电力系统全数字实时仿真技术＊

刘水，王海群，王致杰，孙丛丛，朱谷雨，白颖

（上海电机学院电气学院，上海200240）

电力系统全数字实时仿真技术＊

刘水，王海群，王致杰，孙丛丛，朱谷雨，白颖

（上海电机学院电气学院，上海200240）

电力系统数字仿真已成为电力系统试验研究、规划设计和调度运行的重要工具。介绍了电力系统仿真技术的分类方法及现状，讨论了现有电力系统数字仿真软件和系统的发展趋势。认为电磁暂态与机电暂态混合仿真、多时间尺度全过程动态仿真和大规模实时仿真系统将是我国电力系统仿真技术的主要发展方向，多时间尺度混合仿真和跨平台混合仿真是当前研究的热点。

电力系统；物理仿真；数字仿真；数模混合仿真

电力系统仿真可以分为物理仿真和数字仿真2类，其中，数字仿真是建立电力系统物理过程的数学模型，基于计算机技术和数值计算技术求解数学模型，实现对电力系统的模拟。与物理仿真技术相比，数字仿真不受被研究系统规模和结构复杂性的限制，计算速度快、使用灵活、成本相对低廉，成为分析、研究电力系统必不可少的工具，是电力系统仿真的重要研究方向[1]。在特高压交直流、FACTS新设备以及新能源不断接入电网的背景下，在数学建模技术、计算机技术和并行处理技术推动下，实时数字仿真技术会在大规模交直流互联电网仿真、智能电网仿真相关技术研究、新能源的接入及运行控制、复杂电力系统的故障再现和继电保护分析以及满足二次设备闭环测试需求方面得到广泛应用[2]。

1 电力系统仿真分类

根据不同的原则，电力系统仿真有不同的分类。

1.1 物理仿真、数字仿真和数模混合仿真

数字仿真是建立电力系统物理过程的数学模型，基于计算机技术和数值计算技术求解数学模型，实现对电力系统的模拟。与物理仿真技术相比，数字仿真不受被研究系统规模和结构复杂性的限制，计算速度快、使用灵活、成本相对低廉，成为分析、研究电力系统必不可少的工具，是电力系统仿真的重要研究方向，但其对尚不完全明确机理的新型电力器件存在仿真不完全准确的缺点。

数模混合仿真也被称为硬件在环仿真，其将易于采用物理模型而难以建立数字模型的电力系统元件运用相似理论进行处理，采用物理模型模拟，比如直流换流阀等。数模混合仿真虽然兼具数字仿真和物理仿真的优势，但同时也存在物理仿真规模受限、经济性不高、需要后期维护等缺点。

1.2 在线仿真和离线仿真

根据仿真时采用的数据来源，电力系统仿真可分为在线仿真和离线仿真。在线仿真时，采用的数据是实际电网运行中的监控数据和SCADA系统的实时状态数据。离线仿真与实际运行的电网没有直接联系，可以根据需要输入数据，是根据所搭建的模型进行仿真。

1.3 实时仿真和非实时仿真

根据电力系统实际运行中系统响应时间和仿真时间之间的关系，电力系统仿真可分为实时仿真和非实时仿真。若电力系统中有实物接入，则要求仿真速度和实际系统动态响应完全一致。实时仿真的发展阶段为物理仿真、数模混合仿真和数字仿真。在非实时仿真中，往往仿真使用的时间比实际系统响应时间长得多。

1.4 时域仿真和频域仿真

根据仿真变量的不同，电力系统仿真可分为时域仿真和频域仿真。时域仿真以时间为仿真变量，处理时间从几微秒到数十分钟，根据响应过程不同分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真。频域仿真以频率为仿真变量，覆盖范围为零赫兹到数兆赫兹，从次同步振荡、暂态及次暂态直到系统行波。

1.5 电磁暂态、机电暂态和中长期动态仿真

根据所研究系统动态过程的不同，电力系统仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真，属于时域仿真。电磁暂态仿真可以较准确仿真交直流电力系统各种暂态问题，仿真程序基于Dommel算法，通过隐式积分法将描述电力系统的微分方程、偏微分方程转化为差分方程，可以精确模拟含HVDC和FACTS的复杂元件。机电暂态仿真主要模拟系统受到大扰动，比如短路故障，切除线路、负荷或发电机失去励磁等之后的暂态和受到小扰动如系统震荡后的静态稳定特性。动态仿真分析系统受到扰动后较长时间的动态响应，时间范围从几十秒到数小时。要考虑电力系统长时间过程和慢速过程，这是暂态仿真过程不需要考虑的。

2 电力系统全数字仿真软件及其应用

目前国内外电力系统全数字仿真软件主要有以下几种。

2.1 PSCAD/EMTDC

EMTDC是加拿大曼尼托巴水电局开发的电磁暂态仿真程序，PSCAD是EMTDC的人机界面。PSCAD/EMTDC能够对包含复杂元件（比如频率相关线路、直流输电设备等）的电力系统进行全三相的精确模拟，可用于研究高压绝缘配合、HVDC或FACTS结构和控制、电机扭矩效应和自励磁现象、新能源并网控制等电磁暂态问题。

2.2 RTDS

RTDS由加拿大RTDS公司出品，一个CPU模拟一个电力系统元器件，CPU间的通讯采用并行—串行—并行的方式。RTDS具有仿真的实时性，主要用于电磁暂态仿真。其算法原理与PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/EMTDC的实时化。目前，南方电网科学研究院仿真中心拥有世界最大规模的RTDS仿真平台，共有30多个Rack，具备省级500 kV及以上电网的仿真能力。RTDS仿真的规模受到用户所购买设备（Rack）数的限制。核心技术处理器主板和软件均自行开发，这样做的好处是可以充分利用DSP的硬件资源，但这种开发模式不利于硬件的升级换代，与其他全数字实时仿真装置相比可扩展性较差。每个Rack的造价很高，超过30万美元。由于其研究的现象是系统的电磁暂态过程，受模型和算法的限值，其仿真规模不大，一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值简化。目前，RTDS主要用于继电保护等装置试验和小系统实时仿真研究。

2.3 HYPERSIM

加拿大魁北克TEQSIM公司开发的电力系统数字实时仿真器——HYPERSIM，已形成产品，可用于机电暂态实时仿真和电磁暂态实时仿真，但目前还不能进行电磁暂态和机电暂态混合仿真。HYPERSIM有2种支撑硬件：①基于PC Cluster（与日本三菱公司联合开发），可以进行中小规模电力系统的电磁暂态仿真，HVDC系统实时仿真步长（65 μs）和较大规模电力系统的机电暂态仿真，具有对继电保护、FACTS控制器、自动重合设备及PSS等进行闭环测试的能力。②基于多CPU超级并行处理计算机，比如SGI2000和SGI3000。并行处理计算机的最高配置可达512个微处理器，其仿真规模相当大，可用于装置试验，但造价高昂。此外，在扩展方面也受到计算机型号的制约。

2.4 DDRTS

深圳殷图科技发展有限公司开发的数字动态实时仿真系统DDRTS，基于高速PC机，是全数字化的动态模拟实验及测试系统，可以进行潮流计算和电磁暂态仿真，主要用于继电保护和控制设备测试。

2.5 ADPSS

中国电力科学研究院开发的电力系统全数字实时仿真装置ADPSS可兼顾仿真规模和精确性，可将实际大规模电网作为试验背景，通过模拟实际规模背景电网的运行特性，全面考察被测试对象在大电网中的行为及对电网的影响，是世界上首套可模拟大规模电力系统（1 000台机、10 000个节点）的全数字实时仿真装置。其基于高性能机群服务器，采用网络并行计算技术实现大规模复杂交直流电力系统的机电暂态实时仿真和机电、电磁暂态混合实时仿真以及外接物理装置试验。该装置可与调度自动化SCADA和EMS系统相连接取得在线数据进行仿真，可进行继电保护、安全自动装置、FACTS控制装置和直流输电控制装置的闭环仿真试验，因此，它不仅是实时的仿真系统，还是在线的仿真系统。ADPSS的应用程序核心是被电力行业广泛认可的商用软件——电力系统分析综合程序PSASP，具有很高的可信度，能够保证仿真计算结果与实际电力系统的情况一致[3-4]。

在以上这些实时数字仿真系统中，一个共同特点是采用多CPU并行处理技术实现仿真的实时性。RTDS是国内外应用最广泛的实时数字仿真系统。从1994年开始，国内外许多电力公司、设备制造商、研究开发机构和大学购置了RTDS仿真装置，客户遍布世界上20个国家，国内外近百家单位共配置了数百个RTDS机箱（Rack）。目前，国内已有近30家单位配置了RTDS装置。HYPERSIM是加拿大魁北克TEQSIM公司开发的一种基于并行计算技术，采用模块化设计、面向对象编程的电力系统数模混合式实时仿真系统，目前具有Unix、Linux、Windows 3种版本。HYPERSIM的多CPU并行处理技术结合了机电暂态仿真系统规模大和电磁暂态仿真程序对系统模拟精确的优点，特别适用于一次系统设备规模大的系统电磁暂态计算[4]。国内研究开发的DDRTS系统已经在南京南瑞继保电气有限公司、宁夏电力调度通信中心和东北电力调度通信中心等单位投入使用。中国电科院开发的ADPSS全数字实时仿真系统推出相对较晚，但也在逐步推广应用的过程中，比如江苏省电力试验研究院、山东省电力研究院、安徽省电力科学研究院、山东大学、河南电力试验研究院等20多家单位已引进该系统。

3 仿真技术发展趋势

3.1 数模混合仿真

数模综合仿真系统如图1所示，包含了数字模拟系统和物理模拟系统，其中，数字系统可在RTDS等设备中搭建，物理部分由相应的动模设备组合而成。虚线框内所示为接口装置，基于替代原理，其作用是保证数字系统与物理系统边界条件的吻合，即在工程允许范围内保持接口两端的电压、电流一致。接口算法是数模混合仿真系统的研究重点，基本的接口算法[5]有5种，即理想变压器模型（ITM）、传输线模型（TLM）、时变一阶线性近似法（TFA）、部分电路复制法（PCD）和阻尼阻抗法（DIM）。ITM结构简单可靠，分析和改进方便，是工程实际中的首选方案。为提高系统接口稳定性，往往需要根据实际情况对基本接口模型进行改进[6]。由于电网规模越来越大，数模混合由于其可扩展性差，经济性不高，已不适合实际大电网的仿真。

3.2 多时间尺度混合仿真

传统仿真软件通常要对不同过程分别进行仿真。然而，随着区域电网互联、电力电子设备的大量应用，电力系统的动态特性日趋复杂，不同时间尺度的暂态过程交织耦合很难准确区分，单纯采用任一种仿真方法都会忽略其他时间尺度的动态过程。因此，结合2种或3种混合仿真更能兼顾复杂电力系统各个时间段的响应，减小误差，使仿真结果更准确。目前，大多数研究针对的是电磁机电混合仿真，如图2所示，其混合仿真原理是：对常规交流系统部分采用机电暂态仿真，对特定区域或元件采用电磁暂态仿真。

图1 数模混合仿真系统结构图

图2 电磁机电混合仿真原理图

图3 RT-lab和HYPERSIM联合仿真原理图

3.3 全数字跨平台混合仿真

新能源发电是现在和未来发电的主要趋势，目前太阳能、风力发电等已经成为电力系统不可或缺的一部分，而大规模新能源接入电网对电网造成的冲击等不稳定情况使电网的安全、稳定存在隐患。目前，主流研究都只是在一个平台下对电网或新能源进行仿真研究，一方面仿真规模受到限制，另一方面不能兼顾二者来更好地研究其相互作用机理等，当前已有相关的研究，比如RT-lab和RTDS联合仿真、RT-lab和HYPERSIM联合仿真等。以RT-lab和HYPERSIM为例来说明仿真原理，如图3所示。

4 总结

就目前的技术水平而言，电力系统实时仿真系统的特点是模拟电力系统实时过程，能够统一模拟电力系统的电磁暂态过程、机电暂态过程以及后续的动态过程，能够接入实际的物理装置进行模拟试验。但由于仿真实时性的要求和仿真系统硬件规模的限制，一般实时仿真系统所能够模拟的电力系统规模总是有限的。实时数字仿真主要适用于详细研究大电力系统的主干网络和局部系统的暂态和动态过程，以及物理装置的试验研究。目前的研究热点是电力系统全工程动态仿真和大规模全数字实时仿真，即将电力系统的机电暂态过程、中期过程和长期过程有机地统一起来进行仿真，其特点是实现快速的机电暂态过程和慢速的中长期动态过程统一仿真。由于受试验室规模和物理设备的限制，数模混合式电力系统实时仿真装置的仿真规模不可能无限扩大。然而，随着计算机软硬件技术的快速发展、计算技术的不断提高、仿真技术的日益完善，全数字式电力系统实时仿真装置可望具备对大规模电力系统进行实时仿真的能力。

［1］彭冲.电力系统数字仿真技术现状及展望［J］.河北电力技术，2013，32（4）：23-25.

［2］李升健，于伟城，黄灿英.电力系统实时数字仿真技术及其应用综述［J］.江西电力，2012，36（5）：73-76.

［3］林济铿，闫贻鹏，刘涛，等.电力系统电磁暂态仿真外部系统等值方法综述［J］.电力系统自动化，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］辛业春，江守其，李国庆，等.电力系统数字物理混合仿真接口算法综述［J］.电力系统自动化，2016（15）：24.

［6］梅成林，张立冬，邵稳，等.数—模综合仿真接口算法分析［J］.广东电力，2012，7（25）：22-26.

TM743

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.020

2095－6835（2017）18－0020－03

刘水（1992—），女，上海人，硕士在读，研究方向为智能电网与控制。王海群（1968—），女，上海人，副教授，硕士，研究方向为智能控制。王致杰（1964—），男，山东潍坊人，教授，博士后，研究方向为智能控制和故障诊断。

〔编辑：刘晓芳〕

上海市自然科学基金项目（15ZR1417300，15ZR1417200）；上海市教委创新基金项目（14YZ157，15ZZ106）；上海市闵行区科技项目（2014MH166）；国家自然科学基金（11304200）