新能源接入地区电网联合仿真平台构建研究

胡宏彬，丛 雨，曹 斌，王立强，牛玉广，胥国毅

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特010020；3.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020；4.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

近年来，新能源接入地区电网的比例逐渐增大，对新能源消纳和电网安全稳定运行提出了更高的要求。新能源通过电力电子换流器并入电力系统发电，高比例新能源接入电网导致电力系统呈现典型的电力电子化特征，系统动态特征涵盖时间尺度更广。仿真作为电力系统分析的一种重要方法，已广泛应用于新能源接入电网的研究中。目前通过仿真分析开展了地区电网电力系统潮流计算、稳定计算、过电压校核计算、保护策略和定值校验等工作，具备了机电暂态和电磁暂态数字仿真、电磁暂态数模联合仿真等能力。机电暂态仿真规模大、计算速度快、数据稳定性好，广泛应用于电力系统规划、调度和生产运行，但由于计算步长和解算方法的限制，不能详细模拟直流输电系统及新能源电力电子开关的工作过程；电磁暂态仿真计算步长更小，暂态特性更细致，广泛应用于高压直流输电和过电压校核，但因计算步长小，需要准确的新能源模型，否则不能进行较大规模的新能源电力系统仿真；数模联合仿真可以实现数字和物理硬件之间的联合仿真，计算步长小，装置特性还原度高，广泛应用于新能源电力电子设备精确仿真和保护装置实验仿真，但仿真规模小[1-2]。

综上所述，单一仿真方法不能实现从新能源单个设备精确模拟到电力系统运行的宽时间尺度仿真，根据地区电网面对大规模新能源并网的安全稳定需求，即要满足新能源关键设备并网的精确模拟，也要满足新能源规模大的交流电网的仿真分析计算，需对目前应用的仿真技术进行升级，构建涵盖新能源精确模型的大电网联合仿真分析平台，以满足含高比例新能源的地区电网研究分析需要。

1 新能源和电力系统仿真技术

1.1 仿真技术介绍

1.1.1 RTDS仿真平台

RTDS 仿真平台是为实现电力系统电磁暂态仿真设计的并行计算机系统，可对电力系统尤其是直流输电和FACTS装置的仿真准确性进行验证[3-5]。

1.1.2 HYPERSIM仿真平台

HYPERSIM仿真平台是进行电力系统电磁暂态实时和离线仿真的工具，具有先进的并行计算、模块化设计和面向对象技术，实现了大规模电网的电磁暂态仿真，同时也可以进行交直流控制装置的实时闭环实验[6-7]。

1.1.3 RT-LAB仿真平台

RT-LAB 仿真平台是基于PC 集群的电力系统实时仿真平台，由上位机、目标机及控制器组成，可以进行实时仿真和硬件在环测试。上位机通过Simulink 建立数字模型，下载到目标机中运行；目标机为基于PC 的实时仿真器，可将复杂模型分配到多个计算核心中进行并行处理仿真；控制器为实物控制装置，通过板卡接口与虚拟模型进行信号交互，实现硬件在环仿真与测试。RT-LAB 仿真平台兼顾实时仿真和电力电子动态特性，实现控制器的逻辑设计优化、参数校验、性能评估，为新能源、直流、电力电子装置等接入系统提供有效的技术分析方法[8-12]。

1.1.4 FPGA仿真平台

FPGA仿真平台是专用集成电路中的一种半定制电路，一种可编程的逻辑阵列，具有并行的硬件电路结构，支持多进程并行运算，大量的芯片引脚可以配置到独立的输入、输出端口以实现数据通信。FPGA 仿真平台具有高度的并行处理能力，更加适用于对小步长高精度的高频电力电子实时仿真[13-20]。

1.1.5 ADPSS全数字实时仿真平台

ADPSS 全数字实时仿真平台由我国自主开发，可用于电磁、机电暂态分网并行计算的电力系统全数字实时仿真平台，利用机群已有的多节点结构和高速的通信网络，采用并行计算技术对电力系统模拟任务进行分解，仿真规模可以达到1000台发电机、10 000 个节点，实现了复杂交直流电力系统的大规模实时仿真。仿真平台可以与调度自动化系统相连，用在线调度数据进行仿真，也可接入继电保护、安稳控制、交直流输电控制装置等，进行闭环仿真实验[21-23]。

1.2 对比分析

RTDS、HYPERSIM、RT-LAB、FPGA、ADPSS 仿真平台技术对比情况见表1。

2 大规模新能源并网数模联合仿真平台的构建

实验室初步建成的RT-LAB 仿真平台，可开展新能源机组和新型电力电子设备接入电网的实时仿真测试等研究工作，为大规模新能源接入地区电网的消纳、安全稳定运行提供测试、研究、分析及评估的平台。虽然该平台在单个控制器的电磁暂态仿真方面具有优势，但仿真规模有限，大规模新能源建模及并网的电磁暂态仿真方法欠缺，仍需继续完善数模联合仿真平台的仿真分析能力.

根据大规模新能源接入的研究需求，规划基于RT-LAB 的数模联合仿真平台，以满足新能源和新型电力电子设备仿真测试、新能源场站及并网性能仿真评估、大规模新能源并网的安全稳定仿真分析及网源协调控制策略优化研究需求。

2.1 硬件架构

在地区电网已配置一定规模的RT-LAB仿真平台基础上，扩展建设围绕RT-LAB 和HYPERSIM 的联合仿真平台，实现新能源大规模电网的仿真分析。图1 为联合仿真平台架构，该平台由RT-LAB和HYPERSIM仿真平台构成，每个平台在仿真软件操作计算机、多核CPU、数字量和模拟量通道及FP⁃GA组成的硬件系统上运行，运行方式为仿真软件操作计算机通过网络交换机，将模型上传到OP5600加载运行，OP5600和OP5607之间采用光纤通信，实现整个仿真过程的计算和数据交换。RT-LAB和HY⁃PERSIM 仿真平台之间的数据通过两台OP5607 的FPGA模块进行光纤通信，由于光纤的传输速率快，因此FPGA 模块间的传输速率在几十到几百纳秒，完全可以满足新能源的精确性和大电网的联合仿真需要。

表1 仿真技术对比

图1 数模联合仿真平台架构

2.2 功能

2.2.1 新能源关键控制设备硬件在环仿真测试

RT-LAB 仿真平台支持硬件在环，能够真实还原实际控制器的动态特性，平台可以为新能源机组先进控制策略验证、高/低电压过渡和电网适应特性研究、有功功率和电压自动控制系统测试及优化、开发与测试等工作提供重要的技术支撑。同时在平台上开展新型控制保护装置的各种安全稳定和故障恢复控制策略、优化新型电力电子无功补偿装置功能测试等技术研究，对电力系统的安全稳定运行有实际指导意义。

2.2.2 新能源场站并网特性仿真测试和评估

通过RT-LAB仿真平台单机控制器测试数据与现场同型号机组实测数据曲线进行对比和一致性评估，修正模型中的控制参数，搭建完整的新能源电磁暂态仿真模型，保障单机仿真模型精准化。同时研究新能源场站的聚合特性，将电站模型等值为聚合模型，评估新能源场站并网特性和一致性。

2.2.3 新能源汇集区的电网安全稳定运行仿真分析

基于RT-LAB 仿真平台，开展新能源并网的精准仿真建模，联合HYPERSIM仿真平台为开展大电网运行分析与特性研究提供新能源与直流系统模型基础和技术支持；研究新能源汇集区与区域电网间的交互影响。此外，RT-LAB 和HYPERSIM 仿真平台均支持硬件在环，通过引入实际直流控制器、新能源电源控制器等，开展装置测试、控制器算法研发测试等工作。联合仿真技术方法也可用于大电网复杂动态运行行为、新能源并网特性分析、电网对新能源的消纳能力、次同步振荡、控制策略优化调度等问题的研究。

2.2.4 结合调度运行的现场实证校核

通过研究数字仿真模型与实际运行测量数据的映射关系，利用数模仿真平台与调度自动化系统的数据交互接口，可以将实际电网的运行断面作为仿真基态，确保仿真模型运行场景与实际电网贴近。通过搭建与仿真模型一致的EMS计算模型，结合实际电力系统中SCADA测量的采集方式，开发软硬件数据接口，实现仿真平台与EMS系统之间的闭环数据环境，对仿真模型的运行工况进行友好互动监视，具备对电网运行方式校验、运行风险评估等多种功能，从而实现实时仿真、电网运行、调度自动化三者的有机融合，保证仿真系统更好地服务于地区电网的实际运行。

3 结语

随着地区电网新能源占比的不断提高，电力系统安全稳定运行研究对仿真分析能力的要求随之提升。本文系统分析了国内外应用于电力系统的主流仿真软件和方法，基于地区电网新能源电力系统仿真需求，规划构建既能精准反映新能源特性又能满足电网分析的RT-LAB和HYPERSIM数模联合仿真平台，提出了平台的硬件架构，介绍了具体的应用场景功能，为地区电网新能源并网安全稳定运行的仿真研究分析提供了技术支撑。