[发明专利]面向电力系统电磁暂态仿真的状态空间自动建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种状态空间自动建模方法。特别是涉及一种适用于电力系统电磁暂态仿真建模应用的面向电力系统电磁暂态仿真的状态空间自动建模方法。

背景技术

在电力系统时域仿真的研究中，分别针对电磁暂态过程与机电暂态过程发展出了相应的数字仿真方法，即电磁暂态仿真方法与机电暂态仿真方法，二者从元件的数学模型到仿真计算方法都具有完全不同的特征。电力系统电磁暂态仿真主要反映系统中电场与磁场的相互影响产生的电压电流的变化过程，而机电暂态仿真则主要关注故障发生后电机转子机械运动的变化过程。本发明面向电力系统电磁暂态仿真，提出了一种电力系统状态空间自动建模方法，该方法不仅适于传统电力系统电磁暂态仿真，也同样适用于含各种分布式电源及储能装置的智能配电系统的电磁暂态仿真计算。智能配电系统电磁暂态仿真也称为智能配电系统暂态仿真（transient simulation），相对于传统电力系统电磁暂态仿真，智能配电网暂态仿真对元件类型的多样性、模型的复杂性要求更高，但在系统建模方法方面，二者是一致的。

电力系统电磁暂态仿真本质上可归结为对动力学系统时域响应的求取，它包括系统本身的数学模型和与之相适应的数值算法。

当前，电力系统电磁暂态仿真基本方法可分为两类，包括节点分析法（Nodal Analysis）和状态变量分析法（State-space Analysis）。基于节点分析框架的电磁暂态仿真方法可概括为先采用某种数值积分方法（通常为梯形积分法）将系统中动态元件的特性方程差分化，得到等效的计算电导与历史项电流源并联形式的诺顿等效电路，此时联立整个电气系统的元件特性方程形成节点电导矩阵，如式（1）所示，求解得到系统中各节点电压的瞬时值。

Gu=i                     （1）

式（1）所示的节点电导矩阵为线性方程组，可使用各种成熟的线性稀疏矩阵算法库进行求解。节点分析法广泛应用于EMTP、PSCAD/EMTDC等专业的电力系统电磁暂态仿真程序中，工程上也称基于节点分析框架的电磁暂态仿真工具为EMTP类程序。节点分析法的主要优势体现在程序实现难度和仿真计算效率方面，但由于式（1）的节点电导方程本身已将数值积分方法与系统模型融为一体，导致EMTP类程序在求解算法选择方面缺乏灵活性与开放性，同时式（1）已不能给出系统本身的特征信息。

与节点分析法不同，状态变量分析法属于一般性建模方法（general purpose modeling），不仅适于电路与电力系统仿真，同样也适于其它形式的动力学系统的建模与仿真。Matlab/SimPowerSystems软件是状态变量分析框架下暂态仿真程序的典型代表。与节点分析框架相比，状态方程在模型的计算求解方面具有高度的开放性和灵活性，同时能够提供关于系统各种特征的丰富信息（如系统的特征值），进而能够从全局角度了解系统的动态特性，为各种快速、准确、高效的仿真算法的开发与测试工作提供了便利条件。状态变量分析法的缺点在于建模过程效率低、程序实现复杂，对小规模系统可采用手工方式得到其状态-输出方程形式的系统模型，但当系统规模较大时，尤其对于大规模电力系统来说，必须要考虑易于程序实现的一般性建模方法。

应用状态变量分析的基础是形成式（2）所示标准形式的状态-输出方程，此时系统中的电源作为输入u。上述标准形式的状态方程可通过状态空间自动建模方法ASMG（Automated State Model Generation）得到，并使用各种显式或隐式积分方法进行求解。但这一模型与电力系统实际元件特性与结构特点的关系并不十分明确，矩阵A′、B′、C′、D′均没有实际的物理意义，不利于后续开展的系统分析工作。

x·=A′x+B′u]]>（2）

y=C′x+D′u

因此，在电力系统仿真领域，更多地采用式（3）形式的状态-输出方程对系统进行建模。