电力系统数模混合仿真技术及发展应用

朱艺颖

(中国电力科学研究院，北京市100192)

0 引言

为满足未来持续增长的电力需求，实现更大范围的资源优化配置，推动电力工业技术创新和能源的高效开发利用，促进经济社会可持续发展和全面建设小康社会，国家电网公司提出了加快建设以MV级交流和±800 kV级直流系统特高压电网为核心的坚强的国家电网的战略思想［1］。西南水电和北方煤电基地将采用特高压交流或直流外送，形成覆盖大电源基地和负荷中心的特高压电网，以及交/直流特高压输电系统并列运行的格局。

国内外的工程实践表明:对于重大工程规划、设计、建设和运行的各个阶段，仅靠电力系统非实时计算分析是不够的［2］。加拿大、日本、巴西、韩国研究机构和ABB、Siemens等公司均建设了大规模的电力系统实时仿真试验室。在我国电网发展的各个重要阶段，从330、500、750和1 000 kV 交流、葛南直流工程到特高压直流工程的建设，都通过电力系统动态模拟装置、暂态网络分析仪(transient network analyser，TNA)、交/直流数模混合仿真装置进行过大量的试验研究。

电力系统数模混合仿真采用先进的数字和物理模型组合技术，构成兼有物理和数字技术特点的实时电力系统模型，可进行从电磁暂态到机电暂态的全过程实时仿真研究［3］。

电力系统数模混合仿真技术的发展是围绕我国电力工业的发展实际需求，在电网规划方案及运行特性、交/直流混合电网控制规律和控制装置的校核与优化、新能源接入后电网安全稳定性及协调控制、新型电力技术、电力设备接入电网等关键技术的研究方面均能发挥优势，使全面掌握大型复杂电网运行和控制机理的有效工具［4］。

1 数模混合仿真技术简介

数模混合仿真能较精确地模拟交/直流电力系统的运行特性和动态过程，其应用范围包括复杂交/直流输电系统运行特性仿真、多直流落点地区交/直流系统相互影响研究、各种新型电力电子设备接入电网及其控制特性仿真等［5］。

数模混合仿真技术可分为单向功率传输接口数模混合仿真、双向功率传输接口数模混合仿真和二次信号接口数模混合仿真。

单向功率传输接口数模混合仿真原理是发电机、动态负荷和感应电动机等旋转元件采用数字模型进行仿真，其他电力系统元件采用物理器件进行模拟，数字仿真与物理仿真连接的传输功率为单方向，即功率仅从数字模型传输到物理模型。通过数/模(D/A)转换卡输出数字侧信号，经功率放大器将模拟信号放大为能够与物理仿真装置匹配的信号，通过电压、电流传感器和模/数 (A/D)转换卡将物理仿真装置的状态反馈给数字仿真装置。图1为接口原理示意图。图中 I表示电流传感器，V表示电压传感器。

图1 单向功率传输接口数模混合仿真示意图Fig.1 Digital-analog hybrid simulation based on single directional power transmission interface

双向功率传输接口数模混合仿真装置原理是用数字模型模拟大部分电力系统，仅用物理模型模拟需要详细仿真的部分，例如高压直流输电系统(HVDC)、灵活交流输电系统等，数字仿真与物理仿真连接的传输功率为双方向，即功率可从数字模型传输到物理模型，也可从物理模型传输到数字模型。与单向功率传输接口相比，增加了对解耦元件的模拟。解耦元件是用于将电力系统分割为数字和物理的2个可同步独立运行的子系统，2个子系统之间通过接口电路交互功率。用作解耦的电力系统元件有很多种，包括发电机、负荷、母线、变压器、输电线路等。每种解耦元件都有其对应的接口算法，以实现网络的分割。接口等值电路的具体形式因解耦元件或接口算法的不同有较大差异。分布参数线路的贝杰龙等值模型是数模混合解耦元件较为合适的选择，将分布参数线路的波过程转化为仅含电阻和电流源的集中参数电路，可以利用输电线路的行波延时来精确补偿接口的软硬件延时［6］。

随着计算机技术的发展以及对电力系统元件的进一步认识，对交/直流系统的全数字仿真已经越来越得到认可，可以用数字模型模拟整个交/直流电网［7］，而对于直流输电等控制特性较为复杂的系统，采用将实际控制器接入数字电网的数模混合仿真是对实际电网特性最真实的模拟。随着数字实时仿真技术的不断发展和完善，越来越多的控保设备可以同时接入数字仿真电网，对研究大规模交/直流电网的交互特性起到支撑作用。

数字仿真程序与控制保护装置交互的为开关量和模拟量，因此接口交互主要有晶闸管触发脉冲、变压器分接头位置信号、交/直流开关状态信号、交/直流开关场投切信号、节点电压、输送功率等。由于信号量大多转换成电平信号，电压水平与A/D、D/A、D/I、D/O接近，经过相应电平转换芯片即可实现信号量的交互，仿真程序经D/A或DO输出数字控制信号给控制保护装置，控制保护装置将开关量、分接头位置信息等通过数字输出或A/D、D/I发送给仿真程序。信号传输由专用电缆实现，保证信号不失真［7］。全数字仿真程序与控制保护装置的互联如图2所示。

图2 全数字实时仿真装置与控制保护装置连接示意图Fig.2 Connection between digital real-time simulator and control/protection equipments

2 国内外数模混合仿真工具比较

2.1 电磁暂态数模仿真工具综合对比

在20世纪90年代初，随着商业化高速数字信号处理器的问世，加拿大Manitoba直流研究中心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。继RTDS公司后，法国电力公司(EDF)、加拿大魁北克水电研究所的TEQSIM公司等也相继进行了全数字实时仿真系统的开发和研制工作，其代表产品为HyperSim仿真系统［8］。国内的产品主要就是中国电力科学研究院开发的ADPSS。目前从各类仿真工具的应用领域来看，主要包括2类:(1)大电网稳定分析的系统级仿真;(2)单一工程的设备级仿真。

目前，除中国电力科学研究院外，南瑞集团、国网北京经济技术研究院、国网智能电网研究院及省级以上电力科学研究院主要利用ADPSS、RTDS、RT-LAB等数模仿真平台进行设备级的装置闭环试验、过电压计算、直流工程成套设计、联调试验以及柔性直流等电力电子新设备研发。但受控保、计算资源等硬件规模限制，不具备超大电网仿真能力。

现阶段，国内外可用于大电网仿真的软件主要为国产的ADPSS和加拿大的HyperSim、RTDS。中国电力科学研究院自主研发的ADPSS电网仿真规模可达“三华”+“两北”220 kV及以上网架，但其电磁暂态仿真规模仍需要测试和提升、接入实际控保能力有限，已应用于18个省级以上电网公司。引进的HyperSim平台是目前电磁暂态仿真规模最大的系统，可仿真省级电网(如江苏)220 kV以上电网规模。

南方电网RTDS实验室有33个RACK，可仿真广东电网220 kV以上规模，与中国电力科学研究院现有HyperSim平台仿真能力大致相当。

为应对未来特高压交/直流大电网数模仿真，国内外现有平台能力均有不足，需要攻克特高压大电网、大规模电磁暂态、多直流控保联合仿真的关键问题，才能逐步满足仿真研究需要。

2.2 HyperSim与RTDS技术比较

HyperSim和RTDS应用最为成熟，ADPSS的主要特点是实现了机电－电磁混合的实时仿真，但在数模混合仿真方面尚处于开发完善阶段，因此下面主要介绍和对比HyperSim和RTDS和性能。

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，HyperSim集成了商用计算机硬件平台和软件系统两大部分，该系统既可以Linux工作站进行单处理器或多处理器的离线仿真，也可以通过SGI服务器或者OPAL-RT公司的OP5600系列仿真主机进行实时仿真。HyperSim提供了电磁仿真的准确性、并行处理器强大的计算能力以及离线仿真的灵活性，比传统的模拟仿真器应用更加灵活、简单、廉价，可用于电力系统、电力电子及电机拖动分析，用于HVDC及FACTS设备动态性能测试，以及控制系统性能测试、继电保护和重合闸装置闭环测试。

HyperSim的硬件平台SGI超级计算机，最新产品是SGI UV 2000，其采用NUMAFlex体系结构，单一操作系统，所有处理器共享内存，具有管理简单、运算效率高、易于编程等特点。SGI UV服务器在高性能计算应用方面的表现非常好，Linpack效率通常都能达到93%以上，最极端复杂的应用都能达到90%左右。SGI Altix UV系列服务器采用的是分布式的共享内存结构，在物理上是分布式放置，而在逻辑上实现统一编址的内存空间，这样在共享内存体系结构下所有处理器都可以访问其全部的内存空间，最多可以实现64TB的内存共享。SGI UV 2000是全局共享内存服务器，任何一个节点上的处理器都能够访问所有内存，就像访问本地内存一样。相比于Cluster结构，作业运行效率更高，完成任务所需要的时间更短。从并行编程的角度来看，目前主要有2种模式，分别是基于共享内存的并行编程(OpenMP)和基于消息传递的并行模式(MPI)。前者主要实现的是粗粒度并行，后者是在对程序进行细粒度的并行，两者各有优势。对于SGI Altix UV高性能服务器系列来说，则可以支持目前所有的并行编程模式，充分利用两者的优势提高并行计算的效率。

HyperSim的软件核心为EMTP程序，仿真测试范围主要是电磁暂态过程。仿真精度为64位双精度，在代码产生、编译和仿真过程中，HyperSim使用的都是真64位双精度浮点数，数值稳定。HyperSim代码生成器用来分析网络拓扑，分解线路、母线、控制元件及其子系统为不同的任务，自动将任务合理分配给各并行处理器，使各任务之间通信负担最小。通过代码生成模块产生的C语言代码在实时与离线状态下都完全相同，仿真结果也完全一致，唯一不同的是编译过程。

HyperSim是一个开放结构的仿真软件，有许多方便灵活的接口。在仿真文件开发过程中，通过UCB接口，提供用户一个开发环境和集成方法，增加HyperSim建模能力和应用灵活性;通过MATLAB接口，可充分发挥商业软件的优势，提高仿真文件的开发效率;通过EMTP接口，可将EMTP和HyperSim仿真文件相互转换，因而对常规电磁仿真程序完全兼容;通过A/D、D/A接口，可将硬件设备联接到虚拟的电力系统环境中进行实时仿真。HyperSim目前正在探索进一步增加计算核的技术，随着计算核数的增加，所能接入的接口装置数量也会进一步增加。

是由加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司开发生产的。RTDS的硬件结构和软件特点比较具有代表性。其产品主要都是基于并行处理计算机结构的，专为电力系统实时仿真设计，用于闭环实时仿真测试。RTDS实质上是为实现暂态过程实时数字仿真而专门开发的并行计算机系统。

RTDS硬件采用高速并行处理器，处理器主板由RTDS技术公司自行开发。RTDS的基本单元称作RACK，1套 RTDS装置可包括几个或几 10个RACK，RACK的数量决定系统的规模。在实时通信速度方面，RTDS每个单元(RACK)的通信连接通道数量有限。对于大型电力系统来说，当达到这个连接极限时，并行处理的效率会变低，运行也会出现困难。总体来说，由于RTDS公司自己开发仿真系统的主板，因此硬件升级稍慢。

RTDS的软件核心为PSCAD/EMTDC程序，仿真测试范围为电磁暂态过程。仿真精度为64位双精度，而这和HYPERSIM不同，是由软件处理得到的。，用于仿真的代码用的是40位精度。这样会导致仿真算例的不稳定，必要时必须重启系统。在实时和离线情况下编译生成的代码不同，所以实时仿真和离线仿真结果不同。

RTDS数值积分的方法采用固定步长隐式梯形法，大部分算法和HyperSim相同，用内插法处理断路器及电力电子器件的开断过程。在离线情况下可以接受用户通过MATLAB Simulink定义的控制系统，在线仿真时则不可以，可以导入PSS/E文件。

从设备计算机仿真能力看，HyperSim与RTDS均为三相电磁暂态计算，在此基础上通过并行计算实现实时仿真。但是二者的具体设计思路与硬件实现方法不同。RTDS自主研制专用仿真器硬件，并行仿真计算通过 DSP芯片与 Power PC芯片实现;而HyperSim则采用商用的SGI并行计算机实现并行计算。由此决定了二者在仿真规模、步长、数据库处理能力、长期稳定运行能力及仿真精度方面各自的特点。

从仿真规模与分网灵活性看，在仿真规模方面，在相同投资情况下，HyperSim的仿真规模与灵活性明显大于RTDS，这是由电力系统分割原理和二者的实现方法决定的。

HyperSim采用商用并行机，各CPU的结构与计算能力完全相同，对给定电网仿真时，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。也可通过设定仿真时间的倍数保持小仿真波长完成计算。

RTDS采用专用的硬件，1个RACK所能解网的规模有限，所能计算的元件数取决于元件的复杂程度及硬件的配置。1个RACK的解网能力严格限制了其仿真规模。

对于 HyperSim与 RTDS，目前均有最大硬件数量。

在网络分割与并行任务分配方面，HyperSim可实现自动分网与并行任务分配，而RTDS建议采用手动分网与并行任务分配。

在数据库处理能力方面，二者均能满足电力系统实时仿真的需要，HyperSim的实时数据存储能力稍大。对仿真后的数据进行处理的能力，2个仿真器基本相同。

从长期稳定运行能力看，二者都具有足够的运行稳定性。在数值计算稳定性方面，HyperSim略优于RTDS。这主要是由于HyperSim在代码生成、编译和仿真过程中均为64位双精度浮点数运算;而RTDS的64位双精度浮点数运算是通过软件实现的，这是因为RTDS的代码运行在不同的硬件上，这将有可能在长时间运行时导致系统不稳定。

选择仿真器类型和规模应与所要解决的问题及实验室的特色结合起来。中国电力科学研究院电力系统仿真实验室的定位是研究大电网的运行与控制特性，因此选择HyperSim作为主要仿真工具是合适的。

3 将实际控制器接入数字仿真电网

随着电力电子技术的不断发展，直流输电、灵活交流输电、新能源发电等利用电力电子技术的工程越来越多的出现在电网中。对于电力电子技术设备来说，其控制复杂性远超常规交流设备，每个工程的控制器具有特殊性。将电力电子设备的控制器接入到数字仿真电网中进行联合仿真，是最真实模拟电力电子设备控制特性的方法。下面以直流输电控制保护系统为例说明。

直流输电实际控制保护系统由硬件及软件组成，硬件包括控制保护系统主机、输入输出信号处理板卡;软件包括主机程序、板卡程序。硬件与软件结合成一个整体，完成直流控制保护系统的整个功能［9］。

主机与主机程序完成整个直流系统的闭环控制功能，同时完成保护功能，其主要功能包括电流控制、电压控制、关断角控制、无功功率控制、分接头控制、一次设备的顺控操作控制、形成控制脉冲送至阀控单元。

板卡与板卡软件负责将一次系统的数据进行处理，将处理后的数据送至主机中的程序，同时将控制系统的指令下发至一次设备，例如直流设备的操作，换流变压器分接开关调节、交流滤波器的投切等。

为了更灵活及高效地对直流系统进行控制及保护，实际控制保护系统进行了分区控制及保护，每个区域均配置了控制保护系统，现有的特高压直流中，一般分位双极区、极区、换流器区，每个区域的控制保护系统硬件及软件相互独立，只是进行必要的数据交换。

数模混合仿真所利用的实际直流控制保护仿真系统除了没有保护三取二逻辑及控制冗余外，其结构、硬件及软件包括编译环境和系统软件与实际功能控制保护系统是一致的，故其在性能上与实际控制保护系统具有很好的一致性［10］。控制保护系统软件的修改工作与实际工程软件的修改流程相同，能够密切地追踪现场控制保护软件的修改。

对电力电子设备控制器的仿真也可以采用数字模型，但由于数字模型无法真实模拟实际控制器的硬件执行过程，很难确保与实际工程控制特性完全一致。在现场故障分析时，国内外控制保护厂家及研究单位均采用数字仿真平台与简化后的实际控制保护装置相连的仿真系统对故障进行研究。

4 新一代电力系统数模混合仿真平台

4.1 国内外交/直流电网数模混合仿真现状

我国国家电网公司、南方电网公司和加拿大魁北克电网是国内外比较有代表性的交/直流混合电网。

南方电网公司采用RTDS(加拿大)电磁暂态实时仿真南方电网全部500 kV及重点220 kV交流网架、全部在运直流电磁暂态模型，同时接入4回直流实际控保装置，应用于支持生产运行和科学研究。

加拿大魁北克水电局采用HyperSim(自开发)电磁暂态实时仿真，魁北克省交/直流网架详细电磁暂态模型，同时接入2回直流实际控保装置，应用与支持生产运行和科学研究。

国家电网公司采用HyperSim(加拿大)电磁暂态实时仿真特高压交/直流等值电网电磁暂态仿真模型，含16回数字直流模型，仅接入2回直流实际控保，应用与支持科学研究［11］。

4.2 新一代电力系统数模混合仿真平台技术方案

未来“四交五直”、“五交八直”特高压主网架建成后，多直流、交/直流之间的机电、电磁过程相互交织，电网特性愈加复杂。魁北克水电局、南方电网和中国电力科学研究院现有方案均无法满足要求，对大电网数模混合仿真能力提出了更高的要求，亟需建立新一代数模混合仿真平台，实现对大电网真实特性的准确认知把握。

针对电网仿真需求，建立国家电网500 kV以上交/直流电网的电磁暂态详细仿真模型并接入全部直流工程实际控制保护装置进行联合仿真，是最理想的思路。然而电磁暂态仿真由于计算步长小，建模复杂［12］，实时仿真对计算速度要求严格，目前国内外的仿真技术均无法满足建立如此规模的电磁暂态实时仿真模型的需要。因此，为了能解决当前及近期电网发展面临的问题，采用机电－电磁混合实时仿真是最可行的技术路线，即将特高压交/直流骨干网架用电磁暂态模型进行仿真，并与实际直流工程控保装置进行连接，将其余电网用机电暂态模型进行仿真，通过接口与电磁暂态模型连接，进行数模混合实时仿真［13］。

新一代电力系统数模混合仿真平台的核心是机电－电磁暂态数字实时仿真装置，通过数模混合接口与实际直流输电控保装置、交/直流协调控制装置、灵活交流系统控制器、新能源控制器等多种控制器连接，形成闭环大电网实时仿真环境。图3为新一代数模混合仿真平台构成示意图。

图3 新一代数模混合仿真平台示意图Fig.3 New digital-analog simulation platform

4.3 新一代数模混合仿真平台功能

数模混合仿真仿真是用于解决仿真精确性的问题，定位为大电网“校准时钟”［15］。具有以下4方面功能:

(1)特高压交/直流混联电网特性认知及运行决策，包括对交/直流、多直流相互影响下大电网机理特性仿真揭示，极线典型工况校核以及电网故障分析及应对措施制定。

(2)直流输电工程控制保护试验研究，包括直流控保优化与校核，直流控保更新校核与认定以及直流控制策略优化。

(3)新技术新装置应用研究验证，包括对现有数字仿真模型校准和FACTS、柔性直流等装置建模验证。

(4)技术培训，包括调度运行人员业务培训和电力系统新技术培训。

5 结论

随着特高压交/直流电网建设进一步推进，输送能力大幅提高，系统特性发生显著变化，电网中交/直流相互作用、送受端相互影响加剧，如何准确分析系统特性并进行有效控制，是电网安全运行面临的严峻挑战。国家电网的不断发展、演化，迫切需要在现有基础上大幅提升，与时俱进，创新研发新一代的仿真工具，建立相应的仿真平台，实现对电网未来特性全面、清晰、深入的认知、分析，全面提升电网掌控、驾驭能力。而适应未来电网发展的电力系统数模混合仿真技术是当前乃至近年电网仿真分析的必备手段。

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