德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司

集成復(fù)雜且耦合的實(shí)時(shí)仿真智能能源系統(tǒng)

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智能能源仿真和自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室（SESA Lab）是集成式“ICT for Energy Efficiency”實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)組成部分，它是由德國(guó)聯(lián)邦政府和聯(lián)邦州贊助的大型研究機(jī)構(gòu)。這座以研究和教育為目的的實(shí)驗(yàn)室于2013年底開(kāi)始在奧爾登堡大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系施工，位于德國(guó)奧登堡的OFFIS信息技術(shù)研究所的能源研發(fā)部門(mén)OFFIS信息技術(shù)研究所提供了大力支持。

SESA Lab實(shí)驗(yàn)室追求智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)合仿真的創(chuàng)新方法，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)室的目的是為了全面地評(píng)估創(chuàng)新防護(hù)組件和操作控制系統(tǒng)，以便讓它們可以以最小的風(fēng)險(xiǎn)更快速投入到實(shí)際應(yīng)用中。該解決方案借助Beckhoff基于PC和EtherCAT的控制技術(shù)實(shí)施。

ICT 在安全關(guān)鍵能源系統(tǒng)中的應(yīng)用

未來(lái)的智能能源系統(tǒng)必須能夠應(yīng)對(duì)在一個(gè)上位控制層中整合各種活動(dòng)組件的挑戰(zhàn)，并在運(yùn)行期間自動(dòng)對(duì)它們進(jìn)行協(xié)調(diào)。這是確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行并同時(shí)推進(jìn)可再生能源大規(guī)模擴(kuò)張的唯一方法，因受到預(yù)測(cè)不確定性的影響，其本質(zhì)上是可變的。

雖然所需的信息、通訊和自動(dòng)化系統(tǒng)已被證明在其它應(yīng)用領(lǐng)域是可靠的，關(guān)鍵能源系統(tǒng)長(zhǎng)期應(yīng)用的安全性至今仍在很大程度上未經(jīng)過(guò)測(cè)試。這意味著，從能源供應(yīng)的角度來(lái)看，它們會(huì)帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)。用于分布式可再生能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理的創(chuàng)新ICT解決方案——例如對(duì)于系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定電力控制的防護(hù)與控制系統(tǒng)或組件（有功和無(wú)功），必須事先進(jìn)行廣泛的測(cè)試，并且必須對(duì)它們的交互進(jìn)行評(píng)估。

需要靈活的仿真方案

關(guān)鍵能源系統(tǒng)的高度復(fù)雜性安全意味著形式化分析以確定某些特性是不可能的。另一方面，以一種現(xiàn)實(shí)的方式映射所有影響因素的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試將需要過(guò)多的工作量，也是不可行的。因此仿真是唯一能夠滿足需求的選項(xiàng)，用于此目的的環(huán)境必須能夠整合在不同環(huán)境中開(kāi)發(fā)的各種異構(gòu)模型。SESA Lab實(shí)驗(yàn)室里的研究人員正在創(chuàng)建一個(gè)能夠整合這種模型功能并在各種問(wèn)題和應(yīng)用程序上下文中執(zhí)行它們的平臺(tái)。

這種復(fù)雜、廣泛的系統(tǒng)不能激活有效監(jiān)測(cè)相關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程，不能使控制響應(yīng)（振蕩、諧波、響應(yīng)錯(cuò)誤等）的精度和分辨率一致地進(jìn)行仿真。對(duì)于更高層次的平衡研究（如進(jìn)度控制、市場(chǎng)互動(dòng)），它通常是沒(méi)有必要考慮這種現(xiàn)象的。據(jù)OFFIS能源部主管Dr. Sebastian Lehnhoff教授所說(shuō)，這就是為什么SESA Lab實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)名為“蒙太奇”的聯(lián)合仿真架構(gòu)的原因，它可以用于自動(dòng)組成異構(gòu)模型和它們的協(xié)調(diào)仿真。

精確的實(shí)時(shí)硬件和廣義軟件模型的聯(lián)合仿真

SESA Lab的核心是一個(gè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)仿真裝置。它在“硬件在環(huán)”（HIL）仿真概念的基礎(chǔ)上為未來(lái)智能電網(wǎng)實(shí)施信息通信技術(shù)和自動(dòng)化系統(tǒng)的組件。它已經(jīng)在汽車行業(yè)使用，以最高分辨率檢測(cè)動(dòng)態(tài)行為。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真，“蒙太奇”與廣義的基于軟件的仿真模型結(jié)合并協(xié)調(diào)。這樣，它使得有目的地?cái)嚅_(kāi)子系統(tǒng)連接成為可能，然后可以進(jìn)一步檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的硬件仿真和自動(dòng)化部分。實(shí)驗(yàn)室原理圖如圖1所示。

實(shí)時(shí)電網(wǎng)仿真裝置能夠在專用的信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)高精度、動(dòng)態(tài)電網(wǎng)和資源模型。交流電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)行為能夠以高達(dá)10微秒（最大100kHz）的分辨率進(jìn)行檢測(cè)。電網(wǎng)仿真裝置擁有模擬量接口，該接口與電網(wǎng)的交流信號(hào)連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際設(shè)備和系統(tǒng)的操作。

嵌入式平臺(tái)和“無(wú)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”的 I/O鏈接

除了電網(wǎng)仿真裝置之外，實(shí)驗(yàn)室還使用了C6920控制柜式工業(yè)PC、CX2020嵌入式控制器和EtherCAT端子模塊，所有這些產(chǎn)品都來(lái)自Beckhoff。Dr. Sebastian Lehnhoff教授解釋道：“這種基于PC的控制技術(shù)用于實(shí)時(shí)執(zhí)行基于 MATLAB?/Simulink?的系統(tǒng)和組件模型。TwinCAT 3用作自動(dòng)化軟件包，包括各種支持諸如OPC UA、IEC 60870-5-10x、IEC 61850和IEC 61400-25的TwinCAT 3功能。TwinCAT 3可以無(wú)縫集成 MATLAB?/Simulink?，并將它用作一個(gè)編程語(yǔ)言，以便于集成相應(yīng)的型號(hào)，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。此外，PC控制作為一項(xiàng)工業(yè)控制技術(shù)，可以非常輕松地集成簡(jiǎn)單的控制器，甚至基于代理系統(tǒng)的上位控制器。高性能的工業(yè)PC系統(tǒng)也用作計(jì)算機(jī)終端，用于控制和保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用。”

據(jù)Dr. Sebastian Lehnhoff教授所述，該配置的一個(gè)特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無(wú)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鏈接和組件的輸入和輸出分配：“我們?yōu)榇耸褂昧嘶谝蕴W(wǎng)和EtherCAT的通訊系統(tǒng)。另一方面，我們也能夠鏈接實(shí)時(shí)平臺(tái)的模擬量輸入和輸出，從而能靈活地連接動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型和不同的實(shí)時(shí)仿真節(jié)點(diǎn)，無(wú)需大量的轉(zhuǎn)換工作。”

圖1 SESA Lab實(shí)驗(yàn)室原理圖

I/O集線器和EtherCAT核心部分用于無(wú)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地鏈接連接實(shí)時(shí)電網(wǎng)仿真裝置的模擬量輸入和輸出