電力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真應用的現(xiàn)狀及展望

崔曉丹，吳家龍，許劍冰，雷鳴，侯玉強，薛峰

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.南瑞集團有限公司智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展擴大，人們主要通過仿真實驗來獲得對系統(tǒng)特性機理真實、完整而深刻的認知[1]。尤其近十幾年以來，隨著交直流輸電多區(qū)域互聯(lián)、各類電力電子設備的廣泛接入[2]，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出多裝備動態(tài)交互耦合、機-電效應解耦、非慣性響應、隨機概率等諸多復雜特性[3—5]，給電力系統(tǒng)仿真技術提出了更高的要求。

電力系統(tǒng)仿真可以從仿真模型的性質、仿真步長、動態(tài)過程響應實時性等不同視角進行劃分，例如，數(shù)字仿真和物理仿真、機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真、實時仿真和非實時仿真等[6]。每種仿真方法都有其發(fā)展背景和適用的具體問題。從仿真建模的方式來看，由于電力系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，海量多類控制異構、參數(shù)非標準主輔裝備的大規(guī)模快速接入給電力系統(tǒng)數(shù)字建模帶來極大困難，電網(wǎng)仿真建模技術階段性、周期性地滯后于電網(wǎng)生產(chǎn)運行及研究需求已成客觀事實。

硬件在環(huán)仿真(hardware-in-the-loop simulation,HILS)是一種采用“實際物理模型+虛擬數(shù)字模型”構建硬件在回路仿真系統(tǒng)的半實物仿真，又稱為數(shù)字物理混合仿真或數(shù)模混合仿真[7—8]。利用實時數(shù)字仿真軟件接入裝置實物的HILS，結合了實時數(shù)字仿真和動態(tài)物理模擬仿真的優(yōu)點，既能對大規(guī)模復雜電網(wǎng)進行實時數(shù)字仿真，也能對復雜物理設備進行精確模擬，可大大提高仿真的效率與性能，為探索研究當下電網(wǎng)特征的新問題、新機理提供有效手段。目前，電力系統(tǒng)HILS在不同層面展開了不同粒度的研究，但其關鍵技術瓶頸和未來發(fā)展趨勢都尚不夠清晰，值得深入探討。

文中在簡要介紹HILS基礎上，闡述了HILS在大型電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，歸納當前應用面臨的挑戰(zhàn)，分析提出了電力系統(tǒng)HILS在靈活性的平臺架構設計、有限資源下的新能源場站級等值建模、二次系統(tǒng)等效和通用接口等關鍵技術問題，最后探討了HILS在電力系統(tǒng)領域深化研究和跨學科融合發(fā)展的趨勢，可為進一步明晰發(fā)展方向、拓展應用提供參考。

1 電力系統(tǒng)HILS架構及優(yōu)勢

HILS系統(tǒng)的組成基本架構見圖1，主要用來測試所接入的硬件[9](實際控制器、裝置或系統(tǒng))。

圖1 HILS系統(tǒng)組成架構Fig.1 Composition architecture of HILS system

圖1中的硬件平臺，從平臺構成看，可以是實物裝置或系統(tǒng)，也可以是實物對象的模擬器或其模擬運行環(huán)境的總成；具體到電力系統(tǒng)方向，可以是某設備的一次或/和二次部分。若僅為某設備的一次或二次部分，則其二次或一次部分通過實時處理器仿真模擬或被簡化處理甚至忽略。由于HILS系統(tǒng)可以詳細、靈活地模擬所接入硬件(裝置或系統(tǒng))的運行環(huán)境(包括運行方式、故障擾動等)，因而可以支持對所接入硬件的功能和性能進行全面測試驗證，甚至可以通過進行大量的壓力測試或構建隨機測試場景，發(fā)現(xiàn)所接入硬件的隱性缺陷和多設備協(xié)調上的隱性不足，提高整個對象系統(tǒng)實時仿真結果的置信度。

在電力系統(tǒng)領域，通常采用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system,RTDS)[10]、實時仿真實驗室、全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)、數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)等實時處理器模擬電力一次系統(tǒng)及控制結構相對固化或簡單的電力二次系統(tǒng)，利用物理實物來模擬被測對象或邏輯結構復雜、參數(shù)難以準確表征的局部系統(tǒng)(電力一次/二次部分)。電力系統(tǒng)HILS平臺各組成部分間存在實時交互的信息關系：實時處理器將一次電網(wǎng)運行狀態(tài)(模擬量信號或/和控制信號)實時輸出至實際物理模型系統(tǒng)(電網(wǎng)一次設備及其控制系統(tǒng)，或電網(wǎng)二次保護控制系統(tǒng))；實際物理模型系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)模擬參量或控制信號經(jīng)過其控制邏輯響應，將電氣量響應參量或控制信號經(jīng)公共節(jié)點反饋至電網(wǎng)一次系統(tǒng)。

一種典型的電力系統(tǒng)HILS平臺的框架如圖2所示。電網(wǎng)三道防線的安全自動裝置或系統(tǒng)是需要被嚴格測試的對象，風光儲直變流器控制器等實物的接入用來模擬實際集中或分布式風光儲場站的動態(tài)行為，從而使整個電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加接近實際。這里的集中監(jiān)視與分析系統(tǒng)屬于整個HILS平臺的輔助部分，用于匯集實時處理器和硬件平臺的電氣量信息以及硬件平臺中相關狀態(tài)和控制信息，從而可基于大量關聯(lián)信息對被測對象進行綜合分析以及對電力系統(tǒng)復雜問題進行研究。另外，基于幾種典型實時處理器技術路線的電力系統(tǒng)HILS架構可見文獻[12]。

圖2 電力系統(tǒng)HILS平臺典型框架Fig.2 Typical framework of HILS platform in power system

與電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真和全數(shù)字實時仿真相比，電力系統(tǒng)HILS的組成與原理決定了其兼具實時數(shù)字仿真快速、靈活方便與裝置實物動態(tài)過程明確等優(yōu)勢，如表1所示。

表1 不同仿真類型的優(yōu)缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different simulation types

2 電力系統(tǒng)HILS應用現(xiàn)狀

目前，國內外在硬件在環(huán)形成數(shù)字、物理混合仿真方面已有一定的工作累積經(jīng)驗，并逐步建立了成熟的平臺及架構，主要聚焦于提升電網(wǎng)一次系統(tǒng)仿真準確性以及對電網(wǎng)二次控制裝置或系統(tǒng)精細化驗證2個方面。

2.1 電網(wǎng)一次系統(tǒng)的精準仿真

源網(wǎng)荷側大量的電力電子設備因內含非常復雜的控制邏輯和大量的動態(tài)參數(shù)，在電網(wǎng)擾動下呈現(xiàn)出復雜的動態(tài)特性[4]。首先需要通過數(shù)字建模仿真對其進行邏輯解析，然后根據(jù)所分析問題的差異性構建不同的解析模型，不僅難度高、工作量大，且建模的準確性難以適應不同的應用場合(例如，基于基頻分析的暫態(tài)穩(wěn)定建模難以適用于寬頻帶振蕩[13]分析)。

因此，一種簡便有效的方式便是將實物模型直接與數(shù)字仿真相結合，構建HILS平臺。然而，所有的復雜設備均接入實物，不僅經(jīng)濟代價高昂，且需要投入大量的調試時間，實物接入下仿真系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性也面臨極大挑戰(zhàn)，因此一般將研究對象實物或對所研究問題影響較大的設備進行實物接入。例如，中國電科院將全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)與高壓物理直流仿真裝置通過功率放大器相連，建立大電網(wǎng)數(shù)模混合仿真系統(tǒng)平臺[14—15]，為獲得全系統(tǒng)的準確特性提供了更準確的直流模型基礎。

2.2 電網(wǎng)二次控制系統(tǒng)的測試驗證

柔性交流輸電系統(tǒng)設備、各類新能源控制器[16—17]等單一裝置的傳統(tǒng)現(xiàn)場性能試驗存在效率低、工況難模擬等不足，其HILS實驗是可靠性測試的有效替代途徑，且兼?zhèn)浞抡娼Y果可重復、參數(shù)易調整、工況易模擬、測試效率高等優(yōu)點，能夠針對標準及規(guī)范中要求的工況開展系列試驗，可精確到微秒級小步長。南方電網(wǎng)利用RTDS、靜止無功補償器(static var compensator,SVC)控制保護屏柜、云廣直流實際控保裝置等構成閉環(huán)實驗系統(tǒng)，分別在云廣直流聯(lián)網(wǎng)、孤島2種方式下開展試驗，發(fā)現(xiàn)并解決了2套SVC控制不協(xié)調工作、交流系統(tǒng)瞬時性故障時SVC退出運行等多項功能缺陷問題[18]。在新能源控制器測試方面，可以利用由光伏陣列或風機、儲能電池和實時數(shù)字仿真器構建仿真實驗平臺，開展亞微秒步長級實時仿真，模擬實際工況下控制器的能力，為新能源控制策略驗證及優(yōu)化提供了方法[19]。在新能源低電壓穿越實驗方面，通常基于RTDS構建包括電壓跌落發(fā)生器、風機和光伏并網(wǎng)逆變器等設備的HILS平臺，利用仿真平臺對設計出的新能源并網(wǎng)逆變器低電壓穿越控制策略進行驗證。大量實驗結果表明，數(shù)字物理混和仿真分析更接近于實際情況，既能在物理平臺上對控制策略的性能進行檢驗和調試，又能實時修正相關控制參數(shù)及控制策略，可為實際工程設計提供重要實踐依據(jù)[20]。

多裝置聯(lián)合的大型控制系統(tǒng)組成結構和控制邏輯一般較復雜，確保其控制邏輯的正確性和動作響應的及時性極為重要[21]。為了驗證控制系統(tǒng)的各項控制功能與性能指標，文獻[22]基于RTDS對特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)進行策略表驗證和系統(tǒng)響應實驗。隨著高速通信及其組網(wǎng)技術的深入應用，控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試可不再局限于實驗室環(huán)境。利用電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡可將RTDS系統(tǒng)和現(xiàn)場實際安裝的安全穩(wěn)定控制裝置連接，構建形成一個遠程的、廣域的、閉環(huán)的數(shù)字仿真測試系統(tǒng)，如圖3所示[23]，不僅可提高仿真測試的效率，還具備良好的重用性和擴展性。

圖3 基于RTDS的廣域測試實驗系統(tǒng)配置Fig.3 The configuration of wide area test experiment system based on RTDS

為了支撐系統(tǒng)保護[5]或大型穩(wěn)控系統(tǒng)的實驗驗證，國家電網(wǎng)某下屬實驗室于2017年構建了基于RTDS的電力系統(tǒng)HILS實驗平臺，并基于此平臺先后開展了多個系統(tǒng)保護工程[24]的硬件在環(huán)實驗，驗證了控制系統(tǒng)識別電網(wǎng)發(fā)生不同擾動形式的可靠性以及在擾動沖擊后各級控制裝置動作的準確性。同時，將典型廠家風光儲實物接入平臺，以模擬新能源場站特性，擬為開展高比例新能源電力系統(tǒng)的特性機理分析及穩(wěn)定控制新技術和新裝備的實驗驗證提供基礎研究平臺。

3 電力系統(tǒng)HILS應用的技術發(fā)展方向

隨著特高壓直流、靈活交流輸電、儲能等技術在電力系統(tǒng)中的應用愈發(fā)廣泛，相應設備內部的復雜拓撲結構、海量電力電子開斷器件和高速開斷頻率等對仿真規(guī)模、仿真精度、仿真時效性的要求越來越高，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)HILS技術面臨諸多挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，需要在HILS系統(tǒng)架構設計、一次電網(wǎng)等值建模、二次控制系統(tǒng)等效及通信接口等方面尋求突破，為構建能夠靈活遠程接入、實時精準仿真的電力系統(tǒng)HILS系統(tǒng)提供技術支撐。

(1) 可接入多異構數(shù)據(jù)模型的靈活架構技術。系統(tǒng)結構決定系統(tǒng)功能。現(xiàn)有電力系統(tǒng)HILS系統(tǒng)主要是在計及通信網(wǎng)傳輸特性基礎上，構建機電、電磁等多尺度仿真平臺，能夠支持各類風光儲直等設備集中接入[25—26]，但尚未實現(xiàn)設備廣泛接入、對仿真實驗過程中的多類數(shù)據(jù)進行實時集中監(jiān)控、關聯(lián)分析和智能診斷等功能。美國可再生能源國家實驗室研究設計了基于通用可控電網(wǎng)接口的HILS系統(tǒng)架構，將各類風光儲設備及控制系統(tǒng)通過通用可控電網(wǎng)接口與實時數(shù)字仿真器集群相連，如圖4所示。該架構還可以將遠程分布在不同地理位置的新能源裝置及設備靈活接入。同時，結合智能交互、大數(shù)據(jù)等技術，依托國家(美國)風能技術中心建立實時監(jiān)測、智能評估與控制中心，對一次電網(wǎng)、接入硬件裝置與設備以及可控網(wǎng)格接口進行監(jiān)控[27]，為在電力系統(tǒng)HILS系統(tǒng)中實現(xiàn)廣泛接入分布式現(xiàn)場裝置與設備、實時輸入電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)、在線監(jiān)控仿真狀態(tài)等功能提供借鑒。

圖4 支持遠程接入與實時監(jiān)控分析的HILS平臺Fig.4 HILS platform supporting remote access and real-time monitoring and analysis

(2) 有限仿真資源下新能源場站等值和大型二次系統(tǒng)等效技術。隨著電網(wǎng)風、光等新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，系統(tǒng)動態(tài)變量成倍增長，構建涵蓋全模型數(shù)據(jù)的大電網(wǎng)一二次HILS平臺，數(shù)據(jù)處理和計算量十分龐大甚至難以求解，仿真啟動和運行穩(wěn)定性存在極大難題，而且過度占用仿真資源，仿真效率低下。因此，需要協(xié)調解決好仿真資源、仿真效率與仿真精度之間的矛盾，對新能源場站模型進行尺度適中的等值處理，對大型二次系統(tǒng)進行功能保留的等效處理。

新能源場站涵蓋能量產(chǎn)生單元、主控與變流回路、輔助保護、集電線路及無功補償?shù)榷囝愔鬏o設備[28—29]，且設備原理及生產(chǎn)廠家不同，設備型號各異[30]，通過多級串并聯(lián)匯集并網(wǎng)，使得場站的結構和特性異常復雜[31]。因此，亟需準確計及場內串并聯(lián)結構關系、多級傳輸耗散、多點無功補償?shù)葞淼膭討B(tài)響應特性及其影響，滿足多種運行方式和不同典型擾動下對電磁暫態(tài)仿真精度的要求。為此，需要突破含多類異構主輔控制器的新能源場站高精度等值技術，并通過融合適量變流器控制器實物和電磁暫態(tài)計算單元，構建精度較高的通用化數(shù)模混合模型。

在二次系統(tǒng)等效方面，當前控制系統(tǒng)的層次數(shù)明顯增加，控制節(jié)點數(shù)可能達到數(shù)百上千個，控制可靠性受通信、網(wǎng)絡安全的影響不容忽視[32]。受實驗資源及場地等多種因素的限制，無法百分百復原與現(xiàn)場一致的實際工程系統(tǒng)。如果要對控制系統(tǒng)進行基于HILS的全面驗證，如何對大量多層級控制設備組成的控制系統(tǒng)進行功能及性能等效也是亟需解決的問題。

(3) 控制對象接入的通用接口技術。研究能夠支持各類分布式裝置或設備廣泛接入的通用通信接口是擴大硬件在環(huán)接入規(guī)模的關鍵。但接口的引入往往會給仿真帶來時間延遲、畸變等誤差[33—34]，從而影響硬件在環(huán)穩(wěn)定性和不同仿真尺度融合的精確性。因此，接口算法的設計就成了保證HILS系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性和仿真精確性的關鍵。

為了改變混合實時硬件仿真的穩(wěn)定性與精度，目前已有研究提出理想變壓器模型、輸電線路模型、時變一階近似和阻尼阻抗法等多種HILS接口算法，這些接口算法在不同系統(tǒng)中都有其本質特征決定的適用性[35—36]。當現(xiàn)有接口技術無法滿足接入及通信要求時，自定義接口技術是有效的選擇。例如，為了克服并聯(lián)逆變器系統(tǒng)存在阻抗變化時的電壓調節(jié)和功率共享性能限制，文獻[37]提出基于李雅普諾夫函數(shù)的分散式控制方案,獲得快速的動態(tài)響應和跟蹤收斂，在不平衡濾波器參數(shù)和未知線路阻抗的情況下，負載電流精確自動共享，為分布式能源系統(tǒng)提供了即插即用的功能。

此外，接口不通用、無統(tǒng)一標準也是目前HILS面臨的問題。不同技術路線的實時處理器有各自定義的接口形式、實現(xiàn)方式及通信板卡，不同類型的處理器之間難以擴展以支持更大的仿真規(guī)模；多類電力系統(tǒng)的一二次設備與實時處理器的接口往往需要自定義或定制，大量硬件接入使仿真運行可靠性和仿真實驗效率均面臨挑戰(zhàn)。由于接口的標準化問題涉及到實時處理器的原理和性能并與接入硬件的構造緊密相關，因此，需要研發(fā)人員、設備廠商和相關標準制定機構協(xié)同解決。

4 電力系統(tǒng)HILS應用展望

基于對技術現(xiàn)狀的分析以及對新技術未來發(fā)展的預判，電力系統(tǒng)HILS未來發(fā)展方向體現(xiàn)在傳統(tǒng)技術深化發(fā)展及與新技術融合橫向拓展兩方面。

(1) 傳統(tǒng)技術深化方面。電力系統(tǒng)的新原理、新設備快速迭代，一次設備及其控制系統(tǒng)的邏輯結構復雜，需要接入更多的實物設備以提升整個電力系統(tǒng)仿真的實時性和準確性。因此，大型電力系統(tǒng)HILS平臺的構建需要接入更多的實物設備，或基于實物設備進行精準數(shù)模混合等效，形成超大規(guī)模電力系統(tǒng)高精度數(shù)模混合實時仿真平臺，實現(xiàn)針對含數(shù)十條直流輸電、數(shù)百個新能源場站、千萬個電力電子設備等超大電力系統(tǒng)的HILS實驗。

基于實驗室集中式擺放一二次設備實物或其物理模型的方式，受限于實驗場地及硬件擴展靈活性不足的問題，HILS平臺須能夠支持遠程、分布式實物接入。通過異地多個實時仿真裝置的配合和高速通信網(wǎng)絡支持，實現(xiàn)多個物理裝置的分布式仿真實驗，解決電網(wǎng)多道防線的保護控制裝置、多個高壓直流或柔性交流輸電系統(tǒng)控制器等異地實驗設備的同步測試及多控制裝備協(xié)調性測試等問題。

為滿足對靈活多變的實際電網(wǎng)運行方式的分析研究需求以及對電網(wǎng)實際故障場景下控制系統(tǒng)的快速分析和運維支撐需求，要求HILS平臺能夠實時接收電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)仿真模型能夠及時跟蹤大電網(wǎng)運行狀態(tài)，甚至是災害情況下的迅速變化。

(2) 與新技術融合方面。為了將大量異地遠程設備接入到HILS平臺，并滿足仿真實時性要求，需要融合5G通信[38]和云計算技術[39]，構建集中與分布式仿真資源相協(xié)調的仿真平臺，實現(xiàn)仿真分析從以往單場地、單小組獨立工作模式向多場地、多小組聯(lián)合協(xié)同模式轉變。

在基于大型電力系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺的仿真實驗過程中，可以采集到大量電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)信息，為了提升對具有成千上萬個電網(wǎng)節(jié)點、數(shù)十個乃至數(shù)百個實物接入的大型電力系統(tǒng)HILS的實驗研究水平及實驗研究的效率，需要融合大數(shù)據(jù)、人工智能技術，對HILS實驗的大量電氣量數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)及控制信息進行統(tǒng)計分析和關聯(lián)挖掘分析，提煉海量信息的關聯(lián)關系和深度特征[40]，為基于HILS的系統(tǒng)分析開辟新的思路。進一步地，構建以HILS平臺為核心的電網(wǎng)全景感知及實時監(jiān)控、一二次系統(tǒng)故障的智能診斷及電網(wǎng)安全分析預警決策體系。

5 結語

HILS在新原理、新結構設備的快速接入以及兼顧模型精度與仿真效率上具有很大優(yōu)勢。文中梳理了大型電力系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺構建現(xiàn)狀，討論了可協(xié)調滿足實時性和準確性的平臺構建時的關鍵技術問題。

隨著電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展以及源網(wǎng)荷側新設備或新技術(例如，不同能量形式發(fā)電通過電力電子設備接入、負荷側柔性互動等)的廣泛密集應用，HILS將繼續(xù)發(fā)揮其在單裝置或控制系統(tǒng)的原理或技術驗證方面的優(yōu)勢，并將在大型電力系統(tǒng)的特性認知及控制技術實驗研究、新能源并網(wǎng)系統(tǒng)級實驗驗證方面越來越起到主導作用。