电力系统全数字实时仿真装置

iα4
pac2
pBA
Vac2 B
pBC
Iγ
Iβ
pCA
pCB
C
交流 网络
15
二、主要科技创新（5）
创新点5
提出机电暂态网络自动划分算法——优化边界表法，提高 了分网均匀度和计算效率。(旁证：发明专利ZL03126462.X)
计算时间(s)
无故障并行仿真
5.5
5
优化边界表法
4.5
边界表法
4 道路树法
3.5
装置 实现
7 多模型统一接入方法——机电暂态仿真综合接口平台 8 实时仿真中同步、实时控制以及与外部物理装置的输入输出接口
10
二、主要科技创新（1）
创新点 1
SCADA/EMS 标准接口
基于机群服务器、多机分网并行计算、机电/电磁暂 态混合的实时数字仿真系统的总体架构，保证了大
电网实时仿真功能的实现
2
一、立项背景及总体思路 ——立项背景（1）
电力系统是由发电、输配电和用电组 成的大型人造系统wenku.baidu.com在带来巨大效益的同 时，还时刻面临来自外部和内部故障对安 全运行的威胁。
若不能及时的采取正确的处理措施， 就会导致局部或大面积的停电事故，造成 巨大的经济损失和社会影响。
实际电网扰动 动态电力 系统
部署执行
I
Y
电磁暂态网络的诺 顿等值电路
(三序相量形式）
RLC E
机电暂态网络的戴 维南等值电路
（三相瞬时值形式)
采用三 电磁 相瞬时 暂态 值模 网络 型，积
分步长 一般为 20-200 微秒
17
二、主要科技创新（6）-2
网络划分示意图
内蒙
丰镇
东北
绥中 鸡变 尚志 温春
山西
大同
山西河北南子网
蔚同 1 万丰
创新点4
提出分极、分整流/逆变侧、交直流分割并行的直流输电系 统电磁暂态实时仿真算法，为实现外接直流输电控制装置的 闭环仿真试验奠定了基础。(旁证：发明专利ZL03126462.X)
iα1
iα2
pac1 Vac1
A pAB pAC
pdc1 iβ12
1
pdc2
直流 iβ34 网络
3\
2\
4\
Iα
iα3
i
pCB
C
k1
m1
k2
m2
k3
m3
ikm1 k1
G12
ikm2
k2
G13
G1
…
G23
G2
Ik2
k3
…
Ik1 G1
imk1
m1
G12
m2
imk2
Im1
G13
G23
…
m3
G2 Im3
…
G3
Ik3
G3
…
ikm3
Sub-network A Sub-network B
Im2
…
imk3
14
二、主要科技创新（4）
UFV-200C型安全稳控装置
发电机出口开关电流录波图
华东电网背景下的安稳控制装置试验
23
三、主要技术经济指标
实现了10000节点级电网的机电暂态实时和超实时仿 真以及机电-电磁暂态混合实时仿真，满足全国电网 实时仿真的需要。
作机电暂态和电磁暂态的混合实时仿真时，机电暂 态仿真步长不超过10毫秒，100节点20台发电机电磁 暂态实时仿真步长不超过50微秒。
3
2.5
2
2
3
4
5
6
7
8
分网数目
不同网络划分方法效果比较
16
二、主要科技创新（6）-1
创新点6
提出机电暂态与电磁暂态并行混合仿真接口方法，实现了快 慢不同时间尺度暂态过程的联合仿真，解决了大容量电力电 子设备与大电网相互影响仿真准确度的技术难题。 (旁证：发
明专利ZL03126462.X)
采用相量 模型，积 机电 分步长一 暂态 般为10 网络 毫秒
13
二、主要科技创新（3）
创新点3
提出电磁暂态过程并行计算方法——节点分裂法与分布参 数线路解耦法相结合，兼顾并行计算的灵活性和计算效率
(旁证：发明专利ZL03126462.X)
A
子网 A
[GA]
[ ]
pAB
子网 BB
i
[GB]
[ ] pBA
pAC
子网 C i
[ ]
pCA [GC]
pBC
一、立项背景及总体思路 ——立项背景（5）
为满足我国大规模、交直流混合电力系 统仿真的要求，研发新型电力系统实时数字 仿真装置成为我国新世纪电力系统技术发展 的急需。其中大规模互联电网仿真的实时性 和大容量电力电子设备与大电网相互影响的 仿真精确度，成为电力系统实时数字仿真技 术必须解决的两大技术难题。
电磁暂态仿真
逆变侧换流器触发角
川渝电网
直流控制装置 (实际物理装置)
华东电网
二滩电厂
华中电网
鄂三峡左#1机-珞璜发电机的功角曲线
国家电网背景下的直流输电控制装置试验
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二、主要科技创新（8）-3
系统规模 – 母线：3171 – 发电机：462 – 负荷： 962 – 交流线：1802 – 变压器绕组：2482
通用 平台
基于通用先进的并行机群服务器平台，避免专用硬件的局限，具 有易升级、可扩展、性价比高等优点。
高起点
基于成熟的自主核心仿真软 件，使仿真系统具有高可靠性 和可信度。
电力系统全数字实时仿真装置外观图 9
二、主要科技创新
总体 架构
1 基于并行计算的系统总体架构
核心 算法
2 分网并行计算的通用算法——端口逆矩阵法 3 电磁暂态过程并行计算方法 4 直流输电系统电磁暂态实时仿真算法 5 机电暂态网络自动划分算法 6 机电暂态与电磁暂态混合仿真接口方法
问题类 别情况 判断
采集管理 向前分析
做出决定
情况预 想措施 分析
美加8.14大停电卫星照片
停电后的夜景
停电后人们受困
停电前
停电后
一、立项背景及总体思路 ——立项背景（2）
我国已建成装机容量高
华北 North
达数亿千瓦、面积覆盖全国
大部分地区的互联电力系统。
确保电力系统运行安全、避
华中 Central
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二、主要科技创新（7）
创新点7
提出具有强通用性、扩展性和兼容性的多模型统一接入方法 ——机电暂态仿真综合接口平台 (旁证：发明专利ZL03126461.1)
电磁暂态 并行计算
复杂故障 即时计算
自定义 (UD)模型
仿真
实际物理 装置测试
机电暂态仿真 综合接口平台
MATLAB 模型仿真
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二、主要科技创新（8）-1
数字仿真是电力系统仿真技术的
发展方向。现有电力系统数字仿真技
术和仿真手段不能满足我国大规模电
力系统实时和超实时仿真的要求。
5
一、立项背景及总体思路 ——立项背景（4）
现有电力系统仿真分析数字计算 方法和软件主要用于电力系统运行方 式的离线分析，不能满足实时仿真和 在线应用的要求。
上世纪90年代国际上推出的电力 系统实时数字仿真装置RTDS基于专 用硬件，只适合小规模电力系统的仿 真试验。
万全
姜家
蔚同 2 房山
邯东
京津唐
电电磁暂磁 态暂网络态 网络
保北
河北南
获嘉
湖北河南
机电暂态网络 三峡
川渝
BGG500 BFN500 万县
川渝蒙西子网
岗市
湖南
GNX500
江西
湖南江西子网
电磁暂态侧仿真结果：线路三相电流 机电暂态侧仿真结果：发电机功角
通过分网并行计算，实现了万节点级国家电网的
机电暂态-电磁暂态混合实时仿真
2008年度中国电力科学技术奖一等奖 获软件著作权一项
电力系统电磁和机电暂态过程仿真软件，授权号2007SR04499
发表论文23篇，其中EI收录12篇
26
五、相关知识产权及第三方评价（2） ——鉴定意见
27
五、相关知识产权及第三方评价（3） ——查新报告
查新结论
电力系统全数字实时仿真装置具有的技术要 点，除委托单位的文献外，在所检出的相关文 献中未见报道。
7
一、立项背景及总体思路
——任务来源
国家973项目
以高速PC机网络为硬件支撑的多机电力系统实时仿真系统关键技术研究，课题号G1998020301。
国家高技术产业发展计划项目
直流输电系统全数字实时仿真系统的开发，项目号：SP11J-2001-01。
国家电力公司重点项目
电力系统全数字实时仿真装置的研制，项目号SP11-2001-01-06。
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二、主要科技创新（2）
创新点2
提出分网并行通用算法——端口逆矩阵法，解决了大规模 电网仿真时间长、无法实现实时仿真的难题
(旁证：发明专利ZL03126462.X ZL200410000154.7)
38.47
30
24
18
12 6
…………………………
0
串行计算
4.02
分12网并行计算
……
仿真时间（秒）
国内外先进性能指标
机电/电磁暂态 混合仿真
具7)备混合仿真功能(创新点1、6、只具备电磁暂态仿真功能
实时仿真规模
10000节点（混合仿真，创新点 1-6）
500节点（电磁暂态仿真）
硬件平台
机群服务器(创新点1、8) 通用性、扩展性好
专有硬件 通用性、扩展性不足
并行算法
适用于机电暂态、电磁暂态及混 合并行仿真(创新点2-6)
创新点8
提出并解决了实时仿真中同步、实时控制以及与 外部物理装置的输入输出接口问题，实现了大电 网背景下实际物理装置的闭环仿真试验。(旁证：发
明专利ZL03126461.1)
实际电网作为 试验背景
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二、主要科技创新（8）-2
伊敏电厂
东北电网
机电暂态仿真
西北电网
华北电网
系统规模
– 母线： 4884 – 发电机： 657 – 负荷： 1484 – 交流线： 3257 – 直流线：1 – 变压器： 2161
28
五、相关知识产权及第三方评价（4） ——用户评价
•流总输用结电户几、评可句价控表串明补，、该继仿电真保装护置、已励成磁功控用制于、直
安稳控制等装置试验，以及大电网运行特性 及控制策略研究等方面，成为电网仿真分析 和装置测试的有力工具。
29
六、应用推广和经济社会效益（1） ——应用情况-1
18
二、主要科技创新
总体 架构
1 基于并行计算的系统总体架构
核心 算法
2 分网并行计算的通用算法——端口逆矩阵法 3 电磁暂态过程并行计算方法 4 直流输电系统电磁暂态实时仿真算法 5 机电暂态网络自动划分算法 6 机电暂态与电磁暂态混合仿真接口方法
装置 实现
7 多模型统一接入方法——机电暂态仿真综合接口平台 8 实时仿真中同步、实时控制以及与外部物理装置的输入输出接口
免大范围停电事故的发生和
蔓延，是维护国家能源供应
安全的重要任务。
南方电网 South
东北 Northeast
山东 华东 East
福建
4
一、立项背景及总体思路 ——立项背景（3）
通过对大规模电力系统的实时 和超实时仿真，掌握运行中电网遭受 故障条件下的动态特性，对各类安全 稳定措施和控制保护设备进行验证考 核，是达到避免大停电事故、保障电 力系统安全运行的重要举措。
电力系统全数字实时仿真 关键技术研究、装置研制和应用
完成人：周孝信、吴中习、林集明等 汇报人：周孝信
完成单位：中国电力科学研究院
2009年7月14日
1
主要汇报内容
立项背景及总体思路 主要科技创新 主要技术经济指标 与国内外实时仿真技术的比较 相关知识产权及第三方评价 应用推广和经济社会效益
作用及意义 主要完成人贡献
实现了与调度自动化EMS实时数据接口，继电保护、 稳定控制装置、直流输电及可控串补控制装置等仿真 试验。
24
四、与国内外实时仿真技术的比较
与国内外先进水平比较，本项目在实时仿真规模、并行算法、硬件平台等 多方面具有明显优势，完全可以替代并优于RTDS等国外实时仿真装置。
比较项目
本项目完成的性能指标
项目组历时8年，从算法研究到关键技术攻关，成功研制出世界上 首套可以模拟万节点级国家电网的全数字实时仿真装置，为互联大电
8
网的仿真分析和试验研究提供了有力支撑。
一、立项背景及总体思路 ——总体思路
自主 创新
瞄准大规模互联电网实时仿真的两大技术难题，自主创新，研究 开发拥有自主知识产权的实时仿真技术和仿真装置。
二、主要科技创新
总体 架构
1 基于并行计算的系统总体架构
核心 算法
2 分网并行计算的通用算法——端口逆矩阵法 3 电磁暂态过程并行计算方法 4 直流输电系统电磁暂态实时仿真算法 5 机电暂态网络自动划分算法 6 机电暂态与电磁暂态混合仿真接口方法
装置 实现
7 多模型统一接入方法——机电暂态仿真综合接口平台 8 实时仿真中同步、实时控制以及与外部物理装置的输入输出接口
全系统总控机 (机电暂态总控
机)
电磁暂态总控机
PCI/ISA总线 I/O接口
放大器
测试装置
子网 1子机 ...
子网1子机 ...
子网k子机 机电暂态主控机
电磁暂态主控机
子网k 子机
UD 子机 Matlab子机
GPS时钟
Matlab子机
PCI/ISA总线 I/O接口 放大器
机电暂态
电磁暂态
测试装置
11
仅适用于电磁暂态并行仿真
在线数据接口
具备在线数据接口，可基于电网 实际工况进行仿真(创新点1)
不具备在线数据接口
25
五、相关知识产权及第三方评价（1） ——获奖及相关知识产权情况
获发明专利3项，其中“电力系统数字仿真装置” 获得第十届 中国专利优秀奖
电力系统数字仿真装置，专利号：ZL03126461.1 电力系统数字仿真方法，专利号：ZL03126462.X 电力系统潮流分网并行计算方法，专利号： ZL200410000154.7