一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法及系统

技术领域

本发明涉及电网解耦领域，特别是涉及一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法及系统。

背景技术

随着新能源场站的不断接入，电网中出现大规模新能源集群的现象，由于系统规模大，同时含有大量的换流器、新能源场站、复杂的控制系统、信息物理系统等各种线性及非线性模型，使用传统的电磁暂态串行计算方法求解，速度缓慢硬件资源占用高，难以应用于实时仿真，为了提高计算速度，减小硬件资源占用，一种可行的方法是对电网进行解耦并行以减小计算规模。

目前常用的解耦方法是传输线自然分网方法，当传输线的长度对应的时间延迟大于仿真步长时，可将传输线作为分网元件，实现两端子系统的自然解耦。但是在新能源集群中，互联线路普遍较短，难以使用自然分网方法进行解耦。

韩佶，董毅峰，苗世洪等.基于MATE的电力系统分网多速率电磁暂态并行仿真方法提出多区域戴维南/诺顿等值(Multi-area Thévenin Equivalent，MATE)方法。该方法基于节点撕裂或支路分割，将全网分成多个子系统，每个子系统由其多端口戴维南/诺顿等值代替，但是在计算中需串行求解关联网络，计算效率比传输线自然分网低。

Schutt-Aine J.E.Latency insertion method(LIM)for the fast transientsimulation of large networks提出延迟插入法(latency insertion method，LIM)，但是，由于引入的附加电感和电容改变了系统的动态特性，使得仿真步长只能取较小值(纳秒或亚微秒级)，极大影响仿真效率。

Kato T,Inoue K,Fukutani T,et al.Multirate Analysis Method for a PowerElectronic System by Circuit Partitioning对状态变量和输入都采用前向欧拉法，借助其显式积分的可并行特性，提出一种一步时延的分网方法。但由于仅利用单个电感或电容元件两端电压与流经电流的解耦，开关动作时会为了避免非状态变量(电感电压或电容电流)突变引起数值振荡而不得不改用后退欧拉法，从而失去并行特性。

C.Dufour and G.Sapienza,“Testing 750 node distribution grids anddevices”和H.Hooshyar,F.Mahmood,L.Vanfretti,and M.Baudette,“Specifification,implementation,and hardware-in-the-loop real-time simulation of an activedistribution grid”提出了采用所谓“Stubline”的线路模型进行解耦的方法，这是一种经过调整以产生一个时间步长传播延迟的Bergeron模型，当变压器在合适的去耦点可用时，只需添加并联电容即可提供所需的延迟，实现效果更好，如果找不到变压器，则必须使用现有线路，并将其修改为Stubline，但在这种情况下，增加的电容会很大，而对仿真的准确性产生不利影响，并且可能会引入意外瞬变而产生潜在的不利影响。

目前用于实时仿真的系统解耦方法主要存在以下问题：

1)对于配电网和大规模新能源集群的电力网络，传输线路的长度通常较短，其固有的传播延时一般大于实时仿真的计算步长，用其进行解耦容易导致计算溢出，进而导致仿真结果失真。

2)贝瑞隆模型常用于高压网络，对线路参数的要求高，适用的场景有限。

3)多区域戴维南等值法在计算中需要串行求解关联网络，计算效率低，难以满足实时性要求。

综上所述，现有利用传输线解耦技术的最主要缺点是实时仿真的仿真步长与短线路传播延时之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法及系统，以解决实时仿真中解耦电路网络所面临的仿真步长的限制问题，在保证仿真精度的同时，实现电路网络之间的解耦，且具有更强的通用性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法，包括：

从解耦电网时拟采用的输电线路中，挑选出线路传播时间小于仿真步长的输电线路；

确定挑选出的输电线路等效电路模型；

根据仿真步长，以输电线路的传播时间大于或等于仿真步长为目标，计算补偿电容；

根据补偿电容计算补偿电感；

将补偿电容分成两部分，并联在输电线路等效电路模型中RL串联支路的两侧，每部分的电容值等于二分之一的补偿电容；并将补偿电感分为两部分，并联在输电线路等效电路模型中输电线路等效电路的两侧，每部分的电感值等于二倍的补偿电感，以使输电线路的初始电容保持不变，获得补偿传输线等效电路模型；

利用所述补偿传输线等效电路模型解耦电网，并对解耦后的电网并行进行电磁暂态仿真。

可选的，所述根据仿真步长，以输电线路的传播时间大于或等于仿真步长为目标，计算补偿电容，具体包括：

根据仿真步长，利用公式

式中，C

可选的，所述补偿电感的计算公式为

式中，L

可选的，所述输电线路等效电路模型包括：RL串联支路及并联在RL串联支路两侧的初始电容支路。

可选的，利用所述补偿传输线等效电路模型解耦电网，具体包括：

将RL串联支路和补偿电容一起等效为贝瑞隆模型；

利用贝瑞隆模型对电网进行解耦。

一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦系统，包括：

线路挑选模块，用于从解耦电网时拟采用的输电线路中，挑选出线路传播时间小于仿真步长的输电线路；

电路等效模块，用于确定挑选出的输电线路等效电路模型；

补偿电容计算模块，用于根据仿真步长，以输电线路的传播时间大于或等于仿真步长为目标，计算补偿电容；

补偿电感计算模块，用于根据补偿电容计算补偿电感；

补偿模块，用于将补偿电容分成两部分，并联在RL串联支路的两侧，每部分的电容值等于二分之一的补偿电容；将补偿电感分为两部分，并联在RL串联支路的两侧，每部分的电感值等于二倍的补偿电感，以使输电线路的初始电容保持不变，获得补偿传输线等效电路模型；

解耦模块，用于利用所述补偿传输线等效电路模型解耦电网，并对解耦后的电网并行进行电磁暂态仿真。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如前述的应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法及系统，将划分子系统位置处的线路与补偿传输线路交换，原线路与补偿传输线路的单位长度阻抗相同，只是增加了一个补偿电容，和原线路的电感一起提供一次步长的延时，稳态误差几乎可以通过对增加的电容进行补偿来消除，解决了实时仿真中解耦电路网络所面临的仿真步长的限制问题，在保证仿真精度的同时，实现电路网络之间的解耦，且具有更强的通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的波在均匀无损线上的传播示意图；

图2为现有的无损分布传输线和贝瑞龙模型对照示意图；图2中的(a)为无损分布传输线示意图，图2中的(b)为无损分布传输线对应的贝瑞龙模型示意图；

图3为本发明实施例提供的输电线路等效模型和补偿传输线等效电路模型对比示意图；图3中的(a)为输电线路等效模型示意图，图3中的(b)为补偿传输线等效电路模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法及系统，以解决实时仿真中解耦电路网络所面临的仿真步长的限制问题，在保证仿真精度的同时，实现电路网络之间的解耦，且具有更强的通用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明基于电磁波在输电线路上的传播原理，提出一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法。将划分子系统位置处的线路与补偿传输线路交换，原线路与补偿传输线路的单位长度阻抗相同，只是增加了一个分布电容，和原线路的电感一起提供一次步长的延时，稳态误差几乎可以通过对增加的电容进行补偿来消除，在保证仿真精度的同时，实现电路网络之间的解耦，且具有更强的通用性。

下面，首先介绍电磁波在输电线路上的传播原理。

以均匀无损输电线路为例，合闸后电源向电容充电，在导线周围建立起电场，靠近电源的电容立即充电，并向相邻的电容放电，如图1所示。由于线路电感的作用，较远处的电容要间隔一段时间才能充上一定数量的电荷，并向更远处的电容充电，这样电容依次充电，线路沿线逐渐建立起电场，形成电压，电压波以一定的速度沿线路传播。随着线路电容的充放电，将有电流流过导线的电感，在导线周围建立起磁场。因此，和电压波相适应，还有一电流波以同样的速度沿x方向流动。

电压波与电流波的关系为：

二者之比称为线路的波阻抗，对于架空线路，波速度为光速，而对于电缆线路，约为光速的一半。波阻抗Z

设线路长度为l，那么有：

式(3)中v为传播速度，(4)中τ为传播时间，L、C为整个线段的电感和电容。

其次，一种在计算核之间解耦网络的经典方法是利用传输线的固有传播延时，这类线路通常被建模为贝瑞隆模型(Begeron Model)，典型的高压网络具有许多这种类型的线路，因此在高压网络中容易选择合适的线路作为解耦点。因此，下面介绍解耦高压网络时所使用的贝瑞隆模型。

贝瑞隆模型利用电磁波在线路上的传播时间实现线路两端电路的解耦，其等值电路图如图2(b)所示，这里以单相无损线路为例做一下介绍。

考虑图2(a)为无损分布参数传输线，L

其一般解(通解)为：

其中，f

可以看出，当(x-vt)为常量时，u(x,t)+Z

u

整理式(8)可得：

令

由上式可知，I

同样的对于k端则有：

这样，图2(a)所示的无损分布参数传输线模型则转化为了图2(b)所示的贝瑞隆模型，由图2(b)可见，输电线路的等值电路在拓扑上两端是解耦的，即节点m和节点k之间没有联系而各自独立，即利用电磁波在线路上的传播时间实现了电力网络两端的自然解耦。事实上，由式(10)和式(13)可见，节点m和节点k之间的关联关系被隐含在历史电流源中，即计算m节点的历史电流源需用到k节点的电压、电流历史值；反之，计算k节点的历史电流源需用到m节点的电压、电流历史值。

有损分布传输线的贝瑞隆等效模型与无损分布传输线的一致，设线路单位电阻为R

其中：

由于贝瑞隆模型对线路的要求高，适用范围有限，当输电线路的长度较短，电磁波的传输时间小于仿真步长时，贝瑞隆模型将不再适用，为得到应用范围更广的模型，本发明在贝瑞隆模型的基础上进行改进，本发明实施例提供了一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1，从解耦电网时拟采用的输电线路中，挑选出线路传播时间小于仿真步长的输电线路。

步骤S2，确定挑选出的输电线路等效电路模型。

先将图2中的(a)所示的分布参数线模型等效为图3中的(a)所示的形式，设线路长度为l，则图中L＝l·L

图3中的(a)所示的输电线路等效电路由RL串联支路及并联在其两侧的初始电容支路构成。

步骤S3，根据仿真步长，以输电线路的传播时间大于或等于仿真步长为目标，计算补偿电容。

设实时仿真中的仿真步长为T

式(18)可以计算出满足τ≥T

步骤S4，根据补偿电容计算补偿电感

为保证原始线路的初始电容保持不变，需要引入电感L

步骤S5，将补偿电感分为两部分，并联在RL串联支路的两侧，每部分等于2L

C

对于有损线路，有：

可以看出，在高频的情况下，式(21)接近式(4)，可用同样的方法进行补偿。

步骤S6，利用所述补偿传输线等效电路模型解耦电网，并对解耦后的电网并行进行电磁暂态仿真。

补偿传输线路模型在正确的补偿频率下与原始模型等效。这里的等效性指的是整体分流和串联阻抗，然而，新线路将在其端口之间引入额外的时间延迟。

可见，本发明解决了在实时仿真多核计算环境下，并行处理核之间的解耦问题。

本发明的关键点包括：

1、利用电磁波在输电线路上传播的固有延时对电力网络进行解耦。

2、通过补偿线路电容的方式来对原始的输电线路进行改造，再引入电感来补偿增加的电容，使得改造后的输电线路与原始线路的对外参数一致，但可以获得额外的延时时间。

3、采用补偿传输线的方式，可以通过较短的输电线路进行解耦，这使得解耦点的位置可以更加灵活，可以应用于配电网和大规模新能源集群等输电线路较短的场景中。

本发明的优点如下：

1)通过补偿电容的方式提供一个仿真步长的延时，使得可以通过较短的输电线路解耦网络，进而可以在保证精度的情况下使各个子网络并行计算，且规避了计算溢出的情况。

2)由于补偿传输线解耦的方法可以应用于较短的输电线路之中，相较于传统的贝瑞隆模型，该方法的适用场合更加灵活。

3)通过补偿传输线解耦的方法可以使各个子网先并行计算，而后再交换数据，数据传输量小，计算效率更高，适用于实时仿真。

本发明还提供了一种应用于实时仿真中的补偿传输线解耦系统，包括：

线路挑选模块，用于从解耦电网时拟采用的输电线路中，挑选出线路传播时间小于仿真步长的输电线路；

电路等效模块，用于确定挑选出的输电线路等效电路模型；

补偿电容计算模块，用于根据仿真步长，以输电线路的传播时间大于或等于仿真步长为目标，计算补偿电容；

补偿电感计算模块，用于根据补偿电容计算补偿电感；

补偿模块，用于将补偿电容分成两部分，并联在RL串联支路的两侧，每部分的电容值等于二分之一的补偿电容；将补偿电感分为两部分，并联在RL串联支路的两侧，每部分的电感值等于二倍的补偿电感，以使输电线路的初始电容保持不变，获得补偿传输线等效电路模型；

解耦模块，用于利用所述补偿传输线等效电路模型解耦电网，并对解耦后的电网并行进行电磁暂态仿真。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如前述的应用于实时仿真中的补偿传输线解耦方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。