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1国内外电网数字仿真技术
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。

1.2.1RTDS
RTDS由加拿大RTDS公司出品，一个CPU模拟一个电力系统元器件，CPU 间的通讯，采用并行－串行－并行的方式。

RTDS具有仿真的实时性，主要用于电磁暂态仿真。

目前RTDS应用规模最大的是韩国电力公司(KEPCO)的装置, 有26个RACK，可以模拟400多个三相结点。

RTDS仿真的规模受到用户所购买设备(RACK)数的限制。

这种开发模式不利于硬件的升级换代，与其它全数字实时仿真装置相比可扩展性较差。

由于每个RACK的造价很高, 超过30万美元, 因此仿真规模一般不大。

基于上述原因，RTDS目前主要用于继电保护试验和小系统实时仿真。

1.2.2ARENE
法国电力公司(EDF)开发的全数字仿真系统ARENE, 有实时仿真和非实时仿真版本。

实时版本有：（1）RTP版本，硬件为HP公司基于HP-CONVE工作站的多CPU并行处理计算机，该并行处理计算机的最大CPU数量已达32个，可以用于较大规模系统电磁暂态实时仿真；（2）URT版本，HP-Unix工作站，用于中小规模系统电磁暂态实时仿真；（3）PCRT版本，PC-Linux工作站，用于中小规模系统电磁暂态实时仿真。

ARENE实时仿真器可以进行如下物理装置测试：继电保护，自动装置，HVDC和FACTS控制器，可以用50微秒步长进行闭环电磁暂态实时仿真。

ARENE不作机电暂态仿真。

采用基于HP工作站的并行处理计算机，其软硬件扩展也受到计算机型号的制约。

目前国内没有单位引进该系统，因此该系统的投资情况并不清楚。

1.2.3HYPERSIM
该系统是由加拿大魁北克TEQSIM公司开发的电力系统数字实时仿真产品，可用于机电暂态实时仿真和电磁暂态实时仿真，但目前还不能进行电磁暂态和机电暂态混合仿真。

HYPERSIM有两种支撑硬件：
基于PC Cluster（与日本三菱公司联合开发）。

可以进行中小规模电力系统的电磁暂态仿真(HVDC系统实时仿真步长65微秒)和较大规模电力系统的机电
暂态仿真。

具有对继电保护、FACTS控制器、自动重合设备及PSS等进行闭环测试的能力。

基于多CPU超级并行处理计算机，如SGI2000和SGI3000。

并行处理计算机的最高配置可达512个微处理器。

其仿真规模可以相当大，也可用于装置试验。

但造价高昂，中国电科院引进该系统投入3000多万元。

此外在扩展方面也受到计算机型号的制约。

1.2.4DDRTS
深圳殷图科技发展有限公司开发的数字动态实时仿真系统DDRTS，基于高速PC机，是全数字化的动态模拟实验及测试系统。

DDRTS是基于微机开放式的体系结构和自主开发的全中文图形化电力系统仿真软件，用于模拟电力系统的电磁暂态和机电暂态过程以及对装置进行实时闭环测试。

DDRTS 系统包含了发电机、发电机的励磁调节器和调速器、PSS、电动机、变压器、输电线、断路器、电抗器、CT、PT、CVT、负荷和各种无源元件，还有包括饱和电抗器等非线性元件，但由于DDRTS 系统的直流系统模型和FACTS 模型几乎空白，所以DDRTS 系统只应用在交流系统仿真中。

目前，DDRTS 系统已经在南京南瑞继保电气有限公司、宁夏电力调度通信中心和东北电力调度通信中心等单位投入使用。

中国南方电网电力调度通信中心也将引进该仿真系统。

相对来说，该系统由于规模较小，功能不全，因此售价不高，一般投资不超过200万元人民币。

1.2.5ADPSS
中国电力科学研究院开发的电力系统全数字实时仿真装置ADPSS是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。

该仿真装置基于高性能机群服务器，采用网络并行计算技术实现了大规模复杂交直流电力系统的机电暂态实时仿真和机电、电磁暂态混合实时仿真以及外接物理装置试验。

该装置可与调度自动化系统相连接取得在线数据进行仿真，可进行继电保护、安全自动装置、FACTS控制装置和直流输电控制装置的闭环仿真试验。

该套系统的投资一般在500万元左右。

1.3国内外电力系统全数字仿真系统应用情况
在以上这些数字实时仿真系统中，RTDS是国内外应用最广泛的实时数字仿真系统。

从1994年开始，国内外许多电力公司、设备制造商、研究开发机构和大学采用了RTDS仿真装置，客户遍布世界上20个国家，国内外近百家单位共配置了数百个RTDS机箱(Racks)。

目前，RTDS应用规模最大的是韩国电力公司(KEPCO)的装置, 共有26个RACK，可以模拟400多个三相结点。

在国内，目前已有南方电网、清华、华中科技大学等近30家单位引进了RTDS实时仿真系统，南方电网RTDS电网实时仿真系统共投资约一亿元人民币，有13个机柜、24个机箱(Racks)，可以对2010年度南方电网交直流混合等值电网进行仿真，仿真规模可以覆盖南方电网500kV及以上交直流混合输电网、全部500kV变电站及主力发电厂。

HYPERSIM是加拿大魁北克TEQSIM公司开发的一种基于并行计算技术、采用模块化设计、面向对象编程的电力系统数模混合式实时仿真系统，具有Unix,Linux,Windows等3种版本。

目前国内在华南理工大学等单位投入使用，但现已经不再生产，后续也没有人员进行升级、开发及维护。

国内研究开发的DDRTS系统已经在南京南瑞继保电气有限公司、宁夏电力调度通信中心和东北电力调度通信中心等单位投入使用。

中国电科院开发的ADPSS全数字实时仿真系统推出相对较晚，但也在逐步推广应用的过程中，如江苏省电力试验研究院、山东省电力研究院、安徽省电力科学研究院、山东大学、河北电力研究院、西北电网技术中心、四川电力试研院等单位已引进该系统。

江苏省电力试验研究院实时数字仿真系统配备1个4CPU 计算节点机、4个2CPU计算节点机、1个4CPU计算与接口节点机、4个2CPU 计算与接口节点机及1个管理节点机组成的机群系统。

能够对江苏2010年高峰负荷电网进行实时仿真研究。

仿真规模为2100个节点、200台发电机详细模型、交流输电线路1320条、直流输电线路1条。

2实时数字仿真系统主系统方案比较
从实际调研情况来看：目前实时数字仿真实验室的建设主要是采用以下三种产品：加拿大RDTS和HYPERSIM以及中国电科院的ADPSS。

根据实时数字仿真系统的功能需求，本章对RTDS、HYPERSIM以及ADPSS 进行方案对比（因DDRTS 系统的直流系统模型和FACTS 模型几乎空白，所以只应用在交流系统仿真中，而且该系统只能实现小规模电力系统仿真，不能满足XX电网规模及功能要求，因此不作为方案进行对比）。

2.1实验室电网实时数字仿真系统方案的技术经济比较
（1）技术及功能比较
1）机网协调技术
当前三种产品均没有能够实现该功能的产品。

在调研中，中国电科院可以对该功能需求提供解决方案，可以采用模拟输入输出接口或者通信接口方式实现连接。

但是应该注意的是，采用通信接口方式实现连接，仿真系统之间可能存在同步问题，可能会导致丢帧，寄存器溢出等问题，从而导致仿真失败，需要在开发中引起注意；RTDS由于是国外公司的产品，很难提供解决方案；而HYPERSIM 的生产商已经停止了该系统的生产，所以不能提供解决方案。

2）基于实际运行参数的电网稳定分析
ADPSS具有成熟的在线数据处理技术，能够将实际运行参数经过一台在线数据接口服务器与实时数字仿真装置进行数据交换，从而实现基于实际运行参数的电网全面计算分析。

而RTDS与HYPERSIM均没有在线数据处理技术。

3）潮流计算
三种实时数字仿真系统均具有潮流计算的主要要求。

4）机电暂态仿真
ADPSS可以进行较大规模电力系统的机电暂态实时仿真，而且在三者之中，ADPSS的计算能力最为强大，它是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。

由于HYPERSIM和RTDS本身是基于电磁暂态仿真算法进行仿真分析(一般都是基于Dommel算法)，因此HYPERSIM和RTDS本身的计算仍然要受到硬件规模的限制，难以进行大规模的机电暂态仿真。

5）电磁暂态仿真
三种实时数字仿真系统均可以实现电磁暂态仿真功能。

RTDS的电磁暂态仿真能力最强，能同时实现多条直流线路的电磁暂态仿真，ADPSS只能实现一条直流线路的电磁暂态仿真。

6）机电-电磁暂态混合仿真
三种实时数字仿真系统中，RTDS和HYPERSIM不具备实现机电-电磁暂态混合仿真的能力，而ADPSS能实现机电-电磁暂态混合仿真。

7）用户自定义模型接口
三种实时数字仿真系统均具备用户自定义模型接口模块。

8）MATLAB接口
三种实时数字仿真系统均具有MATLAB接口。

9）物理装置接口
三种实时数字仿真系统均提供物理装置接口，具有对物理装置进行闭环测试的能力。

10）电力系统数学模型验证研究
三种实时数字仿真系统均具有数学模型验证功能。

11）电力系统故障的再现和分析
三种实时数字仿真系统均具有故障再现和分析功能。

12）继电保护和安全自动（安全稳定）装置的检验和试验研究
三种实时数字仿真系统均能实现继电保护和安全自动（安全稳定）装置的检验和试验研究的功能。

13）励磁系统仿真和装置的试验研究.
三种实时数字仿真系统均能实现励磁系统仿真和装置的试验研究。

14）对新技术、新设备进行检测和试验研究的功能。

三种实时数字仿真系统均能实现对新技术、新设备进行检测和试验研究的功
能。

15）电网安全自动（安全稳定）装置的协调控制策略研究
三种实时数字仿真系统均具备电网安全自动（安全稳定）装置的协调控制策略研究功能。

但是在机网协调技术的基础上进行协调控制策略研究，可以增强实时数字仿真系统的仿真性能，由于ADPSS能实现机网协调技术研究，因此能获得更令人满意的研究分析结果。

16）网络划分
三种实时数字仿真系统均具备网络划分功能。

以上是对RTDS、HYPERSIM以及ADPSS在功能上的对比情况。

为了清晰地对比三种实时数字仿真系统，将以上功能对比以及其它更详细的对比情况列于表5-1。

表5-1 数字仿真实验室三种方案对比情况
（2）经济比较
RTDS实时仿真装置的仿真规模与Rack的数量有很大关系，为了扩大系统仿真规模，必须以增加Rack数量为代价。

而每个Rack的价格很高，超过30万美元。

如上所述，以南方电网RTDS电网实时仿真系统为例，该系统总共有13个机柜、24个机箱(Racks)，可以对2010年度南方电网交直流混合等值电网进行仿真，仿真规模可以覆盖南方电网500kV及以上交直流混合输电网、全部500kV 变电站及主力发电厂，但是投资总计约一亿元人民币。

所以，该系统的投资非常昂贵，目前主要用于直流控制系统试验和小系统实时仿真。

HYPERSIM实时仿真装置的仿真规模与微处理器的数量有很大关系，微处理器最多可以配置512个，仿真规模可以相当大。

如上所述，以电科院引进的HYPERSIM实时仿真系统为例，投资超过3000万元人民币，因此该系统的投资同样非常昂贵。

ADPSS是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。

仿真规模超过其他实时仿真系统。

该仿真装置基于高性能机群服务器，硬件投资非常便宜，因此使得整套仿真系统价格相对较低。

2.2实验室电网实时数字仿真系统方案推荐
从上面技术和经济两方面比较情况来看，中国电科院研制开发的ADPSS系统国际上首创实现了大规模电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真系统，大大突破了以前的仿真规模。

从研究实际电网情况来看，往往更多的是局部电网的电磁暂态和大电网的机电暂态混合仿真研究，能够较好符合XX电网实际需求情况。

无论首次投入成本还是后续维护成本都只是相对于国外两套仿真装置成本的几分之一。

能够与调度数据进行对接，研究结果更加接近电网的真实情况，因而拥有更好的精准度，可以得到更加满意的结果。

RDTS主要是用于直流控制系统试验、继电保护试验和小系统实时仿真。

对于大电网仿真来讲，并不实用，而且很难实现机网协调技术研究，不能实现在线运行参数处理。

HYPERSIM都能实现电力系统电磁暂态实时仿真，并进行继电保护和控制装置的闭环试验，其中HYPERSIM的SGI版本还可以进行一定规模电力系统的机电暂态实时仿真，但是不具备机电暂态和电磁暂态混合仿真的能力，故可模拟的电力系统规模较为有限，另外功能上也比较单一，不便于开展科研工作，且目前HYPERSIM已经不再生产，后续也没有人员进行升级、开发及维护。

ADPSS因其可模拟的系统规模大，计算能力强大，功能全面，图形化中文界面，较友好，性价比高，维护与升级扩充方便，技术先进，技术支持完备等各方面优势，更适合于电网数字仿真实验室及机网协调控制技术实验室的的需要。

因此对于电网实时数字仿真系统，推荐采用中国电科院开发的ADPSS实时数字仿真系统。