新型电力系统仿真分析、测试验证。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 随着“双碳目标”国家能源战略的确定和新型电力系统概念的提出，我国能源转型力度持续加大，逐步形成了大量新能源接入电力系统的局面。由于风能、太阳能等新能源与常规能源禀性差别很大，其并网发电系统具有显著不确定性、波动性和机械惯量缺失等特点。此外，高比例电力电子装备、新一代直流输电、多能互补的综合能源、各类大规模储能电站、各种通信及自动化新技术装置等因素使得新型电力系统组成要素愈加复杂，动态特性蕴含诸多未知，造成系统规划设计、装备制造、系统集成和运行控制等都面临史无前例的挑战。目前，电力科研院所、规划设计单位、装备制造厂家、教育培训机构等对新型电力系统开展仿真分析、测试验证的需求很大、很迫切。同时看到，新型电力系统的这些新型场景对仿真技术要求苛刻，门槛很高。 1）新型电力系统需要精细化动态模拟。人们对新型电力系统动态行为的认识还不够深入，无论是基础理论层面还是工程技术层面还处于广泛讨论、观点碰撞或局部示范试验阶段。然而，电力设施的新技术路线试错成本极高，不太可能对所有备选方案和技术选项都逐一示范。因此，开展大量深入的仿真研究是推进新型电力系统实施的必要手段。对于新型电力系统，需要深入开展仿真研究的领域包括：①新型电网体系结构研究；②新能源接入电网关键技术； ③ 新能源电网保护与自动化技术； ④源网荷储协同控制与优化调度；⑤新型配电网的电能质量分析与控制；⑥人工智能等新技术对新型电力系统的支撑。 2）新能源基地并网需要做稳定性评估。大规模陆上及海上风电集中接入局部电网有可能引发次/超同步振荡、宽频谐波谐振等电网安全稳定性问题，需要对这些问题进行机理及应对策略分析。所以需要对包含多类型新能源装备的局部电网做精细化动模仿真测试。然而，百千台级风光机组电磁暂态详细建模与仿真是一个卡脖子难题。 3）软、硬件在环仿真是必要的。新能源及储能电站的电力电子变流器控制及保护策略是厂家核心机密，对外不公开。由于控保策略对装置外特性及其接入系统的响应特性有重要影响，故需要分析内部核心控保策略。需要将新能源及储能控制器实物或黑盒模型接入测试平台开展动模仿真，以对其多时间尺度动态响应特性进行精细化分析。软、硬件在环试验对仿真平台提出了更高要求。 4）超大规模储能电站的仿真难度大。①单个储能机组的设备形态发生改变，从两/三电平变流器向模块化多电平变流器（MMC）的复杂结构演变，甚至采用储能跟变流器集成，故需要对这种复杂新形态做精细化测试验证。②超大规模、超大机组的储能电站包含较多并联储能单元或者储能机组，吉瓦时级储能电站，需上百台机组并联。另外，储能变流器的控制策略正从电流源型向电压源型转变，控制策略趋于复杂化，故需要大量的储能变流器的控制装置接入测试平台，才能对实现对储能单机以及多机之间协调控制性能测试，进而实现超大规模、超大机组的储能电站的精细化仿真。 5）现代直流输电控制与保护测试提出更高要求。超/特高压直流输电系统应用于新能源基地外送的控制保护策略及其硬件在环试验对实时仿真平台硬件资源要求苛刻，既要对直流输电系统建模，又要对新能源基地建模，应用场景的复杂性对仿真平台要求更高。 1 技术分析（创新性、先进性、独占性） 1.1 国产化实时仿真技术现状 实时仿真是指仿真模型执行进度与系统时钟完全同步的一类仿真，具备这种特性的仿真装置称为实时仿真器。新型电力系统的认知、试验、生产、培训需求快速增长，形成了实时仿真领域巨大潜在市场。但目前RTDS、RT-LAB等进口设备依旧垄断市场，对于大规模新能源场站、县域规模万节点级电力系统、多端特高压直流输电等应用场景电磁暂态仿真，所需的仿真资源巨大，平台造价极高。且关键核心技术处于卡脖子状态，平台应用的灵活性和开放性受到很大限制。只有开发和推广国产化实时仿真技术才能为顺利推进新型电力系统建设过程中的研究和生产提供自主可控的工具和手段。 1.2 UREP与进口设备的对比试验  为了实现电力实时仿真器的国产化替代，彻底解决电力实时仿真领域的技术“卡脖子”问题，国产实时仿真器UREP需要与国际主流技术进行对比，力求达到甚至超过目前世界最先进的技术。对标对象为行业公认的电力系统实时仿真仪（RTDS）和行业广泛使用的RTLAB，以上两款设备均为加拿大生产。对比试验方案如图1-1所示。制定标准（典型）测试算例，分别在UREP、RTDS和RTLAB环境下搭建测试算例的仿真模型，在完全相同的测试条件和试验内容下得到各种仿真器的仿真结果，比较仿真结果的一致性。同时比对仿真规模、建模效率和编译时间等关键指标。             图1-1  国产UREP与进口设备对标方案 1.2.1电气网络仿真对比    图1-2表示了一个多支路网络，基于图1-1中三种仿真器搭建该模型，通过不断增加支路数扩大网络规模，直到仿真器过载，得到仿真器的算力极限。         图1-2  多支路电气网络 在50us仿真步长下，对于图1-2案例RTLAB最大仿真规模为78个 三相节点，UREP也为78个 三相节点，二者相同。在编译速度方面，RTLAB编译时间为3分52秒，UREP编译时间为1分12秒，UREP是RTLAB的3.22倍。      图1-3  基于RTDS的仿真模型  当基于RTDS建模时，如图2-5，每块PB5最多允许24个节点；当基于NovaCor建模时，在超大步长150us下可以达到100节点，在50us步长下仿真规模未知。 2.2.2 双馈风机仿真对比   双馈风机含有电机、传动链、电力电子变流器和控制系统，是具有代表性的新能源元件。在在50us仿真步长下，对于如图1-4案例，RTLAB最大仿真规模为6台，UREP也为6台，二者相同。在编译速度方面，RTLAB编译时间为7分0秒，UREP编译时间为2分12秒，UREP是RTLAB的3.18倍。                图1-4  双馈风机测试案例 2.2.3 直流输电仿真对比   直流输电是最复杂的电力电子装备，有换流阀、阀控制器、极控制器、站控制器等一次和二次系统，是实时仿真领域的难点，也是检验仿真器能力的试金石。图1-5是双端单极直流输电系统测试用例，每端包含2个六脉波桥，控制保护包括了阀控、极控和主控模型，封装于蓝色模块内。   图1-5 双端单极直流输电系统测试用例 将图1-5所示算例分别在RTLAB和UREP中建模运行，在单核可用资源下，若仿真对象为电气主系统和控制保护组成的整个系统，则RTLAB过载，UREP也过载。若仿真对象仅为电气主系统（即双侧电源、交直流滤波器和4个6脉波桥），则RTLAB和UREP均不过载。在编译速度方面，RTLAB编译时间为3分40秒，UREP编译时间为1分11秒，UREP是RTLAB的3.10倍。 2.2.4 同步发电机组仿真对比    同步发电机目前仍是电力系统主力电源，是电力系统的主要仿真对象。同步发电机组模型包括同步发电机、调速器、励磁调节器及升压变。搭建多台同步电机并列运行算例，如图1-6所示。   图1-6  同步电机并列运行算例 在50us仿真步长下，对于图1-6案例RTLAB最大仿真规模为11台，UREP为13台。在编译速度方面，RTLAB编译时间为3分51秒，UREP编译时间为1分16秒，UREP是RTLAB的3.04倍。 2.2.5 最小步长对比 基于CPU的最小仿真步长能够体现仿真计算时间的抖动问题，抖动越小，允许的仿真步长就越小。因此，通过比较最小仿真步长，也可以反映仿真器的计算性能。仿真对象采用单台双馈风机，模型包括风力机、绕线异步电机、机侧变流器、网侧变流器、主动系统、所接入的配电网等元素，如图1-7所示。             图1-7  测试最小步长算例 经测试，RTLAB最小仿真步长为24us，UREP最小仿真步长为20us。可见，UREP具有更小的仿真抖动。 2.2.6 仿真精度对比 为了验证国产UREP的仿真精度，采取和RTDS交叉对比验证方法说明UREP的仿真精度。电力系统仿真包括电磁暂态和机电暂态，因此，从电磁暂态和机电暂态两个方面进行对比，同时考虑各种应用场景，以覆盖各种情形。电磁暂态检测案例的电网拓扑如图1-8所示。 图1-8 电磁暂态检测使用案例 无穷大电源电压等级为110kV，频率为50Hz，系统内阻抗为；L1、L3线路阻抗为，L2、L4线路阻抗为， T1、T2两变压器的额定容量均为，短路电压，空载损耗，空载电流，短路损耗，变比，高低压绕组均为Y形联结；假设系统A1、B1、A、B处供电负荷为(5+j1)MVA，C1和C处供电负荷为1+j0.1MVA。UREP建模如图1-9所示。   图1-9 电磁暂态检测案例的UREP仿真模型 基于RTDS建立电磁暂态案例的仿真模型如图1-10所示，其电压过零点短路控制如图1-10所示。   图1-10  RTDS仿真模型   图1-11  RTDS电压过零点短路控制结构 对上述模型，分别使用UREP和RTDS进行实时仿真，仿真时间为0.2s，短路故障发生在0.06s-0.16s之间，仿真步长为100微秒，横轴表示在0.2s时间内仿真采样点数，纵轴表示母线电压、电流，单位分别为V、A。在母线A点处发生三相短路，短路前后及短路期间的三相电压波形如图16-7。为了显示细微之处，将图1-12局部放大后，如图1-13。   图1-12  A点发生三相短路时三相电压波形   图1-13  A点处发生三相短路时三相电压波形局部放大 点划线为RTDS仿真结果，虚线为UREP仿真结果。可以看出，两种仿真结果高度重合，表现出电磁暂态仿真结果的高度一致。电磁暂态过程除了表现在电压动态还表现在电流动态，短路前后及短路期间的三相短路电流波形如图1-14。   图1-14 A点处发生三相短路时三相电流波形 图1-15  A点处发生三相短路时三相电流波形局部放大图 1.3  对标结论 （1）在内核资源完全等同条件下，国产UREP和RTLAB的仿真算力基本相同，即内核授权数相同条件下，具有相同的仿真规模。 （2）国产UREP的建模效率和编译速度远远高于RTLAB。小规模场景下，UREP是RTLAB的3倍左右，大规模场景下UREP是RTLAB的45倍左右。 （3）在仿真对象完全相同的条件下，国产UREP和RTDS的电磁暂态仿真结果完全相同，二者交叉对比没有差别。

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产品详细介绍          《创业之星》产品详细介绍     《创业之星》主要功能：   创业之星的目标，是为所有学生而不仅仅是部分学生提供一个创业实践的训练平台，使创业教育真正落地。透过创业之星领先的商业模拟引擎，让学生在虚拟创业空间里，全面体验创业的全过程，尽情释放才智，挥洒创业激情，放飞创业梦想！在这里，创业不再是停留在书面上的理论知识，而是真实的体验与实践。   《创业之星》涵盖了从计划、准备到实施的创业全过程。《创业之星》主要包括三大部分功能模块：创业测试、创业计划、创业准备、创业实践。   模块一：创业测试   提供了全方位多角度的创业者综合能力素质的测试，帮助创业者更好的了解自己的性格特征、职业倾向、创业能力等，使创业者能够充分了解自己的长处与不足，更好的做好创业准备，为将来的创业行动打下扎实的基础。   模块二：创业计划   根据《创业之星》整个训练系统平台的商业背景环境与数据规则，完成创业计划书的编写。创业者首先对背景环境进行商业机会分析，组建经营团队，制订资金筹措计划，撰写公司名称，制订公司章程，并编写一 份完整的创业计划书。   在拿到商业背景环境的资料后，参加学习训练的学生需要完成以下几项工作：组成创业公司的训练团队首先要对市场商业机会进行研究，并分析市场竞争形势，从而制订出合理的创业计划书。创业计划书的内容主要包括：摘要、公司简介、市场分析、竞争分析、产品服务、市场营销、财务计划、风险分析、内部管理等方面。   模块三：创业准备   当创业者有了想法，并已经做好了资金、人员、技术、场地、设备、公司名称等方面的各项准备工作后，就进入了企业的初创阶段。参加训练的学生需要独立完成公司注册审批流程的所有工作。   模块四：创业实践   企业的生存发展如同一个生命的有机体一样，也会经历初创、成长、发展、成熟、衰退等阶段，即企业发展的生命周期。《创业之星》在创业管理模块环节就是让学生实战中模拟企业的运营管理，围绕企业发展的生命周期，制定各项决策，并最终推动企业成长壮大。   创业管理是本系统的核心部分，是训练和提升学生创业能力的关键环节，也是检验创业计划可行性的实践环节。通过对真实企业的仿真模拟，所有参加训练的学生分成若干小组，组建成若干虚拟公司，在同一市场环境下相互竞争与发展。每个小组的成员分别担任虚拟公司的总经理、财务总监、营销总监、生产总监、研发总监、人力资源总监等岗位，并承担相关的管理工作，通过对市场环境与背景资料的分析讨论，完成企业运营过程中的各项决策，包括战略规划、品牌设计、营销策略、市场开发、产品计划、生产规划、融资策略、成本分析等等。通过团队成员的努力，努力使公司实现既定的战略目标，并在所有公司中脱颖而出。   在《创业之星》中，每个小组需要独立做出众多的经营决策，使创业企业能够逐步成长壮大。这些经营决策涉及一个创业企业的各个方面。同时，团队合作、沟通技巧、执行力等也是整个决策过程中至关重要的环节。如何综合考虑各种因素的影响，充分发挥团队的作用，是制订有效决策和最终取胜的关键。   教师端程序主要功能：   教师端程序由实验课授课教师使用，主要供教师调整模拟参数、进行开课管理、控制上课进度、查询小组数据、分析点评成绩等使用。教师在整个训练过程的不同阶段扮演着不同的角色：调动者、观察家、引导者、分析员、业务顾问等等，教师的重点在于帮助学生掌握操作方法，熟悉运营规则，总结经营绩效，分析管理问题等，帮助学生全面体验创业的全过程。在每阶段经营结束后，教师帮助学生一起分析经营管理状况，发现管理中的问题，改进经营管理水平，提升企业经营绩效。   学生端程序主要功能：   在《创业之星》中，每个小组需要独立做出众多的经营决策，使创业企业能够逐步成长壮大。这些经营决策涉及企业的战略、营销、财务、生产、研发等各个方面。同时，团队合作、沟通技巧、执行力等也是整个决策过程中至关重要的环节。如何综合考虑各种因素的影响，充分发挥团队的作用，是制订有效决策的关键。   所有小组组建的公司之间是相互对抗竞争的，每个公司的目标就是使公司实现经营目标，并战胜其他公司。因此，如何思考并制定出有效的各项决策，是取得胜利的关键。   学生端程序包括了背景资料、数据规则、实时状态、经营决策、数据分析等功能。各小组必须在规定的时间内，利用团队的力量，通过对本企业实时数据及竞争对手数据的分析，制订企业运营中的各项管理决策，与其他学生组成的虚拟企业展开竞争，并努力使企业绩效达到最佳。     《创业之星》领先优势：   创业教育是一门实践性非常强的课程，仅仅传授一些创业理论知识与方法，无法让学生体验到创业实践的真实情况，对创业过程中涉及的各项事务、经营决策、风险控制等都很难有切身的体会。作为一门实践性课程，《创业之星》全程在模拟实战中进行，真正让学生体验创业的具体操作，增强感性认识，提升综合素质。   1、创新性 教学模式与教学方法创新，强化实践动手环节，彻底解决重理论轻实践的教学现状。   2、先进性 设计理念先进，体现了素质教育的内涵，突出教育创新和学生实际能力的培养。提高学生的创业意识，增强学生的创业能力。   3、系统性 全面涵盖创业所需的各种知识，包括创业计划书、资金筹措、企业注册、创业管理、风险控制、团队合作等各方面。   4、实用性 注重理论与实践结合，通过仿真的创业过程与精心设计的背景，使学生仿佛身临其境，教学过程就是一次虚拟创业过程。   5、趣味性 独创的3D引擎与动态建模技术，逼真再现企业场景，学习过程生动有趣，同时又充满对抗竞争。产品支持数十人的小班教学和数千人同时进行的大规模竞赛。   6、互动性 学生全程实战，师生实时互动，动态生成图表数据，方便教师授课指导与分析点评。     《创业之星》适用学习对象：   《创业之星－大学生创业模拟实验室》适合于所有大中专学生作为创业教育的配套实践课程使用。本系统是集理论、实践为一体的教学模式，提高和增强了学生的创业基本素质与创业能力，为有志于创业的学生毕业后步入创业的行列提供实践训练平台。本实践课程是建立在素质教育和创新教育的基础上，既是一种教育思想，也是一种全新的教育模式，是把素质教育引向深入的一项有效措施，拓宽了毕业生的就业渠道，形成创新人才的培养模式。   基于《创业之星－大学生创业模拟实验室》平台、由教育部中国教育信息化理事会主办、金蝶软件集团承办的2009年教育部全国大学生创业大赛吸引了全国近八百所院校参与，争夺十万元创业基金。本次大赛于2009年8月圆满闭幕，取得了巨大的影响。基于《创业之星》平台的第二届全国大学生创业大赛即将拉开帷幕。