大规模交直流电网电磁暂态数模混合仿真平台构建及验证：(一)整体构架及大规模交直流电网仿真验证

随着中国特高压交直流电网快速发展,交直流、多直流之间相互影响加剧,电网安全运行面临严峻挑战,对仿真工具的性能提出了更高的要求。对接入实际直流工程的控制保护装置进行数模混合仿真是当前对大规模交直流系统动态特性进行仿真所采用的较为准确的仿真手段。文中在原有数模混合仿真技术基础上,提出了适用于研究大规模交直流混联电网运行特性的新一代数模混合仿真平台构建方案。该方案以大规模电磁暂态实时仿真软件HYPERSIM和超级并行计算机SGI为数字仿真核心,接入全部在运直流工程的控制保护装置及其他类型电力电子控制保护装置,解决了大规模特高压交直流电网高精度仿真试验研究的难题,并且实现了同时接入8回直流工程控制保护装置、电磁暂态仿真规模超过6 000节点的数模混合实时仿真。通过对实际电网故障的反演和结果对比,验证了所构建仿真平台方案的有效性。     

基于BPA-HYPERSIM的大电网自动建模软件开发

随着特高压交直流电网建设的飞速发展,大规模交直流电网相互影响研究领域对电磁暂态仿真的规模及效率提出了很高的要求。针对传统的人工建模方式无法满足大规模电网电磁暂态仿真需求的现状,提出了子系统划分、用户主动控制、自动/手动电网解耦、发电机控制器自定义库、潮流自动校核和智能继承等自动建模关键技术,并开发了把BPA数据转为HYPERSIM电磁暂态模型的自动建模软件。软件成功应用于华东电网220 kV级以上系统建模,建模规模达到6000三相节点以上,建模效率得到极大提升,且具有极高的转换精度。通过实际应用证明该技术极大的提高了大规模电网电磁暂态建模的规模与效率,使得新一代数模混合仿真平台能够及时为大电网安全稳定运行提供技术支持。     

含多馈入直流的广东电网EMTDC仿真建模

为研究含多馈入直流的交直流电力系统相互作用及其交流继电保护的影响,以广东电网4条直流和500 kV主网架为背景,利用EMTDC仿真平台,研究了大规模交直流电力系统电磁暂态仿真需要同时解决的精度和效率问题,提出了仿真规模、模型选取、网络等值的原则和方法,尤其对接入220 kV交流系统的天广直流特殊落点接入方式进行了详细分析.在稳态和暂态层面将仿真结果与实际电网数据相比对,并重现了实际故障过程,可反映大电网主网架结构及多直流接入的动态特征,从而验证了文中方法的有效性和可信性.基于该仿真平台,对当前广东电网中可引发直流换相失败和暂态功率倒向的大量故障进行了仿真研究,给出了交直流电力系统相互作用的影响范围,从而为现场开展此类研究提供了一个有效的分析手段.     

电力系统电磁暂态实时仿真中并行算法的研究

该文从软件开发的角度出发,提出了一种解决电磁暂态实时仿真问题的分网并行算法.算法中采用"节点分裂"进行网络分割,采用子网内部节点电压方程与子网之间边界点电压相等的关系联合求解网络,并结合长输电线解耦法,在电科院开发的实时仿真器ADPSS中实现了电磁暂态分网并行计算,使网络中任意点都可以作为边界点进行网络分割.该算法不但能保持长输电线解耦法并行计算的较高并行效率,还能提高分网并行的灵活性.实际系统的计算结果表明:文中所提出的网络并行算法是正确和有效的;节点分裂法即可用于交直流电力系统实时仿真分网并行计算,以实现交直流系统实时仿真.也可应用于电力系统电磁暂态仿真与机电暂态仿真接口计算中,实现电力系统电磁暂态仿真与机电暂态仿真的混合仿真.     

大规模“风火打捆”经直流外送数模混合仿真系统

为深入研究大规模新能源基地经特高压直流向负荷中心远距离大容量送电的可行性及遇到的技术问题,一个有效的仿真平台是必不可少的。文章结合数字实时仿真及物理仿真各自的优势,以电磁暂态数字实时仿真系统HYPERSIM为研究平台,用直流输电物理仿真装置模拟外送风电的特高压直流输电系统,利用双向功率连接数模混合仿真技术模拟功率在数字和物理模型之间的交换,建立了大规模风电经直流外送的数模混合仿真系统。通过暂稳态仿真试验,对该仿真系统的动态响应特性进行了验证,解决了在模拟大规模风电接入电网的同时,精确模拟外送风电的直流输电系统动态响应特性的技术难题,为大规模风电接入电网及直流输电对大规模风电的适应性、交直流协调控制等研究提供了必要的手段。     

黑龙江电网全电磁暂态建模研究

东北电网现已形成了具有3回常规直流、1回特高压分层直流的交直流混联大电网.交直流交互作用逐渐成为影响电网安全稳定的关键因素,电力系统仿真规模和仿真精度之间的矛盾日益显现.为准确认识电网特性,展开黑龙江电网全电磁暂态建模研究工作,依托ADPSS仿真平台,实现黑龙江省交流电网骨干网架机电模型与电磁模型的转换、交直流电网拼接.经验证,全电磁暂态模型高精度的仿真为研究大电网运行机理、掌握电网运行特性提供有力支撑.     

交直流混联大电网仿真技术现状及面临挑战

随着我国特高压交直流工程陆续投运,系统“强直弱交”问题突出,交直流、多直流、送受端之间的交互影响日益显著,电网运行复杂度迅速增加,对电网仿真的规模、精度和速度提出了更高要求。从电力系统建模、多时间尺度仿真、数模混合实时仿真3个方面梳理了仿真技术现状,针对交直流混联大电网发展需求,分析了仿真技术面临的挑战。指出提高直流、新能源、柔性交流输电系统（flexible alternative current transmission systems,FACTS）和负荷等复杂模型的建模精度,扩大电磁暂态仿真规模,提高大规模电网仿真效率,将是提高大电网仿真能力的研究重点。     

特高压交直流输电系统暂态混合仿真研究

随着电力系统发展,纯机电暂态和电磁暂态仿真在分析大规模特高压交直流混合电网时已呈现明显不足。为了准确分析特高压交直流输电系统的动态特性,文中基于电力系统全数字实时仿真平台(ADPSS)搭建了特高压交直流输电系统的机电—电磁暂态混合仿真模型,并对整流侧和逆变侧交流母线故障进行了仿真分析。结果表明通过机电—电磁暂态混合模型仿真结果输出,能够有效体现直流系统整体以及局部的各个元器件的详细动态过程,为特高压交直流系统的稳定控制提供技术理论支撑。     

基于PSCAD/EMTDC的大规模新能源并网电磁暂态并行仿真

随着大规模新能源并网,大量电力电子元器件的接入使传统电网电磁暂态特性发生了很大改变,无论从算法还是计算规模上都对电网仿真提出了新要求。在PSCAD（电力系统计算机辅助设计）上搭建了含新能源接入的内蒙古电网电磁暂态模型,实现全网的电磁暂态精确仿真;基于集群并行仿真技术,解决了因计算规模过大导致无法计算或仿真效率低的问题;进一步提出了基于节点矩阵规模的网络均衡整合方法,减少了计算资源的占用率。仿真结果表明,集群并行技术可有效提升新能源并网电磁暂态模型的仿真效率;同时,在保证仿真速度的前提下创新研究的网络均衡整合方法,可实现计算资源的利用效率优化。     

基于PSCAD/EMTDC的大规模新能源并网电磁暂态并行仿真

随着大规模新能源并网,大量电力电子元器件的接入使传统电网电磁暂态特性发生了很大改变,无论从算法还是计算规模上都对电网仿真提出了新要求。在PSCAD（电力系统计算机辅助设计）上搭建了含新能源接入的内蒙古电网电磁暂态模型,实现全网的电磁暂态精确仿真;基于集群并行仿真技术,解决了因计算规模过大导致无法计算或仿真效率低的问题;进一步提出了基于节点矩阵规模的网络均衡整合方法,减少了计算资源的占用率。仿真结果表明,集群并行技术可有效提升新能源并网电磁暂态模型的仿真效率;同时,在保证仿真速度的前提下创新研究的网络均衡整合方法,可实现计算资源的利用效率优化。     

交直流混联系统机电—电磁暂态混合仿真研究

大规模高压直流跨区输电、交直流混联使电力系统的动态特性更加复杂,仿真分析成为研究交直流混联大电网的重要工具。传统电力系统暂态仿真主要分为机电暂态仿真和电磁暂态仿真。前者适用于开关切换不频繁、仿真步长较大的工频元件,可实现大规模系统仿真。后者适用于开关频繁切换、小步长仿真的电力电子元件,可实现对小系统的详细建模仿真。通常,仿真的规模与仿真元件的精细程度之间存在矛盾。为研究直流系统控制模型对混联系统动态特性的影响,兼顾两种仿真方法的优点,采用中国电力科学研究院开发的ADPSS仿真软件,分析了计及脉冲发生机制和定电压控制器的仿真差异。并用IEEE39节点为基础的扩展系统进行验证,可为含有大量电力电子器件接入的交直流混合系统提供更高效、更准确的建模方式。     

含大量电磁直流模型的机电–电磁暂态混合仿真技术研究

伴随特高压直流的飞速发展和其输电容量阶跃式提升,我国电网呈现出"强直弱交"的特点。送受端、交直流、多直流之间耦合日趋紧密,电网运行特性日趋复杂。在大规模交直流电网的仿真分析中,直流输电系统需要采用电磁暂态仿真以获得准确动态特性,其余交流电网采用机电暂态仿真以提高仿真效率。然而,含多条直流电磁暂态模型的混合仿真在数据建立、方式调整及平稳启动方面存在困难,制约了大规模电网分析的工作效率和仿真精度。提供了通过直流标准化建模和数据映射拼接实现混合仿真数据自动建立的解决方案,提高了建模效率;提供了直流输电电磁模型运行方式自动调整、混合仿真接口电压箝位平稳启动的方法,使混合仿真能在0.6s的仿真过程内达到稳态。所提方法提高了大规模交直流电网机电–电磁混合仿真分析的工作效率和仿真精度。     

基于Gaussian算法的高压直流平抗瓦斯非线性耦合动态特性精细化建模

随着近几年来大量高压直流输电工程接入交流系统,给交直流混联电网带来重要影响,直流系统的运行状况,尤其是其控制保护系统的性能,已成为影响交直流混联电网安全稳定的重要因素。系统故障引发平波电抗器瓦斯保护误动作是导致直流系统闭锁的重要非电气量因素之一,该文详细研究分析了平抗瓦斯的设备原理和特点,采用Gaussian回归算法对平抗瓦斯机械振动与冲击电流的非线性耦合特性进行精细化模拟和解耦,且与电磁暂态算法相兼容,并基于国网仿真中心华东电网电力系统全数字实时仿真装置(advanced digital power system simulator,ADPSS)纯电磁暂态实际工程控保算例进行交直流电网纯电磁仿真,可以详细描述交直流电网故障冲击电流等电气量动态变化对平抗瓦斯机械振动加速度非电气量的非线性快速响应动态特性,为实际工程中多次发生的平抗瓦斯误动导致直流闭锁的事故分析和故障重演、预防及设备改进提供关键技术手段,对进一步提高直流实用化工程仿真的多维度精度具有重要现实意义,并为其他非线性电气相关设备的详细建模提供思路。     

交直流大电网混合实时仿真（SMRT）平台研发与工程应用

为更准确、高效地研究南方电网受端多回直流换相失败、交直流复杂电网交直流相互影响、受端电网电压稳定和交直流电网稳定控制等问题,提出了研发基于RTDS实时仿真器与并行计算机联合闭环运行的电磁暂态-机电暂态混合实时仿真平台（supermixedreal-timesimulation,SMRT）。系统阐述了SMRT平台的架构和关键技术,即大规模电网实时机电暂态仿真技术、电磁与机电暂态全序量交互技术、RTDS与计算机仿真接口的数字化高速通信技术等。介绍了其在南方交直流互联大电网复杂系统运行分析、控制研究及运行人员培训中的应用。     

高压直流输电系统数字物理动态仿真

对交直流输电系统进行大规模电力系统数字-模拟混合仿真,不但能实现常规的系统稳定性研究,还能针对局部系统进行详细的电磁暂态性能分析,极大提高了电力系统仿真分析的准确性。本文基于功率连接技术搭建了适用于交直流大电网仿真的数模混合仿真实验平台。该平台既可以对大电网进行全数字实时仿真也可对局部电力系统进行物理仿真,成功实现了三峡地下—上海西±500kV高压直流输电一次设备与数字大电网的数模混合实时仿真。数模混合仿真结果与全物理仿真装置仿真结果的比较,验证了利用本文提出的数模混合仿真平台进行数模混合仿真的可行性和有效性。     

基于HYPERSIM的直流输电系统数模混合仿真接口技术研究EI北大核心CSCD

数模混合仿真接口技术是实现直流输电数模混合仿真的关键技术。该文基于HYPERSIM研究了直流输电系统数模混合仿真模型中的数字侧接口、数模混合接口和直流控保装置侧接口。对数字侧接口的软件配置方法进行了详细研究,针对超级并行计算机提出了优化的解耦和优化的子任务映射方法,确保直流控保装置接入后数模混合仿真系统以50μs的仿真步长实时仿真。研究了电气量模数转换和光纤数字协议通信两种数模混合仿真接口技术,并对其转换原理、同步方式和延时进行了详细研究,信号的单向传输过程均有1个步长的延时,该延时不影响直流系统的响应特性,无需进行补偿。研究了适用于数模混合仿真的直流控保装置的接口配置方式。建立了直流输电系统数模混合仿真模型,通过仿真试验表明该接口技术的有效性。该接口技术可推广应用至接入物理控制器的FACTS、风机等数模混合仿真系统。     

大规模电力系统电磁暂态并行仿真算法和实现

随着电力系统的发展,传统电力系统逐步演化为大规模交直流混联的复杂电力系统。设计高效、快速的大规模电力系统电磁暂态并行仿真器,成为大规模电力系统电磁暂态仿真的研究重点。首先讨论了传统粗粒度并行方法面对大规模电力系统电磁暂态仿真加速的局限;进而通过"平均化"的变流器建模方法改进了传统电磁暂态EMTP算法,通过"向量化"的细粒度并行计算方法,在新型计算设备GPU上实现了大规模电力系统电磁暂态仿真的加速;最后讨论了大规模复杂电力系统仿真的发展方向,并提出了用于大规模电力系统实时仿真的异构并行计算平台。     

适应新型电力系统的高性能电磁暂态仿真技术及其应用

对于新型电力系统的有效全电磁暂态仿真而言,不仅要提升基础模型的精度和稳定性水平,更面临着万节点级大规模电网的仿真效率和不同时间尺度电力电子系统的计算精度两大挑战。结合所研发的高性能电磁暂态仿真平台,介绍了解决上述挑战的基本思路和实现效果。以同步发电机、传输线和电力电子器件为例,说明重点核心模型的技术突破。基于时域变换大步长电磁暂态算法和高效自动并行技术,实现宽时间尺度大电网高效全电磁仿真,达到数千节点级主网架的超实时仿真和数万节点级电网的高效仿真。利用多速率电磁暂态接口,实现交流大电网及不同时间尺度电力电子系统的空间多速率并行仿真。通过万节点级超大规模电网算例及实际省级和区域电网的故障录波对比,验证了所实现技术的高效率和准确性。     

像花儿一样

正随着我国特高压交直流电网飞速发展,电网特性发生深刻变化,为解决电网仿真领域面临的新难题,2015年底,国家电网公司提出创新仿真分析工具,建设新一代特高压交直流仿真平台,深入掌握电网快速发展阶段的系统特性,支撑电网发展和安全经济高效运行。数模混合仿真系统是新一代仿真平台的重要组成部分,超大规模电网电磁暂态仿真及同时接入多套与实际工程特性一致的直流控保装置成为其面临的两个巨大挑战。作为数模混合仿真技术团队负责人的我,义不容辞地接受了这个艰巨的任务。数模混合仿真技术团队,是     

我国直流输电系统全数字实时仿真系统研发成功

中国电力科学研究院组织专家对直流输电系统的电磁暂态实时仿真进行研究,提出交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法,并开发出直流输电系统全数字实时仿真系统。