CN105527858A - 一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，包括：数据采集监控装置，用于在线获取来自电网的现场数据；电力***实时数字仿真装置，用于根据所述数据采集监控装置实现智能电网一次***的实时数字仿真；可编程逻辑控制器，用于生成自动发电控制算法控制所述电力***实时数字仿真装置；TCP/IP实时通信装置，用于实现电力***实时数字仿真装置与数据采集监控装置和可编程逻辑控制器的通信。与现有技术相比，本发明具有可以实时仿真、适应性高等优点。

Description

一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***
技术领域
本发明涉及电力***硬件在环仿真技术，尤其是涉及一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***。
背景技术
随着我国国民经济的持续快速发展，我国对能源的需求日益增加，而传统的化石燃料使用也带来了严峻的资源、环境压力，以传统的化石燃料为主的能源供应***是不可持续发展的。以风电、光伏为代表的可再生能源发电技术有零碳排放、能源利用效率高等特点而得到迅速发展。风电发电是目前技术最成熟、最具发展潜力的可再生资源发电技术，全世界范围内，风电渗透率在迅速上升。美国能源部制定了风电占美国能源结构的比重的目标，到2030年将达20％、到2050年将达35％；欧盟有风电占欧盟电力需求量的比例的目标，到2030年将达28.5％、到2050年将达50％；我国有风电在电源结构中的比例的目标，到2030年将达15％、到2050年将达26％。但是，随着风电渗透率的不断提高，风电的随机性和间歇性给电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。对于大规模的风电消纳而言，提高风电输出功率的稳定性、平衡***发电功率和负荷消耗功率的研究正受到重视。燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP,Gas-SteamCombinedCyclePowerPlant)技术具有高效率、低污染、低水耗、启动快、大容量等特点以及快速的出力调节能力，在智能电网中对于平滑风电功率和负荷带来的联络线交换功率的波动具有重要意义。因此，需要采用自动发电控制(AGC,AutomaticGenerationControl)技术，用来满足调度的需求和***安全运行。智能电网中自动发电控制和涉及可再生能源的调度计划的研究需要新的仿真工具来进行仿真研究。现有的电力***仿真装置不能独自地满足智能电网中对***规模、实时仿真、在线仿真、复杂算法等仿真要求，因而需要采用不同类型的电力***仿真装置来进行混合仿真，以构成硬件在环仿真平台，实现智能电网中更为有效的仿真方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以实时仿真、适应性高的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，包括：
数据采集监控装置，用于在线获取来自电网的现场数据；
电力***实时数字仿真装置，用于根据所述数据采集监控装置实现智能电网一次***的实时数字仿真；
可编程逻辑控制器，用于生成自动发电控制算法控制所述电力***实时数字仿真装置；
TCP/IP实时通信装置，用于实现电力***实时数字仿真装置与数据采集监控装置和可编程逻辑控制器的通信。
所述电力***实时数字仿真装置仿真的智能电网一次***包括大规模可再生能源发电***、常规发电***、燃气-蒸汽联合循环发电***、输配电网络和负荷。
所述电力***实时数字仿真装置进行智能电网一次***的仿真时，在线跟踪来自数据采集监控装置的实时数据进行实时仿真或离线利用数据采集监控装置的历史数据进行历史回放仿真。
所述电力***实时数字仿真装置内设有用于跟踪智能电网一次***内可再生能源的有功输出的波动性电源有功功率跟踪接口。
所述波动性电源有功功率跟踪接口包括dq解耦控制器。
所述电力***实时数字仿真装置包括RTDS装置。
所述可编程逻辑控制器生成的自动发电控制算法包含3个时间尺度的调度：日前调度、经济调度和区域控制偏差调节，通过所述3个时间尺度的调度实现电力***实时数字仿真装置中仿真的智能电网一次***的发电和负荷的平衡控制。
所述TCP/IP实时通信装置支持的通信协议包括IEC60870-5-104协议。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明的电力***实时数字仿真装置实现包含大规模可再生能源发电***、常规发电***、燃气-蒸汽联合循环发电***、输配电网络和负荷等在内的智能电网一次***的仿真，能够充分利用不同电力***仿真装置的优点，构成满足智能电网仿真需求的硬件在环仿真***，能够满足智能电网仿真对***规模、实时性、在线仿真、复杂算法等要求，具有广泛的适应性。
2)本发明电力***实时数字仿真装置使用RTDS装置，具有可以实时仿真、可以与外部设备构成灵活的数字-物理闭环***的特点。
3)本发明采用可编程逻辑控制器生成自动发电控制算法控制电力***实时数字仿真装置的运行，可以灵活地改变自动发电控制策略，从而提高自动发电控制仿真的效率。
4)本发明电力***实时数字仿真装置根据SCADA***的数据进行仿真，SCADA***可在线地获取现场数据，从而利用实测数据来验证自动发电控制策略的有效性。
5)本发明TCP/IP实时通信装置支持IEC60870-5-104协议，该协议具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持网络传输、数据带时间标签等特点，用来实现RTDS和PLC之间的双向实时通信，利于自动发电控制仿真的数据交换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为波动性电源有功功率跟踪接口原理图；
图3为仿真的智能电网一次***结构图；
图4为自动发电控制算法原理图；
图5为RTDS中波动性电源有功功率跟踪接口的模型图；
图6为波动性电源有功功率跟踪接口仿真结果曲线图；
图7为自动发电控制仿真结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，包括数据采集监控装置1、电力***实时数字仿真装置2、可编程逻辑控制器3和TCP/IP实时通信装置4，其中，数据采集监控装置1用于在线获取来自电网的现场数据；电力***实时数字仿真装置2用于根据数据采集监控装置实现智能电网一次***的实时数字仿真；可编程逻辑控制器3用于生成自动发电控制算法控制电力***实时数字仿真装置；TCP/IP实时通信装置4用于实现电力***实时数字仿真装置与数据采集监控装置和可编程逻辑控制器的通信。
本实施例中，电力***实时数字仿真装置2采用RTDS装置，该装置具有如下特点：
(1)实时数字仿真计算：即利用现代并行计算技术，通过硬件平台实时模拟实际电力***的运行情况；
(2)网络通信：即能够支持不同的网络通信协议，能够和其他设备进行网络通信、进行数据交换。
电力***实时数字仿真装置2仿真的智能电网一次***包括大规模可再生能源发电***、常规发电***、燃气-蒸汽联合循环发电***、输配电网络和负荷等。电力***实时数字仿真装置进行智能电网一次***的仿真时，在线跟踪来自数据采集监控装置的实时数据进行实时仿真或离线利用数据采集监控装置的历史数据进行历史回放仿真。
电力***实时数字仿真装置2内设有用于跟踪智能电网一次***内可再生能源的有功输出的波动性电源有功功率跟踪接口21。电力***实时数字仿真装置2中利用可控电压源来代替风电厂、光伏电厂等波动性电源，并利用dq解耦控制算法来实现波动性电源有功功率跟踪接口，使得可控电压源与可再生能源发电厂有相同的外部特性。波动性电源有功功率跟踪接口21的原理如图2所示。首先从电网侧获得三相电压、电流，通过帕克变换得到dq轴电压、电流，由dq轴电压和实际可再生能源发电功率可以计算得到dq轴参考电流：
{ i d r e f = 2 3 u d P o r d + u q Q o r d u d 2 + u q 2 i q r e f = 2 3 u q P o r d - u d Q o r d u d 2 + u q 2 - - - ( 1 )
利用电流前馈解耦控制：
v d = - ( K p + K i s ) ( i d r e f - i d ) + u d + ωLi q v q = - ( K p + K i s ) ( i q r e f - i q ) + u q - ωLi d - - - ( 2 )
可以得到dq轴的控制电压，最后通过帕克反变换，回到三相静止坐标系，得到三相电压控制信号，用来控制电压源。
数据采集监控装置1(SCADA,SupervisoryControlAndDataAcquisition)可采用SIMATICWinCC。
可编程逻辑控制器3生成的自动发电控制算法包含3个时间尺度的调度：日前调度、经济调度和区域控制偏差调节，通过3个时间尺度的调度实现电力***实时数字仿真装置中仿真的智能电网一次***的发电和负荷的平衡控制。可编程逻辑控制器3可采用BECKHOFFPLC，首先在MATLAB/Simulink环境中搭建和测试自动发电控制算法的仿真模型，然后利用TwinCAT3软件无缝地整合Simulink模型，最后在BECKHOFFPLC中执行自动发电控制算法，采用可编程逻辑控制器，可以灵活地改变自动发电控制策略，从而提高自动发电控制仿真的效率。
TCP/IP实时通信装置4支持的通信协议包括IEC60870-5-104协议。TCP/IP实时通信装置4包括RTDS装置的GTNET卡，作为通信从站，SCADA和PLC作为通信主站。IEC60870-5-104协议是基于TCP/IP的网络通信，具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持网络传输、数据带时间标签等优点，是在电力***领域应用广泛的通信协议。RTDS通过GTNET卡和SCADA、PLC进行通信。RTDS可以在线地获取来自SCADA服务器的可再生能源发电厂和负荷的数据，也可以回放历史数据。通过IEC60870-5-104协议，RTDS将自动发电控制算法所需的数据发给PLC，而PLC将控制命令反馈给RTDS，实现了RTDS和PLC的双向实时通信，构成了硬件在环仿真。
以下以崇明岛电网为实例进行硬件在环仿真，具体如下：
1)电力***实时数字仿真装置
在RTDS中仿真的智能电网一次***的结构图如图3所示。崇明岛电网中包括大型风电厂、燃气-蒸汽联合循环发电厂、变电站以及等效负荷，通过联络线和上海电网、江苏电网相连。通过整合崇明岛上的发电厂、负荷等，可以把崇明岛当做一个等效的发电厂来参与***调度。在RSCAD中的draft中搭建如图3所示的仿真***，其中负荷用可控负荷表示，风电厂用可控电压源代替，并用波动性电源有功功率跟踪接口来跟踪风电厂的实际出力。
2)可编程逻辑控制器
在BECKHOFFPLC中仿真的自动发电控制算法的原理图如图4所示。首先在MATLAB/Simulink环境中搭建和测试如图4所示的控制算法，然后嵌入BECKHOFFPLC中，在PLC中运行控制策略。本发明的自动发电控制算法包含3个时间尺度的调度：日前调度、经济调度、区域控制偏差(ACE,AreaControlError)调节。通过对日前调度计划、超短期负荷预测、风功率预测进行优化计算，可以得到实时调度信号；实时调度利用了最新的风功率预测值，并且考虑了燃气-蒸汽联合循环发电厂的运行成本、启动和停机的持续时间及爬坡率限制。ACE调节的目的是实时平衡发电和负荷。AGC信号每6秒发送给RTDS，改变燃气-蒸汽联合循环发电厂的出力。
3)基于TCP/IP的实时通信
RTDS通过GTNET卡和其他设备进行网络通信，通过IEC60870-5-104协议，GTNET卡支持1024个数字状态量、512个数字控制量、500个模拟状态量、100个模拟控制量，GTNET是从站；SCADA和PLC是主站，需要根据GTNET进行通信设置，从而能和GTNET进行通信。此外，在RTDS中还要定义一个“点表”来和主站的数据进行匹配。
4)波动性电源有功功率跟踪接口
利用RTDS中的CBuilder组件可以对波动性电源有功功率跟踪接口进行封装，如图5所示。在MATLAB/Simulink环境中搭建和测试图2所示的波动性电源有功功率跟踪接口，并生成c代码，CBuilder导入c代码并生成封装模型。最终的封装模型输入为电网侧三相电压、电流、需要跟踪的风功率，输出结果为三相电压控制信号，用来控制电压源。
5)仿真结果
A、波动性电源有功功率跟踪接口跟踪效果
波动性电源有功功率跟踪接口跟踪效果如图6所示。图中红色曲线Pord为实际风功率，而黑色曲线Pm为跟踪的风功率数据，可知跟踪的风功率和实际风功率的结果基本一致，故可用可控电压源来代替风电厂，用波动性电源有功功率跟踪接口模块来跟踪风电厂的实际出力。
B、自动发电控制效果
实际联络线功率跟踪调度曲线结果如图7所示。图中蓝色实线为计划调度曲线，而红色虚线是实际联络线功率，且联络线功率偏差在1％以内的概率为99.42％，可知大规模可再生能源接入智能电网时自动发电控制策略效果明显，满足电力***调度要求。
为了研究大规模可再生能源接入智能电网时自动发电控制策略的有效性，本发明提供一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真方法，仿真结果显示本发明利用硬件在环仿真方法研究大规模可再生能源接入智能电网时自动发电控制策略的有效性，本发明能够满足智能电网仿真对***规模、实时性、在线仿真、复杂算法等要求，具有广泛的适应性。

Claims (8)

1.一种智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，包括：
数据采集监控装置，用于在线获取来自电网的现场数据；
电力***实时数字仿真装置，用于根据所述数据采集监控装置实现智能电网一次***的实时数字仿真；
可编程逻辑控制器，用于生成自动发电控制算法控制所述电力***实时数字仿真装置；
TCP/IP实时通信装置，用于实现电力***实时数字仿真装置与数据采集监控装置和可编程逻辑控制器的通信。
2.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述电力***实时数字仿真装置仿真的智能电网一次***包括大规模可再生能源发电***、常规发电***、燃气-蒸汽联合循环发电***、输配电网络和负荷。
3.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述电力***实时数字仿真装置进行智能电网一次***的仿真时，在线跟踪来自数据采集监控装置的实时数据进行实时仿真或离线利用数据采集监控装置的历史数据进行历史回放仿真。
4.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述电力***实时数字仿真装置内设有用于跟踪智能电网一次***内可再生能源的有功输出的波动性电源有功功率跟踪接口。
5.根据权利要求4所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述波动性电源有功功率跟踪接口包括dq解耦控制器。
6.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述电力***实时数字仿真装置包括RTDS装置。
7.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述可编程逻辑控制器生成的自动发电控制算法包含3个时间尺度的调度：日前调度、经济调度和区域控制偏差调节，通过所述3个时间尺度的调度实现电力***实时数字仿真装置中仿真的智能电网一次***的发电和负荷的平衡控制。
8.根据权利要求1所述的智能电网中自动发电控制的硬件在环仿真***，其特征在于，所述TCP/IP实时通信装置支持的通信协议包括IEC60870-5-104协议。
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