电力系统的电磁暂态实时仿真系统及方法

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电力系统的电磁暂态实时仿真系统及方法。

背景技术

随着电网电压等级的提高、容量增大以及高压直流输电技术和电力电子技术的不断发展，短路产生的暂态过程更加剧烈，暂态分量对保护动作的影响越来越大，详尽、全面、准确、快速地对电力系统的动态过程进行分析和仿真，是保障电力系统安全稳定运行的重要基础。而电磁暂态仿真具有现象刻画准确，应用广泛，数值稳定性好等特点，其应用涵盖了电力系统规划、设计、运行及科学研究等多个方面，是了解电力系统暂态复杂行为的必要工具。

但传统的电磁暂态实时仿真平台均由大型计算机并行组成，平台构建复杂，部署起来费时费力，不方便电力从业者的使用。

发明内容

基于此，有必要针对电磁暂态实时仿真平台构建复杂，部署困难的问题，提供一种方便使用的电力系统的电磁暂态实时仿真系统及方法。

一种电力系统的电磁暂态实时仿真系统，该仿真系统包括：仿真控制设备，仿真计算服务设备，接口设备以及电力设备；仿真控制设备与仿真计算服务设备连接，用于发送服务请求数据包至仿真计算服务设备；仿真计算服务设备与接口设备连接，仿真计算服务设备用于根据服务请求数据包，以预设采样频率向接口设备传输采样报文；接口设备与电力设备连接，接口设备用于根据采样报文，输送相应的暂稳态电压电流至电力设备；接口设备还用于在输送相应的暂稳态电压电流至电力设备时，获取电力设备的开关量信息，并转换为报文信号，传输至仿真计算服务设备，仿真计算服务设备根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，得到仿真结果并输送至仿真控制设备。

上述仿真系统，通过仿真控制设备以及仿真计算服务设备来分别对仿真过程进行控制以及计算，以及采用接口设备来与电力设备进行对接，在构建仿真平台时能够有效的减少了接口设备的使用，不需要增加额外的硬件接口设备来实现大型计算机并行，使得整个仿真系统在构建的过程中比较方便，方便用户使用。

在其中一个实施例中，电力设备包括一次设备以及二次设备，一次设备与接口设备连接，一次设备用于将开关量信息发送至接口设备，二次设备与接口设备连接，二次设备用于接收接口设备输送的暂稳态电压电流。

在其中一个实施例中，二次设备为智能二次设备，接口设备包括扩展装置、合并单元、交换机设备以及智能终端，仿真计算服务设备与扩展装置连接，扩展装置与合并单元连接，合并单元与二次设备连接，交换机设备与二次设备、智能终端以及仿真计算服务设备连接，一次设备通过智能终端与交换机设备连接。

在其中一个实施例中，交换机设备为Goose网交换机。

在其中一个实施例中，仿真系统还包括过程层设备，合并单元以及交换机设备均通过过程层设备与二次设备连接。

在其中一个实施例中，二次设备为非智能二次设备，接口设备包括数模转换装置、实时功率放大装置以及开关量转换装置，仿真计算服务设备与数模转换装置连接，数模转换装置与实时功率放大装置连接，实时功率放大装置与二次设备连接，二次设备与一次设备连接，一次设备与开关量转换装置连接，开关量转换装置与仿真计算服务设备连接。

在其中一个实施例中，仿真系统还包括二次回路，实时功率放大装置通过二次回路与二次设备连接，一次设备通过二次回路与二次设备连接。

在其中一个实施例中，仿真计算服务设备与接口设备之间采用IEC61850通信协议进行数据通信。

在其中一个实施例中，仿真系统还包括交互装置，交互装置与仿真控制设备连接。

一种电力系统的电磁暂态实时仿真方法，包括步骤：

接收仿真控制设备发送的服务请求数据包；根据服务请求数据包，以预设采样频率向接口设备传输采样报文，并获取接口设备反馈的报文信号；采样报文用作接口设备输送相应的暂稳态电压电流至电力设备；报文信号为接口设备在输送相应的暂稳态电压电流至电力设备时，获取电力设备的开关量信息并转换得到；根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，得到仿真结果并输送至仿真控制设备。

上述方法，通过仿真计算服务设备接收仿真控制设备的服务请求数据包，并传输采样报文至接口设备以从接口设备获取反馈回的报文信号，然后根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，能够快捷方便的对电力系统中的电磁暂态进行仿真，方便用户使用。

附图说明

图1为一实施例中的电力系统的电磁暂态实时仿真系统的结构框图；

图2为一实施例中的电力系统的电磁暂态实时仿真系统的结构框图；

图3为一实施例中电力系统的电磁暂态实时仿真系统的结构框图；

图4为一实施例中电力系统的电磁暂态实时仿真方法流程示意图；

图5为一实施例中仿真系统的软件整体结构框图；

图6为一实施例中仿真控制设备的通信模块结构框图；

图7为一实施例中仿真计算服务设备的通信接口模块结构框图；

图8为一实施例中仿真计算服务设备与接口设备的通信模块框架结构图；

图9为一实施例中仿真模型中实时元件的仿真计算工作流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电力系统的电磁暂态实时仿真系统，该仿真系统包括仿真控制设备100，仿真计算服务设备200，接口设备200以及电力设备400。仿真控制设备100与仿真计算服务设备200连接，用于发送服务请求数据包至仿真计算服务设备200。仿真计算服务设备200与接口设备200连接，仿真计算服务设备200用于根据服务请求数据包，以预设采样频率向接口设备200传输采样报文。接口设备200与电力设备400连接，接口设备200用于根据采样报文，输送相应的暂稳态电压电流至电力设备400；接口设备200还用于在输送相应的暂稳态电压电流至电力设备400时，获取电力设备400的开关量信息，并转换为报文信号，传输至仿真计算服务设备200。仿真计算服务设备200根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，得到仿真结果并输送至仿真控制设备100。

其中，仿真控制设备100可以采用便携式计算机或者普通工作站等作为硬件平台，安装相应的操作系统作为软件操作平台(例如Windows7或Windows10等操作系统)。仿真计算服务设备200可以采用计算机个人电脑或者多核高主频工作站作为硬件平台，采用Linux操作系统作为软件操作系统。仿真控制设备100与仿真计算服务设备200之间通过网络设备(例如以太网网络设备等等)连接，可以采用预设的内部通信协议进行数据通信。接口设备200可以是数模转换装置321、实时功率放大装置322、开关量转换装置323、断路器、刀闸以及智能终端314等等。仿真计算服务设备200与接口设备200之间可以采用光纤连接，采用IEC61850通信协议进行数据通信。电力设备400可以是变电站电力系统中的测控装置、保护装置、安稳装置以及录波器等等，电力设备400与接口设备200之间可以通过相关电力线回路或者虚端子等进行连接。

在仿真系统工作时，以采用便携式计算机作为仿真控制设备100为例，仿真控制设备100可以与交互装置连接(交互装置包括显示屏以及键盘)，仿真控制设备100主要用于人机交互，用户可以通过仿真控制设备100输入相应的控制指令，仿真控制设备100根据相应的控制指令，发送对应的服务请求数据包(例如电磁暂态实时仿真等等)至仿真计算服务设备200，仿真计算服务设备200根据该服务请求数据包，通过SV(Sampled Value，采样值)报文格式以预设采样频率向接口设备200传输暂稳态电压电流，例如采用IEC61850通信协议传输采样报文至接口设备200，接口设备200再根据该采样报文，通过电力线回路或虚端子输送相应的电压电流至电力设备400，以获取电力设备400的开关量信息，接口设备200再将开关量信息转换为报文信号，传输给仿真计算服务设备200，然后通过仿真计算服务设备200来进行电磁暂态计算工作，最后发送相应的应答报文给仿真控制设备100，完成仿真过程。其中，预设采样频率可以选择不低于4K的采样频率，电磁暂态计算采用的是现有常规仿真软件进行计隐式积分计算，例如EMTP(Electro-Magnetic Transient Program，电磁暂态分析程序)，后文将对电磁暂态计算的过程进行详细说明，在此不做赘述。

上述仿真系统，通过仿真控制设备100以及仿真计算服务设备200来分别对仿真过程进行控制以及计算，以及采用接口设备300来与电力设备400进行对接，在构建仿真平台时能够有效的减少了接口设备的使用，不需要增加额外的硬件接口设备来实现大型计算机并行，使得整个仿真系统在构建的过程中比较方便，方便用户使用。。

在一个实施例中，电力设备400包括一次设备402以及二次设备401，一次设备402与接口设备200连接，一次设备402用于将开关量信息发送至接口设备200，二次设备401与接口设备200连接，二次设备401用于接收接口设备200输送的暂稳态电压电流。其中，一次设备402包括断路器以及刀闸等，例如可以是模拟断路器或者真实的断路器以及模拟刀闸或真实的刀闸。二次设备401包括数模转换装置321、功率放大电路、开关量转换装置323以及智能终端314等。

进一步的，在一个实施例中，如图2所示，二次设备401可以为智能二次设备401，接口设备200包括扩展装置311、合并单元312、交换机设备313以及智能终端314，仿真计算服务设备200与扩展装置311连接，扩展装置311与合并单元312连接，合并单元312与二次设备401连接，交换机设备313与二次设备401、智能终端314以及仿真计算服务设备200连接，一次设备402通过智能终端314与交换机设备313连接。其中，仿真计算服务设备200采用的为计算机电脑，其PCIE(peripheral component interconnect express，高速串行计算机扩展总线标准)扩展插槽有限，通过采用扩展装置311将仿真计算服务设备200输出的采样报文镜像配置后通过拉虚端子的形式进行扩展至合并单元312(合并单元312包括间隔合并单元以及母线合并单元)，然后再将镜像配置后的采样报文传输至二次设备401。交换机设备313通过智能终端314来获取一次设备402(包括模拟/实际断路器以及模拟/实际刀闸)中的开关量信息(包括刀闸位置信息以及断路器位置信息)，然后将开关量信息发送至仿真计算服务设备200。进一步的，在一个实施例中，如图2所示，该仿真系统还包括有过程层设备500，其中，合并单元312以及交换机设备313均通过过程层设备500与二次设备401连接。需要说明的是，智能二次设备401指的是具有网络化信息共享特征的二次设备401，不需要通过传统的电力电缆等来实现数据信息的传输，即仿真计算服务设备200与扩展装置311之间可以采用光纤连接，扩展装置311与合并单元312之间可以采用光纤连接，合并单元312与过程层之间可以采用光纤连接，过程层与二次设备401之间可以通过网络连接进行数据传输，交换机设备313与仿真计算服务设备200之间也可以采用光纤连接，智能终端314与交换机设备313之间也可以采用光纤连接，而智能终端314与一次设备402(包括模拟/实际断路器以及模拟/实际刀闸)则采用硬电缆连接。在一个实施例中，交换机设备313为Goose网交换机，通过Goose网交换机能够将开关量信息转换为Goose报文形式的报文信号，提高信息的传递速率。

在一个实施例中，如图3所示，二次设备401可以为非智能二次设备401，接口设备200包括数模转换装置321、实时功率放大装置322以及开关量转换装置323，仿真计算服务设备200与数模转换装置321连接，数模转换装置321与实时功率放大装置322连接，实时功率放大装置322与二次设备401连接，二次设备401与一次设备402连接，一次设备402与开关量转换装置323连接，开关量转换装置323与仿真计算服务设备200连接。其中，数模转换装置321用于将仿真计算服务设备200输送的采样报文转换为模拟信号(例如0-10KV的电压信号)，然后通过电力电缆将模拟信号输送至实时功率放大装置322，进行增益放大，最后接入到二次设备401中，开关量转换装置323则通过硬电缆与一次设备402(包括模拟/实际断路器以及模拟/实际刀闸)连接，采集开关量信息并发送至仿真服务计算设备。进一步的，在一个实施例中，如图3所示，仿真系统还包括二次回路600，实时功率放大装置322通过二次回路600与二次设备401连接，一次设备402通过二次回路600与二次设备401连接。需要说明的是，非智能二次设备401指的是常规的二次设备401，其不具备有网络化信息共享特征。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种电力系统的电磁暂态实时仿真方法，包括步骤：

S100、接收仿真控制设备发送的服务请求数据包。具体的，仿真计算服务设备通过光纤或以太网与仿真控制设备连接，服务请求数据包括为电磁暂态实时仿真请求。

S200、根据服务请求数据包，以预设采样频率向接口设备传输采样报文，并获取接口设备反馈的报文信号。其中，采样报文用作接口设备输送相应的暂稳态电压电流至电力设备；报文信号为接口设备在输送相应的暂稳态电压电流至电力设备时，获取电力设备的开关量信息并转换得到。

具体的，预设采样频率为不低于4K的采样频率，仿真计算服务设备在接收到服务数据请求数据包之后，通过采样报文格式，以不低于4K的采样频率向接口设备传输暂稳态电压电流数据，接口设备根据采样报文，将输送相应的暂稳态电压电流至电力设备，同时采集电力设备的开关量信息转换为报文信号，并反馈给仿真计算服务设备。需要说明的是，在其它实施例中，仿真计算服务设备与采样报文格式可以是SV(Sampled Value，采样值)报文格式。

S300、根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，得到仿真结果并输送至仿真控制设备。仿真计算服务设备在接收到接口设备反馈的报文信号之后，进行电磁暂态仿真计算，其中，电磁暂态仿真计算可以通过现有的常规仿真软件，例如EMTP(Electro-MagneticTransient Program，电磁暂态分析程序)等。

上述方法，通过仿真计算服务设备接收仿真控制设备的服务请求数据包，并传输采样报文至接口设备以从接口设备获取反馈回的报文信号，然后根据报文信号进行电磁暂态仿真计算，能够快捷方便的对电力系统中的电磁暂态进行仿真，方便用户使用。

在一个实施例中，为了充分的解释说明本申请，参考图5至图9，其中，图5示出了仿真系统的软件整体结构，仿真系统可从软件结构上可分为表现层、仿真层、接口层以及设备层。表现层部署于仿真控制设备，主要负责人机交互，可实现图形绘制、模型编辑、故障设置、参数设置、仿真过程控制、波形实时显示、录波调取等。仿真层部署于仿真计算服务设备，主要进行电磁暂态实时仿真服务，主要由电磁暂态计算、SV(Sampled Value，采样值)采样报文发送、goose(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站时间)信号处理这三个模块构成，其中，电磁暂态计算基于EMTP算法，计算出当前时刻及历史时刻的节点电压和电流，组包函数将节点电压电流进行组包，组成IEC61850-9-2报文后使用SV发送线程通过系统调用方式将SV报文通过网卡驱动直接发出；在goose接收方面，仿真goose信号处理进程采用一种基于零拷贝的报文接收机制，采用零拷贝技术和内存地址映射技术简化报文接收流程，去除不必要内存拷贝和系统调用开销，使goose报文接收延迟控制在微妙级别。接口层主要对仿真系统的SV采样报文输出进行扩展或进行数模转换及对信号进行开关量转换。设备层是智能或常规的高低压保护装置、测控装置、安稳装置、备自投装置、故障录波器、模拟或真实断路器、模拟或真实刀闸等设备，与接口设备及数字电磁暂态仿真软件一起构成实时电磁暂态仿真系统。

参考图6，图6示出了仿真控制设备的通信模块结构框，包括仿真控制、遥控遥调、模型接收、故障设置、参数修改、实时波形、值变化、录波以及模型下装，其中通信报文传输采用winpcap提供的接口，文件传输使用QTsocket提供的接口，仿真控制设备通过提出不同的服务请求，打包成报文数据发送至仿真计算服务设备，由仿真计算服务设备来完成相关的应答。

参考图7，图7示出了仿真计算服务设备的通信接口模块，实现仿真控制设备对仿真过程的控制，以及仿真结果的返回，仿真计算服务设备运行时最先加载该模块，该模块将仿真控制设备发送过来的报文解析并按照不同报文类型更新共享内存的控制区和数据区，将数据区和控制区的数据变化送至仿真控制设备，完成仿真控制设备的数据更新。在仿真计算服务设备方面，主要由电磁暂态计算、SV采样报文发送、goose报文信号处理这三个模块构成，其中SV采样报文发送、goose报文信号收发各为一个线程，两者一起组成实时通讯控制模块。

参考图8，图8示出了仿真计算服务设备与接口设备进行通讯时的通信模块的框架结构，通过该通信模块实现仿真计算服务设备与接口设备的实时通讯，其中，通信协议可以采用IEC61850通信协议。

参考图9，图9示出了仿真模型中实时元件的仿真计算工作流程图，通过暂态元件模型进行电磁暂态计算，主要算法是隐式积分计算。具体的，电磁暂态分析的主要任务是在离散时刻点求解描述系统动态特性的微分代数方程组，本仿真系统采用时域分析求解系统的微分方程，用于分析计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，根据电网变电站主接线图生成电力系统网络结构图并进行等效简化，根据部分元件的分布参数特性、频率特性以及非线性特性生成各元件的相关数学模型，得到各个节点电压和支路电流的方程，在故障或操作时刻，修改参数矩阵，采用数值积分计算得到故障或操作前后若干个周期内节点电压和支路电流的瞬时值，以及故障电流最大值、故障电流直流分量、衰减周期等参数，将各个时刻的瞬时值连续显示在图形界面上得到故障波形文件。除了电源，其它电力系统设备模型都可以用RLC组合的等值电路来表示，电磁暂态计算的过程是用梯形积分法求解这些等值电路的电压、电流微分方程，进而得到电压、电流的时域解。根据各元件的等值电路与耦合关系，生成伴随模型与参数矩阵，从t＝0s时刻开始计算各元件伴随模型的历史等效电流源，生成历史电流矩阵、历史节点电压矩阵以及各节点注入电流矩阵。各元件的初始数据有两种来源：一为根据电源特性从零状态开始计算，二是根据各元件的稳态模型进行稳态计算，以计算结果为初值，根据初始参数矩阵计算扰动前的时域解，在扰动发生后，修改扰动支路参数，计算扰动发生后若干个周期各个物理量的时域解，在计算过程中，选用合适的方法来控制数值振荡的产生并充分考虑相间耦合关系。

本申请中的仿真系统采用完全图形化的用户操作方式，电磁暂态仿真部分采用EMTP算法，基于梯形积分规则，用伴随模型作为动态元件，用节点法建立方程，用稀疏矩阵和LU因式分解法等方法来解代数方程，仿真步长默认采用50μs，亦可由用户指定，并在整个仿真中保持不变。开关断开时为开路；开关接通时为短路，将两个相关联的节点合并为一个。采用本申请中的仿真系统能设置单一、多重故障及发展性故障，可用来研究电力系统的操作暂态(合、分闸)，谐振暂态、故障暂态、控制系统(重合闸)暂态问题等，系统具有低入门、低成本、易操作维护等特点；并且可模拟如母线、线路、变压器等设备各种类型的故障，如单相接地、两相相间、三相接地或短路等，以及接地电阻、动作时间和恢复时间等因素对各类保护动作行为的影响。以此为基础可以开展保护功能测试、保护定值校验、事故反演等工作；可对线路暂态超越等现象开展研究；可对空载合闸、励磁涌流等问题对变压器保护的影响开展研究学习；可对各类型设备的区内区外故障进行模拟，用以校验保护功能的可靠性和选择性；由于保护定值的计算依赖于短路计算，按照短路计算结果整定，短路计算往往忽略的电流设备的暂态特性，导致在实际故障时，保护装置不能具有很好的可靠性和选择性，因此还可用校验保护定值等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。