系統(tǒng)數(shù)字仿真及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用剖析

摘 要：電力系統(tǒng)直接關(guān)系著社會(huì)生產(chǎn)生活水平，為滿足實(shí)際要求，逐漸有更多新型技術(shù)被應(yīng)用其中，以求可以不斷提高系統(tǒng)建設(shè)水平，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要是將數(shù)學(xué)模型作為核心，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)研究仿真與培訓(xùn)仿真，一方面來(lái)完善系統(tǒng)建設(shè)，另一方面來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理效果。文章對(duì)系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并提出了其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)字仿真技術(shù)；電力系統(tǒng)；調(diào)試

系統(tǒng)數(shù)字仿真為一門(mén)新型技術(shù)，主要應(yīng)用了計(jì)算機(jī)學(xué)科、控制理學(xué)科以及計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)科等，現(xiàn)在已經(jīng)成為電力系統(tǒng)試驗(yàn)研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)以及調(diào)度運(yùn)行的重要工具，對(duì)完善電力系統(tǒng)建設(shè)，以及提高其運(yùn)行效果具有重要意義。為提高其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用效果，需要分析并掌握其所具有的特點(diǎn)，結(jié)合電力系統(tǒng)建設(shè)要求，從多個(gè)角度出發(fā)，選擇合適的措施進(jìn)行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)數(shù)字仿真分析

（1）系統(tǒng)數(shù)字仿真主要以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。為保證系統(tǒng)運(yùn)行具有足夠的質(zhì)量與功能，需要在設(shè)計(jì)、分析與研究階段，對(duì)系統(tǒng)所具有的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。但是在實(shí)際情況下，往往會(huì)受到經(jīng)濟(jì)性與安全性等因素限制，造成試驗(yàn)與研究工作無(wú)法正常進(jìn)行。針對(duì)此就需要結(jié)合系統(tǒng)原型所具有的特征，建立系統(tǒng)模型，并利用其來(lái)完成各項(xiàng)試驗(yàn)。尤其是現(xiàn)在系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜程度均在不斷提高，僅僅依靠傳統(tǒng)的物理模型動(dòng)態(tài)模擬已經(jīng)不能完全滿足全部需求，這樣便可以利用計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算技術(shù)，建立數(shù)字模型，以全新的模型為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程即系統(tǒng)數(shù)字仿真[1]。

（2）步驟：第一，建立數(shù)字模型。利用物理原型與數(shù)字模型間數(shù)學(xué)相似原則，建立描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。第二，數(shù)字仿真模型。利用計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算技術(shù)，建立數(shù)字仿真模型，主要用于處理數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)間關(guān)系。即利用數(shù)學(xué)模型算法，對(duì)計(jì)算程序和數(shù)字仿真過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)與編制，并保證其具有模塊化、文件化、結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，便于進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行時(shí)的完成閱讀、修改與調(diào)試等操作[2]。第三，仿真試驗(yàn)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)際系統(tǒng)，來(lái)按成多種試驗(yàn)、操作與研究項(xiàng)目，且完成對(duì)結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)數(shù)字仿真主要應(yīng)用方向

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)未建的系統(tǒng)，提前對(duì)其建設(shè)要求進(jìn)行分析，以滿足系統(tǒng)功能為基準(zhǔn)，利用系統(tǒng)數(shù)字仿真模擬的系統(tǒng)，對(duì)待建設(shè)系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)，然后根據(jù)結(jié)果來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為完善[3]。將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以將復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，提高設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，并可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的投資。

2.2 試驗(yàn)應(yīng)用

將其應(yīng)用到系統(tǒng)試驗(yàn)方面，即利用數(shù)字計(jì)算機(jī)以及仿真系統(tǒng)，對(duì)新設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)進(jìn)行整定參數(shù)、性能等方面的試驗(yàn)，將其作為系統(tǒng)優(yōu)化的依據(jù)。如電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置計(jì)算機(jī)輔助仿真系統(tǒng)，在試驗(yàn)時(shí)利用計(jì)算機(jī)將仿真系統(tǒng)與功率放大器以及保護(hù)裝置實(shí)物連接起來(lái)，然后仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需電壓、電流、相角等參數(shù)，來(lái)獲得保護(hù)裝置綜合條件下運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置性能的分析，并按照實(shí)際要求對(duì)裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確?？梢酝耆珴M足日常運(yùn)行需求。

2.3 動(dòng)態(tài)特性

主要是應(yīng)用到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析方面，對(duì)已經(jīng)建設(shè)完成的系統(tǒng)進(jìn)行精確的數(shù)字仿真，來(lái)獲得系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，將其作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的依據(jù)。將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，主要可以在現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展與后果等，便于提前制定優(yōu)化方案，控制故障影響范圍，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。

2.4 人員培訓(xùn)

利用系統(tǒng)仿真技術(shù)，與人員培訓(xùn)功能進(jìn)行結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作人員的技術(shù)培訓(xùn)，確保其可以熟練掌握設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，了解系統(tǒng)運(yùn)行要求，能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并采取措施解決問(wèn)題，促進(jìn)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。利用系統(tǒng)數(shù)字仿真來(lái)進(jìn)行人員培訓(xùn)，可以幫助人員實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有效融合，利用仿真機(jī)進(jìn)行各種操作，和真實(shí)崗位操作一樣，從根本上來(lái)提高實(shí)際運(yùn)行操作水平。

3 系統(tǒng)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)中應(yīng)用分析

3.1 研究仿真應(yīng)用

3.1.1 大規(guī)模電網(wǎng)運(yùn)行仿真。主要是針對(duì)大規(guī)模交直流互聯(lián)網(wǎng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定進(jìn)行仿真研究，結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)具有的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)，故障類型多等特點(diǎn)，需要在利用工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還需要采取措施對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，以免造成風(fēng)險(xiǎn)遺漏。例如現(xiàn)在河南電力試驗(yàn)研究院利用ADPSS平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)，建立大電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動(dòng)診斷系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及互聯(lián)電網(wǎng)連鎖故障特性分析和預(yù)防等，同時(shí)還能夠深入分析大電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理，結(jié)合綜合分析結(jié)果，來(lái)采取一系列措施進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化管理，可以有效提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

3.1.2 電網(wǎng)事故分析與重現(xiàn)。電力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的電氣設(shè)備不斷增多，且相互之間存在密切的聯(lián)系，如果其中任何一個(gè)出現(xiàn)故障，很容易會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，而降低系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。針對(duì)此就可以利用系統(tǒng)數(shù)字仿真對(duì)電網(wǎng)事故進(jìn)行分析與重現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行方式、負(fù)荷情況進(jìn)行分析，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，深入研究故障機(jī)理與發(fā)生原因，實(shí)現(xiàn)故障在現(xiàn)與分析，便于處理以及預(yù)防故障的再次發(fā)生。例如江蘇電力科學(xué)研究院利用ADPSS機(jī)電——電磁暫態(tài)混合仿真功能，對(duì)電網(wǎng)低頻振蕩以及線路倒塔事故等進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，邊對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際故障錄波數(shù)據(jù)、波形進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)故障在現(xiàn)[4]。

3.1.3 智能變電站仿真試驗(yàn)。變電站作為電力系統(tǒng)重要組成部分，一直都是電力系統(tǒng)分析管理重點(diǎn)。為滿足實(shí)際建設(shè)需求，智能變電站數(shù)量在不斷增多，而其在調(diào)試與運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要選擇有效的檢測(cè)方式對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與診斷分析。將系統(tǒng)數(shù)字仿真應(yīng)用其中，建立一次系統(tǒng)模型，利用IEC61850協(xié)議輸出或者專用轉(zhuǎn)接裝置，對(duì)智能化繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置進(jìn)行前期系統(tǒng)仿真、測(cè)試研究，輸入各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，來(lái)獲得變電站運(yùn)行的各種狀態(tài)。并且可以根據(jù)需要來(lái)主動(dòng)設(shè)置故障點(diǎn)位置、持續(xù)時(shí)間以及類型等參數(shù)，完成變電站全站運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試，為后續(xù)管理工作提供依據(jù)。

3.2 培訓(xùn)仿真應(yīng)用

應(yīng)用于變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，將變電站原型系統(tǒng)作為對(duì)象，建立一個(gè)完整的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模型，而在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，人員培訓(xùn)則相當(dāng)于一種試驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)模型的建立，仿真技術(shù)僅為一種實(shí)現(xiàn)的手段，人員培訓(xùn)才是最終目的。利用系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、多媒體、圖形圖像、軟件工程、專家系統(tǒng)等多項(xiàng)學(xué)科，建立完整的數(shù)學(xué)模型，對(duì)變電站真實(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確模擬，為各項(xiàng)培訓(xùn)活動(dòng)的實(shí)施提供專業(yè)平臺(tái)與環(huán)境。通過(guò)系統(tǒng)模型，接受培訓(xùn)的人員所接收的信息，以及各項(xiàng)運(yùn)行操作行為，均和實(shí)際崗位操作一樣，確保培訓(xùn)后人員可以直接上崗工作，提高實(shí)際操作效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)數(shù)字仿真是一種新型的學(xué)科，將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性具有重要意義。需要掌握技術(shù)特點(diǎn)，從多個(gè)角度進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際需求，來(lái)確定技術(shù)應(yīng)用方向，有目標(biāo)的做好每個(gè)細(xì)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的結(jié)合，從根本上來(lái)提高其實(shí)際應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]田芳，李亞樓，周孝信，等.電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，22：17-22.

[2]謝紅燦，王艷.系統(tǒng)數(shù)字仿真及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，2：1-3.

[3]莫染.電力系統(tǒng)數(shù)字物理綜合仿真接口方法[D].華中科技大學(xué)，2013.

[4]葉廷路，王曉蔚，高駿，等.電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置在河北電網(wǎng)的應(yīng)用調(diào)試[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，13：104-108+128.