電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)狀及展望

彭 沖

(國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，石家莊 050022)

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)狀及展望

彭 沖

(國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，石家莊 050022)

介紹了電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的分類方法和適用范圍，綜述常用仿真軟件的仿真能力和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析電力系統(tǒng)對數(shù)字仿真技術(shù)的新需求，說明其發(fā)展方向和開發(fā)難點，并論述河北省南部電網(wǎng)運用數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃和運行分析的成果。

數(shù)字仿真技術(shù)；仿真軟件；仿真建模

電力系統(tǒng)仿真是根據(jù)原始電力系統(tǒng)建立模型，利用模型進(jìn)行計算和試驗，研究電力系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)的工作行為和特征。電力系統(tǒng)仿真在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行中發(fā)揮著重要作用[1]。電力系統(tǒng)仿真可以分為物理仿真和數(shù)字仿真兩類，其中數(shù)字仿真是建立電力系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)模型，基于計算機技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)求解數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的模擬。與物理仿真技術(shù)相比，數(shù)字仿真不受被研究系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)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(tǒng)必不可少的工具，是電力系統(tǒng)仿真的重要研究方向[2]。

1 數(shù)字仿真分類方法及適用范圍

根據(jù)不同的原則，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真有不同的分類方法。

1.1 頻域仿真和時域仿真

根據(jù)仿真變量的不同，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可以分為頻域仿真和時域仿真。

a. 頻域仿真。以頻率作為仿真變量，著重分析電力系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)情況，用于研究低頻振蕩、次同步振蕩、暫態(tài)和次暫態(tài)過程等。

b. 時域仿真。以時間作為仿真變量，著重分析電力系統(tǒng)在不同時間的動態(tài)過程。

1.2 電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真

根據(jù)被研究動態(tài)過程的不同，時域仿真可以分為電磁暫態(tài)仿真、機電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真。

a. 電磁暫態(tài)仿真。用于研究電力元件中電場和磁場以及相應(yīng)的電壓和電流變化過程，由于電磁暫態(tài)過程變化很快，一般需要分析和計算持續(xù)時間在毫秒級以內(nèi)的電壓、電流瞬時值變化情況。電磁暫態(tài)仿真通常采用瞬時值分析計算。電磁暫態(tài)仿真中，典型的仿真步長為50～100 μs，對于電力系統(tǒng)行波過程等快速暫態(tài)過程的仿真分析，需采用更小的仿真步長。受模型與算法的限制，電磁暫態(tài)仿真規(guī)模不大，進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時一般都要對電力系統(tǒng)進(jìn)行等值化簡，這在一定程度上丟失了電網(wǎng)的一些固有特性。常見的電磁暫態(tài)仿真軟件有PSCAD/EMTDC、EMTP和ATP等。

b. 機電暫態(tài)仿真。用于研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，即電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。機電暫態(tài)仿真一般采用交替求解法和聯(lián)立求解法。機電暫態(tài)仿真對所描述系統(tǒng)的規(guī)模一般沒有限制，因此在實際工程特別是對大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定研究中，機電暫態(tài)仿真得到了廣泛的應(yīng)用。機電暫態(tài)仿真的典型步長是10 ms，因此對于高壓直流輸電(HVDC)、靈活交流輸電(FACTS)等電力電子裝置的仿真準(zhǔn)確性差，有些現(xiàn)象甚至不能模擬，而對于時間常數(shù)為百秒級的動態(tài)模型、如鍋爐模型、核電站模型等，又存在大量的CPU計算浪費。常見的機電暫態(tài)仿真軟件有BPA、PSASP、PSS/E和DigSilent等。

c. 中長期動態(tài)仿真。用于研究電力系統(tǒng)遭受諸如使頻率、電壓、潮流產(chǎn)生較大或者長期持續(xù)偏移的嚴(yán)重擾動后動態(tài)響應(yīng)的問題。這些嚴(yán)重擾動可能會引起一些緩慢變化過程、甚至保護和控制系統(tǒng)動作等，并且其響應(yīng)動作過程往往時間較長，是常規(guī)機電暫態(tài)仿真所不能模擬的。中長期動態(tài)仿真通常采用適合剛性變量法的變階變步長計算方法，計算步長通常從10 ms到幾秒不等。常見的中長期動態(tài)仿真軟件有PSS/E和PSD-FDS等。

1.3 實時仿真和非實時仿真

根據(jù)仿真速度與實際電力系統(tǒng)動態(tài)過程響應(yīng)速度的關(guān)系，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可分為實時仿真和非實時仿真。

a. 實時仿真。指數(shù)字仿真計算速度與所模擬動態(tài)過程在實際電力系統(tǒng)中的響應(yīng)速度一致，即數(shù)字仿真能夠在一個計算步長內(nèi)計算完成實際電力系統(tǒng)在該段時間內(nèi)的電力系統(tǒng)動態(tài)過程響應(yīng)情況，并完成數(shù)據(jù)輸入輸出工作，因此能夠接入實際物理裝置進(jìn)行閉環(huán)試驗。常見的實時仿真系統(tǒng)有RTDS、RT-LAB和ADPSS等。

b. 非實時仿真。指數(shù)字仿真計算速度與所模擬動態(tài)過程在實際電力系統(tǒng)中的響應(yīng)速度不一致。

1.4 離線仿真和在線仿真

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的來源，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可分為離線仿真與在線仿真。

a. 離線仿真。離線仿真與實際運行的電力系統(tǒng)沒有直接數(shù)據(jù)聯(lián)系，一般由人工輸入仿真數(shù)據(jù)，再根據(jù)所搭建的電力系統(tǒng)模型進(jìn)行計算。電力系統(tǒng)在進(jìn)行規(guī)劃分析和運行方式研究時采用離線仿真方法。

b. 在線仿真。在線仿真從實際運行電力系統(tǒng)的SCADA/EMS或PMU/WAMS系統(tǒng)中獲取實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過狀態(tài)估計、數(shù)據(jù)整合后得到仿真計算所需的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行仿真計算。在線仿真主要用于在線地對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定分析和評估、制定預(yù)防控制或緊急控制策略，目前已在實際電力系統(tǒng)得到大量應(yīng)用，例如國網(wǎng)智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。

2 常用仿真軟件分析

2.1 PSS/E

PSS/E是PTI公司(Power Technologies Inc，美國電力軟件公司)專為輸電系統(tǒng)分析而設(shè)計的綜合仿真軟件包。PSS/E為用戶提供潮流、短路電流、動態(tài)仿真、事故分析、最優(yōu)潮流、線性網(wǎng)絡(luò)、可靠性評估和小信號分析等功能[3]。

PSS/E是國際上應(yīng)用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件之一，該軟件以IEEE標(biāo)準(zhǔn)建立各種元件數(shù)學(xué)模型，模型通用性好，而且支持超過50 000條母線的計算規(guī)模，利于超大規(guī)模電網(wǎng)計算。

2.2 PSASP

電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP是中國電力科學(xué)研究院自主開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真分析軟件包，包括潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、短路電流、小干擾穩(wěn)定、靜態(tài)安全分析等十余個功能模塊，而且具備用戶自定義模型(UD)和用戶程序接口(UPI)功能，能夠用于輸配電、供用電等各種規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真分析。PSASP軟件架構(gòu)見圖1。

圖1 PSASP軟件架構(gòu)

PSASP是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的電力系統(tǒng)分析軟件之一，有近40年的研發(fā)和應(yīng)用歷程，目前已有600余家用戶。PSASP是完全自主研發(fā)的軟件包，因此對國內(nèi)各種電力設(shè)備模型支持較好，用戶使用方便。

2.3 PSCAD/EMTDC

EMTDC (Electro Magnetic Transient in DC System)是加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)的電磁暫態(tài)仿真程序， PSCAD (Power System Computer Aided Design)是EMTDC的人機界面。

PSCAD/EMTDC能夠?qū)Π瑥?fù)雜元件(如頻率相關(guān)線路、直流輸電設(shè)備等)的電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，可用于研究高壓絕緣配合、HVDC或FACTS結(jié)構(gòu)和控制、電機扭矩效應(yīng)和自勵磁現(xiàn)象、新能源并網(wǎng)控制等電磁暫態(tài)問題。

PSCAD/EMTDC擁有完整準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計算內(nèi)核和良好的開放性，其仿真結(jié)果在業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)可，在中國是使用最廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序。

2.4 RTDS

RTDS (Real Time Digital Simulator)是加拿大RTDS公司開發(fā)的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，采用多處理器的并行計算技術(shù)實現(xiàn)對電磁暫態(tài)過程的實時仿真，其算法原理與PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/ETMDC的實時化。RTDS并行計算原理見圖2。

圖2 RTDS并行計算原理

RTDS系統(tǒng)具有模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出等接口，可以與外部實際物理裝置連接進(jìn)行閉環(huán)仿真[4]?；赗TDS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實時仿真、以及對控制保護裝置的閉環(huán)試驗，是世界上應(yīng)用最廣泛的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，國內(nèi)也有大量的RTDS應(yīng)用。

3 數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著直流輸電、電力電子裝置的大量接入以及新能源發(fā)電、微電網(wǎng)等新技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，電網(wǎng)運行控制特性變得復(fù)雜，對電力系統(tǒng)仿真規(guī)模、仿真精度和仿真速度提出了更高的要求，從而將推動電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 仿真建模技術(shù)

目前，新能源發(fā)電、柔性直流輸電等新技術(shù)不斷應(yīng)用于電力系統(tǒng)，其運行機理和動態(tài)特性仍需要進(jìn)一步研究，數(shù)學(xué)建模方法也有待完善。以柔性直流輸電為例，其電路拓?fù)?、運行特性與傳統(tǒng)直流輸電有較大區(qū)別，目前國內(nèi)主流的機電暫態(tài)仿真程序尚未有該仿真模型。

此外，新設(shè)備的控制保護系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)設(shè)備也更加復(fù)雜，不同廠家的設(shè)備控制原理也不盡相同，仿真軟件模型庫很難覆蓋所有的設(shè)備及其控制系統(tǒng)，因此有必要研究更加靈活的仿真建模方法。一方面是擴展仿真軟件本身的自定義建模功能，增加編程開發(fā)接口等；另一方面是提供不同仿真軟件之間的聯(lián)合仿真功能，例如PSASP軟件就提供了與Matlab/Simulink模型的接口。

3.2 數(shù)字-物理混合仿真技術(shù)

在新設(shè)備數(shù)字仿真技術(shù)還不完善的情況下，對其采用物理仿真模擬、對常規(guī)電力系統(tǒng)采用數(shù)字仿真模擬，通過數(shù)字-物理混合仿真開展新設(shè)備接入電網(wǎng)的仿真分析成為可行的技術(shù)路線。

數(shù)字-物理混合仿真，也稱為數(shù)模混合仿真，是將物理仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種仿真方法，也被稱為“半實物仿真”或“Hardware-In-the-Loop Simulation”?；旌戏抡嬉话銓ο到y(tǒng)中比較簡單或規(guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，在計算機上加以實現(xiàn)并進(jìn)行數(shù)字仿真；而對比較復(fù)雜或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚、建立數(shù)學(xué)模型比較困難的部分，則采用物理模型或?qū)嵨镞M(jìn)行模擬[5]。數(shù)字-物理混合仿真的關(guān)鍵在于數(shù)字仿真的實時性和混合仿真接口的穩(wěn)定性。數(shù)字-物理混合仿真接口見圖3。

圖3 數(shù)字-物理混合仿真接口

電力系統(tǒng)數(shù)字-物理混合仿真技術(shù)已有20多年的研究歷程，但近年來隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用有了新的發(fā)展需求，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

a. 大功率交換。主要用于大容量風(fēng)機、微電網(wǎng)接入電網(wǎng)的仿真，如2010年美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)(FSU)利用MW級的混合仿真對電力電子驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行研究[6]。目前國內(nèi)尚未有kW級以上的成熟應(yīng)用案例。

b. 復(fù)雜接口。數(shù)字仿真可以模擬大規(guī)模電力系統(tǒng)，可能會接入多個物理仿真設(shè)備，因此帶來了接口的復(fù)雜性，需要研究接口延遲和誤差對仿真準(zhǔn)確性、收斂性的影響，提高接口穩(wěn)定性。

3.3 多時間尺度混合仿真技術(shù)

電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和中長期動態(tài)等不同時間尺度的仿真方法有各自的適用范圍，采用傳統(tǒng)仿真軟件通常要對不同過程分別進(jìn)行仿真。然而，隨著區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、電力電子設(shè)備大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)的動態(tài)特性日趨復(fù)雜，不同時間尺度的暫態(tài)過程交織耦合很難準(zhǔn)確區(qū)分，單純采用任一種仿真方法都會因為忽略了其它時間尺度的動態(tài)過程而引入誤差。在這種情況下，研究多時間尺度的混合仿真技術(shù)，結(jié)合電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和中長期動態(tài)中的2種或3種方法進(jìn)行數(shù)字仿真可以較好地解決上述問題。

從21世紀(jì)初開始，國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了機電-電磁混合仿真研究，其原理如圖4所示，部分研究成果還得到了工程應(yīng)用。目前還有一些學(xué)者正在研究綜合3種仿真方法的全過程仿真技術(shù)，成為數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的熱點之一。

圖4 電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)混合仿真原理

3.4 在線仿真技術(shù)

實際電力系統(tǒng)的在線運行和控制非常復(fù)雜，僅靠人力無法及時有效地對電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)警，需要借助智能的仿真分析工具進(jìn)行研究，以保障電力系統(tǒng)運行的安全性。例如采用電力系統(tǒng)動態(tài)安全評估技術(shù)，在幾分鐘內(nèi)完成成百上千個仿真計算任務(wù)，實時掃描電網(wǎng)潛在的運行隱患。

對于在線仿真，準(zhǔn)確和快速是兩大基本要求。為提高仿真準(zhǔn)確性，需要研究模型辨識、參數(shù)實測等技術(shù)，提高電網(wǎng)基礎(chǔ)模型參數(shù)的正確性，并結(jié)合EMS和WAMS等多數(shù)據(jù)源的量測數(shù)據(jù)提高電網(wǎng)狀態(tài)估計結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。為提高仿真速度，需要研究先進(jìn)的數(shù)值計算方法和并行計算技術(shù)，結(jié)合任務(wù)間并行和任務(wù)內(nèi)并行，實現(xiàn)對仿真任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度和并行處理。

4 河北省南部電網(wǎng)仿真技術(shù)應(yīng)用

目前，河北省南部電網(wǎng)在電網(wǎng)規(guī)劃和運行分析中主要應(yīng)用了機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真，其中機電暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜诖笠?guī)模電網(wǎng)分析，如電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計算、安全穩(wěn)定控制措施研究等，多采用BPA軟件；電磁暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜谛∫?guī)模電網(wǎng)或設(shè)備級分析，如過電壓計算等，主要采用EMTP或PSCAD軟件。此外還建設(shè)了全數(shù)字仿真實驗室[8]，開展機電-電磁混合仿真和控制保護裝置閉環(huán)試驗等工作。

電網(wǎng)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性對仿真結(jié)果至關(guān)重要，河北省南部電網(wǎng)通過數(shù)據(jù)平臺建設(shè)和電網(wǎng)參數(shù)實測，已建立較完善的仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理機制，為“大規(guī)劃”和“大運行”提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在此基礎(chǔ)上，河北省南部電網(wǎng)持續(xù)開展“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃滾動計算，進(jìn)行電網(wǎng)發(fā)展診斷分析；將電網(wǎng)在線仿真分析技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，實現(xiàn)在線穩(wěn)定性分析、運行計劃校核和調(diào)度輔助決策，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，目前已建立世界上電壓等級最高、電網(wǎng)規(guī)模最大的交直流混聯(lián)電網(wǎng)，運行和控制特性日趨復(fù)雜，急迫需要發(fā)展更加準(zhǔn)確、快速、便捷的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。不僅要跟蹤國際先進(jìn)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢，借鑒先進(jìn)成果，更要緊密結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，自主研究國際領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真建模和分析技術(shù)，推動國內(nèi)乃至國際的數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)步。

[1] 中國南方電網(wǎng)公司.交直流電力系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2] 黃家裕，陳禮義，孫德昌，等.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真[M].北京：中國電力出版社，1995.

[3] 程 華，徐 政.PSASP與PSS/E穩(wěn)定計算的模型與結(jié)果比較[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(5)：1-4，8.

[4] 柳勇軍，梁 旭，閔 勇.電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真技術(shù)[J].中國電力，2004，37(4)：39-42.

[5] 劉長勝，陳禮義，鄭玉森，等.電力系統(tǒng)模數(shù)混合試驗系統(tǒng)[J].天津大學(xué)學(xué)報，2004，37(1)：80-83.

[6] Steurer M,Edrington C S,Sloderbeck M, et al.A Megawatt-Scale Power Hardware-in-the-Loop Simulation Setup for Motor Drivers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010, 57(4): 254-260.

[7] 賀仁睦.電力系統(tǒng)動態(tài)仿真準(zhǔn)確度的探究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(12)：1-4.

[8] 葉廷路，王曉蔚，高 駿，等.電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置在河北電網(wǎng)的應(yīng)用調(diào)試[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(13):104-108，128.

本文責(zé)任編輯：王麗斌

Current Situation and Prospect of Power System Digital Simulation Technology

In this paper,the classification and application area of power system digital simulation technologies are introduced.The capability and current situation of widely-used simulation softwares are illustrated.In addition,new demand on the simulation technologies is investigated,and the development trend and difficulties are demonstrated. Finally,the application of the digital simulation technologies in Hebei Southern Power Grid is presented.

digital simulation technology；simulation software；simulation modelling

2012-11-07

彭 沖(1984-)，男，助理工程師，主要從事輸變電設(shè)備運行和檢修管理工作。

TM743

A

1001-9898(2013)04-0023-03