一种电力异构混合实时仿真系统的制作方法

本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种电力异构混合实时仿真系统。

背景技术：

近年来，随着国民经济快速发展，我国交直流电力系统也步入了快速发展期，高压直流、MMC-HVDC、STATCOM等大功率电力电子技术的广泛应用，交直流电网规模越来越庞大，系统电力电子化特征越来越明显，系统运行特性也变得更为复杂，这对交直流电力系统仿真提出了更为严苛的要求。

为了深入研究分析电力电子化特征明显、多回交直流混联运行的复杂大电网，应以全景仿真规模、重要控制装置接入、与实际电网运行数据接口等技术要求采取合适的仿真手段和仿真工具。但目前国内外已有的仿真工具对此均有一定的局限性，不能很好满足交直流复杂大电网仿真分析的要求。例如，RTDS(Real Time Digital Simulator)作为目前国际上广泛使用的商业化电磁暂态实时仿真工具，虽然可以能较为精确地实现电力系统仿真，但是由于受限于仿真规模无法实现大规模的电力系统仿真；电力系统分析软件BPA作为常用的机电暂态仿真程序，具有计算规模大、计算速度快、数值稳定性好、功能强等特点，然而由于BPA仅仅是一种仿真分析软件，而无法接入外部设备进行实际网络设备中的仿真，因此该仿真输出结果无法真实的反映实际网络设备的情形，不具备实时仿真的功能。

因此，提供一种能够实现大规模的实时仿真系统是目前亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种电力异构混合实时仿真系统，能够实现大规模的电力系统的实时仿真。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

本实用新型实施例提供一种电力异构混合实时仿真系统，包括：

电压源换流器VSC仿真子平台，所述VSC仿真子平台包括：相互连接的VSC实时仿真器和VSC控制装置，其中，所述VSC实时仿真器用于仿真VSC设备，所述VSC控制装置用于控制所述VSC实时仿真器仿真出的VSC设备的运行状态，其中：所述VSC实时仿真器包括第一实时数字仿真RTDS仿真器；

高压直流输电HVDC仿真子平台，所述HVDC仿真子平台包括：相互连接的第二RTDS仿真器和直流控制装置，所述第二RTDS仿真器用于仿真HVDC系统，所述直流控制装置用于从所述第二RTDS仿真器获取所述第二RTDS仿真器的仿真数据，并向所述第二RTDS仿真器反馈控制命令；

交流系统仿真子平台，所述交流系统仿真子平台包括：相互连接的并行计算机和第一现场可编程门阵列FPGA单元，所述并行计算机用于仿真交流系统；

所述第一RTDS仿真器与所述第二RTDS仿真器通过总线集线器GBH和通信交换器IRC Switch连接，所述第一FPGA单元与所述第二RTDS仿真器通过光纤连接，用于实现所述并行计算机与所述第二RTDS仿真器之间的通信。

可选的，所述VSC实时仿真器还包括：第二FPGA单元，所述第二FPGA单元与所述VSC控制保护装置光纤连接，其中：所述第二FPGA单元用于仿真模块化多电平换流器MMC子模块，所述VSC控制装置用于控制所述第二FPGA单元仿真出的MMC子模块的运行状态；

第二FPGA单元与所述第一RTDS仿真器光纤连接，其中：所述第一RTDS仿真器用于仿真与MMC子模块连接的外部电路，所述第二FPGA单元用于将阀组状态传输至所述第一RTDS仿真器，所述第一RTDS仿真器用于将阀组参数传输至所述FPGA单元。

可选的，所述HVDC仿真子平台还包括：直流人机界面HMI，所述直流HMI与所述直流控制装置数据连接，所述直流HMI用于向所述直流控制装置发送操作命令，并接收所述直流控制装置返回的所述HVDC系统状态。

示例性的，所述VSC控制装置包括：MMC阀级控制、MMC站级控制以及MMC系统级控制，所述MMC阀级控制分别与MMC站级控制、第二FPGA单元光纤连接，所述MMC站级控制与所述MMC系统级控制光纤连接；

所述MMC系统级控制用于向MMC站级控制发送运行指令，并接收所述MMC站级控制返回的运行状态信息；所述MMC站级控制用于向所述MMC阀级控制发送检测MMC子模块运行状态的指令，并接收所述MMC阀级返回的MMC子模块导通个数的运行信息；所述MMC阀级控制用于控制所述第二FPGA单元仿真出的MMC子模块的运行状态。

具体的，所述第一FPGA单元还用于仿真计算第一元件，仿真步长为2-3μs，所述第一元件包括：阀组和桥臂电抗；

所述第一RTDS仿真器用于仿真的所述外部电路中的元件包括第二元件和第三元件，所述第二元件的仿真步长为50-100μs，所述第三元件的仿真步长为2-3μs，所述第二元件包括交流母线和主断路器，所述第三元件包括旁路断路器、启动电阻以及直流线路。

具体的，所述第一FPGA单元将所述并行计算机每个仿真步长得到的交流母线电压以及相角信息发送至所述第二RTDS仿真器，所述第二RTDS仿真器将仿真的功率信息和时间同步信号发送至所述第一FPGA单元。

示例性的，所述第一FPGA单元的型号为ML605，所述第一FPGA与所述并行计算机通过总线接口PCI-E连接。

具体的，所述第二RTDS仿真器用于第四元件的仿真，所述第四元件的仿真步长为50-100μs，所述第四元件包括阀桥、换流变换器、平波电抗器、直流线路、滤波器以及避雷器；还用于将信号状态量发送至直流控制装置，所述信号状态量包括信号的模拟量和开关量。

本实用新型实施例提供的电力异构混合实时仿真系统，该系统中的VSC仿真子平台实现了快速电磁暂态过程的模拟仿真、HVDC仿真子平台实现了常规电磁暂态过程的模拟仿真以及交流系统仿真子平台实现了机电暂态过程的模拟仿真，使得该系统能够实现多种暂态过程的模拟仿真，利用交流系统仿真子平台中的并行计算机多路同时运算的特点实现了大规模的交流输电系统仿真，以及利用VSC仿真子平台和HVDC仿真子平台中的RTDS仿真器实现常规的交直流输电系统的仿真，使得该系统能够实现大规模的电力系统的实时仿真；另一方面，该系统中VSC仿真子平台和HVDC仿真子平台中的RTDS仿真器能够与外部设备(例如控制装置或保护装置)连接，使得该系统能够接收外部的输入，从而真正的实现实际网络电力系统中的实时模拟仿真；此外，利用FPGA单元和RTDS仿真器的电磁暂态仿真的优势实现了对电力电子设备的精确化仿真，同时接入的HVDC仿真子平台的直流控制装置以及VSC仿真子平台中的VSC控制装置，使得仿真过程更加准确，有效解决了交直流复杂大电网仿真分析中的全景仿真规模、重要控制装置接入以及与实际电网运行数据接口难以接入的技术难题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种电力异构混合实时仿真系统的系统组成示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种电力异构混合实时仿真系统中的器件与仿真过程间的对应关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能或作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本实用新型实施例提供一种电力异构混合实时仿真系统，如图1所示，该系统包括：电压源换流器(英文：Voltage Source Converter，简称：VSC)仿真子平台11、高压直流输电(英文：high-voltage direct current，简称：HVDC)仿真子平台12以及交流系统仿真子平台13，其中：该VSC仿真子平台用于仿真低压直流输电系统，例如：柔性直流输电系统；该HVDC仿真子平台用于仿真高压直流输电系统；该交流系统仿真子平台用于仿真交流输电系统。这里的每个子平台由多个具体的设备组成。

VSC仿真子平台11包括：相互连接的VSC实时仿真器11a和VSC控制装置11b，其中，该VSC实时仿真器11a用于仿真VSC设备，该VSC控制装置11b用于控制VSC实时仿真器仿真出的VSC设备的运行状态，其中：VSC实时仿真器11a包括第一实时数字仿真RTDS仿真器11a1；

HVDC仿真子平台12包括：相互连接的第二RTDS仿真器12a和直流控制装置12b，该第二RTDS仿真器12a用于仿真HVDC系统，该直流控制装置12b用于从第二RTDS仿真器12a获取第二RTDS仿真器12a的仿真数据，并向第二RTDS仿真器12a反馈控制命令。

交流系统仿真子平台13包括：相互连接的并行计算机13a和第一现场可编程门阵列FPGA单元13b，并行计算机13a用于仿真交流系统。

第一RTDS仿真器11a1与第二RTDS仿真器12a通过总线集线器GBH和通信交换器IRC Switch连接，第一FPGA单元13b与第二RTDS仿真器12a通过光纤连接，用于实现并行计算机13a与第二RTDS仿真器12a之间的通信。

示例性的，上述的VSC实时仿真器11a用于仿真VSC设备可以是通过现有的程序来实现该功能的，上述的第二RTDS仿真器12a用于仿真HVDC系统也可以是通过现有的程序来实现该功能的，上述的并行计算机13a用于仿真交流系统也可以是采用现有的程序来实现该功能的。

需要说明的是，本方案的VSC仿真子平台、HVDC仿真子平台以及交流系统仿真子平台中的各个装置、仿真器以及FPGA单元等均有其对应的硬件实体，该硬件实体在现实中是可以进行购买得到的。

本实用新型实施例提供的电力异构混合实时仿真系统，该系统中的VSC仿真子平台实现了快速电磁暂态过程的模拟仿真、HVDC仿真子平台实现了常规电磁暂态过程的模拟仿真以及交流系统仿真子平台实现了机电暂态过程的模拟仿真，使得该系统能够实现多种暂态过程的模拟仿真，利用交流系统仿真子平台中的并行计算机多路同时运算的特点实现了大规模的交流输电系统仿真，以及利用VSC仿真子平台和HVDC仿真子平台中的RTDS仿真器实现常规的交直流输电系统的仿真，使得该系统能够实现大规模的电力系统的实时仿真；另一方面，该系统中VSC仿真子平台和HVDC仿真子平台中的RTDS仿真器能够与外部设备(例如控制装置或保护装置)连接，使得该系统能够接收外部的输入，从而真正的实现实际网络电力系统中的实时模拟仿真；此外，利用FPGA单元和RTDS仿真器的电磁暂态仿真的优势实现了对电力电子设备的精确化仿真，同时接入的HVDC仿真子平台的直流控制装置以及VSC仿真子平台中的VSC控制装置，使得仿真过程更加准确，有效解决了交直流复杂大电网仿真分析中的全景仿真规模、重要控制装置接入以及与实际电网运行数据接口难以接入的技术难题。

可选的，如图1所示，该系统中的VSC实时仿真器11a还包括：第二FPGA单元11a2，该第二FPGA单元11a2与VSC控制保护装置11b光纤连接，其中：第二FPGA单元11a2用于仿真模块化多电平换流器(英文：Modular Multilevel Converter，简称：MMC)子模块，VSC控制装置11b用于控制第二FPGA单元11a2仿真出的MMC子模块的运行状态。

第二FPGA单元11a2与第一RTDS仿真器11a1光纤连接，其中：第一RTDS仿真器11a1用于仿真与MMC子模块连接的外部电路，第二FPGA单元11a2用于将阀组状态传输至第一RTDS仿真器11a1，第一RTDS仿真器11a1用于将阀组参数传输至第二FPGA单元11a2。

上述的第二FPGA单元11a2还用于仿真计算第一元件，仿真步长为2-3μs，该第一元件包括：阀组和桥臂电抗。

示例性的，上述的第二FPGA单元所实现的功能可以通过现有程序来实现；上述的第一RTDS仿真器所实现的功能也可以是采用现有程序来实现。

需要说明的是，需要区分图1中的并行计算机、第二FPGA单元、第一RTDS仿真器以及第二RTDS仿真器中的实线和虚线的关系，其中：实线表示仿真的内容，虚线只表示连接的示意关系。

可选的，为了实现用户与平台间的交互，如图1所示，该系统中的HVDC仿真子平台12还包括：直流人机界面HMI12c，该直流HMI12c与直流控制装置12b数据连接，直流HMI12c用于向直流控制装置12b发送操作命令，并接收直流控制装置12b返回的HVDC系统的系统状态。

示例性的，如图1所示，上述的VSC控制装置11b包括：MMC阀级控制11b1、MMC站级控制11b2以及MMC系统级控制11b3，MMC阀级控制11b1分别与MMC站级控制11b2、第二FPGA单元11a2光纤连接，MMC站级控制11b2与MMC系统级控制11b3光纤连接。

MMC系统级控制11b3用于向MMC站级控制11b2发送运行指令，并接收MMC站级控制11b2返回的运行状态信息；MMC站级控制11b2用于向MMC阀级控制11b1发送检测MMC子模块运行状态的指令，并接收MMC阀级11b1返回的MMC子模块导通个数的运行信息；MMC阀级控制11b1用于控制第二FPGA单元11a2仿真出的MMC子模块的运行状态。

可选的，上述的第一FPGA单元的可以为FPGA板卡，该第一FPGA单元的型号为ML605，该第一FPGA单元与并行计算机通过总线接口PCI-E连接。

参照图2所示的电力异构混合实时仿真系统中的器件与仿真过程间的对应关系图，由图2可得，在该系统中的VSC仿真子平台中的FPGA模块的可编程门阵列的仿真属于器件级开关暂态过程仿真，而由该FPGA模块形成的第二FPGA单元进行的MMC子模块的仿真则属于器件级电磁暂态过程仿真，可模拟功率器件开关过程中的暂态过程，包括在其内部将发生由半导体物理特性所决定的若干暂态过程以及在外部反映为器件电压、电流和损耗等若干变量的暂态过程。第二RTDS仿真器是模拟装置级的电磁暂态过程仿真，并行计算机则是模拟装置级的机电暂态过程仿真。基于上述多种仿真组合则形成混合实时仿真，可仿真电力系统多种时间尺度的动态过程，从而实现了大规模的电网的电力异构混合实时仿真。

下面将基于上述的仿真系统的内容，进行具体详细的说明，具体的可以参照下文的内容。

示例性的，在上述的VSC仿真子平台中，包括第二FPGA单元、第一RTDS仿真器以及VSC控制装置。为准确模拟MMC子模块的柔性直流等VSC设备换流阀的快速通断特性，采用第二FPGA单元进行模拟，仿真步长为2-3μs。而VSC设备的外部电路则在第一RTDS实时仿真器中进行模拟，仿真步长为50-100μs。另外，VSC设备的控制装置可以采用基于FPGA的软件控制，也可以接入实际控制装置，例如，图1中的VSC控制装置。

上述的第二FPGA单元是由多个FPGA模块组成，而一个FPGA模块又是由开关级的可编程门阵列组成，通过编程形成对MMC子模块的模拟，一个FPGA模块对应模拟仿真一个MMC子模块；而这里的第二FPGA单元对应仿真多个MMC子模块，该多个MMC子模块形成阀组。

上述的第一RTDS仿真器用于仿真的外部电路中的元件包括第二元件和第三元件，该第二元件的仿真步长为50-100μs，该第三元件的仿真步长为2-3μs，该第二元件包括交流母线和主断路器，该第三元件包括旁路断路器、启动电阻以及直流线路。

上述的VSC控制装置包括：MMC阀级控制、MMC站级控制以及MMC系统级控制，其中：MMC阀级控制主要用于根据MMC站级控制的指令，进行MMC解闭锁等顺序控制、电压和电流控制、阀串的电容电压平衡控制和换流器环流控制，并检测换流器及阀组的状态，向站控上报换流器状态、故障、当前运行模式、各桥臂电容电压和等信息；MMC站级控制主要用于根据MMC系统级控制的指令，进行换流站各种运行状态之间的转换控制，并将相关指令下发到MMC阀级控制；MMC系统级控制主要用于协调全系统的顺序控制，并将系统功率、直流电压等控制在设定值附近。

具体的，上述的VSC仿真子平台中的第二FPGA单元与第一RTDS仿真器是光纤连接，第一RTDS仿真器将阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值等MMC阀组参数传输至第二FPGA单元，第二FPGA单元将仿真的各子模块运行状态(投入、旁路或闭锁)、桥臂总电压、子模块电容电压等MMC阀组状态信息传输至第一RTDS实时仿真器；第二FPGA单元与MMC阀级控制装置是光纤连接，第二FPGA单元向MMC阀级控制装置发送MMC桥臂电流值和MMC子模块电容电压，MMC阀级控制装置向第二FPGA单元发送MMC子模块触发脉冲；MMC阀级控制装置与MMC站级控制装置是光纤连接，MMC阀级控制装置向MMC站级控制装置发送MMC子模块导通数，MMC站级控制装置则向MMC阀级控制装置发送MMC子模块运行状态信息；MMC站级控制装置与RTDS实时仿真器是光纤连接，第一RTDS仿真器向MMC站级控制装置传输仿真的交流电网的电压、电流、断路器状态等，MMC站级控制装置则反馈断路器控制量至第一RTDS仿真器；MMC站级控制装置与MMC系统级控制装置是光纤连接，MMC站级控制装置将换流站运行状态信息发送至MMC系统级控制装置，MMC系统级控制装置则向MMC站级控制装置反馈系统运行指令。

示例性的，在上述的HVDC仿真子平台中，包括：第二RTDS仿真器、直流HMI以及直流控制装置。

上述的第二RTDS仿真器用于第四元件的仿真，该第四元件的仿真步长为50-100μs，所述第四元件包括阀桥、换流变换器、平波电抗器、直流线路、滤波器以及避雷器；还用于将信号状态量发送至直流控制装置，信号状态量包括信号的模拟量和开关量。

具体的，通过第二RTDS仿真器接口板块，并将电压、电流、换流变分接头挡位等相关状态量发送给直流控制装置。直流控制装置根据运行人员指令以及第二RTDS仿真器上传的系统状态，向第二RTDS返回控制指令和保护动作信息，从而形成HVDC实时闭环仿真系统。

示例性的，上述的第二RTDS仿真器与直流控制装置可以电信号连接，第二RTDS仿真器将仿真的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流传输至直流控制保护装置的模拟量输入接口，将换流变压器的分接头档位、开关、刀闸状态传输至直流控制保护装置的开关量输入接口；直流控制装置根据直流控制保护程以及第二RTDS实时仿真器传输的模拟量、开关量，生成相应的换流变压器的分接头命令、开关、刀闸命令通过开关量输出接口反馈至第二RTDS仿真器，生成换流阀触发脉冲命令通过脉冲量输出接口反馈至第二RTDS仿真器。

示例性的，上述的交流系统仿真子平台，包括并行计算机和第一FPGA单元。该第一FPGA将所述并行计算机每个仿真步长得到的交流母线电压以及相角信息发送至所述第二RTDS仿真器，第二RTDS仿真器将仿真的功率信息和时间同步信号发送至第一FPGA。

上述的并行计算机用于仿真模拟大规模的电力交流系统，仿真步长为10ms，并与RTDS电磁暂态仿真进行混合实时仿真接口交互。为提高仿真效率，将大规模交流系统划分为若干个并行子网，并分别分配到并行计算机中的不同计算核中进行并行计算，以确保机电暂态仿真的严格实时性。

以上三个仿真子平台通过混合实时接口连接，构成基于“FPGA单元+RTDS仿真器+并行计算机”异构平台，具有快速电磁暂态、常规电磁暂态和机电暂态联合仿真功能的交直流大电网多时间尺度混合实时仿真功能。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。