大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算數(shù)字仿真綜述

徐政，李寧璨，肖晃慶，董桓鋒，陸韶琦，郭相陽

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州市 310027)

大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算數(shù)字仿真綜述

徐政，李寧璨，肖晃慶，董桓鋒，陸韶琦，郭相陽

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州市 310027)

論述了大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算數(shù)字仿真方法。首先，介紹了4種可并行計(jì)算的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真工具，對(duì)各自特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析。其次，對(duì)比研究了基于頻率響應(yīng)的等值方法、Ward等值方法以及基于物理等效的動(dòng)態(tài)等值方法等3種電力系統(tǒng)等值方法，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后，從模型轉(zhuǎn)換與對(duì)應(yīng)、元件布局與連接以及子系統(tǒng)劃分與分核3個(gè)方面，詳細(xì)研究了基于PSCAD/EMTDC仿真工具的交直流大系統(tǒng)并行計(jì)算方法。同時(shí)，全面分析了基于RT-LAB的大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算方法，并對(duì)系統(tǒng)的初始化進(jìn)行了詳細(xì)分析。

并行計(jì)算; 數(shù)字仿真; 大規(guī)模交直流電力系統(tǒng); PSCAD/EMTDC; RT-LAB

0 引 言

根據(jù)仿真對(duì)象被模擬程度的不同，電力系統(tǒng)仿真工具可以分為3類：(1)物理模擬系統(tǒng)，如動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室等；(2)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)；(3)數(shù)字仿真程序[1-2]。

物理模擬系統(tǒng)是根據(jù)相似原理，由按比例縮小的電力系統(tǒng)元件組成的一個(gè)微型電力系統(tǒng)。數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)將物理實(shí)物仿真與數(shù)字仿真相結(jié)合，通?；跀?shù)字仿真軟件建立詳細(xì)的交直流混合模型，而直流控制保護(hù)系統(tǒng)則采用實(shí)物模擬。這2種仿真工具的優(yōu)點(diǎn)是，在交直流電力系統(tǒng)仿真中，可以較方便且詳細(xì)地模擬直流輸電換流器(物理模擬系統(tǒng))及其控制系統(tǒng)的特性。但二者共同的缺陷是，被模擬系統(tǒng)的規(guī)模不能太大，用于購置實(shí)物所耗費(fèi)的成本較高。

按照仿真使用數(shù)學(xué)模型和研究目的不同，數(shù)字仿真程序主要分為2類：一是電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序；二是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序。

電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序的特點(diǎn)是：(1)在研究范圍方面，其從電力大系統(tǒng)的整體來考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，核心問題是研究發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相互之間的搖擺過程，與能量傳遞關(guān)系不密切的因素忽略不計(jì)，仿真步長一般為ms級(jí)；(2)在數(shù)學(xué)模型上，忽略發(fā)電機(jī)定子側(cè)暫態(tài)過程，網(wǎng)絡(luò)用正序基頻阻抗表示，采用代數(shù)方程描述，物理量為基頻相量。

電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序的特點(diǎn)是：(1)在研究范圍方面，其主要用來研究很短時(shí)間內(nèi)電壓、電流瞬時(shí)值的變化情況，當(dāng)用于研究與高壓直流(high-voltage direct current，HVDC)輸電和柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS)等相關(guān)的電力電子裝置時(shí)，持續(xù)時(shí)間達(dá)數(shù)十s也很常見。其仿真步長一般為μs級(jí)；(2)在數(shù)學(xué)模型方面，由于需要考慮元件的非線性，需要采用微分方程描述的數(shù)學(xué)模型，而電力網(wǎng)絡(luò)則采用a、b、c三相模型或更一般的全相模型，系統(tǒng)中的物理量為瞬時(shí)值。

對(duì)于不含與HVDC和FACTS等相關(guān)的電力電子裝置的純交流大規(guī)模電力系統(tǒng)，機(jī)電暫態(tài)仿真程序已經(jīng)能夠完全勝任。然而，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷發(fā)展，以及HVDC技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，未來的電力系統(tǒng)中將包含大量的電力電子裝置[3-6]。由于電力電子裝置在三相電壓不對(duì)稱條件下通常難以得到其基波等效模型，而傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真模型只考慮電氣量的基波分量，因此機(jī)電暫態(tài)仿真程序無法模擬交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障下的機(jī)電暫態(tài)過程。解決該問題的有效手段是采用電磁暫態(tài)仿真模式來進(jìn)行大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程仿真。

系統(tǒng)規(guī)模巨大導(dǎo)致仿真時(shí)間過長，是采用電磁暫態(tài)仿真模式進(jìn)行交直流大系統(tǒng)暫態(tài)過程仿真的最大問題。然而，隨著近年來支持多核多處理器并行計(jì)算的仿真工具的快速發(fā)展，使得利用分布式機(jī)群協(xié)同仿真來加快仿真速度變?yōu)榭赡?。在可預(yù)見的未來，大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算將會(huì)得到越來越多的關(guān)注。本文將對(duì)大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)并行計(jì)算數(shù)字仿真方法進(jìn)行全面論述。

1 4種可并行計(jì)算的電力系統(tǒng)仿真工具簡介

1.1 ADPSS仿真工具

ADPSS是由中國電力科學(xué)研究院自主開發(fā)研制的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真工具。其采用并行計(jì)算技術(shù)，將一個(gè)大的電力系統(tǒng)解耦為若干小的子系統(tǒng)，將子系統(tǒng)分別放入不同的處理器運(yùn)算，提高了運(yùn)算速度。在軟件方面，ADPSS的核心部分是電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP，系統(tǒng)軟件采用Linux操作系統(tǒng)，所使用的模型庫主要來自于Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)元件庫。

從仿真模式方面來看，ADPSS既可以對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)(1 000臺(tái)機(jī)、10 000條母線)進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真[7]，也可以對(duì)小規(guī)模系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，對(duì)于含有FACTS和直流輸電控制裝置的電力系統(tǒng)，ADPSS還可以采用機(jī)電—電磁暫態(tài)混合仿真的模式。

ADPSS既可進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，也可進(jìn)行非實(shí)時(shí)仿真，即離線仿真。從具體應(yīng)用領(lǐng)域來看，ADPSS可以用來模擬實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行狀況[8]；可以研究含有特高壓直流輸電線路的系統(tǒng)發(fā)生故障的情況[9-10]；可以建模研究電力系統(tǒng)的低頻振蕩現(xiàn)象[11]；在電網(wǎng)的規(guī)劃中，可以將規(guī)劃的系統(tǒng)在ADPSS中進(jìn)行模擬，分析穩(wěn)態(tài)時(shí)的潮流情況以及暫態(tài)時(shí)的穩(wěn)定狀況，從而給出指導(dǎo)性意見；可以搭建FACTS模型進(jìn)行仿真研究[12-13]；在含有FACTS以及直流控制裝置的系統(tǒng)中，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電—電磁暫態(tài)混合仿真[7]。

1.2 RTDS仿真工具

RTDS由加拿大曼尼托巴RTDS公司開發(fā)制造，是一種專門用于研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象的模擬裝置。

RTDS在結(jié)構(gòu)上可以分為軟件部分和硬件部分。RTDS的軟件部分RSCAD主要由Draft、Runtime、Tline、CBuilder以及Multiplot等界面組成。其中Draft用來繪制所需仿真的系統(tǒng)圖；Runtime用來檢測(cè)及操作正在運(yùn)行的系統(tǒng)，通過該模塊生成的操作控制臺(tái)，用戶可以監(jiān)視整個(gè)仿真過程；Tline模塊用來對(duì)輸電線路進(jìn)行建模，獲得輸電線路的參數(shù)；CBuilder 是自定義模塊，用戶通過該模塊可以自定義元件模型；Multiplot則用于波形的分析，該模塊可以輸出仿真曲線以供用戶分析。通過上述幾個(gè)模塊，RSCAD可以完成系統(tǒng)模型搭建、算法編譯、運(yùn)行控制以及結(jié)果分析等工作。

RTDS硬件部分的基本單元稱為RACK。每個(gè)RACK由處理器卡、工作界面卡、層間通信卡以及各種輸入輸出卡等組成。處理器卡相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中的CPU，是整個(gè)運(yùn)算過程的核心，常用的處理器卡有GPC卡和PB5卡[14]；運(yùn)算工作界面卡WIF實(shí)現(xiàn)了RACK與工作站之間的通信，使工作站可以調(diào)用每個(gè)RACK，可以查看RACK的運(yùn)行情況；層間通信卡IRC負(fù)責(zé)多個(gè)RACK運(yùn)行時(shí)的通信工作，在運(yùn)算規(guī)模較大，有多個(gè)RACK參與運(yùn)算時(shí)，各個(gè)RACK通過層間通信卡直接交換數(shù)據(jù)[15-16]。

RTDS在國內(nèi)外的電力系統(tǒng)部門、企業(yè)以及學(xué)校得到了廣泛的應(yīng)用。目前，RTDS只支持實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，可應(yīng)用于精確模擬交直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，例如，對(duì)真實(shí)電網(wǎng)典型故障進(jìn)行仿真研究[17]，進(jìn)行繼電保護(hù)仿真與設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)[18]，搭建含有FACTS(如STATCOM)的系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[19])以及對(duì)新能源(如光伏發(fā)電)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真[20]。

1.3 RT-LAB仿真工具

RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司研發(fā)與制造的一套具有分布式處理能力的仿真平臺(tái)。該平臺(tái)可將基于Simulink和SystemBuild所搭建的模型，通過上位機(jī)載入具有多核多處理器的目標(biāo)機(jī)群上，從而實(shí)現(xiàn)快速仿真的目的。RT-LAB仿真平臺(tái)包括上位機(jī)、目標(biāo)機(jī)及其他外接設(shè)備。上位機(jī)是指裝有RT-LAB等軟件的普通臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦，基于上位機(jī)，用戶可以在Matlab/Simulink或Matrixx/SystemBuild軟件上搭建模型，并通過RT-LAB軟件控制編譯與執(zhí)行，獲取結(jié)果數(shù)據(jù)等。目標(biāo)機(jī)采用QNX或RedHat等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過多核多處理器分布式并行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的快速精確模擬。上位機(jī)與目標(biāo)機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，而目標(biāo)機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間通過諸如IEEE 1394等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過目標(biāo)機(jī)上的I/O數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)與外接設(shè)備(如實(shí)際控制器，實(shí)際被控對(duì)象)的數(shù)據(jù)交互。

基于RT-LAB仿真平臺(tái)應(yīng)用非常廣泛。從時(shí)間尺度來看，可分為實(shí)時(shí)仿真與非實(shí)時(shí)仿真2類。其中實(shí)時(shí)仿真通常用在半實(shí)物半數(shù)字仿真中，包括快速控制原型仿真(采用模擬的控制器和實(shí)際的被控對(duì)象)[21-22]和硬件在環(huán)測(cè)試(采用實(shí)際的控制器和模擬的被控對(duì)象)[23-25]。而非實(shí)時(shí)仿真通常為純數(shù)字仿真，一般用于大規(guī)模的批量仿真，如系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與識(shí)別[26]，或者用于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的情況。從具體應(yīng)用領(lǐng)域來看，RT-LAB仿真平臺(tái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電力傳動(dòng)[23,27-29]、光伏發(fā)電[25,30-31]、風(fēng)電并網(wǎng)[32-33]、柔性直流輸電[34-36]以及交直流混聯(lián)電網(wǎng)[37]等眾多場合。

1.4 PSCAD/EMTDC仿真工具

PSCAD/EMTDC是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)離線仿真軟件，EMTDC是其仿真計(jì)算核心，PSCAD為其提供圖形操作界面。EMTDC的最早版本由加拿大Dennis Woodford博士于1976年在曼尼托巴水電局開發(fā)完成[38]。EMTDC最早在大型計(jì)算機(jī)上使用。此后，該軟件被不斷開發(fā)完善，在1986年被移植到Unix系統(tǒng)，后來又被移植到Windows系統(tǒng)上。隨著PSCAD圖形界面的開發(fā)成功，用戶可以在圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，并直觀地觀測(cè)各種測(cè)量結(jié)果和參數(shù)曲線，這大大提升了用戶使用EMTDC進(jìn)行仿真的效率。此外，該軟件提供了豐富而準(zhǔn)確的元件庫，以及強(qiáng)大的自定義模塊功能[39]，目前已被世界各國的科研機(jī)構(gòu)所使用，被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電[40-42]、繼電保護(hù)控制[43-45]、新能源并網(wǎng)[46-48]以及電力電子仿真[49-51]等方面的研究。

PSCAD/EMTDC的運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。其主程序由System Dynamic和Network Solution 2部分組成[52]。System Dynamic包括DSDYN與DSOUT 2個(gè)子程序。DSDYN用于加入用戶的控制動(dòng)態(tài)代碼，DSOUT則用于輸出求解后的網(wǎng)絡(luò)變量。PSCAD/EMTDC目前可與由Fortran、C以及Matlab 3種語言編寫的代碼或程序進(jìn)行接口[53]。與RTDS不同的是，PSCAD/EMTDC只可進(jìn)行電磁暫態(tài)離線仿真，不可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在環(huán)仿真。

圖1 PSCAD/EMTDC軟件運(yùn)行機(jī)理Fig.1 Operation mechanism of PSCAD/EMTDC

近年來，PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行了多次重大更新。2012年8月份，PSCAD/EMTDC X4.5版本發(fā)布。該版本對(duì)內(nèi)存管理做了重大改進(jìn)，開始支持64位軟、硬件系統(tǒng)，從而突破了軟件在內(nèi)存上的限制。2015年6月，PSCAD/EMTDC V4.6版本正式發(fā)布，開始支持大規(guī)模并行運(yùn)算。以往版本中，當(dāng)系統(tǒng)仿真規(guī)模較大時(shí)，不支持并行運(yùn)算的PSCAD/EMTDC在使用過程中經(jīng)常會(huì)遇到仿真效率低、假死機(jī)或資源不足等技術(shù)瓶頸，致使用戶不得不將完整的系統(tǒng)分成幾個(gè)小系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真，極大限制了用戶的使用范圍和效果。V4.6版PSCAD/EMTDC通過大模型拆分和多線程運(yùn)算，解決了由于模型過大而不能仿真或仿真效率低的問題，同時(shí)新版軟件還支持網(wǎng)格運(yùn)算，仿真效率大大提高。

2 大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)等值方法

當(dāng)采用電磁暫態(tài)仿真程序進(jìn)行大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真時(shí)，由于電磁暫態(tài)仿真程序能承受的規(guī)模有限，需要對(duì)大規(guī)模交直流系統(tǒng)進(jìn)行等值簡化，以減少計(jì)算量，提高仿真效率。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，目前已應(yīng)用于電磁暫態(tài)仿真的等值方法可以分為3類：(1)基于頻率響應(yīng)的等值方法；(2)Ward等值方法；(3)基于物理等效的動(dòng)態(tài)等值方法。

2.1 基于頻率響應(yīng)的等值方法

基于頻率響應(yīng)的等值方法的基本思想是根據(jù)外部系統(tǒng)端口網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性，用簡單的電阻、電感、電容電路組成的等值網(wǎng)絡(luò)來代替原來的外部系統(tǒng)，使等值網(wǎng)絡(luò)與原網(wǎng)絡(luò)中的外部端口的頻率響應(yīng)特性相同或相近[54-55]。該方法能計(jì)及外部端口網(wǎng)絡(luò)在寬頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)，因此，該方法在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的諧波分析方面具有很好的精度。這類方法的缺點(diǎn)在于等值網(wǎng)絡(luò)中不含有等值發(fā)電機(jī)和等值負(fù)荷，只含有等效理想源和阻抗元件，無法計(jì)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程、勵(lì)磁機(jī)和原動(dòng)機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)作用、負(fù)荷的電壓/頻率特性等。而電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)受發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，當(dāng)交流系統(tǒng)故障引起發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)大范圍改變時(shí)，采用等效理想源和阻抗等值電路來等效會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

2.2 Ward等值方法

Ward等值方法是一種將整個(gè)電力系統(tǒng)分成外部系統(tǒng)、內(nèi)部系統(tǒng)和邊界系統(tǒng)，然后采用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣收縮方法消去外部系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，在邊界節(jié)點(diǎn)上接入工頻下諾頓等效電路的等值方法[56-57]。但是由于Ward等值方法是一種靜態(tài)的等值方法，等值網(wǎng)絡(luò)中不含有等值發(fā)電機(jī)和等值負(fù)荷，只含有諾頓等效電路，與基于頻率響應(yīng)的等值方法具有相同的缺點(diǎn)，無法計(jì)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程、勵(lì)磁機(jī)和原動(dòng)機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)作用、負(fù)荷的電壓/頻率特性等。

2.3 基于物理等效的動(dòng)態(tài)等值方法

基于物理等效的動(dòng)態(tài)等值方法是將大規(guī)模交直流系統(tǒng)按電壓等級(jí)分層，交流系統(tǒng)方面保留500 kV以上電壓等級(jí)的主干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并保留直流輸電線路及直流輸電線路與主干網(wǎng)架之間的交流聯(lián)系。在網(wǎng)絡(luò)簡化方面，該方法認(rèn)為交直流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性取決于直流線路接入層的系統(tǒng)強(qiáng)度，與主干網(wǎng)架相連的同一區(qū)域低壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的發(fā)電機(jī)近似看成一個(gè)同調(diào)機(jī)群，可以用1臺(tái)等值機(jī)和等值負(fù)荷來等效。該方法實(shí)現(xiàn)的途徑是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)接入變壓器的阻抗參數(shù)使得等值網(wǎng)絡(luò)注入到主干網(wǎng)架的短路電流與原網(wǎng)絡(luò)相同，而通過調(diào)節(jié)等值負(fù)荷的大小使主干網(wǎng)架上線路的潮流保持不變[58-62]。

3 基于PSCAD/EMTDC的交直流大系統(tǒng)并行計(jì)算方法

3.1 機(jī)電暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)文件向電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換

為了提高大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC仿真建模的效率，文獻(xiàn)[40]基于PSS/E數(shù)據(jù)文件，提出了一套系統(tǒng)快速建模的程序化流程。程序按照?qǐng)D 2所示的流程進(jìn)行[40, 60]。PSS/E文件主要包含*.raw潮流文件與*.dyr動(dòng)態(tài)文件，而PSCAD文件為*.psc(或*.pscx)文件，兩者雖然格式不同但是都可以用文本編輯器打開。各類文件格式有其特有的編制格式，如PSCAD/EMTDC在X4及更高版本的*.pscx文件采用XML通用格式編制，因此，編寫程序可以快速讀取PSS/E文件，并轉(zhuǎn)換為PSCAD文件。轉(zhuǎn)化得到的PSCAD文件將是后續(xù)進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)。

圖2 PSS/E向PSCAD/EMTDC轉(zhuǎn)換的程序化流程Fig.2 Flowchart of model conversion from PSS/E to PSCAD/EMTDC

3.2 子系統(tǒng)劃分與并行計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

PSCAD/EMTDC 4.6版本可支持定義在工作空間內(nèi)仿真集合(simulation set)中的多系統(tǒng)并行計(jì)算。通過合理分配仿真集合中的子系統(tǒng)規(guī)模，可充分利用計(jì)算機(jī)的多核處理器資源，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

采用基于分割判據(jù)的網(wǎng)絡(luò)分割方法可將網(wǎng)絡(luò)分割為若干子系統(tǒng)，即根據(jù)靜態(tài)電力元件參數(shù)中的母線區(qū)域信息(區(qū)域判據(jù))，將含有同類區(qū)域值的母線放入同一區(qū)域子系統(tǒng)內(nèi)。

經(jīng)過劃分之后的若干子系統(tǒng)之間通過ENI (electric network interface)解耦，其原理是：(1)對(duì)于采用Bergeron模型的長輸電線路，當(dāng)仿真步長小于電磁波在該段線路上的傳輸時(shí)間時(shí)，每個(gè)計(jì)算時(shí)刻可將線路兩端網(wǎng)絡(luò)自然解耦[63]；(2)對(duì)于3.1節(jié)中通過轉(zhuǎn)換而得到的仿真系統(tǒng)，經(jīng)過劃分和解耦后，PSCAD軟件會(huì)自動(dòng)管理、分配計(jì)算機(jī)資源，將不同的子系統(tǒng)分配到不同的CPU或進(jìn)程上獨(dú)立運(yùn)行。

4 基于RT-LAB的交直流大系統(tǒng)并行計(jì)算方法

4.1 仿真流程

目前國內(nèi)主流的軟件是中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的BPA和PSASP軟件。其數(shù)據(jù)格式分為潮流文件(.dat)和暫態(tài)文件(.swi)：潮流文件說明了全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；暫態(tài)文件則包含各元件采用的暫態(tài)模型及參數(shù)，其本質(zhì)是對(duì)應(yīng)的大量微分方程和代數(shù)方程。這2種文件也是通過RT-LAB計(jì)算所能得到的原始數(shù)據(jù)文件。

運(yùn)用第2節(jié)的方法得到等值后的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Simulink的模型文件(.mdl)?？紤]到目前我國的電網(wǎng)規(guī)模，即使等值后只保留500 kV及以上的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，也具有不小的規(guī)模，如果這個(gè)轉(zhuǎn)換過程每次都需要人員手動(dòng)進(jìn)行是不可行的，對(duì)此需要編制程序來進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。編程可以分為3步：(1)讀取數(shù)據(jù)文件到內(nèi)存；(2)根據(jù)數(shù)據(jù)文件中的暫態(tài)模型信息，在Simulink繪圖界面放置相應(yīng)的模型；(3)根據(jù)數(shù)據(jù)文件中的拓?fù)湫畔?，在模型間進(jìn)行對(duì)應(yīng)連線。

在完成數(shù)據(jù)文件向Simulink模型文件的轉(zhuǎn)換之后，接著需要按照RT-LAB的并行計(jì)算要求，將Simulink模型文件中的拓?fù)浞指畛梢恍┬〉淖酉到y(tǒng)，這樣方便以后給每個(gè)子系統(tǒng)分配1個(gè)核，使用多核并行計(jì)算。

之后需要對(duì)發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、PSS等控制器進(jìn)行初始化，進(jìn)行這一過程的必要性和相關(guān)操作將在后文中詳細(xì)論述。

然后從RT-LAB軟件中導(dǎo)入上述已經(jīng)完成子系統(tǒng)劃分的Simulink模型文件，編譯通過后，進(jìn)行一次仿真模式設(shè)置和硬件仿真器中核的分配。再將模型下載到RT-LAB配套的硬件仿真器中，完成后即可開始暫態(tài)仿真計(jì)算。

4.2 初始化Simulink模型文件

對(duì)于機(jī)電暫態(tài)仿真軟件，如PSS/E、PSASP或BPA，在其進(jìn)行暫態(tài)仿真之前，需要進(jìn)行潮流計(jì)算，以系統(tǒng)潮流的收斂點(diǎn)作為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。而對(duì)于電磁暫態(tài)仿真軟件，各模型及控制器的狀態(tài)量通常默認(rèn)為0，在暫態(tài)仿真計(jì)算的初期需要運(yùn)行一段時(shí)間，使系統(tǒng)收斂到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，之后再進(jìn)行添加故障等測(cè)試。但是，如果發(fā)電機(jī)初始功角等物理量填寫錯(cuò)誤的話，系統(tǒng)的收斂點(diǎn)很可能偏離原始數(shù)據(jù)(或等值后的數(shù)據(jù))中給定的潮流收斂點(diǎn)。

在Simulink模型文件中，通過初始化功能可以克服上述困難，該功能被集成在SimPowerSystems工具箱里的Powergui模塊上。雙擊該模塊后的界面如圖3所示，其中“Machine Initialization”就是初始化的功能。進(jìn)入“Machine Initialization”界面后，可以設(shè)置每臺(tái)發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)類型，如PV、PQ或平衡節(jié)點(diǎn)，這與潮流計(jì)算完全類似。設(shè)置完之后點(diǎn)擊計(jì)算，會(huì)調(diào)用潮流計(jì)算函數(shù)求解系統(tǒng)的潮流，并且自動(dòng)根據(jù)潮流方式設(shè)定各發(fā)電機(jī)和控制器的狀態(tài)量初值。這樣系統(tǒng)就可以從穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)開始進(jìn)行暫態(tài)仿真計(jì)算了。

圖3 Powergui的界面Fig.3 Interface of Powergui

這一功能對(duì)于純交流系統(tǒng)是極為實(shí)用的。但是對(duì)于交直流混合系統(tǒng)，則不能這么處理。因?yàn)?，?duì)于電磁暫態(tài)仿真，直流系統(tǒng)不能一開始就達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，是有一個(gè)啟動(dòng)的過程，這期間會(huì)有大量的潮流波動(dòng)，比如直流送端從0提升到額定功率。解決的思路是在直流線路的整流側(cè)和逆變側(cè)交流母線上分別接上理想電壓源，通過這2個(gè)理想源來緩沖直流啟動(dòng)過程的潮流波動(dòng)，最后等系統(tǒng)啟動(dòng)完成后切除這2個(gè)理想源。下面以一個(gè)帶直流系統(tǒng)的Kundur 4機(jī)電力系統(tǒng)[64]來說明具體操作過程：(1)根據(jù)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件中的原始數(shù)據(jù)(或等值后的數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換成Simulink模型文件；(2)根據(jù)原始數(shù)據(jù)(或等值后的數(shù)據(jù))中潮流文件對(duì)應(yīng)的潮流分布(見圖4)，在直流線路的整流側(cè)和逆變側(cè)交流母線上分別接上理想電壓源，電壓源的幅值、相角必須設(shè)置得與2.2節(jié)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)一致，即在Bus7接上222.9-4.68° kV的理想電壓源，在Bus9接上226.4-23.73° kV的理想電壓源；(3)進(jìn)入初始化設(shè)置界面，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)設(shè)置為PV節(jié)點(diǎn)，如G1設(shè)置為700 MW、20.6 kV；(4)進(jìn)行初始化計(jì)算，由于有理想電壓源作為平衡節(jié)點(diǎn)，所以即使第3步中所有發(fā)電機(jī)都設(shè)為PV節(jié)點(diǎn)，初始化計(jì)算仍然能夠進(jìn)行，計(jì)算完成后，會(huì)自動(dòng)設(shè)定發(fā)電機(jī)和控制器中狀態(tài)量的初值；(5)開始暫態(tài)仿真，讓直流系統(tǒng)慢慢起動(dòng)，等直流達(dá)到額定功率后，切除2個(gè)理想源，系統(tǒng)達(dá)到原始數(shù)據(jù)(或等值后的數(shù)據(jù))對(duì)應(yīng)的潮流方式。

圖5為基于RT-LAB實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交直流系統(tǒng)仿真的完整流程。

圖4 帶直流的四機(jī)系統(tǒng)潮流分布圖Fig.4 Power flow distribution of system with four machines and one DC line

圖5 基于RT-LAB實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交直流系統(tǒng)仿真的完整流程Fig.5 Whole process of large-scale AC/DC power system simulation based on RT-LAB

5 結(jié) 論

用電磁暫態(tài)仿真程序?qū)Υ笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，是解決機(jī)電暫態(tài)仿真程序無法模擬系統(tǒng)不對(duì)稱故障的根本途徑。本文首先對(duì)可并行計(jì)算的4種仿真工具進(jìn)行了對(duì)比論述，其中RTDS僅支持實(shí)時(shí)仿真，PSCAD/EMTDC僅支持離線仿真，而ADPSS和RT-LAB對(duì)于實(shí)時(shí)仿真和離線仿真2種模式均可支持。為提高仿真效率，對(duì)電力系統(tǒng)3種等值方法進(jìn)行了對(duì)比分析，指出基于物理等效的動(dòng)態(tài)等值方法具有更好的特性。最后，針對(duì)PSCAD/EMTDC仿真軟件和RT-LAB仿真工具，研究了其應(yīng)用于大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的并行計(jì)算方法。

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(編輯 張小飛)

A Review of Parallel Computing Digital Simulation of Large-Scale AC/DC Power System

XU Zheng, LI Ningcan, XIAO Huangqing, DONG Huanfeng, LU Shaoqi, GUO Xiangyang

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

This paper discusses the digital simulation methods with parallel computing of large-scale AC/DC power systems. Firstly, we introduce four power system simulators with parallel computing capability, and analyze their characteristics and applicability. Secondly, we compare three equivalent methods of power system including: the equivalent method based on frequency response, the Ward equivalent method and the dynamic equivalent method based on physical equivalent; and analyze their advantages and disadvantages. Then, we study the parallel computing method of large-scale AC/DC power system based on PSCAD/EMTDC simulator in detail, from three aspects of model transformation and correspondence, element layout and connection, subsystem division. Meanwhile, we comprehensively analyze the parallel computing simulation method of large-scale AC/DC power system based on RT-LAB, as well as the system’s initialization in detail.

parallel computing; digital simulation; large-scale AC/DC power system; PSCAD/EMTDC; RT-LAB

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGCC-HRP031-2015)

TM 743

A

1000-7229(2016)02-0001-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.001

2015-11-15

徐政(1962)，男，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù);

李寧璨(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析;

肖晃慶(1990)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷鬏旊娕c柔性交流輸電;

董桓鋒(1990)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析;

陸韶琦(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻恢绷麟娏ο到y(tǒng)分析與仿真;

郭相陽(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析。