集成復雜且耦合的實時仿真智能能源系統

德國倍福自動化有限公司

集成復雜且耦合的實時仿真智能能源系統

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智能能源仿真和自動化實驗室（SESA Lab）是集成式“ICT for Energy Efficiency”實驗室基礎設施的一個組成部分，它是由德國聯邦政府和聯邦州贊助的大型研究機構。這座以研究和教育為目的的實驗室于2013年底開始在奧爾登堡大學的計算機科學系施工，位于德國奧登堡的OFFIS信息技術研究所的能源研發部門OFFIS信息技術研究所提供了大力支持。

SESA Lab實驗室追求智能控制系統實時聯合仿真的創新方法，以實現能量轉換。實驗室的目的是為了全面地評估創新防護組件和操作控制系統，以便讓它們可以以最小的風險更快速投入到實際應用中。該解決方案借助Beckhoff基于PC和EtherCAT的控制技術實施。

ICT 在安全關鍵能源系統中的應用

未來的智能能源系統必須能夠應對在一個上位控制層中整合各種活動組件的挑戰，并在運行期間自動對它們進行協調。這是確保系統安全可靠運行并同時推進可再生能源大規模擴張的唯一方法，因受到預測不確定性的影響，其本質上是可變的。

雖然所需的信息、通訊和自動化系統已被證明在其它應用領域是可靠的，關鍵能源系統長期應用的安全性至今仍在很大程度上未經過測試。這意味著，從能源供應的角度來看，它們會帶來較高的風險。用于分布式可再生能源系統運營管理的創新ICT解決方案——例如對于系統側電網穩定電力控制的防護與控制系統或組件（有功和無功），必須事先進行廣泛的測試，并且必須對它們的交互進行評估。

需要靈活的仿真方案

關鍵能源系統的高度復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，以一種現實的方式映射所有影響因素的現場測試將需要過多的工作量，也是不可行的。因此仿真是唯一能夠滿足需求的選項，用于此目的的環境必須能夠整合在不同環境中開發的各種異構模型。SESA Lab實驗室里的研究人員正在創建一個能夠整合這種模型功能并在各種問題和應用程序上下文中執行它們的平臺。

這種復雜、廣泛的系統不能激活有效監測相關動態過程，不能使控制響應（振蕩、諧波、響應錯誤等）的精度和分辨率一致地進行仿真。對于更高層次的平衡研究（如進度控制、市場互動），它通常是沒有必要考慮這種現象的。據OFFIS能源部主管Dr. Sebastian Lehnhoff教授所說，這就是為什么SESA Lab實驗室正在開發名為“蒙太奇”的聯合仿真架構的原因，它可以用于自動組成異構模型和它們的協調仿真。

精確的實時硬件和廣義軟件模型的聯合仿真

SESA Lab的核心是一個實時電網仿真裝置。它在“硬件在環”（HIL）仿真概念的基礎上為未來智能電網實施信息通信技術和自動化系統的組件。它已經在汽車行業使用，以最高分辨率檢測動態行為。為了實現動態實時仿真，“蒙太奇”與廣義的基于軟件的仿真模型結合并協調。這樣，它使得有目的地斷開子系統連接成為可能，然后可以進一步檢測實驗室的硬件仿真和自動化部分。實驗室原理圖如圖1所示。

實時電網仿真裝置能夠在專用的信號處理器上實現高精度、動態電網和資源模型。交流電氣系統的動態和瞬態行為能夠以高達10微秒（最大100kHz）的分辨率進行檢測。電網仿真裝置擁有模擬量接口，該接口與電網的交流信號連接，從而能夠實現實際設備和系統的操作。

嵌入式平臺和“無拓撲結構”的 I/O鏈接

除了電網仿真裝置之外，實驗室還使用了C6920控制柜式工業PC、CX2020嵌入式控制器和EtherCAT端子模塊，所有這些產品都來自Beckhoff。Dr. Sebastian Lehnhoff教授解釋道：“這種基于PC的控制技術用于實時執行基于 MATLAB?/Simulink?的系統和組件模型。TwinCAT 3用作自動化軟件包，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可以無縫集成 MATLAB?/Simulink?，并將它用作一個編程語言，以便于集成相應的型號，這對我們來說是個相當大的優勢。此外，PC控制作為一項工業控制技術，可以非常輕松地集成簡單的控制器，甚至基于代理系統的上位控制器。高性能的工業PC系統也用作計算機終端，用于控制和保護系統應用?！?/p>

據Dr. Sebastian Lehnhoff教授所述，該配置的一個特點是實驗室內部無拓撲結構的鏈接和組件的輸入和輸出分配：“我們為此使用了基于以太網和EtherCAT的通訊系統。另一方面，我們也能夠鏈接實時平臺的模擬量輸入和輸出，從而能靈活地連接動態系統模型和不同的實時仿真節點，無需大量的轉換工作?！?/p>

圖1 SESA Lab實驗室原理圖

I/O集線器和EtherCAT核心部分用于無拓撲結構地鏈接連接實時電網仿真裝置的模擬量輸入和輸出