新疆電網全數字仿真系統的建設及思考

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(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.國網新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨新疆電網的大發展，融入風電、光伏等新能源，傳統的方法對電網運行進行分析和監測難以滿足要求。加上互聯系統中含有交直流輸電線路，而且廣泛應用了電力電子裝置，電網的穩控運行更復雜[1]。目前，新疆電網形成了750～220 kV的主網架和UHVDC(哈密—鄭州± 800 kV)的投運，加上750 kV超高壓交流輸電建設將發展構成環網。整個新疆電網的復雜程度更高，對新疆電網的安全穩定運行水平、規劃預測能力及調度控制等提出了更高的技術要求。建設新疆對電網全數字仿真實驗中心，實現有效的仿真和分析研究，對新疆電網甚至是全國電網的安全、可靠、經濟運行都有著重要意義[2]。

1 電力系統全數字仿真系統的概況

電力系統全數字仿真系統(下面稱全數字仿真系統)是電力系統實時仿真技術經歷了動態模擬仿真、數?；旌蠈崟r仿真系統后，發展的一項新的仿真技術。20世紀90年代初,隨數字信號處理器(DSP)的興起，加拿大RTDS公司首先推出的實時仿真系統(RTDS)。隨后法國電力公司(EDF)開發的有實時和非實時仿真系統(ARENE)、加拿大魁北克水電研究所研發的數字實時仿真器(HYPERSIM)、深圳殷圖科技發展有限公司開發的數字動態實時仿真系統(DDRTS)及中國電科院研發的全數字實時仿真裝置(ADPSS)[2]。它們都是依托各種設備為硬件平臺，采用CPU并行處理技術。通過軟件在CPU上運行來模擬電力元件，基于這個特點給未來元件仿真帶來了發展空間[1]。

目前，全數字仿真系統依托計算機技術、建模技術以及數值算法的發展，開展了電力系統的電網分析計算，使得硬件處理速度更快，模型、參數更準確和適應性更強。另外，全數字仿真系統在實現基本仿真的同時，需要更深的發展大規模實時與超實時仿真、在線應用，實現全過程動態模擬仿真，使仿真可信度與精度更高、功能性與綜合性更強。

2 數字仿真系統關鍵技術

2.1 分網并行計算技術

在大規模復雜的交直流電網中為實現實時與超實時仿真，應用分網并行計算技術提高了仿真能力。由于仿真中沒有網絡的實際接線，針對變電站中刀閘、開關的影響難以模擬，通過把廠站的拓撲結構與電網中變化的拓撲結合分析來考慮刀閘、開關的動作影響；電網運行時設備的投切、參數變化及母線的分裂與合并等變化，均可采用并行仿真模式，可更真實地模擬電力系統運行。比如機電-電磁混合仿真，不再單純地進行機電與電磁仿真，避免了較大的誤差[3,4]。但文獻(1)提出，由于CPU并行處理技術的應用，相應地它們之間的通信、數據交換及不同模型的算法等因素，因而數值不穩定成了仿真規模的限制。電力系統分網并行計算示意圖如圖1所示。

圖1 電力系統分網并行計算示意圖

2.2 系統辨識技術

系統辨識(system identification)，即“動態建?！保簿褪抢帽豢刂葡到y的輸入、輸出數據，經計算機數據處理后，估計出系統的數學模型。在電力系統仿真中，通過系統辨識技術中的參數辨識，來檢驗模型是否正確(或者接近)描述了原系統。即模型輸入/輸出是否充分接近原型系統的輸入/輸出行為。這樣檢驗了仿真模型在多大程度反應真實系統，有助于提高全數字仿真系統的準確性與可信度。

3 典型的全數字仿真系統的功能比較

目前主要應用典型的全數字仿真系統是RDTS、HYPERSIM及ADPSS系統，介紹如下。

1)RTDS系統以電磁暫態仿真為研究，既可進行繼電保護裝置及控制系統的閉環測試，也可進行大規模的動態模擬仿真分析。具有友好的界面支持，給學習人員提供方法、工具[7]；

2)HYPERSIM系統既可實現機電暫態、電磁暫態的實時仿真，也可進行裝置實驗，但目前對于二者的混合仿真卻實現不了[1,2]；

3)ADPSS系統可實現機電暫態與電磁暫態的實時、離線仿真，還可實現機電暫態的分網并行計算、繼電保護試驗；它利用EMS和SCADA系統接收測得的實時數據,處理后連接至繼電保護、PSS等裝置實現閉環測試，它與MATLAB的聯合性很強,可自定義完成功能任務[5,6]。

對RDTS、HYPERSIM及ADPSS系統的技術功能進行比較，如表1所示[1,5,6]。

根據表中3種典型系統的比較可知，在全數字仿真系統實現基本功能的前提下，ADPSS系統突出特點是能夠進行大規模的機電暫態仿真、機電-電磁混合仿真；在實現電網安全自動(安全穩定)裝置的協調控制策略研究中，ADPSS系統實現的效果則更優；勵磁系統仿真和裝置試驗中，ADPSS系統具有豐富的勵磁系統仿真模型。包括直流勵磁機、交流勵磁機和靜止勵磁系統等30多種同步發電機的勵磁系統模型，在中國可以進行絕大部分勵磁系統的模擬仿真，滿足電網穩定計算的要求；在其他方面的應用也更廣泛。而對于RDTS與HYPERSIM系統，它們實現機電暫態仿真的規模要??；機電-電磁混合仿真、機網協調功能也無法實現。

4 新疆電網全數字仿真系統的建設

4.1 新疆電網全數字仿真系統的構建

新疆電網全數字仿真系統在硬件上提出了高要求，以ADPSS裝置為核心設備，加上40臺高性能的計算服務器、8臺數據服務器、6臺應用服務器、1個磁盤陣列和12臺PC終端機構成的機群。利用機群和并行計算技術實現大規模復雜交、直流的電磁暫態和機電暫態仿真、電磁-機電暫態混合仿真及對外接物理裝置進行仿真實驗。高性能的機群服務用戶還可由需求擴展節點，容易實現；并可以把數據網與管理網絡分離，提高了網絡的傳輸速度與可用性。新疆電網全數字仿真系統數據管理采用PSDB電網計算數據管理系統，來實現規劃與調度數據的統一，協同調試運行方式。通過基礎數據與應用數據平臺，能夠協同多地部門異地共同維護和管理電網各類數據，實現調度運行和電網規劃的相關計算分析。PSDB電網計算數據管理系統如圖2所示。

圖2 PSDB電網計算數據管理系統

4.2 新疆電網全數字仿真系統的研究

目前，新疆電網全數字仿真系統實現功能有全數字仿真實驗、綜合仿真應用及全過程仿真安全評估3個方面。針對仿真，該仿真系統進行了風電并網中SVC并列運行仿真。

當前新疆電網投入大量的SVC裝置,實際上由于系統電壓波動，SVC協調控制系統響應時間慢，協調性、可靠性和穩定性能差，嚴重影響SVC裝置功能發揮，從而影響了風電發展。在新疆全數字仿真系統仿真中應用發電廠并列運行機組的調差理論，對并列運行的SVC進行仿真。圖4是在模擬風電場35 kV低壓側把1號與2號SVC裝置并列運行，當 SVC無調差情況下進行階躍性擾動時電流的輸出曲線。由圖4可見，兩臺SVC無功補償裝置不具有進行相互協調的調節能力，故系統無法進行平衡運行。

表1 數字仿真實驗中心3種系統的比較

圖3 無調差時階躍擾動并列運行時SVC電流輸出

圖4 有調差時并列運行SVC的無功輸出

圖4是2臺SVC無功補償裝置在故障前以恒調差為5%時進行并列運行。當模擬風電場并網點110 kV高壓側發生短路故障，110 kV電壓突然跌落到0.4(p.u.)時，并網點處于低電壓狀態，此時SVC無功補償裝置發出正確的動作且進行及時電壓調整，因此保證SVC合理動作。故障消除后，2臺SVC無功補償裝置都能恢復穩定，進行并列運行

由上看出，仿真中解決了SVC調差系數的難題。并且，在新疆華電十三間房風電場進行了現場測試驗證，驗證了在并列運行的SVC設置合理調差時提供合理的電壓波動阻尼，并實現SVC無功裝置合理的無功分配能力。

此外，一方面應用該系統還進行了大規模交直流混聯系的仿真分析。如圖5所示，新疆電網建設了新疆與西北主網的750 kV的第二通道工程及哈鄭直流輸電線路。

圖5 接線圖

應用新疆電網全數字仿真系統建立了包含(±800 kV)哈鄭直流在內的交直流混聯系統的仿真模型，進行了交、直流混聯系統的潮流、暫態穩定及暫態穩定的仿真研究，得知了混聯電網的特性。并對哈鄭直流模型還進行了單極閉鎖故障、雙極閉鎖故障的仿真，研究了系統中的穩定性，并綜合評估分析后，應用于運行的大電網。

另一方面，該系統實現了數據中心與協同計算。該系統的數據中心是將仿真實驗數據、實時運行數據進行劃規、研究，并建立了數據中心維護機制，定期進行維護、校核；為了實現多級調度機構異地并行的數據管理以及聯合方式計算。首先對新疆地區分區，再對每一個地區的元件參數，比如發電機、變壓器及輸電線路的參數通過仿真軟件進行校核，對不同電壓等級進行數據分壓處理。再利用調度數據管理平臺進行統一整理，形成原始的數據庫。對處理好的數據通過協同計算，與國網調度系統的數據中心平臺實現對接、分割，通過分布聯合工作，提高效率和管理水平。

最后，應用該系統進行了風電的低電壓穿越、電力系統故障的分析與反演、安全自動裝置的協調控制策略研究、繼電保護和安全自動裝置的檢驗和試驗研究等。

5 全數字仿真系統建設應用的幾點思考

(1) 數據中心的升級處理——云技術

目前全國各電網應用全數字仿真系統是建立數據中心對自身的數據進行存儲，需要硬件上配備高性能的服務器構成PC機群；對數據的管理需要采用數據管理軟件進行管理應用。再就是地域性因素導致設備維護分散，數據管理不集中及消耗大量的人力資源。云技術在信息技術的處理能力方面強大，采用多個用戶計算服務的方式，為用戶提供計算力、各種軟件服務和存儲空間?？梢娫摷夹g善于數據存儲和計算服務功能。

基于電網全數字仿真系統中數據中心的問題，借鑒目前云計算技術在谷歌、雅虎等搜索引擎中處理海量數據的應用，來對全數字仿真系統的數據進行云技術處理。用戶可以通過云數據中的節點獲取數據，比如說進行仿真試驗、安全評估及與調度配合進行任務的分配和資源管理等。云結構如圖6所示。

圖6 云結構

首先，形成自己的數據云。就是用大量的服務器形成大規模用戶終端系統進行應用服務，對數據應用多副本糾錯，結構相同的節點可進行交替，保證數據的可靠性；接著是數據的存儲。數據包括實時監測數據和仿真數據，在這兩類數據中，可對每一類的公共數據統一某一節點進行存儲。如發電機、變壓器及線路的參數模型數據，對各個地區的數據進行節點分開存儲。當進一步進行數據分類時，可分為正常運行、故障的實測數據及仿真試驗驗證的數據等；再就是，數據的管理維護。在數據服務平臺上，可設置訪問權限，不同的部門設置不同的訪問等級。如國調部門可以調用全國各地區的數據，而省調只能訪問到新疆電網的數據和共享的數據資源，地調的權限則更低。當不同的地區間訪問時，可以通過訪問申請或設置其他賬號來訪問，并且在各個地區通過云對自已的數據進行更新處理。以訪問日志的形式監管云數據庫的訪問及流動情況；最后，需要加強數據安全和保密措施。

(2)可視化的深度處理——視景仿真

隨著電網調度自動化的發展，通過具有可視化的EMS系統對電網進行監測管理。因而可視化技術不斷研究發展。根據這一思路，可應用可視化技術在全數字仿真系統實現仿真過程的直觀逼近模擬。

如全網的潮流動態圖中，依據視景仿真形成潮流三維圖。首先，建立三維模型。建立發電機、輸電線路、變壓器、母線等設備及拓撲結構的其他信息模型數據，為了增強效果還可以建立地理圖的模型數據；接著應用圖像圖形處理技術，構造出電網的三維地理接線圖；再就是仿真的再現。實時監測數據在仿真系統進行試驗驗證時，不僅形成三維潮流的動態畫面，還顯示電氣設備的運行狀態。并且，利用拼接技術進行仿真圖形的縮放處理，調出廠站及變壓器的接線情況。當仿真過程中進行故障分析，可以進行預警、警告的可視化顯示。視景仿真模塊圖如圖7所示。

圖7 視景仿真模塊

它包含人為操作模塊，能提供仿真界面環境，在窗口觀察、顯示重要數據功能；數據模塊可分為實時數據和仿真數據。該模塊把獲取的數據進行處理，歸類、篩選、過濾；仿真環境模塊是導入仿真的地理圖及實體圖，顯示模擬的三維仿真環境；驅動場景模塊是模擬環境的動態化驅動；結果評估模塊將仿真數據與正?；蚬收线\行時的數據比對，進行驗證和試驗，顯示評估結果?？梢姡暰胺抡娓苷鎸嵄平哪M仿真，視覺上給人強烈的沖擊，使調度人員快速獲取電網運行狀態，提高工作效率。

(3)智能化仿真分析報告

由全數字仿真系統知道，它能夠進行電網分析一系列功能的試驗與驗證。至于仿真數據的分析，需要人為的通過波形、數據等的分析得出結論。當電網變得更加復雜及需要處理的數據較多時，人為的因素可能影響到工作效率和質量。因此，提出了全數字仿真智能化仿真分析報告的自動生成思路。

智能化仿真分析就是自動的分析仿真結果而生成報告文件。比如，在勵磁系統仿真和裝置的試驗研究中。首先是數據的獲取，將電網中實際運行的勵磁系統通過勵磁方式、控制方式及發電機PSS穩定性進行分類，利用實時監測獲取數據，如發電機在不同的出力時，對應的定子電壓、電流、轉子電流是多大以及相序參數。并且，對發電機在正常運行及受到干擾情況下，通過功角穩定性分析，哪些情況下失穩，哪些情況下穩定。這時所獲取的各項數據是相對比較精確的，也就是在一個特定的范圍內能保證勵磁系統的正常工作，因而形成一個梯度的數據庫；接著數據分析，比如在發電機功角穩定性分析中，正常運行能保證系統中的節點電壓幅值、頻率大小以及功率傳輸為穩定值；受到擾動時功角發生變化，嚴重時導致發電機失步等分析結果形成典型的分析文件。并且，對于發電機失穩時，建議應該采取怎樣的操作措施也提出在分析報告文件中。因而對各種分析形成分析報告文件庫。

這樣，在全數字仿真對勵磁系統模型進行試驗驗證時，就可以直接得到模型參數與實際參數的差別，并且通過智能化分析直觀地看到分析結果。此外，在電力系統故障的分析與反演等其他研究中，同樣建立數據庫和分析文件庫進行智能化分析。智能化分析結構如圖8所示。

圖8 智能化分析結構

(4)與繼電保護故障信息系統的配合

當運行的電網發生故障時，在SCADA/EMS平臺取得實時數據，全數字仿真系統是進行故障的分析和實現該故障的再現；而繼電保護故障信息系統(下面稱保信系統)是將數據進行過濾、篩選，智能分析故障并作出處理決策。發現兩者可以依據實時數據進行分析，但處理側重點不一樣，因而形成兩個系統在功能上配合的思路。對于實時監測的故障數據，利用全數字仿真系統分析和反演驗證后，再進行數據的分類、過濾及篩選，建立保信系統的數據信息；而保信系統在對故障分析處理作出決策后，反過來可利用全數字仿真系統來驗證處理決策是否正確，能否恢復電網的正常運行。兩者相互配合，對調度人員提供詳細分析依據的同時，在電網安全運行及實時監測系統建設中提供子系統，從而有力支撐電網的穩定運行。

此外，還可以建立調度人員培訓平臺，通過截取數據對負荷預測、廠站監控及模擬真實環境仿真等一系列培訓；多直流輸電系統的仿真、風光儲能系統的建設及負荷模型的搭建方面可以利用全數字仿真系統進行更深的研究。因而不斷完善全數字仿真系統的功能建設，有助于提高調度一體化的能力水平。

6 結 論

電力系統全數字仿真系統對于電力系統的運行與安全監測發揮著重要作用。仿真系統與故障信息系統、安全評估預警系統以及安全穩定控制測試系統一起共同作用，構建了大電網的運行仿真、實時監測及安全評估等功能。新疆電網全數字仿真系統需要創新提升、完善建設，實現從電網規劃到生產運行、科研研發應用服務一體的全數字仿真中心。基于該仿真系統建設的思考，提出了云技術、視景仿真技術、智能化分析及保信系統間的配合等應用的新思路。無論通過什么方式完善全數字仿真系統功能建設，在如今的大電網發展中，都具有廣闊的應用前景。

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作者簡介：

鐘 顯(1989)，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定與控制；

樊艷芳(1971)，碩士生導師，研究方向為電力系統穩定與控制；

常喜強(1976)，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力系統穩定與控制；

王 衡(1984)，碩士研究生，工程師，研究方向為電力系統穩定與控制。