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大电网仿真技术叶骏2010-10-21大电网仿真技术•电网仿真技术的现状与发展趋势•在线建模和参数辨识•实时、超实时快速仿真•混合仿真技术2020/5/282仿真的历史•仿真科学•1929，第一台模拟器•1946，第一台模拟计算机——真正开始•1970s，数字仿真机诞生•逐渐成为以相似论、系统科学、计算机科学等多个学科理论为基础的综合性学科•仿真模拟成为理论推导、科学实验之后的第三种科学方法•电力系统仿真•模拟：1930s，开始研究；1950s，广泛应用•计算：1910s，短路电流计算台，1960s，计算程序•1990s，DSP问世，实时仿真出现2020/5/283基本概念•系统：由互相联系互相作用的对象/要素/部件构成的具有特定功能的有机整体•模型：为了某个特定目的，将系统的某一部分信息减缩、提炼构造而成的系统替代物，是系统某种性能的一种抽象形式•实体模型/物理效应模型•数学模型•仿真：通过对模型的试验以达到研究系统的目的，或用模型对系统进行试验研究的过程•系统仿真：在计算机上或/和实体上建立系统的有效模型（数学的，或物理效应的，或数学-物理效应的），并在模型上进行系统试验2020/5/284系统模型计算机+物理效应模型+实物建模二次建模（仿真建模）仿真实验2020/5/285仿真的分类•仿真系统的结构和实现手段：物理仿真，即动态模拟数学仿真，即计算机仿真，或数字仿真半物理仿真，即硬件在环仿真•仿真时钟：实时、超实时、亚实时•数据来源：在线、离线•仿真变量：频域、时域•仿真目的：研究用、培训用•动态过程：电磁暂态、机电暂态、中长期动态2020/5/286电力系统仿真的重要性•电力系统仿真：•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•电力系统的科学研究离不开仿真技术•供电可靠性、设备安全性，昂贵、费时•保证电网安全、稳定、可靠、经济运行的重要手段•规划、设计、生产、分析、控制、测试、校验、培训……•研究实际电网各种现象，进行仿真实验•“电力系统仿真技术水平代表了电力系统的研究水平”电力系统动态过程的频率范围2020/5/287110-110-210-310-410-510-6102101104103110110210310410510610-210-110-410-3频率（Hz）时间（s）电磁暂态机电暂态中长期动态行波电力电子开关过程暂态效应操作过电压短路暂态稳定低频震荡汽轮机控制锅炉动态现象谐波次同步振荡动态模型/动态模拟•根据相似原理建立起来的电力系统物理模型–按比例缩小的电机、线路模型、电源、负荷、开关模型–相应的监测、控制系统•系统相似：在动模与原型之间，保证每个元件物理量标称值相等，且连接处的边界条件和起始条件也相似•特点：用数学描述来形成相似标准并不要求如同数字仿真那样必需建立可供求解的具体数学表达式•用途：电力系统机电暂态以及动态过程的实时仿真研究，以及控制、保护的测试2020/5/288物理模拟与数字仿真2020/5/289要素项目物理模拟数字仿真系统时域范围全部覆盖受模型、算法的影响，对高频过程的快速仿真效果不佳（如HVDC触发控制的仿真步长要求几个μs）系统规模有限大系统修改困难灵活方便安全性一般好经济性差好模型建模理论相似理论假设近似数学模型不需要严重依赖仿真模型物理模型数学模型未知模型可探索未知物理规律无法研究未建立合适数学模型的设备模型特点占地面积大、建设周期长可扩展性、兼容性差只取决于软件，与硬件无关通用性、兼容性强仿真实验计算设备不需要必需反映本质深入物理现象的本质，表现比数学描述更为丰富的真实过程一定程度上反映系统真实响应，受限模型、算法适用范围仿真过程现象直观、概念清晰数学表达，通用性好仿真速度实时受系统规模、模型、算法、计算能力（硬件）等影响仿真精度不高受模型、参数、算法等影响可信度高受模型、参数等影响，需凭经验或故障录波反复修正校验能力能校验模型、参数、算法无法实现对模型、参数和算法的校验测试能力能测试和检验新装置、新理论对新设备与系统之间相互影响的研究和测试能力不足电磁暂态与机电暂态•电力系统各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化•研究电力系统故障或操作后可能的暂态过电压和过电流•三相瞬时值•详细模型，分布参数，非线性•微分、偏微分、代数方程组•隐式梯形积分（Dommel）•规模小，大系统需要等值•EMTP/ATP、EMTPE、PSCAD/EMTDC、NETOMAC（NetworkTorsionMachineControl）、MATLAB•电力系统中发电机和电动机电磁转矩变化引起的转子机械运动和变化•研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动的静态稳定性能•基波相量•工频正弦模型•微分代数方程组•隐式梯形积分、改进Eular、R-K法•交替/联立求解•规模大•BPA、PSASP、PSS/E、NETOMAC、MATLAB、EUROSTAG2020/5/2810中长期动态•电力系统受到扰动后较长过程动态仿真。要计入在一般暂态稳定过程仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性–发电厂热力系统和水力系统以及核反应系统的动态响应–继电保护系统、自动控制系统的动态行为•时间范围：从几十秒到几十分钟，甚至数小时•刚性系统：隐式积分算法–为避免计算时间过长，还必须采用自动变步长计算技术•EUROSTA（法国EDF、比利时TRACTEBEL）EXSTAB（美国GE公司、日本东京电力公司）2020/5/2811仿真软件2020/5/2812软件开发者研究现象优点缺点应用情况EMTP/ATPDommel电磁暂态应用广泛，尤其过电压分析界面不够友好，直流模型不完备广泛EMTPE中国电科院电磁暂态包含电力电子仿真界面不够友好，应用还不普及较少PSCAD/EMTDCManitoba直流研究中心电磁暂态模型完备、图形化界面大规模电网仿真计算速度较慢广泛NETOMAC西门子电磁、机电暂态功能全面潮流收敛性差，掌握较困难有一定应用BPABPA，中国电科院机电暂态应用广泛，图形界面，输出作图没有自定义功能直流模型不完善很广泛PSASP中国电科院机电暂态国内自主开发，有自定义功能直流模型不完善，自定义有局限很广泛PSS/E美国PowerTechnologies机电暂态国际上影响较大，潮流、规划优势与BPA数据格式转换不方便，自定义不方便国外广泛，国内有一定应用EUROSTAG法国EDF机电暂态、中长期动态研究中长期动态，自动连续调步长国内应用还不普及有一定应用MATLAB美国Mathworks电磁、机电暂态图形界面，控制设计功能强大速度慢有一定应用电力系统仿真技术的发展趋势•“数字化、虚拟化、网络化、智能化、服务化、普适化”•影响因素–外在因素•计算机技术：硬件处理速度、软件代码效率，并行计算计算•建模技术：新设备，更准确的模型和参数•数值算法：速度更快、鲁棒性更高、适应性更强–内在因素•基本需求：更快、更准确，可信度更高•实用需求：更综合、功能更强•发展方向–电磁-机电混合仿真–全过程动态仿真–大规模实时仿真、在线应用–数字-物理混合仿真2020/5/2813仿真综合准确快速大电网仿真技术•电网仿真技术的现状与发展趋势•在线建模和参数辨识•实时、超实时快速仿真•混合仿真技术2020/5/2814在线建模和参数辨识2020/5/2815•仿真结果多大程度上反映了实际系统的真实？–模型：正确性、完整性、复杂程度、数据的准确性–仿真算法：收敛性和数值稳定性、精度、速度/实时性、并行、刚性•仿真的可信度依赖于模型和参数的准确性•系统仿真中的VV&A理论（美国国防部）–校核（Verification）：对建模过程的检验–验证（Validation）：对仿真结果的检验–确认（Accreditation）：权威机构对特定应用的接受判断•模型验证：检验模型是否正确描述了原型系统；模型输入/输出是够充分接近原型系统的输入/输出行为–系统辨识/参数估计是模型验证的一种方法电力系统仿真验证与系统辨识•系统辨识(SystemIdentification)，即“动态建模”，利用被控制系统的输入、输出数据，经计算机数据处理后，估计出系统的数学模型–1967，正式独立的学科分支，系统辨识是建立数学模型的依据•现代控制理论的一个分支：控制理论、状态估计、系统辨识三者相辅相成，缺一不可•1984，清华大学电机系在国内率先研究电力系统动态建模和参数辨识–1970s，美国和日本学者开始电力元件模型适用性和参数准确性的研究，在诸多电力系统应用领域（特别是稳定计算分析）方面取得了显著成绩–1990，我国电力部门对四大参数的测试和建模,列为急待解决的研究课题•1999，电力系统第一篇真正意义上的关于仿真验证的文章–“Modelvalidationfortheaugust10,1996WSCCsystemoutage”，负荷模型和发电机组稳定器(PSS)参数整定相互影响引起–IEEE的验证和评价只能用来验证算法和软件的正确性，缺乏验证和评价仿真结果的数据和手段2020/5/2816参数辨识在电力系统的应用•目前还处于起始阶段，但可以预期有广泛的应用前景–电力系统大部分属于灰箱建模•发电机、励磁系统、原动机及调速系统等•对系统部分了解，如已知模型结构、阶数、待测模型参数–负荷模型，研究难题之一•随机性、时变性、分散性、多样性甚至不连续性•研究负荷动态建模的方法：负荷机理、方法研究,现场测试校验等•研究各类负荷模型对电力系统分析计算的影响,获取负荷建模的规律•系统辨识对电力系统的作用–在数据处理、计算分析、在线调试、闭环控制、故障诊断、仿真验证、工况预报及动态等值等方面提供新的手段–促进电力系统监控技术和动态建模技术的新变革，并对提高电力系统运行的可靠性和提高经济效益起重大作用2020/5/2817参数辨识的方法方法特点数学模型经典法卷积辨识法确定型、时域非参数型时域脉冲响应频域FFT法随机性、时域非参数型时域脉冲响应相关辨识法随机性、频域非参数型频域、幅频特性、相频特性现代法最小二乘估计法随机性、时域、参数型状态空间方程、差分方程等极大似然法卡尔曼滤波法2020/5/2818•离线辨识，多半用于非参数辨识，间接求取数学模型•第一步，在现场用磁带记录仪录取数据•第二步，离线用计算机处理数据以获取数学模型•在线辨识：用微机在线处理数据，直接求得参数型模型•可进一步用于适应性控制，构成在线辨识数学模型模型应用对象对辨识方法、模型的要求2020/5/2819辨识目的模型类型辨识方法模型用于系统分析、理论验证线性、连续、非参数或参数模型离线辨识经典辨识法(时域或频域响应)校正或优化控制参数线性连续、非参数或参数模型离线或在线辨识经典辨识法(时域或频域响应)数字计算机辅助设计或控制线性离散参数模型在线辨识现代辨识法自适应数字控制线性离散参数模型在线闭环辨识现代辨识法监视过程参数和故障诊断线性或非线性参数模型在线辨识现代辨识法预报线性或非线性参数模型离线或在线辨识现代辨识法系统辨识的发展趋势•在线辨识和建模–测量技术的发展•特别是广域测量系统(WAMS)的应用，提供了具有统一时标的同步相量，使得大区电网中分布于各处的点可以在同一时间尺度下进行比较•利用WAMS数据的混合动态仿真进行模型和参数验证–智能电网的促进和拉动2020/5/2820大电网仿真技术•电网仿真技术的现状与发展趋势•在线建模和参数辨识•实时、超实时快速仿真•混合仿真技术2020/5/2821实时、超实时？•亚实时仿真广泛应用在电力系统的规划、设计、生产、分析、控制、研究等方面•实时、超实时快速仿真的作用与需求–实时：可以与实际设备连接（纯数字实时仿真意义不大）•试验不易建立数学模型或难以进行仿真计算的设备•测试新设备、新理论•校验模型和参数–超实时：可以在线运行应用（只能依靠纯数字实时仿真）•在线分析、评估、预警、预决策•目前在电力系统中的应用：测试–控制系统与继电保护的测试–HVDC、FACTS设备的控制与保护装置的测试–电力