用于真实电力系统仿真的可编程和可重新配置的硬件 【技术领域】
本发明涉及用于仿真电力系统的设备。背景技术 电力系统模拟方法具有重的计算需求， 从而导致涉及的模拟时间的问题。 然而， 国 际研究仍然保持朝向在模拟方法中应用的数值算法方法。 这至少部分是由于这样的数值方 法的准确性。然而， 似乎这样的准确数值方法的速度已经达到它的极限 ( 特别在必须在最 短时间段内分析大承载电力系统的情况下 )。
已经进行研究以开发备选方法， 其中使用采用电子电路的仿真技术。这些技术寻 求快速评定电力系统的工作点极限。例如， 突然面对紧急事件的电力系统可以被分析并且 适当的判定可以从所仿真的系统中得到以便保持系统服务期限。然而， 尽管这样的仿真的 电力系统的速度比使用数值算法所模拟的方法要快， 这样的仿真方法的准确性常规上是较 低的。
另外， 常规电力系统仿真方法限于使用数字或模拟电子器件的可重新编程电力系 统部件和它们的实现的系统。然而， 整个系统的拓扑是固定的。
因此需要有仿真的灵活和准确方法， 其具有合适的速度以允许电力系统的工作点 极限的快速评定。 此外， 需要有仿真系统， 其中该系统的整体拓扑提供在专用平台上以及是 可重新编程的。
发明内容 本发明寻求解决现有技术的问题。
本发明的第一方面提供用于电力系统的仿真的设备， 该设备包括多个可编程元 件， 它们选择性地互相可连接 ； 每个可编程元件包括 ：
a. 从发电机元件 (generator element)、 线路元件 (line element) 和负载元件 (load element) 构成的组选择的至少两个元件 ； 以及
b. 可编程开关元件， 可操作成选择性地互相连接每个可编程元件中的该至少两个 元件， 和选择性地连接可编程元件到一个或多个其他的可编程元件。
在这样的设备中， 至少一个可编程元件可包括发电机元件和线路元件， 并且另一 个可编程元件可包括负载元件和线路元件。
本发明的另外方面提供用于电力系统的仿真的设备， 该设备包括多个可编程元 件， 它们选择性地可互相连接 ； 每个可编程元件包括 ：
可编程发电机元件 ；
可编程线路元件 ；
可编程负载元件 ； 以及
可编程开关元件， 可操作成选择性地连接发电机元件、 线路元件和负载元件， 和选 择性地连接可编程元件到一个或多个其他的可编程元件。
可编程元件的拓扑可选择性地依靠可编程开关元件的操作而被仿真。
可编程开关元件还可用于对给定的拓扑仿真不同的场景， 例如但不限于传输线的 短路及其类似的。术语 “场景” 意指包括拓扑中的局部化的变化和 / 或可编程元件参数的 变化。
从而， 本发明提供表示基本电力网络部件的专用互连的多个可编程元件。每个可 编程元件包含模型化电力系统必需的部件， 包括但不限于发电机、 负载、 传输和配电线、 互 感器 (transformer) 和其他电压、 频率、 有效 (active) 和电抗性 (reactive) 电力流控制装 置及其类似物。
在第一实施例中， 可编程开关元件可操作成选择性地改变所述一个或多个可编程 元件之间的连接。
备选地， 或更优选为另外地， 可编程开关元件可操作成选择性地改变每个可编程 元件的发电机元件、 线路元件 ( 包括但不限于传输线元件 ) 和负载元件之间的连接。
本发明的设备利用微电子电路而不是常规数字设置的数值算法。此外， 由于每个 可编程元件通过可编程开关元件的操作而可选择性地被编程， 并且还可选择性地连接到其 他选择性地可编程的元件， 本发明的设备提供可编程电力系统仿真器， 其可以以不同的时 间常数和频率同时重现大量电力系统现象。 此外， 仿真速度比实时更快， 使得干扰的影响可在它们实时出现之前被分析。例 如， 图 8 图示实时和仿真的时间之间的速度方面的增加。它示出给定的场景可以仿真得比 它实时发生的快百倍。加速的另外的示例在图 7A 和 7B 中示出 ： 具有实时 10s 的持续时间 的现象 ( 图 7B) 仅耗费 100ms 来仿真 ( 图 7A)。
比实时更快的仿真意味着下列。一旦探测到故障 ( 例如， 短路在图 7B 中的 5s 处 发生 )， 实时的一秒可以用于仿真实时耗费百秒的单个场景， 或备选地仿真上百个场景 ( 每 个实时耗费一秒 )。 基于仿真结果， 电力网络于是可以使用那些确保它的稳定性的场景而被 操纵。
比实时更快的仿真还可以用于执行超前稳定性分析。与前面的示例相反， 没有故 障发生。仿真系统用于检查可能发生的故障的影响。因为仿真比实时快， 例如一秒持续时 间的若干场景可以在实时一秒期间被仿真。 如果这些超前场景中的一个发现导致电力网络 的严重崩溃， 缓解动作和应变计划可以提前准备。
可编程开关元件优选地包括一个或多个可选开关。
术语开关意指包括但不限于 ：
a) 电隔离 / 连接一个或多个其他元件在一起以便为拓扑编程的元件 ； 以及
b) 场景定义的局部拓扑变化。
多个可编程元件可在专用集成电路 (ASIC) 上提供。备选地， 多个可编程元件提供 现场可编程门阵列 ( 例如模拟和 / 或数字的 )。
优选地， 多个可编程元件提供为阵列。阵列优选地通过模拟总线 ( 其表示电力系 统中的电力网 ) 而被连接。这允许可编程元件之间的提高的数据传输速度 ( 由于模拟总线 允许波形实时传播 ) 并且从而便于真实电力系统拓扑和电子仿真之间的映射。
此外， 根据本发明的设备可包括互相通信的两个或更多这样的阵列。
本发明的另外的方面提供用于仿真电力系统的系统， 包括 ：
根据本发明的第一方面的设备 ； 以及 用于接收用户输入并且可操作成依靠接收的用户输入而向设备提供控制信号的控制器。 附图说明 现在将仅通过示例的方式并且参照附图描述本发明的实施例， 其中 ：
图 1 图示根据本发明的第一方面的设备的第一实施例的可编程元件 ；
图 2A 图示图 1 的实施例的可编程元件的全编程阵列 ；
图 2B 图示在图 2A 的阵列内的可编程元件的选择性编程后的图 1 的实施例的拓扑 配置的示例 ；
图 3 图示在可编程元件的选择性编程、 场景配置和图 1 的实施例的整体拓扑的配 置中涉及的转换过程 ；
图 4 是简单电力系统拓扑的示例 ；
图 5 是示出图 4 的电力系统的特性的表格 ；
图 6A 至 6C 图示在可控场景内的简单电力系统的拓扑中的变化 ；
图 7A 和 7B 是示出在图 6 中图示的场景的结果比较的图 ；
图 8 是图示图 6 的电力系统和等效数值模拟的临界短路时间比较场景的结果的表 格； 以及
图 9 图示根据本发明的第一方面的电力系统仿真设备的阵列。
具体实施方式
图 1 示出可编程元件 10 的实施例， 其包含模型化电力系统所有必需的部件， 包括 可编程负载 12、 可编程发电机 14 和可编程线路 16。开关 18 提供在可编程元件 10 内的每 个部件之间以允许多个可编程元件拓扑依靠开关 18 的选择性操作而被采用。 将意识到图 1 的可编程元件 10 是仅提供用于说明性目的的示例并且其他电力系统部件也可包含在电力 元件 10 中。
图 2 示出包括通过模拟总线 ( 表示电力系统的电力网 ) 而连接的多个可编程元件 10 的阵列 20。其他开关 18’ 提供在阵列 20 内的可编程元件 10 之间允许阵列 20 依靠开关 18 和 18’ 的选择性操作而采用多个选择的拓扑中的任一个。在阵列 20 内的可编程元件 10 还可重新编程， 即可以编程为选择的电力系统拓扑， 然后按期望的那样被重复重新编程为 备选的电力系统拓扑。
在阵列 20 内的多个可编程元件 10 通过模拟总线的连接允许波形在整个阵列中实 时传播。它允许本质上同时的通信方法， 其具有避免当使用固有顺序的数字总线时观察到 的瓶颈效应的优势。从而， 可编程元件 10 之间的数据传输的速度被提高并且便于真实电力 系统拓扑和电力系统的仿真的电子表示之间的映射。
以电力系统的当前稳定状态开始， 在阵列 20 内的可编程元件 10 可以通过分别在 可编程元件 10 内和在阵列 20 内的开关 18、 18’ 的选择操作而被编程为表示性拓扑。
数模转换是必需的以便为具有可编程元件 10 的部件编程并且配置阵列 20 的整体 拓扑。也要求模数转换以测量系统行为， 即仿真结果。这在图 3 中图示。图 3 示出选择的网络配置， 即在步骤 A 要求仿真的电力系统配置。期望的拓扑基 于待仿真的真实电力系统参数来确定 ( 步骤 B)。数模转换然后发生 ( 步骤 C) 以通过开关 18、 18’ 的选择操作来提供采用被编程元件 20 的被编程阵列 20 的形式的仿真的可重新配置 的电力网络 ( 步骤 C)。 该仿真的电力网络然后可以配置成引入选择的改变的参数以反映例 如真实电力系统破坏事件或其类似的。然后要求模数转换 ( 步骤 D) 以将从仿真的电力系 统采集的数据转换为真实网络参数， 并且结果被显示以示出仿真的电力系统破坏的在真实 电力网络上的影响。
将意识到， 取决于在阵列 20 内可用可编程元件 10 的数量， 给定阵列 10 可用于映 射多个拓扑。这使并行仿真成为可能， 其便于使用单个阵列 20 的更快的仿真速度。
此外， 通过模拟总线的使用， 仿真速度基本上与阵列 20 内的可编程元件 10 的数量 无关， 这是由于由模拟总线促使的同时通信方法， 这与数字总线的顺序方法不同。
图 4 示出简单参考拓扑以便证明阵列拓扑的可重新编程性质。在图 4 中示出的拓 扑包括三个连接到一个负载 12 的发电机 14。
在图 4 中示出的拓扑容纳在在印刷电路板 22 上提供的可编程元件 10 的单个阵列 20 中。 该印刷电路板可容纳在四个印刷电路板 ( 包括两个可编程发电机板和一个包含仿真 的电力系统和负载的板 ) 的整个系统内。电力系统由两个纯电阻和等效网络仿真， 而负载 仿真为恒流源。第四印刷电路板用于互连目的和供电。合适的参数和场景可以通过图形计 算机界面设置并且期望的阵列拓扑然后通过例如但不限于 USB 的数字接口编程。 微控制器用于正弦和余弦计算以及用于部件的校准和回路偏离的动态补偿。 选择 的连接到微控制器的 A/D 和 D/A 转换器的速度决定时间比例因数 ψ ＝ dtpowerworld/dtemulator 的限制。使用比例因数 ψ 将真实世界和模拟仿真关联变成可能的。对于该实现， 时间比例 因数等于 ψ ＝ 100。
结果比较 - 模拟与仿真
数值模拟和混合信号测量仿真结果使用具有典型场景的参考拓扑比较。 基于数值 算法的参考模拟器已经使用 Labview 实现以便比较数值模拟和混合信号仿真方法。图 5 示 出描述的电力系统的特性。
图 6A 至 C 示出应用于参考拓扑的场景 ：
图 6A 示出使用通过负载流 (1oad flow) 计算的值的定态电力系统拓扑 ；
图 6B 示出在发电机 G2 和在该传输线中间的负载 L1 之间的三相短路 ； 以及
图 6C 示出在一定时间后短路的传输线的断开。
必须完成两个不同的比较以便证实 DC 仿真方法。
1. 证实仿真的发电机的电角 δ 的行为 ( 参见图 6)。关于时间比例， 它显示 ψ ＝ 100。这里 δ 是关于电压和相位基准的转子角并且 ψ 是仿真的时间和实时之间的时间比 率。
2. 评估临界短路清除时间 (critical short-circuit clearing time) 的信息是 否是切实可行的并且在图 8 中示出。
在仿真前， 发电机和负载模型电路需要校准并且偏离需要补偿以便能够达到数值 模拟的结果的精确度。上文的比较两者都示出混合信号仿真在校准的便利性、 精确度和速 度方面对于瞬态稳定性计算是极好的权衡。
将意识到两个或更多可编程阵列可通过不同的通信系统彼此之间通信。
尽管本发明的方面已经参照在附图中示出的实施例描述， 将理解本发明不限于示 出的精确实施例并且各种变化和修改可实现而无需另外的发明性技能和努力， 例如， 将意 识到本发明可应用于实时电力系统的各种方面， 其包括实时电力系统动态安全评定、 稳健 性探测和整体电力系统稳态的改进、 临界短路清除时间的探测、 电力系统恢复、 具有解决方 案的稳定性问题预测和微电网。