用户案例 | 未来变电站的HIL仿真

01 项目背景

OPAL-RT的客户遍布全球且行业分布广泛，其中包括许多著名的研究实验室、国家资助的密集研发项目和多边合作组织，他们通过对现代工程学的探索与革新，正在不断塑造世界的崭新未来。大学、工业界和地方企业纷纷投入到这些意义重大的项目当中，在OPAL-RT各领域客户的合作下，这些项目参与者携手致力于多边合作和前沿咨询产业，共同引领了21世纪的创新发展。

R&D Nester也是这些团体中的一员。R&D Nester于2013年在葡萄牙里斯本成立，其股东包括REN（葡萄牙TSO）和中国国家电网公司（通过中国电力科学研究院）。双方联合的专业领域包括电力系统实时仿真、可再生能源管理研究、智能电网技术的联合探索以及能源市场和经济的影响研究等。多年来，R&D Nester积极参与OPAL-RT主办的实时仿真大会（Real Time conferences），并分享了其研究成果、开发工作和客户解决方案。

"R&D Nester使用OPAL-RT的实时仿真解决方案已经有很多年了，对他们的软硬件以及技术支持都十分满意，OPAL-RT团队的技术知识非常扎实，响应能力和责任心也很强。”

Nuno de Souza e Silva秉承"创造智能能源未来 "的理念，领导REN和国家电网合作的能源研究中心，主要负责可再生能源整合、智能电网、电力系统仿真和能源市场等国际项目。

02 项目挑战&解决方案

当前，全球能源市场正在经历深刻变革：基于逆变器的能源资源（inverter-based energy resources，IBR）集成不断增长，对更加环保的能源系统和能源存储解决方案的需求持续提升。智能电网概念的落地和普及，从根本上改变了当前电力系统的运行环境。随着数字化解决方案在电力系统中的应用愈加广泛，世界各地的电力系统正在向数字化嬗变。

包括能源生产商和经销商在内的产业链各方深刻认识到：当前亟需探索可扩展性更高、处理能力更强的联合仿真。简言之，我们需要创新且持续发展的仿真解决方案。

基于上述背景，R&D Nester（葡萄牙语名称：the Centro de Investigação em Energia REN State Grid S.A）开始着手建设一个电力系统实时仿真实验室。该实验室配备两台电力系统实时仿真器（real-time power system simulators，RTPSS），其中一台是从OPAL-RT购入的。

另外，还引入了各种软硬件工具作为上述两台RTPSS的补充，共同实现了电力系统和通信网络的仿真（包括独立仿真模式和联合仿真模式）。

在此基础上，为了充分利用新产品和解决方案，R&D Nester建设完善了现有的电力系统实时仿真（RTPSS）实验室，使其能够提供独特的仿真研究理论和专业的仿真基础设施来分析电力系统不同组成部分的行为。

下方是R&D Nester解决方案的简明图示：

R&D Nester 对其使用的OPAL-RT旗下HYPERSIM软件平台、ARTEMiS（基于CPU的电气工具包）和ePHASORSIM（机电相量域仿真工具包）等产品十分认可。

业界最先进的仿真设备加之装备其中的多款测试工具，大大提升了RTPSS实验室的仿真能力，使得仿真复杂电力系统的多面场景成为可能，并且能够评估其相同场景下的性能。

电力系统数字化解决方案的引入为新型解决方案的应用创造了更新更广阔的机会，R&D Nester RTPSS实验室还配备了测试工具，可以对电力系统和通信网络进行联合仿真。

软件和硬件解决方案也已装备完成，用于与电力系统仿真解决方案同时运行的通信网络仿真。

03 项目内容

“未来变电站”是R&D Nester的 研发项目之一。在该项目中，RTPSS对保护、自动化和控制（protection, automation and control ，PAC）系统进行了HIL测试。在这个案例里，RTPSS用于仿真电力系统，并可执行闭环（HIL）测试。

在HIL测试中，RTPSS可以模拟传输线路中的故障，该故障会导致继电器保护跳闸。但与开环测试相反，RTPSS会从物理设备中接收指令，并对电网重新配置，然后重新计算电力系统潮流，这可能会导致其他传输线跳闸。

仿真器的HIL接口均为硬接线，并使用IEC 61850通信协议，无论是传统设备或是先进设备均可进行测试。使用仿真器的TestView自动化测试功能，能够对测试结果的收敛性进行分析。

这段密集而回报极高的开发时期助力R&D Nester将研发工作向前推进，包括未来将其RTPSS用于智能变电站的测试和实施，并帮助他们在近期的国家和国际项目中做出贡献，例如：ProtMPLS项目：评估保护系统的IP/MPLS通信。Prot4HRES项目：评估可再生能源对输电网保护系统设计的影响。OSMOSE项目：该H2020项目旨在确定和发展欧洲电力系统的最佳组合，以实现能源转型。

04 技术参数

实时电力系统仿真实验室(RTPSS)

• 一台16核Linux-based仿真器（OPAL-RT OP5600），主要负责运行实时仿真。该仿真器共有64 Gb的RAM内存，可运行高度复杂的进程；

• 两个扩展机箱（含接口），每个扩展机箱配备一组数字和模拟输入/输出，能够执行HIL测试。每个机箱的端口总数为：32道模拟输入，32道模拟输出，64道数字输入和64道数字输出。

时间同步
冗余时间同步服务器，可同步实验室设备和待测设备，兼容以下协议：PTP, IRIG-B, SNTP, PPS和10 MHz。

IEC 61850测试工具

• 专用于IEC 61850的保护测试组，可生成GOOSE和采样值，以发送到待测设备进行开环测试。它也可将GOOSE信息转换为物理电信号输出，反之亦然，用于测试保护设备的二进制输出；

• 四个功率放大器，将RTPSS平台和测试组的低压输出转换为100v, 1A，用于保护设备；

• 用于检查IEC 61850信息的软件包；

• 执行IEC 61850一致性测试的软件包，包括待测设备的数据模型和通信服务；

• IED规范和配置工具，可创建IEC 61850系统，并测试系统交互。

通信网络

• 仿真通信网络的软件包，能够在无真实设备或执行HIL仿真的情况下进行评估研究；

• 将模拟负载注入网络的设备，并可通过模拟的“攻击”来破坏循环信息。

电力系统实时仿真（RTPSS）实验室架构

05 项目成果

R&D NESTER 的RTPSS实验室，设备专业、调配科学，能够监管超大频谱的电力系统和通信网络的应用程序。该实验室也促使R&D Nester团队顺利推进了诸多迄今为止最为复杂的项目，其中包括前文提及的“未来变电站”原型。

该技术可预见的一些未来应用包括但不限于:

测试

原型开发和产品一致性测试，产品类型测试；

保护和自动化系统测试；

硬件在环（HIL）仿真 （电网与原型、真实IEDs或其他设备的实时交互）。

建模
使用现场数据和事件记录进行模型验证（例如：线性元件模型、集中参数传输线路、PI线、非线性模型、避雷器等）。

场景仿真

1可再生能源的最佳整合研究，电力系统暂态研究；2

符合欧洲电网规范的电力系统性能评估；

3电力系统事件的深度取证分析。

通信

通过仿真对通信网络进行迭代研究并助力通信网络设计；

使用真实设备与仿真环境交互进行网络通信HIL混合仿真；

电力系统事件的深度取证分析测试通信网络性能（测量参数和人为减损，即“压力测试”），以评估对控制和自动化系统的影响。

联合仿真

执行联合仿真（电力系统仿真器和通信网络仿真器同时运行并进行交互）；

电力系统和通信网络的联合仿真，对于评估通信设备故障对电力系统的影响至关重要；

包含两个网络的联合仿真，并行运行并执行同步动作。

培训

对员工进行控制设备操作培训。

以往需要几周乃至几年才能完成的工作，如今几个小时甚至几分钟即可完成。对于R&D Nester而言，他们的研究领域和可扩展性将具有无限可能。