電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時仿真技術(shù)＊

劉水，王海群，王致杰，孫叢叢，朱谷雨，白穎

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240）

電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時仿真技術(shù)＊

劉水，王海群，王致杰，孫叢叢，朱谷雨，白穎

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240）

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)試驗研究、規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運(yùn)行的重要工具。介紹了電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的分類方法及現(xiàn)狀，討論了現(xiàn)有電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件和系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。認(rèn)為電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)混合仿真、多時間尺度全過程動態(tài)仿真和大規(guī)模實(shí)時仿真系統(tǒng)將是我國電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的主要發(fā)展方向，多時間尺度混合仿真和跨平臺混合仿真是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

電力系統(tǒng)；物理仿真；數(shù)字仿真；數(shù)模混合仿真

電力系統(tǒng)仿真可以分為物理仿真和數(shù)字仿真2類，其中，數(shù)字仿真是建立電力系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)模型，基于計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)求解數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的模擬。與物理仿真技術(shù)相比，數(shù)字仿真不受被研究系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，計算速度快、使用靈活、成本相對低廉，成為分析、研究電力系統(tǒng)必不可少的工具，是電力系統(tǒng)仿真的重要研究方向[1]。在特高壓交直流、FACTS新設(shè)備以及新能源不斷接入電網(wǎng)的背景下，在數(shù)學(xué)建模技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和并行處理技術(shù)推動下，實(shí)時數(shù)字仿真技術(shù)會在大規(guī)模交直流互聯(lián)電網(wǎng)仿真、智能電網(wǎng)仿真相關(guān)技術(shù)研究、新能源的接入及運(yùn)行控制、復(fù)雜電力系統(tǒng)的故障再現(xiàn)和繼電保護(hù)分析以及滿足二次設(shè)備閉環(huán)測試需求方面得到廣泛應(yīng)用[2]。

1 電力系統(tǒng)仿真分類

根據(jù)不同的原則，電力系統(tǒng)仿真有不同的分類。

1.1 物理仿真、數(shù)字仿真和數(shù)?；旌戏抡?/h3>

數(shù)字仿真是建立電力系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)模型，基于計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)求解數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的模擬。與物理仿真技術(shù)相比，數(shù)字仿真不受被研究系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，計算速度快、使用靈活、成本相對低廉，成為分析、研究電力系統(tǒng)必不可少的工具，是電力系統(tǒng)仿真的重要研究方向，但其對尚不完全明確機(jī)理的新型電力器件存在仿真不完全準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。

數(shù)?；旌戏抡嬉脖环Q為硬件在環(huán)仿真，其將易于采用物理模型而難以建立數(shù)字模型的電力系統(tǒng)元件運(yùn)用相似理論進(jìn)行處理，采用物理模型模擬，比如直流換流閥等。數(shù)?；旌戏抡骐m然兼具數(shù)字仿真和物理仿真的優(yōu)勢，但同時也存在物理仿真規(guī)模受限、經(jīng)濟(jì)性不高、需要后期維護(hù)等缺點(diǎn)。

1.2 在線仿真和離線仿真

根據(jù)仿真時采用的數(shù)據(jù)來源，電力系統(tǒng)仿真可分為在線仿真和離線仿真。在線仿真時，采用的數(shù)據(jù)是實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中的監(jiān)控數(shù)據(jù)和SCADA系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)。離線仿真與實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)沒有直接聯(lián)系，可以根據(jù)需要輸入數(shù)據(jù)，是根據(jù)所搭建的模型進(jìn)行仿真。

1.3 實(shí)時仿真和非實(shí)時仿真

根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)響應(yīng)時間和仿真時間之間的關(guān)系，電力系統(tǒng)仿真可分為實(shí)時仿真和非實(shí)時仿真。若電力系統(tǒng)中有實(shí)物接入，則要求仿真速度和實(shí)際系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)完全一致。實(shí)時仿真的發(fā)展階段為物理仿真、數(shù)模混合仿真和數(shù)字仿真。在非實(shí)時仿真中，往往仿真使用的時間比實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)時間長得多。

1.4 時域仿真和頻域仿真

根據(jù)仿真變量的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為時域仿真和頻域仿真。時域仿真以時間為仿真變量，處理時間從幾微秒到數(shù)十分鐘，根據(jù)響應(yīng)過程不同分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真。頻域仿真以頻率為仿真變量，覆蓋范圍為零赫茲到數(shù)兆赫茲，從次同步振蕩、暫態(tài)及次暫態(tài)直到系統(tǒng)行波。

1.5 電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真

根據(jù)所研究系統(tǒng)動態(tài)過程的不同，電力系統(tǒng)仿真可分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真，屬于時域仿真。電磁暫態(tài)仿真可以較準(zhǔn)確仿真交直流電力系統(tǒng)各種暫態(tài)問題，仿真程序基于Dommel算法，通過隱式積分法將描述電力系統(tǒng)的微分方程、偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，可以精確模擬含HVDC和FACTS的復(fù)雜元件。機(jī)電暫態(tài)仿真主要模擬系統(tǒng)受到大擾動，比如短路故障，切除線路、負(fù)荷或發(fā)電機(jī)失去勵磁等之后的暫態(tài)和受到小擾動如系統(tǒng)震蕩后的靜態(tài)穩(wěn)定特性。動態(tài)仿真分析系統(tǒng)受到擾動后較長時間的動態(tài)響應(yīng)，時間范圍從幾十秒到數(shù)小時。要考慮電力系統(tǒng)長時間過程和慢速過程，這是暫態(tài)仿真過程不需要考慮的。

2 電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真軟件及其應(yīng)用

目前國內(nèi)外電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真軟件主要有以下幾種。

2.1 PSCAD/EMTDC

EMTDC是加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)的電磁暫態(tài)仿真程序，PSCAD是EMTDC的人機(jī)界面。PSCAD/EMTDC能夠?qū)Π瑥?fù)雜元件（比如頻率相關(guān)線路、直流輸電設(shè)備等）的電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，可用于研究高壓絕緣配合、HVDC或FACTS結(jié)構(gòu)和控制、電機(jī)扭矩效應(yīng)和自勵磁現(xiàn)象、新能源并網(wǎng)控制等電磁暫態(tài)問題。

2.2 RTDS

RTDS由加拿大RTDS公司出品，一個CPU模擬一個電力系統(tǒng)元器件，CPU間的通訊采用并行—串行—并行的方式。RTDS具有仿真的實(shí)時性，主要用于電磁暫態(tài)仿真。其算法原理與PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/EMTDC的實(shí)時化。目前，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院仿真中心擁有世界最大規(guī)模的RTDS仿真平臺，共有30多個Rack，具備省級500 kV及以上電網(wǎng)的仿真能力。RTDS仿真的規(guī)模受到用戶所購買設(shè)備（Rack）數(shù)的限制。核心技術(shù)處理器主板和軟件均自行開發(fā)，這樣做的好處是可以充分利用DSP的硬件資源，但這種開發(fā)模式不利于硬件的升級換代，與其他全數(shù)字實(shí)時仿真裝置相比可擴(kuò)展性較差。每個Rack的造價很高，超過30萬美元。由于其研究的現(xiàn)象是系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，受模型和算法的限值，其仿真規(guī)模不大，一般進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時，都要對電力系統(tǒng)進(jìn)行等值簡化。目前，RTDS主要用于繼電保護(hù)等裝置試驗和小系統(tǒng)實(shí)時仿真研究。

2.3 HYPERSIM

加拿大魁北克TEQSIM公司開發(fā)的電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時仿真器——HYPERSIM，已形成產(chǎn)品，可用于機(jī)電暫態(tài)實(shí)時仿真和電磁暫態(tài)實(shí)時仿真，但目前還不能進(jìn)行電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)混合仿真。HYPERSIM有2種支撐硬件：①基于PC Cluster（與日本三菱公司聯(lián)合開發(fā)），可以進(jìn)行中小規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真，HVDC系統(tǒng)實(shí)時仿真步長（65 μs）和較大規(guī)模電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真，具有對繼電保護(hù)、FACTS控制器、自動重合設(shè)備及PSS等進(jìn)行閉環(huán)測試的能力。②基于多CPU超級并行處理計算機(jī)，比如SGI2000和SGI3000。并行處理計算機(jī)的最高配置可達(dá)512個微處理器，其仿真規(guī)模相當(dāng)大，可用于裝置試驗，但造價高昂。此外，在擴(kuò)展方面也受到計算機(jī)型號的制約。

2.4 DDRTS

深圳殷圖科技發(fā)展有限公司開發(fā)的數(shù)字動態(tài)實(shí)時仿真系統(tǒng)DDRTS，基于高速PC機(jī)，是全數(shù)字化的動態(tài)模擬實(shí)驗及測試系統(tǒng)，可以進(jìn)行潮流計算和電磁暫態(tài)仿真，主要用于繼電保護(hù)和控制設(shè)備測試。

2.5 ADPSS

中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時仿真裝置ADPSS可兼顧仿真規(guī)模和精確性，可將實(shí)際大規(guī)模電網(wǎng)作為試驗背景，通過模擬實(shí)際規(guī)模背景電網(wǎng)的運(yùn)行特性，全面考察被測試對象在大電網(wǎng)中的行為及對電網(wǎng)的影響，是世界上首套可模擬大規(guī)模電力系統(tǒng)（1 000臺機(jī)、10 000個節(jié)點(diǎn)）的全數(shù)字實(shí)時仿真裝置。其基于高性能機(jī)群服務(wù)器，采用網(wǎng)絡(luò)并行計算技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)實(shí)時仿真和機(jī)電、電磁暫態(tài)混合實(shí)時仿真以及外接物理裝置試驗。該裝置可與調(diào)度自動化SCADA和EMS系統(tǒng)相連接取得在線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，可進(jìn)行繼電保護(hù)、安全自動裝置、FACTS控制裝置和直流輸電控制裝置的閉環(huán)仿真試驗，因此，它不僅是實(shí)時的仿真系統(tǒng)，還是在線的仿真系統(tǒng)。ADPSS的應(yīng)用程序核心是被電力行業(yè)廣泛認(rèn)可的商用軟件——電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP，具有很高的可信度，能夠保證仿真計算結(jié)果與實(shí)際電力系統(tǒng)的情況一致[3-4]。

在以上這些實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)中，一個共同特點(diǎn)是采用多CPU并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)時性。RTDS是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)。從1994年開始，國內(nèi)外許多電力公司、設(shè)備制造商、研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和大學(xué)購置了RTDS仿真裝置，客戶遍布世界上20個國家，國內(nèi)外近百家單位共配置了數(shù)百個RTDS機(jī)箱（Rack）。目前，國內(nèi)已有近30家單位配置了RTDS裝置。HYPERSIM是加拿大魁北克TEQSIM公司開發(fā)的一種基于并行計算技術(shù)，采用模塊化設(shè)計、面向?qū)ο缶幊痰碾娏ο到y(tǒng)數(shù)模混合式實(shí)時仿真系統(tǒng)，目前具有Unix、Linux、Windows 3種版本。HYPERSIM的多CPU并行處理技術(shù)結(jié)合了機(jī)電暫態(tài)仿真系統(tǒng)規(guī)模大和電磁暫態(tài)仿真程序?qū)ο到y(tǒng)模擬精確的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一次系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模大的系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算[4]。國內(nèi)研究開發(fā)的DDRTS系統(tǒng)已經(jīng)在南京南瑞繼保電氣有限公司、寧夏電力調(diào)度通信中心和東北電力調(diào)度通信中心等單位投入使用。中國電科院開發(fā)的ADPSS全數(shù)字實(shí)時仿真系統(tǒng)推出相對較晚，但也在逐步推廣應(yīng)用的過程中，比如江蘇省電力試驗研究院、山東省電力研究院、安徽省電力科學(xué)研究院、山東大學(xué)、河南電力試驗研究院等20多家單位已引進(jìn)該系統(tǒng)。

3 仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 數(shù)?；旌戏抡?/h3>

數(shù)模綜合仿真系統(tǒng)如圖1所示，包含了數(shù)字模擬系統(tǒng)和物理模擬系統(tǒng)，其中，數(shù)字系統(tǒng)可在RTDS等設(shè)備中搭建，物理部分由相應(yīng)的動模設(shè)備組合而成。虛線框內(nèi)所示為接口裝置，基于替代原理，其作用是保證數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)邊界條件的吻合，即在工程允許范圍內(nèi)保持接口兩端的電壓、電流一致。接口算法是數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的研究重點(diǎn)，基本的接口算法[5]有5種，即理想變壓器模型（ITM）、傳輸線模型（TLM）、時變一階線性近似法（TFA）、部分電路復(fù)制法（PCD）和阻尼阻抗法（DIM）。ITM結(jié)構(gòu)簡單可靠，分析和改進(jìn)方便，是工程實(shí)際中的首選方案。為提高系統(tǒng)接口穩(wěn)定性，往往需要根據(jù)實(shí)際情況對基本接口模型進(jìn)行改進(jìn)[6]。由于電網(wǎng)規(guī)模越來越大，數(shù)模混合由于其可擴(kuò)展性差，經(jīng)濟(jì)性不高，已不適合實(shí)際大電網(wǎng)的仿真。

3.2 多時間尺度混合仿真

傳統(tǒng)仿真軟件通常要對不同過程分別進(jìn)行仿真。然而，隨著區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)的動態(tài)特性日趨復(fù)雜，不同時間尺度的暫態(tài)過程交織耦合很難準(zhǔn)確區(qū)分，單純采用任一種仿真方法都會忽略其他時間尺度的動態(tài)過程。因此，結(jié)合2種或3種混合仿真更能兼顧復(fù)雜電力系統(tǒng)各個時間段的響應(yīng)，減小誤差，使仿真結(jié)果更準(zhǔn)確。目前，大多數(shù)研究針對的是電磁機(jī)電混合仿真，如圖2所示，其混合仿真原理是：對常規(guī)交流系統(tǒng)部分采用機(jī)電暫態(tài)仿真，對特定區(qū)域或元件采用電磁暫態(tài)仿真。

圖1 數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電磁機(jī)電混合仿真原理圖

圖3 RT-lab和HYPERSIM聯(lián)合仿真原理圖

3.3 全數(shù)字跨平臺混合仿真

新能源發(fā)電是現(xiàn)在和未來發(fā)電的主要趨勢，目前太陽能、風(fēng)力發(fā)電等已經(jīng)成為電力系統(tǒng)不可或缺的一部分，而大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)對電網(wǎng)造成的沖擊等不穩(wěn)定情況使電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定存在隱患。目前，主流研究都只是在一個平臺下對電網(wǎng)或新能源進(jìn)行仿真研究，一方面仿真規(guī)模受到限制，另一方面不能兼顧二者來更好地研究其相互作用機(jī)理等，當(dāng)前已有相關(guān)的研究，比如RT-lab和RTDS聯(lián)合仿真、RT-lab和HYPERSIM聯(lián)合仿真等。以RT-lab和HYPERSIM為例來說明仿真原理，如圖3所示。

4 總結(jié)

就目前的技術(shù)水平而言，電力系統(tǒng)實(shí)時仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)是模擬電力系統(tǒng)實(shí)時過程，能夠統(tǒng)一模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程、機(jī)電暫態(tài)過程以及后續(xù)的動態(tài)過程，能夠接入實(shí)際的物理裝置進(jìn)行模擬試驗。但由于仿真實(shí)時性的要求和仿真系統(tǒng)硬件規(guī)模的限制，一般實(shí)時仿真系統(tǒng)所能夠模擬的電力系統(tǒng)規(guī)模總是有限的。實(shí)時數(shù)字仿真主要適用于詳細(xì)研究大電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)和局部系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)過程，以及物理裝置的試驗研究。目前的研究熱點(diǎn)是電力系統(tǒng)全工程動態(tài)仿真和大規(guī)模全數(shù)字實(shí)時仿真，即將電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程、中期過程和長期過程有機(jī)地統(tǒng)一起來進(jìn)行仿真，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)快速的機(jī)電暫態(tài)過程和慢速的中長期動態(tài)過程統(tǒng)一仿真。由于受試驗室規(guī)模和物理設(shè)備的限制，數(shù)模混合式電力系統(tǒng)實(shí)時仿真裝置的仿真規(guī)模不可能無限擴(kuò)大。然而，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展、計算技術(shù)的不斷提高、仿真技術(shù)的日益完善，全數(shù)字式電力系統(tǒng)實(shí)時仿真裝置可望具備對大規(guī)模電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時仿真的能力。

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TM743

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.020

2095－6835（2017）18－0020－03

劉水（1992—），女，上海人，碩士在讀，研究方向為智能電網(wǎng)與控制。王海群（1968—），女，上海人，副教授，碩士，研究方向為智能控制。王致杰（1964—），男，山東濰坊人，教授，博士后，研究方向為智能控制和故障診斷。

〔編輯：劉曉芳〕

上海市自然科學(xué)基金項目（15ZR1417300，15ZR1417200）；上海市教委創(chuàng)新基金項目（14YZ157，15ZZ106）；上海市閔行區(qū)科技項目（2014MH166）；國家自然科學(xué)基金（11304200）