彭 冲

(国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050022)

电力系统数字仿真技术现状及展望

彭 冲

(国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050022)

介绍了电力系统数字仿真技术的分类方法和适用范围，综述常用仿真软件的仿真能力和应用现状，分析电力系统对数字仿真技术的新需求，说明其发展方向和开发难点，并论述河北省南部电网运用数字仿真技术进行电网规划和运行分析的成果。

数字仿真技术；仿真软件；仿真建模

电力系统仿真是根据原始电力系统建立模型，利用模型进行计算和试验，研究电力系统在规定时间内的工作行为和特征。电力系统仿真在电力系统的规划、设计、建设、运行中发挥着重要作用[1]。电力系统仿真可以分为物理仿真和数字仿真两类，其中数字仿真是建立电力系统物理过程的数学模型，基于计算机技术和数值计算技术求解数学模型，实现对电力系统的模拟。与物理仿真技术相比，数字仿真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、成本相对低廉，成为分析、研究电力系统必不可少的工具，是电力系统仿真的重要研究方向[2]。

1 数字仿真分类方法及适用范围

根据不同的原则，电力系统数字仿真有不同的分类方法。

1.1 频域仿真和时域仿真

根据仿真变量的不同，电力系统数字仿真可以分为频域仿真和时域仿真。

a. 频域仿真。以频率作为仿真变量，着重分析电力系统在不同频率下的响应情况，用于研究低频振荡、次同步振荡、暂态和次暂态过程等。

b. 时域仿真。以时间作为仿真变量，着重分析电力系统在不同时间的动态过程。

1.2 电磁暂态、机电暂态和中长期动态仿真

根据被研究动态过程的不同，时域仿真可以分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真。

a. 电磁暂态仿真。用于研究电力元件中电场和磁场以及相应的电压和电流变化过程，由于电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况。电磁暂态仿真通常采用瞬时值分析计算。电磁暂态仿真中，典型的仿真步长为50～100 μs，对于电力系统行波过程等快速暂态过程的仿真分析，需采用更小的仿真步长。受模型与算法的限制，电磁暂态仿真规模不大，进行电磁暂态仿真时一般都要对电力系统进行等值化简，这在一定程度上丢失了电网的一些固有特性。常见的电磁暂态仿真软件有PSCAD/EMTDC、EMTP和ATP等。

b. 机电暂态仿真。用于研究电力系统的暂态稳定性，即电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。机电暂态仿真一般采用交替求解法和联立求解法。机电暂态仿真对所描述系统的规模一般没有限制，因此在实际工程特别是对大型电力系统的稳定研究中，机电暂态仿真得到了广泛的应用。机电暂态仿真的典型步长是10 ms，因此对于高压直流输电(HVDC)、灵活交流输电(FACTS)等电力电子装置的仿真准确性差，有些现象甚至不能模拟，而对于时间常数为百秒级的动态模型、如锅炉模型、核电站模型等，又存在大量的CPU计算浪费。常见的机电暂态仿真软件有BPA、PSASP、PSS/E和DigSilent等。

c. 中长期动态仿真。用于研究电力系统遭受诸如使频率、电压、潮流产生较大或者长期持续偏移的严重扰动后动态响应的问题。这些严重扰动可能会引起一些缓慢变化过程、甚至保护和控制系统动作等，并且其响应动作过程往往时间较长，是常规机电暂态仿真所不能模拟的。中长期动态仿真通常采用适合刚性变量法的变阶变步长计算方法，计算步长通常从10 ms到几秒不等。常见的中长期动态仿真软件有PSS/E和PSD-FDS等。

1.3 实时仿真和非实时仿真

根据仿真速度与实际电力系统动态过程响应速度的关系，电力系统数字仿真可分为实时仿真和非实时仿真。

a. 实时仿真。指数字仿真计算速度与所模拟动态过程在实际电力系统中的响应速度一致，即数字仿真能够在一个计算步长内计算完成实际电力系统在该段时间内的电力系统动态过程响应情况，并完成数据输入输出工作，因此能够接入实际物理装置进行闭环试验。常见的实时仿真系统有RTDS、RT-LAB和ADPSS等。

b. 非实时仿真。指数字仿真计算速度与所模拟动态过程在实际电力系统中的响应速度不一致。

1.4 离线仿真和在线仿真

根据仿真数据的来源，电力系统数字仿真可分为离线仿真与在线仿真。

a. 离线仿真。离线仿真与实际运行的电力系统没有直接数据联系，一般由人工输入仿真数据，再根据所搭建的电力系统模型进行计算。电力系统在进行规划分析和运行方式研究时采用离线仿真方法。

b. 在线仿真。在线仿真从实际运行电力系统的SCADA/EMS或PMU/WAMS系统中获取实时状态数据，经过状态估计、数据整合后得到仿真计算所需的数据，然后进行仿真计算。在线仿真主要用于在线地对系统进行稳定分析和评估、制定预防控制或紧急控制策略，目前已在实际电力系统得到大量应用，例如国网智能电网调度技术支持系统。

2 常用仿真软件分析

2.1 PSS/E

PSS/E是PTI公司(Power Technologies Inc，美国电力软件公司)专为输电系统分析而设计的综合仿真软件包。PSS/E为用户提供潮流、短路电流、动态仿真、事故分析、最优潮流、线性网络、可靠性评估和小信号分析等功能[3]。

PSS/E是国际上应用最广泛的电力系统分析软件之一，该软件以IEEE标准建立各种元件数学模型，模型通用性好，而且支持超过50 000条母线的计算规模，利于超大规模电网计算。

2.2 PSASP

电力系统分析综合程序PSASP是中国电力科学研究院自主开发的电力系统仿真分析软件包，包括潮流、暂态稳定、短路电流、小干扰稳定、静态安全分析等十余个功能模块，而且具备用户自定义模型(UD)和用户程序接口(UPI)功能，能够用于输配电、供用电等各种规模电力系统的仿真分析。PSASP软件架构见图1。

图1 PSASP软件架构

PSASP是国内应用最广泛的电力系统分析软件之一，有近40年的研发和应用历程，目前已有600余家用户。PSASP是完全自主研发的软件包，因此对国内各种电力设备模型支持较好，用户使用方便。

2.3 PSCAD/EMTDC

EMTDC (Electro Magnetic Transient in DC System)是加拿大曼尼托巴水电局开发的电磁暂态仿真程序， PSCAD (Power System Computer Aided Design)是EMTDC的人机界面。

PSCAD/EMTDC能够对包含复杂元件(如频率相关线路、直流输电设备等)的电力系统进行全三相的精确模拟，可用于研究高压绝缘配合、HVDC或FACTS结构和控制、电机扭矩效应和自励磁现象、新能源并网控制等电磁暂态问题。

PSCAD/EMTDC拥有完整准确的元件模型库、稳定高效的计算内核和良好的开放性，其仿真结果在业内被广泛认可，在中国是使用最广泛的电磁暂态仿真程序。

2.4 RTDS

RTDS (Real Time Digital Simulator)是加拿大RTDS公司开发的实时数字仿真系统，采用多处理器的并行计算技术实现对电磁暂态过程的实时仿真，其算法原理与PSCAD/EMTDC相同，是PSCAD/ETMDC的实时化。RTDS并行计算原理见图2。

图2 RTDS并行计算原理

RTDS系统具有模拟量输入输出、开关量输入输出等接口，可以与外部实际物理装置连接进行闭环仿真[4]。基于RTDS系统可以实现对电力系统的实时仿真、以及对控制保护装置的闭环试验，是世界上应用最广泛的实时数字仿真系统，国内也有大量的RTDS应用。

3 数字仿真技术发展趋势

随着直流输电、电力电子装置的大量接入以及新能源发电、微电网等新技术应用于电力系统，电网运行控制特性变得复杂，对电力系统仿真规模、仿真精度和仿真速度提出了更高的要求，从而将推动电力系统数字仿真技术的发展，主要体现在以下几个方面。

3.1 仿真建模技术

目前，新能源发电、柔性直流输电等新技术不断应用于电力系统，其运行机理和动态特性仍需要进一步研究，数学建模方法也有待完善。以柔性直流输电为例，其电路拓扑、运行特性与传统直流输电有较大区别，目前国内主流的机电暂态仿真程序尚未有该仿真模型。

此外，新设备的控制保护系统相对于传统设备也更加复杂，不同厂家的设备控制原理也不尽相同，仿真软件模型库很难覆盖所有的设备及其控制系统，因此有必要研究更加灵活的仿真建模方法。一方面是扩展仿真软件本身的自定义建模功能，增加编程开发接口等；另一方面是提供不同仿真软件之间的联合仿真功能，例如PSASP软件就提供了与Matlab/Simulink模型的接口。

3.2 数字-物理混合仿真技术

在新设备数字仿真技术还不完善的情况下，对其采用物理仿真模拟、对常规电力系统采用数字仿真模拟，通过数字-物理混合仿真开展新设备接入电网的仿真分析成为可行的技术路线。

数字-物理混合仿真，也称为数模混合仿真，是将物理仿真和数字仿真相结合的一种仿真方法，也被称为“半实物仿真”或“Hardware-In-the-Loop Simulation”。混合仿真一般对系统中比较简单或规律比较清楚的部分建立数学模型，在计算机上加以实现并进行数字仿真；而对比较复杂或对规律尚不十分清楚、建立数学模型比较困难的部分，则采用物理模型或实物进行模拟[5]。数字-物理混合仿真的关键在于数字仿真的实时性和混合仿真接口的稳定性。数字-物理混合仿真接口见图3。

图3 数字-物理混合仿真接口

电力系统数字-物理混合仿真技术已有20多年的研究历程，但近年来随着电力电子技术的应用有了新的发展需求，主要体现在以下两方面：

a. 大功率交换。主要用于大容量风机、微电网接入电网的仿真，如2010年美国佛罗里达州立大学(FSU)利用MW级的混合仿真对电力电子驱动设备进行研究[6]。目前国内尚未有kW级以上的成熟应用案例。

b. 复杂接口。数字仿真可以模拟大规模电力系统，可能会接入多个物理仿真设备，因此带来了接口的复杂性，需要研究接口延迟和误差对仿真准确性、收敛性的影响，提高接口稳定性。

3.3 多时间尺度混合仿真技术

电磁暂态、机电暂态和中长期动态等不同时间尺度的仿真方法有各自的适用范围，采用传统仿真软件通常要对不同过程分别进行仿真。然而，随着区域电网互联、电力电子设备大量应用，电力系统的动态特性日趋复杂，不同时间尺度的暂态过程交织耦合很难准确区分，单纯采用任一种仿真方法都会因为忽略了其它时间尺度的动态过程而引入误差。在这种情况下，研究多时间尺度的混合仿真技术，结合电磁暂态、机电暂态和中长期动态中的2种或3种方法进行数字仿真可以较好地解决上述问题。

从21世纪初开始，国内外许多学者都开展了机电-电磁混合仿真研究，其原理如图4所示，部分研究成果还得到了工程应用。目前还有一些学者正在研究综合3种仿真方法的全过程仿真技术，成为数字仿真技术发展的热点之一。

图4 电磁暂态和机电暂态混合仿真原理

3.4 在线仿真技术

实际电力系统的在线运行和控制非常复杂，仅靠人力无法及时有效地对电力系统状态进行评估和预警，需要借助智能的仿真分析工具进行研究，以保障电力系统运行的安全性。例如采用电力系统动态安全评估技术，在几分钟内完成成百上千个仿真计算任务，实时扫描电网潜在的运行隐患。

对于在线仿真，准确和快速是两大基本要求。为提高仿真准确性，需要研究模型辨识、参数实测等技术，提高电网基础模型参数的正确性，并结合EMS和WAMS等多数据源的量测数据提高电网状态估计结果的准确性[7]。为提高仿真速度，需要研究先进的数值计算方法和并行计算技术，结合任务间并行和任务内并行，实现对仿真任务的优化调度和并行处理。

4 河北省南部电网仿真技术应用

目前，河北省南部电网在电网规划和运行分析中主要应用了机电暂态仿真和电磁暂态仿真，其中机电暂态仿真侧重于大规模电网分析，如电网暂态稳定计算、安全稳定控制措施研究等，多采用BPA软件；电磁暂态仿真侧重于小规模电网或设备级分析，如过电压计算等，主要采用EMTP或PSCAD软件。此外还建设了全数字仿真实验室[8]，开展机电-电磁混合仿真和控制保护装置闭环试验等工作。

电网模型参数的准确性对仿真结果至关重要，河北省南部电网通过数据平台建设和电网参数实测，已建立较完善的仿真基础数据管理机制，为“大规划”和“大运行”提供了有效的基础数据支撑。在此基础上，河北省南部电网持续开展“十二五”电网规划滚动计算，进行电网发展诊断分析；将电网在线仿真分析技术应用于智能电网调度技术支持系统，实现在线稳定性分析、运行计划校核和调度辅助决策，保障电网安全稳定运行。

5 结束语

我国电力工业发展迅速，目前已建立世界上电压等级最高、电网规模最大的交直流混联电网，运行和控制特性日趋复杂，急迫需要发展更加准确、快速、便捷的电力系统数字仿真技术以保障电网的安全稳定运行。不仅要跟踪国际先进仿真技术的发展趋势，借鉴先进成果，更要紧密结合国内电网发展现状，自主研究国际领先的电力系统仿真建模和分析技术，推动国内乃至国际的数字仿真技术进步。

[1] 中国南方电网公司.交直流电力系统仿真技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 黄家裕，陈礼义，孙德昌，等.电力系统数字仿真[M].北京：中国电力出版社，1995.

[3] 程 华，徐 政.PSASP与PSS/E稳定计算的模型与结果比较[J].电网技术，2004，28(5)：1-4，8.

[4] 柳勇军，梁 旭，闵 勇.电力系统实时数字仿真技术[J].中国电力，2004，37(4)：39-42.

[5] 刘长胜，陈礼义，郑玉森，等.电力系统模数混合试验系统[J].天津大学学报，2004，37(1)：80-83.

[6] Steurer M,Edrington C S,Sloderbeck M, et al.A Megawatt-Scale Power Hardware-in-the-Loop Simulation Setup for Motor Drivers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010, 57(4): 254-260.

[7] 贺仁睦.电力系统动态仿真准确度的探究[J].电网技术，2000，24(12)：1-4.

[8] 叶廷路，王晓蔚，高 骏，等.电力系统全数字仿真装置在河北电网的应用调试[J].电力系统保护与控制，2009，37(13):104-108，128.

本文责任编辑：王丽斌

Current Situation and Prospect of Power System Digital Simulation Technology

In this paper,the classification and application area of power system digital simulation technologies are introduced.The capability and current situation of widely-used simulation softwares are illustrated.In addition,new demand on the simulation technologies is investigated,and the development trend and difficulties are demonstrated. Finally,the application of the digital simulation technologies in Hebei Southern Power Grid is presented.

digital simulation technology；simulation software；simulation modelling

2012-11-07

彭 冲(1984-)，男，助理工程师，主要从事输变电设备运行和检修管理工作。

TM743

A

1001-9898(2013)04-0023-03