集成复杂且耦合的实时仿真智能能源系统

2016-11-12德国倍福自动化有限公司

自动化博览 2016年3期

德国倍福自动化有限公司

集成复杂且耦合的实时仿真智能能源系统

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智能能源仿真和自动化实验室（SESA Lab）是集成式“ICT for Energy Efficiency”实验室基础设施的一个组成部分，它是由德国联邦政府和联邦州赞助的大型研究机构。这座以研究和教育为目的的实验室于2013年底开始在奥尔登堡大学的计算机科学系施工，位于德国奥登堡的OFFIS信息技术研究所的能源研发部门OFFIS信息技术研究所提供了大力支持。

SESA Lab实验室追求智能控制系统实时联合仿真的创新方法，以实现能量转换。实验室的目的是为了全面地评估创新防护组件和操作控制系统，以便让它们可以以最小的风险更快速投入到实际应用中。该解决方案借助Beckhoff基于PC和EtherCAT的控制技术实施。

ICT 在安全关键能源系统中的应用

未来的智能能源系统必须能够应对在一个上位控制层中整合各种活动组件的挑战，并在运行期间自动对它们进行协调。这是确保系统安全可靠运行并同时推进可再生能源大规模扩张的唯一方法，因受到预测不确定性的影响，其本质上是可变的。

虽然所需的信息、通讯和自动化系统已被证明在其它应用领域是可靠的，关键能源系统长期应用的安全性至今仍在很大程度上未经过测试。这意味着，从能源供应的角度来看，它们会带来较高的风险。用于分布式可再生能源系统运营管理的创新ICT解决方案——例如对于系统侧电网稳定电力控制的防护与控制系统或组件（有功和无功），必须事先进行广泛的测试，并且必须对它们的交互进行评估。

需要灵活的仿真方案

关键能源系统的高度复杂性安全意味着形式化分析以确定某些特性是不可能的。另一方面，以一种现实的方式映射所有影响因素的现场测试将需要过多的工作量，也是不可行的。因此仿真是唯一能够满足需求的选项，用于此目的的环境必须能够整合在不同环境中开发的各种异构模型。SESA Lab实验室里的研究人员正在创建一个能够整合这种模型功能并在各种问题和应用程序上下文中执行它们的平台。

这种复杂、广泛的系统不能激活有效监测相关动态过程，不能使控制响应（振荡、谐波、响应错误等）的精度和分辨率一致地进行仿真。对于更高层次的平衡研究（如进度控制、市场互动），它通常是没有必要考虑这种现象的。据OFFIS能源部主管Dr. Sebastian Lehnhoff教授所说，这就是为什么SESA Lab实验室正在开发名为“蒙太奇”的联合仿真架构的原因，它可以用于自动组成异构模型和它们的协调仿真。

精确的实时硬件和广义软件模型的联合仿真

SESA Lab的核心是一个实时电网仿真装置。它在“硬件在环”（HIL）仿真概念的基础上为未来智能电网实施信息通信技术和自动化系统的组件。它已经在汽车行业使用，以最高分辨率检测动态行为。为了实现动态实时仿真，“蒙太奇”与广义的基于软件的仿真模型结合并协调。这样，它使得有目的地断开子系统连接成为可能，然后可以进一步检测实验室的硬件仿真和自动化部分。实验室原理图如图1所示。

实时电网仿真装置能够在专用的信号处理器上实现高精度、动态电网和资源模型。交流电气系统的动态和瞬态行为能够以高达10微秒（最大100kHz）的分辨率进行检测。电网仿真装置拥有模拟量接口，该接口与电网的交流信号连接，从而能够实现实际设备和系统的操作。

嵌入式平台和“无拓扑结构”的 I/O链接

除了电网仿真装置之外，实验室还使用了C6920控制柜式工业PC、CX2020嵌入式控制器和EtherCAT端子模块，所有这些产品都来自Beckhoff。Dr. Sebastian Lehnhoff教授解释道：“这种基于PC的控制技术用于实时执行基于 MATLAB®/Simulink®的系统和组件模型。TwinCAT 3用作自动化软件包，包括各种支持诸如OPC UA、IEC 60870-5-10x、IEC 61850和IEC 61400-25的TwinCAT 3功能。TwinCAT 3可以无缝集成 MATLAB®/Simulink®，并将它用作一个编程语言，以便于集成相应的型号，这对我们来说是个相当大的优势。此外，PC控制作为一项工业控制技术，可以非常轻松地集成简单的控制器，甚至基于代理系统的上位控制器。高性能的工业PC系统也用作计算机终端，用于控制和保护系统应用。”

据Dr. Sebastian Lehnhoff教授所述，该配置的一个特点是实验室内部无拓扑结构的链接和组件的输入和输出分配：“我们为此使用了基于以太网和EtherCAT的通讯系统。另一方面，我们也能够链接实时平台的模拟量输入和输出，从而能灵活地连接动态系统模型和不同的实时仿真节点，无需大量的转换工作。”