胡宏彬，叢 雨，曹 斌，王立強(qiáng)，牛玉廣，胥國(guó)毅

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；4.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

近年來，新能源接入地區(qū)電網(wǎng)的比例逐漸增大，對(duì)新能源消納和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。新能源通過電力電子換流器并入電力系統(tǒng)發(fā)電，高比例新能源接入電網(wǎng)導(dǎo)致電力系統(tǒng)呈現(xiàn)典型的電力電子化特征，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征涵蓋時(shí)間尺度更廣。仿真作為電力系統(tǒng)分析的一種重要方法，已廣泛應(yīng)用于新能源接入電網(wǎng)的研究中。目前通過仿真分析開展了地區(qū)電網(wǎng)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、過電壓校核計(jì)算、保護(hù)策略和定值校驗(yàn)等工作，具備了機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)數(shù)字仿真、電磁暫態(tài)數(shù)模聯(lián)合仿真等能力。機(jī)電暫態(tài)仿真規(guī)模大、計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度和生產(chǎn)運(yùn)行，但由于計(jì)算步長(zhǎng)和解算方法的限制，不能詳細(xì)模擬直流輸電系統(tǒng)及新能源電力電子開關(guān)的工作過程；電磁暫態(tài)仿真計(jì)算步長(zhǎng)更小，暫態(tài)特性更細(xì)致，廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電和過電壓校核，但因計(jì)算步長(zhǎng)小，需要準(zhǔn)確的新能源模型，否則不能進(jìn)行較大規(guī)模的新能源電力系統(tǒng)仿真；數(shù)模聯(lián)合仿真可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字和物理硬件之間的聯(lián)合仿真，計(jì)算步長(zhǎng)小，裝置特性還原度高，廣泛應(yīng)用于新能源電力電子設(shè)備精確仿真和保護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)仿真，但仿真規(guī)模小[1-2]。

綜上所述，單一仿真方法不能實(shí)現(xiàn)從新能源單個(gè)設(shè)備精確模擬到電力系統(tǒng)運(yùn)行的寬時(shí)間尺度仿真，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)面對(duì)大規(guī)模新能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定需求，即要滿足新能源關(guān)鍵設(shè)備并網(wǎng)的精確模擬，也要滿足新能源規(guī)模大的交流電網(wǎng)的仿真分析計(jì)算，需對(duì)目前應(yīng)用的仿真技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，構(gòu)建涵蓋新能源精確模型的大電網(wǎng)聯(lián)合仿真分析平臺(tái)，以滿足含高比例新能源的地區(qū)電網(wǎng)研究分析需要。

1 新能源和電力系統(tǒng)仿真技術(shù)

1.1 仿真技術(shù)介紹

1.1.1 RTDS仿真平臺(tái)

RTDS 仿真平臺(tái)是為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真設(shè)計(jì)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可對(duì)電力系統(tǒng)尤其是直流輸電和FACTS裝置的仿真準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[3-5]。

1.1.2 HYPERSIM仿真平臺(tái)

HYPERSIM仿真平臺(tái)是進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)和離線仿真的工具，具有先進(jìn)的并行計(jì)算、模塊化設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真，同時(shí)也可以進(jìn)行交直流控制裝置的實(shí)時(shí)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)[6-7]。

1.1.3 RT-LAB仿真平臺(tái)

RT-LAB 仿真平臺(tái)是基于PC 集群的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，由上位機(jī)、目標(biāo)機(jī)及控制器組成，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和硬件在環(huán)測(cè)試。上位機(jī)通過Simulink 建立數(shù)字模型，下載到目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行；目標(biāo)機(jī)為基于PC 的實(shí)時(shí)仿真器，可將復(fù)雜模型分配到多個(gè)計(jì)算核心中進(jìn)行并行處理仿真；控制器為實(shí)物控制裝置，通過板卡接口與虛擬模型進(jìn)行信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真與測(cè)試。RT-LAB 仿真平臺(tái)兼顧實(shí)時(shí)仿真和電力電子動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)控制器的邏輯設(shè)計(jì)優(yōu)化、參數(shù)校驗(yàn)、性能評(píng)估，為新能源、直流、電力電子裝置等接入系統(tǒng)提供有效的技術(shù)分析方法[8-12]。

1.1.4 FPGA仿真平臺(tái)

FPGA仿真平臺(tái)是專用集成電路中的一種半定制電路，一種可編程的邏輯陣列，具有并行的硬件電路結(jié)構(gòu)，支持多進(jìn)程并行運(yùn)算，大量的芯片引腳可以配置到獨(dú)立的輸入、輸出端口以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。FPGA 仿真平臺(tái)具有高度的并行處理能力，更加適用于對(duì)小步長(zhǎng)高精度的高頻電力電子實(shí)時(shí)仿真[13-20]。

1.1.5 ADPSS全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

ADPSS 全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)由我國(guó)自主開發(fā)，可用于電磁、機(jī)電暫態(tài)分網(wǎng)并行計(jì)算的電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，利用機(jī)群已有的多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和高速的通信網(wǎng)絡(luò)，采用并行計(jì)算技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)模擬任務(wù)進(jìn)行分解，仿真規(guī)模可以達(dá)到1000臺(tái)發(fā)電機(jī)、10 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)的大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真。仿真平臺(tái)可以與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)相連，用在線調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，也可接入繼電保護(hù)、安穩(wěn)控制、交直流輸電控制裝置等，進(jìn)行閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)[21-23]。

1.2 對(duì)比分析

RTDS、HYPERSIM、RT-LAB、FPGA、ADPSS 仿真平臺(tái)技術(shù)對(duì)比情況見表1。

2 大規(guī)模新能源并網(wǎng)數(shù)模聯(lián)合仿真平臺(tái)的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)室初步建成的RT-LAB 仿真平臺(tái)，可開展新能源機(jī)組和新型電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試等研究工作，為大規(guī)模新能源接入地區(qū)電網(wǎng)的消納、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供測(cè)試、研究、分析及評(píng)估的平臺(tái)。雖然該平臺(tái)在單個(gè)控制器的電磁暫態(tài)仿真方面具有優(yōu)勢(shì)，但仿真規(guī)模有限，大規(guī)模新能源建模及并網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真方法欠缺，仍需繼續(xù)完善數(shù)模聯(lián)合仿真平臺(tái)的仿真分析能力.

根據(jù)大規(guī)模新能源接入的研究需求，規(guī)劃基于RT-LAB 的數(shù)模聯(lián)合仿真平臺(tái)，以滿足新能源和新型電力電子設(shè)備仿真測(cè)試、新能源場(chǎng)站及并網(wǎng)性能仿真評(píng)估、大規(guī)模新能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定仿真分析及網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化研究需求。

2.1 硬件架構(gòu)

在地區(qū)電網(wǎng)已配置一定規(guī)模的RT-LAB仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展建設(shè)圍繞RT-LAB 和HYPERSIM 的聯(lián)合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模電網(wǎng)的仿真分析。圖1 為聯(lián)合仿真平臺(tái)架構(gòu)，該平臺(tái)由RT-LAB和HYPERSIM仿真平臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)平臺(tái)在仿真軟件操作計(jì)算機(jī)、多核CPU、數(shù)字量和模擬量通道及FP?GA組成的硬件系統(tǒng)上運(yùn)行，運(yùn)行方式為仿真軟件操作計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將模型上傳到OP5600加載運(yùn)行，OP5600和OP5607之間采用光纖通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過程的計(jì)算和數(shù)據(jù)交換。RT-LAB和HY?PERSIM 仿真平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通過兩臺(tái)OP5607 的FPGA模塊進(jìn)行光纖通信，由于光纖的傳輸速率快，因此FPGA 模塊間的傳輸速率在幾十到幾百納秒，完全可以滿足新能源的精確性和大電網(wǎng)的聯(lián)合仿真需要。

表1 仿真技術(shù)對(duì)比

圖1 數(shù)模聯(lián)合仿真平臺(tái)架構(gòu)

2.2 功能

2.2.1 新能源關(guān)鍵控制設(shè)備硬件在環(huán)仿真測(cè)試

RT-LAB 仿真平臺(tái)支持硬件在環(huán)，能夠真實(shí)還原實(shí)際控制器的動(dòng)態(tài)特性，平臺(tái)可以為新能源機(jī)組先進(jìn)控制策略驗(yàn)證、高/低電壓過渡和電網(wǎng)適應(yīng)特性研究、有功功率和電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)化、開發(fā)與測(cè)試等工作提供重要的技術(shù)支撐。同時(shí)在平臺(tái)上開展新型控制保護(hù)裝置的各種安全穩(wěn)定和故障恢復(fù)控制策略、優(yōu)化新型電力電子無功補(bǔ)償裝置功能測(cè)試等技術(shù)研究，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2.2.2 新能源場(chǎng)站并網(wǎng)特性仿真測(cè)試和評(píng)估

通過RT-LAB仿真平臺(tái)單機(jī)控制器測(cè)試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)同型號(hào)機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比和一致性評(píng)估，修正模型中的控制參數(shù)，搭建完整的新能源電磁暫態(tài)仿真模型，保障單機(jī)仿真模型精準(zhǔn)化。同時(shí)研究新能源場(chǎng)站的聚合特性，將電站模型等值為聚合模型，評(píng)估新能源場(chǎng)站并網(wǎng)特性和一致性。

2.2.3 新能源匯集區(qū)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行仿真分析

基于RT-LAB 仿真平臺(tái)，開展新能源并網(wǎng)的精準(zhǔn)仿真建模，聯(lián)合HYPERSIM仿真平臺(tái)為開展大電網(wǎng)運(yùn)行分析與特性研究提供新能源與直流系統(tǒng)模型基礎(chǔ)和技術(shù)支持；研究新能源匯集區(qū)與區(qū)域電網(wǎng)間的交互影響。此外，RT-LAB 和HYPERSIM 仿真平臺(tái)均支持硬件在環(huán)，通過引入實(shí)際直流控制器、新能源電源控制器等，開展裝置測(cè)試、控制器算法研發(fā)測(cè)試等工作。聯(lián)合仿真技術(shù)方法也可用于大電網(wǎng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)運(yùn)行行為、新能源并網(wǎng)特性分析、電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力、次同步振蕩、控制策略優(yōu)化調(diào)度等問題的研究。

2.2.4 結(jié)合調(diào)度運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證校核

通過研究數(shù)字仿真模型與實(shí)際運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，利用數(shù)模仿真平臺(tái)與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互接口，可以將實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行斷面作為仿真基態(tài)，確保仿真模型運(yùn)行場(chǎng)景與實(shí)際電網(wǎng)貼近。通過搭建與仿真模型一致的EMS計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)際電力系統(tǒng)中SCADA測(cè)量的采集方式，開發(fā)軟硬件數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)與EMS系統(tǒng)之間的閉環(huán)數(shù)據(jù)環(huán)境，對(duì)仿真模型的運(yùn)行工況進(jìn)行友好互動(dòng)監(jiān)視，具備對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式校驗(yàn)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等多種功能，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真、電網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)度自動(dòng)化三者的有機(jī)融合，保證仿真系統(tǒng)更好地服務(wù)于地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行。

3 結(jié)語

隨著地區(qū)電網(wǎng)新能源占比的不斷提高，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行研究對(duì)仿真分析能力的要求隨之提升。本文系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于電力系統(tǒng)的主流仿真軟件和方法，基于地區(qū)電網(wǎng)新能源電力系統(tǒng)仿真需求，規(guī)劃構(gòu)建既能精準(zhǔn)反映新能源特性又能滿足電網(wǎng)分析的RT-LAB和HYPERSIM數(shù)模聯(lián)合仿真平臺(tái)，提出了平臺(tái)的硬件架構(gòu)，介紹了具體的應(yīng)用場(chǎng)景功能，為地區(qū)電網(wǎng)新能源并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的仿真研究分析提供了技術(shù)支撐。