電力系統機電暫態-電磁暫態混合仿真的研究

張興然

（保定電力職業技術學院，河北 保定 071051）

0 引言

電力系統發生故障或操作后，將產生復雜的電磁暫態過程和機電暫態過程，兩者同時發生并相互影響。由于這兩個暫態過程的變化速度相差很大，通常近似地對它們分別進行仿真。隨著電力電子設備和高壓直流輸電技術的廣泛使用，機電暫態過程仿真中使用這些設備的準穩態模型或簡化模型，會導致仿真結果存在較大誤差；另一方面，雖然電磁暫態仿真能夠準確表達電力電子設備模型，由于受模型與算法的限制，其仿真規模不大，難以適應于現代大電力系統?，F有的機電暫態和電磁暫態分析軟件在對系統進行分析時，已經難以滿足需要，電力系統的快速發展對仿真技術也提出了新的要求和挑戰[1-3]。

電力系統電磁暫態與機電暫態混合仿真是指，在一次仿真過程中將計算對象的電網拓撲按照需要分割成電磁暫態計算網絡和機電暫態計算網絡分別實施計算，通過電路連接界面即接口上的數據交換實現一體化仿真進程。電力系統混合仿真技術將電磁暫態仿真和機電暫態仿真技術很好的結合起來，彌補了二者單獨進行暫態仿真的不足。電磁暫態過程與機電暫態過程的混合仿真可兼得各自的優點?；旌戏抡娴年P鍵在于兩仿真程序之間的接口問題，接口時序設計尤為重要[4]。

本文首先介紹了，電磁暫態仿真和機電暫態仿真的特點；在比較二者特點的基礎上，闡述了把兩者進行接口的原理和接口時所遇到的問題；最后重點介紹了，現有的三種混合仿真中數據接口時序的設計，并對各自的優缺點進行了分析。

1 電磁暫態仿真和機電暫態仿真的特點

表1 電磁暫態仿真和機電暫態仿真的特點比較

電力系統機電暫態過程的仿真主要用于分析電力系統的穩定性，即分析當電力系統在某一正常運行狀態下受到某種干擾后，能否經過一段時間回到原來的運行狀態或過渡到一個新的穩定運行狀態的問題。而電磁暫態過程仿真的主要目的在于分析和計算故障或操作后可能出現的暫態過電壓和過電流，以便根據所得到的暫態過電壓和過電流對相關電力設備進行合理設計，確定已有設備能否安全運行，并研究相應的限制和保護措施。由于仿真目的不同，兩類暫態過程仿真在計算步長、變量表示、仿真時間范圍、模型建立和仿真規模等方面都存在差異。具體區別如表1 所示[5]。

2 混合仿真的接口原理

混合仿真技術綜合了機電暫態仿真和電磁暫態仿真的優點，對大規模的常規電力系統進行機電暫態仿真，對其中重點關注的局部網絡進行電磁暫態仿真。但是電力系統機電暫態過程和電磁暫態過程是兩個用不同數學模型表征、具有不同時間常數的物理過程，在仿真原理和方法上存在較大差異。為了將大規模復雜電力系統的機電暫態仿真和局部系統的電磁暫態仿真集成在一個進程中，需要采用接口技術，通過仿真過程中機電暫態網絡計算信息和電磁暫態網絡計算信息的隨時交換，來實現大規模電力系統的電磁暫態和機電暫態混合仿真。

電力系統電磁暫態計算和機電暫態計算進行接口時需要機電暫態網絡的計算信息和電磁暫態網絡的計算信息隨時交換，以使機電暫態網絡和電磁暫態網絡的仿真在一次計算過程種完成。但是由于機電暫態仿真和電磁暫態仿真在模型處理，積分步長，計算模式上的不同，接口時面臨著種種問題，接口時序就是其中一個重要的問題。

3 數據交換時序的設計

機電電磁暫態混合仿真中的數據時序交互主要有串行和并行以及相互迭代三種方式。由于機電暫態仿真步長較大，而電磁暫態仿真步長較小。因此混合仿真中數據交換時序應該以機電暫態計算步長為單位進行[6-7]。

圖1 電磁-機電混合仿真接口串行時序

3.1 串行時序

如圖1 所示，為一種較常見串行接口時序，其中T0，T1，T2 表示數據交換的各個時刻，數字1，2…5 表示數據時序交互的先后順序。由圖可見，電磁暫態網絡仿真時，機電暫態網絡的仿真處于停止狀態，同樣，機電暫態網絡仿真時，電磁暫態網絡的仿真也處于停止狀態，電磁暫態仿真和機電暫態仿真交替進行。電磁機電計算期間的相互等待影響了仿真速度，難以滿足混合仿真中實時交互的要求。但采用這種仿真時序，能夠保證兩個仿真網絡計算的精度基本不受影響。

步驟1：機電暫態仿真過程將T0時刻求得的接口點電壓、電流等信息轉換成諾頓等值電路參數形式，送入電磁暫態仿真側[2]。

步驟2：電磁暫態仿真過程利用T0時刻從機電暫態仿真過程獲得的諾頓等值參數，進行T0到T1時段的電磁暫態計算。

步驟3：電磁暫態仿真過程計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態仿真過程。

步驟4：機電暫態仿真過程獲得邊界點信息后，進行T0～T1時刻網絡的計算。

步驟5：重復以上各步。

3.2 并行時序

圖2 電磁暫態-機電暫態混合仿真接口并行時序

圖2 是一種并行接口時序，電磁與機電側在計算過程中都不需要等待，兩側各自并行計算；因而提高了仿真速度，滿足了在接口處實時交換數據的要求。但采用這種仿真時序，電磁側在t+△T 時刻采用的都是對側t 時刻的等值信息，因而存在一定的交接誤差，影響了計算精度。特別是在網絡結構發生變化時，接口點電壓和電流將會發生突變，如果采用這種并行數據交互方式，則對側網絡的故障信息難以得到及時，準確，充分的傳遞，也無法正確反映對側網絡動態變化對于本側造成的影響。

步驟1：仿真開始時刻，機電暫態網絡在邊界點的等值阻抗和等值電勢值被傳給電磁暫態計算過程；

步驟2：電磁暫態計算過程利用該時刻從機電暫態計算過程獲得的戴維南等值參數，進行T0到T1時段的電磁暫態計算。

步驟3：電磁暫態計算到T1時刻時，利用過去一個周波的計算結果計算得出邊界點電壓、電流等參量的基波有效值，并送入機電暫態計算過程。同時，從機電暫態計算過程獲得機電暫態網絡的戴維南等值阻抗和電勢。

步驟4：機電暫態計算過程獲得邊界點信息后，進行T0～T1時刻網絡的計算。同時，電磁暫態過程進行T1到T2時段的電磁暫態計算。

步驟5：電磁暫態計算到T2時刻時，機電暫態過程計算到T1，二者同步驟3 一樣進行數據交換。

步驟6：機電電磁二者并行計算，同步驟4，之后不斷重復以上各步。

3.3 相互迭代時序

圖3 采用相互迭代接口時序，在系統穩態運行時采用并行交互方式以提高仿真速度，在系統網絡結構發生變化時采用串行交互方式以提高仿真精度。也就是綜合以上2 種方法，這樣可以較好地協調接口時序方式引起的速度和精度問題。

圖3 具體過程如下：

步驟1：T1時刻，電磁暫態網絡發生故障，此時，電磁暫態計算過程或機電暫態計算過程均沒有開始進行故障后的計算，機電暫態計算過程照常將接口信息送入電磁暫態計算過程。

圖3 并行串行相結合的數據交換方式

步驟2：電磁暫態計算過程獲取信息后，進行一個周波的計算，直到T3時刻。

步驟3：將T1～T3這一個周波時段的邊界點基波有效值計算出來，并將此信息送入機電暫態計算過程。

步驟4：機電暫態獲取電磁暫態網絡的等值電路參數后，接著連續進行一個周波的計算。

步驟5：機電過程從T2時刻開始，電磁過程計算從T3時刻開始，兩過程之間接口時序又恢復為并行計算。

從上述對以上三種方法的分析比較上來看，在混合仿真中，采用相互迭代的時序是比較好的方法，既保證了計算的效率，又可以在故障時采用串行方式以保證精度。

4 結論

實現電力系統電磁暫態與機電暫態混合仿真，一方面擴大了電磁暫態仿真的規模，另一方面也為電磁暫態網絡的仿真分析提供了必要的系統背景。采用電磁暫態－機電暫態混合仿真技術進行工程分析和應用，既能避免由于電磁暫態仿真規模的限制而產生的進行系統等值的工作量，還能大大提高系統分析研究的準確度，對于研究交直流系統、直流多饋入系統和大功率電力電子設備對系統運行的動態影響等都將切實起到作用，因此，電磁暫態-機電暫態混合仿真成為目前電力系統仿真領域的熱點問題之一。

［1］王冠，蔡曄，張桂斌，等.高壓直流輸電電壓源換流器的等效模型及混合仿真技術[J].電網技術，2003，27(2)：4-8.

［2］Wang Guan，Cai Ye，Zhang Guibin et al.Equivalent model of HVDC-VSC and its hybrid simulation technique[J].Power System Technology，2003，27(2)：4-8.

［3］王路，李興源，羅凱明，等.交直流混聯系統的多速率混合仿真技術研究[J].電網技術，2005，29(15)：23-27.

［4］Wang Lu，Li Xingyuan，Luo Kaiming et al.Study on multirate hybrid simulation technology for AC/DC power system[J].Power System Technology，2005，29(15)：23-27.

［5］Heffernan M D，Turener K S，Arrillaga J et al.Computation of AC-DC system disturbance.Part I.Interactive coordination of generator and converter transient models[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1981，PAS-100(11)：4341-4348.

［6］Turner K S，Heffernan M D，Arnold C P et al.Comparison of AC-DC system disturbances.Part II.Derivation of power frequency variables from converter transient response[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1998，PAS-100(11)：4349-4355.

［7］柳勇軍，梁旭，閔勇，胡明亮.電力系統機電暫態和電磁暫態混合仿真程序設計和實現[J].電力系統自動化，2006-6-25，30(20).