[发明专利]一种基于隐式数值积分的电力系统暂态稳定仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统自动化专业领域，涉及到了一种用于计算电力系统暂态稳定的数值积分方法。

背景技术

电力系统暂态稳定分析是电力系统分析计算中最核心、最基础的内容之一。由于现代电力系统的规模不断扩大，在线动态安全分析，安全稳定紧急控制、预防控制，智能调度等控制技术已逐步在电力系统中推广使用。实现这些先进技术的前提条件是能够对大规模电力系统进行快速准确可靠的暂态稳定仿真计算。

用于电力系统暂态稳定计算的分析方法主要有数值积分法，直接求解法，以及将数值积分和直接求解法相结合的混合分析方法。其中，数值积分法是电力系统暂态稳定计算方法中最准确、最可靠的方法。数值积分法最大的缺点是计算量大，尽管计算机计算速度已经有了飞速提高，但对于大规模电力系统，计算的速度难以满足在线动态安全分析、预防控制、紧急控制的要求。

电力系统的暂态过程可用如下形式的微分-代数方程组描述

                         （1）               

                          （2） 

式中，表示微分方程组中描述系统动态特性的状态变量；表示代数方程组中系统的运行变量。通常向量包含发电机功角和转速等描述系统中各动态环节的状态变量，而向量通常包含与网络相关的运行变量，如节点电压的幅值和相位等。

用数值积分法求解电力系统暂态过程的一般流程如图1所示。其核心步骤是框⑧所示的在每一积分步根据、求解（1），（2）式所表示的微分-代数方程组，得到和。目前，在电力系统数值仿真领域求解（1）式微分方程组的常用方法有隐式梯形积分法、改进欧拉法、龙格-库塔法等。隐式梯形积分数值稳定性好，但需要进行多次迭代求解，计算量大，目前电力系统商业计算程序BPA、PSASP采用的就是这种积分方法。改进欧拉法和龙格-库塔法为显式积分方法，无需迭代，计算量小，但数值稳定性较差。另外，显式积分算法要根据算法的截断误差，通过选择合理的积分步长，来保证算法的数值稳定性，如在电力系统中广泛应用的PSS/E程序采用的就是改进欧拉法。

为了同时保证算法的仿真精度和稳定性，计算时所取积分步长要与算法的截断误差成反比，即要使数值积分算法的截断误差越小，在同样精度要求下，积分步长可以取大一些，反之积分步长要取小一些。通常每一个积分步的截断误差越小，计算量也越大。如欧拉法的局部截断误差为，每一个积分步只需计算一次微分代数方程组；改进欧拉法的局部截断误差为，每一个积分步需计算两次微分代数方程组；四阶显式龙格－库塔法的局部截断误差为，每一个积分步需计算四次微分代数方程组。而隐式梯形积分法的局部截断误差为，则需经过多次迭代求解微分-代数方程，才能得到满足精度要求的解。以此看来，若能在提高算法截断误差的同时，不增加算法的计算量，则能减少整个暂态仿真的计算量，加快计算速度。 

目前，电力系统暂态稳定数值积分方法中均直接采用计算方法理论中的通用算法，如隐式梯形积分法、改进欧拉法、龙格-库塔法以及其他方法，并没有根据描述电力系统暂态过程的微分方程的特点对算法进行改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决电力系统暂态稳定仿真方法中，现有的数值积分方法计算量大，计算速度不能满足电力系统在线计算要求的这个问题，提出了一种基于隐式数值积分的暂态稳定数值仿真方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：一种基于隐式数值积分的电力系统暂态稳定仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：输入系统的原始参数和信息，进行潮流计算得到稳态工况下的运行变量值，包括发电机节点的电压，注入网络的电流及发电机电磁功率；

步骤2：计算状态变量功角的初值、角频率的初值、发电机的暂态和次暂态电势、励磁及调速系统各动态环节状态变量组成的状态向量子向量的初值；

步骤3：形成描述系统暂态过程的微分方程和网络代数方程,并且进行网络代数方程因子表分解；

步骤4：置暂态稳定计算初值时刻，确定暂态稳定计算采用的积分步长，进行暂态稳定仿真计算；

步骤5：判断是否有故障或操作发生。若无，则转向步骤8；若有则执行步骤6；

步骤6：依据故障或操作情况，修改网络代数方程的因子表；

步骤7：求解网络代数方程，得到时刻的运行变量；

步骤8：计算时刻的系统的状态变量，运行变量，本步骤具体过程如下：