電力系統數?；旌戏抡婕夹g及發展應用

朱藝穎

(中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引言

為滿足未來持續增長的電力需求，實現更大范圍的資源優化配置，推動電力工業技術創新和能源的高效開發利用，促進經濟社會可持續發展和全面建設小康社會，國家電網公司提出了加快建設以MV級交流和±800 kV級直流系統特高壓電網為核心的堅強的國家電網的戰略思想［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荷中心的特高壓電網，以及交/直流特高壓輸電系統并列運行的格局。

國內外的工程實踐表明:對于重大工程規劃、設計、建設和運行的各個階段，僅靠電力系統非實時計算分析是不夠的［2］。加拿大、日本、巴西、韓國研究機構和ABB、Siemens等公司均建設了大規模的電力系統實時仿真試驗室。在我國電網發展的各個重要階段，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，都通過電力系統動態模擬裝置、暫態網絡分析儀(transient network analyser，TNA)、交/直流數?；旌戏抡嫜b置進行過大量的試驗研究。

電力系統數模混合仿真采用先進的數字和物理模型組合技術，構成兼有物理和數字技術特點的實時電力系統模型，可進行從電磁暫態到機電暫態的全過程實時仿真研究［3］。

電力系統數?；旌戏抡婕夹g的發展是圍繞我國電力工業的發展實際需求，在電網規劃方案及運行特性、交/直流混合電網控制規律和控制裝置的校核與優化、新能源接入后電網安全穩定性及協調控制、新型電力技術、電力設備接入電網等關鍵技術的研究方面均能發揮優勢，使全面掌握大型復雜電網運行和控制機理的有效工具［4］。

1 數?；旌戏抡婕夹g簡介

數模混合仿真能較精確地模擬交/直流電力系統的運行特性和動態過程，其應用范圍包括復雜交/直流輸電系統運行特性仿真、多直流落點地區交/直流系統相互影響研究、各種新型電力電子設備接入電網及其控制特性仿真等［5］。

數模混合仿真技術可分為單向功率傳輸接口數模混合仿真、雙向功率傳輸接口數?；旌戏抡婧投涡盘柦涌跀的；旌戏抡妗?/p>

單向功率傳輸接口數?；旌戏抡嬖硎前l電機、動態負荷和感應電動機等旋轉元件采用數字模型進行仿真，其他電力系統元件采用物理器件進行模擬，數字仿真與物理仿真連接的傳輸功率為單方向，即功率僅從數字模型傳輸到物理模型。通過數/模(D/A)轉換卡輸出數字側信號，經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 (A/D)轉換卡將物理仿真裝置的狀態反饋給數字仿真裝置。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?；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?；旌戏抡嫜b置原理是用數字模型模擬大部分電力系統，僅用物理模型模擬需要詳細仿真的部分，例如高壓直流輸電系統(HVDC)、靈活交流輸電系統等，數字仿真與物理仿真連接的傳輸功率為雙方向，即功率可從數字模型傳輸到物理模型，也可從物理模型傳輸到數字模型。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分割為數字和物理的2個可同步獨立運行的子系統，2個子系統之間通過接口電路交互功率。用作解耦的電力系統元件有很多種，包括發電機、負荷、母線、變壓器、輸電線路等。每種解耦元件都有其對應的接口算法，以實現網絡的分割。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。分布參數線路的貝杰龍等值模型是數模混合解耦元件較為合適的選擇，將分布參數線路的波過程轉化為僅含電阻和電流源的集中參數電路，可以利用輸電線路的行波延時來精確補償接口的軟硬件延時［6］。

隨著計算機技術的發展以及對電力系統元件的進一步認識，對交/直流系統的全數字仿真已經越來越得到認可，可以用數字模型模擬整個交/直流電網［7］，而對于直流輸電等控制特性較為復雜的系統，采用將實際控制器接入數字電網的數?；旌戏抡媸菍嶋H電網特性最真實的模擬。隨著數字實時仿真技術的不斷發展和完善，越來越多的控保設備可以同時接入數字仿真電網，對研究大規模交/直流電網的交互特性起到支撐作用。

數字仿真程序與控制保護裝置交互的為開關量和模擬量，因此接口交互主要有晶閘管觸發脈沖、變壓器分接頭位置信號、交/直流開關狀態信號、交/直流開關場投切信號、節點電壓、輸送功率等。由于信號量大多轉換成電平信號，電壓水平與A/D、D/A、D/I、D/O接近，經過相應電平轉換芯片即可實現信號量的交互，仿真程序經D/A或DO輸出數字控制信號給控制保護裝置，控制保護裝置將開關量、分接頭位置信息等通過數字輸出或A/D、D/I發送給仿真程序。信號傳輸由專用電纜實現，保證信號不失真［7］。全數字仿真程序與控制保護裝置的互聯如圖2所示。

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

2 國內外數模混合仿真工具比較

2.1 電磁暫態數模仿真工具綜合對比

在20世紀90年代初，隨著商業化高速數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臺電力系統全數字實時仿真系統。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公司等也相繼進行了全數字實時仿真系統的開發和研制工作，其代表產品為HyperSim仿真系統［8］。國內的產品主要就是中國電力科學研究院開發的ADPSS。目前從各類仿真工具的應用領域來看，主要包括2類:(1)大電網穩定分析的系統級仿真;(2)單一工程的設備級仿真。

目前，除中國電力科學研究院外，南瑞集團、國網北京經濟技術研究院、國網智能電網研究院及省級以上電力科學研究院主要利用ADPSS、RTDS、RT-LAB等數模仿真平臺進行設備級的裝置閉環試驗、過電壓計算、直流工程成套設計、聯調試驗以及柔性直流等電力電子新設備研發。但受控保、計算資源等硬件規模限制，不具備超大電網仿真能力。

現階段，國內外可用于大電網仿真的軟件主要為國產的ADPSS和加拿大的HyperSim、RTDS。中國電力科學研究院自主研發的ADPSS電網仿真規模可達“三華”+“兩北”220 kV及以上網架，但其電磁暫態仿真規模仍需要測試和提升、接入實際控保能力有限，已應用于18個省級以上電網公司。引進的HyperSim平臺是目前電磁暫態仿真規模最大的系統，可仿真省級電網(如江蘇)220 kV以上電網規模。

南方電網RTDS實驗室有33個RACK，可仿真廣東電網220 kV以上規模，與中國電力科學研究院現有HyperSim平臺仿真能力大致相當。

為應對未來特高壓交/直流大電網數模仿真，國內外現有平臺能力均有不足，需要攻克特高壓大電網、大規模電磁暫態、多直流控保聯合仿真的關鍵問題，才能逐步滿足仿真研究需要。

2.2 HyperSim與RTDS技術比較

HyperSim和RTDS應用最為成熟，ADPSS的主要特點是實現了機電－電磁混合的實時仿真，但在數?；旌戏抡娣矫嫔刑幱陂_發完善階段，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的一種基于并行計算技術、采用模塊化設計、面向對象編程的電力系統全數字實時仿真軟件，HyperSim集成了商用計算機硬件平臺和軟件系統兩大部分，該系統既可以Linux工作站進行單處理器或多處理器的離線仿真，也可以通過SGI服務器或者OPAL-RT公司的OP5600系列仿真主機進行實時仿真。HyperSim提供了電磁仿真的準確性、并行處理器強大的計算能力以及離線仿真的靈活性，比傳統的模擬仿真器應用更加靈活、簡單、廉價，可用于電力系統、電力電子及電機拖動分析，用于HVDC及FACTS設備動態性能測試，以及控制系統性能測試、繼電保護和重合閘裝置閉環測試。

HyperSim的硬件平臺SGI超級計算機，最新產品是SGI UV 2000，其采用NUMAFlex體系結構，單一操作系統，所有處理器共享內存，具有管理簡單、運算效率高、易于編程等特點。SGI UV服務器在高性能計算應用方面的表現非常好，Linpack效率通常都能達到93%以上，最極端復雜的應用都能達到90%左右。SGI Altix UV系列服務器采用的是分布式的共享內存結構，在物理上是分布式放置，而在邏輯上實現統一編址的內存空間，這樣在共享內存體系結構下所有處理器都可以訪問其全部的內存空間，最多可以實現64TB的內存共享。SGI UV 2000是全局共享內存服務器，任何一個節點上的處理器都能夠訪問所有內存，就像訪問本地內存一樣。相比于Cluster結構，作業運行效率更高，完成任務所需要的時間更短。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)。前者主要實現的是粗粒度并行，后者是在對程序進行細粒度的并行，兩者各有優勢。對于SGI Altix UV高性能服務器系列來說，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過程。仿真精度為64位雙精度，在代碼產生、編譯和仿真過程中，HyperSim使用的都是真64位雙精度浮點數，數值穩定。HyperSim代碼生成器用來分析網絡拓撲，分解線路、母線、控制元件及其子系統為不同的任務，自動將任務合理分配給各并行處理器，使各任務之間通信負擔最小。通過代碼生成模塊產生的C語言代碼在實時與離線狀態下都完全相同，仿真結果也完全一致，唯一不同的是編譯過程。

HyperSim是一個開放結構的仿真軟件，有許多方便靈活的接口。在仿真文件開發過程中，通過UCB接口，提供用戶一個開發環境和集成方法，增加HyperSim建模能力和應用靈活性;通過MATLAB接口，可充分發揮商業軟件的優勢，提高仿真文件的開發效率;通過EMTP接口，可將EMTP和HyperSim仿真文件相互轉換，因而對常規電磁仿真程序完全兼容;通過A/D、D/A接口，可將硬件設備聯接到虛擬的電力系統環境中進行實時仿真。HyperSim目前正在探索進一步增加計算核的技術，隨著計算核數的增加，所能接入的接口裝置數量也會進一步增加。

是由加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司開發生產的。RTDS的硬件結構和軟件特點比較具有代表性。其產品主要都是基于并行處理計算機結構的，專為電力系統實時仿真設計，用于閉環實時仿真測試。RTDS實質上是為實現暫態過程實時數字仿真而專門開發的并行計算機系統。

RTDS硬件采用高速并行處理器，處理器主板由RTDS技術公司自行開發。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的數量決定系統的規模。在實時通信速度方面，RTDS每個單元(RACK)的通信連接通道數量有限。對于大型電力系統來說，當達到這個連接極限時，并行處理的效率會變低，運行也會出現困難?？傮w來說，由于RTDS公司自己開發仿真系統的主板，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。這樣會導致仿真算例的不穩定，必要時必須重啟系統。在實時和離線情況下編譯生成的代碼不同，所以實時仿真和離線仿真結果不同。

RTDS數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，在線仿真時則不可以，可以導入PSS/E文件。

從設備計算機仿真能力看，HyperSim與RTDS均為三相電磁暫態計算，在此基礎上通過并行計算實現實時仿真。但是二者的具體設計思路與硬件實現方法不同。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芯片實現;而HyperSim則采用商用的SGI并行計算機實現并行計算。由此決定了二者在仿真規模、步長、數據庫處理能力、長期穩定運行能力及仿真精度方面各自的特點。

從仿真規模與分網靈活性看，在仿真規模方面，在相同投資情況下，HyperSim的仿真規模與靈活性明顯大于RTDS，這是由電力系統分割原理和二者的實現方法決定的。

HyperSim采用商用并行機，各CPU的結構與計算能力完全相同，對給定電網仿真時，可以實現自動分網，自動計算所需CPU數目或仿真的最小步長。當CPU數目有限時，可以自動增大仿真步長，不同仿真步長的計算結果相同。也可通過設定仿真時間的倍數保持小仿真波長完成計算。

RTDS采用專用的硬件，1個RACK所能解網的規模有限，所能計算的元件數取決于元件的復雜程度及硬件的配置。1個RACK的解網能力嚴格限制了其仿真規模。

對于 HyperSim與 RTDS，目前均有最大硬件數量。

在網絡分割與并行任務分配方面，HyperSim可實現自動分網與并行任務分配，而RTDS建議采用手動分網與并行任務分配。

在數據庫處理能力方面，二者均能滿足電力系統實時仿真的需要，HyperSim的實時數據存儲能力稍大。對仿真后的數據進行處理的能力，2個仿真器基本相同。

從長期穩定運行能力看，二者都具有足夠的運行穩定性。在數值計算穩定性方面，HyperSim略優于RTDS。這主要是由于HyperSim在代碼生成、編譯和仿真過程中均為64位雙精度浮點數運算;而RTDS的64位雙精度浮點數運算是通過軟件實現的，這是因為RTDS的代碼運行在不同的硬件上，這將有可能在長時間運行時導致系統不穩定。

選擇仿真器類型和規模應與所要解決的問題及實驗室的特色結合起來。中國電力科學研究院電力系統仿真實驗室的定位是研究大電網的運行與控制特性，因此選擇HyperSim作為主要仿真工具是合適的。

3 將實際控制器接入數字仿真電網

隨著電力電子技術的不斷發展，直流輸電、靈活交流輸電、新能源發電等利用電力電子技術的工程越來越多的出現在電網中。對于電力電子技術設備來說，其控制復雜性遠超常規交流設備，每個工程的控制器具有特殊性。將電力電子設備的控制器接入到數字仿真電網中進行聯合仿真，是最真實模擬電力電子設備控制特性的方法。下面以直流輸電控制保護系統為例說明。

直流輸電實際控制保護系統由硬件及軟件組成，硬件包括控制保護系統主機、輸入輸出信號處理板卡;軟件包括主機程序、板卡程序。硬件與軟件結合成一個整體，完成直流控制保護系統的整個功能［9］。

主機與主機程序完成整個直流系統的閉環控制功能，同時完成保護功能，其主要功能包括電流控制、電壓控制、關斷角控制、無功功率控制、分接頭控制、一次設備的順控操作控制、形成控制脈沖送至閥控單元。

板卡與板卡軟件負責將一次系統的數據進行處理，將處理后的數據送至主機中的程序，同時將控制系統的指令下發至一次設備，例如直流設備的操作，換流變壓器分接開關調節、交流濾波器的投切等。

為了更靈活及高效地對直流系統進行控制及保護，實際控制保護系統進行了分區控制及保護，每個區域均配置了控制保護系統，現有的特高壓直流中，一般分位雙極區、極區、換流器區，每個區域的控制保護系統硬件及軟件相互獨立，只是進行必要的數據交換。

數?；旌戏抡嫠玫膶嶋H直流控制保護仿真系統除了沒有保護三取二邏輯及控制冗余外，其結構、硬件及軟件包括編譯環境和系統軟件與實際功能控制保護系統是一致的，故其在性能上與實際控制保護系統具有很好的一致性［10］。控制保護系統軟件的修改工作與實際工程軟件的修改流程相同，能夠密切地追蹤現場控制保護軟件的修改。

對電力電子設備控制器的仿真也可以采用數字模型，但由于數字模型無法真實模擬實際控制器的硬件執行過程，很難確保與實際工程控制特性完全一致。在現場故障分析時，國內外控制保護廠家及研究單位均采用數字仿真平臺與簡化后的實際控制保護裝置相連的仿真系統對故障進行研究。

4 新一代電力系統數模混合仿真平臺

4.1 國內外交/直流電網數?；旌戏抡娆F狀

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

南方電網公司采用RTDS(加拿大)電磁暫態實時仿真南方電網全部500 kV及重點220 kV交流網架、全部在運直流電磁暫態模型，同時接入4回直流實際控保裝置，應用于支持生產運行和科學研究。

加拿大魁北克水電局采用HyperSim(自開發)電磁暫態實時仿真，魁北克省交/直流網架詳細電磁暫態模型，同時接入2回直流實際控保裝置，應用與支持生產運行和科學研究。

國家電網公司采用HyperSim(加拿大)電磁暫態實時仿真特高壓交/直流等值電網電磁暫態仿真模型，含16回數字直流模型，僅接入2回直流實際控保，應用與支持科學研究［11］。

4.2 新一代電力系統數模混合仿真平臺技術方案

未來“四交五直”、“五交八直”特高壓主網架建成后，多直流、交/直流之間的機電、電磁過程相互交織，電網特性愈加復雜?？笨怂娋帧⒛戏诫娋W和中國電力科學研究院現有方案均無法滿足要求，對大電網數?；旌戏抡婺芰μ岢隽烁叩囊?，亟需建立新一代數模混合仿真平臺，實現對大電網真實特性的準確認知把握。

針對電網仿真需求，建立國家電網500 kV以上交/直流電網的電磁暫態詳細仿真模型并接入全部直流工程實際控制保護裝置進行聯合仿真，是最理想的思路。然而電磁暫態仿真由于計算步長小，建模復雜［12］，實時仿真對計算速度要求嚴格，目前國內外的仿真技術均無法滿足建立如此規模的電磁暫態實時仿真模型的需要。因此，為了能解決當前及近期電網發展面臨的問題，采用機電－電磁混合實時仿真是最可行的技術路線，即將特高壓交/直流骨干網架用電磁暫態模型進行仿真，并與實際直流工程控保裝置進行連接，將其余電網用機電暫態模型進行仿真，通過接口與電磁暫態模型連接，進行數?；旌蠈崟r仿真［13］。

新一代電力系統數?；旌戏抡嫫脚_的核心是機電－電磁暫態數字實時仿真裝置，通過數?；旌辖涌谂c實際直流輸電控保裝置、交/直流協調控制裝置、靈活交流系統控制器、新能源控制器等多種控制器連接，形成閉環大電網實時仿真環境。圖3為新一代數?；旌戏抡嫫脚_構成示意圖。

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

4.3 新一代數?；旌戏抡嫫脚_功能

數?；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“校準時鐘”［15］。具有以下4方面功能:

(1)特高壓交/直流混聯電網特性認知及運行決策，包括對交/直流、多直流相互影響下大電網機理特性仿真揭示，極線典型工況校核以及電網故障分析及應對措施制定。

(2)直流輸電工程控制保護試驗研究，包括直流控保優化與校核，直流控保更新校核與認定以及直流控制策略優化。

(3)新技術新裝置應用研究驗證，包括對現有數字仿真模型校準和FACTS、柔性直流等裝置建模驗證。

(4)技術培訓，包括調度運行人員業務培訓和電力系統新技術培訓。

5 結論

隨著特高壓交/直流電網建設進一步推進，輸送能力大幅提高，系統特性發生顯著變化，電網中交/直流相互作用、送受端相互影響加劇，如何準確分析系統特性并進行有效控制，是電網安全運行面臨的嚴峻挑戰。國家電網的不斷發展、演化，迫切需要在現有基礎上大幅提升，與時俱進，創新研發新一代的仿真工具，建立相應的仿真平臺，實現對電網未來特性全面、清晰、深入的認知、分析，全面提升電網掌控、駕馭能力。而適應未來電網發展的電力系統數?；旌戏抡婕夹g是當前乃至近年電網仿真分析的必備手段。

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