基于斯蒂芬逊迭代的刚性电力系统时域计算交替求解法

黄钦雄; 张俊勃; 刘洋

doi:10.7500/AEPS20230211004

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基于斯蒂芬逊迭代的刚性电力系统时域计算交替求解法

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 基于斯蒂芬逊迭代的刚性电力系统时域计算交替求解法
- Steffensen Iteration Based Alternating Solution Method for Time-domain Computation of Rigid Power System
- 电力系统自动化 2023年47卷第16期页码：85-93
- 作者机构：
  
  华南理工大学电力学院，广东省广州市 510641
- 作者简介：
  
  黄钦雄(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统暂态稳定仿真与建模。E-mail：hqx_scut@163.com
  张俊勃(1986—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统运行分析与稳定控制、电力系统运行业务数智化等。E-mail：epjbzhang@scut.edu.cn
  刘洋(2001—)，男，本科生，主要研究方向：电力系统建模与仿真。E-mail：201930133251@mail.scut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金企业创新发展联合基金集成项目(U22B6007);国家自然科学基金面上项目(52277101);广州市应用基础研究计划项目(202102020413)
- DOI：10.7500/AEPS20230211004
  中图分类号：
- 收稿：2023-02-11，
  
  修回：2023-05-20，
  
  网络出版：2023-06-27，
  
  纸质出版：2023-08-25
- 稿件说明：
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黄钦雄,张俊勃,刘洋.基于斯蒂芬逊迭代的刚性电力系统时域计算交替求解法[J].电力系统自动化,2023,47(16):85-93.

HUANG Qinxiong,ZHANG Junbo,LIU Yang.Steffensen Iteration Based Alternating Solution Method for Time-domain Computation of Rigid Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(16):85-93.
黄钦雄,张俊勃,刘洋.基于斯蒂芬逊迭代的刚性电力系统时域计算交替求解法[J].电力系统自动化,2023,47(16):85-93. DOI： 10.7500/AEPS20230211004.

HUANG Qinxiong,ZHANG Junbo,LIU Yang.Steffensen Iteration Based Alternating Solution Method for Time-domain Computation of Rigid Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(16):85-93. DOI： 10.7500/AEPS20230211004.

摘要

相比于传统电力系统，新型电力系统动态过程时间常数差异增大、外部扰动不确定性增强，基于交替求解的时域仿真分析面临着微分方程组刚性变强导致相应非线性代数方程组迭代求解过程中收敛性变差、计算效率降低等问题。为此，文中基于不动点迭代理论，分析了时域仿真交替求解过程迭代收敛机理，提出了改善新型电力系统时域仿真收敛性和计算效率的思路。针对传统交替方法收敛性恶化因素，提出基于标量式斯蒂芬逊迭代的改进交替求解法，并分析了所提方法的迭代计算效率。最后，基于IEEE标准16机68节点系统和某2 970节点实际电网，验证了所提方法的有效性。

Abstract

Compared with the traditional power system

the time constant difference of the dynamic process of the new power system increases and the uncertainty of the external disturbance is enhanced. The time-domain simulation analysis based on the alternating solution faces the problem that the rigidity of the differential equations becomes stronger

which leads to poor convergence and reduced computational efficiency in the iterative solution process of the corresponding nonlinear algebraic equations. To this end

based on the fixed-point iteration theory

the iterative convergence mechanism of the alternating solution process of time-domain simulation is analyzed and the ideas to improve the convergence and computing efficiency of the time-domain simulation of the new power system are proposed. In view of the convergence deterioration factors of traditional alternating methods

an improved alternating solution method based on scalar Steffensen iteration is proposed

and the iterative calculation efficiency of the proposed method is analyzed. Finally

based on the IEEE standard 16-generator 68-bus system and an actual power grid with 2 970 buses

the effectiveness of the proposed method is verified.

关键词

Keywords

references

DOMMEL H W ， SATO N . Fast transient stability solutions ［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems ， 1972 ， 91 （ 4 ）： 1643 - 1650 .

FANKHAUSER H R ， ANEROS K ， EDRIS A A ， et al . Advanced simulation techniques for the analysis of power system dynamics ［J］. IEEE Computer Applications in Power ， 1990 ， 3 （ 4 ）： 31 - 36 .

周孝信，田芳，李亚楼 . 电力系统并行计算与数字仿真［M］. 北京：清华大学出版社， 2014 .

ZHOU Xiaoxin ， TIAN Fang ， LI Yalou . Parallel computing and digital simulation of power system ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2014 .

郭琦，卢远宏 . 新型电力系统的建模仿真关键技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

GUO Qi ， LU Yuanhong . Key technologies and prospects of modeling and simulation of new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

董雪涛，冯长有，朱子民，等 . 新型电力系统仿真工具研究初探［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 53 - 63 .

DONG Xuetao ， FENG Changyou ， ZHU Zimin ， et al . Preliminary study on simulation tool for new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 53 - 63 .

朱翎，童伟林，王建全 . 基于人工神经网络预测虚拟注入电流的暂态稳定快速算法［J］. 能源工程， 2019 （ 4 ）： 28 - 34 .

ZHU Ling ， TONG Weilin ， WANG Jianquan . Fast algorithm for transient stability simulations based on predicting fictitious injection current with artificial neural network ［J］. Energy Engineering ， 2019 （ 4 ）： 28 - 34 .

彭慧敏，李峰，袁虎玲，等 . 大电网机电暂态仿真数值收敛性的自动识别和提高［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 18 ）： 77 - 83 .

PENG Huimin ， LI Feng ， YUAN Huling ， et al . Automatic identification and improvement of numerical convergence of electromechanical transient simulation in large power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 18 ）： 77 - 83 .

FU C ， MCALLEY J D ， TONG J Z . A numerical solver design for extended-term time-domain simulation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 4 ）： 4926 - 4935 .

吴红斌，丁明 . 用于电力系统暂态稳定仿真的可变步长牛顿法［J］. 中国电机工程学报， 2010 ， 30 （ 7 ）： 36 - 41 .

WU Hongbin ， DING Ming . Newton method with variable step size for power system transient stability simulation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2010 ， 30 （ 7 ）： 36 - 41 .

江涵，江全元 . 一种可变步长的暂态稳定自适应修正牛顿组合算法［J］. 中国电机工程学报， 2011 ， 31 （ 34 ）： 105 - 112 .

JIANG Han ， JIANG Quanyuan . Power system transient stability simulation based on Shamanskii-VDHN algorithm with variable step size ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2011 ， 31 （ 34 ）： 105 - 112 .

VUONG G T ， VALETTE A . A complex Y-matric algorithm for transient-stability study ［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems ， 1985 ， 104 （ 12 ）： 3388 - 3394 .

戴汉扬，汤涌，宋新立，等 . 基于功角等效法的网络代数方程求解预处理方法［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 8 ）： 2265 - 2271 .

DAI Hanyang ， TANG Yong ， SONG Xinli ， et al . Preconditioning techniques for solving the network algebraic equations based on generator power angle ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 2265 - 2271 .

毛承雄，樊俊， KULICKE B . 电力系统动态仿真新的交替迭代解法［J］. 电力系统自动化， 1998 ， 22 （ 3 ）： 23 - 25 .

MAO Chengxiong ， FAN Jun ， KULICKE B . A new alternate iteration method for simulation of power system dynamics ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 1998 ， 22 （ 3 ）： 23 - 25 .

汤涌，宋新立，刘文焯，等 . 电力系统全过程动态仿真的数值方法——电力系统全过程动态仿真软件开发之一［J］. 电网技术， 2002 ， 26 （ 9 ）： 7 - 12 .

TANG Yong ， SONG Xinli ， LIU Wenzhuo ， et al . Power system full dynamic simulation： Part Ⅰ numerical method ［J］. Power System Technology ， 2002 ， 26 （ 9 ）： 7 - 12 .

王成山，原凯，李鹏，等 . 一种基于隐式投影积分的有源配电系统动态仿真方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 18 ）： 4645 - 4654 .

WANG Chengshan ， YUAN Kai ， LI Peng ， et al . An implicit projective integration based dynamic simulation algorithm of active distribution networks ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 18 ）： 4645 - 4654 .

戴汉扬，汤涌，宋新立，等 . 电力系统动态仿真数值积分算法研究综述［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 12 ）： 3977 - 3984 .

DAI Hanyang ， TANG Yong ， SONG Xinli ， et al . Review on numerical integration algorithms for dynamic simulation of power system ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 12 ）： 3977 - 3984 .

KATO T ， IKEUCHI K . Variable order and variable step-size integration method for transient analysis programs ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1991 ， 6 （ 1 ）： 206 - 213 .

郑焕坤，孙耀芹，常鲜戎 . 隐式Taylor级数暂态稳定计算变步长方法初探［J］. 电力系统及其自动化学报， 2012 ， 24 （ 4 ）： 88 - 92 .

ZHENG Huankun ， SUN Yaoqin ， CHANG Xianrong . Study of variable step method in implicit Taylor series transient stability calculation ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2012 ， 24 （ 4 ）： 88 - 92 .

SONG X L ， TANG Y ， ZHONG W Z ， et al . New mixed integral algorithm for unified dynamic power system simulations of transient， medium-term and long-term stabilities ［C］// 2011 IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition ， March 20-23 ， 2011 ， Phoenix， USA ： 1 - 7 .

CROW M L ， CHEN J G . The multirate simulation of FACTS devices in power system dynamics ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1996 ， 11 （ 1 ）： 376 - 382 .

YANG D ， AJJARAPU V . A decoupled time-domain simulation method via invariant subspace partition for power system analysis ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2006 ， 21 （ 1 ）： 11 - 18 .

常永吉，赵钢，于继来 . 电力系统动态过程的柔性自校正仿真方法［J］. 电力系统自动化， 2006 ， 30 （ 10 ）： 22 - 27 .

CHANG Yongji ， ZHAO Gang ， YU Jilai . Power system dynamic simulation with flexible self-adjustment method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2006 ， 30 （ 10 ）： 22 - 27 .

常永吉，于继来 . 综合变量分组与退出策略的电力系统长过程动态数值仿真方法［J］. 电力系统保护与控制， 2009 ， 37 （ 20 ）： 23 - 27 .

CHANG Yongji ， YU Jilai . A long term dynamic numerical simulation method of power system integrated variables grouping and seceding grouping strategy ［J］. Power System Protection and Control ， 2009 ， 37 （ 20 ）： 23 - 27 .

周野，吴政球，陈波 . 含双馈感应发电机的电网多步长快速暂态仿真［J］. 中国电机工程学报， 2012 ， 32 （ 16 ）： 115 - 121 .

ZHOU Ye ， WU Zhengqiu ， CHEN Bo . Multi-step fast transient simulation for doubly fed induction generators in grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2012 ， 32 （ 16 ）： 115 - 121 .

宋新立，汤涌，刘文焯，等 . 电力系统全过程动态仿真的组合数值积分算法研究［J］. 中国电机工程学报， 2009 ， 29 （ 28 ）： 23 - 29 .

SONG Xinli ， TANG Yong ， LIU Wenzhuo ， et al . Mixed numerical integral algorithm for full dynamic simulation of the power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2009 ， 29 （ 28 ）： 23 - 29 .

郑咸义，姚仰新，雷秀仁 . 应用数值分析［M］. 广州：华南理工大学出版社， 2008 .

ZHENG Xianyi ， YAO Yangxin ， LEI Xiuren . Applied numerical analysis ［M］. Guangzhou ： South China University of Technology Press ， 2008 .

吴滋坤，张俊勃，黄钦雄，等 . 基于非诚实牛顿法和雅可比迭代的电力系统时域计算隐式梯形积分交替求解算法［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2864 - 2872 .

WU Zikun ， ZHANG Junbo ， HUANG Qinxiong ， et al . An implicit trapezoidal integration alternating solution method based on dishonest Newton method and Jacobian iteration for power system time-domain analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2864 - 2872 .

EZQUERRO J A ， HERNÁNDEZ-VERÓN M A . Increasing the applicability of Steffensen’s method ［J］. Journal of Mathematical Analysis and Applications ， 2014 ， 418 （ 2 ）： 1062 - 1073 .

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