電力系統全數字實時仿真技術＊

劉水，王海群，王致杰，孫叢叢，朱谷雨，白穎

（上海電機學院電氣學院，上海200240）

電力系統全數字實時仿真技術＊

劉水，王海群，王致杰，孫叢叢，朱谷雨，白穎

（上海電機學院電氣學院，上海200240）

電力系統數字仿真已成為電力系統試驗研究、規劃設計和調度運行的重要工具。介紹了電力系統仿真技術的分類方法及現狀，討論了現有電力系統數字仿真軟件和系統的發展趨勢。認為電磁暫態與機電暫態混合仿真、多時間尺度全過程動態仿真和大規模實時仿真系統將是我國電力系統仿真技術的主要發展方向，多時間尺度混合仿真和跨平臺混合仿真是當前研究的熱點。

電力系統；物理仿真；數字仿真；數模混合仿真

電力系統仿真可以分為物理仿真和數字仿真2類，其中，數字仿真是建立電力系統物理過程的數學模型，基于計算機技術和數值計算技術求解數學模型，實現對電力系統的模擬。與物理仿真技術相比，數字仿真不受被研究系統規模和結構復雜性的限制，計算速度快、使用靈活、成本相對低廉，成為分析、研究電力系統必不可少的工具，是電力系統仿真的重要研究方向[1]。在特高壓交直流、FACTS新設備以及新能源不斷接入電網的背景下，在數學建模技術、計算機技術和并行處理技術推動下，實時數字仿真技術會在大規模交直流互聯電網仿真、智能電網仿真相關技術研究、新能源的接入及運行控制、復雜電力系統的故障再現和繼電保護分析以及滿足二次設備閉環測試需求方面得到廣泛應用[2]。

1 電力系統仿真分類

根據不同的原則，電力系統仿真有不同的分類。

1.1 物理仿真、數字仿真和數模混合仿真

數字仿真是建立電力系統物理過程的數學模型，基于計算機技術和數值計算技術求解數學模型，實現對電力系統的模擬。與物理仿真技術相比，數字仿真不受被研究系統規模和結構復雜性的限制，計算速度快、使用靈活、成本相對低廉，成為分析、研究電力系統必不可少的工具，是電力系統仿真的重要研究方向，但其對尚不完全明確機理的新型電力器件存在仿真不完全準確的缺點。

數模混合仿真也被稱為硬件在環仿真，其將易于采用物理模型而難以建立數字模型的電力系統元件運用相似理論進行處理，采用物理模型模擬，比如直流換流閥等。數模混合仿真雖然兼具數字仿真和物理仿真的優勢，但同時也存在物理仿真規模受限、經濟性不高、需要后期維護等缺點。

1.2 在線仿真和離線仿真

根據仿真時采用的數據來源，電力系統仿真可分為在線仿真和離線仿真。在線仿真時，采用的數據是實際電網運行中的監控數據和SCADA系統的實時狀態數據。離線仿真與實際運行的電網沒有直接聯系，可以根據需要輸入數據，是根據所搭建的模型進行仿真。

1.3 實時仿真和非實時仿真

根據電力系統實際運行中系統響應時間和仿真時間之間的關系，電力系統仿真可分為實時仿真和非實時仿真。若電力系統中有實物接入，則要求仿真速度和實際系統動態響應完全一致。實時仿真的發展階段為物理仿真、數模混合仿真和數字仿真。在非實時仿真中，往往仿真使用的時間比實際系統響應時間長得多。

1.4 時域仿真和頻域仿真

根據仿真變量的不同，電力系統仿真可分為時域仿真和頻域仿真。時域仿真以時間為仿真變量，處理時間從幾微秒到數十分鐘，根據響應過程不同分為電磁暫態仿真、機電暫態仿真和中長期動態仿真。頻域仿真以頻率為仿真變量，覆蓋范圍為零赫茲到數兆赫茲，從次同步振蕩、暫態及次暫態直到系統行波。

1.5 電磁暫態、機電暫態和中長期動態仿真

根據所研究系統動態過程的不同，電力系統仿真可分為電磁暫態仿真、機電暫態仿真和中長期動態仿真，屬于時域仿真。電磁暫態仿真可以較準確仿真交直流電力系統各種暫態問題，仿真程序基于Dommel算法，通過隱式積分法將描述電力系統的微分方程、偏微分方程轉化為差分方程，可以精確模擬含HVDC和FACTS的復雜元件。機電暫態仿真主要模擬系統受到大擾動，比如短路故障，切除線路、負荷或發電機失去勵磁等之后的暫態和受到小擾動如系統震蕩后的靜態穩定特性。動態仿真分析系統受到擾動后較長時間的動態響應，時間范圍從幾十秒到數小時。要考慮電力系統長時間過程和慢速過程，這是暫態仿真過程不需要考慮的。

2 電力系統全數字仿真軟件及其應用

目前國內外電力系統全數字仿真軟件主要有以下幾種。

2.1 PSCAD/EMTDC

EMTDC是加拿大曼尼托巴水電局開發的電磁暫態仿真程序，PSCAD是EMTDC的人機界面。PSCAD/EMTDC能夠對包含復雜元件（比如頻率相關線路、直流輸電設備等）的電力系統進行全三相的精確模擬，可用于研究高壓絕緣配合、HVDC或FACTS結構和控制、電機扭矩效應和自勵磁現象、新能源并網控制等電磁暫態問題。

2.2 RTDS

RTDS由加拿大RTDS公司出品，一個CPU模擬一個電力系統元器件，CPU間的通訊采用并行—串行—并行的方式。RTDS具有仿真的實時性，主要用于電磁暫態仿真。其算法原理與PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/EMTDC的實時化。目前，南方電網科學研究院仿真中心擁有世界最大規模的RTDS仿真平臺，共有30多個Rack，具備省級500 kV及以上電網的仿真能力。RTDS仿真的規模受到用戶所購買設備（Rack）數的限制。核心技術處理器主板和軟件均自行開發，這樣做的好處是可以充分利用DSP的硬件資源，但這種開發模式不利于硬件的升級換代，與其他全數字實時仿真裝置相比可擴展性較差。每個Rack的造價很高，超過30萬美元。由于其研究的現象是系統的電磁暫態過程，受模型和算法的限值，其仿真規模不大，一般進行電磁暫態仿真時，都要對電力系統進行等值簡化。目前，RTDS主要用于繼電保護等裝置試驗和小系統實時仿真研究。

2.3 HYPERSIM

加拿大魁北克TEQSIM公司開發的電力系統數字實時仿真器——HYPERSIM，已形成產品，可用于機電暫態實時仿真和電磁暫態實時仿真，但目前還不能進行電磁暫態和機電暫態混合仿真。HYPERSIM有2種支撐硬件：①基于PC Cluster（與日本三菱公司聯合開發），可以進行中小規模電力系統的電磁暫態仿真，HVDC系統實時仿真步長（65 μs）和較大規模電力系統的機電暫態仿真，具有對繼電保護、FACTS控制器、自動重合設備及PSS等進行閉環測試的能力。②基于多CPU超級并行處理計算機，比如SGI2000和SGI3000。并行處理計算機的最高配置可達512個微處理器，其仿真規模相當大，可用于裝置試驗，但造價高昂。此外，在擴展方面也受到計算機型號的制約。

2.4 DDRTS

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，基于高速PC機，是全數字化的動態模擬實驗及測試系統，可以進行潮流計算和電磁暫態仿真，主要用于繼電保護和控制設備測試。

2.5 ADPSS

中國電力科學研究院開發的電力系統全數字實時仿真裝置ADPSS可兼顧仿真規模和精確性，可將實際大規模電網作為試驗背景，通過模擬實際規模背景電網的運行特性，全面考察被測試對象在大電網中的行為及對電網的影響，是世界上首套可模擬大規模電力系統（1 000臺機、10 000個節點）的全數字實時仿真裝置。其基于高性能機群服務器，采用網絡并行計算技術實現大規模復雜交直流電力系統的機電暫態實時仿真和機電、電磁暫態混合實時仿真以及外接物理裝置試驗。該裝置可與調度自動化SCADA和EMS系統相連接取得在線數據進行仿真，可進行繼電保護、安全自動裝置、FACTS控制裝置和直流輸電控制裝置的閉環仿真試驗，因此，它不僅是實時的仿真系統，還是在線的仿真系統。ADPSS的應用程序核心是被電力行業廣泛認可的商用軟件——電力系統分析綜合程序PSASP，具有很高的可信度，能夠保證仿真計算結果與實際電力系統的情況一致[3-4]。

在以上這些實時數字仿真系統中，一個共同特點是采用多CPU并行處理技術實現仿真的實時性。RTDS是國內外應用最廣泛的實時數字仿真系統。從1994年開始，國內外許多電力公司、設備制造商、研究開發機構和大學購置了RTDS仿真裝置，客戶遍布世界上20個國家，國內外近百家單位共配置了數百個RTDS機箱（Rack）。目前，國內已有近30家單位配置了RTDS裝置。HYPERSIM是加拿大魁北克TEQSIM公司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數模混合式實時仿真系統，目前具有Unix、Linux、Windows 3種版本。HYPERSIM的多CPU并行處理技術結合了機電暫態仿真系統規模大和電磁暫態仿真程序對系統模擬精確的優點，特別適用于一次系統設備規模大的系統電磁暫態計算[4]。國內研究開發的DDRTS系統已經在南京南瑞繼保電氣有限公司、寧夏電力調度通信中心和東北電力調度通信中心等單位投入使用。中國電科院開發的ADPSS全數字實時仿真系統推出相對較晚，但也在逐步推廣應用的過程中，比如江蘇省電力試驗研究院、山東省電力研究院、安徽省電力科學研究院、山東大學、河南電力試驗研究院等20多家單位已引進該系統。

3 仿真技術發展趨勢

3.1 數模混合仿真

數模綜合仿真系統如圖1所示，包含了數字模擬系統和物理模擬系統，其中，數字系統可在RTDS等設備中搭建，物理部分由相應的動模設備組合而成。虛線框內所示為接口裝置，基于替代原理，其作用是保證數字系統與物理系統邊界條件的吻合，即在工程允許范圍內保持接口兩端的電壓、電流一致。接口算法是數模混合仿真系統的研究重點，基本的接口算法[5]有5種，即理想變壓器模型（ITM）、傳輸線模型（TLM）、時變一階線性近似法（TFA）、部分電路復制法（PCD）和阻尼阻抗法（DIM）。ITM結構簡單可靠，分析和改進方便，是工程實際中的首選方案。為提高系統接口穩定性，往往需要根據實際情況對基本接口模型進行改進[6]。由于電網規模越來越大，數模混合由于其可擴展性差，經濟性不高，已不適合實際大電網的仿真。

3.2 多時間尺度混合仿真

傳統仿真軟件通常要對不同過程分別進行仿真。然而，隨著區域電網互聯、電力電子設備的大量應用，電力系統的動態特性日趨復雜，不同時間尺度的暫態過程交織耦合很難準確區分，單純采用任一種仿真方法都會忽略其他時間尺度的動態過程。因此，結合2種或3種混合仿真更能兼顧復雜電力系統各個時間段的響應，減小誤差，使仿真結果更準確。目前，大多數研究針對的是電磁機電混合仿真，如圖2所示，其混合仿真原理是：對常規交流系統部分采用機電暫態仿真，對特定區域或元件采用電磁暫態仿真。

圖1 數模混合仿真系統結構圖

圖2 電磁機電混合仿真原理圖

圖3 RT-lab和HYPERSIM聯合仿真原理圖

3.3 全數字跨平臺混合仿真

新能源發電是現在和未來發電的主要趨勢，目前太陽能、風力發電等已經成為電力系統不可或缺的一部分，而大規模新能源接入電網對電網造成的沖擊等不穩定情況使電網的安全、穩定存在隱患。目前，主流研究都只是在一個平臺下對電網或新能源進行仿真研究，一方面仿真規模受到限制，另一方面不能兼顧二者來更好地研究其相互作用機理等，當前已有相關的研究，比如RT-lab和RTDS聯合仿真、RT-lab和HYPERSIM聯合仿真等。以RT-lab和HYPERSIM為例來說明仿真原理，如圖3所示。

4 總結

就目前的技術水平而言，電力系統實時仿真系統的特點是模擬電力系統實時過程，能夠統一模擬電力系統的電磁暫態過程、機電暫態過程以及后續的動態過程，能夠接入實際的物理裝置進行模擬試驗。但由于仿真實時性的要求和仿真系統硬件規模的限制，一般實時仿真系統所能夠模擬的電力系統規模總是有限的。實時數字仿真主要適用于詳細研究大電力系統的主干網絡和局部系統的暫態和動態過程，以及物理裝置的試驗研究。目前的研究熱點是電力系統全工程動態仿真和大規模全數字實時仿真，即將電力系統的機電暫態過程、中期過程和長期過程有機地統一起來進行仿真，其特點是實現快速的機電暫態過程和慢速的中長期動態過程統一仿真。由于受試驗室規模和物理設備的限制，數模混合式電力系統實時仿真裝置的仿真規模不可能無限擴大。然而，隨著計算機軟硬件技術的快速發展、計算技術的不斷提高、仿真技術的日益完善，全數字式電力系統實時仿真裝置可望具備對大規模電力系統進行實時仿真的能力。

［1］彭沖.電力系統數字仿真技術現狀及展望［J］.河北電力技術，2013，32（4）：23-25.

［2］李升健，于偉城，黃燦英.電力系統實時數字仿真技術及其應用綜述［J］.江西電力，2012，36（5）：73-76.

［3］林濟鏗，閆貽鵬，劉濤，等.電力系統電磁暫態仿真外部系統等值方法綜述［J］.電力系統自動化，2012（11）：108-115.

［4］Ji F，Fu L J，Wang G B，et al.Study on real-time simulation modelof3/12-phasedoublewindinggeneratorin Hypersim［C］//Advanced Power System Automation and Protection（APAP）.2011 International Conference on IEEE，2011.

［5］辛業春，江守其，李國慶，等.電力系統數字物理混合仿真接口算法綜述［J］.電力系統自動化，2016（15）：24.

［6］梅成林，張立冬，邵穩，等.數—模綜合仿真接口算法分析［J］.廣東電力，2012，7（25）：22-26.

TM743

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.020

2095－6835（2017）18－0020－03

劉水（1992—），女，上海人，碩士在讀，研究方向為智能電網與控制。王海群（1968—），女，上海人，副教授，碩士，研究方向為智能控制。王致杰（1964—），男，山東濰坊人，教授，博士后，研究方向為智能控制和故障診斷。

〔編輯：劉曉芳〕

上海市自然科學基金項目（15ZR1417300，15ZR1417200）；上海市教委創新基金項目（14YZ157，15ZZ106）；上海市閔行區科技項目（2014MH166）；國家自然科學基金（11304200）