李亞樓，張星，李勇杰，陳緒江，吳茂乾

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;2．國(guó)網(wǎng)奎屯供電公司，新疆維吾爾自治區(qū)奎屯市832200)

為了適應(yīng)能源資源全局優(yōu)化配置的需求，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，國(guó)家電網(wǎng)公司“四交五直”、“五交八直”等特高壓工程將陸續(xù)建設(shè)投運(yùn)。大規(guī)模直流跨區(qū)輸電、全網(wǎng)一體化交直流混聯(lián)已成為電網(wǎng)的典型特征［1-4］。

電力系統(tǒng)仿真是認(rèn)識(shí)電網(wǎng)特性、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要手段。大規(guī)模交直流混聯(lián)給電網(wǎng)特性帶來(lái)深刻變化，交直流相互作用、送受端相互影響加劇，對(duì)電力系統(tǒng)仿真的規(guī)模、精度和速度提出了更高的要求。要實(shí)現(xiàn)高精度仿真，準(zhǔn)確建模是第1步。目前建模的難點(diǎn)是復(fù)雜電力電子設(shè)備的建模。建立這些設(shè)備對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確模型，并確定其參數(shù)，是大電網(wǎng)準(zhǔn)確仿真的基礎(chǔ)［5-6］。

目前國(guó)家電網(wǎng)公司已建成4回特高壓直流工程和13回常規(guī)直流工程，仿真節(jié)點(diǎn)規(guī)模超過(guò)3萬(wàn)個(gè)。根據(jù)規(guī)劃，至2020年，國(guó)家電網(wǎng)公司將建成投運(yùn)共計(jì)31回直流輸電工程，其中特高壓直流18回，仿真節(jié)點(diǎn)規(guī)模將突破5萬(wàn)個(gè)。為了真實(shí)反映系統(tǒng)交直流相互影響的動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)含有數(shù)十回直流和數(shù)千母線的交直流混聯(lián)電網(wǎng)的電磁暫態(tài)進(jìn)行精細(xì)仿真。此外，僅具有準(zhǔn)確建模和大規(guī)模仿真的能力還不夠，還必須大幅度提高仿真分析速度，并形成高效的仿真工具，以適應(yīng)含有數(shù)萬(wàn)母線的交直流混聯(lián)電網(wǎng)的數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)多運(yùn)行方式、海量預(yù)想故障的快速批量仿真分析。

本文從電力系統(tǒng)建模、多時(shí)間尺度仿真、數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真3個(gè)方面梳理目前仿真技術(shù)現(xiàn)狀，針對(duì)交直流混聯(lián)大電網(wǎng)發(fā)展需求，分析這些仿真技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

1 仿真建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

建模是仿真分析的基礎(chǔ)，模型的精度決定了仿真的準(zhǔn)確度。根據(jù)不同需求，可以對(duì)同一設(shè)備建立適應(yīng)于不同應(yīng)用場(chǎng)景的仿真模型。比如發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型只是包含了功率和電壓的有源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)分析就需要建立包含發(fā)電機(jī)本體及勵(lì)磁、調(diào)速、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器(power system stabilizer，PSS)的微分方程模型，而且是不同精度的多種模型;做中長(zhǎng)期仿真時(shí)還要補(bǔ)充鍋爐、汽機(jī)等模型。一般來(lái)說(shuō)，采用更加精確的模型，會(huì)有更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，但是也會(huì)增加參數(shù)的獲取難度。比如發(fā)電機(jī)的高階Park方程早在60年代就已經(jīng)建立，但是由于缺少準(zhǔn)確的暫態(tài)參數(shù)，仍然長(zhǎng)期采用3階以下的實(shí)用或經(jīng)典模型，直到2000年以后，隨著發(fā)電機(jī)及其控制器參數(shù)實(shí)測(cè)的開展，5階準(zhǔn)確模型才逐漸得到應(yīng)用。

目前的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)主要是含大量電力電子器件的直流系統(tǒng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)及柔性交流系統(tǒng)(flexible alternative currenttransmission systems，F(xiàn)ACTS)等的建模，以及負(fù)荷、新能源發(fā)電集群等系統(tǒng)整體特性等值建模。

(1)超/特高壓直流輸電設(shè)備建模。直流機(jī)電暫態(tài)仿真廣泛使用的是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，早期直流模型基于葛南直流(PSASP)和美國(guó)西部電網(wǎng)太平洋聯(lián)絡(luò)線(PSD-BPA)建立，已逐漸不適應(yīng)于交直流電網(wǎng)仿真的需要。

2008年起，國(guó)家電網(wǎng)公司科技部連續(xù)立項(xiàng)，在國(guó)家電力調(diào)度通信中心(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)調(diào)中心”)的持續(xù)支持下，開展了超/特高壓直流輸電機(jī)電暫態(tài)建模研究，提出了新的直流模型，解決了換相失敗、工程控制保護(hù)模型、參數(shù)實(shí)測(cè)方法等一系列技術(shù)問題，新直流模型已應(yīng)用于國(guó)調(diào)中心系統(tǒng)方式計(jì)算，基本滿足了現(xiàn)階段系統(tǒng)運(yùn)行需求［7-8］。

電磁暫態(tài)仿真廣泛采用基礎(chǔ)元件搭建的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流一次系統(tǒng)的仿真，仿真的精度依賴于軟件采用的電磁暫態(tài)基礎(chǔ)算法和基礎(chǔ)元件建模的精細(xì)程度。電磁暫態(tài)對(duì)二次系統(tǒng)的仿真有多種實(shí)現(xiàn)方法，包括經(jīng)典模型、針對(duì)不同廠家的簡(jiǎn)化適用模型、廠家封裝模型、廠家開放詳細(xì)模型、用戶自定義實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)模型、Hidraw程序接口實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)模型等。

電磁暫態(tài)直流模型在直流控制保護(hù)策略及其參數(shù)優(yōu)化、直流輸電暫態(tài)過(guò)程等研究中獲得了廣泛的應(yīng)用。

使用機(jī)電暫態(tài)模型，在仿真電網(wǎng)不對(duì)稱故障、波形畸變、涌流、直流換相失敗等含有非基波因素的交直流系統(tǒng)特性時(shí)存在局限性。廠家提供的電磁暫態(tài)直流詳細(xì)模型，一般基于EMTDC軟件，難以計(jì)及大電網(wǎng)的特性，且廠家模型規(guī)模龐大，有的還是封裝模型，難以維護(hù)和調(diào)試。采用用戶自定義或Hidraw程序接口實(shí)現(xiàn)的直流輸電詳細(xì)建模，存在規(guī)模龐大、建模復(fù)雜、仿真效率低以及不適應(yīng)于多回直流同時(shí)仿真的問題。

針對(duì)不同廠家的簡(jiǎn)化適用模型，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要對(duì)直流控制保護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)化后建模，能夠一定程度兼顧仿真速度和仿真精度，但是如何平衡仿真精度和速度有很大難度。

(2)新能源設(shè)備及FACTS設(shè)備。國(guó)內(nèi)常用的機(jī)電暫態(tài)電力系統(tǒng)分析程序(如PSASP、PSD-BPA)中已有各種新能源和FACTS元件模型，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電站、可控串補(bǔ)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器、可控高抗等。

與特高壓直流輸電的建模類似，新能源和FACTS設(shè)備的建模存在生產(chǎn)廠家眾多、設(shè)備特性各不相同、廠家技術(shù)封鎖等建模難題，目前的模型難以和實(shí)際設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性保持一致，新能源發(fā)電集群的整體特性建模與電網(wǎng)仿真需求仍有差距。

(3)各類負(fù)荷設(shè)備。電力系統(tǒng)仿真分析中常見的負(fù)荷模型包括靜態(tài)負(fù)荷、動(dòng)態(tài)負(fù)荷以及綜合特性負(fù)荷。此外，針對(duì)電鐵、電解鋁等特殊負(fù)荷也可以建立詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型，用于研究電能質(zhì)量等問題［13］。

負(fù)荷建模工作已經(jīng)有較多的研究成果，結(jié)合大擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，提出了考慮配電網(wǎng)特性的綜合負(fù)荷模型及其參數(shù)計(jì)算方法，提高了負(fù)荷模型精度，將負(fù)荷建模工作向前推進(jìn)了一大步［14-15］。

負(fù)荷建模是電力系統(tǒng)仿真中的傳統(tǒng)難題。電力系統(tǒng)負(fù)荷復(fù)雜多變，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響，但目前負(fù)荷模型存在負(fù)荷特征難以識(shí)別、負(fù)荷模型參數(shù)適應(yīng)性不強(qiáng)等問題。

2 多時(shí)間尺度仿真技術(shù)

按照我國(guó)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求，需要對(duì)電網(wǎng)做全面的穩(wěn)定分析計(jì)算，以了解電網(wǎng)特性，提出有針對(duì)性的提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的措施。這里的全面穩(wěn)定分析計(jì)算，主要包括靜態(tài)安全分析和動(dòng)態(tài)安全分析，其中動(dòng)態(tài)安全分析是關(guān)注的重點(diǎn)，可以細(xì)分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和中長(zhǎng)期穩(wěn)定。功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定還可以按照大擾動(dòng)和小擾動(dòng)細(xì)分［16］。

進(jìn)行安全穩(wěn)定分析的仿真方法包括時(shí)域仿真方法、頻域仿真方法、線性化特征根分析法等，其中時(shí)域仿真分析應(yīng)用最為廣泛。電力系統(tǒng)時(shí)域仿真包括機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)、機(jī)電-電磁暫態(tài)混合、中長(zhǎng)期過(guò)程等技術(shù)，構(gòu)成了多時(shí)間尺度的時(shí)域仿真體系［17］。在實(shí)現(xiàn)形式上有實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、平臺(tái)級(jí)軟件和單機(jī)軟件，其中單機(jī)軟件最常見，包括EMTP、EMTDC、PSD系列軟件、PSASP、PSS/E、NETMAC等。目前常用的仿真工具如圖1所示。

圖1 時(shí)域仿真中常用工具Fig.1 Normal tools for time-domain simulation

2.1 機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)

機(jī)電暫態(tài)仿真主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動(dòng)后的靜態(tài)穩(wěn)定性能。

機(jī)電暫態(tài)仿真算法成熟，仿真規(guī)模大，速度快，目前可實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模電網(wǎng)的快速仿真，在大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定研究、交直流混聯(lián)大電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行分析中得到了廣泛應(yīng)用。但因忽略了電網(wǎng)非基波分量，機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)不對(duì)稱故障、直流換相失敗等特性的模擬存在局限性，難以詳細(xì)仿真交直流電網(wǎng)相互影響特性。

2.2 電磁暫態(tài)仿真技術(shù)

電磁暫態(tài)仿真是用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)電力系統(tǒng)中從數(shù)μs至數(shù)ms之間的電磁暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，可準(zhǔn)確仿真電力電子設(shè)備在換相失敗、不對(duì)稱故障、諧波等條件下的動(dòng)態(tài)特性，可與實(shí)際控制保護(hù)裝置連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

電磁暫態(tài)仿真主要用于研究局部電網(wǎng)或設(shè)備的詳細(xì)暫態(tài)過(guò)程，如直流控制保護(hù)定值分析、過(guò)電壓研究等，是否可以用于大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性研究(或者可用于多大規(guī)模電網(wǎng)研究)存在爭(zhēng)議。一種思路認(rèn)為可以，目前中國(guó)南方電網(wǎng)公司已經(jīng)搭建了數(shù)百節(jié)點(diǎn)的電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)用于電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究;另一種思路認(rèn)為可能存在數(shù)值穩(wěn)定問題，仿真規(guī)模到一定程度就無(wú)法正常計(jì)算。

電磁仿真算法基本成熟，但是隨著大量直流設(shè)備和其他電力電子設(shè)備接入，對(duì)仿真速度、仿真規(guī)模和數(shù)值穩(wěn)定性提出了更高的要求［18］。

電磁仿真模型復(fù)雜、參數(shù)多，建模與參數(shù)維護(hù)工作量大。受模型與算法限制，仿真規(guī)模一般較小，模擬多回直流時(shí)，計(jì)算速度慢、時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足交直流大電網(wǎng)的仿真要求。

2.3 電磁暫態(tài)小步長(zhǎng)仿真技術(shù)

值得關(guān)注的是，在電磁暫態(tài)仿真領(lǐng)域，與典型的50 μs仿真步長(zhǎng)相比，還存在更小仿真步長(zhǎng)的需求。

對(duì)IGBT/GTO等電力電子器件暫態(tài)特性進(jìn)行建模和仿真時(shí)，由于開關(guān)動(dòng)作頻率很高，需要采用更小的仿真步長(zhǎng)，如1～5 μs，稱之為電磁暫態(tài)小步長(zhǎng)仿真［19-20］。

直接采用傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真算法進(jìn)行小步長(zhǎng)仿真的效率非常低，幾s的暫態(tài)過(guò)程可能需要數(shù)h。如何實(shí)現(xiàn)高精度和高效率的仿真是關(guān)鍵問題。

大量IGBT/GTO在柔性直流輸電、新能源發(fā)電和FACTS裝置中的應(yīng)用對(duì)電磁暫態(tài)小步長(zhǎng)仿真規(guī)模提出了更高的要求。

2.4 長(zhǎng)過(guò)程仿真技術(shù)

長(zhǎng)過(guò)程仿真技術(shù)(中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真)，是電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后較長(zhǎng)過(guò)程的仿真，要計(jì)及一般暫態(tài)穩(wěn)定仿真中不考慮的電力系統(tǒng)長(zhǎng)過(guò)程和慢速的動(dòng)態(tài)特性，其計(jì)算的時(shí)間范圍可從幾十s到幾十min甚至數(shù)h［21］。

長(zhǎng)過(guò)程仿真計(jì)算也是聯(lián)立求解方程組以獲得電力系統(tǒng)長(zhǎng)過(guò)程動(dòng)態(tài)的時(shí)域解，一般采用變步長(zhǎng)技術(shù)加速仿真過(guò)程。

長(zhǎng)過(guò)程仿真涉及鍋爐、汽機(jī)、有載調(diào)壓變壓器等慢速動(dòng)作設(shè)備，以及大量保護(hù)和安全穩(wěn)定自動(dòng)裝置模型，建模和參數(shù)維護(hù)工作量較大，制約了其廣泛應(yīng)用。與機(jī)電暫態(tài)仿真一樣，也存在難以準(zhǔn)確模擬和分析與電磁暫態(tài)過(guò)程相關(guān)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

2.5 不同時(shí)間尺度混合仿真技術(shù)

電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度混合仿真利用系統(tǒng)各部分不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度選擇不同仿真步長(zhǎng)的模型和算法，有望解決目前單一時(shí)間層級(jí)仿真方法不夠精確或效率較低的問題，為大規(guī)?；炻?lián)交直流電網(wǎng)研究提供了新思路。

混合仿真技術(shù)作為一種仿真精度和仿真效率的折中方法，無(wú)法從根本上解決大規(guī)模電網(wǎng)全部小步長(zhǎng)仿真的問題。如何合理選擇不同步長(zhǎng)仿真對(duì)象、接口位置，以及如何進(jìn)行接口方法的優(yōu)化，以進(jìn)一步提高仿真精度，是混合仿真技術(shù)研究的重點(diǎn)。

為了提高計(jì)算效率，可采用并行計(jì)算方式進(jìn)行不同時(shí)間尺度的混合仿真。如圖2所示，快速仿真子模塊和慢速仿真子模塊并行計(jì)算，在大步長(zhǎng)處進(jìn)行接口數(shù)據(jù)交換。

圖2 并行混合仿真Fig.2 Parallel hybrid simulation

多時(shí)間尺度混合仿真技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用是機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)［22-23］。結(jié)合機(jī)電暫態(tài)與電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)模與機(jī)電暫態(tài)相當(dāng)，對(duì)直流設(shè)備等重點(diǎn)關(guān)注的電力電子設(shè)備采用電磁暫態(tài)模型進(jìn)行精確仿真。圖3所示是機(jī)電－電磁仿真的接口原理，兩側(cè)步長(zhǎng)相差數(shù)百倍，通過(guò)接口交換信息實(shí)現(xiàn)混合仿真。

圖3 機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真原理Fig.3 Electromechanical-electromagnetic transient hybrid simulation principle

國(guó)調(diào)中心于2010年開始應(yīng)用機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真程序(PSD-PSMODEL、ADPSS)，將特高壓直流電磁暫態(tài)仿真引入系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算，采用以機(jī)電暫態(tài)仿真為主，機(jī)電－電磁混合仿真為輔的方法，互相校驗(yàn)，共同確定穩(wěn)定控制極限，基本滿足了近期制定電網(wǎng)運(yùn)行方式及控制策略的需求。南方電網(wǎng)科學(xué)研究院也開發(fā)了基于RTDS仿真系統(tǒng)的SMRT機(jī)電－電磁混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，用于交直流大電網(wǎng)特性分析和安全穩(wěn)定控制策略的驗(yàn)證試驗(yàn)［24］。

目前機(jī)電－電磁混合仿真接口不能完全反映包含高次諧波在內(nèi)的電網(wǎng)電磁暫態(tài)特性，還未解決大電網(wǎng)電磁仿真問題。

3 實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)經(jīng)歷了上世紀(jì)50、60年代的動(dòng)態(tài)物理模擬，即以小型模擬設(shè)備代替大型原始設(shè)備進(jìn)行模擬;到20世紀(jì)80、90年代的數(shù)模混合仿真，即部分設(shè)備用物理模擬設(shè)備，大部分其他設(shè)備使用數(shù)字模型;到90年代后期出現(xiàn)了全數(shù)字仿真技術(shù)。前兩者受硬件限制，仿真規(guī)模小、試驗(yàn)工作量大、效率低，但是可以模擬認(rèn)知困難、數(shù)學(xué)模型難以建立的設(shè)備;全數(shù)字仿真技術(shù)不受硬件限制，仿真規(guī)模大，使用方便，但是依賴于精確的數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)仿真算法。

全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)占地面積小、建設(shè)周期短、可擴(kuò)展性好、重復(fù)試驗(yàn)方便，是國(guó)際上實(shí)時(shí)仿真的主要發(fā)展方向之一。核心技術(shù)包括:(1)并行計(jì)算技術(shù)，如并行處理器間通信、數(shù)據(jù)交互和并行算法;(2)硬實(shí)時(shí)控制，如基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或嵌入式軟件的仿真時(shí)間控制;(3)IO接口技術(shù)，如電氣量/通訊等接口，可以靈活連接各種試驗(yàn)設(shè)備。

3.1 并行計(jì)算技術(shù)

數(shù)字仿真中的并行算法包括機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真、機(jī)電暫態(tài)分網(wǎng)并行［25］、電磁暫態(tài)分網(wǎng)并行［26-27］等。機(jī)電側(cè)的網(wǎng)絡(luò)分割一般基于節(jié)點(diǎn)撕裂法和支路切割法;電磁側(cè)的網(wǎng)絡(luò)分割一般基于節(jié)點(diǎn)分裂法和長(zhǎng)輸電線解耦法。其中長(zhǎng)輸電線解耦法通信量小、并行效率高，在 RTDS、RT-LAB、HyperSim 及ADPSS等實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中得到了廣泛采用。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)

目前數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的硬件平臺(tái)包括嵌入式板卡(RTDS)和高性能服務(wù)器(RT-LAB、Hypersim、ADPSS等)。國(guó)際上主流的數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)如表1所示。

20世紀(jì)90年代初，隨著商業(yè)化高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的問世，加拿大Manitoba直流研究中心和RTDS公司率先推出了國(guó)際上第1臺(tái)電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(RTDS)［28］。RTDS是目前世界上技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)和軟件特點(diǎn)比較具有代表性。RTDS的基本單元稱作RACK，一套R(shí)TDS裝置可包括幾個(gè)或幾十個(gè)RACK，RACK的數(shù)量決定系統(tǒng)的規(guī)模。

HYPERSIM是加拿大魁北克水電局開發(fā)的一種基于并行計(jì)算技術(shù)、采用模塊化設(shè)計(jì)、面向?qū)ο缶幊痰碾娏ο到y(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件，目前具有Unix、Linux、Windows等 3 種版本［29］。HYPERSIM 具有電磁仿真準(zhǔn)確、并行計(jì)算能力強(qiáng)大以及離線仿真靈活等特點(diǎn)。HYPERSIM可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分網(wǎng)，自動(dòng)計(jì)算所需CPU數(shù)目或仿真的最小步長(zhǎng)。當(dāng)CPU數(shù)目有限時(shí)，可以自動(dòng)增大仿真步長(zhǎng)，不同仿真步長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果相同。

表1 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)Table 1 Real-time digital simulation system

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，其建模環(huán)境依托Matlab/Simulink軟件，具有建模靈活、試驗(yàn)接口能力強(qiáng)等特性［30］。RT-LAB早期主要用于電力電子設(shè)備的快速控制原型實(shí)現(xiàn)和控制器閉環(huán)測(cè)試，近年來(lái)在電力系統(tǒng)仿真中也得到了較多應(yīng)用。

電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(advanced digital power system simulator，ADPSS)［31］，是由中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的基于高性能服務(wù)器機(jī)群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)，具備機(jī)電－電磁混合仿真能力，最大規(guī)模為3 000臺(tái)機(jī)、30 000個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)，主要用于大電網(wǎng)仿真分析和控制裝置閉環(huán)試驗(yàn)。

3.3 數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)

基于數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡妫梢苑譃榭刂破饔布诃h(huán)(controller hardware-in-the-loop，CHIL)和功率硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop，PHIL)2種［32］。電力系統(tǒng)領(lǐng)域之外的混合仿真幾乎都是傳統(tǒng)的半物理仿真，都屬于CHIL仿真。電力系統(tǒng)中，如果數(shù)字仿真的一次電網(wǎng)與物理仿真的一次電網(wǎng)進(jìn)行接口，則仿真類型屬于PHIL。

CHIL技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各類控制保護(hù)裝置的閉環(huán)試驗(yàn)和入網(wǎng)測(cè)試，包含繼電保護(hù)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、FACTS控制器、常規(guī)直流和柔性直流輸電控制系統(tǒng)、安全穩(wěn)定控制裝置等，技術(shù)已相對(duì)成熟，其未來(lái)發(fā)展主要面臨以下挑戰(zhàn)。

(1)接口規(guī)模限制。以開展直流控制保護(hù)系統(tǒng)閉環(huán)試驗(yàn)為例，一回特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)與數(shù)字仿真系統(tǒng)交互的模擬量/開關(guān)量超過(guò)500路，交互周期為50 μs。未來(lái)，若接入數(shù)十回直流實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，則可能受到接口數(shù)據(jù)通訊速度、處理器數(shù)量及任務(wù)分配機(jī)制的瓶頸限制。

(2)仿真規(guī)模限制。在開展安全穩(wěn)定控制裝置、FACTS控制器和直流輸電控制系統(tǒng)閉環(huán)試驗(yàn)時(shí)，需要準(zhǔn)確模擬大電網(wǎng)的運(yùn)行特性，但電網(wǎng)仿真規(guī)模直接取決于并行計(jì)算的處理器數(shù)量。受多處理器之間的通訊瓶頸、并行同步性及穩(wěn)定性的限制，參與并行計(jì)算的處理器數(shù)量存在上限。

PHIL技術(shù)可接入電力系統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，主要用于直接接入不易建模的復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，如美國(guó)CAPS實(shí)驗(yàn)室用于軍用船舶推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)的原型測(cè)試、中國(guó)電力科學(xué)研究院用于直流輸電系統(tǒng)的試驗(yàn)研究等［33-34］。

PHIL技術(shù)需要用到功率接口設(shè)備，一般可選擇模擬功率放大器或四象限電力電子換流器。放大器輸出延遲小，但最大輸出功率也較小;換流器輸出功率大，但輸出延遲為ms級(jí)，接口算法不易設(shè)計(jì)。受限于功率接口設(shè)備和仿真接口算法，目前PHIL的應(yīng)用尚不廣泛。

4 結(jié)論

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的仿真工具，現(xiàn)有仿真手段能基本滿足電網(wǎng)當(dāng)前階段的仿真和試驗(yàn)需要。但對(duì)于規(guī)模不斷擴(kuò)大、復(fù)雜度日益提高的交直流混聯(lián)大電網(wǎng)研究，仍存在很多新的挑戰(zhàn)，主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)計(jì)算精度難以適應(yīng)。受限于直流設(shè)備、新能源發(fā)電、FACTS和負(fù)荷等復(fù)雜模型的建模精度，現(xiàn)有仿真工具尚無(wú)法精確模擬交直流系統(tǒng)機(jī)電－電磁的真實(shí)交互過(guò)程。未來(lái)，隨著大量大容量和遠(yuǎn)距離直流工程投入、大規(guī)模新能源基地接入，現(xiàn)有仿真工具的計(jì)算精度存在問題。

(2)計(jì)算規(guī)模難以適應(yīng)。隨著大區(qū)電網(wǎng)之間聯(lián)系越來(lái)越緊密，送受端電網(wǎng)有明顯的相互影響，開展大電網(wǎng)分析時(shí)，需要同時(shí)對(duì)多個(gè)大區(qū)進(jìn)行整體建模，對(duì)機(jī)電暫態(tài)仿真規(guī)模提出更大挑戰(zhàn)。同時(shí)，為滿足大量直流及其近區(qū)電網(wǎng)的電磁暫態(tài)建模，電磁暫態(tài)仿真規(guī)模也需要不斷拓展。

(3)計(jì)算效率難以適應(yīng)。隨著未來(lái)特高壓交直流工程快速建設(shè)，機(jī)電和電磁暫態(tài)仿真規(guī)模將不斷擴(kuò)大，使得整體計(jì)算效率急劇下降。電網(wǎng)調(diào)度中心在計(jì)算運(yùn)行方式時(shí)，通常需要對(duì)上百個(gè)潮流組合及上萬(wàn)個(gè)故障進(jìn)行百萬(wàn)次故障掃描，目前仿真速度無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，應(yīng)進(jìn)一步深入研究特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)仿真技術(shù)，充分吸收各學(xué)科前沿技術(shù)，研發(fā)新算法、新硬件、新工具、新手段，以滿足電網(wǎng)快速發(fā)展對(duì)仿真工具的需求。

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