电力系统高效电磁暂态仿真技术综述

电力系统高效电磁暂态仿真技术综述
摘要：电力系统，作为集发电、输电和用电多种设备于一体的综合型能源供给
系统，被认为是当今世界上最复杂的人造网络之一。

电力系统的稳定运行也成为
国民经济发展的命脉。

为避免系统故障引起的大停电，电力系统的规划、设计和
控制离不开对其精确暂态性能的了解。

因此，电力系统电磁暂态仿真计算成为获
取电力系统精确动态特性最有效的工具。

基于此，在接下来的文章中，将围绕电
力系统高效电磁暂态仿真技术展开分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：电力系统；电磁暂态；仿真技术
引言：作为电力系统仿真的重要组成部分,电磁暂态仿真具有现象刻画准确、应用广泛、数值稳定性好等特点,并与机电暂态仿真共同构成了电力系统暂态仿真
的基础,其应用涵盖了电力系统规划、设计、运行及科学研究的各个方面,是了解
电力系统暂态复杂行为的必要工具。

与机电暂态仿真不同,电磁暂态仿真在精确的
电路层面上对系统元件进行建模、分析,并计算得到各种暂态响应的时域波形。

这
使得电磁暂态仿真从模型、算法到计算结果都有别于机电暂态仿真。

一、电力系统电磁暂态仿真内容简析
（一）传统并行仿真技术的局限
传统电力系统的电磁暂态实时仿真，主要是在多CPU计算架构上利用网络分
块实现的区域级并行仿真。

传统互联电网电磁暂态的并行仿真主要包含两类方法。

其一，是依赖长传输线的天然解耦特性实现分网并行计算；其二是利用网络分块
技术。

其中徐政提出在系统分块后构建边界交接变量方程；还有学者提出的多端
口戴维南等值技术；另外还有人提出了类似的基于节点分裂法的分网并行技术。

上述分块技术均通过“分区侧-协调侧”两层计算实现并行计算。

然而，此类并行技
术在实现大规模复杂电力系统的电磁暂态并行计算时，仍具有如下困难:第一，系统实时仿真规模扩展性受到限制。

首先，在分块并行计算过程中，不同分区的计
算结果在每一时步仿真中均需要相互通信，而传统并行计算架构的通信代价高，
通信延时大。

随着分块数目及层数的增多，通信延时将成为系统实时仿真规模增
大的最大瓶颈。

其次，多CPU的并行计算架构硬件成本高，而不均匀的系统切分
会导致系统不同计算节点的计算负载不均衡，从而浪费了大量计算资源；第二，
系统仿真加速困难。

传统电磁暂态并行仿真技术建立在EMTP算法上。

对包含复
杂电力电子元件的电力系统进行仿真时，为得到正确的仿真结果，往往采用较小
的仿真步长，这更提升了加速仿真和实时仿真的难度。

（二）大规模电力系统电磁暂态仿真面临的挑战
大规模电力系统中，往往含有大量复杂元件，因此，实现大规模电力系统的
电磁暂态仿真面临着以下3个挑战。

第一，如何解决EMTP求解流程的“碎片化”
与并行计算所需的“代数化”之间的矛盾。

传统EMTP中，变流器的开关处理流程
包含开关次序判断、数值振荡抑制等多个串行的碎片化的求解环节。

而并行计算
所要求的计算流程往往是代数化的方程求解。

对于包含大量变流器的大规模复杂
电力系统，数以万计的开关元件处理过程在并行计算机上将产生大量的等待延时，从而降低了计算效率；第二，如何利用新型异构计算设备加速仿真。

近年来，随
着计算机技术的发展，新型异构计算设备，如FPGA、GPU等逐渐成为高性能计
算的研究热点。

特别是具有众核架构的图像处理器GPU在高性能计算中展现出出色的细粒度并行计算能力，使其在通用计算领域崭露头角，也为实现大规模电力
系统电磁暂态仿真提供了新平台。

然而，传统的基于网络分块的电磁暂态并行算
法均为粗粒度并行算法，主要面向多核计算架构，并不适合面向大量线程的GPU，不能友好兼容新型计算设备，因此，为满足日益增长的仿真需求，有必要研究新
的并行技术，利用异构并行计算设备加速大规模复杂电力系统的电磁暂态计算。

二、电力系统高效电磁暂态仿真技术分析
（一）改进计算精度的方法
同早期的电力系统相比,现代电力系统使用了越来越多的电力变流器,这些电
力电子装置在进行电磁暂态仿真时表现为大量的开关模型。

由于EMTP类程序采
用定步长梯形法,算法只能在步长的整数倍时刻改变开关状态,除了梯形法引起的
数值振荡外,开关动作时间上的延迟还会导致许多其他问题。

因此,为了保证仿真
的准确性,必须要求定步长算法能够精确考虑开关的动作时刻。

一种方法是在出现
开关动作的步长内改用更小的步长积分到开关动作时刻,缺点是需要重新计算各元
件的等效电导并增加了一次矩阵求解。

更为有效且被广泛使用的方法是采用线性
插值,此时不需要重新积分就能还原到开关动作时刻状态改变以前系统中各变量的值。

线性插值算法简单、方便、有效,它假设在相邻的2次开关动作之间的系统特
性可以用线性关系拟合,这样的假设在小步长的情况下是合适的。

插值算法可以消
除非特征谐波,但并不能解决梯形法产生的数值振荡问题。

另外还可以通过将插值
与临界阻尼调整(CDA)法结合,提出了用于电力电子变换器仿真的反向追踪技术。

尽管如此,当存在同步开关时,必须在同步开关动作时刻对系统重新进行初始化才
能得到正确的仿真结果。

其中一些学者专家分别提出了不同的重初始化方法,以解
决自然换向和强制换向问题[1]。

（二）提高计算速度的方法
除了采用高效的稀疏技术外,对网络进行分块是另一种提高网络方程求解效率
的思想。

由此,基于改进节点方程,一些学者提出了多区戴维南等值的方法用于网
络方程的计算。

其基本思想是:将整个电力系统网络通过一些支路分割成多个子网络,首先分别计算各子网络不含连接支路时的节点电压,然后得到连接支路上的电流,最后叠加连接支路电流的响应得到最终解,整个计算过程与采用戴维南形式的
补偿法是一致的。

MATE方法的提出为大规模网络的求解提供了极大的便利,一种
显而易见的想法是采用并行策略提高计算速度,实现并行计算,MATE还可用于含有
大量开关元件的网络求解,通过将网络中含有开关的部分与其他部分分割形成子网络,开关状态的改变仅仅影响其所在的子网络,而不用对其他不含开关的子网络重
新进行因子分解,这与通过节点编号实现网络矩阵的局部重新因子分解的思想很相近。

在MATE的基础上将子网络继续进行分块提出了多层MATE的方法并用于控
制系统和非线性元件的仿真。

传统的电力系统仿真通常采用统一的算法和单一的
步长对整个系统进行求解。

当系统中同时存在快动态过程和慢动态过程,并且快动
态过程迅速衰减时,可采用变步长算法,但是当快动态扰动持续不断时,变步长算法
则是低效的。

为此,一种思想是将快动态过程和慢动态过程分别进行求解,这种多
速率的概念出现最早,并在近年来得到重视,最早将多速率的概念用于电力系统动
态仿真。

基于多速率仿真的思想,后来一些学者提出了Latency技术用于电磁暂态
层面的仿真。

结论：
电力系统电磁暂态仿真理论与方法从建立至今已得到了极大发展,各种新技术、新方法的出现改进了原有算法的不足,提高了仿真精度和计算速度,使电磁暂态仿
真有了更强的生命力和更加广泛的应用前景[2]。

参考文献：
[1]余贻鑫,陈礼义.电力系统的安全性和稳定性.北京:科学出版
社,2018.
[2]岳程燕,周孝信,李若梅.电力系统电磁暂态实时仿真中并行算法的研究.中国电机工程学报,2014,24(12):1 7.。