彭 沖

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050022)

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)狀及展望

彭 沖

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050022)

介紹了電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的分類方法和適用范圍，綜述常用仿真軟件的仿真能力和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)字仿真技術(shù)的新需求，說明其發(fā)展方向和開發(fā)難點(diǎn)，并論述河北省南部電網(wǎng)運(yùn)用數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行分析的成果。

數(shù)字仿真技術(shù)；仿真軟件；仿真建模

電力系統(tǒng)仿真是根據(jù)原始電力系統(tǒng)建立模型，利用模型進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，研究電力系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的工作行為和特征。電力系統(tǒng)仿真在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用[1]。電力系統(tǒng)仿真可以分為物理仿真和數(shù)字仿真兩類，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(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)求解數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算速度快、使用靈活、成本相對(duì)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[2]。

1 數(shù)字仿真分類方法及適用范圍

根據(jù)不同的原則，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真有不同的分類方法。

1.1 頻域仿真和時(shí)域仿真

根據(jù)仿真變量的不同，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可以分為頻域仿真和時(shí)域仿真。

a. 頻域仿真。以頻率作為仿真變量，著重分析電力系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)情況，用于研究低頻振蕩、次同步振蕩、暫態(tài)和次暫態(tài)過程等。

b. 時(shí)域仿真。以時(shí)間作為仿真變量，著重分析電力系統(tǒng)在不同時(shí)間的動(dòng)態(tài)過程。

1.2 電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)被研究動(dòng)態(tài)過程的不同，時(shí)域仿真可以分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真。

a. 電磁暫態(tài)仿真。用于研究電力元件中電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及相應(yīng)的電壓和電流變化過程，由于電磁暫態(tài)過程變化很快，一般需要分析和計(jì)算持續(xù)時(shí)間在毫秒級(jí)以內(nèi)的電壓、電流瞬時(shí)值變化情況。電磁暫態(tài)仿真通常采用瞬時(shí)值分析計(jì)算。電磁暫態(tài)仿真中，典型的仿真步長(zhǎng)為50～100 μs，對(duì)于電力系統(tǒng)行波過程等快速暫態(tài)過程的仿真分析，需采用更小的仿真步長(zhǎng)。受模型與算法的限制，電磁暫態(tài)仿真規(guī)模不大，進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時(shí)一般都要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)，這在一定程度上丟失了電網(wǎng)的一些固有特性。常見的電磁暫態(tài)仿真軟件有PSCAD/EMTDC、EMTP和ATP等。

b. 機(jī)電暫態(tài)仿真。用于研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，即電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力。機(jī)電暫態(tài)仿真一般采用交替求解法和聯(lián)立求解法。機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)所描述系統(tǒng)的規(guī)模一般沒有限制，因此在實(shí)際工程特別是對(duì)大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定研究中，機(jī)電暫態(tài)仿真得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)電暫態(tài)仿真的典型步長(zhǎng)是10 ms，因此對(duì)于高壓直流輸電(HVDC)、靈活交流輸電(FACTS)等電力電子裝置的仿真準(zhǔn)確性差，有些現(xiàn)象甚至不能模擬，而對(duì)于時(shí)間常數(shù)為百秒級(jí)的動(dòng)態(tài)模型、如鍋爐模型、核電站模型等，又存在大量的CPU計(jì)算浪費(fèi)。常見的機(jī)電暫態(tài)仿真軟件有BPA、PSASP、PSS/E和DigSilent等。

c. 中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真。用于研究電力系統(tǒng)遭受諸如使頻率、電壓、潮流產(chǎn)生較大或者長(zhǎng)期持續(xù)偏移的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問題。這些嚴(yán)重?cái)_動(dòng)可能會(huì)引起一些緩慢變化過程、甚至保護(hù)和控制系統(tǒng)動(dòng)作等，并且其響應(yīng)動(dòng)作過程往往時(shí)間較長(zhǎng)，是常規(guī)機(jī)電暫態(tài)仿真所不能模擬的。中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真通常采用適合剛性變量法的變階變步長(zhǎng)計(jì)算方法，計(jì)算步長(zhǎng)通常從10 ms到幾秒不等。常見的中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真軟件有PSS/E和PSD-FDS等。

1.3 實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真

根據(jù)仿真速度與實(shí)際電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)速度的關(guān)系，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可分為實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真。

a. 實(shí)時(shí)仿真。指數(shù)字仿真計(jì)算速度與所模擬動(dòng)態(tài)過程在實(shí)際電力系統(tǒng)中的響應(yīng)速度一致，即數(shù)字仿真能夠在一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算完成實(shí)際電力系統(tǒng)在該段時(shí)間內(nèi)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)情況，并完成數(shù)據(jù)輸入輸出工作，因此能夠接入實(shí)際物理裝置進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。常見的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)有RTDS、RT-LAB和ADPSS等。

b. 非實(shí)時(shí)仿真。指數(shù)字仿真計(jì)算速度與所模擬動(dòng)態(tài)過程在實(shí)際電力系統(tǒng)中的響應(yīng)速度不一致。

1.4 離線仿真和在線仿真

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的來(lái)源，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可分為離線仿真與在線仿真。

a. 離線仿真。離線仿真與實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)沒有直接數(shù)據(jù)聯(lián)系，一般由人工輸入仿真數(shù)據(jù)，再根據(jù)所搭建的電力系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算。電力系統(tǒng)在進(jìn)行規(guī)劃分析和運(yùn)行方式研究時(shí)采用離線仿真方法。

b. 在線仿真。在線仿真從實(shí)際運(yùn)行電力系統(tǒng)的SCADA/EMS或PMU/WAMS系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)整合后得到仿真計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行仿真計(jì)算。在線仿真主要用于在線地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定分析和評(píng)估、制定預(yù)防控制或緊急控制策略，目前已在實(shí)際電力系統(tǒng)得到大量應(yīng)用，例如國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。

2 常用仿真軟件分析

2.1 PSS/E

PSS/E是PTI公司(Power Technologies Inc，美國(guó)電力軟件公司)專為輸電系統(tǒng)分析而設(shè)計(jì)的綜合仿真軟件包。PSS/E為用戶提供潮流、短路電流、動(dòng)態(tài)仿真、事故分析、最優(yōu)潮流、線性網(wǎng)絡(luò)、可靠性評(píng)估和小信號(hào)分析等功能[3]。

PSS/E是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件之一，該軟件以IEEE標(biāo)準(zhǔn)建立各種元件數(shù)學(xué)模型，模型通用性好，而且支持超過50 000條母線的計(jì)算規(guī)模，利于超大規(guī)模電網(wǎng)計(jì)算。

2.2 PSASP

電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP是中國(guó)電力科學(xué)研究院自主開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真分析軟件包，包括潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、短路電流、小干擾穩(wěn)定、靜態(tài)安全分析等十余個(gè)功能模塊，而且具備用戶自定義模型(UD)和用戶程序接口(UPI)功能，能夠用于輸配電、供用電等各種規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真分析。PSASP軟件架構(gòu)見圖1。

圖1 PSASP軟件架構(gòu)

PSASP是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件之一，有近40年的研發(fā)和應(yīng)用歷程，目前已有600余家用戶。PSASP是完全自主研發(fā)的軟件包，因此對(duì)國(guó)內(nèi)各種電力設(shè)備模型支持較好，用戶使用方便。

2.3 PSCAD/EMTDC

EMTDC (Electro Magnetic Transient in DC System)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 (Power System Computer Aided Design)是EMTDC的人機(jī)界面。

PSCAD/EMTDC能夠?qū)Π瑥?fù)雜元件(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(lì)磁現(xiàn)象、新能源并網(wǎng)控制等電磁暫態(tài)問題。

PSCAD/EMTDC擁有完整準(zhǔn)確的元件模型庫(kù)、穩(wěn)定高效的計(jì)算內(nèi)核和良好的開放性，其仿真結(jié)果在業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)可，在中國(guó)是使用最廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序。

2.4 RTDS

RTDS (Real Time Digital Simulator)是加拿大RTDS公司開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，采用多處理器的并行計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁暫態(tài)過程的實(shí)時(shí)仿真，其算法原理與PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/ETMDC的實(shí)時(shí)化。RTDS并行計(jì)算原理見圖2。

圖2 RTDS并行計(jì)算原理

RTDS系統(tǒng)具有模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出等接口，可以與外部實(shí)際物理裝置連接進(jìn)行閉環(huán)仿真[4]。基于RTDS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真、以及對(duì)控制保護(hù)裝置的閉環(huán)試驗(yàn)，是世界上應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也有大量的RTDS應(yīng)用。

3 數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著直流輸電、電力電子裝置的大量接入以及新能源發(fā)電、微電網(wǎng)等新技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，電網(wǎng)運(yùn)行控制特性變得復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)仿真規(guī)模、仿真精度和仿真速度提出了更高的要求，從而將推動(dòng)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 仿真建模技術(shù)

目前，新能源發(fā)電、柔性直流輸電等新技術(shù)不斷應(yīng)用于電力系統(tǒng)，其運(yùn)行機(jī)理和動(dòng)態(tài)特性仍需要進(jìn)一步研究，數(shù)學(xué)建模方法也有待完善。以柔性直流輸電為例，其電路拓?fù)?、運(yùn)行特性與傳統(tǒng)直流輸電有較大區(qū)別，目前國(guó)內(nèi)主流的機(jī)電暫態(tài)仿真程序尚未有該仿真模型。

此外，新設(shè)備的控制保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備也更加復(fù)雜，不同廠家的設(shè)備控制原理也不盡相同，仿真軟件模型庫(kù)很難覆蓋所有的設(shè)備及其控制系統(tǒng)，因此有必要研究更加靈活的仿真建模方法。一方面是擴(kuò)展仿真軟件本身的自定義建模功能，增加編程開發(fā)接口等；另一方面是提供不同仿真軟件之間的聯(lián)合仿真功能，例如PSASP軟件就提供了與Matlab/Simulink模型的接口。

3.2 數(shù)字-物理混合仿真技術(shù)

在新設(shè)備數(shù)字仿真技術(shù)還不完善的情況下，對(duì)其采用物理仿真模擬、對(duì)常規(guī)電力系統(tǒng)采用數(shù)字仿真模擬，通過數(shù)字-物理混合仿真開展新設(shè)備接入電網(wǎng)的仿真分析成為可行的技術(shù)路線。

數(shù)字-物理混合仿真，也稱為數(shù)模混合仿真，是將物理仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種仿真方法，也被稱為“半實(shí)物仿真”或“Hardware-In-the-Loop Simulation”。混合仿真一般對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單或規(guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行數(shù)字仿真；而對(duì)比較復(fù)雜或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚、建立數(shù)學(xué)模型比較困難的部分，則采用物理模型或?qū)嵨镞M(jìn)行模擬[5]。數(shù)字-物理混合仿真的關(guān)鍵在于數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性和混合仿真接口的穩(wěn)定性。數(shù)字-物理混合仿真接口見圖3。

圖3 數(shù)字-物理混合仿真接口

電力系統(tǒng)數(shù)字-物理混合仿真技術(shù)已有20多年的研究歷程，但近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用有了新的發(fā)展需求，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

a. 大功率交換。主要用于大容量風(fēng)機(jī)、微電網(wǎng)接入電網(wǎng)的仿真，如2010年美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)(FSU)利用MW級(jí)的混合仿真對(duì)電力電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行研究[6]。目前國(guó)內(nèi)尚未有kW級(jí)以上的成熟應(yīng)用案例。

b. 復(fù)雜接口。數(shù)字仿真可以模擬大規(guī)模電力系統(tǒng)，可能會(huì)接入多個(gè)物理仿真設(shè)備，因此帶來(lái)了接口的復(fù)雜性，需要研究接口延遲和誤差對(duì)仿真準(zhǔn)確性、收斂性的影響，提高接口穩(wěn)定性。

3.3 多時(shí)間尺度混合仿真技術(shù)

電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)等不同時(shí)間尺度的仿真方法有各自的適用范圍，采用傳統(tǒng)仿真軟件通常要對(duì)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)備大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性日趨復(fù)雜，不同時(shí)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(huì)因?yàn)楹雎粤似渌鼤r(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過程而引入誤差。在這種情況下，研究多時(shí)間尺度的混合仿真技術(shù)，結(jié)合電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)中的2種或3種方法進(jìn)行數(shù)字仿真可以較好地解決上述問題。

從21世紀(jì)初開始，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都開展了機(jī)電-電磁混合仿真研究，其原理如圖4所示，部分研究成果還得到了工程應(yīng)用。目前還有一些學(xué)者正在研究綜合3種仿真方法的全過程仿真技術(shù)，成為數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

圖4 電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)混合仿真原理

3.4 在線仿真技術(shù)

實(shí)際電力系統(tǒng)的在線運(yùn)行和控制非常復(fù)雜，僅靠人力無(wú)法及時(shí)有效地對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)警，需要借助智能的仿真分析工具進(jìn)行研究，以保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。例如采用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估技術(shù)，在幾分鐘內(nèi)完成成百上千個(gè)仿真計(jì)算任務(wù)，實(shí)時(shí)掃描電網(wǎng)潛在的運(yùn)行隱患。

對(duì)于在線仿真，準(zhǔn)確和快速是兩大基本要求。為提高仿真準(zhǔn)確性，需要研究模型辨識(shí)、參數(shù)實(shí)測(cè)等技術(shù)，提高電網(wǎng)基礎(chǔ)模型參數(shù)的正確性，并結(jié)合EMS和WAMS等多數(shù)據(jù)源的量測(cè)數(shù)據(jù)提高電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。為提高仿真速度，需要研究先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和并行計(jì)算技術(shù)，結(jié)合任務(wù)間并行和任務(wù)內(nèi)并行，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度和并行處理。

4 河北省南部電網(wǎng)仿真技術(shù)應(yīng)用

目前，河北省南部電網(wǎng)在電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行分析中主要應(yīng)用了機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真，其中機(jī)電暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜诖笠?guī)模電網(wǎng)分析，如電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算、安全穩(wěn)定控制措施研究等，多采用BPA軟件；電磁暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜谛∫?guī)模電網(wǎng)或設(shè)備級(jí)分析，如過電壓計(jì)算等，主要采用EMTP或PSCAD軟件。此外還建設(shè)了全數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室[8]，開展機(jī)電-電磁混合仿真和控制保護(hù)裝置閉環(huán)試驗(yàn)等工作。

電網(wǎng)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)仿真結(jié)果至關(guān)重要，河北省南部電網(wǎng)通過數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)和電網(wǎng)參數(shù)實(shí)測(cè)，已建立較完善的仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理機(jī)制，為“大規(guī)劃”和“大運(yùn)行”提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在此基礎(chǔ)上，河北省南部電網(wǎng)持續(xù)開展“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃滾動(dòng)計(jì)算，進(jìn)行電網(wǎng)發(fā)展診斷分析；將電網(wǎng)在線仿真分析技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線穩(wěn)定性分析、運(yùn)行計(jì)劃校核和調(diào)度輔助決策，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速，目前已建立世界上電壓等級(jí)最高、電網(wǎng)規(guī)模最大的交直流混聯(lián)電網(wǎng)，運(yùn)行和控制特性日趨復(fù)雜，急迫需要發(fā)展更加準(zhǔn)確、快速、便捷的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。不僅要跟蹤國(guó)際先進(jìn)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，借鑒先進(jìn)成果，更要緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，自主研究國(guó)際領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真建模和分析技術(shù)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際的數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)步。

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本文責(zé)任編輯：王麗斌

Current Situation and Prospect of Power System Digital Simulation Technology

In this paper,the classification and application area of power system digital simulation technologies are introduced.The capability and current situation of widely-used simulation softwares are illustrated.In addition,new demand on the simulation technologies is investigated,and the development trend and difficulties are demonstrated. Finally,the application of the digital simulation technologies in Hebei Southern Power Grid is presented.

digital simulation technology；simulation software；simulation modelling

2012-11-07

彭 沖(1984-)，男，助理工程師，主要從事輸變電設(shè)備運(yùn)行和檢修管理工作。

TM743

A

1001-9898(2013)04-0023-03