（电力电子与电力传动专业论文）基于rtds的电磁机电暂态混合实时仿真接口研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r t d s 的电磁机电暂态混合实 时仿真接口研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏! 塾 日 期： 为| 口j3 、2 3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 王钆 导师签 日期：坐：! ：堡日期：丝幺：三：乡 1 i 华北电力大学硕士学位论文 摘要 如何将电磁和机电暂态在一次计算中建立有效的数据交换接口模型成为混合 实时仿真中的关键问题，也是近年来该研究领域的热点和难点问题。本文的主要目 标是建立电磁一机电暂态混合实时仿真的接口模型、提出并完善算法及时序交换逻 辑，并验证其在混合实时数字仿真中的合理性和准确性。论文工作主要包括：1 ) 分析对比机电和电磁暂态模型的特点和算法，提出了基于实时数字仿真器( r t d s ) 实现其接1 ：1 的基本原理；2 ) 设计相互的接口等值电路，提出了基于改进的d q 1 2 0 变换的接口算法；3 ) 在r t d s c b u i l d e r 环境下建立通用接口模块，通过混合仿真 实验证明其合理性和正确性。 关键词：实时数字仿真，电磁一机电暂态混合仿真，并行接口算法，d q 1 2 0 变换 a b s t r a c t t h ea u t h o r sc o n s i d e rt h a tt h ee f f i c a c i o u sd a t ae x c h a n g ep r o c e s s i n go fi n t e r f a c ei s t h ek e yp r o b l e mi nh y b r i ds i m u l a t i o n a l s o ，t h i sp r o b l e mi sal e a d i n gs u b je c to ft h e h y b r i dr e a l - t i m es i m u l a t i o n i nr e c e n t y e a r s t h i sd i s s e r t a t i o n sw o r kf o c u s e so n e s t a b l i s h i n g i n t e r f a c e sm o d e l sa n da l g o r i t h m so fh y b r i dr e a l t i m es i m u l a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i c e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t s ，a n dv e r i l y i n gt h e i rv a l i d i t y t h em a i n c o n t e n t si n c l u d e ：1 ) t h i sp a p e rh a sp r o p o s e da ni n t e r f a c ea p p r o a c hb a s e do nr e a l t i m e d i 酉t a ls i m u l a t i o n ( r t d s ) b ya n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a l g o r i t h m s o f e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n ta n de l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o nm o d e l s ；2 ) t h e e q u i v a l e n tc i r c u i t so fi n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e d ，a st h e s a n l et i m e ，a ni n t e r f a c e s a l g o r i t h mb a s e do nt h ei m p r o v e dd q - 12 0t r a n s f o r m a t i o ni se m p h a t i c a l l yp r e s e n t e d ，3 ) t h eu n i v e r s a li n t e r f a c em o d u l e sa n dt h ed a t ae x c h a n g ep r o t o c o lh a v eb e e nd e v e l o p e da n d e s t a b l i s h e du n d e rt h er t d s c b u i l d e rc i r c u m s t a n c e ，a n dt h ev a l i d i t ya n de f f i c i e n c yo f t h ei n t e r f a c ea r ed e m o n s t r a t e db yt h eh y b r i ds i m u l a t i o nc a s e s w a n gz h e ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i cd r i v e s ) k e yw o r d s ：r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t i o n ， e l e c t r o m e e h a n i c a lt r a n s i e n t d q - 12 0t r a n s f o r m a t i o n d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g h y b r i ds i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ca n d p r o c e s s ，p a r a l l e l i n t e r f a c e a l g o r i t h m ， 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 论文研究的背景和意义l 1 1 1 电磁机电暂态混合仿真的意义l 1 1 2 采用实时数字仿真的必要性3 1 1 3 论文依托的项目背景。5 1 1 4 研究基于r t d s 电磁一机电暂态混合实时仿真接口的意义5 1 2 电力系统电磁一机电混合仿真接口的研究现状7 1 3 本文的主要工作9 第二章电磁一机电暂态混合实时仿真接口的基本原理1 0 2 1 电磁暂态与机电暂态仿真1 0 2 1 1 电磁暂态仿真【1 5 】【4 8 1 1 l 2 1 2 机电暂态仿真【1 5 】【4 8 1 。1 2 2 1 3 电磁暂态与机电暂态仿真对比1 4 2 2 现有的电磁一机电暂态混合仿真方法分类1 5 2 3 实现电磁一机电暂态混合仿真接口的基本思路1 5 2 4 基于r t d s 电磁一机电暂态混合仿真接口的基本原理1 6 2 5 接口的关键技术1 7 2 6 本章小结1 9 第三章接口的算法研究与实现2 0 3 1 接口整体框架2 0 3 2 机电网络等值参数求解2 0 3 2 1 含有单一接口母线等值参数的求解2 1 3 2 2 含有多个接口母线等值参数的求解2 l 3 2 3 利用三相短路电流方法求解等值阻抗2 2 3 3 机电网络在电磁网络中的接口等值电路的形成2 3 3 3 1 考虑频率修正的离散化变换2 3 3 3 2 含有单一接口母线等值电路的形成2 4 3 3 3 含有多个接口母线等值电路的形成2 5 3 4 电磁网络等值参数求解2 7 3 4 1 传统d q 变换的方法【删2 8 华北电力大学硕士学位论文 3 4 2 提取基波相量的改进算法2 8 3 5 电磁网络在机电网络中的接口等值电路的形成3 0 3 6 接口时序数据交互方式的算法一3 1 3 6 1 串行数据交互方式3 l 3 6 2 并行数据交互方式。3 2 3 7 本章小结3 3 第四章接口模块的建立与验证3 5 4 1 电磁机电暂态混合实时仿真实现平台l 盯d s 3 5 4 1 1r t d s 硬件配置3 5 4 1 2r t d s 图形软件3 6 4 1 3c b u i l d e r 自定义编程环境3 7 4 2 基于r t d s 的戴维南等值接口模块的建立与测试3 8 4 2 1 戴维南等值接口模块的建立3 8 4 2 1 戴维南等值接口模块的测试结果3 9 4 3 基于r t d s 的离散化变换模块的建立与测试4 2 4 4 利用c b u i l d e r 建立基于d q 1 2 0 变换的功率模块4 3 4 4 1 功率模块的建立4 3 4 4 2 功率模块的测试4 4 4 5 基于r t d s 建立的数据交互方式4 6 4 6 本章小结。4 7 第五章接口模块在混合实时仿真中的应用4 8 5 1 算例l ：一回直流+ i e e e 9 试验系统仿真分析4 8 5 1 1 系统结构与接口划分4 8 5 1 2 持续运行仿真测试。4 9 5 1 3 母线4 故障仿真5 0 5 1 4 可解耦的双接口混合仿真5 2 5 2 算例2 ：某地实际交直流系统仿真分析5 4 5 2 1 系统结构与接口划分。5 4 5 2 2 母线3 故障仿真5 4 5 3 本章小结。5 6 第六章结论与展望5 7 参考文献5 9 致j 射6 3 附录6 4 附录l ：基于p r o n y 分析的可信度评估软件简介6 4 2 华北电力人学硕士学位论文 附1 1 残差相似度指标6 4 附1 2p r o n y 分析法简介6 4 附1 3 基于l a b v i e w 的仿真可信度分析程序6 6 附录2 ：i e e e 9 节点系统数据6 9 附录3 ：r t d s 混合实时仿真实验结果补充7 l 附3 1 算例1 ：一回直流+ i e e e 9 试验系统仿真结果补充。7 l 附3 2 算例2 ：某地实际交直流系统仿真结果补充7 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况8 2 3 华北电力大学硕? 卜学位论文 1 1 论文研究的背景和意义 第一章绪论 1 1 1 电磁一机电暂态混合仿真的意义 仿真是以系统理论、统计学、随机过程和优化理论为基础，利用某种工具对现 实或未来系统进行实验研究的理论和方法【l 】，目的是探索复杂系统的机理和规律。 电力系统仿真是根据原始电力系统建立相应模型，并进行计算和实验，研究电力系 统在特定时间内的动态行为和运行特性【2 】。电力系统的特点及其对安全性的要求决 定了探索和研究实际电网在很大程度上要依赖于仿真。在电力系统的发展过程中， 由于仿真可将复杂系统的运行在实验室中进行，具有无破坏性、参数可控性和平台 的经济性等优点，因此一直发挥着重要的作用。电力系统仿真的分类及各类别之间 的关系如图1 1 所示。 电力系统仿真 物理仿真 实际控 制装置 根据仿真模型的性质 数字物理混合仿真 全数字仿真 根据实际响应时间 与仿真时间的关系 实时仿真ii 非实时仿真 数字物理闭环试验 根据仿真的 物理过程 仿真1 r仿真 电磁一机电暂态混合仿真 p 长期弓 态仿真 电磁一机电暂态混合实时仿真l 一本文研究的内容 图1 - 1电力系统仿真的分类 华北电力人学硕士学位论文 电力系统是一个由发、输、配、用等一次设备，以及辅助控制和继电保护等二 次设备构成的大型非线性的复杂系统，其中各元件响应特性和响应时间存在很大的 差异，因此很难用一种通用的数字仿真方法准确地描述实际电网的全部动态过程。 实际上在传统的电力系统分析工具中，分别对不同响应时间的动态过程进行数字仿 真，如图1 1 中所示的电磁暂态、机电暂态和中长期动态仿真。而针对不同特征、 不同时间尺度的物理过程同步进行仿真时，则需要考虑适应最短的计算步长使计算 稳定，导致仿真的规模受到制约。因此，在研究电力系统稳定性或以网络规划设计 为研究重点时，传统方法常采用稳态或准稳态模型进行机电暂态仿真，无法真实反 映电磁暂态响应过程，甚至完全忽略了电磁暂态响应过程。 随着高压直流输电( h i 【g l lv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 【3 】、灵活交流输电 ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 【4 1 、特高压输电【5 】和电力市场【6 1 等技术 的应用，现代电力系统的规模不断扩展，元件构成和运行也日趋复杂，不同物理特 性的动态过程交织并行，使得电力系统分析和仿真技术面临新的挑战。这些技术的 应用伴随着电力电子器件的应用增加，其中涉及的变量与传统电力系统的变量在物 理意义上相差很大；而基于基波相量模式的机电暂态仿真系统难以模拟电力电子装 置的快速暂态特性、非线性元件引起的波形畸变特性、直流阀控系统、控制保护策 略以及次同步谐振( s s r ) 等【7 】【8 1 ，并且在研究器件内部故障过程、控制算法及其 对系统的影响方面也具有很大的局限性，这使得制定电网的全稳定运行的控制策 略，分析暂态稳定性时都需要引入对非线性参量和瞬时参量的考虑，因此变得十分 困难【9 1 。 越来越多的研究者投入对实时或非实时的电磁暂态过程的仿真方面的研究，并 发现由于瞬时值模式的电磁暂态仿真受模型和算法的限制，致使仿真的规模受到约 束，在可利用的资源有限的情况下，需要对不关注的部分进行简化【l o 】；这样会丧失 部分原始信息，在需要兼顾简化部分的特性时就会使仿真的的准确性和可靠性降低 i n ；即使采用合适的算法并具备充足的资源，随着规模的增加又会受到速度的制约， 在有些情况下不能满足工程应用的需求【1 2 1 。因此仿真的规模、仿真的精度和仿真的 速度是相互制约、相互依存的矛盾体，只有处理好三者的平衡关系，才能反映系统 的真实动态过程。 实际上，电力系统中电磁暂态过程和机电暂态过程是交织并行并相互影响的， 如果能将二者结合起来统一考虑，则不但有助于了解大系统暂态稳定过程的动态特 性，而且有助于了解大系统中某一特定电网的详细暂态变化过程。特别是对于交直 流混合输电系统，既存在需要考虑电磁暂态过程的电力电子设备，又存在大规模的 传统交流电网，传统的机电暂态模型和直流准稳态模型已经不能满足精确分析这种 交直流复杂系统的需要，更应建立准确的电磁暂态和机电暂态混合模型。如何将大 2 华北电力大学硕士学位论文 规模复杂电力系统的机电暂态仿真和对于局部系统的电磁暂态仿真集成在一个进 程中，兼顾机电暂态仿真有利于进行大系统分析优点的同时，还可利用电磁暂态仿 真对直流非线性元件进行精确描述，揭示直流非线性元件在大系统中的影响作用， 如换相失败、自激振荡、谐波不稳定等现象【l 引，实现大规模电力系统的电磁暂态和 机电暂态混合实时仿真是近年来电力系统数字仿真研究领域的前端课题。电磁一机 电暂态混合仿真不仅为大型系统的精确分析和采取相关的措施提供有力的手段和 工具【1 4 】，而且推动了电力电子设备对系统的影响和作用及其控制策略方面研究的发 展。 1 1 2 采用实时数字仿真的必要性 如图1 1 所示根据实际电力系统动态过程响应时间与仿真时间的关系，电力系 统数字仿真分为实时仿真和非实时仿真。实时仿真指的是仿真时间等于或者小于 ( 超实时) 物理装置实际运行时间，并且可以与实际的物理装置连接运行。非实时 仿真即离线仿真，一般指仿真时问大于实际电网运行时间，计算速度较慢，但在规 模上受限制小i l 引。 目前电力系统实时仿真能够在一定程度上统一模拟电网的电磁暂态过程、机电 暂态过程以及后续过程，同时接入实际的物理控制装置进行模拟试验【1 6 l ；但由于数 字仿真实时性的要求和硬件条件的限制，仿真规模有限，因此主要适用于主网络和 局部系统的暂态和动态过程的详细研究以及物理控制装置的闭环试验研究和实时 测试。离线仿真的规模从理论上说不受限制，能够较完整地模拟大规模电网，适用 于研究大系统复杂的动态过程。但离线仿真不能接入实际的物理装置进行测试【1 7 】， 而其规模也会影响到其计算速度和实用价值。 近几十年，随着电力系统的发展，新技术的应用，大量先进的控制、保护和测 量装置，如f a c t s 控制器、直流输电控制器、继电保护装置和安全稳定监控设备 ( 包括广域测量装置) 等广泛应用于实际电网中。这些复杂的控制装置提高了电网 大容量、远距离输电能力，保证了电力供应的安全、稳定与优质。但随着越来越多 自动控制装置的投运，也极大地增加了系统的复杂程度。这些设备和装置对电力系 统的作用需要通过仿真实验加以研究，而且它们的控制系统要通过实时仿真进行试 验验证后，才能投入实际电网运行。而对新型电力系统物理装置的模拟需要建立准 确的数学模型，解决这一问题除理论分析外，还需要对实际投运的物理装置进行试 验验证。因此，这些装置的试验和检测也必然要求实时仿真。 另外，利用电力系统实时仿真可以模拟实际电网运行特性，进行电网的实际故 障重现和反事故演习。实时仿真同样可以培训调度及运行部门的工程技术人员；帮 助调度运行人员熟悉系统特性、掌握系统运行规律、分析电网事故原因、提高事故 3 华北电力大学硕士学位论文 应变能力等【1 8 】，如由法国c o r y st e s s 公司开发的实时调度培训装置a d t s 1 9 】， 用于大系统机电暂态实时数字仿真、调度员培训等。因此，实时仿真作为电力系统 重要的研究手段，其应用非常广泛，对电网安全稳定运行意义重大。 电磁一机电暂态混合仿真综合考虑了仿真精度、仿真速度和仿真规模三方面因 素，对交织并行的电磁暂态和机电暂态过程进行模拟。若仅用于离线仿真，由于仿 真规模和仿真速度的限制较小，而精度确不及全电磁暂态仿真；而在实时仿真中为 满足实时性而受到硬件条件的限制，电磁一机电暂态混合仿真可以很好的解决这一 问题，实现对大规模复杂电力系统的机电暂态仿真和对于局部系统的电磁暂态仿 真，并使数字模拟和实际发生的物理过程同步。 目前国内外许多大学、电力企业和研究机构都在电力系统实时数字仿真方面投 入了大量的人力物力进行研究，部分成果已经产品化，如表1 1 中所示。进行继电 保护装置及其它控制装置的闭环试验，是当前实时数字仿真的主要应用领域。实时 仿真试验是高效电力系统稳定分析和实现在线动态安全评估与控制的基础。当前电 力系统计算机通信网络已经初具规模，全国各大电网能量管理系统( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 2 0 】已经相继建成，通讯网络正在不断完善，从e m s 获 取电力系统在线数据已成为可能。利用e m s 获得的电网在线实时数据，进行分析 计算和稳定评估，提出事故处理建议可以有效的提高应对电网事故的能力。 表1 1实时数字仿真系统对比 从表1 1 中可以看出，现有的几种电力系统全数字实时仿真装置产品基本上只 4 华北电力人学硕士学位论文 能进行中小规模系统电磁暂态和机电暂态实时仿真；个别产品虽然可以进行大规模 机电暂态仿真，但不能同时进行电磁暂态仿真。而且受到硬件条件的制约，现有的 产品多基于昂贵的高档计算机和工作站，造价高，就建立局部系统的实时仿真模型 方面已经有众多困难，不适合于对大规模电网的仿真研究。因此，将电磁一机电暂 态混合仿真的思想应用于这一领域，建立合适的机电模型对大规模电网进行仿真研 究，突破这一传统的制约，对实时数字仿真的发展具有重大的意义。 1 1 3 论文依托的项目背景 近年来，随着西电东送和跨大区联网，直流输电技术在远距离、大容量输电和 电力系统互联等方面的优势使其在“西电东送、全国互联”工程中发挥着重要的作用 【2 6 1 。随着天生桥、贵州直流输电线路的相继开通，南方电网在2 0 0 5 年已经形成了 “五交两直”的交直流并联运行的格局【2 。7 1 。截止到2 0 0 9 年，全国共建成l o 个高压 特高压直流输电工程和2 个直流背靠背联网工程，形成了像中国南方电网和华东电 网这样的超高压、远距离、大容量、交直流并联输电，多回直流落点临近的大规模 复杂电力系统，各个地区电网的关联性增加，很难再孤立地考虑局部电网的安全问 题。伴随着h v d c 、f a c t s 等技术的应用，电网中大量引入大功率电力电子器件和 各种快速控制和保护装置。综合对现代电力系统的实际特点考虑，对系统进行仿真 时既要兼顾元件的快速变化特性，又要满足一定的仿真规模；既要考虑仿真速度， 又要兼顾仿真精度。在兼顾交织并行的电磁暂态和机电暂态过程的同时，还要满足 物理过程与数字仿真同步进行，才能真实反映现代电力系统特性，因此提出了研究 与实现电磁一机电暂态混合实时仿真平台这项任务。 本论文研究属于“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开 发与示范课题1 7 ( 士8 0 0 k v 直流输电对系统影响及仿真技术的研究( 课题编 号：2 0 0 6 b a a 0 2 a 1 7 ) 的攻关任务：“基于r t d s 的电磁一机电暂态混合实时仿真平 台研究与实现”，主要是关于电磁一机电暂态混合实时仿真接口的研发。 1 1 4 研究基于r t d s 电磁一机电暂态混合实时仿真接口的意义 目前现有的两类分析软件即电磁暂态分析软件和机电暂态分析软件中，基于基 波、相量、序分析的机电暂态分析软件在仿真h v d c 系统和f a c t s 等电力电子设 备时多采用准稳态模型模拟，对其快速暂态特性和非线性元件引起的波形畸变均不 能反映；而电磁暂态分析软件则基于a b c 三相瞬时值表示，系统所有元件动态特 性多采用微分方程描述，计算步长小、计算量大，因此，其仿真规模受到仿真速度 的制约，一般为保证实时性都需要对原电力系统进行等值化简。特别是在包括 h v d c 、f a c t s 设备的系统中，为了分析这些元件引起的快速暂态过程和波形畸变 5 华北电力大学硕十学位论文 对系统机电暂态过程的影响，进行工程分析时往往需要等值来进行，大大影响了系 统分析的准确性和可靠性。通过系统等这必将大大影响系统分析的准确性和可靠 性。因此，将电磁暂态计算与机电暂态计算进行实时接口，在一次仿真过程中同时 实现对大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电磁暂态仿真具有重要的现 实意义和理论价值。 在实际工程中，如对南方电网大型交直流系统的动态行为进行研究，对于2 2 0 k v 的子网仅用静态负荷或等值机的模型已经无法准确描述；而相互独立的电力系统电 磁暂态、机电暂态的分析手段，就现有硬件条件而言也不能满足现代高维、广域、 非线性的大型电力系统研究和分析的要求。因此，结合二者的优点，建立实时的电 磁一机电暂态混合模型，实现模型接口的平滑连接，分析其中的动态现象并且采用 适当的控制策略加以抑制则显得至关重要。如何将两类仿真过程实时平滑连接，同 时又必须充分体现两类仿真网络的动态特性，这也是在电磁一机电暂态混合实时仿 真领域一直没有很好解决的难点。 在国际上，r t d s 的研制和商业化运营较早( 1 9 9 2 年至今更新四代) ，是为实 现实时电力系统电磁暂态仿真而专门设计的并行计算机系统，也是用户最多的实时 仿真工具，多年来日臻成熟，在电磁暂态仿真方面具有很高的可信度和严格的实时 性伫1 】错误1 未找劐引用蠢- 【2 9 3 0 3 t l 。 相对于物理控制装置仿真实验，r t d s 仿真连接较为方便，可以精确模拟交直 流电力系统动态特性，具有良好的可扩展性和兼容性。由于r t d s 的实时性，可以 将其计算结果通过d a 转换以模拟量输出，与实际设备连接构成灵活方便的数字一 物理闭环回路，用于各种控制或继电保护装置的实验。因此，r t d s 同时具有了物 理和数字两种仿真手段的优点，是一种非常先进的仿真工具。工程中越来越多地应 用于h v d c 、f a c t s 等控制装置的研发、性能测试和系统故障研究，并且仿真准确 性和实时性都已经得到了用户广泛的验证和认可。 目前南方电网目前已经拥有国内规模最大、最先进、配备了天广高肇兴安三 广直流输电物理控制保护设备的r t d s 仿真实验室，其规模已具有2 8 个r a c k ，但 对于2 2 0 k v 的子网只能限于用静态负荷或等值机的模型来描述，在分析h v d c 、 f a c t s 设备引起的快速暂态过程和波形畸变对系统机电暂态过程的影响时受仿真 精度制约无法满足要求。 由于r t d s 的高精度、快速响应和实时性，致使其在研究大规模电力系统的机 电暂态仿真方面和灵活地将电磁机电暂态仿真进行平滑连接方面都存在先天不足。 因此在r t d s 平台上建立混合实时仿真系统对其应用深入开发和改善使用条件是十 分有意义的。 而r t d s 的内部技术并未公开，在这一平台研究混合仿真课题首先需要对r t d s 6 华北电力大学硕士。z 位论文 的工作原理进行深入研究，对模型的建立与调试熟练掌握；其次要熟悉其对通讯协 议及数据传递中的制约；最后还要对自定义的功能全面掌握，才可能实现这一前端 课题。 1 2 电力系统电磁一机电混合仿真接口的研究现状 实际上，1 9 8 1 年h e f f e t n a n 教授在文献 3 2 】就首次提到利用两个不同的仿真程序 分别对直流系统和交流系统进行非实时仿真，并将两者进行连接。文中对h v d c 系统建立了详细的模型，对交流电网建立了稳态模型，接口位置选在了换流器的终 端母线，传输变量是总有功功率的有效值和经f f t 导出的电压基波量。该方法充分 利用了电磁暂态和机电暂态仿真程序的优点，并完成了混合仿真实验。文中提出了 电磁暂态仿真与机电暂态仿真进行接口的思想，接口方式为：进行交直流机电暂态 仿真过程中，从故障发生时刻，到故障消除、系统不对称特性和谐波特性基本平息 后的这段时间，直流系统采用电磁暂态仿真，与其相连的交流系统用时变戴维南等 值电路表示，同时交直流系统的暂态稳定仿真( 其中的直流系统用准稳态模型模拟) 也同步进行，并根据直流系统电磁暂态仿真结果对直流系统准稳态模型运行条件进 行实时修正：系统暂态过程平息之后停止电磁暂态仿真，只采用机电暂态模型继续 仿真交直流系统的后续动态过程。虽然仅完成了非实时的混合仿真，但在接口部分 为实时的混合仿真奠定了接口等值模型和算法的基础。 1 9 8 8 年，加拿大滑铁卢大学的r e e v e 教授，在文献1 3 3 1 q b 提出了接1 ：3 位置不应 限定在换流变压器的交流侧母线上，应该向交流网络进一步延伸。这样可以更好的 考虑电力电子设备产生的谐波对交流电网的影响。电磁暂态部分用的是e m t p 完 成，在机电侧的等值采用插值法来替代f f t 。这种接口设计方案延续了文献 3 2 中 的思想，但首次提出接口的位置对仿真的影响，并且改善接口算法的计算速度。 新西兰铝业冶炼有限公司a n d e r s o n 在文献 3 4 】中提出在电磁暂态仿真程序中， 将机电暂态部分在电磁暂态部分中的接口等值电路用一个频变模型等效模型来模 拟，这样可以在一个很宽的频域范围内反映出外部交流网络的真实响应。在稳态时 期，全网用机电暂态程序进行仿真。同时，原来代表电磁部分网络的机电程序被隔 离，但根据计算结果保持不断的更新数据，也就是接口有两个，系统l 的机电暂态 程序向电磁暂态( 用e m t d c 程序来实现) 和系统2 的机电暂态同时发送数据。当 扰动的影响消失后，用准稳态模拟的系统2 和e m t d c 计算的系统2 进行比较，如 在一个时间段内两者产生的结果相近，则全网用机电暂态仿真，e m t d c 退出运行。 这种在稳态和暂态以不同的接口方式进行处理为混合仿真接口研究拓宽了思路，频 变的模型也提高了接口的仿真精度。 在1 9 9 8 年加拿大密西沙加市s u l t a n ( 将机电暂态程序和e m t p 相连) 和2 0 0 0 7 华北电力大学硕士学位论文 年美国德克萨斯i 1a & m 大学k a s z t e n n y 分别在文献 3 5 1 和 3 6 】中对文献【3 4 】所做的 改进工作进行了实践。而且在文献 3 6 】中提出了一种不同接1 2 1 等值模型进行连接的 方法，即将波形的、向量的和代数的等值模型模型转换到一个完整的模型中。 新西兰坎特博雷大学j a r r i l l a g a 和n r w a t s o n 在文献 3 7 】进行了深入的研究， 包括：电磁暂态仿真程序的输出波形的可信性、接口母线的选择和基于实时仿真的 数据交换的流程。 2 0 0 0 年到2 0 0 5 年之间，香港理工大学的k w c h a n 教授和l a s n i d e r 教授 针对实时混合仿真进行了很多深入的工作。文献 3 8 3 9 4 0 1 建议采用频变模型等效 外部电网( 机电暂态部分) ；接口母线位置需要满足基波向量提取标准，如果波形 畸变太严重，则需要向交流网延伸；文中提出了基于预估校正的并行时序交换方案， 虽然增加了仿真精度，但是限制了应用范围。 2 0 0 7 年有关资料指出加拿大r t d s 公司也致力于这方面的研究，在对原始系统 进行初步等值后，将文献 3 8 3 9 1 1 4 0 1 的改进工作在r t d s 平台上以自定义的方式实 现。 在国内方面，2 0 0 4 年中国电力科学研究院的岳程燕博士于文献 4 1 4 2 4 3 d p 提 出了基于节点分裂法的电磁暂态计算方法，解决了由接口引起的电磁网络导纳矩阵 的不对称问题；并开发了并行计算的电磁暂态仿真程序e t s d a c ；针对接口数据交 换给电磁暂态计算带来的小扰动，提出了线性插值的处理方法；利用并行机群实现 了限定时间内单一交流系统的混合实时仿真，但达到交直流输电系统混合实时仿真 的水平仍有一定困难。 2 0 0 5 年天津大学硕士研究生鄂志君在文献 4 4 】中利用p s c a d e m t d c 及其自 定义模块，在同一软件平台上实现了非实时混合仿真。 2 0 0 6 年，清华大学柳勇军博士在文献【4 5 4 6 【4 7 】中针对完全交流系统研究了混 合仿真接口电路的等值方法，提出了并行和串行相结合的接口数据交互时序。基于 m y r i n e t 网络，实现了多微机并行实时数字混合仿真实验。该接口算法在对称故障 情况下仿真结果比较理想，但所研究的混合仿真接口算法还不能对含有直流输电的 电力网络进行仿真分析。清华大学又将此成果与r t d s 平台的优势结合，在r t d s 上实现电磁暂态仿真，多微机并行实现机电暂态仿真，并自行开发通讯网络将两者 进行实时的数据交换，提供了另一种接口的思路。 综上所述，经过各国学者多年的研究，对于电磁一机电暂态混合仿真接口方面 提出不同的理论和改进措施，但是目前在r t d s 平台上实现电磁一机电暂态混合实 时仿真接口方面仍然存在一些难点，主要表现在： 1 )已有的接口研究大部分基于自行开发的程序或平台，连接不同的电磁暂态与机 电暂态仿真程序，以方便控制程序的进程与数据交互，这种方式可控性强，但 8 华北电力大学硕士学位论文 仿真速度难以保证，与外部硬件设备连接进行闭环试验比较困难。而在r t d s 平台上虽然实现闭环试验比较容易，但是r t d s 属于非开放资源，因此在使用 上受到研发单位的制约，开发接口模块时需要适应其限制条件。 2 )电磁机电暂态混合仿真接1 3 模块的基本建立思路都是采用将对方系统等值的 方法，在r t d s 上实现相互等值模型时，由于数据交换和计算的并行处理，需 要对原有方法进行改进，以满足实时性和精度的要求。 3 ) 基波正序的提取目前主要采用f f t 和曲线拟合法，都存在至少一个周期的延 迟。为了保证接口的实时性和数值稳定性，需要提出一种能够更快速、更准确 地由三相瞬时值抽取基波正序相量的方法。 1 3 本文的主要工作 结合“十一五国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范 课题1 7 一一+ 8 0 0 k v 直流输电对系统影响及仿真技术的研究( 课题编号： 2 0 0 6 b a a 0 2 a 1 7 ) 中的任务“基于r t d s 的电磁一机电暂态混合实时仿真平台研究 与实现”，本文针对在r s c a d 环境下完成电磁一机电暂态混合实时仿真接口部分 的研究与开发工作，主要内容包括： ( 1 ) 深入分析了电磁暂态过程仿真和机电暂态过程仿真各自的特点和存在的局限 性，对电磁一机电暂态混合仿真接口的基本概念和原理进行了总结和阐述，指 出接口算法是实现电磁一机电暂态混合实时仿真的关键和核心技术，研究并分 析接口部分的解决思路和方法。 ( 2 ) 提出和实现了电磁一机电暂态混合实时仿真接1 3 算法。包括改进机电侧的戴维 南等值方法解决接口电路中引起的两侧频率不一致的问题；应用所提出的 d q 1 2 0 变换基波提取算法，加快了电磁侧可控功率源等值模型的计算速度和提 高了计算效率；并行接口时序交互方式提高仿真速度，满足了实时性要求。 ( 3 ) 根据本文提出的接口算法，通过分析研究r t d s 平台的计算能力、通讯方式、 及内存限制等特点设计可行的电磁一机电暂态混合实时仿真的接口结构模式， 在r t d s 平台上利用其自定义功能( c b u i l d e r ) 实现电磁暂态子系统与机电暂 态子系统之间的相互等值及数据交换的模块。 ( 4 ) 实现接1 3 模块并配合机电暂态模块应用于基于r t d s 的电磁一机电暂态混合实 时仿真平台，针对三种不同网络结构的交直流混合输电系统进行仿真研究，验 证接口的正确性、有效性。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章电磁一机电暂态混合实时仿真接口的基本原理 将原系统进行初步等值建模后，选取合适的接口按需要将其划分为两部分：需 要详细仿真的部分和需要规模化仿真的部分。前者建立电磁暂态模型，并与外部控 制装置连接进行实时电磁暂态仿真；后者则建立相应的机电子网模型，进行大规模 的机电暂态仿真，并且两者进行实时的数据交互，从而构成电磁一机电暂态混合实 时仿真系统。因此需要对电磁暂态和机电暂态的特点和不足进行进一步的研究，才 能很好地将机电暂态仿真和电磁暂态仿真联合起来进行接口，同时对接口的处理也 是机电暂态和电磁暂态混合仿真中的关键，很多专家学者对相关问题进行了长期不 懈的研究并取得了很大的进展。概括起来，接口技术主要包括接口位置的选择，机 电和电磁两侧的等值电路形式以及数据转换、数据交互方式，电磁侧的基波提取和 数值稳定性、实时性等问题。 2 1 电磁暂态与机电暂态仿真 电力系统是大规模复杂系统，其电压和频率变化的动态响应时间可从数微秒到 数小时。目前，根据仿真过程的不同，电力系统仿真通常分为：电磁暂态过程仿真、 机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真三类。 电力系统在正常运行、异常运行或者故障条件下，涉及到的频率范围极其广泛， 如图2 - 1 所示。它包含了各种电、磁、机械以及相互作用的物理现象和动态过程， 从锅炉、汽轮机的动态过程到电网的次同步谐振现象，从额定频率、高次谐波到极 快速的暂态行波过程等都可归入其中【4 引。 电磁过程机电过程中长期过程 f ? ；咿 ”； 雾彩雩犯”4 “彦力j 彬；爹缪绣 囊 矗、 7 ，：霉 l ；k 一k ，“，h h z 鳓i 碰描。i f 铽蕊i 蠡女，。女滋 1 0 61 0 51 0 41 0 31 0 21 0 1l o ol0 - 1lo - 2lo - 3 1 0 - 4 ( h z ) 行波暂态效应操作过电压短路暂态稳定汽轮机控制锅炉动态 图2 1电力系统主要动态过程的频率范围 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 电磁暂态仿真 1 5 】【4 8 】 电磁暂态主要指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程。对电 磁暂态仿真的主要目的在于分析和计算电网故障或操作后可能出现的暂态过电压 和过电流，以及系统谐波和波形畸变，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。此外，对于研究新型快速继电保护装置的动作原理，故障点探测原理及电磁 干扰等问题，也常需进行电磁暂态分析。 由于电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电 压、电流瞬时值变化情况，因此，分析中需要考虑元件的非线性、电磁耦合、计及 输电线路分布参数所引起的波过程，还要考虑线路三相结构的不对称、线路参数的 频率特性以及电晕等因素的影响。这类电力系统现象变化快，持续时间短，而急剧 变化过程中振荡频率往往高达几千赫兹。因此，在电磁暂态仿真中通常采用时域瞬 时值分析计算。由于在电力系统电磁暂态仿真中所用的数学模型非常复杂，需要求 解的微分方程也非常复杂，因而电力系统的电磁暂态仿真的规模受到一定限制，通 常不超过几百个母线节点或线路。电磁暂态数字仿真的计算步长常常取2 0 2 0 0 p s 。 电磁暂态仿真通常采用三相瞬时值分析计算。具体表现为网络中广泛存在的电 容、电感等元件构成的微分方程组的求解。 小， 等= 厂( y ( f ) ，f ) ( 2 1 ) 口f 目前得到广泛应用的电磁暂态分析方法主要有z 变换分析法、状态变量法、离 散网络法和暂态网络分析( t r a n s i e n tn e t w o r ka n a l y z e r s ，t n a ) 等等。其中离散网 络法是将电力系统中的并联电抗器、并联和串联电容器等集中参数元件，或可以近 似处理成集中参数的元件( 如变压器和短线路) 的电压和电流间关系用常微分方程 ( 纯电阻参数元件则为代数方程) 描述，然后应用数值方法进行求解。由于隐式梯形 积分法比较简单而且具有相当的精度和良好的数值稳定性，并能较好地适应刚性微 分方程组，因此在电磁暂态程序中常采用这种积分方法。 a t i = 以+ 詈( 以+ l + 六) ( 2 - 2 )