文|煮酒
图|煮酒
电网是社会和工业中几乎所有关键领域运营的基本组成部分。这种重要性对电网的安全性、系统稳定性和运行可靠性提出了很高的要求。在当前环境下，网络运营商依靠最先进的仿真工具进行全系统研究，以分析正常和极端运行条件下的不同电网状态。这些研究与经验一起，总是被运营商用作在关键电网条件下做出决策的辅助手段。
然而，最近的研究表明，可靠且负担得起的未来电力供应将极大地依赖可再生能源（RES），特别是光伏和风力发电。参考文献中报告的最新在地方和全球范围内安装可再生能源的趋势进一步支持了这一点，这是对应对全球气候变化挑战所需的跨部门努力的贡献。然而，由于可再生能源发电的间歇性，储能系统和需求侧管理等解决方案越来越多地与RES一起考虑，以取代严重依赖化石燃料的大型发电来源。
RES的整合，特别是分布式能源的整合，导致了电网结构的巨大持续转型。因此，电力系统运行中出现了以下挑战：首先，主要能源，即风能和太阳能，取决于天气，因此变化很大。这导致发电和消费之间的连续变化和不匹配，从而以频率偏差的形式对系统稳定性造成压力。其次，可再生能源通过功率转换器接口连接到现有电网，这与同步电机主导的传统电网不同。
从操作的角度来看，同步电机是惯性的主要来源，因此对系统阻尼做出了巨大贡献，该系统阻尼决定了关键操作条件下的频率变化率（RoCoF）。将可再生能源连接到电网的电力电子转换器自然不会提供这种服务，因此使电力系统容易受到突然干扰的影响。第三，分布式能源（DER）的整合在网络中引入了双向功率流，除了从高压输电到低压配电网的传统潮流外，还经历了从配电网到输电网的潮流。这给运营商带来了处理电压稳定性的挑战，特别是因为大多数可再生能源的连接点都在配电水平上。此外，由于当前电网中大型互连网络的运行以及电动汽车导致的电力需求增加，电力系统的复杂性大大增加。和热泵，等等。
智能电网概念在研究和工业领域获得了动力，成为管理新分布式能源和不断发展的电网的可能解决方案。其基本思想是以智能电子设备、先进的计量基础设施以及信息和通信技术的形式整合不同的电网组件，以实现高效、经济和安全的电力输送。换句话说，智能电网能够解决自动化和先进电网中的双向电力流和控制信息。文献中报道了几个研究和开发项目，分析了智能电网概念在未来DER电网中的可行性。这种从传统电网到智能电网概念的转变导致基础计算问题的变化以及用于运营规划和系统稳定性评估的工具的复杂性。因此，必须在研究和工业中修改仿真工具和分析技术，以应对智能电网环境中以大量RES为特征的环境变化。
已经进行了广泛的研究，以开发能够随着不断变化的电力系统环境而可靠地发展的新工具。其结果是电力系统分析工具适用于各种应用，包括潮流分析、机电瞬变仿真和电磁瞬态 （EMT） 仿真。与当前电网最相关的仿真类别是EMT仿真，可用于对基于电力电子的发电源进行详细分析。EMT仿真使用非常小的时间步长，在微秒范围内，以实现详细分析所需的计算精度。此外，EMT仿真通常需要专门的硬件来处理实时仿真中的计算工作。然而，仅凭理论考虑无法解释为未来电网实施创新解决方案所需的大量工作。解决方案的广泛测试和实验是必不可少的，在接近实际电力系统的环境中也应考虑在内。由于实验无法在公共电网中进行，智能电网实验实验室为测试未来电网的创新硬件和软件解决方案提供了这样一个平台。
在研究和工业界建立了多个智能电网实验实验室，以研究未来电网的创新解决方案。这些项目包括亥姆霍兹协会的能源实验室2.0平台。能源实验室2.0平台提供最先进的实验基础设施，用于研究未来电网中包括发电、储能和转换系统在内的新组件之间的相互作用，以及测试成功能源转型所需的新硬件和软件解决方案。能源实验室2.0基础设施的核心组成部分是智能能源系统控制实验室（SESCL），能源网仿真和分析实验室（EGSAL），控制，监测和可视化中心，生活实验室能源校园实验楼，安全实验室能源和电力硬件在环实验室。
由于电网的关键性质和安全原因，没有直接进入公共电网进行实验以测试创新解决方案。能源电网模拟和分析实验室 （EGSAL） 是一个用于实验目的的能源网格建模、模拟、分析和可视化的框架，作为能源实验室 2.0 基础设施的一部分。EGSAL在Energy Lab 2.0中的模拟环境和实验硬件之间形成了链接。EGSAL的目的是提供能源网格模型的数字表示和模拟框架，可用于与其他能源研究实验室合作测试未来电网的软件和硬件解决方案。通过研究基础设施的虚拟连接，EGSAL允许在研究和工业合作伙伴之间共享昂贵的模拟和实验硬件。EGSAL实验室范围内的相应研究课题包括：电网建模与分析;地理分布的实时模拟;基于多物理场的能源系统集成的分布式协同仿真;用于并行网格仿真的高性能计算;开发仿真和分析软件框架;用于网络模型验证的时间序列数据测量和分析。
本文的主要贡献是：描述可用于实验和测试的EGSAL数字框架的硬件和软件组成;描述用于实验测试的经过验证的校园网络模型;EGSAL范围内的模拟场景，展示本地和地理分布的实时模拟;以及能源实验室模拟网络与真实实验硬件之间接口的描述。
耦合方法的评估
在下一节中，将评估EGSAL中可用的不同机架耦合方法。为此，KIT Campus North网络与能源实验室2.0实验大厅SESCL中使用真实硬件的简单实验设置一起使用。为了进行测试，假设详细网络和实验之间的耦合点是通过一根5.25公里长的电缆连接到变压器的20 kV侧，SESCL实验室在KIT Campus North 20 kV网络中连接到变压器的<> kV侧。在第一种情况下，测试基于使用本地分布式模拟器的模拟，即RTDS-RTDS实验，在KIT校园网络和单独RTDS系统上的实验负载之间进行。第二种情况包括通过Opal-RT硬件进行的P-HIL设置，即RTDS-Opal-RT-PHIL。实验的目的是评估仿真器耦合方法的准确性，并分析时间延迟及其对仿真精度的影响。
本地分布式模拟
在此场景中，KIT校园网络在一个RTDS系统（子系统1 - 主子系统）上模拟，实验负载在第二个RTDS系统（子系统2）上模拟。模拟器耦合方法通过代表简单实验设置的子系统中负载突然增加 1 MW 来评估。负载变化是通过在1 ms时从子系统2向子系统2中的实验负载发送触发信号来触发的。在实验的这一部分中测试了以下五种耦合模式：单片模式（基准模式）——在一个RTDS系统上将KIT网络和实验作为单个系统进行仿真;TLM模式—设置由使用传输线模型方法耦合的两个子系统组成;ITM-光纤模式 - 使用光缆和理想变压器模型作为接口方法直接耦合子系统;ITM-Aurora — 使用 ITM 方法作为接口技术，而通信是通过 Aurora 链路进行的;ITM-DP — 使用 ITM 方法和动态相量，通过 GTNETx2 以太网连接建立虚拟连接。
电压
考虑五种耦合模式的主子系统（子系统1）中耦合点处均方根（RMS）电压的比较。在这种情况下，需要注意的是负载变化在2 ms时触发后的电压转换。可以观察到，直接耦合方法（TLM，ITM-Fiber，ITM-Aurora）在过渡过程中的响应仅略有不同，其中TLM响应与单片模式匹配，而两种ITM模式显示出大约一个时间步长（50 μs）的小延迟。但是，ITM-DP 模式的响应延迟约为 2 毫秒，这相当于使用虚拟接口通过 GTNETx2 连接在子系统之间交换值的延迟的两倍。然而，在所有接口模式下，负载变化后获得的稳态电压值都是相似的。
电流
耦合点处测量电流对其中一相（A相）的瞬时电流和RMS电流的响应。TLM模式的响应类似于基准单片模式。但是，在ITM模式的响应中观察到轻微的相移，其中ITM-光纤与ITM-Aurora响应相似。但是，ITM-DP 模式在响应负载变化时显示出明显的延迟。与其他接口模式相比，ITM-DP 模式对事件的响应延迟了大约 2 ms。TLM 模式和 ITM-DP 模式的稳态 RMS 电流类似于基准单片模式，这与 ITM-光纤和 ITM-Aurora 模式不同，与基准情况相比，RMS 电流值略有偏移。可以进一步观察到，尽管ITM-DP模式的变化仅延迟了2 ms，但响应和稳态延迟了20 ms。
有功和无功功率
负值表示从子系统 1 到子系统 2 的功率流。正如预期的那样，子系统 2 消耗的有功功率从 0 MW 增加到 1 MW，正如在所有调查案例中观察到的那样。但是，在过渡到新的稳态有功功率值期间，响应存在差异。直接耦合模式显示出与基准单片模式非常相似的响应。相比之下，ITM-DP 模式在响应中显示出明显的延迟，但达到与其他模式相同的稳态值。
注入无功功率的响应如图所示，负表示耦合点处从子系统1注入子系统2的功率。这里需要注意的是，在模拟情况下，负载无功功率保持为零。无功功率的正值是由于耦合电缆的低负载而导致无功功率的净注入的结果。如图所示，当连接额外的1 MW负载时，净注入减少。但是，与基准单片模式相比，ITM（-光纤、-极光、-DP）模式的稳态值明显偏离。这可能是由于ITM方法的不稳定性，因为它在使用快速变化的时域瞬时信号时对延迟和相移很敏感，如参考文献所述。但是，有必要进一步调查以确定抵消的原因。通过ITM-DP模式的改进稳态无功功率值，可以观察到瞬时信号修改为动态相量的效果。通过提高子系统之间动态相量的交换速率，并利用时间信息并相应地旋转相量，可以进一步改善这种响应。
P-HIL 初步用例：低延迟 Opal-RT RTDS 接口
本节中描述的实验说明了 Energy Lab 2.0 基础设施中仿真部分和实验硬件的耦合。这些耦合部件的目的是从软件和硬件角度测试新的解决方案。该设置由两个数字实时模拟器组成，即RTDS和Opal-RT，具有使用Aurora协议的直接高性能接口，连接到实验硬件。这构成了硬件在环设置，如图所示。实验硬件通过Opal-RT P-HIL设置连接到电网。在这种情况下，硬件是可变电阻负载（R-load），它代表“牙医胡同”的日常负载曲线[该术语是指几个居民安装例如大功率充电设备并可能希望同时使用设备的街道。 峰值负载为80 kVA。两个系统的耦合点位于 400 V 总线上，SESCL 实验室通过 SESCL 提供的微电网测试环境在 KIT 校园北 20 kV 网络中物理连接到该总线。
基准测试用例
第一步，通过将信号从RTDS模拟器（已发送）发送到Opal-RT模拟器，然后将其环回RTDS模拟器（环回），来测试仿真之间的最小延迟。这可作为在两个模拟器之间设置的实验案例中延迟测量的基准。图显示了RTDS仿真器上记录的两个信号。可以看出，如图所示，闭环信号传输的延迟为10 μs，对应于两个50 μs的仿真时间步长，即一个时间步将信号从RTDS发送到Opal-RT，一个时间步将信号从Opal-RT环回到RTDS。该基准测试用例的结果证实，通过Aurora协议的链路层通信延迟的影响可以忽略不计，由此产生的延迟仅取决于仿真采样时间。
闭环测试用例
在该仿真场景中，RTDS系统上的园区网络与实验硬件通过Opal-RT模拟器之间的通信在闭环连接中进行测试。在这种情况下考虑两种情况;1）. 实验载荷设置为 0 kW 时的模拟， 2）.实验负载为 60 kW 的模拟。在这两种情况下，通信延迟都是通过在园区网络侧启动1 MW负载的突然增加来测量的，并记录两个子系统耦合点的电压响应，即从校园侧发送的电压（Sent）和实验侧测量的电压（Measured）。
园区网络中负载的增加会导致电压下降，这充当功率放大器作为模拟器和实际电源硬件之间的耦合器件的设定点。60 kW负载下的响应如图所示。重要的是要观察与未连接到真实硬件的基准测试用例相比，通信延迟的差异。在图所示的第一个场景中，观察到的延迟为20 ms，而图中第二个场景的延迟约为25 ms。
这是因为Opal-RT系统和真实硬件之间的通信需要额外的时间。在这两种情况下，稳态电压的建立时间也不同，因为实验硬件设置的电力电子设备需要不同的持续时间才能更改为由不同负载条件下的电压变化引起的新设定值。此外，在60 kW负载下，实验侧测得的RMS电压幅度失调为0.1%，如图所示。这种差异可以通过以下事实来解释：在这种情况下，RMS计算模块仅考虑电压信号的基本分量。由于使用的实际电力电子元件以及测量噪声，测量包含其他频率的非零份额，而来自实时模拟器的信号仅携带基频。
结论
本文介绍了能源网格模拟和分析实验室，作为最先进的能源实验室2.0研究平台的一部分，用于评估未来能源系统的新解决方案。描述了实验室的主要特征，显示了地理上相距遥远的仿真硬件互连的潜力，以扩展模拟器集群，用于大型电网的实时仿真。描述了一个初步用例，显示了实时仿真和实验硬件之间的接口，从而在模拟实验室与能源实验室2.0基础设施中的其他实验室之间提供了链接。这也为能源实验室2.0基础设施的虚拟接口提供了与地理上相距遥远的能源研究基础设施的实验硬件的可能性。
正在进行的工作的一部分是将来自KIT北校区电气网络上安装的相量测量单元（PMU）的测量数据纳入实时仿真中，以开发校园网络的数字孪生。此外，模拟器集群将通过在正在进行的研究项目范围内互连不同的研究基础设施来扩展。这将导致位于尤利希的研究中心（FZJ）的KIT和位于奥尔登堡的德国航空航天中心（DLR）之间的连接，从而形成一个地理分布的实时仿真基础设施。模拟器集群还将扩展到研究机构之外，包括来自工业合作伙伴的仿真和实验硬件。
参考文献：
1 REN21，《可再生能源2018年全球状况报告》，巴黎：REN21秘书处，2018年。
2 IRENA，《2019年可再生能源产能统计》，国际可再生能源机构，2019年。
3D. Schlachtberger， T. Brown， S. Schramm， M. Greiner， Energy 2017， 134， 469.