复杂配电网模拟仿真系统的制作方法
【专利摘要】针对具有互动化、智能化特性的有源配电网技术仿真试验需要，与采用旋转电机模拟电源、只能同时模拟一个电压等级的仿真系统不同，本发明集成电网电源、分布式电源、事故、线路、交直流配电、多样性负荷等模拟仿真技术，提出了一种含多个电压等级、8个模块的复杂配电网模拟仿真系统，包括反映电网一次、二次部分的电网模拟、电源模拟、负荷模拟、控制模拟、保护模拟等5个模块，以及利于仿真试验的事件/检测模拟、接口模、同步模拟等3个附加模块。本发明能够实现包含分布式电源、多样性负荷、智能化设备/系统、自动化/信息化系统、交直流混合电网、闭环运行等新要素的配电网稳态、暂态、多级配电网一体化仿真试验。
【专利说明】复杂配电网模拟仿真系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种配电网模拟仿真系统，具体涉及一种复杂配电网模拟仿真系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着分布式电源、需求侧响应、电动汽车及智能电网的发展，配电网成为 包含分布式电源、多样性负荷接入的有源网络，具有规模大、点多面广、结构复杂的特点，是 一个离散与连续过程相结合、暂态过程与稳态相结合的复杂系统，配电技术面临重大变革。 如何针对配电网的发展趋势，开展有效的技术研究与试验，对于推动配电技术发展具有重 要作用，对配电网仿真试验技术提出了新挑战。
[0003] -方面，配电技术研究与发展更需要仿真技术支持。分布式电源、需求侧响应、电 动汽车及智能化装备、系统的应用，使配电网运行特性更加复杂，增加了建模与分析的难 度，甚至受条件限制难以有效建模。而采用仿真特别是模拟仿真，可有效克服上述缺点，对 复杂配电网进行各类特性仿真。
[0004] 另一方面，当前的动态模拟仿真系统不能满足多形态配电网仿真需要。电力系统 动态模拟仿真以相似理论为理论依据，用同步发电机模拟发电系统，通过电阻、电感、电容 元件的串并联模拟电力线路，用低压负荷模拟电力系统负荷，应用中，通常将220kV、500kV 等高电压等比降低到100V或150V电压等级，线路参数可以用实际电网参数或按一定比例 降低，负荷也按也按照一定比例缩小。这种电源用同步发电机的动态模拟仿真，含有旋转装 置，运行控制、组网复杂，仿真建模周期长、成本高，同时这种模拟仿真对接入大电网的配电 网并不适用，与配电网短路电流、调频调压特性等有较大偏差，也不能满足多电压级电网联 合模拟仿真、交直流混合电网模拟仿真需要。
[0005] 近年来，随着分布式电源、微电网的发展，出现了微电网模拟仿真系统，该系统通 常用交_直-交逆变电源模拟电网，用电阻、电感、电容元件的串并联模拟低压线路，系统运 行电压与低压电网电压保持一致，线路参数与实际低压电网保持一致，负荷与实际电网保 持一致，分布式电源用真实的分布式电源或用风电、光伏等分布式电源的模拟电源。这种模 拟仿真，类似于真型仿真，电压等级及模拟的对象基本固定，灵活性不足，对配电网模拟仿 真有一定适用性，但装备配置、参数设置等方面的影响，不能满足配电网安全保护、自动化 系统等的仿真试验需要，也不能满足多电压等级配电网联合仿真需要，适用范围、可仿真的 功能有限。
[0006] 本专利针对当前模拟仿真技术存在的问题，基于配电网及智能配电网在配电技术 研究、试验、运行分析与决策等方面的模拟仿真需要，并结合配电网技术发展趋势，解决如 何开展包含传统配电网及分布式电源、微电网、电动汽车/充放电装置、智能化设备/系统、 自动化/信息化系统、直流电网、交直流混合电网、闭环运行电网、电力电子逆变装置等新 要素的配电网模拟仿真试验问题，提出一种配电网模拟仿真系统的构成、关键设备组成及 功能、模拟系统的组网等技术解决方案，为构建复杂配电网动态模拟仿真系统、开展有源配 电网动态模拟试验提供依据，为配电网技术发展、电网安全可靠性提高提供有力支持。具有 以下特点：
[0007] (1)构建了适合配电网动态模拟仿真试验的模拟仿真电源系统。采用同步系统将 不同的电力电子逆变电源进行整合构成模拟仿真电源系统，高精度的控制各电力电子逆变 电源的输入、输出特性，可以根据试验需要模拟所需要的配电网供电电源的各类特性。
[0008] (2)构筑了可以等效模拟复杂配电网、多级电网一体化动态模拟仿真系统，模拟仿 真环境、运行特点、结构形式等更接近真实电网，为复杂配电网仿真试验、多级电网控制/ 调度一体化、多级电网互动条件下的特性研究提供支持。
[0009] (3)采用模块化设计方式，给出了各模块的典型实现方式、应用方法，组网、试验方 式灵活，易于扩展。
【发明内容】
[0010] 为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种复杂配电网模拟仿真系统，所述系 统包括电网模拟模块和电源模拟模块，所述系统包括分别与所述电网模拟模块连接的负荷 模拟模块、控制模拟模块、事件/检测模拟模块、保护模拟模块和接口模块；所述电源模拟 模块分别与所述控制模拟模块、所述保护模拟模块和同步模拟模块连接；所述同步模块与 所述接口模块连接。
[0011] 优选的，所述电源模拟模块包括电网电源模拟单元和分布式电源模拟单元；所述 电网电源模拟单元的数目至少为1;
[0012] 优选的，所述电网电源模拟单元包括电力电子逆变电源、升压变压器和储能单 元；
[0013] 所述电力电子逆变电源的供电方式包括：用交-直-交逆变器将供电电网中的交 流电源直接变换为所述系统需要的交流电源；以及分别用交-直逆变器和直-交逆变器，将 供电电网中的交流电源转换为直流电源后再转换为所述系统需要的交流电源；
[0014] 所述交-直逆变器输出的直流电源为所述电网模拟模块中直流电网的供电电源；
[0015] 所述电力电子逆变电源的输出模式包括三相三线输出模式、三相四线输出模式、 三通道独立输出模式和单相并联输出模式；所述三通道独立输出模式为三路单相电压分别 独立输出；所述单相并联输出模式为三路单相电压并联输出；
[0016] 所述电力电子逆变电源的输出控制方式包括恒定控制方式和模拟同步发电机控 制方式；所述恒定控制方式为所述电源输出的电压、电流和频率依据设定值输出；所述模 拟同步发电机控制方式为模拟同步放电机的出力、调频和调压特性调整所述电源输出的电 压、电流和频率；
[0017] 所述升压变压器的绕组设置有高压侧、中压侧和低压侧；所述电力电子逆变电源 接入所述中压侧或低压侧；
[0018] 所述储能单元，用于模拟当功率逆向时从所述系统吸收有功功率；
[0019] 优选的，所述分布式电源模拟单兀的供电方式包括统一模式和独立模式；
[0020] 所述统一模式为，所述电力电子逆变电源的交-直-交逆变器从电网取电后，依据 电力电子逆变电源的输出控制方式模拟不同类型的分布式电源；恒定控制方式用于模拟光 伏发电、光热放电和风力发电；模拟同步发电机控制方式用于模拟燃气轮机发电；
[0021] 所述独立模式为，所述电力电子逆变电源模拟燃气轮机发电，用交-直逆变器和 直-交逆变器对电网中交流电源转换以模拟光伏发电和光热发电，用电动机拖动发电机模 拟风力发电；
[0022] 优选的，所述电网模拟模块包括变电站模拟模块和电力线路模拟模块；所述变电 站模拟模块包括模拟主变压器、模拟接地单元和模拟开关；所述电力线路模拟模块包括模 拟馈线、模拟开关、模拟变压器、模拟无功补偿单元和模拟调压单元；
[0023] 优选的，所述模拟主变压器与电源模拟模块连接，对模拟电源升压或降压；所述模 拟主变压器为三相绕组变压器和双相绕组变压器的任一种变压器；所述模拟变压器的高 压侧绕组为三角形连接和星形连接的任一种连接方式，中压侧绕组和低压侧绕组为星形连 接，绕组上设置有中性点抽头；所述模拟主变压器的出线端包括至少三回线路；
[0024] 优选的，所述模拟接地单元与所述模拟主变压器的中性点抽头连接，用于模拟所 述模拟主变压器的接地装置；所述模拟接地单元包括独立设置的电阻和电抗，以及两组接 地线；所述电阻和电抗用于调节所述模拟主变压器的接地阻抗；一组所述接地线接入大 地，另一组所述接地线与大地绝缘；
[0025] 优选的，所述模拟开关，用于模拟所述模拟变电站和所述模拟馈线上的断路器、分 段器、负荷开关、熔断器和隔离开关；所述模拟开关的两侧安装有电压互感器，任一侧安装 有电流互感器；
[0026] 所述模拟开关的布置方式包括固定安装式和集中安装式；所述固定安装式为，将 所述模拟开关分别与所述模拟主变压器、所述模拟馈线、所述模拟变压器、所述模拟无功补 偿单元和所述模拟调压单元固定连接；所述集中安装式为，将所有模拟开关集中放置在至 少一个开关柜内，每个开关柜相互独立；
[0027] 优选的，所述模拟馈线，用于模拟三相架空线路和三相电缆；所述模拟馈线包括电 阻、电抗和电容，用于模拟实际线路的参数；所述电容设置有开关，用于旁路所述模拟馈线； 所述模拟馈线模拟的线路上设置有线路长度调整段点；所述线路长度调整段点，用于接入 所述模拟开关、模拟变压器、模拟无功补偿单元和模拟调压单元；
[0028] 优选的，所述模拟变压器，用于模拟配电变压器和隔离变压器；所述模拟变压器为 双相绕组变压器；所述模拟变压器的高压侧绕组为三角形连接和星形连接的任一种连接方 式，低压侧绕组为星形连接；
[0029] 优选的，所述模拟无功补偿单元采用低压无功补偿装置，所述模拟调压单元采用 调压装置；
[0030] 优选的，所述负荷模拟模块包括线性负荷单元和电力电子逆变负荷单元；
[0031] 所述电力电子逆变负荷单元与所述电源模拟模块的出线连接，依据人工设定的负 荷响应特性吸收有功功率和无功功率；
[0032] 所述线性负荷单元包括可编程低压负荷装置和变压器；所述可编程低压负荷装置 的可编程低压负荷包括可编程RLC负荷、可编程RL负荷、可编程RC负荷和电动机模型负 荷；所述电动机模型负荷为低压电动机；
[0033] 所述变压器通过调整变比，提高或降低所述可编程低压负荷的额定容量；所述额 定容量的调整量AW的计算公式为：
【权利要求】
1. 一种复杂配电网模拟仿真系统，所述系统包括电网模拟模块和电源模拟模块，其特 征在于，所述系统包括分别与所述电网模拟模块连接的负荷模拟模块、控制模拟模块、事件 /检测模拟模块、保护模拟模块和接口模块；所述电源模拟模块分别与所述控制模拟模块、 所述保护模拟模块和同步模拟模块连接；所述同步模块与所述接口模块连接。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源模拟模块包括电网电源模拟单元 和分布式电源模拟单元；所述电网电源模拟单元的数目至少为1。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电网电源模拟单元包括电力电子逆变 电源、升压变压器和储能单元； 所述电力电子逆变电源的供电方式包括：用交-直-交逆变器将供电电网中的交流电 源直接变换为所述系统需要的交流电源；以及分别用交_直逆变器和直-交逆变器，将供电 电网中的交流电源转换为直流电源后再转换为所述系统需要的交流电源； 所述交-直逆变器输出的直流电源为所述电网模拟模块中直流电网的供电电源； 所述电力电子逆变电源的输出模式包括三相三线输出模式、三相四线输出模式、三通 道独立输出模式和单相并联输出模式；所述三通道独立输出模式为三路单相电压分别独立 输出；所述单相并联输出模式为三路单相电压并联输出； 所述电力电子逆变电源的输出控制方式包括恒定控制方式和模拟同步发电机控制方 式；所述恒定控制方式为所述电源输出的电压、电流和频率依据设定值输出；所述模拟同 步发电机控制方式为模拟同步放电机的出力、调频和调压特性调整所述电源输出的电压、 电流和频率； 所述升压变压器的绕组设置有高压侧、中压侧和低压侧；所述电力电子逆变电源接入 所述中压侧或低压侧； 所述储能单元，用于模拟当功率逆向时从所述系统吸收有功功率。
4. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式电源模拟单元的供电方式包括 统一模式和独立模式； 所述统一模式为，所述电力电子逆变电源的交-直-交逆变器从电网取电后，依据电力 电子逆变电源的输出控制方式模拟不同类型的分布式电源；恒定控制方式用于模拟光伏发 电、光热放电和风力发电；模拟同步发电机控制方式用于模拟燃气轮机发电； 所述独立模式为，所述电力电子逆变电源模拟燃气轮机发电，用交-直逆变器和直-交 逆变器对电网中交流电源转换以模拟光伏发电和光热发电，用电动机拖动发电机模拟风力 发电。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电网模拟模块包括变电站模拟模块和 电力线路模拟模块；所述变电站模拟模块包括模拟主变压器、模拟接地单元和模拟开关； 所述电力线路模拟模块包括模拟馈线、模拟开关、模拟变压器、模拟无功补偿单元和模拟调 压单元。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟主变压器与电源模拟模块连接，对 模拟电源升压或降压；所述模拟主变压器为三相绕组变压器和双相绕组变压器的任一种变 压器；所述模拟变压器的高压侧绕组为三角形连接和星形连接的任一种连接方式，中压侧 绕组和低压侧绕组为星形连接，绕组上设置有中性点抽头；所述模拟主变压器的出线端包 括至少三回线路。
7. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟接地单元与所述模拟主变压器的 中性点抽头连接，用于模拟所述模拟主变压器的接地装置；所述模拟接地单元包括独立设 置的电阻和电抗，以及两组接地线；所述电阻和电抗用于调节所述模拟主变压器的接地阻 抗；一组所述接地线接入大地，另一组所述接地线与大地绝缘。
8. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟开关，用于模拟所述模拟变电站和 所述模拟馈线上的断路器、分段器、负荷开关、熔断器和隔离开关；所述模拟开关的两侧安 装有电压互感器，任一侧安装有电流互感器； 所述模拟开关的布置方式包括固定安装式和集中安装式；所述固定安装式为，将所述 模拟开关分别与所述模拟主变压器、所述模拟馈线、所述模拟变压器、所述模拟无功补偿单 元和所述模拟调压单元固定连接；所述集中安装式为，将所有模拟开关集中放置在至少一 个开关柜内，每个开关柜相互独立。
9. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟馈线，用于模拟三相架空线路和三 相电缆；所述模拟馈线包括电阻、电抗和电容，用于模拟实际线路的参数；所述电容设置有 开关，用于旁路所述模拟馈线；所述模拟馈线模拟的线路上设置有线路长度调整段点；所 述线路长度调整段点，用于接入所述模拟开关、模拟变压器、模拟无功补偿单元和模拟调压 单元。
10. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟变压器，用于模拟配电变压器和 隔离变压器；所述模拟变压器为双相绕组变压器；所述模拟变压器的高压侧绕组为三角形 连接和星形连接的任一种连接方式，低压侧绕组为星形连接。
11. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模拟无功补偿单元采用低压无功补偿 装置，所述模拟调压单元采用调压装置。
12. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负荷模拟模块包括线性负荷单元和电 力电子逆变负荷单元； 所述电力电子逆变负荷单元与所述电源模拟模块的出线连接，依据人工设定的负荷响 应特性吸收有功功率和无功功率； 所述线性负荷单元包括可编程低压负荷装置和变压器；所述可编程低压负荷装置的可 编程低压负荷包括可编程RLC负荷、可编程RL负荷、可编程RC负荷和电动机模型负荷；所 述电动机模型负荷为低压电动机； 所述变压器通过调整变比，提高或降低所述可编程低压负荷的额定容量；所述额定容 量的调整量AW的计算公式为：
式（1)中，所述Wn为线性负荷单元的初始额定容量，所述Un为线性负荷单元的初始额 定电压，所述U为线性负荷单元的运行电压。
13. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述事件/检测模拟模块的事件模拟包括 故障模拟、风险模拟、电网性能模拟、安全稳定模拟和设备动作模拟； 所述故障模拟包括三相短路、二相短路、单相接地短路、单相断线和二相断线，所述故 障模拟用故障模拟装置实现； 所述风险模拟包括三相短路、二相短路、单相接地短路、单相断线、二相断线、线路绝缘 老化和导线参数变化，所述风险模拟用风险模拟装置实现； 所述设备动作模拟包括负荷投切、分布式电源投切、空载长线投切、开关投切、变压器 投切和充电/储能装置投切，所述设备动作模拟用模拟开关的关断和闭合实现； 所述电网性能模拟包括过压、过负荷、低电压、三相不平衡、无功不足、电压暂降、电压 闪变、电压波动和谐波干扰；所述安全稳定模拟包括电压崩溃和电压失稳； 所述电网性能模拟和所述安全稳定模拟，通过调节所述电源模拟模块和所述负荷模拟 模块的输出实现； 所述事件/检测模拟模块的检测模块包括与待检测系统相应的物理接口；所述物理接 口将所述待检测系统接入所述电网模拟模块，并采集接入点电压和电流。
14. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述保护模拟模块包括设备保护装置和电 网模拟保护系统； 所述设备保护装置，检测电力设备的温度和电压，当温度超过温度阈值或电压超过电 压阈值时，断开模拟开关将所述电力设备从模拟电网中切除； 所述电网模拟保护系统包括断路器继电保护单元、电压/电流检测单元和故障分析单 元；结合所述控制模拟模块监测到的模拟电网的故障特征，所述断路器继电保护单元和所 述故障分析单元依据设定的保护动作规则和故障诊断分析程序，控制所述模拟开关跳闸或 合闸动作，从而实现模拟电网保护。
15. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模拟模块包括低压电压互感器、 低压电流互感器、通信单元、终端单元和监测/控制单元； 所述终端单元，用于模拟电网中的配电变压器监测终端、馈线终端装置、无线终端设备 和智能终端设备； 所述监测/控制单元通过通信单元与模拟电网中的电力设备连接，包括调节电源和负 荷的功率、运行方式；修改线路和开关的参数；监视并展示模拟电网的实时运行信息；通过 接口模块与待检测系统的配电自动化单元、故障诊断分析单元相关联，将所述实时运行信 息发送到所述待检测系统，将所述待检测系统对所述电源模拟模块和所述负荷模拟模块的 控制指令发送到需要执行控制指令的电力设备。
16. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接口模块为所述控制模拟模块与待检 测系统的接口，用于所述控制模拟模块与所述待检测系统的实时信息交互。
17. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步模块，用于保证所述电源模拟模 块之间的时间同步以及待检测系统和所述控制模拟模块之间的时间同步； 所述同步模块的实现方式包括： 方式一：将所述电源模拟模块、所述待检测系统和所述控制模拟模块的接口模块与网 络连接，用网络授时实现时间同步； 方式二：所述同步模块向需要执行控制指令的电力设备发送触发信号，所述电力设备 接收到所述触发信号后立刻执行所述控制指令，从而实现时间同步； 方式三：所述同步模块通过局域网或RS485接口与所述电源模拟模块、所述待检测系 统连接，向所述电源模拟模块和所述待检测系统提供统一的时间，从而实现时间同步。
【文档编号】G05B17/02GK104330979SQ201410602141
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】盛万兴, 宋晓辉, 刘永梅, 董伟杰, 孟晓丽, 李雅洁, 冯雪平, 李建芳, 赵珊珊 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院