基于新型电力系统的高性能电磁暂态云仿真技术研究

国网上海市电力公司浦东供电公司 曹淳枫

1 引言

电磁暂态云仿真是得到电力系统运行情况的关键，需要对仿真技术进行合理应用，对电力系统的运行特性进行分析，提高电力模型构建的准确性。电力系统具有安全稳定的控制要求，尤其是对于新型电力系统，一旦系统状态发生改变，将会影响到系统的稳定运行，需要通过仿真技术对系统参数进行调整，使系统具有合理的参数控制条件，确保暂态云仿真得到有效应用。

2 电力系统常用元件暂态仿真建模

2.1 无源元件

无源元件属于电力系统的基础元件，在暂态仿真分析过程中，需要对无源元件进行建模，结合实际模型进行仿真，使仿真结果具有准确性。无源元件需要注重节点的分析，对无源元件进行等效处理，将元件分析过程进行简化，使仿真建模过程得到有效处理。无源元件建模采用节点分析的方式，需要在求解框架下进行实现，针对无源元件进行差分求解，将无源元件拆解成易于分析的状态，结合差分方程情况展开建模[1]。无源元件模型表达式：

式中，ikm(t)为等效电流；Geq为等效电导；A1、A2、A3为电流源参数值。无源元件模型参数主要受到支路类型的影响，围绕支路类型对模型进行补充，进而得到最终的无源元件模型。无源元件有电阻（R）、电感（L）、电容（C）及组合类型（RL、RC 串联或并联）组成，不同方式的求解方法具有差异性，需要针对支路的等效情况进行求解。以RL 串联为例，结合支路的等效情况，可得到参数求解结果：

代入无源元件模型后，得到RL 串联模型为：

2.2 输电线路

电力系统中输电线路具有一定的复杂性，需要考虑到互感耦合情况，结合线路影响情况构建等效模型。输电线路分析采用集总参数模型，如图1所示，模型由耦合电感、相间电容、耦合电流参数组成，实现了不同参数模型的整合，使输电线路模型求解过程中能够形成完整映射，保障模型求解方法的有效性。基于新型电力系统的考量，集总参数模型在求解方面具有较强的适用性，可采用模态解耦方式进行求解，形成通用性较高的求解方法。模型求解中引入了模态域，便于对单项线路展开分析，对不同支路进行分别求解，保障模型具有良好的动态响应特性。

图1 输电线路集总参数模型

输电线路模态解耦原理：首先，构建输电线路的解耦相域，实现线路模型向模态域的转化，形成高效化的解耦机制。其次，对模态域进行差分处理，由离散差分向Z 域进行转化，实现动态响应分析过程。最后，由Z 域反变换得到相域，将解耦过程形成完整循环，保障解耦过程能够顺利实现。以输电线路RL 耦合为例，等效模型表达式为：

式中，R、L 以矩阵方式表示，反映线路的不同耦合关系，确保耦合控制的基础条件。模态域求解过程中，R、L 需要分开进行分开求解，具体求解过程为：

式中，P 为模态变换矩阵。最后，需要结合相域情况进行转化，将Z 域结合到线路模型分析中，形成离散形式的耦合模型，Z 域求解后可得到：

2.3 变压器

电力系统中变压器看作分布式电源进行处理，构建模型过程中，需要考虑到系统引入谐波的影响，处理好变压器模型的仿真环境，考虑到暂态仿真效果的影响。变压器暂态模型分析过程中，需要基于等效电路情况进行判断，确保变压器的模拟变比控制条件，保障变压器具有完善的归算关系。变压器存在着相间耦合的情况，在零序参数与正序参数不等时，相间耦合情况将不容忽视，需要围绕参数之间的关系进行解析，提高对变压器参数的调节效果。变压器耦合情况采用导纳矩阵Y 进行分析，具体关系表示为：

式中，Ys为自导纳；Ym为互导纳；Y0为零序导纳；Y1为正序导纳。由此可对变压器的耦合情况进行判断，保障变压器具有良好的耦合条件。以三相多绕组变压器为例，将变压器进行等效处理后，得到电压、电流的关系式为：

2.4 断路器

电力系统中断路器可等效开关模型，需要考虑到开关对线路状态的影响，对开关的建模状态进行分析，通过开关来确定状态变化情况。断路器模型构建采用L/C 等效开关法，对模型的导纳情况进行分析，将模型求解过程进行简化，实现断路器模型的有效求解。基于短路断开条件的考量，短路器模型表达式：

式中，τ 为时间常数；Ra为静态电弧电阻；R0为起弧前电阻。

2.5 电力电子开关

电力电子开关为电力系统中的重要元件，属于线路中的开关元件，需要基于节点进行框架求解，构建电力电子开关的模型。电力电子开关状态表达式采用二值电阻法表示，具体表示为：

通过式（12）可对开关的通断状态进行描述，对仿真时刻的状态量进行分析，便于对开关特性进行模拟。电力电子开关建模需要注重传递函数的应用，构建导通和关断控制的模型条件，在有效周期内进行连续求解。开关导通闭合过程中，可等效成一个RL 模型，由拉普拉斯变换可得到s 平面上传递函数模型。电力电子开关模型表达式：

式中，H(s)为传递函数；Ra为虚拟电阻；L 为电感；s 为复变量。

3 电力系统电磁暂态云仿真模块构建

3.1 数据输入模块

数据输入模块是实现参数配置的关键，关系数据能否有效输入，需要合理对模块进行构建，保障仿真模块具有完整的输入。数据输入建模前，需要在Matlab/Simulink 之间建立所需模型，保存为mdl 格式，输入模型的拓扑结构，做好模型分析准备工作。构建数据输入模型时，数据的接口应开放出来，采用图元界面对接口进行搭建，将数据输入情况直观地展现出来，保障数据能够得到分析。电力系统仿真分析具有一定的复杂性，采用图元方法处理输入模块可缩短开发周期，便于采用图形化操作进行仿真，保障数据输入模块的应用效果[2]。

3.2 模型识别模块

电力系统仿真过程中，需要对模型识别模块展开设计，结合元件的拓扑结构情况展开分析，提高拓扑结构分析的有效性，实现对模型的精准识别。如无源元件模型构建过程中，应构建电阻、电容、电感及组合情况的模块，快速实现参数的代入情况，将Geq、A1、A2、A3代入到ikm(t)中，通过模型识别对参数进行整合。当模型条件改变后，可通过Simulink 重新进行赋值，通过参考节点对赋值结构进行标号，便于后续计算过程的参数解析，进而构建高效化的识别模块。

3.3 矩阵生成模块

电磁暂态云仿真过程中，需要注重矩阵生成模块的应用，构建不同节点的矩阵模型，使电路模型具有良好的排列情况。电力系统节点电压分析时，采用矩阵模块生成核心模型，模型表达式：

式中，G 为节点电导矩阵；U 为节点电压向量；I 为节点电流源向量。矩阵生成模块实现了模型向量的统一求解，使模型求解效率更高，可大幅度提高模型验算的效率。矩阵生成模型是实现多变量求解的关键，能够对变量进行综合解析，保证变量求解方法的有效性。

3.4 开关检测模块

开关检测模块采用L/C 等效建模法，对开关元件的变化情况进行解析，提高电力系统中开关构建的可靠性。开关模型涉及导通和关断变化，需要注重更新节点导纳方程的实现，对电力系统中的开关动作状态进行仿真，使开关检测模块控制能够符合实际情况。

3.5 仿真运算模块

仿真运算模块基于电力系统的整体模型进行考量，将上位机软件与系统控制过程结合起来，对系统的运行信息进行配置，确保电力控制系统底层的实现。仿真运算模块需要具有参数仿真和功能仿真能力，参数仿真采用内置模块进行实现，根据系统控制最佳状况，得到适宜的仿真参数，实现对运行参数自动调整；功能仿真围绕系统软硬件展开分析，重点在于仿真数据的观测与修复，对电力系统的功能进行全面检验[3]。

4 电力系统电磁暂态云仿真算例分析

电磁暂态云仿真分析需要与具体算例结合起来，做好仿真精度的控制工作，以某新型电力系统为例，系统中包含220台光伏和44台双馈风机（总容量约为80MW），需要对系统的电流电压情况进行仿真，对系统的运行状态进行检验，实现对系统状态的有效分析。系统运行状态仿真主要集中在10kV 母线上，结合输电线路模型的控制要求，电流、电压为主要的分析参数，进而对三相电路的运行情况进行仿真。三相电流、电压仿真采用Matlab/Simulink，仿真时间为10s，对仿真时间内的数据变化情况进行观察。采用仿真软件可自动生成曲线，三相电流、三相电压分别在统一坐标系下进行生成，便于对电流、电压的变化进行对比，便于得出数据的分析结果。基于三相电流、电压的分析结果可知，三相电压、电流的波形基本一致，电压平均相对误差为0.0012%，电流平均相对误差为0.0031%，二者的误差均处于合理范围内。基于稳态控制效果考量，电力系统模型的仿真效果处于达标状态，说明新型电力系统具有稳定的运行状态[4]。

5 结语

新型电力系统暂态云仿真需要注重核心技术的应用，结合系统的实际情况构建模型，使仿真体系框架具有完整性。仿真分析在电力系统构建中具有必要性，是实现参数稳定控制的关键，需要合理对参数进行分析，对电力系统的参数配置进行优化，消除电力系统中的不可控情况。仿真模型需要具有完整的拓扑结构，合理对电力系统模型进行计算，提高模型结构对系统的适应性，合理对仿真参数进行控制，保障电力系统具有稳定的参数控制条件。