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新型电力系统数字动模实验平台UREP

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。

贵州大学 2022-08-15

初中科学探究实验室配套仪器滴水起电

序号产品名称一、电磁学系列 01 电磁感应电流的方向 02 无线电报机 03 电磁弹簧振子 04 开尔文滴水起电演示仪 05 探究串联电路中电流的关系 06 探究并联电路中电流的关系 07 测量串联电路电压 08 探究电流与哪些因素有关,欧姆定律 09 探究电流做功与哪些因素有关 10 探究电流做功的快慢与哪些因素有关 11 测量小灯泡的电功率 12 探究通电螺线管的磁场 13 发电机原理 14 测量小灯泡的功率 15 传感器的简单应用 16 二极管特性曲线 17 三极管特性曲线 18 晶体管放大电路 19 简单门电路 20 探测直导线周围的磁场 21 用单匝线圈研究电磁感应现 22 微弱磁通量变化时的感应电流 23 通电螺线管的磁感应强度测量 24 通电螺线管的磁感应强度与电流的关系 25 自感现象 26 楞次定律 27 安培力测量 28 电磁感应电流的方向 29 无线电报机 30 电磁弹簧振子 31 开尔文滴水起电演示仪 32 电磁炮 33 无形的力 34 磁悬浮地球仪 35 手触式蓄电池演示仪 36 磁场力 37 磁悬浮列车 38 温差发电 39 光电盘 40 电磁学问题探究套件 41 光控系统（台灯测试仪）（教师用） 42 光控台灯（学生分组） 43 磁体周围有什么 44 感应电流怎样产生的 45 水的电解实验 46 奥运悬浮球 47 无形的力 48 发电锚 49 磁共振二、力学 01 风洞 02 双人舞 03 投球器 04 测量玩具小车的运动速度1 05 测量玩具小车的运动速度2 06 力的作用是相互的 07 探究物重和物体质量的关系 08 探究影响滑动摩擦力的因素 09 探究同一直线上二力的合成 10 探究浮力的大小，影响浮力大小的因素 11 究定滑轮与动滑轮 12 探究水的熔点与沸点 13 探究海波和石蜡熔化时的温度变化 14 探究蒸发吸热 15 探究大气压强与高度的关系 16 静摩擦力研究 17 滑动摩擦力研究 18 重力大小与质量的关系 19 研究匀速直线运动 20 平均速度的测量 21 平均速度与瞬时速度的关系 22 加速度的测量 23 匀加速直线运动 24 加速度与拉力的关系 25 加速度与质量的关系 26 研究自由落体运动 27 研究自由落体运动 28 超重与失重 29 动量定理（恒力） 30 动量定理（变力） 31 动量守恒定律 32 单摆的振动图像 33 单摆周期的测量 34 单摆法测重力加速度 35 阻尼振动 36 弹簧振子的研究 37 一纸顶千斤 38 机翼升力演示仪 39 二力平衡 40 重力方向探究仪 41 会翻跟头的魔丸 42 模拟傅科摆实验 43 桥梁的研究 44 滚动的方轮 45 奇怪的碰撞 46 袋鼠下坡 47 自动上坡的旋转体 48 钢球爬坡 49 多轨竞速 50 多功能滚摆 51 奇异的翻转环 52 筋斗鼠 53 潜水艇仿真实验系统 54 浮沉的小鱼 55 收集分子运动和实验证据 56 压力作用效果探究仪 57 重心与稳度探究仪 58 蛇形摆 59 匀强磁场中的单摆 60 力学问题探究套件 61 气流炮 62 滴水迷宫 63 水时钟 64 自动筛子 65 定滑轮与动滑轮的作用 66 力的合成与分解 67 弹簧的弹力与伸长的关系 68 摩擦做功与内能 69 电磁弹簧振子 70 斜面上力的合成与分解 71 龙卷风 72 撬地球 73 吹不开的苹果 74 风洞戏球 75 曹冲称象 76 气浮平台 77 欹器三、光学 01 魔镜 02 魔箱 03 变色龙 04 角反射器 05 探究光在弯曲玻璃管中的传播 06 探究太阳能的转化 07 光强与光源距离的关系 08 光导现象(光导灯) 09 室内和室外光亮度的测量 10 不同材料透光性能研究 11 太阳镜的研究 12 不同材料对光的反射 13 光污染研究 14 翻转的镜像 15 小球变大球 16 你中有我、我中有你 17 笼中鸟 18 颜料的混合（电动七色轮） 19 光通讯实验系统 20 辉光球 21 多像镜 22 时光隧道 23 夜视望远镜 24 光的合成探究实验仪 25 三色小孔成像 26 彩虹 27 光学问题探究套件 28 透光宝镜 29 光琴 30 东方明珠塔 31 放虎归山 32 到底动不动 33 穿针引线 34 电影的原理 35 泉水幻影四、振动与波 01 无皮鼓 02 共振鼓 03 喊泉 04 声波的振动图像 05 声波的干涉 06 声音的共鸣 07 振幅与响度的关系 08 频率与音调的关系 09 声音与距离 10 请保持安静 11 不同材料的隔音效果研究 12 噪音污染研究 13 音乐对植物生长会有影响吗？ 14 声波看得见 15 鹦鹉学舌 16 声音的特征 17 声驻波 18 无弦琴 19 伽利略针和单摆实验 20 共振摆球 21 声悬浮 22 振动与转动能量的转化 23 强迫振动与共振实验仪 24 超声雾化 25 鱼洗 26 空中排萧 27 铝棒发声五、热学与分子物理学 01 热辐射演示仪1 02 气垫船 03 固体热胀冷缩演示仪（教师用） 04 热辐射演示仪2 05 玻意耳定律 06 查理定律 07 摩擦做功改变物体内能 08 固体熔化时温度的变化规律 09 沸点与压强的关系 10 “永动机” 11 富兰克林沸腾球 12 热能发动机 13 热辐射 14 对蜡烛及其燃烧的探究六、地理科学系列 01 测量小溪河流的水质 02 酸雨研究 03 土壤酸碱度对植物生长的影响 04 不同地域饮用水的PH值的比较 05 土壤的酸碱度与植物生长的研究 06 监测天气湿度的变化 07 确定露点 08 测量容器、温室及其他封闭环境的湿度 09 呼出空气的湿度； 10 环境污染研究 11 不同土壤渗水性比较实验器 12 水土保持演示仪 13 月相变化演示仪 14 地震模拟演示仪 15 星空再显七、生命科学系列 01 光对植物生长的影响 02 音乐对植物生长会有影响吗？ 03 心率的测量 04 比较不同同学之间心率 05 心情紧张对心率变化的影响 06 研究心率在运动后恢复到正常状态的时间 07 咖啡、茶、可乐等刺激饮料对心率的影响 08 测量对比不同生物体的心率 09 研究饮料的酸性对肠胃的影响 10 土壤酸碱度对植物生长的影响 11 植物的蒸发 12 研究不同生物的生存环境 13 检测人、动物的呼吸 14 保持室内通风 15 观察光合作用时氧气浓度发生的变化 16 小动物也需要呼吸 17 卧室绿色植物越多越好吗 18 不同海拔高度的区域氧气含量是否相同 19 人体消耗氧气 20 牛奶是否变质 21 调查饮用水的纯度 22 水中动物呼吸对氧气的消耗 23 水中植物的光合作用 24 时间反应测试 25 补色立体图 26 画五星 27 错觉画 28 马尾巴的魔术 29 大象穿鼠洞 30 盲点测试 31 梯形窗 32 普氏摆 33 距离测试 34 记忆力测试 35 基因柱 36 30倍手持探究显微镜（分组实验） 37 100倍手持探究显微镜 38 二人共听心跳（听筒） 39 生命科学探究实验包八、新能源系列 01 新能源开发与利用探究实验包 02 新能源小屋 03 风力发电 04 水力发电（学生用） 05 太阳能发电九、数学系列 01 忽多忽少的小人 02 装箱游戏 03 疯狂的立方体 04 搭建金字塔 05 拼出正方形 06 华容道 07 伤脑筋十二块 08 正交十字磨（椭圆规） 09 迷人的跳棋 10 汉密尔顿路径 11 圆形井盖之谜 12 先到二十为胜 13 拼走廊（拼出连线） 14 巧布哨兵 15 拼五星（四星拼一星） 16 巧垒立方体 17 几何体就位 18 高尔夫球拼板（搭高楼） 19 四色定理 20 数学问题探究套件 21 梵天之塔 22 猜生肖十、转换系列 01 太阳灶模型（学生用） 02 冷热传递—温差发电 03 会行驶的太阳能小车 04 啄木鸟 05 仿真瓦特蒸汽机 06 能源实验平台（教师用） 07 自然能源综合利用探究套件（学生用）十一、生命科学系列 01 生命科学探究平台 02 沙漏记时 03 神奇记忆合金（四种记忆方式） 04 可编程机器人 05 伽利略温度计 06 活动雕塑 07 不同土壤渗水性比较实验器 08 房屋搭建组合件 09 富兰克林沸腾球 10 水质的测定 11 光合作用产生氧气 12 二氧化碳是光合作用的原料十二、展板 01 21世纪地球科学10大挑战 02 光学错觉 03 均衡饮食金字塔 04 空间生命科学 05 声学的发展 06 物质科学 07 新能源利用 08 DNA双螺旋结构南京师范大学课程资源研究所邮政编码：210009 地　　址：南京市宁海路122号南京师范大学信息技术楼公司电话：025-83204284 83301983 83302681 公司传真：025-83302681转8009 手　　机：13405879778 联系人：王经理网　　址：http://www.kczyyjs.com 电子邮件：wangkefang@163.com QQ号码：2269329198

南京师范大学课程资源研究所 2021-08-23