之间的连接关系，将所述配电网划分为多个初始分区；

51、在相邻的两个初始分区之间加入考虑分布电容的短线路等效模型，并调整所述考虑分布电容的短线路等效模型的参数；

52、利用实时仿真技术对划分多个初始分区后的配电网进行仿真验证，若划分多个初始分区后的配电网和划分多个初始分区前的配电网的运行效果一致，则所述多个初始分区为所述多个线路子分区；否则，对所述配电网进行重新划分。

53、优选的，所述考虑分布电容的短线路等效模型的拓扑结构，包括：第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感和第三电感；

54、所述第一电阻、所述第一电感、所述第二电阻、所述第二电感、所述第三电阻和所述第三电感依次串联连接在连接于相邻的两个线路子分区之间的输电线路上；

55、所述第一电容的一端与所述第一电感和所述第二电阻之间的连接点连接，另一端接地；

56、所述第二电容的一端与所述第二电感和所述第三电阻之间的连接点连接，另一端接地。

57、优选的，所述装置还包括：确定单元，用于获取所述各仿真机的预先设定的仿真步长；

58、所述确定单元，具体用于：

59、将不含快变的电力电子设备的线路子分区中的仿真机的仿真步长设置为第一仿真步长，将含有预设数量的光伏并网逆变器的线路子分区中的仿真机的仿真步长设置为第二仿真步长；

60、其中，第一仿真步长小于第二仿真步长。

61、优选的，所述仿真单元，包括：

62、确定模块，用于根据仿真需求确定各线路子分区的仿真机数量和各仿真机的预设仿真速率；

63、分配模块，用于将预设的各线路子分区的仿真模型分配给其对应的仿真机；

64、仿真模块，用于所述各线路子分区中各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段、预先设定的仿真步长和预设仿真速率，进行协同并行仿真。

65、优选的，所述处理单元，包括：

66、插值模块，用于当在tn时刻第二仿真机的仿真速率与第一仿真机的仿真速率不同，则所述第一仿真机向所述第二仿真机传递其自身在[tn-2, tn-1]时步内的仿真结果xn-1和在[tn-1, tn]时步内的仿真结果xn，所述第二仿真机向所述第一仿真机传递其自身在[tn-1, tn]时步内的仿真结果yn，其中，n为正整数；

67、在[tn, tn+1]时步内，所述第一仿真机利用所述第二仿真机的仿真结果yn进行一次仿真计算；

68、在[tn, tn+1]时步内，所述第二仿真机利用外部系统状态量xn-1和xn进行插值，得到多个外部系统状态量，并利用所述多个外部系统状态量进行多次迭代计算；

69、其中，tn为第tn时刻，tn-2为第tn-2时刻，tn-1为第tn-1时刻，tn+1为第tn+1时刻。

70、优选的，所述处理单元，包括：

71、补偿模块，用于采用基于二阶正交积分的正交信号发生器，处理预设的各短线路分区的仿真模型中数模混合仿真系统的物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；

72、对所述正交电压信号进行补偿计算，得到补偿电压信号；

73、将所述补偿电压信号输入至所述各短线路分区中的仿真机中，得到无相位延时的信号。

74、优选的，所述装置，还包括：

75、连接单元，用于将所述各线路子分区采用基于光纤网卡的阵列互联仿真方法，进行仿真机之间的连接。

76、优选的，所述连接单元，具体用于：

77、采用光纤网卡进行各仿真机之间的互联，并设置各仿真机之间的通信协议；

78、将各仿真机的数据以流的方式通过光纤网卡传输至预设的fifo队列中；

79、在仿真过程中，各仿真机通过读写fifo队列来进行仿真机之间数据的交换。

80、优选的，所述协同并行仿真采用基于cpu-fpga混合步长的实时仿真方式和硬件在环仿真技术执行。

81、优选的，所述仿真需求至少包括以下两种：时间分辨率和仿真时间跨度。

82、优选的，所述多个外部系统状态量的计算式，包括：

83、xn,k=xn-1+[(k-1)/m]( xn-xn-1)

84、上式中，k∈[1,m]，m为插值迭代总次数；xn,k为第k次插值得到的外部系统状态量，xn-1为所述第一仿真机在[tn-2, tn-1]时步内的仿真结果，xn为所述第一仿真机在[tn-1, tn]时步内的仿真结果。

85、根据本技术实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：至少一个处理器和存储器；所述存储器和处理器通过总线相连；

86、所述存储器，用于存储一个或多个程序；

87、当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行时，实现所述的配电网小步长仿真机同步仿真方法。

88、根据本技术实施例的第四方面，提供一种可读存储介质，其上存有执行程序，所述执行程序被执行时，实现所述的配电网小步长仿真机同步仿真方法。

89、本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

90、本发明提供一种配电网小步长仿真机同步仿真方法及装置，通过基于分布电容等值计算方法，将配电网划分为多个线路子分区，各线路子分区分别具有至少一台仿真机，各仿真机的仿真步长不统一，各线路子分区分别基于各自的仿真机按照预先设定的仿真时间段和仿真步长协同并行仿真，并且在进行协同并行仿真的过程中：对于不同仿真速率的仿真机之间对需要交互的数据执行插值处理；和/或，对存在分区延时的线路子分区以补偿电压信号的方式实现分区延时补偿，仿真完成后将各线路子分区的仿真结果进行合并，实现了精准模拟配电网的运行状态，提高了仿真速度，提高了仿真结果的准确性和可靠性。