【正文】 進(jìn)而實現(xiàn)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真在大規(guī)模電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。其差異主要在：電磁暫態(tài)仿真通常描述系統(tǒng)的快速暫態(tài)特性，其仿真過程持續(xù)時間在微秒級，計算步長一般為20200微秒之間，機電暫態(tài)仿真通常描述系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，其仿真過程持續(xù)時間在幾秒到幾十秒之間，因此機電暫態(tài)仿真與電磁暫態(tài)仿真之間的計算步長相差上百倍；電磁暫態(tài)仿真主要描述系統(tǒng)的特性有三相不對稱、波形畸變以及高次諧波疊加等，計算時采用ABC三相瞬時值表示，機電暫態(tài)仿真主要反映系統(tǒng)的低頻振蕩和工頻特性，采用基波向量來表示變量，計算系統(tǒng)的三相網(wǎng)絡(luò)基于工頻正弦波經(jīng)線性變換轉(zhuǎn)換成互相解耦的正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)；電磁暫態(tài)仿真計算元件的模型描述通過微分方程和偏微分方程表示，這些方程的構(gòu)成主要來自網(wǎng)絡(luò)中存在的電容、電感等元件，而機電暫態(tài)仿真計算系統(tǒng)元件模型采用相量方程線性表示，機電暫態(tài)仿真模型相對于電磁暫態(tài)仿真模型根據(jù)仿真條件作了一定程度的簡化。6）應(yīng)用開關(guān)統(tǒng)計功能仿真系統(tǒng)應(yīng)具備對一個周期內(nèi)不同合環(huán)時刻進(jìn)行逐個時間點的仿真計算的能力，進(jìn)而得到在一個周期內(nèi)合環(huán)沖擊電流最大的情況，更好的滿足實際系統(tǒng)的需求。4）合環(huán)操作前后穩(wěn)態(tài)性能對比仿真系統(tǒng)可以分別計算合環(huán)前、合環(huán)后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能并進(jìn)行比較，系首先啟動合環(huán)前系統(tǒng)基礎(chǔ)潮流計算，用作數(shù)據(jù)參考對象，通過啟動合環(huán)潮流計算后得到合環(huán)后的潮流分布情況，與合環(huán)前潮流分布進(jìn)行比較，并根據(jù)各個相關(guān)設(shè)備的額定值等指標(biāo)要求綜合考慮合環(huán)操作的可行性。2）仿真軟件平臺的建立系統(tǒng)包括本地數(shù)據(jù)庫和圖形平臺，建設(shè)方便使用的圖模一體化系統(tǒng)，開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用應(yīng)該包括單線圖編輯、基本潮流計算和合環(huán)計算的仿真應(yīng)用，滿足合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)分析的要求，其中合環(huán)計算部分應(yīng)包括合環(huán)潮流計算、合環(huán)機電暫態(tài)仿真、合環(huán)混合暫態(tài)仿真。本課根據(jù)電力系統(tǒng)機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真計算的科研成果，開展建立基于混合仿真技術(shù)的電網(wǎng)合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的研究，針對合環(huán)電流仿真系統(tǒng)具體的研究工作如下：1）關(guān)于合環(huán)電流計算的方法系統(tǒng)采用的合環(huán)電流計算方法根據(jù)典型運行方式數(shù)據(jù)包生成全網(wǎng)絡(luò)機電暫態(tài)模型，通過點擊擬定合環(huán)點啟動合環(huán)電流計算，系統(tǒng)能夠自動在合環(huán)點附近電網(wǎng)生成電磁暫態(tài)模型網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)的其他區(qū)域仍然為機電暫態(tài)模型，通過機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真計算，在一次合環(huán)電流仿真計算過程中得到合環(huán)前、合環(huán)中、合環(huán)后電壓、電流的電磁暫態(tài)波形，進(jìn)而得到合環(huán)操作對輸電網(wǎng)影響的直觀結(jié)果，同時得到?jīng)_擊電流、穩(wěn)態(tài)電流等量化結(jié)果。4）仿真系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及對算例的分析詳細(xì)研究合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的開發(fā)，對計算平臺的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，對地理位置接線圖程序、網(wǎng)絡(luò)校驗于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)分析。2）混合仿真技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用給出電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真理論及其接口的等值電路，并對機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)網(wǎng)路數(shù)據(jù)的交換時序和形式做出詳細(xì)分析，對接口方法在機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)給出解決方法，通過計算算例的結(jié)果驗證了本文提出的混合仿真方法的可行性和準(zhǔn)確性。 本文的主要研究內(nèi)容及工作根據(jù)電力系統(tǒng)合環(huán)電流研究的現(xiàn)狀以及混合仿真的發(fā)展歷程，本文主要研究的內(nèi)容如下：1）合環(huán)電流計算方法的研究通過對以往合環(huán)潮流的計算方法的研究，給出合環(huán)電流計算方法的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，環(huán)網(wǎng)運行分析可以分為兩大類：第一類以電力系統(tǒng)中高低壓電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心；第二類以地區(qū)電網(wǎng)中同電壓等級的非電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心。中國電力科學(xué)研究院從2001年起開展了電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)的相關(guān)問題研究，在工程項目《電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真裝置研制》和《直流輸電系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)的開發(fā)》中，給出了機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混和并行仿真的研究計算方法，在工程項目《電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)混合仿真技術(shù)研究》和《大電網(wǎng)仿真技術(shù)研究》中，給出了大規(guī)模交直流系統(tǒng)的機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)實用的研究計算方法。這些軟件的混和仿真功能還不是非常成熟，也沒有真正用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)運行。其中，SIMPOW程序既能在時間軸上相互切換機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的仿真功能，也在空間范圍內(nèi)實現(xiàn)了部分電網(wǎng)用機電暫態(tài)仿真，剩余電網(wǎng)用電磁暫態(tài)仿真的混合仿真，但其在空間范圍內(nèi)進(jìn)行混合仿真時，計算步長全網(wǎng)要求統(tǒng)一，只能采用電磁暫態(tài)微妙級的仿真步長，計算速度會受到很大影響。由于電力系統(tǒng)中各元件相差很大的時間常數(shù)，Crow M L提出了多速率算法，把系統(tǒng)劃分為以不同的積分步長分別計算的不同子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了多種多速率仿真技術(shù)[3941]，這些算法缺點在于網(wǎng)絡(luò)接口多，程序復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)劃分不均勻很難達(dá)到預(yù)期效果。 機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真的思想最早由Heffernan等人[33,34]于1981年第一次提出的，其后國外學(xué)者對此問題作了一些深入研究，主要集中于接口電路的選擇和接口時序的設(shè)計方面[35]，新西蘭Canternury大學(xué)和加拿大Waterloo大學(xué)也做了一些相關(guān)的研究，他們所做的研究工作僅屬于論文探索階段，沒有進(jìn)行商業(yè)化的開發(fā)。所以對于地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)電流的計算，既要不損失大規(guī)模電網(wǎng)的動態(tài)特性，又可以滿足局部電網(wǎng)的詳細(xì)分析要求，才能保證合環(huán)電流計算的準(zhǔn)確性。上述傳統(tǒng)的合環(huán)電流計算方法一般不考慮外部網(wǎng)絡(luò)模型，只考慮環(huán)網(wǎng)所涉及的電氣設(shè)備進(jìn)行戴維南等值，因此無法準(zhǔn)確獲得等值電勢和阻抗并引入計算誤差，合環(huán)操作時可能引入較大諧波分量，因此傳統(tǒng)解決方案很多情況下不能滿足計算的要求。另外，還有地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)后潮流計算方法采用簡化的合環(huán)網(wǎng)絡(luò)，具體步驟如下：首先給出合環(huán)前簡化網(wǎng)絡(luò)的潮流分布；然后計算出循環(huán)電流的大小即合環(huán)點兩側(cè)的電壓差和環(huán)網(wǎng)總阻抗的比值；最后采用疊加原理計算出合環(huán)后的潮流。合環(huán)沖擊電流可以通過簡化網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行計算[24]。目前針對地區(qū)電網(wǎng)潮流計算方法大致可分為兩類，其中母線類算法有Zbus法和Ybus法[17,18]；支路類算法包括面向回路的回路法[19]和面向支路前推回代法[20]，這類算法的潮流方程主要采用的是支路上數(shù)據(jù)來列出的。第一類以高低壓電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心，包括電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的分析方法、評價指標(biāo)以及無功環(huán)流的控制；第二類以同電壓等級的非電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心，包括地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流、合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流、合環(huán)沖擊電流的相應(yīng)計算分析方法。隨著高電壓等級網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強，部分高低壓電磁環(huán)網(wǎng)要求開環(huán)運行，這也伴隨著產(chǎn)生了低電壓等級地區(qū)電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)問題。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 合環(huán)電流的計算方法電力系統(tǒng)需要建設(shè)更高電壓等級的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來滿足電源送電和負(fù)荷用電的需求，這可能會伴隨著產(chǎn)生高低壓電磁環(huán)網(wǎng)的問題。合環(huán)電流仿真系統(tǒng)能得到合環(huán)操作可能產(chǎn)生的瞬間沖擊電流和環(huán)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流，在合環(huán)操作前，通過合環(huán)電流仿真系統(tǒng)對合環(huán)操作可能產(chǎn)生的電流進(jìn)行計算和分析，校驗合環(huán)操作后的穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流是否滿足設(shè)備的要求，分析合環(huán)瞬間沖擊電流對于整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的波動和影響，可以為電網(wǎng)的運行可靠性評估提供理論依據(jù)，并能幫助運行人員進(jìn)行正確的決策，以避免操作引起設(shè)備過載和保護(hù)跳閘，提高供電的安全性和可靠性[1115]。由于發(fā)電機要達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)需要經(jīng)過震蕩搖擺的過程，因此在合環(huán)操作進(jìn)行的同時會出現(xiàn)瞬間的沖擊電流。一般運行人員只能夠憑借日常運行經(jīng)驗來決定是否進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)操作，在某些情況下會避免一些合環(huán)操作的實施，這樣會增加電網(wǎng)的停電次數(shù)，降低地區(qū)電網(wǎng)的供電經(jīng)濟性和可靠性[810]。第1章 緒 論國內(nèi)地區(qū)電網(wǎng)通常呈輻射狀分布，一般采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計、開環(huán)運行的電網(wǎng)供電方式[13]。當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)移、故障處理和設(shè)備檢修時，可以通過進(jìn)行斷路器合環(huán)操作，以減少停電次數(shù)和時間[46]，但在合環(huán)操作瞬間，電網(wǎng)在合環(huán)點處會出現(xiàn)瞬時沖擊電流，電網(wǎng)穩(wěn)定后形成的新環(huán)網(wǎng)中還可能產(chǎn)生較大的循環(huán)電流，可能造成某些電氣設(shè)備超負(fù)荷或者某條線路過載，繼電保護(hù)裝置動作跳閘等情況的發(fā)生，從而嚴(yán)重影響整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[7]。此外，由于合環(huán)開關(guān)閉合操作前合環(huán)點位置兩側(cè)的電壓差可能不為零，當(dāng)開關(guān)閉合的同時，要經(jīng)歷一個暫態(tài)過程才能使合環(huán)點兩側(cè)電壓趨于相等，會造成新形成地區(qū)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點電壓相角和幅值以及發(fā)電機電勢和角度變化。綜合以上分析，進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)操作時可能會產(chǎn)生合環(huán)點處瞬間沖擊電流和合環(huán)操作后新形成環(huán)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流。合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)的建立，能夠驗證實際電網(wǎng)的合環(huán)操作方案的可行性，優(yōu)化操作方案，可以為電網(wǎng)母線檢修以及母線故障時負(fù)荷轉(zhuǎn)移的合環(huán)操作提供計算依據(jù)，保障負(fù)荷轉(zhuǎn)移的成功率，進(jìn)而保障用戶供電的可靠性，合環(huán)電流計算系統(tǒng)可以通過豐富的報表、曲線方式展示分析數(shù)據(jù)，并且提供報表的瀏覽，可以通過該系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)和分析報表，實現(xiàn)對合環(huán)電流情況的預(yù)期判斷，該系統(tǒng)的應(yīng)用將會很大程度上提高地區(qū)電網(wǎng)運行的可靠性，為地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行合環(huán)操作時提供技術(shù)支持。高低壓電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級的兩組輸電線路，通過兩側(cè)變壓器的磁耦合回路連接所構(gòu)成的環(huán)形電網(wǎng)，是主干電網(wǎng)由低級向高級發(fā)展過程中的產(chǎn)物[16]。經(jīng)過研究認(rèn)為可以將環(huán)網(wǎng)運行分析分為兩大類。本課題所研究的地區(qū)電網(wǎng)潮流計算是地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)問題分析的基礎(chǔ)，應(yīng)對合環(huán)后的潮流變化做出預(yù)測分析，并在操作中避免設(shè)備過載和保護(hù)跳閘。合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的計算方法包括前推回帶法[21]、牛頓拉夫遜法[22]、疊加法[23]等。有些地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)疊加定理和分布系數(shù)法來計算電網(wǎng)進(jìn)行合環(huán)操作時潮流的具體分布情況[25]，首先采用分布系數(shù)法求解電網(wǎng)的自然功率分布關(guān)系，然后計算均衡功率時只考慮變壓器變比的不同，最后將這些計算結(jié)果疊加起來，得到電網(wǎng)合環(huán)操作時的實際潮流分布[26]，這種方法一般采用手動計算，適用于簡單網(wǎng)絡(luò)的計算。在此方法的研究基礎(chǔ)上發(fā)展出一種兩階段算法，該算法基于疊加原理和前推回代法并以支路功率為變量，用于計算合環(huán)后地區(qū)電網(wǎng)的潮流分布，具體步驟為：對合環(huán)后的網(wǎng)絡(luò)在合環(huán)點處解環(huán)，形成兩個子網(wǎng)絡(luò)包括開環(huán)運行網(wǎng)絡(luò)和一個環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)；通過兩階段的迭代過程來求解潮流分布，第一階段迭代過程計算開環(huán)運行網(wǎng)絡(luò)的潮流，得到合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓差值，而第二階段迭代過程主要修正合環(huán)開關(guān)兩側(cè)負(fù)荷功率值的大小，滿足整體收斂要求從而得出電網(wǎng)合環(huán)潮流分布[27]。一些研究表明利用PSCAD/EMTDC仿真軟件來對多級合環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模[2832]，通過對比模型元件和實際元件之間的電壓損耗、功率損耗，研究模型參數(shù)的設(shè)置，建立了能夠準(zhǔn)確模擬實際元件的仿真模型，這種方法一般是針對大規(guī)模電網(wǎng)進(jìn)行等值后得到的小規(guī)模仿真系統(tǒng)，往往忽略了大電網(wǎng)動態(tài)特性，必然會降低仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谶@一點，進(jìn)行合環(huán)電流計算時考慮應(yīng)用機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)，對合環(huán)區(qū)域外動態(tài)響應(yīng)過程相對較慢的大電網(wǎng)采用機電暫態(tài)程序仿真，而對需要進(jìn)行詳盡研究的合環(huán)區(qū)域附近的小電網(wǎng)采用更為精確的電磁暫態(tài)程序仿真，這樣既可以反映特定系統(tǒng)中詳細(xì)的電網(wǎng)電磁暫態(tài)變化過程，又可以仿真較大規(guī)模的電力系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行等值化簡，大大提高了地區(qū)電網(wǎng)仿真分析結(jié)論的準(zhǔn)確性。Reeve J，Anderson G W J，Sultan M等[3638]提出了減小電力電子器件產(chǎn)生的諧波對交流系統(tǒng)影響的計算方法。目前，具有機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真能力的商業(yè)化軟件有：ABB公司開發(fā)的SIMPOW和SIEMENS開發(fā)的NETOMAC程序。NETOMAC程序提出的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法可以基于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分塊來建立不同的模型[42]，也可以通過分時段，即電磁暫態(tài)模型應(yīng)用于系統(tǒng)故障后的暫態(tài)過程，機電暫態(tài)模型應(yīng)用于穩(wěn)定過程的分析和計算。香港大學(xué)、清華大學(xué)以及天津大學(xué)在FACTS仿真方面開展了一些混合仿真的研究，但研究僅屬于論文探索階段。從各種地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)電流計算解決方案來看，提高計算準(zhǔn)確性是合環(huán)電流仿真計算發(fā)展的趨勢，而電力系統(tǒng)混合仿真技術(shù)能夠為合環(huán)電流的精確計算提供保障。通過對比以往合環(huán)電流計算方法的不足，給出本文解決合環(huán)電流計算問題的基礎(chǔ)理論方法。3）合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計給出系統(tǒng)的總體構(gòu)架和系統(tǒng)的所有計算功能，提出基于最大級數(shù)搜索算法的暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)自動劃分、機電暫態(tài)模型到電磁暫態(tài)模型的自動轉(zhuǎn)換算法以及合環(huán)混合仿真計算的單機windows并行算法等系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)等三個解決系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并給出相應(yīng)的方案。提出的圖模一體化平臺應(yīng)是界面操作方便，可以通過平臺方便地建立電網(wǎng)數(shù)據(jù)、繪制電網(wǎng)圖形、進(jìn)行各種分析計算。系統(tǒng)利用機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真的計算方法，可以基于大電網(wǎng)典型運行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行合環(huán)電流仿真計算，無需對地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行等值，既能減少等值的工作量，又能避免等值帶來的誤差。3）數(shù)據(jù)的獲取方式，減少系統(tǒng)建模工作量。5）計算結(jié)果的展示該電網(wǎng)合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)應(yīng)通過對不