面向新型電力系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真綜述

杜善周，黃涌波，盧國(guó)平，高進(jìn)，覃宇翔，劉永露，袁亮

(1．神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2．中國(guó)神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100；3．中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真是將硬件與計(jì)算機(jī)仿真模型通過(guò)I/O接口連接，構(gòu)成仿真系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的一種仿真方法。隨著電力系統(tǒng)中可再生能源接入比例不斷升高與電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的運(yùn)行特性和控制特性變得非常復(fù)雜，電力系統(tǒng)的非線(xiàn)性、低慣性、弱抗擾性等問(wèn)題日益突出[1]。這些問(wèn)題要求在仿真過(guò)程中既可以模擬大規(guī)模電網(wǎng)中的機(jī)電暫態(tài)，又可以模擬局部快速變化的電磁暫態(tài)過(guò)程，還要求準(zhǔn)確描述各區(qū)域各電網(wǎng)間的交互過(guò)程，這導(dǎo)致仿真的復(fù)雜程度與運(yùn)行難度驟升[2]。以往采用的純數(shù)字仿真或物理模擬仿真難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的仿真需求，而數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真將以上兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，迅速改變電路拓?fù)?，靈活測(cè)試不同系統(tǒng)，在并網(wǎng)試驗(yàn)與故障實(shí)驗(yàn)中有著安全性高、成本低、測(cè)試效率快和結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，能夠做到在減輕編程工作量的同時(shí)提高模型的置信度，所以在電力系統(tǒng)仿真中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。下文將從數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀、模型與算法基礎(chǔ)、硬件實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)架構(gòu)以及典型應(yīng)用場(chǎng)景四個(gè)方面展開(kāi)梳理與綜述。

1 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真是通過(guò)搭建系統(tǒng)模型，計(jì)算機(jī)將模型轉(zhuǎn)化為一系列微分方程組與代數(shù)方程組進(jìn)行求解實(shí)現(xiàn)的。如果求解的時(shí)間與電力系統(tǒng)真實(shí)發(fā)生物理過(guò)程所需的時(shí)間相等，則稱(chēng)之為實(shí)時(shí)仿真，否則稱(chēng)為非實(shí)時(shí)仿真[4]，兩者區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 實(shí)時(shí)仿真與非實(shí)時(shí)仿真區(qū)別

實(shí)時(shí)仿真的優(yōu)越性在于，如果仿真過(guò)程中在外部接入實(shí)際物理裝置，仿真模型接收信號(hào)、計(jì)算變量與輸出信號(hào)必須在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算完成并完成輸出，仿真系統(tǒng)仍然能夠提供與真實(shí)時(shí)間一致的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的數(shù)模混合仿真的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性[5]。接入控制器實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真，比起純數(shù)字化的非實(shí)時(shí)仿真，能更加真實(shí)地反映出控制器本身的響應(yīng)特性，更加安全高效、經(jīng)濟(jì)全面[6]。電力系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真是隨著電力系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步興起的。在計(jì)算機(jī)技術(shù)并不成熟的年代，電力系統(tǒng)的仿真主要采用按比例縮小全實(shí)物的仿真裝置，物理仿真能夠精確地反映物理現(xiàn)象，是系統(tǒng)特性與控制器反應(yīng)的實(shí)際描述，但是設(shè)備維護(hù)工作量大，建模實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣復(fù)雜，模擬電力系統(tǒng)規(guī)模受到約束，并不適用于大電網(wǎng)的仿真[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，純數(shù)字仿真開(kāi)始興起，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上搭建相應(yīng)的電網(wǎng)模型就可以得到關(guān)于該模型的描述，這種方法可以對(duì)大規(guī)模電網(wǎng)進(jìn)行仿真且建模快、成本低，但精確度比物理仿真低，結(jié)果也難免與實(shí)際有偏差。數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真既有純數(shù)字仿真建?？?、成本低等特點(diǎn)，也結(jié)合了物理仿真精確度高等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行從電磁暫態(tài)到機(jī)電暫態(tài)的全過(guò)程實(shí)時(shí)仿真研究，是當(dāng)前認(rèn)識(shí)大電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理特性的基礎(chǔ)平臺(tái)，也是支撐工程建設(shè)的有力工具。數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真可分為單向功率傳輸接口數(shù)?；旌戏抡?、雙向功率接口數(shù)?；旌戏抡媾c控制器硬件在環(huán)數(shù)模混合仿真。其中單向功率傳輸接口數(shù)?；旌戏抡媸侵腹β蕛H由數(shù)字模型傳遞到物理模型；雙向功率接口數(shù)?；旌戏抡媸枪β试跀?shù)學(xué)模型與物理模型之間雙向傳輸；控制器硬件在環(huán)數(shù)?；旌戏抡媸侵鸽娏ο到y(tǒng)一次側(cè)均采用數(shù)字模型，而二次側(cè)采用物理模型。

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真軟件有加拿大曼尼托巴RTDS公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS、加拿大魁北克Opal-RT Technologies公司研發(fā)的RT-LAB與中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真ADPSS[8]，三者的性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 仿真平臺(tái)性能對(duì)比

2 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真模型與算法基礎(chǔ)

2.1 針對(duì)開(kāi)關(guān)器件的建模

在越來(lái)越多的電力電子設(shè)備接入新型電力系統(tǒng)的背景下，如何對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行建模是數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真的首要問(wèn)題。針對(duì)廣泛使用的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)解析建模，一般使用分段線(xiàn)性法[9]，將MOSFET不同工作區(qū)下的各類(lèi)關(guān)系進(jìn)行分段線(xiàn)性化，讓原本不利于計(jì)算的非線(xiàn)性問(wèn)題變得易解，但該方法得出的模型忽略了寄生參數(shù)的影響，該模型在高頻段表現(xiàn)與實(shí)際相差較大。如若考慮寄生參數(shù)的線(xiàn)性化特性就可以得到二階解析模型，該模型比分段線(xiàn)性法更加貼合實(shí)際[10]。在考慮到寄生參數(shù)的非線(xiàn)性特征之后就可以得到高階解析模型，該模型能夠精確地描述開(kāi)關(guān)器件的瞬態(tài)表現(xiàn)，但也帶來(lái)了高階模型的相關(guān)計(jì)算難以求解的問(wèn)題[11]。對(duì)于另外一種應(yīng)用廣泛的開(kāi)關(guān)器件絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，因其多物理場(chǎng)耦合的特性導(dǎo)致相關(guān)建模十分復(fù)雜[12]。IGBT器件內(nèi)部存在一個(gè)機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)、電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)高度耦合的復(fù)雜物理環(huán)境，機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致的機(jī)械形變影響電磁性能，溫度與電磁性能間也有聯(lián)系，三種物理場(chǎng)相互影響，動(dòng)態(tài)平衡。在不同的功率等級(jí)下，三種物理場(chǎng)的耦合程度也不一致，上述問(wèn)題導(dǎo)致模型建立相當(dāng)困難。對(duì)該IGBT進(jìn)行高效建模，需要考慮多場(chǎng)耦合下的瞬態(tài)建模、外界因素對(duì)場(chǎng)耦合性的影響等因素[13]。在各類(lèi)開(kāi)關(guān)器件的瞬態(tài)特性建模中，如果需要考慮開(kāi)關(guān)切換過(guò)程，通常在仿真中存儲(chǔ)廠商給出的數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過(guò)查表法得到實(shí)時(shí)仿真中的器件行為，該方法能夠精確地描述實(shí)時(shí)仿真中器件的各類(lèi)現(xiàn)象[14]，但是需要解決運(yùn)算壓力大的問(wèn)題，這對(duì)硬件有一定的要求。如果不需要在仿真中考慮器件的開(kāi)關(guān)切換過(guò)程，則可以將器件等效為簡(jiǎn)單的無(wú)源元件去擬合器件的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，下面主要介紹常用的兩種等效方法。

2.1.1基于L/C等效的開(kāi)關(guān)模型

基于L/C的等效模型是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)等效為電感，而在開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)等效為小電容，電感值與電阻值的選取原則是保持系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣不變，等效如圖1所示。

圖1 L/C等效開(kāi)關(guān)模型

電感值與電容值越小，越能夠接近理想情況下的開(kāi)關(guān)模型，但是L或C值越小，仿真步長(zhǎng)也應(yīng)越小才能夠使結(jié)果更加精確。由于硬件條件的限制，仿真中的L或C值會(huì)大于實(shí)際，這就導(dǎo)致充放電時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，影響仿真精度。針對(duì)以上問(wèn)題，通常加入阻尼元件或者通過(guò)設(shè)置電感初始電流與電容初始電壓以減少振蕩[15]。

2.1.2基于Ron/Roff等效的開(kāi)關(guān)模型

Ron/Roff等效模型是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)用一個(gè)小電阻Ron等效，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)用一個(gè)大電阻Roff等效，當(dāng)Roff趨近于無(wú)窮大而Ron趨近于0時(shí)就表示這是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)[16]，等效如圖2所示。這種等效方法簡(jiǎn)單直觀、易于實(shí)現(xiàn)，然而每次開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)都需要重構(gòu)導(dǎo)納矩陣，導(dǎo)致當(dāng)系統(tǒng)階數(shù)越高時(shí)，模型的仿真效果越差。

圖2 Ron/Roff等效開(kāi)關(guān)模型

以上兩種開(kāi)關(guān)模型基本上可以滿(mǎn)足不考慮開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程的電力電子設(shè)備拓?fù)湓O(shè)計(jì)、控制策略驗(yàn)證的研究。

2.2 針對(duì)接口等值電路的建模

對(duì)于電力電子設(shè)備整體的建模，周期性的開(kāi)關(guān)動(dòng)作使拓?fù)鋮?shù)具有非線(xiàn)性與時(shí)變的特點(diǎn)，為了建立模型，學(xué)術(shù)界進(jìn)行了諸多嘗試[17]。總體上建模方法可分為兩大類(lèi)，見(jiàn)表3。

表3 接口等值電路建模方法分類(lèi)

根據(jù)定義的時(shí)間域的不同可分為連續(xù)模型與離散模型：連續(xù)模型先求取變量一個(gè)周期內(nèi)的平均值，而后應(yīng)用微分方程求解；離散模型則直接應(yīng)用差分方程求解。在20世紀(jì)70年代電路平均的概念被提出不久之后，狀態(tài)空間平均法這一當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的建模方法被提出，這對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展意義巨大[18]。然而該方法無(wú)法對(duì)具有耦合變量的變換器進(jìn)行建模，廣義平均模型就是為了解決該問(wèn)題而被提出。描述函數(shù)法同是屬于連續(xù)模型建模域內(nèi)的，該方法從頻域角度出發(fā)進(jìn)行建模，在高頻段比平均模型更加準(zhǔn)確地描述變換器，獲得了廣泛的應(yīng)用。此外，動(dòng)態(tài)相量模型采用相量去描述電力電子變換器，基于將瞬時(shí)值模型通過(guò)某種變化而生成的動(dòng)態(tài)相量模型的不同，動(dòng)態(tài)相量法可分為基于傅里葉分解的[19]、基于希爾伯特變換的[20]與基于時(shí)域坐標(biāo)變換的[21]時(shí)間尺度變化模型。動(dòng)態(tài)相量模型與平均值模型相比，前者變量為復(fù)數(shù)、基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系并可以考慮諧波分量，而后者變量為實(shí)數(shù)、基于靜止坐標(biāo)系和只能考慮直流分量與基波分量，兩者都會(huì)忽略高次諧波。離散模型通過(guò)迭代函數(shù)與差分方程描述電路基本特性，能夠在大范圍時(shí)間域內(nèi)準(zhǔn)確描述變換器，模型精度高，但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，通常通過(guò)泰勒逼近來(lái)化簡(jiǎn)計(jì)算過(guò)程。對(duì)于多結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)設(shè)備而言，可以采用內(nèi)部電路等效建模法消除內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化模型后再應(yīng)用以上方法。

對(duì)于電網(wǎng)層面的建模，甚至不需要考慮電力電子設(shè)備的變化，只需要進(jìn)行電路等效了解其端口特性即可。開(kāi)關(guān)函數(shù)建模法引入表征開(kāi)關(guān)狀態(tài)的函數(shù)，進(jìn)而通過(guò)該函數(shù)描述電路模型，該方法可以很好地描述電力電子設(shè)備外端口的輸入輸出特性，缺點(diǎn)是無(wú)法描述內(nèi)部的電壓電流特性。

為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真，通常簡(jiǎn)化對(duì)于電力電子設(shè)備內(nèi)部的描述而更加注重端口特性，所以在仿真中通常利用替代定理，用電壓源或電流源來(lái)替代電力電子設(shè)備而簡(jiǎn)化建模，并獲得與實(shí)際基本符合的仿真結(jié)果。目前相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中于對(duì)接口方法的改良與提高接口算法仿真精度，以下主要介紹3種常用的替代方法。

2.2.1戴維南等值

在數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真中，機(jī)電暫態(tài)通常采用戴維南等值方式[22]。單端口戴維南等值基本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在機(jī)電側(cè)耦合的端口能夠在電磁側(cè)解耦，等效電勢(shì)是通過(guò)在每個(gè)仿真周期內(nèi)利用接口電壓、接口電流與自阻抗完成計(jì)算，其中自阻抗是從接口處向機(jī)電側(cè)的阻抗。單端口戴維南等值是一種線(xiàn)性等值方法，當(dāng)機(jī)電側(cè)存在大量非線(xiàn)性元件時(shí)仿真精度會(huì)受到影響，可通過(guò)合理選擇接口母線(xiàn)位置減少該影響。多端口戴維南等值的基本原則是對(duì)外部系統(tǒng)在接口母線(xiàn)處進(jìn)行化簡(jiǎn)，實(shí)質(zhì)是外部系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的化簡(jiǎn)。通過(guò)對(duì)外部三序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理就可以得到三序戴維南等值電路，利用這三序電路就能夠提高仿真的精確度。然而，多端口等值方法在端口數(shù)目增加時(shí)，由于需要考慮三序電路，會(huì)導(dǎo)致等值電路規(guī)模龐大和導(dǎo)納矩陣不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，使得多端口戴維南等值電路在仿真中難以應(yīng)用[23]。

2.2.2諾頓等值

諾頓等效一般用于對(duì)于電磁子系統(tǒng)的等效，測(cè)量接口處的各序基波分量，然后利用該信息獲得電流源的等值。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電側(cè)與電磁側(cè)的解耦[24]，但沒(méi)有考慮到電磁網(wǎng)絡(luò)的延遲問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致誤差。對(duì)于多端口的諾頓等值電路，通常是在單個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)將一個(gè)大的系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)。諾頓等值是一種線(xiàn)性等值方法，同樣存在無(wú)法準(zhǔn)確描述系統(tǒng)內(nèi)包含大量非線(xiàn)性元件的問(wèn)題，特別是在暫態(tài)下電磁側(cè)采用諾頓等值電路會(huì)帶來(lái)較大誤差[25]。但是可以通過(guò)將外部系統(tǒng)與電磁側(cè)系統(tǒng)相連，對(duì)整體的阻尼特性與動(dòng)態(tài)特性完成仿真分析。

2.2.3頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值

前面兩種等值方式都是基于基頻信息進(jìn)行的等值，會(huì)導(dǎo)致等值電路對(duì)其他頻率下的響應(yīng)描述不準(zhǔn)確。頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值(frequency dependent network equivalent，F(xiàn)DNE)方式在各個(gè)頻率段下計(jì)算戴維南等值電路后，利用矢量擬合的方式進(jìn)行參數(shù)擬合，能夠有效描述等值電路在各個(gè)頻率段的特性，解決了以上兩種等值電路無(wú)法描述寬頻特性的問(wèn)題[26]。但FDNE等值方法在求解參數(shù)及實(shí)現(xiàn)上存在計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題。對(duì)于電力電子分立元件與電力設(shè)備輸出端口的電力電子化的建模方法總結(jié)如圖3所示。

圖3 電力電子化建?？偨Y(jié)

2.3 實(shí)時(shí)仿真高速率并行算法

對(duì)于數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真，基本元件的精確建模仍然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，需要探討高速率并行算法。目前有基于子網(wǎng)解耦與基于延遲插入的并行化仿真，前者是將電網(wǎng)模型分解成多個(gè)子網(wǎng)然后并行求解，一般是通過(guò)將一個(gè)巨大的導(dǎo)納矩陣變成若干個(gè)較小的導(dǎo)納矩陣實(shí)現(xiàn)，在求解過(guò)程中需要保證子網(wǎng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，才能夠使求解結(jié)果收斂。針對(duì)不同的分割區(qū)域可以采用不同的仿真步長(zhǎng)，以兼顧精度與效率[27]。在數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真中一般采用機(jī)電-電磁混合仿真，在需要精確描述的設(shè)備中采用電磁暫態(tài)描述，而在粗略描述的設(shè)備中采用機(jī)電暫態(tài)描述，這樣的混合仿真方式能夠充分利用機(jī)電暫態(tài)仿真與電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)勢(shì)，較好地平衡了仿真速度與仿真精度[28]。延遲插入法較好地解決了仿真規(guī)模增大導(dǎo)致計(jì)算量增大的問(wèn)題[29]。延遲插入法同樣是一種并行化算法，基本思路是將電網(wǎng)分解成多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)電阻、電感和電壓源，節(jié)點(diǎn)與地之間并聯(lián)電阻、電容、電流源，仿真過(guò)程中交替求解節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與地之間的狀態(tài)值，不斷更新數(shù)據(jù)即可。延遲插入法計(jì)算量較小，易于實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)仿真參數(shù)、仿真步長(zhǎng)有著嚴(yán)格要求。目前延遲插入法已經(jīng)在輸電網(wǎng)絡(luò)、微電網(wǎng)等系統(tǒng)的仿真中得到應(yīng)用[30]。

3 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)與仿真類(lèi)型

3.1 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真算法在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用需要結(jié)合具體的硬件仿真平臺(tái)才能進(jìn)行。上述算法通常要求將大電網(wǎng)分割后把各個(gè)子網(wǎng)交由不同的計(jì)算單元求解，這些計(jì)算單元可以是中央處理器(CPU)、圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)等[31]，下面介紹基于這三種計(jì)算單元的實(shí)時(shí)仿真。

3.1.1基于CPU的實(shí)時(shí)仿真

對(duì)于超大規(guī)模的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真，需要將計(jì)算任務(wù)分配計(jì)算機(jī)群才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，不同的子網(wǎng)交由CPU中不同的核心進(jìn)行計(jì)算，大多實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)都支持計(jì)算機(jī)群的并行化計(jì)算，此外，其仿真器都支持與地域較遠(yuǎn)的空閑實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，極大地利用了空閑資源。但是，計(jì)算機(jī)群間的通信延遲是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1.2基于GPU的實(shí)時(shí)仿真

對(duì)于細(xì)顆粒度、底層數(shù)值算法層面的并行化，GPU因具備天然并行架構(gòu)而被廣泛使用。相比于CPU，GPU具有更多的并行化計(jì)算單元，因此在并行化算法中計(jì)算力更強(qiáng)，但因?yàn)镚PU的邏輯控制能力較弱，所以仍然需要CPU對(duì)整體流程算法進(jìn)行控制。目前基于GPU的實(shí)時(shí)仿真也已經(jīng)在仿真平臺(tái)上得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了并行化算法的加速[32]。

3.1.3基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真

FPGA因具有大量并行化計(jì)算單元與邏輯單元、豐富的接口單元和更低的通信延遲在數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真中得到了更加廣泛的應(yīng)用[33]?；贔PGA的實(shí)時(shí)仿真近年來(lái)已經(jīng)得到了廣泛研究，研究表明在相同的硬件能力下，F(xiàn)PGA需要付出更多的成本，F(xiàn)PGA天然并行架構(gòu)僅僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)并行，在算法的并行上基本沿用針對(duì)CPU的傳統(tǒng)算法，在這個(gè)層面上存在較大上升空間[34]。

3.2 數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真類(lèi)型

電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真可以分為全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真與硬件在環(huán)仿真。全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真是對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行建模，不含外部接口。硬件在環(huán)仿真是將部分模型用實(shí)物替代，需要對(duì)外部接口進(jìn)行物理模型與仿真模型間的數(shù)據(jù)交換。根據(jù)實(shí)際物理模型的類(lèi)型，可以將硬件在環(huán)仿真分為控制硬件在環(huán)與功率硬件在環(huán)。

3.2.1控制硬件在環(huán)

控制硬件在環(huán)(contrllor handware in the loop，CHIL)是控制器使用實(shí)際的物理模型，在這類(lèi)仿真中功率傳輸由計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算并將結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)輸出到實(shí)際控制器中，控制器獲得反饋信號(hào)后進(jìn)行處理，然后將控制信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)發(fā)送到仿真機(jī)中[35]，如圖4所示。

圖4 CHIL結(jié)構(gòu)

3.2.2功率硬件在環(huán)

涉及大范圍功率傳輸?shù)挠布诃h(huán)仿真稱(chēng)為功率硬件在環(huán)(power hardware in the loop，PHIL)仿真，電力系統(tǒng)中一次側(cè)部分在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬，而另一部分是真實(shí)的電力設(shè)備，這些設(shè)備需要功率放大器將產(chǎn)生的功率吸收或輸出，仿真機(jī)中的功率與實(shí)際電力設(shè)備間的功率傳輸需要經(jīng)過(guò)功率放大器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)目s放才能夠完成功率傳輸，如圖5所示。功率硬件在環(huán)仿真能夠接近實(shí)際情況，目前已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)仿真的有力手段之一。

4 面向新型電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的 典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 典型硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真流程

在數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真器中應(yīng)用較多的是CHIL，下面以CHIL實(shí)現(xiàn)的仿真典型過(guò)程為例說(shuō)明數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真流程[36]。首先在仿真建模之前，需要了解目標(biāo)電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、控制算法等內(nèi)容。而后在數(shù)字實(shí)時(shí)仿真器中建立相應(yīng)模型，需要注意的是一般在頂層模型之中只能夠存在子系統(tǒng)，并且子系統(tǒng)分為用戶(hù)圖形界面(graphical user interface，GUI)子系統(tǒng)、計(jì)算主系統(tǒng)和額外的運(yùn)算系統(tǒng)。GUI系統(tǒng)僅用于用戶(hù)交互，沒(méi)有信號(hào)生成與物理模型等；計(jì)算主系統(tǒng)使用一個(gè)計(jì)算核心，完成仿真計(jì)算的大部分內(nèi)容；額外的運(yùn)算系統(tǒng)使用額外的計(jì)算核心，完成其余部分的計(jì)算內(nèi)容。在控制器中寫(xiě)入對(duì)應(yīng)算法并將仿真機(jī)與控制器用I/O端口連接，并保證信息能夠完整傳輸。完成以上準(zhǔn)備工作之后首先離線(xiàn)編譯并運(yùn)行模型，只有完成離線(xiàn)運(yùn)行才可能完成實(shí)時(shí)運(yùn)行[37]。接下來(lái)是對(duì)控制器的設(shè)置，需要在控制器中載入控制算法并完成編譯，隨后通過(guò)一系列的測(cè)試驗(yàn)證載入算法。完成以上步驟之后就可以實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)字硬件在環(huán)仿真。在仿真過(guò)程中，需要對(duì)各式信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并評(píng)估正確性，只有當(dāng)這些信號(hào)符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)之后才可以記錄仿真數(shù)據(jù)[38]。通常，可以通過(guò)以下4種方式記錄仿真結(jié)果：一是利用示波器在硬件端測(cè)量；二是在仿真模型中利用已有模塊測(cè)量，仿真平臺(tái)中一般會(huì)提供變量表格對(duì)變量進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過(guò)快照功能重載某一時(shí)刻的模型；三是在I/O端口進(jìn)行記錄；四是通過(guò)其他軟件完成對(duì)仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄[39]。數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真的基本流程如圖6所示。

圖6 CHIL的一般仿真流程

4.2 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真在新型電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

目前，數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)在新型電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)一般仿真平臺(tái)對(duì)新能源電站精細(xì)的建模時(shí)，平臺(tái)均提供包括光伏電池、雙饋電機(jī)在內(nèi)的各式新能源發(fā)電裝備的模型，通常通過(guò)GPU加速電磁暫態(tài)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源電站電磁暫態(tài)快速仿真[40]。為解決分布式發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)施與電動(dòng)汽車(chē)充電樁等設(shè)備接入配電網(wǎng)導(dǎo)致配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性愈發(fā)復(fù)雜的問(wèn)題，平臺(tái)也會(huì)提供輸配一體建模幫助分析大電網(wǎng)下關(guān)鍵負(fù)荷的供電特性，同時(shí)也可以幫助研究分布式發(fā)電接入電網(wǎng)影響、諧波治理方案與電動(dòng)汽車(chē)充電樁充放電問(wèn)題[41]。新型電網(wǎng)有眾多的電力電子設(shè)備接入，受此影響電網(wǎng)發(fā)生振蕩或者故障后，動(dòng)態(tài)性能受到電力電子設(shè)備的影響表現(xiàn)出更強(qiáng)的非線(xiàn)性和不確定性，平臺(tái)一般提供包括GPU加速的電網(wǎng)潮流、連續(xù)潮流、優(yōu)化潮流分析等的多種類(lèi)型直流輸電的交直流電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真分析功能，這類(lèi)型仿真能夠揭示電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式與改進(jìn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)也可以對(duì)交直流微網(wǎng)進(jìn)行仿真測(cè)試分析，可以建立包括發(fā)電機(jī)、光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能在內(nèi)的模型[42]，也能夠進(jìn)行交直流微網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)分析，同時(shí)可以研究分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)帶來(lái)的諧振諧波干擾等問(wèn)題。在仿真機(jī)中搭建一次模型與二次側(cè)控制保護(hù)策略可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制策略的有效性，也可以通過(guò)在仿真機(jī)中搭建一次模型，通過(guò)接口與實(shí)物控制器相連實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真。數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)在多平臺(tái)多場(chǎng)景下得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于新型電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討面向新型電力系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真，首先指出新型電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的差異，在新型電力系統(tǒng)中數(shù)字實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真比傳統(tǒng)仿真更加接近實(shí)際情況而極具發(fā)展?jié)摿?。其次，介紹數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的發(fā)展歷程、仿真中的開(kāi)關(guān)元件建模，包括基于Ron/Roff與基于L/C的兩類(lèi)建模方法，指出前者每次開(kāi)關(guān)都需要重構(gòu)導(dǎo)納矩陣的繁瑣與后者參數(shù)值與仿真步長(zhǎng)相關(guān)等問(wèn)題。之后介紹接口等值電路的建模，包括戴維南等值、諾頓等值與頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值，其中戴維南等值通常應(yīng)用于機(jī)電暫態(tài)仿真，諾頓等值通常用于電磁子系統(tǒng)等效而FDNE適用于寬頻特性分析場(chǎng)合。下一步介紹數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的架構(gòu)，分別闡釋了基于CPU、基于GPU與基于FPGA的三類(lèi)實(shí)時(shí)仿真架構(gòu)和控制器硬件在環(huán)與功率硬件在環(huán)的兩種數(shù)?；旌戏抡骖?lèi)型，其中接口技術(shù)是數(shù)模混合仿真研究的重點(diǎn)。最后，介紹應(yīng)用不同的仿真平臺(tái)解決不同仿真場(chǎng)景，指出數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)在新型電力系統(tǒng)仿真中得到了廣泛的應(yīng)用并將在未來(lái)得到持續(xù)應(yīng)用。