交直流混联大电网仿真技术现状及面临挑战

李亚楼，张星，李勇杰，陈绪江，吴茂乾

(1．中国电力科学研究院，北京市100192;2．国网奎屯供电公司，新疆维吾尔自治区奎屯市832200)

为了适应能源资源全局优化配置的需求，建设坚强智能电网，国家电网公司“四交五直”、“五交八直”等特高压工程将陆续建设投运。大规模直流跨区输电、全网一体化交直流混联已成为电网的典型特征［1-4］。

电力系统仿真是认识电网特性、分析系统稳定性的主要手段。大规模交直流混联给电网特性带来深刻变化，交直流相互作用、送受端相互影响加剧，对电力系统仿真的规模、精度和速度提出了更高的要求。要实现高精度仿真，准确建模是第1步。目前建模的难点是复杂电力电子设备的建模。建立这些设备对应的准确模型，并确定其参数，是大电网准确仿真的基础［5-6］。

目前国家电网公司已建成4回特高压直流工程和13回常规直流工程，仿真节点规模超过3万个。根据规划，至2020年，国家电网公司将建成投运共计31回直流输电工程，其中特高压直流18回，仿真节点规模将突破5万个。为了真实反映系统交直流相互影响的动态特性，需要对含有数十回直流和数千母线的交直流混联电网的电磁暂态进行精细仿真。此外，仅具有准确建模和大规模仿真的能力还不够，还必须大幅度提高仿真分析速度，并形成高效的仿真工具，以适应含有数万母线的交直流混联电网的数模混合实时仿真，实现多运行方式、海量预想故障的快速批量仿真分析。

本文从电力系统建模、多时间尺度仿真、数模混合实时仿真3个方面梳理目前仿真技术现状，针对交直流混联大电网发展需求，分析这些仿真技术所面临的挑战。

1 仿真建模技术发展现状及面临挑战

建模是仿真分析的基础，模型的精度决定了仿真的准确度。根据不同需求，可以对同一设备建立适应于不同应用场景的仿真模型。比如发电机的稳态模型只是包含了功率和电压的有源节点，进行机电暂态分析就需要建立包含发电机本体及励磁、调速、电力系统稳定控制器(power system stabilizer，PSS)的微分方程模型，而且是不同精度的多种模型;做中长期仿真时还要补充锅炉、汽机等模型。一般来说，采用更加精确的模型，会有更准确的仿真结果，但是也会增加参数的获取难度。比如发电机的高阶Park方程早在60年代就已经建立，但是由于缺少准确的暂态参数，仍然长期采用3阶以下的实用或经典模型，直到2000年以后，随着发电机及其控制器参数实测的开展，5阶准确模型才逐渐得到应用。

目前的研究重点和难点主要是含大量电力电子器件的直流系统、新能源发电系统及柔性交流系统(flexible alternative currenttransmission systems，FACTS)等的建模，以及负荷、新能源发电集群等系统整体特性等值建模。

(1)超/特高压直流输电设备建模。直流机电暂态仿真广泛使用的是准稳态模型，早期直流模型基于葛南直流(PSASP)和美国西部电网太平洋联络线(PSD-BPA)建立，已逐渐不适应于交直流电网仿真的需要。

2008年起，国家电网公司科技部连续立项，在国家电力调度通信中心(以下简称“国调中心”)的持续支持下，开展了超/特高压直流输电机电暂态建模研究，提出了新的直流模型，解决了换相失败、工程控制保护模型、参数实测方法等一系列技术问题，新直流模型已应用于国调中心系统方式计算，基本满足了现阶段系统运行需求［7-8］。

电磁暂态仿真广泛采用基础元件搭建的方式来实现对直流一次系统的仿真，仿真的精度依赖于软件采用的电磁暂态基础算法和基础元件建模的精细程度。电磁暂态对二次系统的仿真有多种实现方法，包括经典模型、针对不同厂家的简化适用模型、厂家封装模型、厂家开放详细模型、用户自定义实现的详细模型、Hidraw程序接口实现的详细模型等。

电磁暂态直流模型在直流控制保护策略及其参数优化、直流输电暂态过程等研究中获得了广泛的应用。

使用机电暂态模型，在仿真电网不对称故障、波形畸变、涌流、直流换相失败等含有非基波因素的交直流系统特性时存在局限性。厂家提供的电磁暂态直流详细模型，一般基于EMTDC软件，难以计及大电网的特性，且厂家模型规模庞大，有的还是封装模型，难以维护和调试。采用用户自定义或Hidraw程序接口实现的直流输电详细建模，存在规模庞大、建模复杂、仿真效率低以及不适应于多回直流同时仿真的问题。

针对不同厂家的简化适用模型，根据应用场景的需要对直流控制保护进行简化后建模，能够一定程度兼顾仿真速度和仿真精度，但是如何平衡仿真精度和速度有很大难度。

(2)新能源设备及FACTS设备。国内常用的机电暂态电力系统分析程序(如PSASP、PSD-BPA)中已有各种新能源和FACTS元件模型，如风力发电机、光伏电站、可控串补、静止无功补偿器、静止同步补偿器、可控高抗等。

与特高压直流输电的建模类似，新能源和FACTS设备的建模存在生产厂家众多、设备特性各不相同、厂家技术封锁等建模难题，目前的模型难以和实际设备的动态特性保持一致，新能源发电集群的整体特性建模与电网仿真需求仍有差距。

(3)各类负荷设备。电力系统仿真分析中常见的负荷模型包括静态负荷、动态负荷以及综合特性负荷。此外，针对电铁、电解铝等特殊负荷也可以建立详细的电磁暂态模型，用于研究电能质量等问题［13］。

负荷建模工作已经有较多的研究成果，结合大扰动实验等现场实测工作，提出了考虑配电网特性的综合负荷模型及其参数计算方法，提高了负荷模型精度，将负荷建模工作向前推进了一大步［14-15］。

负荷建模是电力系统仿真中的传统难题。电力系统负荷复杂多变，对系统稳定性有重要影响，但目前负荷模型存在负荷特征难以识别、负荷模型参数适应性不强等问题。

2 多时间尺度仿真技术

按照我国《电力系统安全稳定导则》的要求，需要对电网做全面的稳定分析计算，以了解电网特性，提出有针对性的提高电网安全稳定水平的措施。这里的全面稳定分析计算，主要包括静态安全分析和动态安全分析，其中动态安全分析是关注的重点，可以细分为功角稳定、电压稳定、频率稳定和中长期稳定。功角稳定和电压稳定还可以按照大扰动和小扰动细分［16］。

进行安全稳定分析的仿真方法包括时域仿真方法、频域仿真方法、线性化特征根分析法等，其中时域仿真分析应用最为广泛。电力系统时域仿真包括机电暂态、电磁暂态、机电-电磁暂态混合、中长期过程等技术，构成了多时间尺度的时域仿真体系［17］。在实现形式上有实时仿真系统、平台级软件和单机软件，其中单机软件最常见，包括EMTP、EMTDC、PSD系列软件、PSASP、PSS/E、NETMAC等。目前常用的仿真工具如图1所示。

图1 时域仿真中常用工具Fig.1 Normal tools for time-domain simulation

2.1 机电暂态仿真技术

机电暂态仿真主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。

机电暂态仿真算法成熟，仿真规模大，速度快，目前可实现数万节点规模电网的快速仿真，在大型电力系统的稳定研究、交直流混联大电网规划和运行分析中得到了广泛应用。但因忽略了电网非基波分量，机电暂态仿真对不对称故障、直流换相失败等特性的模拟存在局限性，难以详细仿真交直流电网相互影响特性。

2.2 电磁暂态仿真技术

电磁暂态仿真是用数值计算方法对电力系统中从数μs至数ms之间的电磁暂态过程进行仿真模拟，可准确仿真电力电子设备在换相失败、不对称故障、谐波等条件下的动态特性，可与实际控制保护装置连接实现实时仿真。

电磁暂态仿真主要用于研究局部电网或设备的详细暂态过程，如直流控制保护定值分析、过电压研究等，是否可以用于大电网安全稳定性研究(或者可用于多大规模电网研究)存在争议。一种思路认为可以，目前中国南方电网公司已经搭建了数百节点的电磁暂态网络用于电网安全稳定研究;另一种思路认为可能存在数值稳定问题，仿真规模到一定程度就无法正常计算。

电磁仿真算法基本成熟，但是随着大量直流设备和其他电力电子设备接入，对仿真速度、仿真规模和数值稳定性提出了更高的要求［18］。

电磁仿真模型复杂、参数多，建模与参数维护工作量大。受模型与算法限制，仿真规模一般较小，模拟多回直流时，计算速度慢、时间长，不能满足交直流大电网的仿真要求。

2.3 电磁暂态小步长仿真技术

值得关注的是，在电磁暂态仿真领域，与典型的50 μs仿真步长相比，还存在更小仿真步长的需求。

对IGBT/GTO等电力电子器件暂态特性进行建模和仿真时，由于开关动作频率很高，需要采用更小的仿真步长，如1～5 μs，称之为电磁暂态小步长仿真［19-20］。

直接采用传统电磁暂态仿真算法进行小步长仿真的效率非常低，几s的暂态过程可能需要数h。如何实现高精度和高效率的仿真是关键问题。

大量IGBT/GTO在柔性直流输电、新能源发电和FACTS装置中的应用对电磁暂态小步长仿真规模提出了更高的要求。

2.4 长过程仿真技术

长过程仿真技术(中长期动态仿真)，是电力系统受到扰动后较长过程的仿真，要计及一般暂态稳定仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，其计算的时间范围可从几十s到几十min甚至数h［21］。

长过程仿真计算也是联立求解方程组以获得电力系统长过程动态的时域解，一般采用变步长技术加速仿真过程。

长过程仿真涉及锅炉、汽机、有载调压变压器等慢速动作设备，以及大量保护和安全稳定自动装置模型，建模和参数维护工作量较大，制约了其广泛应用。与机电暂态仿真一样，也存在难以准确模拟和分析与电磁暂态过程相关的系统稳定性问题。

2.5 不同时间尺度混合仿真技术

电力系统多时间尺度混合仿真利用系统各部分不同的动态响应速度选择不同仿真步长的模型和算法，有望解决目前单一时间层级仿真方法不够精确或效率较低的问题，为大规模混联交直流电网研究提供了新思路。

混合仿真技术作为一种仿真精度和仿真效率的折中方法，无法从根本上解决大规模电网全部小步长仿真的问题。如何合理选择不同步长仿真对象、接口位置，以及如何进行接口方法的优化，以进一步提高仿真精度，是混合仿真技术研究的重点。

为了提高计算效率，可采用并行计算方式进行不同时间尺度的混合仿真。如图2所示，快速仿真子模块和慢速仿真子模块并行计算，在大步长处进行接口数据交换。

图2 并行混合仿真Fig.2 Parallel hybrid simulation

多时间尺度混合仿真技术的一个典型应用是机电－电磁暂态混合仿真技术［22-23］。结合机电暂态与电磁暂态仿真的优点，规模与机电暂态相当，对直流设备等重点关注的电力电子设备采用电磁暂态模型进行精确仿真。图3所示是机电－电磁仿真的接口原理，两侧步长相差数百倍，通过接口交换信息实现混合仿真。

图3 机电－电磁暂态混合仿真原理Fig.3 Electromechanical-electromagnetic transient hybrid simulation principle

国调中心于2010年开始应用机电－电磁暂态混合仿真程序(PSD-PSMODEL、ADPSS)，将特高压直流电磁暂态仿真引入系统稳定计算，采用以机电暂态仿真为主，机电－电磁混合仿真为辅的方法，互相校验，共同确定稳定控制极限，基本满足了近期制定电网运行方式及控制策略的需求。南方电网科学研究院也开发了基于RTDS仿真系统的SMRT机电－电磁混合实时仿真平台，用于交直流大电网特性分析和安全稳定控制策略的验证试验［24］。

目前机电－电磁混合仿真接口不能完全反映包含高次谐波在内的电网电磁暂态特性，还未解决大电网电磁仿真问题。

3 实时仿真技术

电力系统实时仿真技术经历了上世纪50、60年代的动态物理模拟，即以小型模拟设备代替大型原始设备进行模拟;到20世纪80、90年代的数模混合仿真，即部分设备用物理模拟设备，大部分其他设备使用数字模型;到90年代后期出现了全数字仿真技术。前两者受硬件限制，仿真规模小、试验工作量大、效率低，但是可以模拟认知困难、数学模型难以建立的设备;全数字仿真技术不受硬件限制，仿真规模大，使用方便，但是依赖于精确的数学模型和实时仿真算法。

全数字实时仿真技术占地面积小、建设周期短、可扩展性好、重复试验方便，是国际上实时仿真的主要发展方向之一。核心技术包括:(1)并行计算技术，如并行处理器间通信、数据交互和并行算法;(2)硬实时控制，如基于实时操作系统或嵌入式软件的仿真时间控制;(3)IO接口技术，如电气量/通讯等接口，可以灵活连接各种试验设备。

3.1 并行计算技术

数字仿真中的并行算法包括机电－电磁暂态混合仿真、机电暂态分网并行［25］、电磁暂态分网并行［26-27］等。机电侧的网络分割一般基于节点撕裂法和支路切割法;电磁侧的网络分割一般基于节点分裂法和长输电线解耦法。其中长输电线解耦法通信量小、并行效率高，在 RTDS、RT-LAB、HyperSim 及ADPSS等实时仿真系统中得到了广泛采用。

3.2 实时数字仿真系统

目前数字实时仿真的硬件平台包括嵌入式板卡(RTDS)和高性能服务器(RT-LAB、Hypersim、ADPSS等)。国际上主流的数字实时仿真系统如表1所示。

20世纪90年代初，随着商业化高速数字信号处理器(DSP)的问世，加拿大Manitoba直流研究中心和RTDS公司率先推出了国际上第1台电力系统全数字实时仿真系统(RTDS)［28］。RTDS是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统，其硬件结构和软件特点比较具有代表性。RTDS的基本单元称作RACK，一套RTDS装置可包括几个或几十个RACK，RACK的数量决定系统的规模。

HYPERSIM是加拿大魁北克水电局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全数字实时仿真软件，目前具有Unix、Linux、Windows等 3 种版本［29］。HYPERSIM 具有电磁仿真准确、并行计算能力强大以及离线仿真灵活等特点。HYPERSIM可以实现自动分网，自动计算所需CPU数目或仿真的最小步长。当CPU数目有限时，可以自动增大仿真步长，不同仿真步长的计算结果相同。

表1 实时数字仿真系统Table 1 Real-time digital simulation system

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司开发的实时仿真系统，其建模环境依托Matlab/Simulink软件，具有建模灵活、试验接口能力强等特性［30］。RT-LAB早期主要用于电力电子设备的快速控制原型实现和控制器闭环测试，近年来在电力系统仿真中也得到了较多应用。

电力系统全数字实时仿真系统(advanced digital power system simulator，ADPSS)［31］，是由中国电力科学研究院研发的基于高性能服务器机群的全数字仿真系统，具备机电－电磁混合仿真能力，最大规模为3 000台机、30 000个电气节点，主要用于大电网仿真分析和控制装置闭环试验。

3.3 数模混合仿真技术

基于数字实时仿真系统的数模混合仿真，可以分为控制器硬件在环(controller hardware-in-the-loop，CHIL)和功率硬件在环(power hardware-in-the-loop，PHIL)2种［32］。电力系统领域之外的混合仿真几乎都是传统的半物理仿真，都属于CHIL仿真。电力系统中，如果数字仿真的一次电网与物理仿真的一次电网进行接口，则仿真类型属于PHIL。

CHIL技术被广泛应用于电力系统各类控制保护装置的闭环试验和入网测试，包含继电保护、励磁调节器、FACTS控制器、常规直流和柔性直流输电控制系统、安全稳定控制装置等，技术已相对成熟，其未来发展主要面临以下挑战。

(1)接口规模限制。以开展直流控制保护系统闭环试验为例，一回特高压直流控制保护系统与数字仿真系统交互的模拟量/开关量超过500路，交互周期为50 μs。未来，若接入数十回直流实际控制保护系统进行闭环试验，则可能受到接口数据通讯速度、处理器数量及任务分配机制的瓶颈限制。

(2)仿真规模限制。在开展安全稳定控制装置、FACTS控制器和直流输电控制系统闭环试验时，需要准确模拟大电网的运行特性，但电网仿真规模直接取决于并行计算的处理器数量。受多处理器之间的通讯瓶颈、并行同步性及稳定性的限制，参与并行计算的处理器数量存在上限。

PHIL技术可接入电力系统一次设备进行闭环试验，主要用于直接接入不易建模的复杂设备进行数模混合仿真，如美国CAPS实验室用于军用船舶推进高温超导电机的原型测试、中国电力科学研究院用于直流输电系统的试验研究等［33-34］。

PHIL技术需要用到功率接口设备，一般可选择模拟功率放大器或四象限电力电子换流器。放大器输出延迟小，但最大输出功率也较小;换流器输出功率大，但输出延迟为ms级，接口算法不易设计。受限于功率接口设备和仿真接口算法，目前PHIL的应用尚不广泛。

4 结论

针对不同应用场景选择合适的仿真工具，现有仿真手段能基本满足电网当前阶段的仿真和试验需要。但对于规模不断扩大、复杂度日益提高的交直流混联大电网研究，仍存在很多新的挑战，主要包括以下几点。

(1)计算精度难以适应。受限于直流设备、新能源发电、FACTS和负荷等复杂模型的建模精度，现有仿真工具尚无法精确模拟交直流系统机电－电磁的真实交互过程。未来，随着大量大容量和远距离直流工程投入、大规模新能源基地接入，现有仿真工具的计算精度存在问题。

(2)计算规模难以适应。随着大区电网之间联系越来越紧密，送受端电网有明显的相互影响，开展大电网分析时，需要同时对多个大区进行整体建模，对机电暂态仿真规模提出更大挑战。同时，为满足大量直流及其近区电网的电磁暂态建模，电磁暂态仿真规模也需要不断拓展。

(3)计算效率难以适应。随着未来特高压交直流工程快速建设，机电和电磁暂态仿真规模将不断扩大，使得整体计算效率急剧下降。电网调度中心在计算运行方式时，通常需要对上百个潮流组合及上万个故障进行百万次故障扫描，目前仿真速度无法实现。

针对上述挑战，应进一步深入研究特高压交直流混联大电网仿真技术，充分吸收各学科前沿技术，研发新算法、新硬件、新工具、新手段，以满足电网快速发展对仿真工具的需求。

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