国内外电力系统仿真技术

1国内外电力系统仿真技术

1.1电力系统仿真技术发展概述

目前，电力系统的仿真技术主要有三大类，即电力系统动态模拟仿真技术、电力系统数模混合式仿真技术以及电力系统全数字仿真技术。

1.1.1电力系统动态模拟仿真技术

电力系统动态模拟仿真技术采用动态模拟装置，也就是物理仿真系统。20世纪60年代以前，电力系统仿真主要采用这种全物理的动态模拟装置。其原理是用比原型系统在规格上缩减一定比例的方法建立物理模型系统，通过在物理模型上做试验代替在实际系统中的试验。其优点是可以较真实的反映被研究系统的全动态过程，现象直观明了，物理意义明确，缺点是仿真的规模受实验室设备和场地限制，而且每一次不同类型的试验都要重新进行电气接线，耗力耗时，另外，可扩展性和兼容性差。

1.1.2电力系统数模混合式仿真技术

电力系统数模混合式技术采用数模混合仿真系统，这种技术一般是用数字仿真模型模拟发电机、电动机、控制系统等，变压器、交流输电线路、直流输电换流阀组和控制装置等元件仍采用物理模型。其优点是综合了数字仿真和物理仿真优势，能够较真实地模拟一些系统电气元件，准确地反映系统的动态过程，缺点是接口环节多、试验接线工作量大和仿真规模受限。

1.1.3电力系统全数字仿真技术

电力系统全数字仿真系统是进入20世纪90年代以来发展起来的一种仿真技术。全数字仿真系统内所有元件都采用数字仿真模型。这种仿真系统对于计算方法和计算机运算处理速度的要求很高。全数字仿真系统的优点是不受被研究系统规模和结构复杂性的限制，计算速度快、使用灵活、扩展方便、成本相对低廉，

是当前电力系统仿真系统发展的主要方向。尤其是近年来随着数字计算机和并行技术的发展而出现的基于高性能PC机群的全数字仿真系统使得其价格低廉、升级扩展方便的优势更为突出，电力系统全数字实时仿真得到了越来越广泛的应用。

全数字仿真系统优势明显，是当前仿真系统的发展趋势。随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度的增加，采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到限制。由于电力系统数字仿真具有不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证被研究和试验系统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统性能的预测等优点，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。随着计算机和数值计算技术的飞速发展，为电力系统数字仿真的发展提供了坚实的基础，使得电力系统数字仿真技术得到了迅速地发展。电力系统数字仿真包括离线数字仿真和实时数字仿真。

电力系统离线数字仿真是在计算机技术发展的基础上，建立电力系统物理过程的数学模型，用求解数学方程的方法来进行仿真研究。电力系统仿真软件根据动态过程中系统模型和仿真方法的不同，离线数字仿真可以分为电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真。电磁暂态数字仿真是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态仿真程序普遍采用的是电磁暂态程序（简称为EMTP），中国电力科学研究院在EMTP基础上开发了EMTPE。另外，加拿大Manitoba直流研究中心的EMTDC、加拿大哥伦比亚大学的MicroTran和德国西门子的NETOMAC，都具有与EMTP 相似的软件功能；机电暂态数字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。国际上常用的机电暂态仿真程序有美国的PSS/E和ETMSP、ABB的SYMPOW、西门子的NETOMAC，国内主要采用中国电科院的PSASP和中国版的BPA；电力系统中长期动态过程仿真是电力系统受到扰动后较长过程的动态仿真，主要用来分析电力系统内较长时间的动态特性。国际上主要采用的中长期动态过程仿真程序有EUROSTAG程序、LTSP程序、EXTAB程序，另外PSS/E和MODES程序也具有长过程动态稳定计算功能。

电力系统实时数字仿真系统是基于现代计算机技术开发的体系机构和大型电力系统电磁暂态仿真软件系统，可以进行电力系统电磁暂态的全过程实时模

拟，不仅是研究电力系统规划、设计和运行的强有力工具，而且通过高速通信系统及信号放大、转换系统与实际的保护和控制装置相连，对电网中继电保护装置、安全自动装置及一些测控装置进行实时测试，也能对电网中的各种故障和稳定特性进行深入分析，提供技术支持，对系统网络的安全稳定性进行评估。电力系统实时数字仿真必须按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一个步骤，要求仿真模型的时间比例尺完全等于原始模型的时间比例尺。与非实时数字仿真相比，实时数字仿真算法有如下几个要求：（1）算法的快速性；（2）算法执行中数据的可取性，即算法所用的信息与实时输入是一致的；（3）算法的鲁棒性；（4）算法的相容性。

在上世纪90年代初，加拿大Manitoba直流研究中心RTDS公司率先推出国际上第一台电力系统全数字实时仿真系统（RTDS），RTDS的核心软件是EMTDC。随后，加拿大魁北克水电研究所的TEQSIM公司也开发了电力系统实时仿真系统（HYPERSIM），主要用于电力系统电磁暂态仿真，其核心软件是EMTP程序。法国电力公司（EDF）开发的ANENE实时仿真系统，其核心软件也是EMTP。由殷图科技发展有限公司、东北电力调度通信中心和清华大学联合研制、开发的数字动态实时仿真系统（Digital Dynamic Real Time Simulator，简称DDRTS），是国内自主研发的实时数字仿真系统。DDRTS集系统仿真和实时测试功能于一体，利用实时数字仿真技术，可以对实际装置进行全面的闭环测试。DDRTS的主要功能是对线路和元件保护进行测试，其仿真规模较小。

受到技术水平的限制，早期的数字仿真以离线仿真为主，尤其是对较大规模网络的电磁暂态仿真。

随着计算机技术、数值计算和通信技术的飞速发展，数字仿真技术得到很大的发展，中国电力科学研究院开发了世界上首套可模拟大规模电力系统（1000台机、10000个节点）的全数字实时仿真装置ADPSS，大规模电力系统的实时数字仿真也得以实现。

1.2国内外电力系统全数字仿真系统概述

具体来看，目前国内外的电力系统全数字仿真系统主要有：RTDS、ARENE、HYPERSIM、DDRTS、ADPSS。