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申请/专利权人：中国电力科学研究院有限公司;国家电网有限公司;国网宁夏电力有限公司电力科学研究院;国网宁夏电力有限公司

摘要：本发明提供了一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法和系统，包括：采集电网的运行参数；基于运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。该方法和系统针对模型复杂的电力电子接口设备交直流变换器，提出均值模型方法来简化模型，优化了物理层建模方法，还采用时变相量仿真方法进行大规模输配电混合网络时变相量仿真，大幅提升了物理侧仿真速度。

主权项：1.一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法，其特征在于，包括：采集电网的运行参数；基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型；所述电网信息物理系统物理层仿真模型的建立，包括：构建电力电子接口设备交直流变换器状态方程；应用均值方法对所述状态方程进行处理；将均值方法处理后的所述状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的变换器分段平均化方程；根据所述变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，建立受控源模型作为交直流变换器模型；基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及所述交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真模型；所述基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真，包括：基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；基于所述时变相量网络导纳矩阵，根据所述各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。

全文数据：一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法和系统技术领域本发明属于电网信息物理系统技术领域，具体涉及一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法和系统。背景技术近年来，随着智能电网建设的不断发展，电力系统的自动化程度迅速提高，电网传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都大大增加。此外，能源互联网的推广使得越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策，电力网络与信息网络的交互机理日益复杂。大量的高度集成先进量测体系、数据采集设备、计算设备和嵌入式柔性控制设备，将配电网、信息通信网两个实体网络深度互连，使得配电网中一次系统与二次系统相互耦合、紧密联系，现代电力系统已发展成为具备各种典型特征的电网信息物理系统电网CPS。电网CPS系统融合了电力系统模型和信息通信网相关模型，规模庞大，传统的仿真技术已不能保证足够高的仿真速度，需要研究在物理侧新的建模技术，以提高电力系统仿真的计算速度。发明内容为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法和系统。该方法和系统首先针对模型复杂的电力电子接口设备交直流变换器，提出均值模型方法来简化模型。然后，采用时变相量仿真方法进行大规模输配电混合网络时变相量仿真，提高电网CPS仿真的计算速度。实现上述目的所采用的解决方案为：一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法，其改进之处在于，包括：采集电网的运行参数；基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，采集电网的运行参数；基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述状态方程如下式所示：式中，ia、ib和ic分别表示所述交直流变换器交流侧三相电流，ua、ub和uc分别表示所述交直流变换器交流侧三相电压，Rf表示所述交直流变换器交流侧电阻，Lf表示所述交直流变换器交流侧电感；C表示直流侧电容，R表示直流侧电阻，vdc表示直流侧电压；Sj表示三相桥臂第j桥臂开关函数，取值如下式所示：本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述状态方程应用均值方法处理后如下式所示：式中，和分别表示开关周期内所述交直流变换器交流侧三相电流平均值，和分别表示开关周期内所述交直流变换器交流侧三相电压平均值；表示开关周期内直流侧电压平均值；dj表示三相桥臂第j桥臂开关函数占空比，如下式计算：式中，T表示开关周期。本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述变换器分段平均化方程如下式所示：式中，uLk表示交流侧三相中第k相电感电压，uRk表示交流侧三相中第k相电阻电压，表示交流侧三相中第k相电流开关周期内的平均值，uk表示交流侧三相中第k相电压，Vf,j表示三相桥臂第j桥臂电压。本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真，包括：基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；基于所述时变相量网络导纳矩阵，根据所述各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵之后，且将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量之前，还包括：检测电网拓扑是否改变：当结果为是时，根据改变后的电网拓扑，修改所述时变相量网络导纳矩阵。一种电网信息物理系统物理层优化仿真系统，其改进之处在于，包括：数据采集模块、初始化模块和仿真计算模块；所述数据采集模块，用于采集电网的运行参数；所述初始化模块，用于基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；所述仿真计算模块，用于基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，还包括用于建立电网信息物理系统物理层仿真模型的建模模块，所述建模模块包括：状态方程单元、均值处理单元、平均化单元、变换器模型单元和电网模型单元；所述状态方程单元，用于构建电力电子接口设备交直流变换器状态方程；所述均值处理单元，用于应用均值方法对所述状态方程进行处理；所述平均化单元，用于将均值方法处理后的所述状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的变换器分段平均化方程；所述变换器模型单元，用于根据所述变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，建立受控源模型作为交直流变换器模型；所述电网模型单元，用于基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及所述交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真模型。本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述仿真计算模块包括：矩阵构建单元、电压转换单元、电流计算单元和数据还原单元；所述矩阵构建单元，用于基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；所述电压转换单元，用于将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；所述电流计算单元，用于基于所述时变相量网络导纳矩阵，根据所述各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；所述数据还原单元，用于将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：本发明提出一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法，包括：采集电网的运行参数；基于运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真。本发明针对模型复杂的电力电子接口设备交直流变换器，提出均值模型方法来简化模型，优化了物理层建模方法，还采用时变相量仿真方法进行大规模输配电混合网络时变相量仿真，大幅提升了物理侧仿真速度。附图说明图1为本发明提供的一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法流程示意图；图2为本发明提供的一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法技术框架示意图；图3为本发明涉及的AC-DC变换器电路连接示意图；图4为本发明涉及的变换器受控源等效电路示意图；图5位本发明提供的一种电网信息物理系统物理层优化仿真系统基本结构示意图；图6为本发明提供的一种电网信息物理系统物理层优化仿真系统详细结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。实施例1：本发明提供的一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法流程示意图如图1所示，包括：步骤1：采集电网的运行参数；步骤2：基于运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；步骤3：基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。具体的，一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法技术框架如图2所示，包括以下步骤：步骤11：采用均值模型技术进行电力电子接口设备交直流变换器即AC-DC变换器建模。其中，AC-DC变换器电路连接如图3所示。步骤11具体包括：步骤11-1：构建电力电子接口AC-DC变换器状态方程。AC-DC变换器状态方程如下式所示：式中，ia、ib和ic分别表示交直流变换器交流侧三相电流，ua、ub和uc分别表示三相电压，Rf表示交流侧电阻，Lf表示交流侧电感；C表示直流侧电容，R表示直流侧电阻，vdc表示直流侧电压；Sj表示三相桥臂第j桥臂开关函数，取值如下式所示：步骤11-2：应用均值方法对状态方程进行处理。均值方法标准形式如下：式中，表示平均化后t时刻的函数f的数值，T表示平均化处理的时间，本实施例中可用来表示开关周期，fτ表示函数f在周期内τ时刻的值。Sj在一个开关周期内是脉冲量，对其求平均，可得其与对应桥臂dj占空比的关系为：应用均值方法对状态方程进行处理，得到的状态方程如下式所示：式中，和分别表示开关周期内交流侧三相电流平均值，和分别表示开关周期内交流侧三相电压平均值；表示开关周期内直流侧电压平均值。步骤11-3：将均值方法处理后的状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的形式，得到变换器分段平均化方程。式中，uLk表示交流侧三相中第k相电感电压，uRk表示交流侧三相中第k相电阻电压，表示交流侧三相中第k相电流开关周期内的平均值，uk表示交流侧三相中第k相电压，Vf,j表示三相桥臂第j桥臂电压。步骤11-4：根据变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，将传统的变换器模型平均化为简单的受控源模型，作为交直流变换器模型。简化的变换器受控源等效电路图如图4所示。步骤12：采用时变相量方法进行电网信息物理系统物理层仿真。步骤12具体包括：步骤12-1：基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及步骤11建立的交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真框架。步骤12-2：系统初始化。具体包括：基于仿真系统微分方程个数选择时变相量阶数，以及实时采集当前电网的运行参数，根据运行参数设置仿真系统的各计算量的初值。电网的运行参数和计算量分别包括各电网各节点的电压和各支路的电流。步骤12-3：将电网和线路的运行参数从时域量转化为时变量，基于电网拓扑和时变相量阶数构造时变相量网络导纳矩阵。电网线路及设备的时变模型一般构建方法如下：当电网线路中的信号为非正弦信号时，则对该信号某一瞬时值，可以利用傅立叶变换分解成一系列频率不同、幅值不同、相位不同的信号的叠加，这种变换是针对某一瞬时值来进行的。时变相量是针对一个非正弦的时间变量，基于时变的傅立叶分解提出的。下面，给出时变相量数学上的定义。对于时域上表示为xτ的波形，在任一区间τ∈t-T,t都可以用时变傅立叶级数表示为：上式中，k表示时变相量阶数，表示傅里叶级数的基，ωs＝2πT，Xkt为第k阶时变傅立叶系数，是时间的函数。根据傅立叶分解，第k阶系数可以写成下式的形式：定义Xkt为第k阶动态相量，是信号xτ在时间轴上的“滑动窗”内分解得到的傅立叶级数。动态相量法就是选取信号xτ在宽度为τ的时间窗内的傅立叶系数建立其动态模型。相量Xkt随宽度为T的“滑动窗”在xτ的时间轴上移动而改变。步骤12-3中基于电网拓扑和时变相量阶数构造时变相量网络导纳矩阵，即以时变量描述的网络导纳矩阵。步骤12-4：测电网拓扑是否改变。若改变，需要根据新的电网拓扑修改网络导纳矩阵。步骤12-5：计算当前时刻电压数值，即对各节点电压进行时域到时变相量域的转换。根据时变相量定义，可以得到数值积分形式下时域信号xτ第k阶时变相量Xkt的转换关系，当积分步长为Δt时，该转换关系为：其中，N＝TΔt；τ表示时域信号时间变量；t表示频域信号时间变量；T表示时域函数xτ的周期。本实施例中，xτ可表示电压或电流在时域的函数，Xkt可表示电压或电流在时变相量域的函数。步骤12-6：由节点时变电压量求出所有支路的时变电流值。即基于时变相量网络导纳矩阵，根据各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值。步骤12-7：进行各阶时变相量域到时域的转换。即将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到时域的各节点的电压值和各支路的电流值。具体计算方法如下：步骤12-8：仿真结束。实施例2：基于同一发明构思，本发明还提供了一种电网信息物理系统物理层优化仿真系统，由于这些设备解决技术问题的原理与电网信息物理系统物理层优化仿真方法相似，重复之处不再赘述。该系统基本结构示意图如图5所示，包括：数据采集模块、初始化模块和仿真计算模块；其中，数据采集模块，用于采集电网的运行参数；初始化模块，用于基于运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；仿真计算模块，用于基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。电网信息物理系统物理层优化仿真系统详细结构示意图如图6所示。其中，该系统还包括用于建立电网信息物理系统物理层仿真模型的建模模块，建模模块包括：状态方程单元、均值处理单元、平均化单元、变换器模型单元和电网模型单元；状态方程单元，用于构建电力电子接口设备交直流变换器状态方程；均值处理单元，用于应用均值方法对状态方程进行处理；平均化单元，用于将均值方法处理后的状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的变换器分段平均化方程；变换器模型单元，用于根据变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，建立受控源模型作为交直流变换器模型；电网模型单元，用于基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真模型。其中，仿真计算模块包括：矩阵构建单元、电压转换单元、电流计算单元和数据还原单元；矩阵构建单元，用于基于电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；电压转换单元，用于将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；电流计算单元，用于基于时变相量网络导纳矩阵，根据各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；数据还原单元，用于将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。其中，仿真计算模块还包括拓扑检测单元；拓扑检测单元，用于检测电网拓扑是否改变：当结果为是时，根据改变后的电网拓扑，修改时变相量网络导纳矩阵。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。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。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。最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

权利要求：1.一种电网信息物理系统物理层优化仿真方法，其特征在于，包括：采集电网的运行参数；基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网信息物理系统物理层仿真模型的建立，包括：构建电力电子接口设备交直流变换器状态方程；应用均值方法对所述状态方程进行处理；将均值方法处理后的所述状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的变换器分段平均化方程；根据所述变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，建立受控源模型作为交直流变换器模型；基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及所述交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真模型。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态方程如下式所示：式中，ia、ib和ic分别表示所述交直流变换器交流侧三相电流，ua、ub和uc分别表示所述交直流变换器交流侧三相电压，Rf表示所述交直流变换器交流侧电阻，Lf表示所述交直流变换器交流侧电感；C表示直流侧电容，R表示直流侧电阻，vdc表示直流侧电压；Sj表示三相桥臂第j桥臂开关函数，取值如下式所示：4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述状态方程应用均值方法处理后如下式所示：式中，和分别表示开关周期内所述交直流变换器交流侧三相电流平均值，和分别表示开关周期内所述交直流变换器交流侧三相电压平均值；表示开关周期内直流侧电压平均值；dj表示三相桥臂第j桥臂开关函数占空比，如下式计算：式中，T表示开关周期。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述变换器分段平均化方程如下式所示：式中，uLk表示交流侧三相中第k相电感电压，uRk表示交流侧三相中第k相电阻电压，表示交流侧三相中第k相电流开关周期内的平均值，uk表示交流侧三相中第k相电压，Vf,j表示三相桥臂第j桥臂电压。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真，包括：基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；基于所述时变相量网络导纳矩阵，根据所述各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵之后，且将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量之前，还包括：检测电网拓扑是否改变：当结果为是时，根据改变后的电网拓扑，修改所述时变相量网络导纳矩阵。8.一种电网信息物理系统物理层优化仿真系统，其特征在于，包括：数据采集模块、初始化模块和仿真计算模块；所述数据采集模块，用于采集电网的运行参数；所述初始化模块，用于基于所述运行参对预先建立的电网信息物理系统物理层仿真模型进行初始化；所述仿真计算模块，用于基于初始化后的电网信息物理系统物理层仿真模型，采用时变相量方法进行仿真；所述电网信息物理系统物理层仿真模型包括采用均值模型技术建立的电力电子接口设备交直流变换器模型。9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括用于建立电网信息物理系统物理层仿真模型的建模模块，所述建模模块包括：状态方程单元、均值处理单元、平均化单元、变换器模型单元和电网模型单元；所述状态方程单元，用于构建电力电子接口设备交直流变换器状态方程；所述均值处理单元，用于应用均值方法对所述状态方程进行处理；所述平均化单元，用于将均值方法处理后的所述状态方程转化为采用三相正弦单位参考信号表示的变换器分段平均化方程；所述变换器模型单元，用于根据所述变换器分段平均化方程得出受控源接口等效电路，建立受控源模型作为交直流变换器模型；所述电网模型单元，用于基于电网物理层面的拓扑、电网中的设备以及所述交直流变换器模型，建立电网信息物理系统物理层仿真模型。10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述仿真计算模块包括：矩阵构建单元、电压转换单元、电流计算单元和数据还原单元；所述矩阵构建单元，用于基于所述电网信息物理系统物理层仿真模型构造时变相量网络导纳矩阵；所述电压转换单元，用于将各节点电压进行时域到时变相量域的转换，得到各节点时变电压量；所述电流计算单元，用于基于所述时变相量网络导纳矩阵，根据所述各节点时变电压量计算电网各支路的时变电流值；所述数据还原单元，用于将各节点时变电压量以及各支路的时变电流值分别进行时变相量域到时域的转换，得到各节点的电压值和各支路的电流值。

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