一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统

摘要

本发明提出的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统，包括：利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对所述配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果；本发明实现了配电网时序仿真过程中模型的动态优选，能够为不同状态仿真，挑选出最优的模型组合，从而完成了设备级模型到系统级模型之间的构建，最大程度避免了组合误差，以及动态时序仿真过程中的累积误差。

说明书

技术领域

本发明属于配电网信息物理系统技术领域，具体涉及一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统。

背景技术

在配电网领域，配电自动化、PMS2.0、用电信息采集系统、智能电表、终端等信息通信系统在配电网中逐步普及，光伏、风电、储能、充电桩等基于柔性控制的分布式能源或用电设备进一步加强了配电网的可控性以及对信息控制系统的依赖性，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，具备了典型信息物理系统(Cyber Physical System，CPS)的基本特征，成为配电网CPS融合系统。

配电网CPS中各类物理设备以及信息系统的时间常数差异较大，如电力电子设备的时间常数在微秒级、机械开关的时间常数在毫秒级、信息通信系统的时间常数通常在毫秒级或者秒级。不同时间常数的系统耦合交织在一起进行仿真往往需要用到多分辨率模型。如何从配电网CPS多分辨率模型库中选择合适的设备元件模型进行级联，构建完整的配电网CPS系统级模型进行仿真，从而提升配电网CPS仿真精度与速度，是目前CPS仿真领域的亟需解决的关键技术难题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法，其改进之处在于，包括：

利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；

基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；

根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对所述配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果；

其中，所述多分辨率仿真模型的优选模型是基于仿真耗时最小、累积误差之和最小以及组合误差最小为目标建立的。

优选的，所述多分辨率仿真模型的优选模型的计算式如下：

式中，F为优选模型的目标函数值；r为设备元件模型组合方案；R

优选的，所述仿真结果包括：配电网CPS系统级仿真模型中各节点的电压、电流、有功和无功的幅值与相位。

优选的，其特征在于，所述配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型分别包括详细模型、中分辨率模型和粗粒度模型；

所述中分辨率模型的分辨率大于所述粗粒度模型的分辨率；

所述详细模型的分辨率大于所述中分辨率模型的分辨率。

优选的，所述设备元件模型包括：设备模型、负荷模型、分布式电源模型、路由器模型和交换机模型。

优选的，所述当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压的获取，包括：

判断当前仿真步长是否为首次仿真：

若是，则分别获取配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压的预设初值，作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压；

否则，分别将上一次仿真步长的仿真结果中，配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压。

优选的，所述利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案，还包括：

对配电网中CPS系统中的各设备分别构建其不同分辨率的设备元件模型；

基于各设备元件模型，构建配电网CPS仿真模型库。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真系统，包括：组合优选模块、系统模型模块和仿真模块；

所述组合优选模块，用于利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；

所述系统模型模块，用于基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；

所述仿真模块，用于根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对所述配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果；

其中，所述多分辨率仿真模型的优选模型是基于仿真耗时最小、累积误差之和最小以及组合误差最小为目标建立的。

优选的，所述多分辨率仿真模型的优选模型的计算式如下：

式中，F为优选模型的目标函数值；r为设备元件模型组合方案；R

优选的，所述仿真结果包括：配电网CPS系统级仿真模型中各节点的电压、电流、有功和无功的幅值与相位。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提出的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统，包括：利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对所述配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果；其中，所述多分辨率仿真模型的优选模型是基于仿真耗时最小、累积误差之和最小以及组合误差最小为目标建立的；本发明实现了配电网时序仿真过程中模型的动态优选，能够为不同状态仿真，挑选出最优的模型组合，从而完成了设备级模型到系统级模型之间的构建，最大程度避免了组合误差，以及动态时序仿真过程中的累积误差。

附图说明

图1为本发明提供的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法流程示意图；

图2为本发明提供的配电网CPS第一分辨率系统级模型示意图；

图3为本发明提供的配电网CPS第二分辨率系统级模型示意图；

图4为本发明提供的一个配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法实施例的流程示意图；

图5为本发明提供的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真系统基本结构示意图；

图6为本发明提供的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合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。

本发明提出了一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统，主要目的是通过考虑仿真速度、误差等多重因素的优选方法，从配电网CPS多分辨率模型库挑选出最优的设备元件模型，从而通过拓扑级联，构建形成完整的配电网CPS系统级模型。这样优选出的模型，一方面能够有效避免不合适模型联合仿真带来的级联误差；另一方面，通过动态优选机制，随着仿真的推进，能够不断从配电网CPS仿真模型库中优选出模型，从而最大程度减小配电网CPS仿真过程中的累积误差。

本发明提供了一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法和系统，首先，建立配电网CPS多分辨率仿真模型库，包括细粒度模型、中粒度模型和粗粒度模型；其次，针对时刻t，建立配电网CPS仿真模型挑选优化模型，优化目标为仿真耗时最小、累积误差最小、组合误差最小；再次，当t＝t+Δt时，重新应用配电网CPS仿真挑选优化模型挑选出合适的模型；同时针对不同粒度之间的模型切换，设计相应的模型传递方法，平滑仿真曲线；最后，通过不断仿真前进，从而实现配电网CPS多分辨率仿真。

实施例1：

本发明提供的一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法流程示意图如图1所示，包括：

步骤1：利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；

步骤1中，配电网CPS系统对应的仿真模型中包括不同分辨率的设备元件模型。从配电网不同分辨率模型中优选出各个不同分辨率的设备元件模型，可以构建形成不同分辨率的系统级模型，例如图2所示的配电网CPS第一分辨率系统级模型和图3所示的配电网CPS第二分辨率系统级模型。

不同分辨率的设备元件模型是预先构建的，例如对光伏分布式电源，分别构建详细模型、中分辨率模型和粗粒度模型，其中详细模型考虑了太阳能功率跟踪环节、DC/DC升压环节、并网逆变器详细控制环节；中分辨率模型将太阳能功率跟踪环节、DC/DC升压环节等效为直流电压源，再加上并网逆变器详细控制环节而形成；粗粒度模型则将光伏分布式电源直接等效率PQ电流源。分辨率模型的分辨率大于粗粒度模型的分辨率，详细模型的分辨率大于中分辨率模型的分辨率。

将设备模型、负荷模型、分布式电源模型、路由器模型、交换机各类不同分辨率的模型组成在一起，形成完整的配电网CPS仿真模型库。

步骤1中的多分辨率仿真模型的优选模型是基于仿真耗时最小、累积误差之和最小以及组合误差最小为目标预先构建的，优选模型的计算式如下：

式中，F为优选模型的目标函数值；r为设备元件模型组合方案；R

步骤2：基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；

即通过优选出的各个设备元件模型，按照配电网CPS系统的拓扑关系，构建配电网CPS的系统级模型。

步骤3：根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果。其中，仿真结果具体包括：系统中每个节点的电压、电流、有功和无功的幅值与相位。

步骤3中，当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压的获取，包括：

判断当前仿真步长是否为首次仿真：

若是，则分别获取配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压的预设初值，作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压；

否则，分别将上一次仿真步长的仿真结果中，配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压。

实施例2：

下面给出一个配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真方法的实施例，该方法流程如图4所示。

Step 11：对配电网CPS设备分别构建其不同分辨率模型。如对光伏分布式电源，分别构建详细模型、中分辨率模型和粗粒度模型，其中详细模型考虑了太阳能功率跟踪环节、DC/DC升压环节、并网逆变器详细控制环节；中分辨率模型将太阳能功率跟踪环节、DC/DC升压环节等效为直流电压源，再加上并网逆变器详细控制环节而形成；粗粒度模型则将光伏分布式电源直接等效率PQ电流源；

Step 12：建立配电网CPS仿真模型库。将设备模型、负荷模型、分布式电源模型、路由器模型、交换机各类不同分辨率的模型组成在一起，形成完整的配电网CPS仿真模型库；

Step 13：建立配电网CPS多分辨率模型挑选优化模型(即多分辨率仿真模型的优选模型)。本发明中提出的配电网多分辨率仿真模型的优选模型如公式(1)所示：

其中，F为模型优选目标函数值；

Step 14：组合模型，形成系统级模型。通过优选出的各个设备元件模型，按照给定的拓扑关系，构建配电网CPS的系统级模型。

Step 15：对配电网CPS系统级模型进行仿真，得出t时刻仿真结果，其中，仿真结果具体包括：系统中每个节点的电压、电流、有功和无功的幅值与相位；

Step 16:判断是否达到仿真设定时长T。如果是，则转入Step 17；如果否，则t＝t+Δt，同时，对于t+Δt时刻与t的模型之间的切换，在模型切换时，将前一时点的电压作为后一时点的电压初始参量，并求解得出t+Δt时刻模型的参数，从而保证模型在动态变化过程中仿真波形的平滑性，转入Step 13。

Step 17：通过每个t时刻的仿真结果进行时序排列，输出T时长完整仿真结果波形曲线。

实施例3：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真系统。

该系统基本结构如图5所示，包括：组合优选模块、系统模型模块和仿真模块；

所述组合优选模块，用于利用配电网CPS系统预先建立的多分辨率仿真模型的优选模型得到配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型的最优组合方案；

所述系统模型模块，用于基于配电网CPS系统的拓扑关系和各设备元件仿真模型的最优组合方案构成配电网CPS系统级仿真模型；

所述仿真模块，用于根据当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压对所述配电网CPS系统级仿真模型进行仿真，得到当前仿真步长的仿真结果；

其中，所述多分辨率仿真模型的优选模型是基于仿真耗时最小、累积误差之和最小以及组合误差最小为目标建立的。

其中，所述多分辨率仿真模型的优选模型的计算式如下：

式中，F为优选模型的目标函数值；r为设备元件模型组合方案；R

其中，所述仿真结果包括：配电网CPS系统级仿真模型中各节点的电压、电流、有功和无功的幅值与相位。

其中，配电网CPS系统对应的仿真模型中各设备元件仿真模型分别包括详细模型、中分辨率模型和粗粒度模型；

所述中分辨率模型的分辨率大于所述粗粒度模型的分辨率；

所述详细模型的分辨率大于所述中分辨率模型的分辨率。

其中，设备元件模型包括：设备模型、负荷模型、分布式电源模型、路由器模型和交换机模型。

配电网CPS多分辨率系统级优化组合仿真系统详细结构如图6所示。该系统还包括：用于获取配电网CPS系统级仿真模型中各节点的初始电压的初始电压模块。

初始电压模块包括：初始判断单元、首次获取单元和电压传递单元；

初始判断单元，用于判断当前仿真步长是否为首次仿真：若是，则调用首次获取单元；否则调用电压传递单元；

首次获取单元，用于分别获取配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压的预设初值，作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压；

电压传递单元，用于分别将上一次仿真步长的仿真结果中，配电网CPS系统级仿真模型中各节点电压作为当前仿真步长的配电网CPS系统级仿真模型中各对应节点的初始电压。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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发明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发明进行了详细的说明,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发明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。