【技术实现步骤摘要】
配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法、系统、终端及介质
[0001]本专利技术涉及电力系统仿真
，具体地，涉及一种含分布式电源接入的复杂配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法、系统、终端及介质。
技术介绍
[0002]由于我国电力资源和负荷中心分布不均衡，大规模分布式电源接入配电网已经成为电力系统发展的重要补充手段。因此，一方面，配电网的结构越来越复杂，仿真规模急剧增长，另一方面，配电网呈现出高度的电力电子特性，其强烈的非线性特性也越来越明显，由此导致大量复杂的电磁暂态问题时有发生，严重威胁配电网的安全稳定运行。电磁暂态仿真逐渐成为准确模拟未来电力系统运行状态的一种有效方法。
[0003]传统的电磁暂态仿真受限于仿真硬件的计算能力和仿真算法的并行程度。近年来，随着高性能计算平台的出现，电磁暂态仿真平台已经从单机发展到计算机集群，从多核CPU发展到基于GPU、FPGA的异构计算平台，仿真平台的性能提升大大提高了模型的计算速度和电力系统的仿真效率。在算法结构方面，有学者通过空间投影变换、多项式展开等降维方法，得到效率高、数值稳定性好的简化模型；其他学者则专注于使用分区方法对大型电力系统进行建模，长传输线解耦法是最早实现并行计算的方法，但其对网络分离的要求比较严格，难以实现灵活的网络分离。然后，提出了一些新的网络分离方法，主要包括状态空间节点方法、多区域Thevenin等效方法、理想变压器模型方法和节点分割方法，这些方法都能从算法的角度提高电磁暂态仿真的效率。因此，仿真平台的开发和算法结构的改进为大规模电力系统电磁暂态...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，包括：构建含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型，所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型包括：输电网络模型、同步电机模型、电力电子设备模型以及网络接口模型，其中，所述输电网络模型、同步电机模型和电力电子设备模型之间能够仅依赖于所述网络接口模型的接口电容电压实现独立的细粒度并行求解，所述网络接口模型依据所述输电网络模型、同步电机模型和电力电子设备模型的电流更新结果进行求解；针对所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型，获取所需仿真拓扑的输电网络参数、同步电机参数以及分布式电源系统参数，进而形成相应的接口电容参数矩阵、输电网络参数矩阵、同步电机参数矩阵以及分布式电源系统参数矩阵；根据所述输电网络参数矩阵，求解所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的系统潮流，得到复杂配电网系统中各个节点和各条支路的潮流数据；根据所述潮流数据，求解所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型中负荷节点的恒阻抗模型参数，并将所述负荷节点的恒阻抗模型参数添加到所述输电网络参数矩阵中，形成新的输电网络参数矩阵；同时，依据所述潮流数据，初始化所述同步电机模型的电压电流向量；根据所述接口电容参数矩阵及其节点电压求解方程，对所述网络接口模型所需数据进行初始化操作，得到所述网络接口模型节点电压求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储；根据所述新的输电网络参数矩阵及其节点电压和支路电流求解方程，对所述输电网络模型所需数据进行初始化操作，得到所述输电网络模型节点电压以及支路电流求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储；根据所述同步电机参数矩阵及其电气方程和转子运动方程，对所述同步电机模型所需数据进行初始化操作，得到所述同步电机模型电机的电压电流以及电机的转子动态求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储；根据所述分布式电源系统参数矩阵及其主电路求解方程和控制系统求解方程，对所述电力电子设备模型所需数据进行初始化操作，得到所述电力电子设备模型主电路和控制电路求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储；利用相应的主循环仿真所需的初始数据分别对所述输电网络模型、同步电机模型、电力电子设备模型以及网络接口模型进行下一步的电压电流更新；其中：所述输电网络模型的并行度提升至单个节点和单条支路，通过GPU实现所述输电网络模型中各个节点和各条支路的并行求解，获得下一步的电压电流更新；所述同步电机模型的并行度提升至单个电机，其中每个电机的求解基于GPU采用直接LU分解法进行，从而实现同步电机之间和同步电机内部的并行求解，获得下一步的电压电流更新；所述电力电子设备模型主电路的并行度提升与所述输电网络模型一致，对所述主电路各个节点和各条支路并行求解，所述电力电子设备模型控制电路的并行度提升至单个设备，其中每个变换器的控制系统分配一个线程进行并行求解，获得下一步的电压电流更新；所述网络接口模型的并行度提升至单个节点，利用GPU分配相应数量的线程后实现各节点的并行求解，获得下一步的电压电流更新；由此，实现各模型之间和模型内部的细粒度并行求解；以此循环直至整个仿真过程结束。
2.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述构建含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型，包括：利用双端口戴维南等值对配电网系统进行分区重组处理，选用电容支路作为输电网络模型与同步电机模型和电力电子设备模型的接口；对于输电网络模型、同步电机模型和电力电子设备模型，与之相连的对地电容被等效为其所在支路上的电压源，对于网络接口模型，与之相连的各模型被等效为其所在节点上的对地电流源；解耦后各模型求解的表达式为：其中，为下一仿真步的接口电压，f
C
为网络接口模型节点电压更新的求解函数，为当前仿真步下接口电容在同步电机模型所在支路的支路电流，为当前仿真步下接口电容在输电网络模型所在支路的支路电流，为当前仿真步下接口电容在电力电子设备模型所在支路的支路电流，为下一仿真步下接口电容在同步电机模型所在支路的支路电流，f
G
为同步电机模型支路电流更新的求解函数，为下一仿真步下接口电容在输电网络模型所在支路的支路电流，f
NET
为输电网络模型支路电流更新的求解函数，为下一仿真步下接口电容在电力电子设备模型所在支路的支路电流，f
CV
为电力电子设备模型支路电流更新的求解函数。3.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述针对所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型，获取所需仿真拓扑的输电网络参数、同步电机参数以及分布式电源系统参数，进而形成相应的接口电容参数矩阵、输电网络参数矩阵、同步电机参数矩阵以及分布式电源系统参数矩阵，包括：获取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的接口电容参数，包括接口节点编号和接口节点对应的电容值，将所述接口节点编号和所述接口节点对应的电容值补充到接口电容参数矩阵的对应位置上，得到所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的接口电容参数矩阵；获取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的输电网络参数，包括节点参数和支路参数，其中，所述节点参数包括节点编号、电压幅值、电压相角、电机有功功率、电机无功功率、负荷有功功率、负荷无功功率、电导G、电纳B以及节点类型编号，依据平衡节点、PV节点和PQ节点三种不同节点类型获取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型潮流求解所需的节点参数，按照节点参数矩阵基本格式补充到对应的位置上，得到所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的节点参数矩阵；所述支路参数包括支路始端节点编号、支路末端节点编号、支路电阻值、支路电抗值、支路对地电纳值、变压器变比以及相角，依据所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的支路相关参数，按照
支路参数矩阵基本格式补充到对应的位置上，得到所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的支路参数矩阵；所述节点参数矩阵和所述支路参数矩阵共同构成所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的输电网络参数矩阵；获取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的同步电机参数，包括同步电机定子绕组电阻、转子F绕组电阻、转子D绕组电阻、转子H绕组电阻、转子Q绕组电阻、定子d轴电抗、定子d轴电枢反应电感、定子q轴电抗、定子q轴电枢反应电感、转子F绕组电抗、转子F绕组和D绕组互感电抗、转子D绕组电抗、转子H绕组电抗、转子Q绕组电抗以及同步电机同步转速，依据所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的同步电机参数，按照同步电机参数矩阵基本格式补充到对应的位置上，得到所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的同步电机参数矩阵；获取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的分布式电源系统参数，包括分布式电源系统的主电路参数以及控制系统参数，其中，所述主电路参数包括直流源、直流侧电容、滤波电感和滤波电容，所述控制系统参数包括锁相环PI参数和传统PQ控制的PI参数，依据所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的分布式电源系统相关参数，按照分布式电源系统参数矩阵基本格式补充到对应的位置上，得到所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的分布式电源系统参数矩阵。4.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述根据所述输电网络参数矩阵，求解所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的系统潮流，得到复杂配电网系统中各个节点和各条支路的潮流数据，包括：依据求得的所述输电网络参数矩阵中的节点参数矩阵和支路参数矩阵，求解所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的节点导纳矩阵以及各个类型的节点数目；依据节点数目、节点类型、电压幅值初值、电压相角初值、节点导纳矩阵、电机有功功率、电机无功功率、负荷有功功率、负荷无功功率以及潮流计算精度，计算节点有功功率和无功功率的变化量，同时判断所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的潮流收敛性；依据输入的电压幅值、电压相角、节点导纳矩阵、待求电压幅值及相角的节点编号，求取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的雅可比矩阵；依据所述雅可比矩阵以及迭代次数和潮流计算精度，求取所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的节点潮流数据和支路潮流数据。5.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述根据所述潮流数据，求解所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型中负荷节点的恒阻抗模型参数，并将所述负荷节点的恒阻抗模型参数添加到所述输电网络参数矩阵中，形成新的输电网络参数矩阵；同时，依据所述潮流数据，初始化所述同步电机模型的电压电流向量，包括：构建负荷节点的恒阻抗模型：依据所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型的各个节点和各条支路的潮流数据，得到负荷所在节点的节点电压幅值和相角参数，再利用负荷有功功率和负荷无功功率，构建负荷节点的恒阻抗模型，并求取负荷节点对应的恒阻抗模型参数；根据所述输电网络参数矩阵中的节点参数矩阵和支路参数矩阵基本格式，将构建的负
荷节点的恒阻抗模型参数添加到所述节点参数矩阵和支路参数模型的对应位置上，并对整个含分布式电源接入的复杂配电网仿真模型的节点进行重新编号，得到新的输电网络参数矩阵；初始化所述同步电机模型的电压电流向量：根据xy0坐标系下的潮流数据，求解所述同步电机模型电压电流结果：根据xy0坐标系下的潮流数据，求解所述同步电机模型电压电流结果：根据xy0坐标系下的潮流数据，求解所述同步电机模型电压电流结果：[U
Gd U
Gq
]
T
＝T
F
[U
Gx U
Gy
]
T
[I
Gd I
Gq
]
T
＝T
F
[I
Gx I
Gy
]
T
其中，P
G
、Q
G
分别为发电机输出的有功功率和无功功率；U
Gx
、U
Gy
分别为发电机端电压的x轴分量和y轴分量；I
Gx
、I
Gy
分别为发电机输出电流的x轴分量和y轴分量；δ
F
是xy轴和dq轴的相角差；r是定子绕组的电阻；x
d
、x
q
分别为定子d轴和q轴的电抗；T
F
是从xy轴到dq轴的坐标变换矩阵；U
Gd
、U
Gq
分别为发电机端电压的d轴分量和q轴分量；I
Gd
、I
Gq
分别为发电机输出电流的d轴分量和q轴分量；r
F
是励磁绕组的电阻；x
ad
是定子d轴电枢反应电感；u
F
是同步电机的励磁电压；ω是同步转速。6.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述根据所述接口电容参数矩阵及其节点电压求解方程，对所述网络接口模型所需数据进行初始化操作，得到所述网络接口模型节点电压求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储，包括：列写所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型中网络接口模型的求解方程，得到所述网络接口模型的节点电压更新方程为：其中，为下一仿真步的接口电压，为当前仿真步的接口电压，h为仿真步长，C为接口电容值，为当前仿真步下接口电容在同步电机模型所在支路的支路电流，为当前仿真步下接口电容在输电网络模型所在支路的支路电流，为当前仿真步下接口电容在电力电子设备模型所在支路的支路电流；根据所述网络接口模型的节点电压更新方程，对所述网络接口模型所需数据进行初始化操作，由此得到所述网络接口模型节点电压求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据。7.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，根据所述
新的输电网络参数矩阵及其节点电压和支路电流求解方程，对所述输电网络模型所需数据进行初始化操作，得到所述输电网络模型节点电压以及支路电流求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储，包括：列写所述含分布式电源接入的复杂配电网仿真求解模型中输电网络模型的节点拓扑结构的KCL方程和分支拓扑结构的KVL方程，得到所述输电网络模型的电压电流更新方程为：为：其中，M
a
是与a节点相连的所有节点构成的集合，为与节点a相连的支路流出节点a的电流，为当前仿真步节点a对地电流源的电流值，G
a
为节点a对地导纳，为下一仿真步节点a电压，C
a
为节点a对地电容，为当前仿真步节点a电压，为下一仿真步节点b电压，为下一仿真步支路ab上电压源的电压值，R
ab
为支路ab的支路电阻，为当前仿真步支路ab的支路电流，L
ab
为支路ab的支路电感，为下一仿真步支路ab的支路电流，h为仿真步长；根据所述输电网络模型的电压电流更新方程，对所述输电网络模型所需数据进行初始化操作，由此得到所述输电网络模型求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据。8.根据权利要求1所述的配电网细粒度并行电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述根据所述同步电机参数矩阵及其电气方程和转子运动方程，对所述同步电机模型所需数据进行初始化操作，得到所述同步电机模型电机的电压电流以及电机的转子动态求解所需的系数矩阵和主循环仿真所需的初始数据，并进行预存储，包括：考虑同步电机模型的定子d、q绕组、转子d轴的励磁绕组F和阻尼绕组D以及转子q轴的阻尼绕组H、Q，将同步电机模型的电气部分方程描述为：u＝pψ+ωψ+ri，ψ＝xi其中，u为电机电压向量，p为微分算子，i为电机电流向量，ψ为电机磁链向量，r为电阻矩阵，x为电抗矩阵，ω为转速矩阵；将磁链方程ψ＝xi代入电压方程u＝pψ+ωψ+ri，消去磁链变量ψ，得到电压方程：u＝xpi+(ωx+r)i＝xpi+yi其中，y为变换后的阻抗矩阵；利用梯形积分方法进行差分化建模，进而将电机电压向量u中的零元略去，设定励磁绕组电压保持恒定，则电压方程变换为：Ci(t)＝D1u
dq
(t)+D1u
dq
(t
‑
h)+D2u
F
+Ei(t
‑
h)其中，C、D1、D2、E均为方程变换过程中产生的系数矩阵，u
dq
为定子d，q轴电压构成的向量，u
F
为转子d...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈昊骢，任宝平，黄震宇，施敏达，许明敏，顾君佳，陈安哲，任正旸，吴媖，沈宇超，潘俊姚，王昱杰，孙赵辰，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。