基于新型電力系統的高性能電磁暫態云仿真技術研究

國網上海市電力公司浦東供電公司 曹淳楓

1 引言

電磁暫態云仿真是得到電力系統運行情況的關鍵，需要對仿真技術進行合理應用，對電力系統的運行特性進行分析，提高電力模型構建的準確性。電力系統具有安全穩定的控制要求，尤其是對于新型電力系統，一旦系統狀態發生改變，將會影響到系統的穩定運行，需要通過仿真技術對系統參數進行調整，使系統具有合理的參數控制條件，確保暫態云仿真得到有效應用。

2 電力系統常用元件暫態仿真建模

2.1 無源元件

無源元件屬于電力系統的基礎元件，在暫態仿真分析過程中，需要對無源元件進行建模，結合實際模型進行仿真，使仿真結果具有準確性。無源元件需要注重節點的分析，對無源元件進行等效處理，將元件分析過程進行簡化，使仿真建模過程得到有效處理。無源元件建模采用節點分析的方式，需要在求解框架下進行實現，針對無源元件進行差分求解，將無源元件拆解成易于分析的狀態，結合差分方程情況展開建模[1]。無源元件模型表達式：

式中，ikm(t)為等效電流；Geq為等效電導；A1、A2、A3為電流源參數值。無源元件模型參數主要受到支路類型的影響，圍繞支路類型對模型進行補充，進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 串聯或并聯）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行求解。以RL 串聯為例，結合支路的等效情況，可得到參數求解結果：

代入無源元件模型后，得到RL 串聯模型為：

2.2 輸電線路

電力系統中輸電線路具有一定的復雜性，需要考慮到互感耦合情況，結合線路影響情況構建等效模型。輸電線路分析采用集總參數模型，如圖1所示，模型由耦合電感、相間電容、耦合電流參數組成，實現了不同參數模型的整合，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。基于新型電力系統的考量，集總參數模型在求解方面具有較強的適用性，可采用模態解耦方式進行求解，形成通用性較高的求解方法。模型求解中引入了模態域，便于對單項線路展開分析，對不同支路進行分別求解，保障模型具有良好的動態響應特性。

圖1 輸電線路集總參數模型

輸電線路模態解耦原理：首先，構建輸電線路的解耦相域，實現線路模型向模態域的轉化，形成高效化的解耦機制。其次，對模態域進行差分處理，由離散差分向Z 域進行轉化，實現動態響應分析過程。最后，由Z 域反變換得到相域，將解耦過程形成完整循環，保障解耦過程能夠順利實現。以輸電線路RL 耦合為例，等效模型表達式為：

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

式中，P 為模態變換矩陣。最后，需要結合相域情況進行轉化，將Z 域結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

電力系統中變壓器看作分布式電源進行處理，構建模型過程中，需要考慮到系統引入諧波的影響，處理好變壓器模型的仿真環境，考慮到暫態仿真效果的影響。變壓器暫態模型分析過程中，需要基于等效電路情況進行判斷，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系。變壓器存在著相間耦合的情況，在零序參數與正序參數不等時，相間耦合情況將不容忽視，需要圍繞參數之間的關系進行解析，提高對變壓器參數的調節效果。變壓器耦合情況采用導納矩陣Y 進行分析，具體關系表示為：

式中，Ys為自導納；Ym為互導納；Y0為零序導納；Y1為正序導納。由此可對變壓器的耦合情況進行判斷，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，將變壓器進行等效處理后，得到電壓、電流的關系式為：

2.4 斷路器

電力系統中斷路器可等效開關模型，需要考慮到開關對線路狀態的影響，對開關的建模狀態進行分析，通過開關來確定狀態變化情況。斷路器模型構建采用L/C 等效開關法，對模型的導納情況進行分析，將模型求解過程進行簡化，實現斷路器模型的有效求解。基于短路斷開條件的考量，短路器模型表達式：

式中，τ 為時間常數；Ra為靜態電弧電阻；R0為起弧前電阻。

2.5 電力電子開關

電力電子開關為電力系統中的重要元件，屬于線路中的開關元件，需要基于節點進行框架求解，構建電力電子開關的模型。電力電子開關狀態表達式采用二值電阻法表示，具體表示為：

通過式（12）可對開關的通斷狀態進行描述，對仿真時刻的狀態量進行分析，便于對開關特性進行模擬。電力電子開關建模需要注重傳遞函數的應用，構建導通和關斷控制的模型條件，在有效周期內進行連續求解。開關導通閉合過程中，可等效成一個RL 模型，由拉普拉斯變換可得到s 平面上傳遞函數模型。電力電子開關模型表達式：

式中，H(s)為傳遞函數；Ra為虛擬電阻；L 為電感；s 為復變量。

3 電力系統電磁暫態云仿真模塊構建

3.1 數據輸入模塊

數據輸入模塊是實現參數配置的關鍵，關系數據能否有效輸入，需要合理對模塊進行構建，保障仿真模塊具有完整的輸入。數據輸入建模前，需要在Matlab/Simulink 之間建立所需模型，保存為mdl 格式，輸入模型的拓撲結構，做好模型分析準備工作。構建數據輸入模型時，數據的接口應開放出來，采用圖元界面對接口進行搭建，將數據輸入情況直觀地展現出來，保障數據能夠得到分析。電力系統仿真分析具有一定的復雜性，采用圖元方法處理輸入模塊可縮短開發周期，便于采用圖形化操作進行仿真，保障數據輸入模塊的應用效果[2]。

3.2 模型識別模塊

電力系統仿真過程中，需要對模型識別模塊展開設計，結合元件的拓撲結構情況展開分析，提高拓撲結構分析的有效性，實現對模型的精準識別。如無源元件模型構建過程中，應構建電阻、電容、電感及組合情況的模塊，快速實現參數的代入情況，將Geq、A1、A2、A3代入到ikm(t)中，通過模型識別對參數進行整合。當模型條件改變后，可通過Simulink 重新進行賦值，通過參考節點對賦值結構進行標號，便于后續計算過程的參數解析，進而構建高效化的識別模塊。

3.3 矩陣生成模塊

電磁暫態云仿真過程中，需要注重矩陣生成模塊的應用，構建不同節點的矩陣模型，使電路模型具有良好的排列情況。電力系統節點電壓分析時，采用矩陣模塊生成核心模型，模型表達式：

式中，G 為節點電導矩陣；U 為節點電壓向量；I 為節點電流源向量。矩陣生成模塊實現了模型向量的統一求解，使模型求解效率更高，可大幅度提高模型驗算的效率。矩陣生成模型是實現多變量求解的關鍵，能夠對變量進行綜合解析，保證變量求解方法的有效性。

3.4 開關檢測模塊

開關檢測模塊采用L/C 等效建模法，對開關元件的變化情況進行解析，提高電力系統中開關構建的可靠性。開關模型涉及導通和關斷變化，需要注重更新節點導納方程的實現，對電力系統中的開關動作狀態進行仿真，使開關檢測模塊控制能夠符合實際情況。

3.5 仿真運算模塊

仿真運算模塊基于電力系統的整體模型進行考量，將上位機軟件與系統控制過程結合起來，對系統的運行信息進行配置，確保電力控制系統底層的實現。仿真運算模塊需要具有參數仿真和功能仿真能力，參數仿真采用內置模塊進行實現，根據系統控制最佳狀況，得到適宜的仿真參數，實現對運行參數自動調整；功能仿真圍繞系統軟硬件展開分析，重點在于仿真數據的觀測與修復，對電力系統的功能進行全面檢驗[3]。

4 電力系統電磁暫態云仿真算例分析

電磁暫態云仿真分析需要與具體算例結合起來，做好仿真精度的控制工作，以某新型電力系統為例，系統中包含220臺光伏和44臺雙饋風機（總容量約為80MW），需要對系統的電流電壓情況進行仿真，對系統的運行狀態進行檢驗，實現對系統狀態的有效分析。系統運行狀態仿真主要集中在10kV 母線上，結合輸電線路模型的控制要求，電流、電壓為主要的分析參數，進而對三相電路的運行情況進行仿真。三相電流、電壓仿真采用Matlab/Simulink，仿真時間為10s，對仿真時間內的數據變化情況進行觀察。采用仿真軟件可自動生成曲線，三相電流、三相電壓分別在統一坐標系下進行生成，便于對電流、電壓的變化進行對比，便于得出數據的分析結果。基于三相電流、電壓的分析結果可知，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。基于穩態控制效果考量，電力系統模型的仿真效果處于達標狀態，說明新型電力系統具有穩定的運行狀態[4]。

5 結語

新型電力系統暫態云仿真需要注重核心技術的應用，結合系統的實際情況構建模型，使仿真體系框架具有完整性。仿真分析在電力系統構建中具有必要性，是實現參數穩定控制的關鍵，需要合理對參數進行分析，對電力系統的參數配置進行優化，消除電力系統中的不可控情況。仿真模型需要具有完整的拓撲結構，合理對電力系統模型進行計算，提高模型結構對系統的適應性，合理對仿真參數進行控制，保障電力系統具有穩定的參數控制條件。