朱藝穎

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引言

為滿足未來持續(xù)增長的電力需求，實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置，推動電力工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和能源的高效開發(fā)利用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會，國家電網(wǎng)公司提出了加快建設(shè)以MV級交流和±800 kV級直流系統(tǒng)特高壓電網(wǎng)為核心的堅強(qiáng)的國家電網(wǎng)的戰(zhàn)略思想［1］。西南水電和北方煤電基地將采用特高壓交流或直流外送，形成覆蓋大電源基地和負(fù)荷中心的特高壓電網(wǎng)，以及交/直流特高壓輸電系統(tǒng)并列運(yùn)行的格局。

國內(nèi)外的工程實(shí)踐表明:對于重大工程規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行的各個階段，僅靠電力系統(tǒng)非實(shí)時計算分析是不夠的［2］。加拿大、日本、巴西、韓國研究機(jī)構(gòu)和ABB、Siemens等公司均建設(shè)了大規(guī)模的電力系統(tǒng)實(shí)時仿真試驗(yàn)室。在我國電網(wǎng)發(fā)展的各個重要階段，從330、500、750和1 000 kV 交流、葛南直流工程到特高壓直流工程的建設(shè)，都通過電力系統(tǒng)動態(tài)模擬裝置、暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀(transient network analyser，TNA)、交/直流數(shù)?；旌戏抡嫜b置進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究。

電力系統(tǒng)數(shù)模混合仿真采用先進(jìn)的數(shù)字和物理模型組合技術(shù)，構(gòu)成兼有物理和數(shù)字技術(shù)特點(diǎn)的實(shí)時電力系統(tǒng)模型，可進(jìn)行從電磁暫態(tài)到機(jī)電暫態(tài)的全過程實(shí)時仿真研究［3］。

電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)的發(fā)展是圍繞我國電力工業(yè)的發(fā)展實(shí)際需求，在電網(wǎng)規(guī)劃方案及運(yùn)行特性、交/直流混合電網(wǎng)控制規(guī)律和控制裝置的校核與優(yōu)化、新能源接入后電網(wǎng)安全穩(wěn)定性及協(xié)調(diào)控制、新型電力技術(shù)、電力設(shè)備接入電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究方面均能發(fā)揮優(yōu)勢，使全面掌握大型復(fù)雜電網(wǎng)運(yùn)行和控制機(jī)理的有效工具［4］。

1 數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)簡介

數(shù)模混合仿真能較精確地模擬交/直流電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性和動態(tài)過程，其應(yīng)用范圍包括復(fù)雜交/直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真、多直流落點(diǎn)地區(qū)交/直流系統(tǒng)相互影響研究、各種新型電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)及其控制特性仿真等［5］。

數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)可分為單向功率傳輸接口數(shù)?；旌戏抡?、雙向功率傳輸接口數(shù)?；旌戏抡婧投涡盘柦涌跀?shù)?；旌戏抡?。

單向功率傳輸接口數(shù)模混合仿真原理是發(fā)電機(jī)、動態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動機(jī)等旋轉(zhuǎn)元件采用數(shù)字模型進(jìn)行仿真，其他電力系統(tǒng)元件采用物理器件進(jìn)行模擬，數(shù)字仿真與物理仿真連接的傳輸功率為單方向，即功率僅從數(shù)字模型傳輸?shù)轿锢砟Ｐ汀Ｍㄟ^數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換卡輸出數(shù)字側(cè)信號，經(jīng)功率放大器將模擬信號放大為能夠與物理仿真裝置匹配的信號，通過電壓、電流傳感器和模/數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換卡將物理仿真裝置的狀態(tài)反饋給數(shù)字仿真裝置。圖1為接口原理示意圖。圖中 I表示電流傳感器，V表示電壓傳感器。

圖1 單向功率傳輸接口數(shù)?；旌戏抡媸疽鈭DFig.1 Digital-analog hybrid simulation based on single directional power transmission interface

雙向功率傳輸接口數(shù)模混合仿真裝置原理是用數(shù)字模型模擬大部分電力系統(tǒng)，僅用物理模型模擬需要詳細(xì)仿真的部分，例如高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)、靈活交流輸電系統(tǒng)等，數(shù)字仿真與物理仿真連接的傳輸功率為雙方向，即功率可從數(shù)字模型傳輸?shù)轿锢砟Ｐ停部蓮奈锢砟Ｐ蛡鬏數(shù)綌?shù)字模型。與單向功率傳輸接口相比，增加了對解耦元件的模擬。解耦元件是用于將電力系統(tǒng)分割為數(shù)字和物理的2個可同步獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)，2個子系統(tǒng)之間通過接口電路交互功率。用作解耦的電力系統(tǒng)元件有很多種，包括發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、母線、變壓器、輸電線路等。每種解耦元件都有其對應(yīng)的接口算法，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分割。接口等值電路的具體形式因解耦元件或接口算法的不同有較大差異。分布參數(shù)線路的貝杰龍等值模型是數(shù)?；旌辖怦钤^為合適的選擇，將分布參數(shù)線路的波過程轉(zhuǎn)化為僅含電阻和電流源的集中參數(shù)電路，可以利用輸電線路的行波延時來精確補(bǔ)償接口的軟硬件延時［6］。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對電力系統(tǒng)元件的進(jìn)一步認(rèn)識，對交/直流系統(tǒng)的全數(shù)字仿真已經(jīng)越來越得到認(rèn)可，可以用數(shù)字模型模擬整個交/直流電網(wǎng)［7］，而對于直流輸電等控制特性較為復(fù)雜的系統(tǒng)，采用將實(shí)際控制器接入數(shù)字電網(wǎng)的數(shù)?；旌戏抡媸菍?shí)際電網(wǎng)特性最真實(shí)的模擬。隨著數(shù)字實(shí)時仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，越來越多的控保設(shè)備可以同時接入數(shù)字仿真電網(wǎng)，對研究大規(guī)模交/直流電網(wǎng)的交互特性起到支撐作用。

數(shù)字仿真程序與控制保護(hù)裝置交互的為開關(guān)量和模擬量，因此接口交互主要有晶閘管觸發(fā)脈沖、變壓器分接頭位置信號、交/直流開關(guān)狀態(tài)信號、交/直流開關(guān)場投切信號、節(jié)點(diǎn)電壓、輸送功率等。由于信號量大多轉(zhuǎn)換成電平信號，電壓水平與A/D、D/A、D/I、D/O接近，經(jīng)過相應(yīng)電平轉(zhuǎn)換芯片即可實(shí)現(xiàn)信號量的交互，仿真程序經(jīng)D/A或DO輸出數(shù)字控制信號給控制保護(hù)裝置，控制保護(hù)裝置將開關(guān)量、分接頭位置信息等通過數(shù)字輸出或A/D、D/I發(fā)送給仿真程序。信號傳輸由專用電纜實(shí)現(xiàn)，保證信號不失真［7］。全數(shù)字仿真程序與控制保護(hù)裝置的互聯(lián)如圖2所示。

圖2 全數(shù)字實(shí)時仿真裝置與控制保護(hù)裝置連接示意圖Fig.2 Connection between digital real-time simulator and control/protection equipments

2 國內(nèi)外數(shù)?；旌戏抡婀ぞ弑容^

2.1 電磁暫態(tài)數(shù)模仿真工具綜合對比

在20世紀(jì)90年代初，隨著商業(yè)化高速數(shù)字信號處理器的問世，加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司率先推出了國際上第1臺電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時仿真系統(tǒng)。繼RTDS公司后，法國電力公司(EDF)、加拿大魁北克水電研究所的TEQSIM公司等也相繼進(jìn)行了全數(shù)字實(shí)時仿真系統(tǒng)的開發(fā)和研制工作，其代表產(chǎn)品為HyperSim仿真系統(tǒng)［8］。國內(nèi)的產(chǎn)品主要就是中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的ADPSS。目前從各類仿真工具的應(yīng)用領(lǐng)域來看，主要包括2類:(1)大電網(wǎng)穩(wěn)定分析的系統(tǒng)級仿真;(2)單一工程的設(shè)備級仿真。

目前，除中國電力科學(xué)研究院外，南瑞集團(tuán)、國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院及省級以上電力科學(xué)研究院主要利用ADPSS、RTDS、RT-LAB等數(shù)模仿真平臺進(jìn)行設(shè)備級的裝置閉環(huán)試驗(yàn)、過電壓計算、直流工程成套設(shè)計、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)以及柔性直流等電力電子新設(shè)備研發(fā)。但受控保、計算資源等硬件規(guī)模限制，不具備超大電網(wǎng)仿真能力。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外可用于大電網(wǎng)仿真的軟件主要為國產(chǎn)的ADPSS和加拿大的HyperSim、RTDS。中國電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的ADPSS電網(wǎng)仿真規(guī)?？蛇_(dá)“三華”+“兩北”220 kV及以上網(wǎng)架，但其電磁暫態(tài)仿真規(guī)模仍需要測試和提升、接入實(shí)際控保能力有限，已應(yīng)用于18個省級以上電網(wǎng)公司。引進(jìn)的HyperSim平臺是目前電磁暫態(tài)仿真規(guī)模最大的系統(tǒng)，可仿真省級電網(wǎng)(如江蘇)220 kV以上電網(wǎng)規(guī)模。

南方電網(wǎng)RTDS實(shí)驗(yàn)室有33個RACK，可仿真廣東電網(wǎng)220 kV以上規(guī)模，與中國電力科學(xué)研究院現(xiàn)有HyperSim平臺仿真能力大致相當(dāng)。

為應(yīng)對未來特高壓交/直流大電網(wǎng)數(shù)模仿真，國內(nèi)外現(xiàn)有平臺能力均有不足，需要攻克特高壓大電網(wǎng)、大規(guī)模電磁暫態(tài)、多直流控保聯(lián)合仿真的關(guān)鍵問題，才能逐步滿足仿真研究需要。

2.2 HyperSim與RTDS技術(shù)比較

HyperSim和RTDS應(yīng)用最為成熟，ADPSS的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)電－電磁混合的實(shí)時仿真，但在數(shù)?；旌戏抡娣矫嫔刑幱陂_發(fā)完善階段，因此下面主要介紹和對比HyperSim和RTDS和性能。

HyperSim是加拿大魁北克水電局開發(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)全數(shù)字實(shí)時仿真軟件，HyperSim集成了商用計算機(jī)硬件平臺和軟件系統(tǒng)兩大部分，該系統(tǒng)既可以Linux工作站進(jìn)行單處理器或多處理器的離線仿真，也可以通過SGI服務(wù)器或者OPAL-RT公司的OP5600系列仿真主機(jī)進(jìn)行實(shí)時仿真。HyperSim提供了電磁仿真的準(zhǔn)確性、并行處理器強(qiáng)大的計算能力以及離線仿真的靈活性，比傳統(tǒng)的模擬仿真器應(yīng)用更加靈活、簡單、廉價，可用于電力系統(tǒng)、電力電子及電機(jī)拖動分析，用于HVDC及FACTS設(shè)備動態(tài)性能測試，以及控制系統(tǒng)性能測試、繼電保護(hù)和重合閘裝置閉環(huán)測試。

HyperSim的硬件平臺SGI超級計算機(jī)，最新產(chǎn)品是SGI UV 2000，其采用NUMAFlex體系結(jié)構(gòu)，單一操作系統(tǒng)，所有處理器共享內(nèi)存，具有管理簡單、運(yùn)算效率高、易于編程等特點(diǎn)。SGI UV服務(wù)器在高性能計算應(yīng)用方面的表現(xiàn)非常好，Linpack效率通常都能達(dá)到93%以上，最極端復(fù)雜的應(yīng)用都能達(dá)到90%左右。SGI Altix UV系列服務(wù)器采用的是分布式的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，在物理上是分布式放置，而在邏輯上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一編址的內(nèi)存空間，這樣在共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下所有處理器都可以訪問其全部的內(nèi)存空間，最多可以實(shí)現(xiàn)64TB的內(nèi)存共享。SGI UV 2000是全局共享內(nèi)存服務(wù)器，任何一個節(jié)點(diǎn)上的處理器都能夠訪問所有內(nèi)存，就像訪問本地內(nèi)存一樣。相比于Cluster結(jié)構(gòu)，作業(yè)運(yùn)行效率更高，完成任務(wù)所需要的時間更短。從并行編程的角度來看，目前主要有2種模式，分別是基于共享內(nèi)存的并行編程(OpenMP)和基于消息傳遞的并行模式(MPI)。前者主要實(shí)現(xiàn)的是粗粒度并行，后者是在對程序進(jìn)行細(xì)粒度的并行，兩者各有優(yōu)勢。對于SGI Altix UV高性能服務(wù)器系列來說，則可以支持目前所有的并行編程模式，充分利用兩者的優(yōu)勢提高并行計算的效率。

HyperSim的軟件核心為EMTP程序，仿真測試范圍主要是電磁暫態(tài)過程。仿真精度為64位雙精度，在代碼產(chǎn)生、編譯和仿真過程中，HyperSim使用的都是真64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)值穩(wěn)定。HyperSim代碼生成器用來分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分解線路、母線、控制元件及其子系統(tǒng)為不同的任務(wù)，自動將任務(wù)合理分配給各并行處理器，使各任務(wù)之間通信負(fù)擔(dān)最小。通過代碼生成模塊產(chǎn)生的C語言代碼在實(shí)時與離線狀態(tài)下都完全相同，仿真結(jié)果也完全一致，唯一不同的是編譯過程。

HyperSim是一個開放結(jié)構(gòu)的仿真軟件，有許多方便靈活的接口。在仿真文件開發(fā)過程中，通過UCB接口，提供用戶一個開發(fā)環(huán)境和集成方法，增加HyperSim建模能力和應(yīng)用靈活性;通過MATLAB接口，可充分發(fā)揮商業(yè)軟件的優(yōu)勢，提高仿真文件的開發(fā)效率;通過EMTP接口，可將EMTP和HyperSim仿真文件相互轉(zhuǎn)換，因而對常規(guī)電磁仿真程序完全兼容;通過A/D、D/A接口，可將硬件設(shè)備聯(lián)接到虛擬的電力系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時仿真。HyperSim目前正在探索進(jìn)一步增加計算核的技術(shù)，隨著計算核數(shù)的增加，所能接入的接口裝置數(shù)量也會進(jìn)一步增加。

是由加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司開發(fā)生產(chǎn)的。RTDS的硬件結(jié)構(gòu)和軟件特點(diǎn)比較具有代表性。其產(chǎn)品主要都是基于并行處理計算機(jī)結(jié)構(gòu)的，專為電力系統(tǒng)實(shí)時仿真設(shè)計，用于閉環(huán)實(shí)時仿真測試。RTDS實(shí)質(zhì)上是為實(shí)現(xiàn)暫態(tài)過程實(shí)時數(shù)字仿真而專門開發(fā)的并行計算機(jī)系統(tǒng)。

RTDS硬件采用高速并行處理器，處理器主板由RTDS技術(shù)公司自行開發(fā)。RTDS的基本單元稱作RACK，1套 RTDS裝置可包括幾個或幾 10個RACK，RACK的數(shù)量決定系統(tǒng)的規(guī)模。在實(shí)時通信速度方面，RTDS每個單元(RACK)的通信連接通道數(shù)量有限。對于大型電力系統(tǒng)來說，當(dāng)達(dá)到這個連接極限時，并行處理的效率會變低，運(yùn)行也會出現(xiàn)困難?？傮w來說，由于RTDS公司自己開發(fā)仿真系統(tǒng)的主板，因此硬件升級稍慢。

RTDS的軟件核心為PSCAD/EMTDC程序，仿真測試范圍為電磁暫態(tài)過程。仿真精度為64位雙精度，而這和HYPERSIM不同，是由軟件處理得到的。，用于仿真的代碼用的是40位精度。這樣會導(dǎo)致仿真算例的不穩(wěn)定，必要時必須重啟系統(tǒng)。在實(shí)時和離線情況下編譯生成的代碼不同，所以實(shí)時仿真和離線仿真結(jié)果不同。

RTDS數(shù)值積分的方法采用固定步長隱式梯形法，大部分算法和HyperSim相同，用內(nèi)插法處理斷路器及電力電子器件的開斷過程。在離線情況下可以接受用戶通過MATLAB Simulink定義的控制系統(tǒng)，在線仿真時則不可以，可以導(dǎo)入PSS/E文件。

從設(shè)備計算機(jī)仿真能力看，HyperSim與RTDS均為三相電磁暫態(tài)計算，在此基礎(chǔ)上通過并行計算實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真。但是二者的具體設(shè)計思路與硬件實(shí)現(xiàn)方法不同。RTDS自主研制專用仿真器硬件，并行仿真計算通過 DSP芯片與 Power PC芯片實(shí)現(xiàn);而HyperSim則采用商用的SGI并行計算機(jī)實(shí)現(xiàn)并行計算。由此決定了二者在仿真規(guī)模、步長、數(shù)據(jù)庫處理能力、長期穩(wěn)定運(yùn)行能力及仿真精度方面各自的特點(diǎn)。

從仿真規(guī)模與分網(wǎng)靈活性看，在仿真規(guī)模方面，在相同投資情況下，HyperSim的仿真規(guī)模與靈活性明顯大于RTDS，這是由電力系統(tǒng)分割原理和二者的實(shí)現(xiàn)方法決定的。

HyperSim采用商用并行機(jī)，各CPU的結(jié)構(gòu)與計算能力完全相同，對給定電網(wǎng)仿真時，可以實(shí)現(xiàn)自動分網(wǎng)，自動計算所需CPU數(shù)目或仿真的最小步長。當(dāng)CPU數(shù)目有限時，可以自動增大仿真步長，不同仿真步長的計算結(jié)果相同。也可通過設(shè)定仿真時間的倍數(shù)保持小仿真波長完成計算。

RTDS采用專用的硬件，1個RACK所能解網(wǎng)的規(guī)模有限，所能計算的元件數(shù)取決于元件的復(fù)雜程度及硬件的配置。1個RACK的解網(wǎng)能力嚴(yán)格限制了其仿真規(guī)模。

對于 HyperSim與 RTDS，目前均有最大硬件數(shù)量。

在網(wǎng)絡(luò)分割與并行任務(wù)分配方面，HyperSim可實(shí)現(xiàn)自動分網(wǎng)與并行任務(wù)分配，而RTDS建議采用手動分網(wǎng)與并行任務(wù)分配。

在數(shù)據(jù)庫處理能力方面，二者均能滿足電力系統(tǒng)實(shí)時仿真的需要，HyperSim的實(shí)時數(shù)據(jù)存儲能力稍大。對仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力，2個仿真器基本相同。

從長期穩(wěn)定運(yùn)行能力看，二者都具有足夠的運(yùn)行穩(wěn)定性。在數(shù)值計算穩(wěn)定性方面，HyperSim略優(yōu)于RTDS。這主要是由于HyperSim在代碼生成、編譯和仿真過程中均為64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算;而RTDS的64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)镽TDS的代碼運(yùn)行在不同的硬件上，這將有可能在長時間運(yùn)行時導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

選擇仿真器類型和規(guī)模應(yīng)與所要解決的問題及實(shí)驗(yàn)室的特色結(jié)合起來。中國電力科學(xué)研究院電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室的定位是研究大電網(wǎng)的運(yùn)行與控制特性，因此選擇HyperSim作為主要仿真工具是合適的。

3 將實(shí)際控制器接入數(shù)字仿真電網(wǎng)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，直流輸電、靈活交流輸電、新能源發(fā)電等利用電力電子技術(shù)的工程越來越多的出現(xiàn)在電網(wǎng)中。對于電力電子技術(shù)設(shè)備來說，其控制復(fù)雜性遠(yuǎn)超常規(guī)交流設(shè)備，每個工程的控制器具有特殊性。將電力電子設(shè)備的控制器接入到數(shù)字仿真電網(wǎng)中進(jìn)行聯(lián)合仿真，是最真實(shí)模擬電力電子設(shè)備控制特性的方法。下面以直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)為例說明。

直流輸電實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)由硬件及軟件組成，硬件包括控制保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)、輸入輸出信號處理板卡;軟件包括主機(jī)程序、板卡程序。硬件與軟件結(jié)合成一個整體，完成直流控制保護(hù)系統(tǒng)的整個功能［9］。

主機(jī)與主機(jī)程序完成整個直流系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能，同時完成保護(hù)功能，其主要功能包括電流控制、電壓控制、關(guān)斷角控制、無功功率控制、分接頭控制、一次設(shè)備的順控操作控制、形成控制脈沖送至閥控單元。

板卡與板卡軟件負(fù)責(zé)將一次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送至主機(jī)中的程序，同時將控制系統(tǒng)的指令下發(fā)至一次設(shè)備，例如直流設(shè)備的操作，換流變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)、交流濾波器的投切等。

為了更靈活及高效地對直流系統(tǒng)進(jìn)行控制及保護(hù)，實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了分區(qū)控制及保護(hù)，每個區(qū)域均配置了控制保護(hù)系統(tǒng)，現(xiàn)有的特高壓直流中，一般分位雙極區(qū)、極區(qū)、換流器區(qū)，每個區(qū)域的控制保護(hù)系統(tǒng)硬件及軟件相互獨(dú)立，只是進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)?；旌戏抡嫠玫膶?shí)際直流控制保護(hù)仿真系統(tǒng)除了沒有保護(hù)三取二邏輯及控制冗余外，其結(jié)構(gòu)、硬件及軟件包括編譯環(huán)境和系統(tǒng)軟件與實(shí)際功能控制保護(hù)系統(tǒng)是一致的，故其在性能上與實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)具有很好的一致性［10］?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)軟件的修改工作與實(shí)際工程軟件的修改流程相同，能夠密切地追蹤現(xiàn)場控制保護(hù)軟件的修改。

對電力電子設(shè)備控制器的仿真也可以采用數(shù)字模型，但由于數(shù)字模型無法真實(shí)模擬實(shí)際控制器的硬件執(zhí)行過程，很難確保與實(shí)際工程控制特性完全一致。在現(xiàn)場故障分析時，國內(nèi)外控制保護(hù)廠家及研究單位均采用數(shù)字仿真平臺與簡化后的實(shí)際控制保護(hù)裝置相連的仿真系統(tǒng)對故障進(jìn)行研究。

4 新一代電力系統(tǒng)數(shù)模混合仿真平臺

4.1 國內(nèi)外交/直流電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡娆F(xiàn)狀

我國國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和加拿大魁北克電網(wǎng)是國內(nèi)外比較有代表性的交/直流混合電網(wǎng)。

南方電網(wǎng)公司采用RTDS(加拿大)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真南方電網(wǎng)全部500 kV及重點(diǎn)220 kV交流網(wǎng)架、全部在運(yùn)直流電磁暫態(tài)模型，同時接入4回直流實(shí)際控保裝置，應(yīng)用于支持生產(chǎn)運(yùn)行和科學(xué)研究。

加拿大魁北克水電局采用HyperSim(自開發(fā))電磁暫態(tài)實(shí)時仿真，魁北克省交/直流網(wǎng)架詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，同時接入2回直流實(shí)際控保裝置，應(yīng)用與支持生產(chǎn)運(yùn)行和科學(xué)研究。

國家電網(wǎng)公司采用HyperSim(加拿大)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真特高壓交/直流等值電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型，含16回數(shù)字直流模型，僅接入2回直流實(shí)際控保，應(yīng)用與支持科學(xué)研究［11］。

4.2 新一代電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_技術(shù)方案

未來“四交五直”、“五交八直”特高壓主網(wǎng)架建成后，多直流、交/直流之間的機(jī)電、電磁過程相互交織，電網(wǎng)特性愈加復(fù)雜?？笨怂娋?、南方電網(wǎng)和中國電力科學(xué)研究院現(xiàn)有方案均無法滿足要求，對大電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡婺芰μ岢隽烁叩囊?，亟需建立新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_，實(shí)現(xiàn)對大電網(wǎng)真實(shí)特性的準(zhǔn)確認(rèn)知把握。

針對電網(wǎng)仿真需求，建立國家電網(wǎng)500 kV以上交/直流電網(wǎng)的電磁暫態(tài)詳細(xì)仿真模型并接入全部直流工程實(shí)際控制保護(hù)裝置進(jìn)行聯(lián)合仿真，是最理想的思路。然而電磁暫態(tài)仿真由于計算步長小，建模復(fù)雜［12］，實(shí)時仿真對計算速度要求嚴(yán)格，目前國內(nèi)外的仿真技術(shù)均無法滿足建立如此規(guī)模的電磁暫態(tài)實(shí)時仿真模型的需要。因此，為了能解決當(dāng)前及近期電網(wǎng)發(fā)展面臨的問題，采用機(jī)電－電磁混合實(shí)時仿真是最可行的技術(shù)路線，即將特高壓交/直流骨干網(wǎng)架用電磁暫態(tài)模型進(jìn)行仿真，并與實(shí)際直流工程控保裝置進(jìn)行連接，將其余電網(wǎng)用機(jī)電暫態(tài)模型進(jìn)行仿真，通過接口與電磁暫態(tài)模型連接，進(jìn)行數(shù)?；旌蠈?shí)時仿真［13］。

新一代電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_的核心是機(jī)電－電磁暫態(tài)數(shù)字實(shí)時仿真裝置，通過數(shù)?；旌辖涌谂c實(shí)際直流輸電控保裝置、交/直流協(xié)調(diào)控制裝置、靈活交流系統(tǒng)控制器、新能源控制器等多種控制器連接，形成閉環(huán)大電網(wǎng)實(shí)時仿真環(huán)境。圖3為新一代數(shù)模混合仿真平臺構(gòu)成示意圖。

圖3 新一代數(shù)模混合仿真平臺示意圖Fig.3 New digital-analog simulation platform

4.3 新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_功能

數(shù)?；旌戏抡娣抡媸怯糜诮鉀Q仿真精確性的問題，定位為大電網(wǎng)“校準(zhǔn)時鐘”［15］。具有以下4方面功能:

(1)特高壓交/直流混聯(lián)電網(wǎng)特性認(rèn)知及運(yùn)行決策，包括對交/直流、多直流相互影響下大電網(wǎng)機(jī)理特性仿真揭示，極線典型工況校核以及電網(wǎng)故障分析及應(yīng)對措施制定。

(2)直流輸電工程控制保護(hù)試驗(yàn)研究，包括直流控保優(yōu)化與校核，直流控保更新校核與認(rèn)定以及直流控制策略優(yōu)化。

(3)新技術(shù)新裝置應(yīng)用研究驗(yàn)證，包括對現(xiàn)有數(shù)字仿真模型校準(zhǔn)和FACTS、柔性直流等裝置建模驗(yàn)證。

(4)技術(shù)培訓(xùn)，包括調(diào)度運(yùn)行人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)和電力系統(tǒng)新技術(shù)培訓(xùn)。

5 結(jié)論

隨著特高壓交/直流電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)一步推進(jìn)，輸送能力大幅提高，系統(tǒng)特性發(fā)生顯著變化，電網(wǎng)中交/直流相互作用、送受端相互影響加劇，如何準(zhǔn)確分析系統(tǒng)特性并進(jìn)行有效控制，是電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國家電網(wǎng)的不斷發(fā)展、演化，迫切需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅提升，與時俱進(jìn)，創(chuàng)新研發(fā)新一代的仿真工具，建立相應(yīng)的仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)未來特性全面、清晰、深入的認(rèn)知、分析，全面提升電網(wǎng)掌控、駕馭能力。而適應(yīng)未來電網(wǎng)發(fā)展的電力系統(tǒng)數(shù)模混合仿真技術(shù)是當(dāng)前乃至近年電網(wǎng)仿真分析的必備手段。

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