巴西ONS (国家电力系统运营公司) 是一个成立于1998年的非营利机构, 负责协调和监测与巴西国家电网(SIN)连接的不同运营商的发电和输电设施,并致力于发展新的可再生能源供电系统,以满足巴西不断增长的用电需求。

ONS的实时仿真设施实验室(SSCC)配有不同电力设备制造商提供的多个控制保护样机(Replica)。过去传统的做法是,将每套样机都与一台RTDS实时仿真器相连,对巴西电力系统不同运营条件下的控制和保护策略进行测试、评估以及调整来确保互联电网的安全搭建和稳定运行。

由于无法决定每个电力设备制造商未来会选用何种实时仿真器与他们的控保样机相连,ONS亟需熟悉不同品牌仿真系统的操作以备应对未来集成不同平台的需要。同时,每种仿真设备都具备自身的优缺点,结合不同设备的优势有助于ONS改善自身设施的性能并找到最优性价比。更具深远意义的是,利用协同仿真(Co-simulation)可以实现未来不同研究机构间的远程协作,并且将不同仿真设备的测试结果结合起来可以更加有效地分析电力系统的各个方面。

鉴于目前ONS很多合作伙伴都是OPAL-RT的客户,且OPAL-RT的仿真系统具备可视化编程界面、Matlab/Simuink (SimPowerSystems)专用模型库及各种仿真套件,灵活性更大。因此他们决定选用OPAL-RT的HYPERSIM系统与RTDS系统互联,以测试这一协同仿真的设想是否可行。

要将两个截然不同的仿真器联合在一起进行协同仿真需要克服的主要困难有以下几点:

两台不同仿真机间的通讯问题;

通讯过程需可靠、快速,并尽可能的减少通讯延迟;

两台不同仿真机的同步问题

解决方案

为将通讯延迟降到最低,ONS决定使用FPGA连接的方式,即用一块现有的RTDS GTFPGA作为接口来连接两台仿真器; 而基于FPGA的固件则是由亚琛工业大学参照以往类似的协同仿真应用经验利用HLS (Vivado High-level Synthesis) 和XSG (Vivado System Generator for DSP) 研发的。

FPGA与HYPERSIM通过RTDS Aurora通讯模块(RTDS-Interface Module)上面的用户自定义I/O信号与OPAL-RT硬件中PCIe总线连接在一起。OPAL-RT RT-XSG产品可以很方便地把第三方的通讯协议模块(通过Xilinx 支持的Black Box)与OPAL-RT硬件的驱动系统在MATLAB的图形界面环境中集成并融合,无需FPGA底层编程知识,生成一个可以连接OPAL-RT和RTDS实时仿真机的FPGA固件,在OPAL-RT的Hypersim或eMEGAsim产品上运行。

为解决不同仿真器间不可避免的通讯延迟,ONS又引入了一种基于贝瑞隆(Bergeron)线路模型的自然延时,采用分布式参数线(DPL)作为两种仿真器间的接口。

为了能够及时识别和修正通讯接口及测试模型故障以便更精确地体现协同仿真和单一仿真器仿真结果之间的差异,ONS利用一系列由简单到复杂的电路模型进行了多项测试。

通过比较两种不同仿真器(RTDS和HYPERSIM)共同对各电路模型进行仿真时的波形以及单一仿真器(RTDS或HYPERSIM)对同一模型进行仿真时的波形是否匹配,来判断测试结果是否一致。对于含多个电源的电路协同仿真(RTDS和HYPERSIM),若电源处于不同的仿真器上,如何同步各电源则是一个核心问题。在仿真软件平台方面,ONS通过两个台仿真机之间通讯帧的起始位(Start of Frame), 由RTDS发送时钟信号至HYPERSIM来实现同步;对于仿真机实现同步方面,OPAL-RT的仿真机支持外部时钟接入同步(来自GPS或者其他仿真器),这样协同仿真就可以严格地同步进行仿真。

在对简单电路模型的测试中,协同仿真(RTDS和HYPERSIM)以及单独利用RTDS和HYPERSIM进行测试时的三种波形完美匹配。

在利用较复杂的IEEE 39 Bus电路模型进行相同测试时,三种仿真结果虽然有极细微的差异(小于2%),但仿真结果完全满足控制保护测试和大型电网研究的精度。由此证明利用来自不同供应商的仿真器对复杂的大电网进行协同仿真这一设想完全可行。

ONS将RTDS与OPAL-RT实时仿真系统连接进行协同仿真这一实验项目成功验证了两个不同品牌的仿真器能够协同工作,实现对大型复杂电力系统的实时仿真。这一成功有助于今后实验机构选取最优仿真方案,并为不同研究中心、研究机构和院校之间远程分享仿真资源和技术专长提供了可能。