國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司 曹淳楓

1 引言

電磁暫態(tài)云仿真是得到電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的關(guān)鍵，需要對仿真技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，提高電力模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。電力系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定的控制要求，尤其是對于新型電力系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，將會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過仿真技術(shù)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)具有合理的參數(shù)控制條件，確保暫態(tài)云仿真得到有效應(yīng)用。

2 電力系統(tǒng)常用元件暫態(tài)仿真建模

2.1 無源元件

無源元件屬于電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，在暫態(tài)仿真分析過程中，需要對無源元件進(jìn)行建模，結(jié)合實(shí)際模型進(jìn)行仿真，使仿真結(jié)果具有準(zhǔn)確性。無源元件需要注重節(jié)點(diǎn)的分析，對無源元件進(jìn)行等效處理，將元件分析過程進(jìn)行簡化，使仿真建模過程得到有效處理。無源元件建模采用節(jié)點(diǎn)分析的方式，需要在求解框架下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，針對無源元件進(jìn)行差分求解，將無源元件拆解成易于分析的狀態(tài)，結(jié)合差分方程情況展開建模[1]。無源元件模型表達(dá)式：

式中，ikm(t)為等效電流；Geq為等效電導(dǎo)；A1、A2、A3為電流源參數(shù)值。無源元件模型參數(shù)主要受到支路類型的影響，圍繞支路類型對模型進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)而得到最終的無源元件模型。無源元件有電阻（R）、電感（L）、電容（C）及組合類型（RL、RC 串聯(lián)或并聯(lián)）組成，不同方式的求解方法具有差異性，需要針對支路的等效情況進(jìn)行求解。以RL 串聯(lián)為例，結(jié)合支路的等效情況，可得到參數(shù)求解結(jié)果：

代入無源元件模型后，得到RL 串聯(lián)模型為：

2.2 輸電線路

電力系統(tǒng)中輸電線路具有一定的復(fù)雜性，需要考慮到互感耦合情況，結(jié)合線路影響情況構(gòu)建等效模型。輸電線路分析采用集總參數(shù)模型，如圖1所示，模型由耦合電感、相間電容、耦合電流參數(shù)組成，實(shí)現(xiàn)了不同參數(shù)模型的整合，使輸電線路模型求解過程中能夠形成完整映射，保障模型求解方法的有效性?；谛滦碗娏ο到y(tǒng)的考量，集總參數(shù)模型在求解方面具有較強(qiáng)的適用性，可采用模態(tài)解耦方式進(jìn)行求解，形成通用性較高的求解方法。模型求解中引入了模態(tài)域，便于對單項(xiàng)線路展開分析，對不同支路進(jìn)行分別求解，保障模型具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖1 輸電線路集總參數(shù)模型

輸電線路模態(tài)解耦原理：首先，構(gòu)建輸電線路的解耦相域，實(shí)現(xiàn)線路模型向模態(tài)域的轉(zhuǎn)化，形成高效化的解耦機(jī)制。其次，對模態(tài)域進(jìn)行差分處理，由離散差分向Z 域進(jìn)行轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析過程。最后，由Z 域反變換得到相域，將解耦過程形成完整循環(huán)，保障解耦過程能夠順利實(shí)現(xiàn)。以輸電線路RL 耦合為例，等效模型表達(dá)式為：

式中，R、L 以矩陣方式表示，反映線路的不同耦合關(guān)系，確保耦合控制的基礎(chǔ)條件。模態(tài)域求解過程中，R、L 需要分開進(jìn)行分開求解，具體求解過程為：

式中，P 為模態(tài)變換矩陣。最后，需要結(jié)合相域情況進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將Z 域結(jié)合到線路模型分析中，形成離散形式的耦合模型，Z 域求解后可得到：

2.3 變壓器

電力系統(tǒng)中變壓器看作分布式電源進(jìn)行處理，構(gòu)建模型過程中，需要考慮到系統(tǒng)引入諧波的影響，處理好變壓器模型的仿真環(huán)境，考慮到暫態(tài)仿真效果的影響。變壓器暫態(tài)模型分析過程中，需要基于等效電路情況進(jìn)行判斷，確保變壓器的模擬變比控制條件，保障變壓器具有完善的歸算關(guān)系。變壓器存在著相間耦合的情況，在零序參數(shù)與正序參數(shù)不等時(shí)，相間耦合情況將不容忽視，需要圍繞參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行解析，提高對變壓器參數(shù)的調(diào)節(jié)效果。變壓器耦合情況采用導(dǎo)納矩陣Y 進(jìn)行分析，具體關(guān)系表示為：

式中，Ys為自導(dǎo)納；Ym為互導(dǎo)納；Y0為零序?qū)Ъ{；Y1為正序?qū)Ъ{。由此可對變壓器的耦合情況進(jìn)行判斷，保障變壓器具有良好的耦合條件。以三相多繞組變壓器為例，將變壓器進(jìn)行等效處理后，得到電壓、電流的關(guān)系式為：

2.4 斷路器

電力系統(tǒng)中斷路器可等效開關(guān)模型，需要考慮到開關(guān)對線路狀態(tài)的影響，對開關(guān)的建模狀態(tài)進(jìn)行分析，通過開關(guān)來確定狀態(tài)變化情況。斷路器模型構(gòu)建采用L/C 等效開關(guān)法，對模型的導(dǎo)納情況進(jìn)行分析，將模型求解過程進(jìn)行簡化，實(shí)現(xiàn)斷路器模型的有效求解?；诙搪窋嚅_條件的考量，短路器模型表達(dá)式：

式中，τ 為時(shí)間常數(shù)；Ra為靜態(tài)電弧電阻；R0為起弧前電阻。

2.5 電力電子開關(guān)

電力電子開關(guān)為電力系統(tǒng)中的重要元件，屬于線路中的開關(guān)元件，需要基于節(jié)點(diǎn)進(jìn)行框架求解，構(gòu)建電力電子開關(guān)的模型。電力電子開關(guān)狀態(tài)表達(dá)式采用二值電阻法表示，具體表示為：

通過式（12）可對開關(guān)的通斷狀態(tài)進(jìn)行描述，對仿真時(shí)刻的狀態(tài)量進(jìn)行分析，便于對開關(guān)特性進(jìn)行模擬。電力電子開關(guān)建模需要注重傳遞函數(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建導(dǎo)通和關(guān)斷控制的模型條件，在有效周期內(nèi)進(jìn)行連續(xù)求解。開關(guān)導(dǎo)通閉合過程中，可等效成一個(gè)RL 模型，由拉普拉斯變換可得到s 平面上傳遞函數(shù)模型。電力電子開關(guān)模型表達(dá)式：

式中，H(s)為傳遞函數(shù)；Ra為虛擬電阻；L 為電感；s 為復(fù)變量。

3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)云仿真模塊構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊是實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置的關(guān)鍵，關(guān)系數(shù)據(jù)能否有效輸入，需要合理對模塊進(jìn)行構(gòu)建，保障仿真模塊具有完整的輸入。數(shù)據(jù)輸入建模前，需要在Matlab/Simulink 之間建立所需模型，保存為mdl 格式，輸入模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，做好模型分析準(zhǔn)備工作。構(gòu)建數(shù)據(jù)輸入模型時(shí)，數(shù)據(jù)的接口應(yīng)開放出來，采用圖元界面對接口進(jìn)行搭建，將數(shù)據(jù)輸入情況直觀地展現(xiàn)出來，保障數(shù)據(jù)能夠得到分析。電力系統(tǒng)仿真分析具有一定的復(fù)雜性，采用圖元方法處理輸入模塊可縮短開發(fā)周期，便于采用圖形化操作進(jìn)行仿真，保障數(shù)據(jù)輸入模塊的應(yīng)用效果[2]。

3.2 模型識(shí)別模塊

電力系統(tǒng)仿真過程中，需要對模型識(shí)別模塊展開設(shè)計(jì)，結(jié)合元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況展開分析，提高拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的有效性，實(shí)現(xiàn)對模型的精準(zhǔn)識(shí)別。如無源元件模型構(gòu)建過程中，應(yīng)構(gòu)建電阻、電容、電感及組合情況的模塊，快速實(shí)現(xiàn)參數(shù)的代入情況，將Geq、A1、A2、A3代入到ikm(t)中，通過模型識(shí)別對參數(shù)進(jìn)行整合。當(dāng)模型條件改變后，可通過Simulink 重新進(jìn)行賦值，通過參考節(jié)點(diǎn)對賦值結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，便于后續(xù)計(jì)算過程的參數(shù)解析，進(jìn)而構(gòu)建高效化的識(shí)別模塊。

3.3 矩陣生成模塊

電磁暫態(tài)云仿真過程中，需要注重矩陣生成模塊的應(yīng)用，構(gòu)建不同節(jié)點(diǎn)的矩陣模型，使電路模型具有良好的排列情況。電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓分析時(shí)，采用矩陣模塊生成核心模型，模型表達(dá)式：

式中，G 為節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣；U 為節(jié)點(diǎn)電壓向量；I 為節(jié)點(diǎn)電流源向量。矩陣生成模塊實(shí)現(xiàn)了模型向量的統(tǒng)一求解，使模型求解效率更高，可大幅度提高模型驗(yàn)算的效率。矩陣生成模型是實(shí)現(xiàn)多變量求解的關(guān)鍵，能夠?qū)ψ兞窟M(jìn)行綜合解析，保證變量求解方法的有效性。

3.4 開關(guān)檢測模塊

開關(guān)檢測模塊采用L/C 等效建模法，對開關(guān)元件的變化情況進(jìn)行解析，提高電力系統(tǒng)中開關(guān)構(gòu)建的可靠性。開關(guān)模型涉及導(dǎo)通和關(guān)斷變化，需要注重更新節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程的實(shí)現(xiàn)，對電力系統(tǒng)中的開關(guān)動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行仿真，使開關(guān)檢測模塊控制能夠符合實(shí)際情況。

3.5 仿真運(yùn)算模塊

仿真運(yùn)算模塊基于電力系統(tǒng)的整體模型進(jìn)行考量，將上位機(jī)軟件與系統(tǒng)控制過程結(jié)合起來，對系統(tǒng)的運(yùn)行信息進(jìn)行配置，確保電力控制系統(tǒng)底層的實(shí)現(xiàn)。仿真運(yùn)算模塊需要具有參數(shù)仿真和功能仿真能力，參數(shù)仿真采用內(nèi)置模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)控制最佳狀況，得到適宜的仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整；功能仿真圍繞系統(tǒng)軟硬件展開分析，重點(diǎn)在于仿真數(shù)據(jù)的觀測與修復(fù)，對電力系統(tǒng)的功能進(jìn)行全面檢驗(yàn)[3]。

4 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)云仿真算例分析

電磁暫態(tài)云仿真分析需要與具體算例結(jié)合起來，做好仿真精度的控制工作，以某新型電力系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中包含220臺(tái)光伏和44臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)（總?cè)萘考s為80MW），需要對系統(tǒng)的電流電壓情況進(jìn)行仿真，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的有效分析。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)仿真主要集中在10kV 母線上，結(jié)合輸電線路模型的控制要求，電流、電壓為主要的分析參數(shù)，進(jìn)而對三相電路的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真。三相電流、電壓仿真采用Matlab/Simulink，仿真時(shí)間為10s，對仿真時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行觀察。采用仿真軟件可自動(dòng)生成曲線，三相電流、三相電壓分別在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行生成，便于對電流、電壓的變化進(jìn)行對比，便于得出數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。基于三相電流、電壓的分析結(jié)果可知，三相電壓、電流的波形基本一致，電壓平均相對誤差為0.0012%，電流平均相對誤差為0.0031%，二者的誤差均處于合理范圍內(nèi)。基于穩(wěn)態(tài)控制效果考量，電力系統(tǒng)模型的仿真效果處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)，說明新型電力系統(tǒng)具有穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[4]。

5 結(jié)語

新型電力系統(tǒng)暫態(tài)云仿真需要注重核心技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況構(gòu)建模型，使仿真體系框架具有完整性。仿真分析在電力系統(tǒng)構(gòu)建中具有必要性，是實(shí)現(xiàn)參數(shù)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵，需要合理對參數(shù)進(jìn)行分析，對電力系統(tǒng)的參數(shù)配置進(jìn)行優(yōu)化，消除電力系統(tǒng)中的不可控情況。仿真模型需要具有完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理對電力系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算，提高模型結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的適應(yīng)性，合理對仿真參數(shù)進(jìn)行控制，保障電力系統(tǒng)具有穩(wěn)定的參數(shù)控制條件。