用于分布式能源研究的电力系统仿真软件PSS®SINCAL

西门子（中国）有限公司 曹城禄西门子德国 U.Sachs

用于分布式能源研究的电力系统仿真软件PSS®SINCAL

西门子（中国）有限公司 曹城禄
西门子德国 U.Sachs

西门子公司开发的 PSS®SINCAL（Siemens Network Calculation）软件包是一个先进的电力系统分析计算工具。 该软件包所涉及的范围不仅包括电力系统，而且也包括供气、供水和区域供热系统，除了诸如潮流、短路和稳定性计算等基本模块外，SINCAL还具有许多其它网络规划功能，例如智能电网元器件模型、系统容量规划和优化、谐波分析以及电机启动分析等。正是由于这些丰富强大的功能，SINCAL己被客户广泛应用于世界许多配电网络工程和分布式能源接入的规划和分析中。本文将给出SINCAL在微电网中的应用实例并介绍其丰富灵活的功能。

能源互联网；分布式能源；电力系统仿真；PTI SINCAL；微电网；供热；供水；管道

1　引言

能源互联网其实是以互联网理念构建的新型信息能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网为“局域网”，以开放对等的信息能源一体化架构，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用。美国未来学家里夫金认为，把互联网技术与可再生能源结合，在能源开采、配送和利用上从传统的集中式变为智能化的分布式，从而将全球的电网变成能源共享网络。这种能源和通信技术结合所推动的第三次工业革命，最终将使人类的商业模式和社会模式发生翻天覆地的变化。

所谓“分布式能源”DER（distributed energy sources）是指位于用户所在地附近的，所生产的电力和能源除由用户自用和就近利用外，多余电力送入当地配电网的发电设施、发电系统或有电力输出的多联供系统。分布式发电形式多种多样，因资源条件和用能需求而异，发电方式包括三大类：（1）天然气分布式能源，主要是热电联产和冷热电多联供等；（2）可再生能源分布式发电：主要包括小型水能、太阳能、风能、生物质能、地热能等；（3）废弃资源综合利用，涵盖工业余压、余热、废弃可燃性气体发电和城市垃圾、污泥发电等。

由于环境和供应的安全性要求，分布式能源（DER）的组成比例越来越大，包括分散和可再生能源发电，可控负荷，热电联产或存储单元。然而，分布式和可再生能源集成到配电网，会给现有的网络规划和调度运行方案带来相当大的挑战。

• 可再生能源发电（例如：风力发电或太阳能光伏发电）还存在间歇性，有效发电时间短和难预测的特点。这就会造成传统的确定性网络分析方法不准确甚至无效，使能源平衡任务变得更复杂。

• 此外，分布式发电的日益发展也会改变传统电力行业单向供电的结构，从而产生新的技术和经济问题，需要新的解决方案。

• 多数可再生能源都是间歇性和不可控的，因此它们没法像传统完全可控的发电机一样建模。由于可再生能源发电机的输出主要取决于气象条件，所以要使用不同的随机模型来模拟不同资源的年发电情况，如图1所示。

图1 未来电力网络各种电力系统的组合模式

西门子公司开发的 SINCAL（Siemens Network Calculation）软件包是一个先进的电网规划仿真分析和计算工具。该软件包所涉及的范围不仅包括电力系统，而且也包括供气、供水和区域供热系统，除了诸如潮流、短路和稳定性计算等基本模块外，SINCAL还具有许多其它网络规划功能。例如系统容量规划和优化、谐波分析以及电机启动分析等。此外，SINCAL还特别设计了可以为风能、太阳能和热电联产控制系统提供特别定制的年发电模型。借助于地理信息系统，SINCAL能向用户提供友好的界面并能进行交互式的图形处理，这些图形包括系统的单线图和网络拓扑图、基于标准的关系型数据库，系统很容易实现工程和经济上的优化管理，完成网络规划以及实现标准文挡，如图2所示。

图2 SINCAL 软件系统架构

2　数据交换

使用PSS®SINCAL网络数据，图形和结果数据可以很容易使用共同的标准数据格式进行交换。数据输入和输出支持以下数据格式：

- EXCEL

- CIM (IEC 61970-301)/XML

-PSS®E

-UCTE ASCII file format

- PSS®NETOMAC

-DVG exchange format

-PSS®ADEPT

-PSS®Engine HUB file

-XML

-DGS exchange format

-OLE

-ODBC， SQD， SQL

-PSS®SINCAL archiving

-Network states via XML

(E.g. open points， operating states， element data)

图形格式，如：

-WMF， EMF -DWG， DXF import

- BMP -PSP

- GIF -PLT

- JPG -PRN

- PNG -PRT

-TIF -SID import

-DXF -SHP import

-EPS -PIC import

-PCL -SVG import

PSS®SINCAL的数据库与GIS、EMS、SCADA、计量数据管理、ERP和其它IT软件系统保持接口兼容，还可以从其他应用程序的COM接口来启动和控制PSS®SINCAL软件，因此它可以用来作为计算引擎。这种自动化能力为解决大型或重复性的仿真任务提供了一个高效的解决方案。

3　图形界面

图形用户界面使得它可以使用实际位置、示意图或混合形式输入和显示网络。可以模拟输出五万个节点以上大型网络，不会产生延迟。另外，操作方法和Office比较类似，可以有多种多样输出方式，还可以支持嵌入式图表。

网络信息和额外的图形可以在不同的图形层中绘制和组织，图形化显示如图3所示。变量管理工具可以轻松处理不同的变量。PSS®SINCAL拥有各种稳态和动态的计算方法，可以进行时序仿真（如发电和负荷曲线）或研究事件（如开关、负荷增长、设备投产日期）对网络上的影响。计算结果可以通过不同的方式（如表格、屏幕显示、图表和报告）展示，也可以在网络图中根据预定义的颜色编码标准评估计算结果。例如，交通灯的颜色可以指示系统元素的状态。

PSS®SINCAL的宏功能允许对分离的网络进行连接和同步计算，即没有合并数据的需要。此外，支持在不同的网络区域使用单独定义的设备类型。

变量管理工具以树状结构管理变量，变化会自动应用到次级变量。每个变量可以独立加载、显示和评估，可以在单线图显示所有评估变量的最小、最大和平均值。

4　电气网络

PSS®SINCAL提供了一个全面的分析模块和工具，方便了电力系统的规划、设计和分析。其应用领域的范围涉及短期及长期规划任务、故障分析、可靠性、谐波响应、保护协调、稳定性（RMS）和电磁暂态（EMT）的研究。针对电力系统的基本模块包括潮流、短路电流计算。增强模块包括无功配置、无功优化。动态模块主要是动态稳定性计算，增强动态模块可能有些特征值和动态网络简化。此外还有保护协调仿真，策略、可靠性分析、负荷发展、网络结构分析等功能模块，如图4所示。PSS®SINCAL软件能够提供用于分布式能源的一整套分析方法和模型，解决超高压到低压领域以及从标准负荷潮流到不平衡网络模型中改善动态仿真的问题。

图3 SINCAL 软件图形化的显示

5　模型

SINCAL提供包括平衡和不平衡结构的全网络模型，包括新出现的智能电网元器件（如风机、太阳能、电动汽车等）。PSS®SINCAL软件支持用户对高压长距离传输系统和配电网中特殊Y型连接的单相或两相变压器模型的所有详细情况进行建模，允许在同一个模型中仿真所有必要的任务，因此就没有必要在不同的规划工具之间进行数据的转换。当然，各元器件定义的复杂度也千差万别，例如分布式能源方面，PV、电池、电动汽车、风能、微型涡轮机的定义各有不同，软件可以精确地应用所有的仿真方法，比如负荷潮流、短路、谐波、动态与保护仿真。

发电和负荷曲线以及动态数据都能与每一种智能电网设备联系起来进行长期和短期的动态计算，这也包括同步机/异步机和直流设备（整流器/逆变器）的单相动态模型。

6　仿真需求

在用户输入并验证了PSS®SINCAL软件中的数据以后，下一步就需要使用算法来进行包含智能电网元器件的网络仿真。由于分布式能源的接入，配电网在从被动网络变为主动网络的转变过程中也会出现输电网络具有的问题，特别是在较低的短路电流和不了解配电网络运行状况时尤为关键。因此对配电网的技术仿真是必要的。

图4 SINCAL 软件系统架构

微网对自动化与控制的要求更高，其主要原因是微网中要满足具有不同优先级负荷/发电的发电机功率限制和电压限制，发电必须通过功率因素的管理来控制网络电压，微网与电网的并网链接不能持续有效，且能量管理必须包含负荷/发电机的甩负荷。所以具有分布式能源的微网仿真必须能够支持网络的孤岛效应以及符合功率极限的各发电机之间的容量转移。

7　分析方法

过去的40年里，所有网络规划都是建立在负荷潮流仿真的基础上，但是自从出现了分布式能源，原先单一网络单一潮流的分布就不存在了。所以在创建负荷曲线时至少（如果不按月或年来算）应该按照完整的一天评估。该负荷曲线能显示每隔15分钟的负荷情况，有效提高了传统潮流计算在大型负荷潮流仿真的应用。

负荷减载算法（或称为馈线负荷评估算法）必须考虑配电网的分布式能源发电以及最大最小负荷情况。为了使配电网络能够以最优化方式运行，就需要最优路径算法以便为SCADA系统提供建议。在同一个配电网络中，谐波研究必须要考虑由直流设备导致的电压扰动情况，保护仿真要解决元器件方向和电压触发时的过流保护和距离保护问题。PSS®SINCAL软件都能够满足这些要求。

配网动态仿真（短期）需要进行暂态稳定性和电磁暂态的仿真，困难在于有待建模的设备数目众多，且需要建模设备的三相和单相动态行为，同时不平衡网络结构需要特殊的仿真算法进行仿真。传统的电磁暂态仿真已经做过相关研究，而PSS®SINCAL软件能够提供一种同样适用于不平衡网络的新暂态稳定性方法。如果在开发模型的过程中需要使用特殊参数，那么可以使用PSS®SINCAL软件图形化建模器或现有模型（比如Matlab Simulink）的基础上建立模型。

8　与表计系统的集成

除了网络规划，网络运行计划也是一个越来越重要的任务，这就意味着电网的信息（来自用电的智能表计数据、发电机数据和配电设备状态）需要传输到PSS®SINCAL软件以便提供真实的现有网络运行的实时仿真。电网的最高级别仿真是网络的实时仿真（通常对于配电网也就是15分钟），可以为网络运行给出运行建议。这是建立在稳态仿真以及低压配电系统的新稳定性仿真的基础上，负荷潮流的结果被存储在数据库中并且可以用来支持网络运行。

至今为止配网SCADA还不能对这些网络元件做出精确的观察，而PSS®SINCAL软件提供了接入表计数据管理系统的多种方式，比如通过SQL数据库、XML或EXCEL表格，所有数据存储在SQL数据库中，这样就可以将负荷/发电曲线和网络设备的开关状态传递到PSS®SINCAL软件中，显示配电网的状态从而为SCADA提供运行参考。

9　管道网络相关功能

PSS®SINCAL软件包所涉及的范围不仅包括电力系统，而且也包括供气、供水和区域供热供冷等管道相关的网络系统，其主要模块如图5所示：

图5 PSS®SINCAL管道网络功能模块

9.1供气网络

PSS®SINCAL供气网络可以计算不同压力水平的网状网络中的流体状况。它可以计算稳态和动态。时间事件或时间序列对网络性能影响可以显示为不同图表中位置的函数。借助于动态仿真的帮助，可以观察网络中某个时间不同的状态量和状态量的变化。通过这种方式，也能够计算网络中基于预先定义的时间序列（对消费者、供应者、控制者等）和时间事件（阀门位置、停止消费等）的流体数量、流向和压力。

可供使用的计算方法：

• 传热和水力计算；

• 负荷模式；

• 意外事故分析；

• 动态仿真。

9.2供水网络

针对供水网络，PSS®SINCAL可以计算任意网状网络的流体状况，这些流体可以是不同压力水平的牛顿流体。这些计算采用了Hardy-Cross方法。稳态计算可以提供压力、流量、流速和控制设备运行点等结果。此外，还能得到压力特性图。

通过动态仿真，可以观察网络的不同状态和特定时间内状态的改变。通过这种方式，也有可能在预定的时间系列（消费者、供给、调节器等）和时间事件（阀门位置，消费者关闭等）的基础上来计算网络中流体的数量、流向和压力。

应用水塔灌装模型，可以在准动态水平上计算水网。在计算中考虑不同网络中由于进出水塔的水流引起的压力改变。网络中负荷的改变、控制器件位置的影响由时间事件和时间序列来仿真。水塔灌装计算能够进行新储水池布置和现有储水池容量利用的最优规划。水塔的压力、灌装水平、灌装量、进出量的结果可以通过图形来可视化表示。

可供使用的计算方法：

• 水力计算；

• 负荷模式；

• 水塔灌装；

• 意外事故分析；

• 动态仿真。

9.3供热网络计算

PSS®SINCAL District Heating可以计算任意网状网络的稳态和动态热流状况。除了压力、流量和流速外，供热和回流的压力差、泵的运行点、温度和热力输出也将被显示。也可以获得压力图。

单个元件可以任意在供热和回热中考虑。可以用阀门位置和故障、时间序列和时间事件来模拟负荷和压力模式。

可供使用的计算方法：

• 热力和水力计算；

• 负荷模式；

• 意外事故分析；

• 动态仿真。

10　应用案例分析

由于分布式能源不连续且无法调度，这就导致了并网的分布式电源越多，对整体系统的可靠性挑战也就越大。微电网的运行包含多种场景，这主要是由于负荷的时变特性，分布式电源的不连续性以及经济调度导致。目前，用于定量研究所有场景中关于在规划阶段有效提高可靠性的工具寥寥无几，而且引进了新的控制策略之后，可靠性的评估是在原始馈线模型的基础上进行的，因此并不能反映实际馈线的有效性。

采用西门子基于SINCAL开发的微网仿真工具（如图6所示），评估不同新能源组合的经济性、可靠性、需求反应以及在一年或一年以上的并网或孤岛运行模式下任何微电网的详细电力行为，可以利用该微网仿真工具解释了分布式能源的时变效应和负荷等级对系统可靠性的影响。

该工具选择并网模式下参与的发电和需求响应并从仿真中计算出以下结果：

• 任何过负荷和/或电压违规行为；

• 可靠性指标；

• 基于潮流解决方案的经济性评估，包括：资本成本、燃料、运营管理、资金成本、微型燃气轮机中节约的热量、激励和需求相应支付；

• 经济性发电调度的机组组合；

• 甩负荷（仅在孤岛模式下）。

图6 基于SINCAL 软件开发的微网仿真模拟工具

这些结果显示在一个直观的指示板，可以对参与的混合发电，负荷和需求响应进行修改，微调微网设计从而使利益最大化，如图7所示。

图7 仿真计算结果显示

此处使用一个微电网案例演示上述分布式能源运行的经济调度和可靠性评估方法。案例网络是工业园区，典型负荷有飞机库、车库、警卫室、仓库、房屋、办公室以及其他负荷。该微网网络在电力系统软件分析程序中SINCAL建立模型，其能源来源采用中不同的发电技术（风机、太阳能光伏、微型燃气轮机、电池储能、燃料电池和生物质燃料内燃机）等，并在SINCAL 软件中建立了模型。由于缺乏可用的具体数据，对可变负荷与间断分布式发电曲线都做了相应的假设。

图8 SINCAL软件中微网案例网络单线图

10.1系统模型

在电力系统软件SINCAL中，建立微网变电站的模型，图8所示为其供电网络单线图。该模型包含4条12.47kV的馈线，形成两种开环配置。

总体上，该案例网络中有7种不同的负荷模型：房屋、办公室、仓库、车库、警卫室、飞机库和其他的负荷。总体最大缺省负荷大约为14.5MW，对所有负荷都假定了一个恒定通用的功率因数。对所关心的系统我们假设了各种发电能源，并采用了通用稳态模型和配置。表1所示为案例网络中考虑的每一台分布式电源和储能技术的最大机组发电量以及最大的机组数目。

表1 案例网络可用的分布式电源

10.2经济调度研究

（1）孤岛运行分布式能源的调度

本研究项目采用了一种相对直接的安排任务的方法：也就是“优先序列表”方法。该方法是标准机组组合与经济调度的简化，按照储能和分布式机组的调度优先级实施。

电能调度过程可分为下列5步：

• 残余负荷计算；

• 储能（STO）调度；

• 可控发电（CG）调度；

• 扰动负荷（IL）调度；

• 交流潮流计算。

（2）分布式能源并网运行的调度

微网仿真工具在并网的同时对微电网进行仿真。修正负荷解释需求反映预测，所有可控发电机组都被整定为连续全输出状态，储能以及扰动负荷都处于非使用状态，同时并网的电网作为虚拟后备。

10.3可靠性评估

在决定了各种发电能源的调度之后就可以使用典型元件故障率来计算系统的可靠性。然而，即使是一小时的数据分辨该任务的计算量仍然巨大。考虑到不同分布式能源开关状态下的各种负荷等级集合，仿真一整年的情况就需要计算8760种可靠性场景。这些都是可以实现的，只不过耗时比较长。在这种情况下就需要考虑简化。

为了展示通过建立微电网实现可靠性的提高，比较了两种情况：（1）具有无缝传输能力的典型微电网；（2）出现电力故障时能够关闭所有分布式发电机组的传统无功电网。

表2中给出了微电网和无功电网模式的可靠性指数权重平均值。明显地，微电网具有在故障情况下无缝转换至孤岛运行的能力，从而比传统无功电网具有更小的平均停电频率，更短的平均停电持续时间以及更小的电量不足期望值性能。

表2 可靠性评估结果比较

11　结语

大量的工程实践证明西门子公司开发的SINCAL软件是一个用于配电系统以及分布式能源接入仿真分析的优秀软件工具。SINCAL软件包所涉及的范围不仅包括电力系统而且还包括供气、供水和区域供热系统。 除了诸如潮流、短路和稳定性计算等基本模块外，还加人了配网规划和分布式能源接入分析所需的其它功能模块，例如系统容量规划和优化、谐波分析、电动机启动分析以及保护整定配合模块。除此之外，SINCAL还提供二次开发应用的接口，很容易实现微网工程和经济上的经济调度管理。此外本文给出了基于SINCAL开发的微网仿真工具在某微网分析项目中的应用实例，介绍了一种通过微电网多重场景驱动的系统化方法定量评估可靠性，当中考虑了多个可再生分布式电源和储能的应用。

[1] Ulrike Sachs, Smart Grid Offering Within PSS®SINCAL. PTI Info Issue 110[Z]. Siemens AG.

[2] David Lovelady, Bo Yang Satish Natti. Holger Muller, Liang Tao. A Scenario Driven Reliability Assessment Approach for Micorgrids. 2013 IEEE Power&Energy Society General Meeting [Z]. Siemens US.

[3] 范明天, 张祖平. 用于配电系统规划的大型软件包[C]. 北京: 国家电力公司电力科学研究院， 2000.

[4] 李全林. 新能源与可再生能源[M]. 南京: 东南大学出版社, 2008.

Sachs Ulrike（1975-），女，西门子德国智能电网电力技术咨询系统仿真软件SINCAL技术专家，长期从事电力系统仿真软件开发、技术支持和分布式能源接入研究等工作。

曹城禄（1973-），男 ，工学学士，计算机管理硕士 ，现任西门子（中国）有限公司智能电网国际电力技术咨询总经理，主要从事智能电网规划、电力系统分析、分布式能源规划和接入研究等领域的市场开拓工作。