【正文】 同仿真條件的仿真結果進行整理，得到合環(huán)操作對合環(huán)沖擊電流幅值的影響，支持表格、曲線等多種輸出方式，對比不同運行方式下合環(huán)操作后的潮流分布，在滿足全網潮流穩(wěn)定運行和繼保設備要求的前提下，給出滿足系統(tǒng)要求的合環(huán)操作解決方案。53 / 53第2章 電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術 引 言電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真在變量數學模型、積分步長、仿真時間范圍等諸多方面都存在著較大的差異[43]。電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程和電磁暫態(tài)過程是兩個具有不同時間常數、用不同數學模型表示的物理過程，在仿真原理和仿真方法上存在較大差異[44]。進行接口設計時需要考慮以下問題：一是電磁暫態(tài)（機電暫態(tài)）網絡仿真過程中，與其相關連的機電暫態(tài)（電磁暫態(tài)）網絡應該如何表示；二是接口時序應該如何設置[46,47]。 機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真的接口等值電路如圖21（a）所示，在進行合換電流混合仿真計算時，整個網絡可分為兩大部分：即機電暫態(tài)網絡與電磁暫態(tài)網絡。由于電磁暫態(tài)仿真網絡為三相瞬時值網絡，而機電暫態(tài)仿真網絡為三序相量網絡，還需要進行相序變換，瞬時值相量變換。為了提高混合仿真模擬的精度，需要在對原有機電暫態(tài)仿真系統(tǒng)進行工頻等值基礎上增加頻域等值功能，由以下幾個步驟完成：對原有機電暫態(tài)系統(tǒng)采用頻域掃描的方法，給出系統(tǒng)在接口點處頻率阻抗的特性關系；采用矢量匹配算法進行頻率的擬合，得到如式（21）所示以分式之和描述的擬合函數；根據式（21）形成如圖22所示的電阻、電感、電容元件組成的串并聯等值網絡；將此電路作為機電暫態(tài)網絡的戴維南等值電路，接入電磁暫態(tài)網絡進行計算。圖22中的電阻電路對應于式（21）中的常數項，電阻電容電路對應于式（21）中實數極點項，電阻電感電容電路對應于式（21）中共軛復數極點項。其中各變量值如下：圖22 的等值網絡 機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真的接口時序 機電暫態(tài)網絡和電磁暫態(tài)網絡數據交換時序由于機電暫態(tài)網絡的計算步長大，而電磁暫態(tài)網絡的計算步長小，因此機電暫態(tài)網絡和電磁暫態(tài)網絡之間數據的交換是以機電暫態(tài)步長為基準單位進行的。具體過程如下：首先進行程序的初始化，初始化過程中機電暫態(tài)網絡向電磁暫態(tài)網絡發(fā)送一次數據；初始化之后機電暫態(tài)網絡不作計算，電磁暫態(tài)網絡用初始的等值電勢進行計算，在t=，其中電磁暫態(tài)網絡接收的是機電暫態(tài)網絡在t=0s時刻的值，機電暫態(tài)網絡接收的是電磁暫態(tài)網絡在t=，數據交換完成后兩網絡分別開始進行t=，以此后推，在t=NDTP時刻兩網絡交換數據，其中電磁暫態(tài)網絡接收的是機電暫態(tài)網絡在tDTP時刻的值，機電暫態(tài)網絡接收的是電磁暫態(tài)網絡在tDTE時刻的值。具體過程如下：首先程序進行初始化，初始化過程中機電暫態(tài)網絡向電磁暫態(tài)網絡傳遞一次數據；初始化之后機電暫態(tài)網絡不作計算，電磁暫態(tài)網絡采用初始的等值電勢進行計算，在t=，隨后機電暫態(tài)網絡進行t=，此時電磁暫態(tài)網絡暫停計算，機電暫態(tài)網絡計算完畢后將t=，隨后電磁暫態(tài)網絡進行t=～，此時機電暫態(tài)網絡暫停計算，在t=。在機電暫態(tài)網絡結構發(fā)生變化時，機電暫態(tài)網絡還需向電磁暫態(tài)網絡發(fā)送機電暫態(tài)網絡的正、負、零序等值阻抗陣。例：機電暫態(tài)網絡分為3個子網SSS3，都接有電磁暫態(tài)網絡（簡稱EMT），如圖26所示。各子網端口點：子網1：1，2，3；子網2：4，5，6；子網3：7，8，9，在主控機形成如下式22的端口方程：圖26 機電暫態(tài)網絡分網及接電磁暫態(tài)網絡示意圖 （22）式（22）的右端項中不包含EMT電流，對式（22）中的Y陣求逆，可得Z陣（99）=[Zij], i=1,2,…,9， j=1,2,…,9，式（23）為邊界點看過去的機電暫態(tài)網絡的等值阻抗為： （23）等值電勢為： （24）（2）每一積分時段，根據電磁暫態(tài)網絡發(fā)送的邊界點正、負、零序電壓和電流求取電磁暫態(tài)網絡諾頓等值電路的電流源。（3）每一積分時段，求取機電暫態(tài)網絡的三序戴維南等值電勢。 接口方法在電磁暫態(tài)網絡中的實現如前所述，機電暫態(tài)網絡為三序相量網絡，電磁暫態(tài)網絡為三相瞬時值網絡，因此，應該對機電暫態(tài)電磁暫態(tài)接口數據進行序相變換及相量瞬時量的變換，需要由電磁暫態(tài)網絡計算部分來完成，主要有：（1） 獲得機電暫態(tài)網絡的三序戴維南等值電勢和阻抗后，將其轉換為三相瞬時值形式；（2） 將邊界點的三相電壓、電流瞬時值轉換為相量值，再進一步轉換為三序相量值。接口模塊首先接收機電暫態(tài)網絡的邊界點正、負、零序相量形式的等值電勢，然后結合邊界點的正、負、零序等值阻抗，將其變換成ABC相電流源并聯ABC相導納的形式；另一方面，接口模塊還要將電磁網絡邊界點的ABC相注入電流及相電壓瞬時值，轉換成正、負、零序相量值，并發(fā)送給機電暫態(tài)網絡，完成一次信息交互后，機電暫態(tài)網絡和電磁暫態(tài)網絡繼續(xù)進行下一個步長內各自的計算。圖28的表現形式還能轉換為圖29的形式，將邊界點m一分為二，使得區(qū)域A中有m點，同時在區(qū)域B中也有m點，A與B之間將形成如圖29所示的關聯關系。另外，由于邊界點同時存在于A、B兩個子網中，因此有： （28） 將（26）（27）（28）式聯立，并且考慮到q為單位陣，可得： （29） 利用（29）式求出后，回代入（26）（27），即可分別求出各點電壓。 算例分析該算例是電力系統(tǒng)混合仿真程序上開展仿真分析工作的一部分，其特點是算例分析內容在實際電網中進行了驗證，通過與實際系統(tǒng)錄波數據的對比，可得到混合仿真準確度高低的具體結論。圖210 混合仿真算例局部網絡示意圖圖211 混合仿真計算界面接地點設置為母線“葛遠B3”，故障類型設置為三相短路接地，測量接地點短路電流，接地時間為3s。當故障類型設置為C相短路接地時，采用和三相短路接地時一樣的條件，其仿真結果如表21所示。 本章小結本章給出電力系統(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)網路數據的交換時序和形式做出詳細分析，對接口方法在機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)網絡中的實現給出解決方法，通過計算算例的結果驗證了本文提出的混合仿真方法的可行性和準確性。 系統(tǒng)基本構架從整體上看，合環(huán)電流計算系統(tǒng)包括合環(huán)潮流計算與合環(huán)暫態(tài)計算兩部分，合環(huán)潮流計算可得到合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，合環(huán)暫態(tài)計算可得到合環(huán)沖擊電流。其中系統(tǒng)中各負荷點和電源的功率、平衡點的電壓與相角為給定的條件，包括電網中各母線節(jié)點的電壓幅值與相角，以及各支路的功率分布、網絡的功率損耗等為待求運行狀態(tài)參量。 （31）其中：為節(jié)點平衡方程式；為待求的各節(jié)點電壓。為保證合環(huán)潮流計算的收斂性進而求出合環(huán)電流的大小，合環(huán)電流仿真系統(tǒng)中提供了多種計算方法如PQ分解法、牛頓法、最佳乘子法、PQ分解轉牛頓法等。合環(huán)潮流計算報告給出合環(huán)前合環(huán)點處母線電壓差、相角差，為合環(huán)問題的分析提供初步判斷的依據。此外，合環(huán)潮流計算可輸出合環(huán)路徑上相關支路以及任意其他支路、任意母線在合環(huán)前、合環(huán)后的潮流對比結果。能夠提供的計算結果包括： 常規(guī)潮流計算的結果；支路潮流的對比查看：支路電流、輸送功率；母線電壓的對比查看；合環(huán)潮流報告：合環(huán)前母線電壓差、合環(huán)前母線相角差、合環(huán)點電流值、過流保護定值、與保護定值的差值、與保護定值的差值（百分數）、合環(huán)操作是否可行。這種方法可以提高計算速度，又對最終結果沒有影響，因此是一種常用的計算方法。這種方法原則上能夠給出系統(tǒng)的確定解，若最佳乘子趨近于0，說明該問題無解，若最佳乘子保持在1附近則要考慮其它方法進行求解；（4）牛頓法（電流式），該方法以節(jié)點電流的平衡方程為數學模型該方法且收斂性很好，其求解過程與牛頓法（功率式）相似；（5）PQ分解轉牛頓法，該方法可以改善系統(tǒng)計算的收斂性，提高計算速度。 合環(huán)機電暫態(tài)仿真電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定一般是指電力系統(tǒng)遭受如輸電線路短路、斷線等大干擾時各同步發(fā)電機保持同步運行的能力，其表現為可以是系統(tǒng)過渡到新的穩(wěn)態(tài)運行方式或者恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式[48]。暫態(tài)穩(wěn)定研究的時間范圍一般為擾動后35秒，大系統(tǒng)考慮互聯模式振蕩可延續(xù)至1020秒。（2）一次設備和二次自動裝置的微分方程： （35）其中： （36） （37）Y為微分方程求解的變量。例如通過改變X，Y矩陣的值，可以根據電網的簡單或復雜故障以及一些操作等。暫態(tài)穩(wěn)定算法一般即指分步積分法，該方法可簡述如下：如前所述，網絡方程和微分方程聯立求解即為暫態(tài)穩(wěn)定的數學模型： （38）合環(huán)機電暫態(tài)穩(wěn)定計算具體的算法為：在求解微分方程時采用梯形隱積分的迭代法；求解網絡方程時采用直接三角分解和迭代相結合的方法；若要完成一個t時段的求解，必須滿足收斂的條件，這就要求微分方程和網絡方程兩者交替迭代計算。常規(guī)機電暫態(tài)仿真計算需設定故障，即對指定的故障進行模擬，與常規(guī)機電暫態(tài)仿真計算相比，合環(huán)機電暫態(tài)仿真根據設定的合環(huán)點信息自動形成合環(huán)操作動作序列卡，不額外設定故障。 合環(huán)混合暫態(tài)仿真前文已經闡述了機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真的計算方法，本課題所研究系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于應用機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真計算的方法來計算合環(huán)電流等電氣量。機電暫態(tài)仿真的典型仿真步長為10毫秒，因此在對不同的合環(huán)相角模擬上顯得時間刻度不夠精細。本文所提到的合環(huán)混合仿真計算是指全網定義為機電暫態(tài)網絡，根據設置的合環(huán)點信息，將合環(huán)點附近區(qū)域自動劃分為電磁暫態(tài)網絡，其他大部分電網仍為機電暫態(tài)網絡，在一次仿真過程中實現對局部特定區(qū)域的電磁暫態(tài)仿真和全網其它部分的機電暫態(tài)仿真，能夠計算得到對應不同的合環(huán)相角下沖擊電流瞬時值以及合環(huán)點附近各母線電壓、各母線電流和功率的瞬時值，以及由于合環(huán)操作產生的過電壓情況。合環(huán)電流仿真系統(tǒng)集中了機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真的各自優(yōu)點，既可以反映特定系統(tǒng)中詳細的電磁暫態(tài)變化過程，又可仿真較大規(guī)模的電力系統(tǒng)網絡，無需進行等值，且準確性較高。其基本流程如圖32： 圖32 機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真流程 以下對各部分功能進行說明：178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。電磁暫態(tài)進程類型有：電磁暫態(tài)進程、電磁暫態(tài)物理裝置接口進程、電磁暫態(tài)MATLAB進程、電磁暫態(tài)IO進程，電磁暫態(tài)UD進程共五種。 針對遠程并行仿真計算，生成啟動腳本，設置登錄計算服務器機群的用戶名和密碼，電磁暫態(tài)數據和腳本文件提交上傳到相應的節(jié)點機上，由于本文所提出的仿真系統(tǒng)基于本地并行計算，故此過程并不存在。 設置電磁暫態(tài)錄波參數：采樣倍率、預錄波時間、錄波時間、錄波啟動模式；編輯電磁暫態(tài)錄波顯示面板，設置錄波關聯的仿真變量；編輯電磁暫態(tài)控制面板，設置控制和實時監(jiān)視的仿真變量關聯。 從電磁暫態(tài)界面程序啟動命令主機RSH腳本向節(jié)點機發(fā)送啟動并行計算程序的命令，開始進行混合仿真計算，啟動前臺監(jiān)聽服務進程；機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真計算同時開始啟動。178。在仿真過程中，可以對控制和監(jiān)視元件進行編輯。②機電暫態(tài)界面接收計算進程發(fā)送的監(jiān)視變量數據，通過曲線實時顯示計算結果。 接收到仿真計算結束的消息，下載計算的結果文件（本地混合仿真不需要下載文件），分別存儲到機電數據庫和電磁計算結果文件目錄下，停止所有的通信線程。 將計算結果數據以報表和曲線的方式進行顯示，通過電磁暫態(tài)曲線瀏覽界面，進行曲線顯示，曲線分析，可以計算波形有效值、相角、諧波、阻抗、功率等。 （3）開關統(tǒng)計功能：分析并統(tǒng)計出不同合環(huán)時刻對沖擊電流幅值大小的影響，給出最惡劣的合環(huán)操作時刻。根據同心松弛原理，合環(huán)操作產生的過電壓、沖擊電流在合環(huán)點附近區(qū)域最為嚴重，而對較遠區(qū)域范圍的影響卻相對較小，因此，電磁暫態(tài)網絡應以合環(huán)點為中心進行劃分。若單線圖未完全畫出，則很容易產生畫面上相互獨立的電網而在實際上還存在支路連接的情況，導致分網不成功。顯然，這種處理方式應用于合環(huán)電流計算系統(tǒng)會