基于局部重构的电网阻抗模型修正方法、系统及应用与流程

1.本公开属于电网计算技术领域，涉及一种基于局部重构的电网阻抗模型修正方法、系统及应用。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.对电力系统的运行状态进行分析计算是电力系统运行控制的基础。电力系统中的计算类型主要有潮流计算、故障计算，以及稳定分析计算等，这些计算过程都是基于电网的数学模型进行的，而电力网的导纳矩阵和阻抗矩阵则是其数学模型主要表达方式。
4.在电网计算过程中，往往需要对电网的拓扑结构和电网规模进行调整。例如，当电网中某个设备由于故障退出运行时，就需要对故障前和故障后的电网运行状态分别进行分析计算。这就产生两个问题：
5.(1)占用存储空间过大：由于电网故障前与故障后属于两种不同的运行状态，二者差别不大，需要采用不同的模型表示，这将占用大量的存储空间。
6.(2)产生的计算量过大：由于需要处理电网的多个模型，每个模型的生成，以及不同模型之间的转换都将产生巨大的计算量。
7.而且，如果需要考虑不同地点发生不同类型的故障，这将涉及到多个不同的电网运行状态，对于规模较大的电网来说，其占用的存储空间和产生的计算量将难以估量。


技术实现要素：

8.本公开为了解决上述问题，提出了一种基于局部重构的电网阻抗模型修正方法、系统及应用，本公开能够减小计算量，将对电网计算整体速度的提高具有明显的效果，具有很强的实用性，可极大对改善电网的计算效率。
9.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
10.一种基于局部重构的电网阻抗模型修正方法，包括以下步骤：
11.获取电网设备参数，形成全电网模型，所述模型以导纳矩阵和阻抗矩阵表示；
12.搜索与计算过程相关设备，形成第一子网，并生成第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵；
13.其他设备形成第二子网；
14.当需要对电网的运行状态进行调整时，根据运行状态调整第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵，将其和第二子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行叠加，得到修正后整个电网的模型。
15.作为可选择的实施方式，与计算过程相关设备包括故障设备、输出设备和状态变化设备中的任一项。
16.作为可选择的实施方式，所述第一子网和第二子网通过边界节点相连，所述边界点为两个子网的公共端口。
17.作为可选择的实施方式，对两个电网进行叠加时，电网之间的关系用关于公共边界点的电网等值导纳表示，合并后电网的等值导纳等于合并前两个子网的等值导纳之和。
18.作为可选择的实施方式，对电网进行切割时，切割后电网的等值导纳等于切割前电网的等值导纳与切割部分电网的等值导纳之差。
19.一种基于局部重构的电网阻抗模型修正系统，包括：
20.全电网模型构建模块，被配置为获取电网设备参数，形成全电网模型，所述模型以导纳矩阵和阻抗矩阵表示；
21.电网分割模块，被配置为搜索与计算过程相关设备，形成第一子网，并生成第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵；其他设备形成第二子网；
22.修正模块，被配置为当需要对电网的运行状态进行调整时，根据运行状态调整第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵，将其和第二子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行叠加，得到修正后整个电网的模型。
23.一种基于局部重构的电网故障计算方法，包括以下步骤：
24.(1)设置最终故障计算次数；
25.(2)初始化故障计算次数为一；
26.(3)确定故障位置和类型、设备运行状态，确定涉及的设备；
27.(4)生成由涉及的设备组成第一子网，计算其导纳矩阵和阻抗矩阵；
28.(5)对第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行修正，和第二子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行叠加，得到修正后的电网模型；
29.(6)根据故障条件和修正后的电网模型，进行故障计算；
30.(7)当前故障计算次数加一，判断是否到达了最终故障计算次数，如果不是，迭代执行步骤(3)
‑
(7)，如果是，输出最终结果。
31.一种基于局部重构的电网故障计算系统，包括：
32.参数设置模块，被配置为设置最终故障计算次数，初始化故障计算次数为一；
33.计算模块，被配置为确定故障位置和类型、设备运行状态，确定涉及的设备；生成由涉及的设备组成第一子网，计算其导纳矩阵和阻抗矩阵；对第一子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行修正，和第二子网的导纳矩阵和阻抗矩阵进行叠加，得到修正后的电网模型，根据故障条件和修正后的电网模型，进行故障计算；
34.参数判断模块，被配置为当前故障计算次数加一，判断是否到达了最终故障计算次数，如果是，输出最终结果，如果不是，计算模块进行迭代执行。
35.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述方法的步骤。
36.一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述方法的步骤。
37.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
38.本公开通过对电网的切割，得到一个规模较小的子网(a1)，每次对电网模型的修正都针对这个子网进行操作，电网的其余大部分(a2)都不受影响。子网(a1)的模型修正完成后，再与子网a2合并，可同样得到修正后的整个电网的模型。模型修正的计算工作量大大减少。同时，不必保存整个电网的修正模型，也大大减少存储空间，提高了计算效率。
39.为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
40.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
41.图1是电网模块的组合示意图；
42.图2是电网的等值模型；
43.图3是电网计算模型的生成过程示意图；
44.图4是故障计算过程示意图。
具体实施方式：
45.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
46.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
48.一种电网模型修正方法，通过对电网的切割，得到一个规模较小的子网(a1)，每次对电网模型的修正都针对这个子网进行操作，电网的其余大部分(a2)都不受影响。子网(a1)的模型修正完成后，再与子网a2合并，可同样得到修正后的整个电网的模型。
49.导纳矩阵和阻抗矩阵是电力网络模型的主要表达方式，它们反映了电网节点电压和节点输入电流之间的线性关系。二者互为逆阵，并且各有不同的特点和作用。导纳矩阵生成方便，可以根据电网的拓扑结构和电气参数直接生成，导纳矩阵中的元素可以通过对设备的电气参数之间的叠加计算得到，因此，导纳矩阵具有局部特性。阻抗矩阵不能直接生成，只能通过对导纳矩阵求逆得到，阻抗矩阵中的一个元素往往与电网中的所有设备的参数都有关联，具有整体性。因此，提取阻抗矩阵中的部分元素形成的子矩阵能够反映整个电网的特性，可看作是从相关端口看进去的整个电网的等值阻抗。
50.根据电网导纳矩阵和阻抗矩阵的特性，可以方便地对电网进行分割与合并。如图1所示，一个小电网a1与规模较大的电网a2，通过关联接口的连接合并为一个大电网a。同时，我们也可以看作是将电网a1从大电网a中切割，剩余部分是电网a2。
51.通过对电网之间的合并与切割，可以较好地帮助我们解决电网模型的修正问题。首先形成整个电网a的模型，用导纳矩阵y和阻抗矩阵z表示；由于电网计算过程中需要修改的部分往往规模较小，可以看作是a的一个子网a1，用导纳矩阵y1和阻抗矩阵z1表示；电网中a1之外的其余部分可看作是子网a2，用导纳矩阵y2和阻抗矩阵z2表示。当需要对电网的运行状态进行调整时，只需要对电网a1的模型进行修改，然后与电网a2进行叠加(合并)，可以得到修正后整个电网的模型。
52.这样，通过对电网的切割，得到一个规模较小的子网(a1)，每次对电网模型的修正都针对这个子网进行操作，电网的其余大部分(a2)都不受影响。子网(a1)的模型修正完成后，再与子网a2合并，可同样得到修正后的整个电网的模型。模型修正的计算工作量大大减少。同时，不必保存整个电网的修正模型，也大大减少存储空间，提高了计算效率。
53.图1中电网的等值模型如图2所示，电网a1和a2通过边界节点相连，这些边界点实质上是为两个网络的公共端口。将两个子网合并就是将这些公共端口分别连接到一起，成为一个逻辑节点；而网络的切割，就是将一个节点“切割”为两个节点，分别位于两个子网中。
54.设由公共端口看进去的全电网的等值阻抗矩阵为z，子网a1和a2的等值阻抗矩阵分别为z1和z2。
55.由公共端口输入一个电流，用列相量i表示，流入两个子网的电流分别用列相量i1和i2表示，形成的端口电压为列相量u，则有下列等式成立：
56.u＝z1·
i1＝z2·
i2＝z
·
i
ꢀꢀꢀ
(1)
57.i＝i1 i2ꢀꢀꢀ
(2)
58.由(1)可得：
59.i1＝z1‑1ui2＝z2‑1ui＝z
‑1u
ꢀꢀꢀ
(3)
60.联立式(2)、(3)，有：
61.z
‑1＝z2‑1 z1‑1ꢀꢀꢀ
(4)
62.令y＝z
‑1，y1＝z1‑1，y2＝z2‑1，则y、y1、y2可分别看作是由公共边界点看进去的全电网、子网的等值导纳。
63.因此，对两个电网进行合并时，电网之间的关系可用关于公共边界点的电网等值导纳表示，合并后电网的等值导纳等于合并前两个子网的等值导纳之和。
64.由式(4)可以推导出：
65.z2‑1＝z
‑1‑
z1‑1ꢀꢀꢀ
(5)
66.同理可知，对电力网络进行切割时，切割后电网的等值导纳等于切割前电网的等值导纳与切割部分电网的等值导纳之差。
67.上述对电网的分割与合并的操作基于电网的等值原理，可对电网计算提供很大方便，下面以电力系统的故障计算为例，讨论该方法的应用与实现过程。
68.进行电网的故障计算时，与故障计算相关的设备主要包括故障设备，结果输出设备，以及计算过程中运行状态发生变化的设备，其它大部分设备在计算过程中运行状态保持不变。对于规模较大的电网来说，故障计算涉及到的设备(故障设备、输出设备、状态变化设备等)往往只占很小一部分，将这部分设备组成子网a1，剩余的稳定设备组成子网a2，这样对网络进行划分之后，可对两个子网分别进行处理，分别对全电网和两个子网形成以导纳矩阵和阻抗矩阵表示的数学模型，过程如图3所示。
69.(1)形成全电网的数学模型，以导纳矩阵y*和阻抗矩阵z*表示。
70.(2)提取与计算过程有关的设备，形成子网a1，并形成a1的导纳矩阵y1
*
和阻抗矩阵z1
*
。
71.(3)提取子网a1的边界节点，并从阻抗z1
*
中提取与边界节点相关的元素，形成子矩阵z1，则z1为由边界节点看进去的电网a1的等值阻抗。同理，根据边界节点从从阻抗z
*
中提取与边界节点相关的元素，形成子矩阵z，则z为由边界节点看进去的全电网的等值阻抗。
72.(4)将阻抗矩阵z1和z代入公式(5)，可计算出阻抗z2，而z2为子网a2的等值阻抗，根据式(6)可计算出a2的等值导纳y2。
73.y2＝z2‑1ꢀꢀꢀ
(6)
74.(5)将电网a2的等值导纳y2和等值阻抗、z2作为计算结果进行保存。由于计算过程中，电网a1的结构和参数会发生变化，其数学模型y1
*
、z1
*
和等值模型y1、z1也会实时生成，只有电网a2保持不变，并且可看作从边界节点的一个等值网络，只考虑其边界节点处的等值模型，因此只需保存参数y2、z2即可。
75.经过上述初始化过程的处理之后，电网计算过程中实际处理的电网规模大大降低。故障计算过程可归纳如图4所示。
76.每次启动故障后，首先设置故障条件，包括：
77.(1)设置故障位置和故障类型；
78.(2)设置电网设备的运行状态；
79.(3)选择结果输出点。
80.注意，所有故障设备、运行状态变化设和故障输出设备都应属于上述子网a1范围以内，否则上述的初始化过程应重新运行一次。
81.上述故障条件确定后，子网a1的模型参数即为确定值，生成该子网的导纳矩阵y1。
82.根据初始化得到的子网a2的等值模型对导纳矩阵y1进行修正。依据导纳矩阵的物理意义，导纳矩阵相关节点上的参数可以叠加，因此，只要将子网a2的导纳矩阵中的元素对应地叠加到矩阵y1的对应位置的元素上，即可得到修正矩阵y1
*
。
83.然后对矩阵y1
*
求逆，得到修正的阻抗矩阵z1
*
，根据该阻抗矩阵可以很方便地进行故障计算。
84.可见，在故障计算过程中电网中规模较大的子网a2已经被等值，计算规模大大降低，极大地减少了计算量。对于需要反复进行故障计算的场合极大地提高了计算效率。
85.本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
86.本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
87.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
88.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
89.上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。