本发明涉及智能变电站培训系统的实时动态仿真领域，具体是一种基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法。
背景技术：
随着技术的发展以及智能电网的普及，传统变电站逐渐向智能变电站转变。智能变电站的重要性以及设备的复杂化和技术的先进化，对变电站运检人员的业务能力要求越来越高，也给相关专业学生带来更大的学习挑战。然而实际智能变电站操作存在结构复杂、危险性高等问题，使得普通学生或运检人员难以重复进行实际的操作和演练，所以开发智能变电站仿真培训系统刻不容缓。现有面向传统变电站的培训系统远远不能满足智能变电站发展的要求，有必要研发多功能的智能变电站仿真培训系统。
目前，对于智能变电站的培训，有一些变电站仿真系统，其基于传统的牛拉法进行潮流计算，具有离线不实时的缺陷，不能根据实际系统的变化进行仿真，仿真准确性较差。实现智能变电站的实时动态仿真具有重大的理论意义和实用价值。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能够实现智能变电站培训系统实时动态仿真的潮流计算方法，适用于智能变电站培训系统，实现培训系统的实时动态仿真。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将智能变电站培训系统的初始数据作为动态潮流算法的输入，并确定潮流计算的收敛精度；
步骤2、初始潮流计算，求得发电机功率、负荷功率以及系统网损；
步骤3、读取功率扰动信息，计算不平衡功率；按步长进行频率计算，输出频率曲线，并根据功率扰动信息，在相应时刻添加功率扰动，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率；
步骤4、计算时长达到一个周期后，根据机组的惯性时间常数分配不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率、负荷功率以修正网损；
步骤5、返回步骤3继续进行功率扰动下的频率计算，直至扰动结束，输出潮流计算结果。
进一步地，步骤1所述输入初始数据，确定收敛精度，具体如下：
在智能变电站培训系统的仿真支撑子平台中，通过网络拓扑计算模块解析智能变电站的配置文件，利用拓扑重构算法构建对智能变电站的拓扑模型，基于拓扑模型得到系统的初始数据，作为后面动态潮流算法的输入，并确定潮流计算的收敛精度。
进一步地，步骤2所述初始潮流计算，求得发电机功率、负荷功率以及系统网损，具体如下：
运用牛顿-拉夫逊法进行初始潮流计算，求出发电机功率pgi、负荷功率pli以及系统网损ploss。极坐标形式下的功率方程组的残差形式如下：
其中，θij＝θi-θj为i、j两节点的电压相角差，gij和bij分别为支路电导和电纳，ui和uj分别为节点i和j的电压向量，δpi和δqi为有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维；
牛顿-拉夫逊法潮流计算的修正方程为：
其中，δpi和δqi为潮流方程中有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维，δu和δθ为母线电压修正量，共(2n-2)维，j为雅克比矩阵；从而可得δu和δθ的简化求解公式为：
其中，雅克比矩阵j由hij,nij,mij,lij四个元素构成，分别表示为：
根据以上计算公式即可求出母线电压修正量，从而求出发电机功率、负荷功率以及系统网损。
进一步地，步骤3所述读取功率扰动信息，计算不平衡功率，按步长进行频率计算，输出频率曲线，并根据功率扰动信息，在相应时刻添加功率扰动，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率，具体如下：
步骤3.1、读取功率扰动信息，计算不平衡功率；
在系统发生扰动后的全网发电机总有功减去全网负荷总有功和全网网损就可以得到全网的不平衡功率：
pacc＝∑pg-∑pl-ploss
其中，pacc为当前系统的不平衡功率，pg、pl分别为发电机功率、负荷功率，ploss为系统网损；
步骤3.2、按步长进行频率计算，输出频率曲线；
计算频率修正量。将全网的发电机看作一台等值机，其转动惯量为所有发电机组转动惯量的和，依据全网发电机的转动惯量计算不平衡功率引起的频率偏差。其转子运动方程表示为式：
其中，d＝∑kl·pl＝kl∑pl，tj为机组惯性时间常数，δω为系统频率差，d为系统负荷阻尼系数，kl为负荷频率系数；
计算发电机有功功率调节量。利用频率修正量和发电机的调差系数可得到每台机组有功功率调节量，调速系统的微分方程表达式为：
其中，δpg为发电机有功功率调节量，tg为时间常数，kg·为机组调速器放大倍数(发电机单位调节功率)，δω为系统频率差的增量；采用改进欧拉法求解调速系统的微分方程，求得一个步长δt时间后系统频率改变量为δf以及发电机有功功率调节量δpg。
调整负荷功率的计算。负荷功率的计算如下：
pl＝pl·×(1 kl··δω)
其中，pl为调整后负荷功率，pl·为调整前负荷功率，kl·为负荷的单位调节功率(频率调节效应系数)，系统中统一取为1.5；
判断是否达到高频切机或低频减载条件。如果频率过高超过了发电机的高频切机频率下限，就切掉该机组。如果频率过低，就依照所设定的轮次，对系统的每个负荷按照规定的减载比例进行低频减载操作。若达到相应的条件，执行切机或减载方案。执行方案完毕后，重新计算方案执行后的不平衡功率。若达不到相应条件，判断频率是否符合要求。若频率不稳定，重新返回计算频率修正量，再次进行迭代计算，直至频率稳定，输出计算结果，得到频率曲线；
步骤3.3、根据功率扰动设定，在相应时刻添加频率扰动δω，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率；
计及发电机和负荷按照其静态频率特性分担的功率表示为：
其中，i、j为节点位置，kgi为节点i的发电机的单位调节功率，klj为节点j的负荷的频率调节效应，δp′gi为节点i的发电机功率改变量，δp′lj为节点j的负荷功率改变量；
累计由系统静态频率特性分担的功率表示为：
其中，δpf∑为总的系统功率改变量，m为发电机数节点总数，l为负荷数节点总数；
根据发电机和负荷功率的改变量，调节发电机功率pgi，修正负荷功率pli，由步骤3.1中的不平衡功率计算公式修正不平衡功率δpacc；
进一步地，步骤4所述计算时长达到一个周期后，根据机组的惯性时间常数分配不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率、负荷功率以修正网损，具体如下：
计算时长达到一个周期t后，计算潮流修正网损，此时频率没有达到稳定，即依旧存在不平衡功率。潮流前这部分不平衡功率将按照各台发电机组的转动惯量tj进行分摊，则有：
其中，tji为节点i的发电机转动惯量，tj∑为各节点发电机转动惯量之和，si为节点i的容量，sb为各节点容量之和，δpg″i为节点i的不平衡功率分配量；
根据求得的各节点分配的不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率pgi、负荷功率pli；
进一步地，步骤5所述返回步骤3继续进行功率扰动下的频率计算，直至扰动结束，输出潮流计算结果，具体如下：
判断系统频率扰动是否继续，若继续，则返回步骤3继续进行由于功率扰动引起频率扰动下的频率计算；若系统扰动结束，则输出最后的潮流计算结果。
采用上述技术方案后，本发明具有如下突出优点：本发明所述的一种基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，能够实现智能变电站培训系统的实时动态仿真，在传统潮流计算的基础上引入频率计算，实现系统的动态潮流计算，使得培训系统的仿真更加实时精确。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明动态潮流计算流程图；
图3是本发明动态潮流计算中频率计算流程图。
具体实施方式
本发明基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，在仿真支撑子平台中加入动态潮流计算模块，在传统潮流计算的基础上加入了频率计算，在一个计算周期内，采用先算频率，再算潮流的交替求解模式，使得频率计算的结果为潮流更合理的有功注入数据。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
由图1所示可知，智能变电站培训系统包括仿真支撑平台子系统、监控平台子系统以及数据通讯接口三个部分。仿真支撑平台子系统包括网络拓扑计算模块、动态潮流计算模块、故障计算模块、继电保护仿真模块、设备操作仿真模块以及电网事故仿真模块。这些模块都是基于c 编程语言为基础编译而成，首先在visiostudio软件中进行变电站逻辑算法的编写，生成相应的dll动态链接库算法文件，然后将这些基础算法进行有效连接，即可组成上述六大模块，完成对变电站的建模。将生成的模型文件给予监控平台进行使用。本发明所述的一种基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法应用于仿真支撑子平台中的动态潮流计算模块，以实现系统的实时动态仿真。结合图2可知，包括以下步骤：
步骤1、输入初始数据，确定收敛精度，具体如下：
在智能变电站培训系统的仿真支撑子平台中，通过网络拓扑计算模块解析智能变电站的配置文件，利用拓扑重构算法构建对智能变电站的拓扑模型，基于拓扑模型得到系统的初始数据，作为后面动态潮流算法的输入，并确定潮流计算的收敛精度。
步骤2、初始潮流计算，求得发电机功率、负荷功率以及系统网损，具体如下：
运用牛顿-拉夫逊法进行初始潮流计算，求出发电机功率pgi、负荷功率pli以及系统网损ploss。极坐标形式下的功率方程组的残差形式如下：
其中，θij＝θi-θj为i、j两节点的电压相角差，gij和bij分别为支路电导和电纳，ui和uj分别为节点i和j的电压向量，δpi和δqi为有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维；
牛顿-拉夫逊法潮流计算的修正方程为：
其中，δpi和δqi为潮流方程中有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维，δu和δθ为母线电压修正量，共(2n-2)维，j为雅克比矩阵；从而可得δu和δθ的简化求解公式为：
其中，雅克比矩阵j由hij,nij,mij,lij四个元素构成，分别表示为：
根据以上计算公式即可求出母线电压修正量，从而求出发电机功率、负荷功率以及系统网损。
步骤3、读取功率扰动信息，计算不平衡功率，按步长进行频率计算，输出频率曲线，并根据功率扰动信息，在相应时刻添加功率扰动，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率，流程图如图3所示，具体如下：
步骤3.1、读取功率扰动信息，计算不平衡功率；
在系统发生扰动后的全网发电机总有功减去全网负荷总有功和全网网损就可以得到全网的不平衡功率：
pacc＝∑pg-∑pl-ploss
其中，pacc为当前系统的不平衡功率，pg、pl分别为发电机功率、负荷功率，ploss为系统网损；
步骤3.2、按步长进行频率计算，输出频率曲线；
计算频率修正量。将全网的发电机看作一台等值机，其转动惯量为所有发电机组转动惯量的和，依据全网发电机的转动惯量计算不平衡功率引起的频率偏差。其转子运动方程表示为式：
其中，d＝∑kl·pl＝kl∑pl，tj为机组惯性时间常数，δω为系统频率差，d为系统负荷阻尼系数，kl为负荷频率系数；
计算发电机有功功率调节量。利用频率修正量和发电机的调差系数可得到每台机组有功功率调节量，调速系统的微分方程表达式为：
其中，δpg为发电机有功功率调节量，tg为时间常数，kg·为机组调速器放大倍数(发电机单位调节功率)，δω为系统频率差的增量；采用改进欧拉法求解调速系统的微分方程，求得一个步长δt时间后系统频率改变量为δf以及发电机有功功率调节量δpg。
调整负荷功率的计算。负荷功率的计算如下：
pl＝pl·×(1 kl··δω)
其中，pl为调整后负荷功率，pl·为调整前负荷功率，kl·为负荷的单位调节功率(频率调节效应系数)，系统中统一取为1.5；
判断是否达到高频切机或低频减载条件。如果频率过高超过了发电机的高频切机频率下限，就切掉该机组。如果频率过低，就依照所设定的轮次，对系统的每个负荷按照规定的减载比例进行低频减载操作。若达到相应的条件，执行切机或减载方案。执行方案完毕后，重新计算方案执行后的不平衡功率。若达不到相应条件，判断频率是否符合要求。若频率不稳定，重新返回计算频率修正量，再次进行迭代计算，直至频率稳定，输出计算结果，得到频率曲线；
步骤3.3、根据功率扰动设定，在相应时刻添加频率扰动δω，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率；
计及发电机和负荷按照其静态频率特性分担的功率表示为：
其中，i、j为节点位置，kgi为节点i的发电机的单位调节功率，klj为节点j的负荷的频率调节效应，δp′gi为节点i的发电机功率改变量，δp′lj为节点j的负荷功率改变量；
累计由系统静态频率特性分担的功率表示为：
其中，δpf∑为总的系统功率改变量，m为发电机数节点总数，l为负荷数节点总数；
根据发电机和负荷功率的改变量，调节发电机功率pgi，修正负荷功率pli，由步骤3.1中的不平衡功率计算公式修正不平衡功率δpacc；
步骤4、计算时长达到一个周期后，根据机组的惯性时间常数分配不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率、负荷功率以修正网损，具体如下：
计算时长达到一个周期t后，计算潮流修正网损，此时频率没有达到稳定，即依旧存在不平衡功率。潮流前这部分不平衡功率将按照各台发电机组的转动惯量tj进行分摊，则有：
其中，tji为节点i的发电机转动惯量，tj∑为各节点发电机转动惯量之和，si为节点i的容量，sb为各节点容量之和，δpg″i为节点i的不平衡功率分配量；
根据求得的各节点分配的不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率pgi、负荷功率pli；
步骤5、返回步骤3继续进行功率扰动下的频率计算，直至扰动结束，输出潮流计算结果，具体如下：
判断系统频率扰动是否继续，若继续，则返回步骤3继续进行由于功率扰动引起频率扰动下的频率计算；若系统扰动结束，则输出最后的潮流计算结果。
1.一种基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将智能变电站培训系统的初始数据作为动态潮流算法的输入，并确定潮流计算的收敛精度；
步骤2、初始潮流计算，求得发电机功率、负荷功率以及系统网损；
步骤3、读取功率扰动信息，计算不平衡功率；按步长进行频率计算，输出频率曲线，并根据功率扰动信息，在相应时刻添加功率扰动，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率；
步骤4、计算时长达到一个周期后，根据机组的惯性时间常数分配不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率、负荷功率以修正网损；
步骤5、返回步骤3继续进行功率扰动下的频率计算，直至扰动结束，输出潮流计算结果。
2.根据权利要求1所述的基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，步骤1所述的输入初始数据，确定收敛精度，具体如下：
在智能变电站培训系统的仿真支撑子平台中，通过网络拓扑计算模块解析智能变电站的配置文件，利用拓扑重构算法构建对智能变电站的拓扑模型，基于拓扑模型得到系统的初始数据，作为动态潮流算法的输入，并确定潮流计算的收敛精度。
3.根据权利要求1所述的基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，步骤2所述的初始潮流计算，求得发电机功率、负荷功率以及系统网损，具体如下：
运用牛顿-拉夫逊法进行初始潮流计算，求出发电机功率pgi、负荷功率pli以及系统网损ploss，极坐标形式下的功率方程组的残差形式如下：
其中，θij＝θi-θj为i、j两节点的电压相角差，gij和bij分别为支路电导和电纳，ui和uj分别为节点i和j的电压向量，δpi和δqi为有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维；
牛顿-拉夫逊法潮流计算的修正方程为：
其中，δpi和δqi为潮流方程中有功功率和无功功率的残差向量，共(2n-2)维，δu和δθ为母线电压修正量，共(2n-2)维，j为雅克比矩阵；从而可得δu和δθ的简化求解公式为：
其中，雅克比矩阵j由hij,nij,mij,lij四个元素构成，分别表示为：
根据以上计算公式即可求出母线电压修正量，从而求出发电机功率、负荷功率以及系统网损。
4.根据权利要求1所述的基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，步骤3所述的读取功率扰动信息，计算不平衡功率，按步长进行频率计算，输出频率曲线，并根据功率扰动信息，在相应时刻添加功率扰动，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率，具体如下：
步骤3.1、读取功率扰动信息，计算不平衡功率；
在系统发生扰动后的全网发电机总有功减去全网负荷总有功和全网网损，得到全网的不平衡功率：
pacc＝∑pg-∑pl-ploss
其中，pacc为当前系统的不平衡功率，pg、pl分别为发电机功率、负荷功率，ploss为系统网损；
步骤3.2、按步长进行频率计算，输出频率曲线；
计算频率修正量；将全网的发电机看作一台等值机，其转动惯量为所有发电机组转动惯量的和，依据全网发电机的转动惯量计算不平衡功率引起的频率偏差；其转子运动方程表示为式：
其中，d＝∑kl·pl＝kl∑pl，tj为机组惯性时间常数，δω为系统频率差，d为系统负荷阻尼系数，kl为负荷频率系数；
计算发电机有功功率调节量；利用频率修正量和发电机的调差系数得到每台机组有功功率调节量，调速系统的微分方程表达式为：
其中，δpg为发电机有功功率调节量，tg为时间常数，kg·为机组调速器放大倍数(发电机单位调节功率)，δω为系统频率差的增量；采用改进欧拉法求解调速系统的微分方程，求得一个步长δt时间后系统频率改变量为δf以及发电机有功功率调节量δpg；
调整负荷功率的计算；负荷功率的计算如下：
其中，pl为调整后负荷功率，
判断是否达到高频切机或低频减载条件；如果频率过高超过发电机的高频切机频率下限，则切掉该机组；如果频率过低，则依照所设定的轮次，对系统的每个负荷按照规定的减载比例进行低频减载操作；若达到相应的条件，执行切机或减载方案；执行方案完毕后，重新计算方案执行后的不平衡功率；若达不到相应条件，判断频率是否符合要求。若频率不稳定，重新返回计算频率修正量，再次进行迭代计算，直至频率稳定，输出计算结果，得到频率曲线；
步骤3.3、根据功率扰动设定，在相应时刻添加频率扰动δω，调节发电机功率，修正负荷功率和不平衡功率；
计及发电机和负荷按照其静态频率特性分担的功率表示为：
其中，i、j为节点位置，kgi为节点i的发电机的单位调节功率，klj为节点j的负荷的频率调节效应，δp′gi为节点i的发电机功率改变量，δp′lj为节点j的负荷功率改变量；
累计由系统静态频率特性分担的功率表示为：
其中，δpf∑为总的系统功率改变量，m为发电机数节点总数，l为负荷数节点总数；
根据发电机和负荷功率的改变量，调节发电机功率pgi，修正负荷功率pli，由步骤3.1中的不平衡功率计算公式修正不平衡功率δpacc。
5.根据权利要求1所述的基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，步骤4所述的计算时长达到一个周期后，根据机组的惯性时间常数分配不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率、负荷功率以修正网损，具体如下：
计算时长达到一个周期t后，计算潮流修正网损，此时频率没有达到稳定，即依旧存在不平衡功率；潮流前这部分不平衡功率将按照各台发电机组的转动惯量tj进行分摊，则有：
其中，tji为节点i的发电机转动惯量，tj∑为各节点发电机转动惯量之和，si为节点i的容量，sb为各节点容量之和，δp″gi为节点i的不平衡功率分配量；
根据求得的各节点分配的不平衡功率，修正潮流原始数据中发电机和负荷的有功注入，重新进行潮流计算得到新的发电机功率pgi、负荷功率pli。
6.根据权利要求1所述的基于实时仿真的智能变电站培训系统动态潮流计算方法，其特征在于，步骤5所述的返回步骤3继续进行功率扰动下的频率计算，直至扰动结束，输出潮流计算结果，具体如下：
判断系统频率扰动是否继续，若继续，则返回步骤3继续进行由于功率扰动引起频率扰动下的频率计算；若系统扰动结束，则输出最后的潮流计算结果。
技术总结