上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2025, 59(10): 1419-1430 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.541

新型电力系统与综合能源

新型电力系统下电力二次系统仿真的设计方法

何瑞文1, 陆嘉亮1, 杨长鑫1, 彭浩1, MOHAMMAD Shahidehpour,2

1 广东工业大学 自动化学院, 广州 510006

2 伊利诺伊理工学院 电气与计算机工程系, 芝加哥 60616, 美国

Design Methods for Power Secondary System Simulation in New Power Systems

HE Ruiwen1, LU Jialiang1, YANG Changxin1, PENG Hao1, MOHAMMAD Shahidehpour,2

1 School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China

2 Electrical and Computer Engineering Department, Illinois Institute of Technology, Chicago 60616, USA

通讯作者: MOHAMMAD Shahidehpour,美国工程院院士,教授,博士生导师;E-mail:ms@iit.edu.

责任编辑: 王历历

收稿日期: 2023-10-26   修回日期: 2024-01-4   接受日期: 2024-01-12  

基金资助: 国家自然科学基金面上项目(51377026)

Received: 2023-10-26   Revised: 2024-01-4   Accepted: 2024-01-12  

作者简介 About authors

何瑞文(1969—),博士,教授,从事电力信息物理系统建模与可靠性、智能电网保护与控制的研究.

摘要

在新形势下,为匹配新型电力系统需求,亟需对信息高度共享且需实时决策的电力二次系统进行建模与仿真.本文首次提出关联电力一次系统运行状态以实现电力二次系统仿真的设计方法.以功能描述复杂的智能变电站二次系统为研究对象,提出电力一次与二次系统仿真的关联方法,阐明其仿真实现框架、数据交互方法及数据同步管理,从而将一次系统的实际电气量数据传导至二次侧,解决二次系统仿真数据源问题.然后,进一步提出电力二次系统的仿真设计方法,基于面向对象统一建模语言(UML)提出其系统级交互设计、元件级类设计和模块级状态设计的方法,从而解析电气量数据在二次系统的传输交互处理转换全流程.最后,以220/110/10 kV主变间隔110 kV侧出口处短路故障场景为算例,结合主变差动保护方案,仿真验证所提方法的有效性.

关键词： 新型电力系统; 电力信息物理系统; 电力二次系统; 数据同步管理; 统一建模语言

Abstract

Under the new situation, there is an urgent need to model and simulate the power secondary system which highly shares information and implements real-time decision-making, in line with the modeling and simulation requirements of new power systems. In this paper, design methods are proposed for the first time to achieve simulation of power secondary systems by correlating the operating status of the power primary system. The smart substation secondary system with complex functional descriptions is taken as the research object. First, an interrelated simulation method for power primary and secondary systems is proposed, and its simulation implementation framework, data interaction method, and data synchronization management are explained, which enables the actual electrical quantity data of the primary system to be transmitted to the secondary side, solving the problem of data source in the secondary system simulation. Then, a simulation design method for the power secondary system is proposed, incorporating system-level interaction design, component-level class design, and module-level state design based on the object-oriented unified modeling language (UML). Thus, the entire process of transmission, interaction, processing, and conversion of electrical quantity data in the secondary system can be analyzed. Finally, to validate the effectiveness of the proposed method, a case study is conducted using a short-circuit fault scenario at the 110 kV side outlet of the 220/110/10 kV main transformer bay, in conjunction with a differential protection scheme.

Keywords： new power system; cyber-physical power system(CPPS); power secondary system; data synchronization (DS) management; unified modeling language (UML)

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本文引用格式

何瑞文, 陆嘉亮, 杨长鑫, 彭浩, MOHAMMAD Shahidehpour. 新型电力系统下电力二次系统仿真的设计方法[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(10): 1419-1430 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.541

HE Ruiwen, LU Jialiang, YANG Changxin, PENG Hao, MOHAMMAD Shahidehpour. Design Methods for Power Secondary System Simulation in New Power Systems[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2025, 59(10): 1419-1430 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.541

构建以新能源为主体的新型电力系统是能源电力领域实现碳达峰、碳中和目标的重大举措.在“双碳目标”的引领下,未来一段时期新能源将持续大规模接入电网,在新能源高占比电力系统中,发电侧的新能源因为随机性、波动性巨大难以实现按需控制,而在用电侧因为大量分布式柔性负荷接入难以实现精准的负荷预测,电力电量平衡将面临更严峻考验,电力系统的调度运行也将遭遇全新的挑战,难以实现大范围源荷双侧一体化调度运行.未来将全面依赖数字化手段,打通源网荷储各个环节,而信息及通信技术(information and communication technology, ICT)对于提高新型电力系统的稳定性、可靠性及效率将发挥至关重要的作用[1-2].

为应对挑战,需要模拟电力系统全域动态行为.目前电力一次系统的保真动态模拟已经有充足的仿真手段,如RTDS、PSCAD、BPA等,能够有效指导实际电网运行,但其中并未明确计及通信和控制等的二次系统动态特性,因为传统的二次系统基于电缆直连传输,所以可以认为是安全可靠实时的.新型电力系统下二次环节全面构建于ICT上,在系统级层面的表征存在很大不确定性,其可靠性、有效性、实时性缺乏科学和系统的方法加以评估.目前缺乏刻画新型电力系统一、二次融合运行调控特性的仿真分析手段,且关键在于缺乏电力二次系统的建模与仿真分析方法;即使是现有的构建于ICT上的二次系统,如调度自动化、变电站自动化、配电自动化等方案也缺乏有效的仿真分析手段.本文创新地提出基于ICT的电力二次系统仿真方法,阐明电力一次系统模拟量和开关量数据至二次系统的传导方式,全面刻画携带电气量信息的报文在电力二次系统的传递交互处理流程.

电力一次系统关注能量流的时域特点,采用连续时间系统建模;基于ICT的电力二次系统本质是信息系统,采用离散事件系统建模[3-4].为了研究物理与信息实体的相互作用及运行特性,有研究试图在电力信息物理系统(cyber-physical power system, CPPS)框架下借助仿真手段来分析耦合系统的复杂动态行为.协同仿真的框架[5]是将成熟的电力系统和通信网络动态仿真程序相结合,在同步和协调机制下实现异构模型的混合仿真,通过信息-物理空间的模式选择与时序配置,实现信息与能量的交互以及离散与连续过程的协调.理论上,协同仿真平台可以仿真的系统规模由原有电力与通信程序决定,抽象的系统运行和动态行为接近真实系统,但关键是要解决2种仿真器的交互模式和同步运行,不可避免存在仿真系统规模、仿真速度、计算精度和数值稳定性等方面的问题[6-7].

文献[8]中率先提出结合通信网络与电力系统的仿真器EPOCHS,集成了电磁暂态仿真器PSCAD/EMTDC、机电暂态仿真器PSLF以及网络仿真器NS2,通过精心设计的软件协调器在固定的同步点进行数据交互.由于发生的事件需要在高速缓存中等到同步点时才能被处理,所以同步时间间隔的选取决定了仿真的系统规模和计算精度.文献[9]中采用全局事件驱动机制集成电力系统仿真器PSLF与网络仿真器NS2,建构电力和通信的协同仿真平台GECO,其由全局事件调度器以时间为基准进行协调,全局事件列表中有根据时间戳混合编排的通信网络事件和离散化电力系统事件.在这种同步机制中,由于事件或交互请求能够得到及时处理,所以同步精度提高,但是随着系统规模增大,接口的交互信息量随之大幅度增加,仿真速度会成为GECO的瓶颈.文献[10]中构建智能电网仿真器SCORE,将电力网络的直流潮流分析技术与开源实时网络仿真器CORE相结合,采用分布式并行计算技术以提高实时性.文献[11]中在电力系统实时仿真器RTDS中集成IEC61850通信协议,以实现基于本地信息的全数字化继电保护闭环测试.当然,在电力和通信部分均构建实时仿真单元并采用实时数据交换,其技术难度显而易见[12-14].

由于成熟的仿真器并不是用以相互集成的,它们一般具有自完备性,所以容纳异构模型的能力弱,同步运行两个仿真器更是一个具有挑战性的问题.而且即使在较为成熟的协同仿真方法的最新研究中,都没有考虑电力信息系统的详细模型[15],如GECO和EPOCHS中只是简单利用通用用户数据报协议和传输控制协议,实现具有固定带宽和传输延迟的静态网络设置[16],显然这种协同仿真方法无法充分模拟新型电力系统的实际工程案例.

从物理层面来看,电力系统连接方式和形态结构短期内必然难以发生根本性变化,因为一次环节由各类能量传输介质和设备组成,建设涉及大量资金投入,除非出现重大技术革命,否则一次环节的形态结构演变相对缓慢;与一次环节相比,二次环节资金投入占比较小,却能对整个系统效能提升起到决定性作用[17],这也是电网数字化转型的原动力.ICT的广泛介入将使量测能力大大加强,系统可以充分利用量测冗余,更准确地分析系统的运行状态,实现系统态势感知和状态预警.为此,本文首次提出构架于ICT上的电力二次系统的仿真模拟方法.

本文以功能描述复杂的智能变电站自动化系统(substation automation system, SAS)为研究对象,提出电力一次系统和二次系统的仿真关联方法,解决二次系统仿真数据源问题.相比于协同仿真框架而言,避免了繁杂的电力与通信异构软件接口难题,可以充分扩展系统仿真规模.进一步面向对象基于统一建模语言(unified modeling language, UML)提出电力二次系统仿真设计方法,从系统级、元件级和模块级3个层次解构SAS,实现实际电气量信息在电力二次系统中的完整模拟.

1 电力二次系统仿真与一次系统的关联方法

所提关联电力一次系统运行状态的电力二次系统仿真方法不同于协同仿真实现电力和通信2种异构仿真器的实时同步运行,是基于对CPPS深入研究后更实际的想法,CPPS耦合依赖于系统的闭环性.从宏观上看,能量流与信息流并不全局耦合,当电力系统与信息系统满足各自不同的流动规律开环运行时,可以相互解耦进行分析;能量流与信息流只有在闭环时相互作用,才有必要采用耦合分析方法[3-4,18].

电力一次系统动态模拟只关心二次系统关键信息(保护控制)传输的传输时延或报文丢失等性能,如果将电力系统仿真器与通信系统仿真器时刻同步运行,则频繁的数据交互实现难度大且消耗仿真成本,不利于仿真效率和仿真规模提高.因此,只需在关键节点上同步数据即可,如电力一次系统发生故障时何时收到基于通信传输的继电保护跳闸指令从而实现一次系统状态转换,如此可以充分刻画二次系统的智能电子设备(intelligent electronic device, IED)功能和协议传输细节,从而发挥一次系统和二次系统2种仿真器各自的优势.

为在电力二次系统中模拟一次系统实际电气量数据的传输及其在SAS中的处理过程,需要在一次系统仿真后输出运行数据,再导入二次系统仿真中;采用电力与信息2种仿真器相对独立解耦运行和线下数据交互的仿真方法,在保护控制实现CPPS闭环时刻进行数据同步.电力一次系统的仿真原理不再赘述,由于二次信息传输报文含有实际电气量内容,所以可以实现一次和二次关联业务的模拟.

1.1 仿真实现框架

智能变电站[19-21]实现了全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化,意味着变电站二次系统完全构架于 ICT 之上,变电站二次系统与变电站自动化系统的覆盖范畴相同.智能变电站是新型电力系统的重要节点,其承载的二次设备、二次业务众多,功能复杂,而且基于IEC61850标准的信息模型非常繁杂,解析难度远高于目前的调度自动化和配网自动化系统.以智能变电站为例,电力一次和二次关联的非实时主从式仿真架构如图1所示.图中:MMS表示制造报文规范通信协议;SV表示采样值报文;GOOSE表示面向通用对象的变电站事件;DS表示数据同步管理.

图1

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图1   仿真实现框架

Fig.1   Framework for implementing simulation


在电力系统仿真软件中搭建电力一次网络,并模拟一次系统发生故障后的动态过程.设定电气量数据的采样频率,一次系统状态基于采样频率等步长离散化,获得由时间标列和若干通道电气量数据列构成的运行数据文件,电气量数据列包含电压电流模拟量与开关投切状态的开关量数据.仿真完成后生成记录全过程的数据文件.

在电力二次系统仿真软件中对通信网络拓扑、电力通信协议、智能电子设备IED功能进行建模.二次系统的信息采集单元与一次系统仿真获得的数据文件的各通道数据进行一对一信息读取,实现对电力系统运行状态的感知交互;然后依据电力通信传输协议封装和发送报文,由相应的IED元件解析报文后实现相应的功能操作,模拟二次通信网络中数据包的流动和节点设备内部的处理过程;二次系统仿真结束后,输出报文的传输路径和时延等,实现信息流静态和动态分析,以及保护控制的跳合闸指令以实现电力一次系统运行状态的转换,模拟智能电网的通信与决策研判动作机制.

1.2 数据交互方法

一次系统仿真生成的数据文件存放至指定地址.由智能变电站规范功能映射可知,电子式互感器或合并单元和智能终端分别处理一次系统模拟量及开关量数据,是实现一、二次系统信息交互的桥梁.假定单个间隔内实际互感器个数h∈[0,12],各互感器开辟内存空间RET,i保存列数据.数据文件可写作一个数据集:

$\boldsymbol{X}=\left[\begin{array}{cccc} x_{11} & x_{12} & \cdots & x_{1 n} \\ x_{21} & x_{22} & \cdots & x_{2 n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ x_{m 1} & x_{m 2} & \cdots & x_{m n} \end{array}\right]$

该矩阵对应m个采样时刻有m行采样点数据,其中,$[{x}_{11}{x}_{21}\dots {x}_{m1}{]}^{\mathrm{T}}$为时标列,还包括三相电压、三相电流、零序电压、零序电流等n-1个通道模拟量和开关量数据列.数据的采样频率f可由时标求算,即有f=1/(x21-x11).

电子式互感器初始化完成后,按时间戳顺序从RET,i内拾取数据,封装成电子式互感器报文,报文需绑定控制信息以供信宿识别数据特征.控制信息有${\mathrm{Y}}_{\mathrm{E}\mathrm{T},\mathrm{i}}=\left\{\mathrm{c},\mathrm{w},\mathrm{f},\mathrm{e}\right\}$,是一个布尔型变量,其中c为发送数据编号,w为数据类型,e为数据获取结束标签,用于判断缓存的数据集是否发送完毕,e为TRUE表示已数据发送完,如果此时二次系统未结束仿真则继续运行至仿真结束.

同理,智能终端模型读取一次系统仿真产生的数据文件中开关量列数据并缓存.电力一次系统仿真可以设置N次故障,根据N次故障将数据分割成n+1个数据集.当前一组数据集仿真完后紧接着读取下一组数据集进行仿真.

1.3 数据同步管理

所提仿真方法实现的关键在于数据同步管理.以保护功能实现CPPS闭环为例,具体而言就是要根据二次系统的信息传输性能,判断断路器跳闸的具体时刻以及跳闸后的数据处理.在智能变电站中,从故障发生到断路器跳闸的时延很大程度上取决于信息流的到达规律,主要由二次系统中继电保护的动作时间、报文传输速率和智能终端的反应速度等信息传输性能决定.

显然,一次系统故障切除时间应该以二次系统的仿真结果为准.一次系统仿真时预先设置的故障后断路器跳闸时间与二次系统仿真得出的实际跳闸时间一般不相同,会产生数据错位问题,本文根据跳闸时刻实现数据同步,如图2所示.图中:t为时刻.智能终端通过读取开关量信息获取一次系统仿真时预先设置的断路器跳闸时刻;当二次系统仿真中智能终端发出跳闸指令模拟断路器实际跳闸后,将以一次系统仿真中的预先设置跳闸时刻为新起点接着读取一次系统的运行数据,即下一个数据集,从而可以持续模拟故障切除后二次系统运行工况.

图2

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图2   数据同步管理流程

Fig.2   Management process of data synchronization


结合图2具体说明所提数据同步模式.智能终端在仿真开始时刻解析数据文件后,计算并记录预先设置的跳闸时刻所在步数:

$\begin{array}{c}D=\frac{{t}_{\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}}}{{t}_{1}-{t}_{0}}+\delta \left(t\right)\end{array}$

式中:${t}_{\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}}$为预先设置的跳闸时刻,由智能终端模型遍历三相开关量数据获得;$\delta \left(t\right)$为修正量;t1-t0为计算所得的采样间隔.计算所得步数D和变位标记flag一起注册到全局数据库,全局数据库内存由仿真内核进行分配,可被仿真系统的其他IED节点如合并单元访问.仿真从t0开始运行,互感器每次发送采样数据前均先访问全局数据库检查,在故障发生前按一次系统采样步长取栈内数据发送.若t2时刻读取到故障数据,保护单元设置的保护算法检测到故障并发送跳闸指令,二次系统经过总延时$\mathrm{\Delta }t$后命令断路器动作,$\mathrm{\Delta }t$包括保护单元动作时延tp、报文网络传输时延tl,智能终端处理时延ti以及断路器动作时延tb,则二次系统于t3时刻访问全局数据记录的步数D,直接跳到对应时刻读取电力系统跳闸后数据,由此实现一次数据同步.若有N次故障,则同样实现N次同步,依次读取n+1个数据集.

电力一次系统和二次系统仿真的关联方式如图3所示.采用这一数据同步管理模式后,可以独立考虑一次系统和二次系统的动态过程.一次系统仿真的故障条件,包括考虑不同故障位置、过渡电阻、故障时刻等可以设置得复杂多变;对应二次系统仿真中模拟量的采样值大小并不会改变报文传输特性.二次系统的动态特性由保护控制动作特性和开关量状态变化引起,当它反作用于一次系统后,对同一故障的后续一次暂态过程就包含在下一个数据集中由二次系统持续模拟,从而实现电力与信息2种仿真器的相互解耦独立运行.

图3

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图3   电力一次和二次系统仿真的关联方式

Fig.3   Simulation interrelated method for power primary and secondary systems


2 基于UML的SAS仿真设计方法

IEC61850采用面向对象的思想对变电站自动化功能进行统一建模,将IED的信息模型以分层的结构化类模型进行描述,其层次结构自上而下分别为服务器(SERVER)、逻辑设备(LOGICAL-DEVICE)、逻辑节点(LOGICAL-NODE)以及数据(DATA),每一层的类模型由若干下一层的类模型组合而成,而最底层的DATA类又由若干数据属性(DataAttribute)组成.这种信息建模方法可以解决实际工程项目的SAS互联互通互操作问题,然而直接应用到二次系统仿真建模时存在电气功能不明晰的缺点.

IEC61850标准将完成电气功能的IED之间交互虚拟为IED下逻辑节点之间的交互,如实现保护功能需要采集执行单元发送SV报文给保护单元,虚拟为采集执行单元的某一逻辑节点给保护单元的某一逻辑节点发送SV报文,显然这并不契合电气专业常识.本文设计二次系统仿真时,在网络域系统级层面进行IED之间数据交互,在节点域元件级层面进行IED功能设计,在进程域模块级层面完成IED功能的状态设计,如图4所示,图中intializatic表示初始状态;idle表示空闲状态;FT3表示SV报文转化模块;svsend表示SV报文上送模块;end表示结束状态;receive表示收到报文状态;other表示其他报文.

图4

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图4   系统级-元件级-模块级的二次系统仿真设计示意图

Fig.4   Design diagram of secondary system simulation at system level, component level, and module level


UML从对象交互逻辑、系统的静态组成以及对象状态转移等多视角对系统进行剖析与设计,可以实现具有复杂数据交互且实时性要求的信息系统的精细化与高效化建模.提出基于UML的智能变电站二次系统仿真设计方法,将IEC61850协议框架下的服务器-逻辑设备-逻辑节点-数据的4层模型结构映射到网络域-节点域-进程域的3层建模体系上.自上而下对应为:使用顺序图对二次业务互操作功能进行系统级交互设计,实现各IED元件交互逻辑可视化;使用类图对IED元件进行模块类设计,实现各IED元件的模块结构可视化;最后,使用状态图对模块类的所有可能状态以及由于各种事件触发的状态转换进行设计,实现模块类在事件驱动下的动态行为可视化.

2.1 系统级交互设计

作为自上而下建模过程的第一步,在对各IED进行具体设计之前,需要对IED之间的交互方式、交互的信息以及各消息传递的顺序进行分析.顺序图也称序列图,描述了场景中各对象交互的行为顺序,强调信息交互的时间顺序.运用UML顺序图对稳态场景和故障场景下智能变电站继电保护交互流程进行设计,如图5和6所示.图中以时间顺序关系描述了仿真系统中各对象类的交互流程,垂直的虚线称为对象的生命线,表示对象在一段时间内存在;生命线上的矩形是对象的激活条,表示对象执行相应操作的时间段;最后,消息(信息的传递或操作的调用)沿着从一个对象类指向另一个对象类生命线的带箭头线传递,消息在图中的上下位置决定传递时间的先后顺序.图中:ODB表示OPNET 的仿真测试工具,()表示函数.

图5

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图5   稳态场景下的继电保护交互流程

Fig.5   Interaction process of relay protection in steady-state scenario


图6

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图6   故障场景下的继电保护交互流程

Fig.6   Interaction process of relay protection in fault scenario


对智能变电站二次系统继电保护互操作功能实现而言,电子式互感器读取一次系统仿真生成的数据文件,封装并发送电子式互感器数字输出规范的FT3报文至采集执行单元,即合并单元结合智能终端的功能整合单元,采集执行单元将各路FT3报文整合为SV报文并发送给保护单元,保护单元读取SV报文中的电气量数据,执行保护算法判断系统是否发生故障.若系统发生故障,保护单元向采集执行单元发送跳闸GOOSE报文并以变周期规律重发;采集执行单元收到跳闸GOOSE报文之后,在设定的断路器动作延时tb后执行跳闸命令,对应开关变位后以变周期规律返回变位开入量GOOSE报文,并在变周期达到心跳周期后恢复发送心跳GOOSE报文.图5和6中省略FT3报文、SV报文及GOOSE报文的若干次变周期或心跳发送过程.具体场景下变电站二次业务交互流程可以通过解析变电站配置描述文件建立.

2.2 元件级类设计

类作为面向对象开发中的最基本概念,是对一组具有相同状态特征和行为特征事物的抽象集合,类的属性描述了类在软件系统中代表的对象具备的静态特征,类的操作描述了类代表的对象具备的动态特征.在IEC 61850的分层建模思想中,虽然采用了面向对象的类的建模方法,但是深入到逻辑节点进行建模,难以在电气设备功能层面清楚地显示IED的信息处理过程,逻辑节点功能过于分散的特点也会为仿真程序的实现带来负担.而且各逻辑设备功能的实现往往基于相同的信息输入,如保护逻辑设备以及故障录波逻辑设备功能的实现,均需对合并单元输入的采样值报文进行处理,如果基于逻辑设备进行仿真建模,则需要将输入的信息复制到不同的输出模块进行处理,会造成算法的冗余并严重降低信息处理效率.

因此,提出基于IED功能及信息输入/输出的元件级类设计方法,如图7所示.类属性需要整合相关的逻辑节点功能,类操作则根据对象的信息处理流程进行建模.以采集执行单元为例,其信息交互类型有接收报文(FT3、GOOSE)和发送报文(SV、GOOSE),整理其信息交互动作及内容如表1所示.1个IED元件至少有报文发送与接收两大类,进一步解析采集执行单元的功能后,其类设计表示如图8所示.图中英文语句模块中数据对象或函数程序如Name: String表明String格式的Name数据对象,GetAllAttribute()为函数程序.

图7

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图7   元件级类设计示意图

Fig.7   Component-level class design


表1   采集执行单元信息交互动作及内容

Tab.1  Information exchange actions and substances of acquisition and execution units

交互动作基本内容
1接收FT3报文、提取模拟量信息
2接收GOOSE报文、提取开关量信息
3周期性发送SV报文
4周期性发送心跳GOOSE报文
5发生故障时变周期发送变位GOOSE报文

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图8

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图8   采集执行单元的类设计

Fig.8   Class design for acquisition and execution units


2.3 模块级状态设计

状态图是一种UML图,用于描述对象状态及状态转换的关系.它通过建立对象的生命周期模型,刻画对象随时间变化的动态行为,表现为一个对象所经历的状态序列、引起状态转移的事件,以及状态转换过程中执行的动作.以采集执行单元中的报文接收处理模块类为例,通过分析其状态、事件及动作,整理报文接收模块类各状态与对应动作,如表2所示,并利用UML状态图对报文接收处理模块设计如图9所示.表中:空白表示无相应动作或活动.

表2   报文接收处理模块类的状态与动作

Tab.2  States and actions of message receiving and processing module class

状态名描述进入动作内部活动出口动作
初始状态运行前的最初状态
初始化状态进行属性的读取与变量的解析初始化GetAllAttributesArrangeSelflnterruption.
空闲状态等待报文的到达或仿真结束
报文接收状态对报文进行类型判别,决定跳转状态GetPacketPacketTypeJudmentStatusJump
GOOSE 报文处理状态对 GOOSE 报文进行处理GetPacketGooseProcessing InformGooseSend. WriteStatisticsDestroyPacket
FT3 报文处理状态对 FT3 报文进行处理GetPacketGooseProcessing InformSvSend. WriteStatisticsDestroyPacket
其他报文处理状态对非法报文进行销毁GetPacketWriteStatistics+DestroyPacket

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图9

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图9   报文接收处理模块类状态图

Fig.9   State of message receiving and processing module class


3 保护动作流程仿真算例

为验证所提关联一次系统运行状态实现电力二次系统仿真的方法,设计了一个由220、110、10 kV三侧组成的主变间隔在一次系统发生故障时的保护动作场景.在一次系统仿真软件PSCAD中,设置主变110 kV 出口在2 s时刻发生三相短路故障,如图10所示.图中:Line表示架空线;Relay表示继电保护装置;Fault表示故障.由此得到主变三侧电流、断路器开关的仿真结果,如图11所示.图中:IA~IC为ABC三相电流;${U}_{\mathrm{b}\mathrm{u}\mathrm{s}}$为母线电压;I0为零序电流;BrA~BrC表示断路器.在二次系统仿真软件OPNET中设置仿真拓扑如图12所示,三侧智能终端读取PSCAD仿真数据中对应断路器的开关量数据,各侧电子式互感器按4 kHz采样频率读取一次系统运行的电流数据;电气量数据根据智能变电站通信规范经过网络传输到达保护单元,保护单元执行两折线电流差动保护算法;GOOSE报文的心跳间隔为 5 s,变周期GOOSE报文最小间隔为2 ms;设置断路器跳闸延时为40 ms,以模拟断路器固有分闸时延.

图10

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图10   PSCAD模拟一次系统的主变故障

Fig.10   A main transformer fault of power primary system in PSCAD


图11

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图11   一次系统仿真输出数据

Fig.11   Data output of power primary system simulation


图12

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图12   主变保护仿真拓扑

Fig.12   Simulation topology of transformer protection


二次系统仿真时,从互感器读取的电流数据拟合的波形如图13(a)所示,在2 s短路发生时三相电流突变,智能终端开出量仿真结果图13(b)所示.基于时延探针所得结果,经整理可得主变各侧间隔仿真中各报文收发关系及其时延如表3所示.

图13

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图13   二次系统仿真输出结果

Fig.13   Simulation results of secondary systems


表3   主变间隔报文时延

Tab.3  Packet delay in transformer bay

发送端设备接收端设备总时
延/ms
主变220 kV电子式互感器220 kV侧合并单元0.145
主变110 kV电子式互感器110 kV侧合智一体化设备0.145
主变10 kV电子式互感器10 kV侧合智一体化设备0.145
220 kV侧合并单元保护单元0.426
110 kV侧合智一体化设备保护单元0.394
10 kV侧合智一体化设备保护单元0.384
保护单元220 kV侧智能终端0.434
保护单元110 kV侧合智一体化设备0.419
保护单元10 kV侧合智一体化设备0.412
220 kV侧智能终端保护单元0.434
110 kV侧合智一体化设备保护单元0.434
10 kV侧合智一体化设备保护单元0.410

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在仿真过程中主变保护单元和三侧智能终端、合智一体化模型输出的语句如算法1所示.


可见,主变110 kV出口处2 s时发生短路故障,电流差动保护于 2.00233 s启动,220 kV、110 kV 和10 kV侧智能终端及合智一体化(间隔编号分别为1,2,3)分别于 2.00277、2.00275 和 2.00274 s 第1次接收到保护单元下发的跳闸报文,各侧断路器经过40 ms固有延时后跳闸.保护单元、智能终端及合智一体化设备均按重发机制发送GOOSE报文.

运用所提电力二次系统仿真方法构建的继电保护方案,切合智能变电站IEC 61850标准,可以关联电力一次系统运行状态,全方位刻画二次保护启动过程、保护方案各个阶段的发生时刻以及智能终端的动作流程,能够很好地模拟电力系统故障时二次系统的运行工况和动作行为.

4 结语

本文面向新型电力系统的信息-物理架构,从仿真实现框架、数据交互方法和数据同步管理3个角度阐明所提出的电力二次和一次系统非实时主从式仿真方法;进一步针对智能变电站二次系统,提出将IEC61850标准下的4层信息模型结构映射到网络域-节点域-进程域的3层建模体系方法,基于统一建模语言UML实现对应的系统级交互设计、元件级类设计和模块级状态设计;最后,通过仿真实现电网一次系统故障场景下二次系统的保护动作逻辑.所提仿真方法为关联电力一次系统运行状态,实现基于ICT的二次动态运行行为提供了更真实的描述和更充分的模拟,为新型电力系统下电力二次方案设计和功能算法提供了有效的测试验证工具.该仿真方法借由实时技术的加持,有望实现电力二次系统的数字孪生,从而为涵盖二次系统的新型电力系统相关理论和应用问题的深入研究提供数字化分析手段,强化电力系统的安全稳定运行.

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构建以新能源为主体的新型电力系统，既是我国电力系统转型升级的重要方向，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键途径。本文分析了电力系统转型带来的变化、问题及挑战，阐述了新型电力系统的内涵、构建原则与思路；根据电力系统发展的技术特征、新能源接入规模，合理划分新型电力系统的发展阶段并针对性提出各阶段的发展建议。研究认为，新型电力系统以新能源为电能供给主体，可满足不断增长的清洁用电需求，兼具高度的安全性、开放性、适应性；相关系统构建是一项系统性工程，应遵循电力系统的技术演进规律与特征，充分利用成熟技术、存量系统并深入挖掘潜力，同步着力研发新兴技术，积极稳妥并循序渐进实施重大转型。

SHU Yinbiao, CHEN Guoping, HE Jingbo, et al.

Building a new electric power system based on new energy sources

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Building a new electric power system that is based on new energy sources is an important direction for power system transformation and upgrading in China, and it is critical for peaking carbon emissions and achieving carbon neutrality. In this study, we analyze the changes and challenges that are brought by power system transformation and elaborate on the connotation and building principles of a new electric power system. Moreover, we categorize the development of the new system into stages and propose development suggestions for each stage considering the technical features of the system and the new energy access scale. The new electric power system proposed in this study can satisfy the increasing demand for clean power as it primarily uses new energy sources and it has the features of high safety, openness, and adaptability. Building the new electric power system should follow the technical evolution law and characteristics of power systems; it should further exploit the potentials of mature technologies and current power systems. Meanwhile, emerging technologies should be researched and developed.

陈文溆乐, 向月, 彭光博, 等.

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为了模拟双碳目标对电力系统供给侧形态发展的影响,通过分析电源结构转型过程中碳排放的主要影响因素及其相关关系,构建4种不同发展情景的系统动力学模型.仿真分析了4种发展路径下发电结构、电力碳排放的演化趋势.结果表明:电力系统能源供给侧形态发展受多种因素的共同影响,在政策大力支持的前提下,市场消纳机制和消纳技术的发展促进电力系统发电结构的转型,对双碳目标的实现具有重要意义.

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