楊 瀟

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

針對勵磁系統(tǒng)的用戶自定義建模方法及其應用①

楊 瀟

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

為提高電力系統(tǒng)仿真的靈活性和開放性，提出一種基于改進插入式建模技術的勵磁系統(tǒng)用戶自定義建模方法。將暫態(tài)穩(wěn)定性仿真中采用的勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)拆分為兩類自定義的基本傳輸模塊：非狀態(tài)變量模塊和狀態(tài)變量模塊，以描述元件的數(shù)學模型。應用該方法編寫了用戶自定義建模程序，實現(xiàn)拓撲分析和自動初值平衡等功能。通過實例分析詳細闡述了自定義模型文件的格式含義，分析了用戶自定義程序和主程序之間的關系。應用此方法搭建的用戶自定義模型初值平衡操作簡單，通過修改若干自定義模型參數(shù)便可迅速拓展出新模型。最后通過算例驗證了基于該方法建立的用戶自定義建模程序的準確性和可拓展性。

電力系統(tǒng)仿真； 暫態(tài)穩(wěn)定仿真； 勵磁系統(tǒng)； 用戶自定義建模； 改進插入式建模技術

暫態(tài)穩(wěn)定仿真是電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行中經(jīng)常面對的重要工作。由于控制理論和控制策略不斷完善和發(fā)展，新的一次設備、二次設備不斷涌現(xiàn)，僅僅依靠原有仿真軟件中提供的模型庫已經(jīng)無法滿足客戶需求。用戶自定義建模UDM(user define modeling)技術便應需而生，以方便用戶自行構建所需模型，提高暫態(tài)穩(wěn)定性仿真的靈活性和開放性。目前絕大部分的電力系統(tǒng)仿真商業(yè)軟件都有用戶自定義建模程序。

國內外學者和技術研發(fā)人員對用戶自定義建模技術做了許多卓有成效的探索工作，提出了的實現(xiàn)技術和方法[1～5]，但仍存在著如下一些不足。

(1)用戶需要使用專業(yè)的仿真語言或宏命令建立自定義模型，增加了使用難度，提高了軟件的使用門檻。

(2)大部分UDM程序的數(shù)據(jù)是通過頻繁的讀寫磁盤文件來獲得，大大降低了仿真的效率，增加了仿真時間。

(3)已有仿真模型的利用率不高，每次仿真都幾乎需要重新編寫相關建模信息。

在眾多的電力系統(tǒng)建模方法中，插入式建模技術在靈活性和開放性上具有很大優(yōu)勢，可以靈活模擬電力系統(tǒng)動態(tài)元件模型，有利于狀態(tài)方程與系統(tǒng)參數(shù)之間的相關分析，并且可以自由選擇輸入、輸出信號以便于控制器設計[6,7]。本文在其基礎上提出改進插入式建模技術IPMT(improved plug-in modeling technique)，將用戶自定義模型劃分為新的兩類基本傳輸模塊，然后按照傳遞函數(shù)框圖順序形成模塊關聯(lián)矩陣，用于暫態(tài)穩(wěn)定仿真模型初值平衡[8]和系統(tǒng)求解過程。這種方法能夠清晰地描述模塊間的關系，不需要繁瑣的矩陣變換即可實現(xiàn)用戶自定義模型的求解，模型初值平衡實現(xiàn)簡單，已有模型利用率高。

1 IPMT原理及在仿真程序中具體應用

1.1 基本原理

文獻[6]指出，任何一個基于傳遞函數(shù)表達的系統(tǒng)結構均可以分解為一些基本單元，在IPMT中同樣認為系統(tǒng)可以僅由兩類基本的傳輸模塊和一些基本參數(shù)組成，如圖1所示。

圖1 兩類基本傳輸模塊

圖1中：m和x分別表示非狀態(tài)變量和狀態(tài)變量；下標i表示輸入；a、b、Ta、Tb為基本參數(shù)；f(·)是由基本參數(shù)表達的非線性函數(shù)。

當形成用戶自定義模型的傳輸模塊后，參考傳輸模塊兩端的節(jié)點編號，可以構成關系式為

(1)

以圖2所示的簡單系統(tǒng)為例，可以建立關系式為

(2)

圖中r，y分別代表系統(tǒng)的輸入、輸出。

圖2 含有4個傳輸模塊的示例系統(tǒng)

文獻[6]中規(guī)定關聯(lián)矩陣按照一階傳輸模塊、輸出、零階傳輸模塊順序排列，這種排列方法造成初值平衡時讀取相應模塊拓撲信息困難，需要額外的存儲空間記錄模塊順序；在IPMT方法中按照傳遞函數(shù)順序依次寫出關聯(lián)矩陣元素，初值平衡時可以直接按排序讀入所需拓撲信息，進行暫態(tài)穩(wěn)定仿真，相比之下實現(xiàn)更為簡單。

1.2 具體應用

典型的用戶自定義建模程序(以下簡稱用戶程序)可以與主程序進行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供了一個統(tǒng)一建模平臺，用戶不用了解程序內部的結構和算法，用直觀的方式建立新模型，增強軟件對系統(tǒng)元件裝置和控制功能擴展的適應能力。用戶模型的求解方法應該具有良好的適應性，能夠處理更一般化的數(shù)學模型，本文提出的基于IPMT的用戶程序體現(xiàn)了以上基本特征，其功能的實現(xiàn)過程如圖3所示。其中，接口變量包括用戶模型的輸入、輸出等信息，預先在實時數(shù)據(jù)庫中定義一定的接口變量，動態(tài)仿真主系統(tǒng)和用戶程序在計算前從實時庫中讀取數(shù)據(jù)，每次迭代均將結果寫入實時庫；基本功能框庫是由IPMT的兩類基本傳輸模塊組合形成的各種基本功能框的集合；模型文件定義了具體模型參數(shù)和拓撲結構信息的格式。

圖3 用戶自定義建模的實現(xiàn)流程

1.2.1 模型文件

IPMT建模過程采用的模型文件主要包括以下幾個部分：

(1)模型所在母線號、發(fā)電機號、模塊個數(shù)等程序所需信息；

(2)關聯(lián)矩陣，用來反映模塊之間聯(lián)系；

(3)所調用的模塊，一般是輸入模塊編號；

(4)不同模塊的參數(shù)。

本文以圖4(a)所示的IEEE 1型勵磁系統(tǒng)模型為例，說明在IPMT方法下如何實現(xiàn)用戶自定義建模。首先，將圖4(a)系統(tǒng)結構變換為圖4(b)形式，以基本功能框庫中的基本功能框描述系統(tǒng)結構，路徑1代表前饋部分，路徑2代表反饋部分。

(a) 變換前的1型勵磁系統(tǒng)

(b) 變換后的1型勵磁系統(tǒng)

與IPMT方法相對應的模型文件格式定義如表1～表4所示，模型文件由4個數(shù)據(jù)塊組成：

(1)數(shù)據(jù)塊1記錄母線號、發(fā)電機號(區(qū)別同一母線上不同發(fā)電機)、環(huán)節(jié)總數(shù)、輸出所在位置、參考值(Vref)引入環(huán)節(jié)所在位置。

(2)數(shù)據(jù)塊2按照公式(2)順序記錄模塊關聯(lián)矩陣。

(3)數(shù)據(jù)塊3記錄模塊類型，并與數(shù)據(jù)塊2的矩陣順序對應；需要說明的是每個傳輸模塊的類型都是用一個兩位數(shù)來表示的。每個兩位數(shù)的十位數(shù)字代表的是其所屬大類：數(shù)字“1”代表非狀態(tài)變量傳輸模塊，數(shù)字“2”代表的是狀態(tài)變量傳輸模塊；個位數(shù)字用來區(qū)分具體模塊類型。輸入順序是按照傳遞函數(shù)流程從左到右，先前饋后反饋的順序依次寫出傳輸模塊的類型。

(4)數(shù)據(jù)塊4記錄模塊中的具體參數(shù)，參數(shù)順序對應數(shù)據(jù)塊3的模塊順序。

表1 1型勵磁系統(tǒng)的模型文件(數(shù)據(jù)塊1)

表2 1型勵磁系統(tǒng)的模型文件(數(shù)據(jù)塊2)

表3 1型勵磁系統(tǒng)的模型文件(數(shù)據(jù)塊3)

表41型勵磁系統(tǒng)的模型文件(數(shù)據(jù)塊4)

Tab.4ModelfilesofIEEEtype1excitationsystem(block data 4)

用戶只需了解模型文件的規(guī)定格式，掌握模型文件所需信息，就可以調用程序。此外，程序一次性讀入所需數(shù)據(jù)，不必頻繁讀寫磁盤，可以提高仿真速度。

1.2.2 用戶程序和主程序的關系

用戶程序除了具備通過模型文件的讀入進行拓撲分析的功能以外，還要包括模型的初值平衡功能、模型的迭代計算功能，這些功能在暫態(tài)穩(wěn)定性主程序的啟動部分、初始化部分以及迭代計算部分中實現(xiàn)。具體計算流程可用圖5來表示。

模型初始化是對用戶自定義模型進行暫態(tài)穩(wěn)定性仿真重要的一環(huán)，應用IPMT方法建立的用戶程序進行模型初始化，主要利用接口變量和模型文件中提供信息自動進行初值平衡計算。初值平衡計算流程圖如圖6所示，以圖4所示勵磁系統(tǒng)為例，反饋部分和前饋部分初值平衡時計算方向不同，需要分別計算：反饋部分仍是按傳遞函數(shù)框圖部分箭頭方向正向計算，而主干部分則是反向計算。圖6中T為初值平衡環(huán)節(jié)的序號，A為輸出環(huán)節(jié)序號，V為參考值環(huán)節(jié)序號。

圖5 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程

圖6 初值平衡程序流程

2 算例驗證

采用Microsoft Visual C++6.0編程實現(xiàn)基于IPMT的用戶自定義建模程序，以IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)作為測試算例，發(fā)電機均采用6階模型，安裝在39母線發(fā)電機A的勵磁系統(tǒng)采用用戶自定義模型描述，仿真步長為0.01 s，0.1 s在17母線-16母線間線路1%處發(fā)生三相閃絡型短路故障，0.2 s故障消失，3.0 s仿真結束。39節(jié)點系統(tǒng)圖和網(wǎng)絡參數(shù)參見文獻[9]。

2.1 算例1

為了驗證IPMT方法的準確性，39母線發(fā)電機A接入IEEE 1968年提出的1型勵磁系統(tǒng)模型，采用上述用戶自定義程序實現(xiàn)該模型，其模型文件參見表1～表4。同時建立PSASP用戶自定義模型，兩者仿真結果如圖7所示。

(a) 勵磁電壓

(b) 39號母線發(fā)電機相對功角

從圖中的勵磁電壓和發(fā)電機相對功角的比較可以看出，仿真結果和PSASP是基本一致的。

2.2 算例2

39母線發(fā)電機A接入IEEE AC5A交流無刷勵磁模型，如圖8所示，相對表1～表4模型的傳遞框圖有4處拓撲結構發(fā)生變化，用虛線圈標出：

(1)在參考電壓引入部分之前加入了電壓測量與補償環(huán)節(jié)；

(2)勵磁電壓輸出部分去掉了一個終端限幅環(huán)節(jié)；

(3)在反饋部分的拓撲結構發(fā)生了變化；

(4)在反饋部分加入了一個超前滯后環(huán)節(jié)。

根據(jù)這4處變化改寫原模型文件，如表5～表8所示，其中有虛線圈的數(shù)字表示對應上述4處變化在文件中需要改變的部分。

仿真結果與PSASP的結果對比如圖9所示，由以上的變換和仿真結果比較可以看出，IPMT方法建立的用戶自定義程序能夠通過對已有UDM的模型文件進行少量修改，快速建立拓撲結構相似的新模型，而且仿真的準確率依然可以保障，這樣節(jié)省了用戶在建模上花費的時間，提高了仿真建模的效率，具有良好的拓展性。

圖8 經(jīng)IPMT變換后的IEEE AC5A 傳遞函數(shù)框圖

表6 AC5A的模型文件(數(shù)據(jù)塊2)

表7 AC5A的模型文件(數(shù)據(jù)塊3)

表8 AC5A的模型文件(數(shù)據(jù)塊4)

(a) 勵磁電壓

(b) 39號母線發(fā)電機相對功角

3 結語

本文通過對插入式建模技術進行改進，擴大了原有方法的適用范圍，應用改進方法將勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)拆分為兩類基本的傳輸模塊，推導出模塊輸入輸出關聯(lián)矩陣，以此為根據(jù)規(guī)定了模型文件格式，編寫用戶自定義建模程序，實現(xiàn)拓撲分析、自動初值平衡等功能，并對兩種勵磁模型進行暫態(tài)穩(wěn)定性仿真試驗。結果表明采用此種方法進行仿真具有準確率高、拓展性好的特點，并且此方法可以用于電力系統(tǒng)其它控制器的用戶自定義建模研究。

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[9] 張伯明．高等電力系統(tǒng)分析[M].北京：清華大學出版社，1996.

UserDefinedModelingMethodandItsApplicationforExcitationSystem

YANG Xiao

(Hebei Electrical Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

A method of user defined modeling (UDM) for excitation system known as improved plug-in modeling technique (IPMT) is proposed. IPMT divides the whole transfer function of the excitation system into two user-defined basic transfer blocks, namely state variables and non-state variables, in order to form the mathematical model. The UDM program based on IPMT is compiled, which incorporates the ability to analyze model configuration and balance initial value. An introduction is given to explain the fundamentals of writing model files, and the connection between UDM program and main simulation program is illustrated. Compared with the conventional modeling approaches, the method is convenient in balancing initial value, and creating new models by reusing the existed ones. Finally, several examples are used to verify the accuracy and expansibility of the UDM program based on IPMT.

power system simulation； transient stability simulation； excitation system； user defined modeling； improved plug-in modeling technique

2009-07-02

2009-10-26

TM712

A

1003-8930(2011)01-0069-05

楊 瀟(1984-)，男，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)仿真、配電網(wǎng)規(guī)劃等。Email:yangholmes.student@sina.com