一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法与流程

1.本技术实施例涉及电力分析领域，特别是涉及一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.近年来，电力系统电力电子化水平逐渐加深，电力系统由低惯量特性向快响应特点转变，干扰后系统呈现更宽范围的电气量振荡过程。新型振荡是涵盖多类型设备、多区域、多时间尺度相互作用的复杂系统问题，其中，尤为突出的是双馈风机控制器和交流电网相互作用引发的次同步振荡(ssci)。
3.该类型振荡除了涉及到有源设备的变流器之外，电网无源设备，如负荷、输电线路、变压器和串联补偿电容器都起到重要作用。在分析这些设备之间的相互作用时，输电网络动力学是不可忽视的。但是对系统中庞大的输电网络拓扑建模是将显著地会增加状态变量的数量。因此，目前无法对大型电力系统的全部设备建立用于小干扰分析的详细模型。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法、方法、电子设备及存储介质，能够显著地减小系统的状态矩阵状态变量的数量，实现系统的小信号可靠性分析。
5.第一方面，本发明提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，包括：
6.建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，所述系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值；
7.根据所述系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型；
8.根据所述电力系统的动态区域网络模型、所述电力系统的静态区域网络模型以及所述电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；
9.建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过联立所述设备的状态空间模型并根据所述设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型；
10.将所述电力系统状态空间模型与所述电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取所述电力系统的特征值，所述电力系统特征值用于实现对该电力系统的小干扰稳定分析。
11.进一步地，建立电力系统混合网络模型，具体包括如下步骤：
12.根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的所述电力系统的静态区域网络模型；
13.根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取所述电力系统混合网络模型。
14.进一步地，建立电力系统阻抗模型，具体包括如下步骤：
15.分别获取所述电力系统中发电机的定子磁链和转子磁链在d轴和q轴上的分量，所述发电机的电压表达式为
[0016][0017]
其中，ψds、ψqs、ψdr、ψqr为定、转子磁链的d、q轴分量；uds、uqs、udr、uqr为定、转子电压在d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr为定、转子电流的d、q轴分量；rs、rr为定、转子电阻；ωs，ωr为定、转子的电气角速度；
[0018]
获取所述发电机的转子侧输出电压，所述转子侧输出电压的表达式为
[0019][0020]
其中idr_ref、iqr_ref分别为转子d轴和q轴电流参考值k p3、k i3分别为转子侧电流内环控制器的pi参数；ls、lr、lm分别为定、转子绕组的自感和互感；lσ＝lr-l2m/ls；s＝(ωs-ωr)/ωs为滑差角频率；
[0021]
通过将所述转子侧输出电压的表达式中实轴d分量和虚轴q分量合并，计算得到电力系统阻抗模型表达式
[0022][0023]
将所述电力系统阻抗模型的系统侧视为开路，确认最终电力系统等值阻抗z
eq
的表达式为
[0024][0025]
其中，rr_eq＝lr-lσ+lm+rrsc+rr；r1＝rrsc+rr，rsystem、lsystem为系统网络等值阻抗。
[0026]
进一步地，建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，具体包括如下步骤：
[0027]
建立同步发电机动态模型，所述同步发电机状态空间表达式为
[0028]
[0029]
其中，asm为同步发电机的状态空间矩阵、bsm为同步发电机输入矩阵，csm为同步发电机输出矩阵，xsm为状态量，t为时间，输入量为ud、uq。输出量ism为id、iq；
[0030]
所述电动机为双馈风机，建立所述双馈风机的动态模型，所述双馈风机的状态空间表达式为
[0031][0032]
其中，ane为新能源设备的状态空间矩阵、bne为新能源设备输入矩阵，cne为新能源设备输出矩阵，xne为状态量，输入量une为电压、输出量为ids、iqs；
[0033]
建立输电线路静态模型，所述输电线路静态模型表达式为
[0034]
i＝yu
[0035]
其中，i为静态区域节点注入电流、u为静态区域节点电压、y为静态区域节点导纳矩阵；
[0036]
建立输电线路动态模型，所述输电线路动态模型表达式为
[0037][0038][0039]
其中，udl，1与udl，2为线路两侧母线d轴电压，uql，1与uql，2为线路两侧母线q轴电压，idl、iql为流过线路的d、q轴电流，udl、uql为母线节点d、q轴电压，idc、iqc为经过电容的电流，r、l、c、g分别为线路的电阻、电感、电容、电导，ωs为固定线路角频率。
[0040]
进一步地，获取所述电力系统的特征值，具体包括如下步骤：
[0041]
预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；
[0042]
根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；
[0043]
将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。
[0044]
第二方面，本发明提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置，包括：
[0045]
阻抗模型建立模块，用于建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，所述系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值；
[0046]
动态网络与静态网络模型建立模块，用于根据所述系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型；
[0047]
混合网络模型建立模块，用于根据所述电力系统的动态区域网络模型、所述电力系统的静态区域网络模型以及所述电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；
[0048]
状态空间模型建立模块，用于建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过
联立所述设备的状态空间模型并根据所述设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型；
[0049]
特征值获取模块，用于将所述电力系统状态空间模型与所述电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取所述电力系统的特征值，所述电力系统特征值用于实现对该电力系统的小干扰稳定分析。
[0050]
进一步地，所述混合网络模型建立模块，还包括：
[0051]
静态网络简化单元，用于根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的所述电力系统的静态区域网络模型；
[0052]
连接关系定义单元，用于根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取所述电力系统混合网络模型。
[0053]
进一步地，所述特征值获取模块，还包括：
[0054]
有源设备坐标系统一单元，用于预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；
[0055]
输入输出关系定义单元，用于根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；
[0056]
特征值输出单元，用于将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。
[0057]
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0058]
至少一个存储器以及至少一个处理器；
[0059]
所述存储器，用于存储一个或多个程序；
[0060]
当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如第一方面所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的步骤。
[0061]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的步骤。
[0062]
本发明通过建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型，再根据电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；再通过建立电力系统状态空间模型，将电力系统状态空间模型与电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取电力系统的特征值，从而实现对该电力系统的小干扰稳定分析。本技术方案能够显著地减小系统的状态矩阵状态变量的数量，保证在双馈风机和交流电网交互产生振荡下，模式和模态信息与全阶模型一致，实现系统的小信号可靠性分析。
[0063]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
[0064]
图1为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的步骤流程图；
[0065]
图2为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的推导接口模型示意图；
[0066]
图3为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的电力系统阻抗模型示意图；
[0067]
图4为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的测试系统示意图；
[0068]
图5为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的三种测试模型下的模型状态数量对比示意图；
[0069]
图6为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的三种测试模型下的次同步振荡模式下的参与因子对比示意图；
[0070]
图7为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的三种测试模型下的次同步振荡模式下的模型曲线对比示意图
[0071]
图8为在一个示例性的实施例中提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置的模块示意图；
[0072]
图9为在一个示例性的实施例中提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
[0073]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施例方式作进一步地详细描述。
[0074]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术实施例保护的范围。
[0075]
在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术实施例。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0076]
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0077]
此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0078]
基于特征值的小信号分析法是一种准确的、以线性系统理论为基础的分析方法，
能够提供所研究系统所有的模态信息和系统主要参与变量，分析准确度高，被广泛应用于电力系统分析。常规的小信号稳定程序中集中于0-3hz的低频机电振荡研究，输电网络采用基于导纳矩阵的代数方程建模，忽略高频网络瞬态。这种简化有助减少系统矩阵a的大小。但是若要对系统中庞大的输电网络拓扑建模会显著地增加状态变量的数量，从而增加系统矩阵a的大小。因此，要对大型电力系统的全部设备建立用于小干扰分析的详细模型是不现实的。显然，针对高比例电力电子系统状态空间矩阵维数增大特点设计具有特征值分析的混合网络模型十分必要。
[0079]
因此，基于上述分析和背景技术中提出的问题，以建立适用于电力电子装置与电网交互引发的次同步振荡情景下的小信号模型，而且系统状态矩阵阶数适中，不会造成“维数灾”问题为出发点，如图1所示，本技术实施例提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，包括如下步骤：
[0080]
s201：建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值。
[0081]
s202：根据系统精度阈值，获取电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型。
[0082]
s203：根据电力系统的动态区域网络模型、电力系统的静态区域网络模型以及电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型。
[0083]
s204：建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过联立设备的状态空间模型并根据设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型。
[0084]
s205：将电力系统状态空间模型与电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取电力系统的特征值，电力系统特征值用于实现对该电力系统的小干扰稳定分析。
[0085]
在一个优选的实施例中，建立电力系统混合网络模型，还包括如下步骤：根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的电力系统的静态区域网络模型；
[0086]
根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取电力系统混合网络模型。
[0087]
具体的，对于动态区域和静态区域端口连接问题，以图2为例推导接口模型。
[0088]
对静态输电线路模型展开，由于动态网络模型联立并不需要非动态区域的所有节点，因此有必要对由恒定导纳矩阵所构成代数方程做端口处理，根据内部节点的注入电流为0的特点，可以得到如下静态输电线路模型关系式
[0089][0090]
其中，i
out1
为注入到静态区域同步发电机的端口电流，i
out2
为注入动态区域的网络模型的端口电流，u
out1
为与静态区域同步发电机的连接的端口电压，u
out2
为与动态区域网络模型的连接的端口电压，u
in
为非动态区域的网络模型内部的电压。
[0091]
为了更好的与动态模型所构成的微分方程联立，对化简以消去注入电流为0的母线，利用上述静态输电线路模型关系式中第二行0＝y
31 u
out1
+y
32uout2
+y
33uin
，将前两行替换得到静态区域的精简代数模型
[0092][0093]
通过步骤s201的精度选择可以得到系统的动态模型建模区域，构成动态网络模型
[0094][0095][0096]
式中x
l
为动态网络模型状态矩阵，x
l3
为动态网络模型中属于线路的状态变量，a
l
为动态网络模型状态矩阵，b
l1
、b
l2
、b
l3
为动态网络模型输入分块矩阵，c
l11
、c
l21
、c
l31
、c
l12
、c
l22
、c
l32
为动态网络模型输出矩阵，u1为与发电机或者含有电力电子设备相连处节点电压，u2与非动态网络相连处的节点电压，u3与动态网络模型内部节点电压，i1为与发电机或者含有电力电子设备相连处节点电压，i2与非动态网络相连处的节点电压。
[0097]
借助输出矩阵第三行c
l31
x l3
+c
l32 u3＝0＝0，消去动态网络模型内部节点电压u3，得到
[0098][0099][0100]
其中
[0101]
为了获得混合网络模型的状态空间表达式，将u2替换为与静态区域同步发电机的连接的端口电压u
out1
，i2替换为为注入到静态区域同步发电机的端口电流i
out1
，因此要建立其关系，由图2可知，连接处节点电压应该相等即
[0102]uout
＝u2[0103]
同时，与动态区域相连的非动态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，即
[0104]iout
＝i2[0105]
因此，将与动态区域网络模型的连接的端口电压uout2用静态区域同步发电机的连接的端口电压u
out1
和静态区域同步发电机的连接的端口电流i
out1
表达为
[0106][0107][0108]
其中i2＝c
l21
x
l3
+c
l22
u3。
[0109]
因此结合上述端口关系，得到混合模型的表达式为
[0110][0111]
i＝chx
l
+dhu
[0112]
其中
[0113][0114][0115][0116][0117]
在一个优选的实施例中，建立电力系统阻抗模型，还包括如下步骤：
[0118]
所述电力系统阻抗模型如图3所示，
[0119]
分别获取所述电力系统中发电机的定子磁链和转子磁链在d轴和q轴上的分量，所述发电机的电压表达式为
[0120][0121]
其中，ψ
ds
、ψ
qs
、ψ
dr
、ψ
qr
为定、转子磁链的d、q轴分量；u
ds
、u
qs
、u
dr
、u
qr
为定、转子电压在d、q轴分量；i
ds
、i
qs
、i
dr
、i
qr
为定、转子电流的d、q轴分量；rs、rr为定、转子电阻；ωs，ωr为定、转子的电气角速度；
[0122]
获取所述发电机的转子侧输出电压，所述转子侧输出电压的表达式为
[0123][0124]
其中i
dr_ref
、i
qr_ref
分别为转子d轴和q轴电流参考值，k p3
、k i3
分别为转子侧电流内环控制器的pi参数；ls、lr、lm分别为定、转子绕组的自感和互感；l
σ
＝l
r-l
2m
/ls；s＝(ω
s-ωr)/ωs为滑差角频率；
[0125]
通过将所述转子侧输出电压的表达式中实轴d分量和虚轴q分量合并，计算得到电力系统阻抗模型表达式
[0126][0127]
将所述电力系统阻抗模型的系统侧视为开路，确认最终电力系统等值阻抗z
eq
的表
达式为
[0128][0129]
其中，r
r_eq
＝l
r-l
σ
+lm+r
rsc
+rr；r1＝r
rsc
+rr，r
system
、l
system
为系统网络等值阻抗。
[0130]
具体的，本技术实施例实施例电力系统中包括双馈异步发电机，双馈异步发电机采用电动机惯例。由于双馈风机与交流电网的次同步交互作用主要由转子侧控制主导，本技术实施例仅考虑转子侧控制所形成的阻抗模型，双馈风机转子侧主要实现有功功率和无功功率控制。
[0131]
当z
eq
小于0时，即系统为负阻尼时，系统稳定性被破坏，表现为振荡发散，通过减小线路阻抗z
system
的值来获得线路的降阶模型，但是线路阻抗的并不是随意减小的，应保证系统的阻尼在可接受区间内，为了获取既能达到系统状态矩阵降阶的目的，同时保证系统的振荡模式和模态和原系统之间误差在一定范围之内的动态区域系统阻抗，定义误差
[0132]
e＝z
eq-z|《ε
[0133]
其中，z为混合网络模型中动态模型所等值的阻抗，ε为精度。
[0134]
在上述定义中，误差e计算为系统等值阻抗出与降阶模型等值阻抗之间的误差。误差e决定了所得模型的精度。如果e＝0，则得到的模型是精确的，但是阶数最高，通过设定精度ε，实现系统状态矩阵的降阶。
[0135]
在一个优选的实施例中，建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，具体包括如下步骤：
[0136]
建立同步发电机动态模型，所述同步发电机状态空间表达式为
[0137]
其中，a
sm
为同步发电机的状态空间矩阵、b
sm
为同步发电机输入矩阵，c
sm
为同步发电机输出矩阵，x
sm
为状态量，t为时间，输入量u
sm
为ud、uq，输出量i
sm
为id、iq。考虑到新能源系统中低惯性、快响应等特点，基于转子方程的二阶发电机模型难以应用到该系统次同步振荡分析中，本技术实施例动态区域采用考虑励磁、dq阻尼绕组及定子动力学的8阶派克模型，静态区域采用采用考虑励磁、dq阻尼绕组6阶模型；
[0138]
所述电动机为双馈风机，建立所述双馈风机的动态模型，所述双馈风机的状态空间表达式为
[0139][0140]
其中，a
ne
为新能源设备的状态空间矩阵、b
ne
为新能源设备输入矩阵，c
ne
为新能源设备输出矩阵，x
ne
为状态量，输入量u
ne
为电压、输出量为i
ds
、i
qs
；
[0141]
建立输电线路静态模型，所述输电线路静态模型表达式为
[0142]
i＝yu
[0143]
其中，i为静态区域节点注入电流、u为静态区域节点电压、y为静态区域节点导纳矩阵；
[0144]
建立输电线路动态模型，所述输电线路动态模型表达式为
[0145][0146][0147]
其中，u
dl，1
与ud
l，2
为线路两侧母线d轴电压，u
ql，1
与u
ql，2
为线路两侧母线q轴电压，i
dl
、i
ql
为流过线路的d、q轴电流，u
dl
、u
ql
为母线节点d、q轴电压，i
dc
、i
qc
为经过电容的电流，r、l、c、g分别为线路的电阻、电感、电容、电导，ωs为固定线路角频率。
[0148]
在一个优选实施例中，获取所述电力系统的特征值，具体包括如下步骤：
[0149]
预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；
[0150]
根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；
[0151]
将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。
[0152]
具体的，先设定统一频率，本技术实施例选择线路ωs作为参考频率，然后利用派克变换将有源设备在各自的坐标系下建立的动态方程均向该频率下做旋转变换得到统一坐标系下方程，由于各个有源设备相互并没有直接的联系(包括在静态区域的同步发电机)，因此统一坐标系下的状态空间矩阵可表达为
[0153][0154]
ug＝cgxg[0155]
其中
[0156][0157]cg
＝[c
sm1
…csmn c
ne1
…cnen
]
[0158]
由于输出电流是有源设备的输入电流，即ig＝i
l
,输入电压是有源设备的输出电压，即ug＝u
l
,因此将输入和输出结合形成系统状态空间模型。
[0159][0160]
将上式线性化，得到
[0161][0162]
从而用来计算系统的特征值，进行系统小干扰稳定分析。
[0163]
在一个具体的测试环境下，本技术实施例在ieee新英格兰10机39节点的测试系统基础上进行改造，改造后的试验系统如图4所示。节点38建模为无穷大系统，使用电压源表示。新建节点40以及节点23至节点40的变压器模型，双馈异步风机采用容量加权法将60台等值连接在母线节点40上，作为电力电子群代表，线路建立动态模型区域为图4中阴影部分。
[0164]
该测试在准静态模型、混合网络模型及全阶的网络动力学模型三者状态变量的数量进行比较，如图5所示，由于准静态模型中同步发电机由二阶转子方程表示、输电线路由代数方程表达，所以其状态变量仅有35个。全阶模型同步发电机全部采用8阶派克方程、网络及负荷均采用微分方程，其整个状态空间模型有297个状态变量。当使用混合网络模型时，状态变量显著减少到105个，约全阶模型的0.3倍。对于大型电力系统，网络拓扑更加复杂庞大，系统状态矩阵a的形成以及特征值和特征向量的求解比较困难，采用混合网络模型能够有效缩减系统阶数，得到系统的模式和模态信息。
[0165]
进而对上述准静态模型、混合网络模型及全阶的网络动力学模型三者模型特征值计算进行比较。
[0166]
对于低频振荡，首先对三种小信号模型机电振荡的频率和阻尼进行了对比，如表1所示。所有的小信号模型得到了相同的结果。该分析验证了所提出的混合模型可以像传统技术一样用于分析机电模式。
[0167]
表1
[0168][0169][0170]
对于次同步振荡，本实施例转子侧参数kp3选择为0.03，ki3为80，其转子侧主导的
次同步振荡频率及阻尼信息如图6所示，全阶模型和混合网络模型所得到的特征信息基本一致，混合模型的阻尼微向x轴正方向偏移，表明基于代数方程的线路未能给该模式贡献正阻尼，但总体影响不大。三者模型的参与因子见图6，该模式下全阶模型参与的状态变量为双馈风机转子侧d(0.2442)、q轴磁链(0.3004)，转子侧控制器d轴分量(0.2588)、q轴分量(0.2915)，定子侧d轴磁链(0.0086)、q轴磁链(0.0409)，而各条线路贡献因子在0.0011-0.0061范围之内，共0.0312，混合网络模型的参与因子显示与全阶模型基本一致，可以代替全阶模型研究电力电子接入弱电网产生的次同步振荡。准静态模型所反映出的系统频率仅有7.4，且给予较高的正阻尼评价，为14.86％，与后两者模型偏差较大，参与因子分析中显示，该模式主要由双馈风机转子侧d、q轴磁链以及转子侧控制器d、q轴贡献，由于无线路正电阻参与来抵消系统的负阻尼，所以对于次同步相互作用类振荡系统无法起到模拟作用。
[0171]
因此，所提出的混合模型可以用于分析机电暂态，但是在研究高频振荡时，准静态模型差异较大，不适用于新型电力系统振荡，混合模型仍然做出正确的模式评价。
[0172]
对于仿真曲线比较，对上述三种模型进行仿真，在同步发电机(母线34)处施加阶跃信号扰动，得到三者模型在扰动作用下的双馈风机输出功率响应，结果如图7所示。全阶模型和混合网络模型在该模式下仿真曲线基本吻合，两者仿真曲线均趋于发散，显示系统失稳，而准静态模型仿真曲线逐渐趋于收敛，判断该系统处于稳定状态。
[0173]
本发明提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法、方法、电子设备，通过建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型，再根据电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；再通过建立电力系统状态空间模型，将电力系统状态空间模型与电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取电力系统的特征值，从而实现对该电力系统的小干扰稳定分析。本技术方案能够显著地减小系统的状态矩阵状态变量的数量，保证在双馈风机和交流电网交互产生振荡下，模式和模态信息与全阶模型一致，实现系统的小信号可靠性分析。
[0174]
本技术实施例还提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置300，如图8所示，包括：
[0175]
阻抗模型建立模块301，用于建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，所述系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值；
[0176]
动态网络与静态网络模型建立模块302，用于根据所述系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型；
[0177]
混合网络模型建立模块303，用于根据所述电力系统的动态区域网络模型、所述电力系统的静态区域网络模型以及所述电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；
[0178]
状态空间模型建立模块304，用于建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过联立所述设备的状态空间模型并根据所述设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型；
[0179]
特征值获取模块305，用于将所述电力系统状态空间模型与所述电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取所述电力系统的特征值，所述电力系统特征值用于实现对该
电力系统的小干扰稳定分析。
[0180]
在一个示例性的例子中，所述混合网络模型建立模块303，还包括：
[0181]
静态网络简化单元，用于根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的所述电力系统的静态区域网络模型；
[0182]
连接关系定义单元，用于根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取所述电力系统混合网络模型。
[0183]
在一个示例性的例子中，所述特征值获取模块305，还包括：
[0184]
有源设备坐标系统一单元，用于预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；
[0185]
输入输出关系定义单元，用于根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；
[0186]
特征值输出单元，用于将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。
[0187]
需要说明的是，上述实施例提供的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法与一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法属于同一构思，其具体实现过程详见系统实施例，这里不再赘述。
[0188]
如图9所示，图9是本技术实施例根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构框图。
[0189]
所述电子设备包括处理器910和存储器920。该主控芯片中处理器910的数量可以是一个或者多个，图9中以一个处理器910为例。该主控芯片中存储器920的数量可以是一个或者多个，图9中以一个存储器920为例。
[0190]
存储器920作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本技术实施例任意实施例所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法程序，以及本技术实施例任意实施例所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法对应的程序指令/模块。存储器920可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器920可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器920可进一步包括相对于处理器910远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0191]
处理器910通过运行存储在存储器920中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述任一实施例所记载的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法。
[0192]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法。
[0193]
本发明可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(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。计算机可读储存介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其它数据。计算机的存储介质的例子包括但不限于：相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其它类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其它内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其它光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其它磁性存储设备或任何其它非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0194]
应当理解的是，本技术实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术实施例的范围仅由所附的权利要求来限制。
[0195]
以上所述实施例仅表达了本技术实施例的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术实施例的保护范围。

技术特征：
1.一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，其特征在于，包括如下步骤：建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，所述系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值；根据所述系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型；根据所述电力系统的动态区域网络模型、所述电力系统的静态区域网络模型以及所述电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过联立所述设备的状态空间模型并根据所述设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型；将所述电力系统状态空间模型与所述电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取所述电力系统的特征值，所述电力系统特征值用于实现对该电力系统的小干扰稳定分析。2.根据权利要求1所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，其特征在于，建立电力系统混合网络模型，具体包括如下步骤：根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的所述电力系统的静态区域网络模型；根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取所述电力系统混合网络模型。3.根据权利要求2所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，其特征在于，建立电力系统阻抗模型，具体包括如下步骤：分别获取所述电力系统中发电机的定子磁链和转子磁链在d轴和q轴上的分量，所述发电机的电压表达式为其中，ψds、ψqs、ψdr、ψqr为定、转子磁链的d、q轴分量；uds、uqs、udr、uqr为定、转子电压在d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr为定、转子电流的d、q轴分量；rs、rr为定、转子电阻；ωs，ωr为定、转子的电气角速度；获取所述发电机的转子侧输出电压，所述转子侧输出电压的表达式为其中i
dr_ref
、i
qr_ref
分别为转子d轴和q轴电流参考值k p3
、k i3
分别为转子侧电流内环控制器的pi参数；ls、lr、lm分别为定、转子绕组的自感和互感；lσ＝lr-l
2m
/ls；s＝(ωs-ωr)/
ωs为滑差角频率；通过将所述转子侧输出电压的表达式中实轴d分量和虚轴q分量合并，计算得到电力系统阻抗模型表达式将所述电力系统阻抗模型的系统侧视为开路，确认最终电力系统等值阻抗z
eq
的表达式为其中，r
r_eq
＝lr-lσ+lm+r
rsc
+rr；r1＝r
rsc
+rr，r
system
、l
system
为系统网络等值阻抗。4.根据权利要求3所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，其特征在于，建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，具体包括如下步骤：建立同步发电机动态模型，所述同步发电机状态空间表达式为其中，a
sm
为同步发电机的状态空间矩阵、b
sm
为同步发电机输入矩阵，csm为同步发电机输出矩阵，x
sm
为同步发电机状态量；所述电动机为双馈风机，建立所述双馈风机的动态模型，所述双馈风机的状态空间表达式为其中，a
ne
为新能源设备的状态空间矩阵、b
ne
为新能源设备输入矩阵，c
ne
为新能源设备输出矩阵，x
ne
为新能源设备状态量；建立输电线路静态模型，所述输电线路静态模型表达式为i＝yu其中，i为静态区域节点注入电流、u为静态区域节点电压、y为静态区域节点导纳矩阵；建立输电线路动态模型，所述输电线路动态模型表达式为建立输电线路动态模型，所述输电线路动态模型表达式为其中，u
dl，1
与u
dl，2
为线路两侧母线d轴电压，u
ql，1
与u
ql，2
为线路两侧母线q轴电压，i
dl
、i
ql
为流过线路的d、q轴电流，u
dl
、u
ql
为母线节点d、q轴电压，i
dc
、i
qc
为经过电容的电流，r、l、c、g分别为线路的电阻、电感、电容、电导，ωs为固定线路角频率。5.根据权利要求4所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法，其特征在于，获取所述电力系统的特征值，具体包括如下步骤：预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。6.一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置，其特征在于，包括：阻抗模型建立模块，用于建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，所述系统精度阈值指示该电力系统的阻抗与该电力系统动态区域的阻抗之间的最大差值；动态网络与静态网络模型建立模块，用于根据所述系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型；混合网络模型建立模块，用于根据所述电力系统的动态区域网络模型、所述电力系统的静态区域网络模型以及所述电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；状态空间模型建立模块，用于建立该电力系统中全部设备的状态空间模型，通过联立所述设备的状态空间模型并根据所述设备间的电路特征，建立电力系统状态空间模型；特征值获取模块，用于将所述电力系统状态空间模型与所述电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取所述电力系统的特征值，所述电力系统特征值用于实现对该电力系统的小干扰稳定分析。7.根据权利要求6所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置，其特征在于，所述混合网络模型建立模块，还包括：静态网络简化单元，用于根据静态输电线路的内部节点注入电流为0，获取简化后的所述电力系统的静态区域网络模型；连接关系定义单元，用于根据静态区域与动态区域连接处的节点电压相等以及与动态区域相连的静态区域导纳矩阵的节点注入电流等于动态区域线路电流，获取所述电力系统混合网络模型。8.根据权利要求7所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模装置，其特征在于，所述特征值获取模块，还包括：有源设备坐标系统一单元，用于预设参考频率，通过派克变换将所述电力系统中的有源设备建立的动态表达式做旋转变换，获取所述有源设备在同一坐标系下的表达式；输入输出关系定义单元，用于根据所述混合模型的输出电流应为所述有源设备的输入电流，以及所述混合模型的输入电压应为所述有源设备的输出电压，获取所述电力系统的状态空间模型；特征值输出单元，用于将所述电力系统的状态空间模型线性化，获取所述电力系统的特征值。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个存储器以及至少一个处理器；所述存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1至5任一项所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种用于电力系统的小干扰分析降阶建模方法、方法、电子设备，通过建立电力系统阻抗模型，并预设定系统精度阈值，获取所述电力系统的动态模型建模区域，并建立该电力系统的动态区域网络模型和该电力系统的静态区域网络模型，再根据电力系统的静态区域与动态区域的连接特征，建立电力系统混合网络模型；再通过建立电力系统状态空间模型，将电力系统状态空间模型与电力系统混合网络模型进行线性化处理，获取电力系统的特征值，从而实现对该电力系统的小干扰稳定分析。本申请方案能够显著地减小系统的状态矩阵状态变量的数量，保证在双馈风机和交流电网交互产生振荡下，模式和模态信息与全阶模型一致，实现系统的小信号可靠性分析。的小信号可靠性分析。的小信号可靠性分析。


技术研发人员：畅布赫 钟林 毛正男 陈家源 周富新
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司淳安县供电公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/14