电力系统中实时仿真技术的应用

 一、  实时仿真系统是什么？

 

实时仿真系统是复杂控制器软件开发的支柱技术之一，它的核心是一台高性能的仿真主机（也称实时目标机）。通过搭载不同的IO板卡，仿真主机可以支持几乎所有类型的IO接口和通讯协议。

 

当仿真主机开始运行时，预先下载到其中的仿真模型就可以通过对应的驱动模块，直接调用各种IO接口，以此实现“模型——真实设备”的物理连接和同步运行。

 

 

 

如果把控制器模型下载到仿真主机里，这些控制器算法，就可以通过仿真主机上的IO接口，直接控制真实的设备，这就是我们常说的快速控制原型（RCP）。

 

 

 

如果把被控对象的模型下载到仿真主机里，那么你就可以用真实的控制器，通过这些IO接口直接控制仿真主机中运行的模型，例如用真实的潮流控制器，去控制仿真主机中的电网模型，这就是我们常说的硬件在环仿真（HIL）。

 

 

 

二、现代电力技术的发展与微电网

 

实时仿真技术在电力行业中的广泛应用和现代电力技术的发展密不可分。

 

在传统或者说原始的供电系统中，电能由少数大型发电厂生产，经由大型电力线路和管道输送到每家每户，最后，作为终端节点的消费者，被动地消耗掉这些电力。

 

传统供电系统采用就是这种“简单粗暴”方式，没有太多控制可言。很显然，在这一历史阶段，是不需要实时仿真系统的，不过这一局面，并未持续太久。

 

 

 

近年来，科技发展日新月异，电力技术自然也不可能被落下。尤其是数字化工具的使用，让小规模输电和区域供电补偿技术成为了可能，电力系统变得越来越多元化和智能化。

 

 

 

更多地区开始采用分布式供电方案，建立起来越来越多的新能源发电站，以减少电网的供电成本。电网的很多终端不再是单向输电，而是双向互通，每个终端节点既是电力的消费者也是生产者。这就是微电网技术的起源！

 

 

 

 

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。

 

简言之，微电网其实就是内部可以正常的配送电的电网系统，只不过在电不够用时，可以向电网取电，产电过多时，也可以把多余的电回馈电网。

 

 

 

与此同时，电力系统的技术革新不仅仅限于上述内容，除了供给端和需求端的变化，还有电力输送技术的发展和应用。比如柔性交流传输和高压直流输电等技术，早已开始了大规模应用。

 

电力系统变得越来越先进的同时，也越来越复杂，为了保证它的稳定运行，就需要采用更多且更“聪明”的控制器。

 

而这些控制器的开发和测试，是不可能全部在真实电网环境下进行的，尤其是一些危险的故障注入和极端环境测试，难以实现不说，稍有不慎，就可能造成巨大的安全事故和损失。

 

 

在面对这些危险但又不得不做的测试时，实时仿真系统就成了工程师们的首选！

 

微电网HIL示例

 

 

三、 实时仿真在电力系统中的应用

 

1、电网控制系统

 

 

 

电网控制系统功能繁多，这里仅列举其中的一项功能进行讲解。

 

分布式供电系统中，各个供电节点情况复杂多变，而电网和各节点的承受范围是有限的。为了保护系统的安全和稳定，有时需要将一部分节点断开，或是重新接入系统，而判断节点断开和接入电网的规则被称为Grid Codes！

 

 

 

 

一般来说，Grid Codes里最重要的部分就是电压穿越标准（Voltage Grid Codes），通过节点过压、欠压的程度和持续时间进行判断，其次是频率穿越标准（Frequency Grid Codes），通过节点频率变化的程度和持续时间进行判断。

 

 

 

 

 

 

按照传统的方法，要对Grid Codes进行测试的话，需要将控制器直接接入电网，或重新搭建一个小型的测试电网。

 

 

前者难度极大，而且伴有巨大的安全隐患，稍有不慎就有可能造成巨大的损失，后者更为安全，但测试难度大，而且搭建测试环境的成本非常高。

 

 

 

 

 

 

此时就可以使用实时仿真系统搭建功率HIL，模拟电网进行测试。不仅能节约大量成本，而且更加安全便利。

 

 

 

 

 

 

2、输电技术的控制验证

 

 

柔性交流传输（FACTS）技术可以增强电网的可控性，提高电网的输电能力。在实时仿真系统上，可以进行潮流控制、无功控制、电压控制、电能质量改善、谐波缓解等诸多电网控制算法的测试和验证。

 

 

具体做法是在仿真设备上实时运行静态同步补偿器(STATCOM)、静态无功补偿器(SVC)、统一功率流控制器(UPFC)等设备模型，构建完整的柔性输电网络，再将控制器接入构建的完成的仿真环境中进行验证。

 

 

 

 

 

高压直流输电技术（HVDC）可以有效减少由于输电时导线电阻引起的能量损耗。可以将高压直流输电的相量模型在仿真设备上实时运行，从而验证相关控制算法。

 

 

 

 

3、电网保护继电器

 

 

电网保护继电器的意义在于当电网发生故障时，它可以保证相关设备和电网本身，不会有任何严重损坏的风险。

 

所以在测试时要求非常复杂，需要再现不同类型的故障，甚至是一些很危险的故障，这就决定了几乎不可能在电网真实环境下完成所有的测试工作。

 

 

 

 

 

而使用仿真设备设备构建的HIL测试平台来进行测试，就能完美解决这些问题。在实际使用中，我们可以预先对电网及输电线路等设施进行仿真建模，然后在实验室的测试台上直接进行测试。

 

 

 

 

 

 

这样不仅能在保证安全的情况下，完成几乎所有工况的验证，而且可以实现自动化测试，极大程度上提高测试的效率。下表为使用Speedgoat实时仿真系统可以测试的部分工况，如过压、过流、反向过压、欠压、反向欠压、超频和低频等等。

 

 

 

 

 

 

四、Speedgoat实时仿真方案

 

 

Speedgoat公司由MathWorks前员工于2006年成立，总部位于瑞士首都伯尔尼，致力于提供专门针对MATLAB/Simulink环境的实时系统。

 

 

Speedgoat实时目标机是MATLAB/Siumlink的官方仿真平台，无缝兼容Simulink，显著的优势之一是All in Simulink，从建模、离线仿真、到实时仿真、调参监控，均可在Simulink环境完成。（详见：https://ww2.mathworks.cn/products/simulink-real-time.html ）

 

 

 

 

上海熠速信息技术有限公司（简称“熠速”），2017年3月成立于中国上海，是一家持续和快速成长的高新技术企业（2022年底获得国家“高新技术企业”证书）。

 

作为Speedgoat在中国的独家代理，熠速围绕嵌入式系统开发和测试，为用户提供硬件在环仿真系统(HIL)、快速控制原型（RCP）、电机控制算法开发、嵌入式数据库等覆盖各类控制器的解决方案。

 

电力电子/光伏/风电/储能行业

控制器	快速控制原型（RCP） 解决方案	硬件在环仿真（HIL） 解决方案
电力电子变压器/固态变压器（PET/SST）	√	√
模块化多电平变流器（MMC）	√	√
高压级联SVG，高压级联变频器	√	√
电能质量：无功补偿，有源滤波	√	√
电源：PFC，正激，反激，半桥，全桥，LLC	√	√
变频器：不控整流，四象限整流，逆变器	√	√
光伏逆变器：集中式，组串式，微型逆变器，多机并联	√	√
风电变流器：双馈、永磁直驱	√	√
储能变流器（PCS）：单相HERIC，三相三电平，BOOST	√	√
电池管理系统（BMS） 能量管理系统（EMS）	√	√

 

 

目前熠速在北京、成都、广州、深圳都设有分公司，服务当地片区客户。熠速坚持“以客户为中心、为客户创造价值”的宗旨，第一时间为您提供优质且专业的服务！