基于微机的电力系统数字动态实时仿真方法 【技术领域】
本发明涉及一种基于微机的电力系统数字动态实时仿真方法，属于电力系统的仿真研究及设备测试技术领域。背景技术
目前，电力系统的离线仿真研究以及设备的动态实时测试分别采用不同的手段，即：
1、电力系统的离线仿真研究主要依靠大型的仿真软件在PC机上进行，也就是说在计算机上利用电力系统各种元件的数学模型对其动态行为进行分析计算，是一种纯粹的数字仿真，不能连接实际的物理设备进行实时仿真。
2、设备的动态实时测试主要利用动态模拟实验进行，即采用按比例缩小的实际物理设备模拟实际电力系统，然后将保护装置和控制器接入这个模拟的系统中进行测试，是一种纯粹的模拟实物仿真。其缺点是模拟系统规模小、准备时间长、实验花费高，而且筹建动模实验室投资巨大。发明内容
本发明的目的是针对已有技术的缺点，提出一种基于微机的电力系统数字动态实时仿真方法，综合已有技术的优点，采用微型机数字仿真的技术，但是增加一种模拟接口，最终实现动态模拟实验。
本发明提出的基于微机地电力系统数字动态实时仿真方法，包括以下步骤：
1、建立描述电力网络的微分方程组；
2、根据电力网络中待测设备的测试要求，提供求解微分方程组所用的参数；
3、根据测试要求提供的参数以及设备实际运行参数，在PC机上求解微分方程，计算出待测设备相应的电参量数字信号；
4、上述数字信号进行数字量到模拟量的转换；
5、对上述模拟信号进行功率变换，使其与待测设备匹配，并将其输入待测设备；
6、待测设备输出一个反馈模拟信号，将该信号转换成数字信号，反馈至上述第3步作为运行参数。
本发明提出的基于微机的电力系统数字动态实时仿真方法，用仿真程序(软件)代替物理的发电机、变压器、输电线、电动机等等实物对继电保护装置和控制器等设备进行实时闭环测试，在测试过程中受测试的的响应信号可以通过接口实时反馈回软件，观察到动态交互的效果。这样做缩短了实验时间，降低费用，增强实验的灵活性和安全性，大大提高实验效率。附图说明
图1是本发明方法的一个实施例中的电力网络结构图。
图2是图1所示的实施例中电压、电流和参量的定义。具体实施方式
以图1系统为例，具体说明计算过程，为方便描述，定义各点的电压电流和参数名称如图2所示。
其中Es为无穷大系统电势，Zs为无穷大系统阻抗，Us为无穷大系统出口的电压，Zb为断路器阻抗，Zf为故障支路阻抗，UL为线路L端电压，UR为线路末端电压，ZR为负载阻抗，R’，L’，C’，G’是线路单位长度的电阻、电感、电容和电导，设线路长度为L，is为断路器电流，if为故障支路电流，iL为线路电流，也即负载电流。
根据如上设定，可得系统的电压电流方程：
[Es]＝[Zs]·[is]+[Us] (1)
[Us]＝[Zb]·[is]+[UL] (2)uRiL=ch(γl)-Zsh(γl)-1Zsh(γl)ch(γl)uLiL.....(3)]]>
[UL]＝[Zf]·[if] (4)
[UR]＝[ZR]·[iL] (5)其中[Es]=EsaEsbEsc,[Zs]=ZssZsmZsmZsmZssZsmZsmZsmZss,[is]=isaisbisc,[Us]=UsaUsbUsc,[UL]=ULaULbULc,]]>[UR]=URaURbURc,[iL]=iLaiLbiLc,[if]=ifaifbifc,[Zb]=Zba000Zbb000Zbc,[Zf]=ZfaaZfabZfacZfabZfbbZfbcZfacZfbcZfcc,]]>[ZR]=ZRs000ZRs000ZRs]]>令Z’和Y’为[Z′]=R′+L′xddtL′mddtL′mddtL′mddtR′+L′sddtL′mddtL′mddtL′mddtR′+L′sddt,....(6)]]>[Y′]=G′+C′sddtC′mddtC′mddtC′mddtG′+C′sddtC′mddtC′mddtC′mddtG′+C′sddt,...(7)]]>
则方程(3)中的γ和Z定义如下：
γ2＝Z′Y′Z=Z′γ=Z′Z′Y′=Z′Y′]]>
由于方程(3)为变系数超越方程，难以求解，因此根据隐式梯形法和方程(3)在无损情况下的通解，可以得到其集中电阻Bergeron等效模型的正行波和反行波方程：uf(x-ct)=Z2(Z+R4)[uL(t-τ)+(Z-R4)·iL(t-τ)]+R2(4Z+R)[uR(t-τ)+(Z-R4)·iR(t-τ)]]]>ur(x+ct)=Z2(Z+R4)[uR(t-τ)-(Z-R4)·iR(t-τ)]+R2(4Z+R)[uL(t-τ)-(Z-R4)·iL(t-τ)]....(8)]]>
方程(8)中的R为整个线路的电阻，τ为行波在线路上的传递时间。
求解以上方程，即可得到系统各点在给定时刻的电压电流值。
方程的各个系数由系统中各元件参数确定，元件参数与微分方程系数具体关系为：
Es对应无穷大系统模型中的额定电压，Zs则由无穷大系统短路容量、额定电压和电阻电抗比例共同确定，一般Zs正序和零序阻抗相等，设无穷大系统容量为S，电阻电抗比例为rRX则有：Zss=Es2S(rRX+j1-rRX2)]]>
Zsm＝0
断路器阻抗Zb由设备实际运行参数决定，当断路器三相闭合时，有Zba＝Zbb＝Zbc＝Zon，当断路器三相断开时，有Zba＝Zbb＝Zbc＝Zoff，如果断路器某相跳开，则跳开相的电阻为断开电阻，其他相电阻为闭合电阻。
故障支路阻抗Zf与故障电阻Rfault、故障清除后电阻Rnormal和故障类型有关，接地故障时，故障相的电阻为Rfault，非故障相电阻为Rnormal，互电阻为0，相间故障时，发生故障的相间互电阻为Rfault，正常情况下，每相自电阻为Rnormal，互电阻为0。
线路的长度L直接由用户指定，若单位长度正序和零序电阻、电抗、电容和电导为R’，L’1，L’0，C’1，C’0，G’，则有：R′=R′,L′s=13(L′0+2L′1),L′m=13(L′0-L′1),C′x=13(C′0+2C′1)]]>C′m=13(C′0-C′1),G′=G′]]>
负载阻抗ZRS＝RR+jωLR，其中RR，LR为用户给定的阻抗。
在实施例中，根据测试要求提供的参数有：无穷大系统的额定电压为500kV，短路容量为20000MVA，短路阻抗之比为0.1，故障电阻为1E-6，故障清除后电阻为1E6，线路长度为100km，正序电阻、电抗、电容和电导为0.01956Ω/km，0.28Ω/km，13.5nF，0，零序电阻、电抗、电容和电导为0.01956Ω/km，0.28Ω/km，13.5nF，0。负载电阻为1000Ω，负载电抗为1H。
设备实际运行参数有：断路器闭合电阻。
因为
Zss＝1.25+j12.44，Zsm＝0，Zba＝Zbb＝Zbc＝1E-6，Zfaa＝Zfbb＝Zfcc＝1E+6
R′＝0.01956，L′s＝0.28，L′m＝0，C′s＝13.5，C′m＝0，G′＝0，ZRs＝1000+j314.2
Z＝256.94，τ＝3.3356E-4，R＝1.956
取t＝0时刻仿真的初始值为
若考察安装在线路L端的保护，则应输出电压[UL]和电流[iL]，当步长Δt＝100us，根据t＝0时刻的初始值和方程(1)(2)(4)(5)(7)，可以解得[UL]=-407.99191.35216.64kV,[iL]=-0.36770.14230.2254kA,]]>
以上即为t＝100us时的数字解，根据D/A设置的转换系数，电压信号的转换系数为100000，电流信号的转换系数为6000，则实际由D/A卡输出的模拟信号分别为[Vu]=-4.081.9142.166,[Vi]=-0.06130.02370.0376,]]>
功率放大器对电压信号的放大倍数为20，对电流信号的放大倍数为6，则实际输出到待测试设备的信号为[u]=-81.6038.2843.32V,[i]=-0.36770.14230.2254A,]]>
待测试设备根据此电压电流判断不动作，根据设备实际运行参数，断路器闭合电阻保持不变，继续进行下一个时间点t＝200us的求解。