基于传输线分网的并行多速率电磁暂态仿真算法

研究基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真算法。建立全隐式多速率电磁暂态仿真的基本理论模型,并结合传输线方程,建立了并行化多速率电磁暂态仿真算法。此算法并行化程度高于现有全隐式多速率算法,计算效率得到提升。同时提出了保证基于传输线的并行多速率算法稳定性的网络判据,并通过数学理论证明了判据的有效性。仿真研究表明,基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真可能不稳定,采用了文中提出的稳定判据对分网进行调整后,仿真稳定。     

基于优化分网策略的有源配电网多速率并行暂态仿真分析

随着配电网元件种类日益丰富和分布式电源渗透率不断提高,网络动态过程更加多样化,配电网暂态仿真的难度进一步加大。针对目前有源配电网并行暂态仿真方法未考虑元件动态响应速度对仿真计算量的影响和仿真步长需求的问题,提出了一种基于优化分网策略的自适应变步长多速率并行仿真方法。考虑不同元件暂态响应速度和计算量的差异,提出了以CPU多核心计算均衡和核心间交互数据量最小为目标的有源配电网优化分网策略;在此基础上建立了元件接口等效模型和子任务协调模型,提出了CPU子任务间多速率并行、子任务内部仿真步长自适应调整的并行仿真方法,达到加速暂态仿真的目的。通过对变电站同一母线的12条出线进行仿真测试,验证了所提并行仿真方法能够满足配电网暂态的仿真需求,在保证仿真精度的同时大幅提高计算速度。     

基于多FPGA的有源配电网实时仿真器并行架构设计

有源配电网实时仿真是研究系统动态特性、模拟实际运行环境、测试保护控制策略的有效手段。文中利用现场可编程门阵列(FPGA)的固有高并行度、深度流水线、分布式存储资源,设计并开发了基于多FPGA的具有多层级并行架构的有源配电网实时仿真器。面向实时仿真器的可扩展性需求,首先采用物理解耦的方法对有源配电网的数学模型进行粗粒度分割,进而将得到的子系统进行细粒度模型分割。在此基础上将分割后的模型映射到对应的FPGA中,通过协调分配硬件资源,形成系统级—单元级—模块级—元件级多层级并行的实时仿真架构。针对含多个光伏发电单元、储能单元的配电网实现了实时仿真,通过与PSCAD/EMTDC结果的比较,验证了提出的多层级并行架构的有效性。     

基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析

有源配电网是智能电网中集成、管理分布式发电及储能设备、需求侧响应资源的重要平台,包括各种智能终端、控制及保护装置的研发与测试将对实时仿真提出更高要求。考虑有源配电网实时仿真的建模需求,文中基于实时仿真平台RTDS完成了含光伏、燃料电池等分布式电源的有源配电网暂态实时仿真建模,并给出了电力电子装置、分布式电源及控制器等特殊模型的实时仿真算法。研究了有源配电网在环境条件变化、系统故障及功率指令变化等各种场景下的动态过程,通过与离线仿真软件PSCAD/EMTDC的对比,验证了实时仿真模型的正确性,对系统资源消耗等分析,更为后续硬件在回路仿真(HIL)等研究中奠定了基础。     

新能源高占比电力系统电磁暂态并行仿真的优化分网方法

为提升含大规模多类型电力电子设备的大型电力系统电磁暂态仿真效率,提出基于层次聚类预分网、预分网下的聚合分网优化问题数学建模和基于改进非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化求解的并行仿真优化分网框架及方法。首先基于层次聚类网络约减对大型系统进行化简,降低原始系统的复杂程度。然后基于典型仿真耗时实测对元件相对计算量进行统一表征,将预分网后的聚合分网问题转化为多目标优化问题。并通过改进NSGA-Ⅱ得到优化分网的Pareto解集,再基于加权欧氏距离最小值法获得最优分网方案。最后通过对比同一算例系统下不分网、基于Metis工具的分网以及所提方法的分网结果,验证了所提方法的有效性。     

基于状态变量分析的有源配电网电磁暂态仿真自动建模方法

状态变量分析法是电力系统电磁暂态仿真中的一类重要方法,但复杂的建模过程限制了其在实际研究中的应用,对于配电网等大规模系统而言必须考虑易于程序实现的一般性建模方法。提出了一种面向有源配电系统电磁暂态仿真的状态空间自动建模方法,与传统方法相比充分考虑了当前配电网络的实际结构特点与元件特性,并通过选取适当的状态变量保证了模型规模较小、模型性质满足分析需要,同时特别易于算法的程序自动实现,为各种基于状态变量分析的电力系统电磁暂态仿真、分析、计算方法的研究奠定了基础。     

计及多种扰动源的有源配电网电能质量分析方法EI北大核心CSCD

随着波动性负荷的增多和分布式电源的接入,有源配电网的扰动源增加,电能质量问题涉及更多不确定性因素,使得传统的基于确定监测值的电能质量分析方法不再适用。提出了一种基于区间-仿射算法的有源配电网电能质量分析方法,利用潮流计算得到仿射型电能质量指标,建立相对影响因子定量分析各扰动源对电能质量的影响程度,并以IEEE 33节点配电网为例验证该方法有效性,仿真结果表明所提方法在特定场景下能够定量计算不同扰动源的波动对配电网电能质量的影响程度大小。     

含柔性多状态开关的配电网分布式自适应控制EI北大核心CSCD

柔性多状态开关是一种具有潮流互济和电压支撑功能的新型电力电子装置。考虑到未来配电系统的较强随机性、快速变化性以及对主动优化和响应时间的需求,针对含柔性多状态开关的配电网,需要对分布式自适应控制技术进行研究。该文提出基于多智能体系统的分布式自适应控制基本思路,构建含柔性多状态开关的配电网控制总体架构;提出基于考虑约束条件的改进离散一致性算法和无模型自适应控制理论的控制策略,实现馈线负载率和电压的分布式自适应控制;通过改进的33节点配电网,验证了该方法的有效性,并进一步比较分析了控制效果以及控制策略的适用性。     

基于优化模型的有源配电网可靠性评估方法EI北大核心CSCD

现有的有源配电网可靠性评估方法中,模拟法难以得到确切的指标计算结果,解析法难以处理动态孤岛最优切负荷问题。该文提出一种基于优化模型的有源配电网可靠性评估方法。该方法考虑分布式电源随机性、故障转供以及潮流倒送限制等因素,首先建立分布式电源的多状态模型,并基于后向场景缩减算法对分布式电源出力的随机场景进行状态缩减。针对缩减的特定场景,提出面向可靠性指标评估的混合整数线性规划模型,通过求解该模型,利用寻优的机制得到系统的各类可靠性指标。该方法的主要优点在于便于考虑配电网可靠性与网络规划优化问题的相结合。通过算例分析了该方法的准确性,并通过有源配电网自动、手动开关配置优化问题说明所提方法的延伸应用价值。     

基于FPGA的变流器并行多速率电磁暂态实时仿真方法

随着电力电子器件越来越多地融入现代电力系统,对微秒级步长实时化电磁暂态仿真的需求不断增加,通过现场可编程门阵列（FPGA）提高仿真系统的计算能力是实现变流器实时化仿真的重要途径。引入FPGA作为硬件加速设备优化仿真系统的实时性能,提出一种变流器多速率实时仿真方法。针对控制系统多速率解耦和并行计算时序产生的误差进行分析,采用结合拉格朗日插值的改进线性插值算法有效降低了控制系统解耦后多速率并行仿真时序下的延迟误差。仿真结果证明,所提出的仿真方法与无插值算法的并行计算相比精度更高。性能分析验证了基于该算法所建立的仿真平台相比于单独基于中央处理器（CPU）或FPGA实现的仿真平台,在实时性能和资源占用率方面具有一定优势。     

基于GPU的大规模配电网电磁暂态并行仿真技术

随着分布式电源等复杂设备的接入,针对配电网暂态过程的分析逐步依赖详细建模和电磁暂态仿真。图形处理器(GPU)等细粒度并行计算设备可显著提升配电网的电磁暂态仿真效率。提出了一种基于GPU的并行仿真技术,在GPU中加速了对大规模配电网系统的电磁暂态仿真。首先,将配电网电磁暂态仿真的计算过程分为异构计算、同构计算和网络求解三部分,并分别建立了细粒度并行计算模型。其次,针对上述三种计算模型,分别设计了基于分层有向图的异构计算核函数,基于积和熔加计算的同构计算核函数以及基于矩阵运算的网络求解核函数,最终实现了完全基于GPU的配电网电磁暂态仿真。对大规模配电网算例的仿真结果表明,所提出的细粒度计算模型和仿真算法可在保证仿真精度的前提下,提升在GPU中进行大规模配电网仿真的效率。     

等效无限长有源电力滤波器在环形配电网中的应用EI北大核心CSCD

随着高科技园区等用户对供电可靠性要求的提高,环形配电网成为一种发展趋势。与射线型配电网相似,由功率因数校正电容和系统自身电感导致的谐波谐振现象,使得环形配电网中的谐波污染问题成为人们关注的焦点之一。该文针对环形配电网中谐波谐振现象,基于将环形配电网等效为射线型配电网的基本思想,提出一种在环形配电网中点安装等效无限长有源电力滤波器(infinite active power filter,I-APF)的谐波抑制方案。相比于在环形配电网中点安装阻性有源电力滤波器(resistive active power filter,R-APF)的传统方案,该方案不仅能够获得更好的谐波抑制效果;同时,该方案对于安装位置的改变、电容的改变和非线性负载的改变,均具有更好的适应性和谐波抑制效果。仿真分析和实验结果均验证了该方案的正确性和有效性。     

多有源桥型PET开关死区的电磁暂态等效建模方法EI北大核心CSCD

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)可实现多电压等级和电能形态变换,将在柔性直流配电网中发挥重要作用。随着电力电子器件开关频率的不断提高,死区的影响已不容忽略。目前,针对死区的分析均基于仿真效率极低的详细模型,而采用平均值建模思想的加速模型虽然可以考虑死区的整体影响,但无法准确反映PET内部暂态特性。为在反映开关死区精度的同时提高效率,需要在PET的电磁暂态等效模型中集成开关死区的功能。基于此,该文以多有源桥型PET拓扑为例,首先基于其等效电路的生成过程和开关死区的控制策略,将死区分为单侧死区和双侧死区,并分别进行等效建模。随后针对不同的死区设置和控制参数,建立不同模式的多有源桥型PET的死区电磁暂态等效模型。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建电磁暂态详细和等效模型,对比结果表明,考虑死区的PET等效模型可以提高整体仿真精度,并且具有较高的加速比,因此可以更好地满足工程测试和仿真需求。     

基于旋转式潮流控制器的有源配电网柔性合环及紧急功率控制方法EI北大核心CSCD

随着有源配电网建设的迅猛发展,多端供电系统成为主流供电结构,由于电网布局设计因素,存在一种配电网合环两端相角差现象,直接合环将产生较大冲击电流,影响供电可靠性。文中提出一种基于电磁式旋转潮流控制器(rotary powerflowcontroller,RPFC)的解决方案,实现相角差线路柔性合环,并且在系统短路或电源脱网故障情况下,完成对RPFC接入线路的紧急功率控制,预防连锁过载及大停电事故的发生。研究RPFC拓扑结构、工作原理,基于电压矢量叠加原理和瞬时无功理论,提出RPFC柔性合环及紧急功率控制策略。在合环工况下与双芯移相变压器进行仿真对比,RPFC合环电流及调节时间仅为双芯移相变压器的11.95%和18.44%,同时,在系统故障下表现出独立功率控制能力。最后,搭建380V/40kVARPFC实验平台,实验结果与仿真一致,表明RPFC在柔性合环以及紧急功率控制工况下均实现良好控制效果。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(二):系统架构与算例验证EI北大核心CSCD

有源配电网暂态实时仿真需要较强的计算能力作为支持,因此提出基于现场可编程门阵列的有源配电网暂态实时仿真中系统级并行、模块级并行以及底层并行的多层级并行架构,并研究了各层级并行的实现方式。利用模块级并行以及底层并行的设计思想,使用Verilog HDL语言开发了基于浮点数运算的配电网暂态实时仿真系统。为验证该实时仿真系统的有效性,选取典型配电网络并以2?s的仿真步长进行了实时仿真测试,充分验证了所提配电网暂态实时仿真系统在仿真速度、仿真规模方面的优势,通过与Matlab/SimPowerSystems的计算结果进行比较,验证了该系统的仿真精度。     

基于SUNDIALS的有源配电网随机动态仿真方法

随着分布式电源在配电网络中的渗透率不断提高及用电需求的日益增长,分布式电源及负荷具有的随机特性对配用电侧的安全可靠运行带来了新的挑战。为此,文中提出了一种考虑随机扰动影响的有源配电系统动态仿真方法。首先,根据分布式电源及负荷的随机特性,建立了光辐照度、风速、负荷波动的随机动态模型;其次,基于SUNDIALS提出了有源配电网随机动态仿真方法;最后,在中低压有源配电系统算例中进行了测试和验证。该方法与确定性仿真方法相比能够反映配电系统的不确定性,得到更真实的仿真结论。此外,利用SUNDIALS与并行计算策略,在满足了仿真数值精度的同时,提高了仿真效率。     

基于多代理技术的有源配电网供电恢复策略

针对有源配电网发生故障后的快速供电恢复需求,提出基于多代理技术的自愈恢复系统。该系统采用分层协调的恢复模式,由下层区域代理为本区域发起供电恢复进程,上层馈线代理协调处理下层代理间的冲突。提出功率平衡度和转供容量裕度指标,基于该指标,当配电网故障隔离后,非故障失电馈线被分解为多个独立的区域,自愈系统能通过微网聚合恢复失电区域的供电,还可利用联络开关对孤岛区域进行负荷转供,达成综合恢复供电的目标。在供电恢复过程中,同时考虑馈线电压和电流的约束限制,保证系统在故障恢复后的安全稳定运行。在DIgSILENT软件上搭建含分布式电源的4馈线配电系统,仿真结果验证了所提策略的可行性和有效性。     

基于转速自适应控制的旋转潮流控制器功率调节方法研究EI北大核心CSCD

针对分布式电源接入引起的功率波动与潮流不均衡问题,旋转潮流控制器(rotary power flow controller,RPFC)通过伺服电机调节旋转角的大小,输出幅值与相位连续可调的串联电压,实现有源配电网的功率调控,具有控制方式灵活、调节精度高和可靠性强等优点。该文首先根据RPFC的工作原理建立其数学模型。其次,提出RPFC功率解耦控制方法,即根据线路有功与无功功率的目标值分别计算出RPFC输出电压的dq轴分量设定值,实现输出电压对线路功率的闭环解耦控制。接着,针对RPFC接入后存在输出功率周期性震荡的问题,采用旋转角转速自适应的调节方式,即将输出电压dq轴分量合成并转换为两个旋转角的参考值,并根据旋转角偏差,对RPFC伺服电机的占空比进行量化计算,从而对两个旋转角的转速进行协调控制。最后,通过仿真验证该控制方法的正确性,并研制一台40kVA的RPFC装置样机,通过在单回与并行线路场景下的实验验证RPFC在不同工况下功率精确控制和潮流均衡调控的可行性与有效性。     

基于特征融合并行优化模型的电能质量扰动分类方法EI北大核心CSCD

为了提高对复杂电能质量扰动(power quality disturbances,PQDs)的分类准确率,该文提出一种基于特征融合并行优化模型的PQDs分类方法。该方法以特征融合的方式,使用全卷积神经网络(fully convolutional networks,FCN)和长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)并行挖掘PQDs在空间和时序上的高维特征,并提出全局最大池化(global max pooling,GMP)和时间序列重组(time series reshape,TSR)优化,提升模型的分类性能。为了验证所提方法的有效性,该文基于Keras框架搭建分类模型,建立含72类扰动的PQDs数据库并进行仿真实验,所提方法在20dB白噪声环境中平均分类准确率可达92.38%,相较于其他主流深度学习分类方法有更高的噪声鲁棒性和分类准确率。另外,对硬件平台所采样的10类PQDs进行分类测试,共100组实验信号均得到正确分类,该结果进一步验证了所提方法的可靠性。