电网保护与实时仿真仿真综合指南

核心要点

• 在变流器控制、保护或电网脆弱状况决定结果的情况下，EMT分析是默认的检查方法，而相量工具则用于全系统范围的筛查。
• 时间步长取决于需要处理的最快事件，而这一选择同时也决定了模型的哪些部分保留在CPU上，哪些部分转移到FPGA上。
• 在选择软件时，应优先考虑那种无需重新构建即可从离线研究直接过渡到实时硬件测试的模型。

EMT仿真 向您展示了电网在故障发生后的最初几毫秒内的行为表现——这正是当前逆变器密集型电网成败的关键所在。

同步电机曾是确定扰动节奏的关键，而相量工具在规划阶段足以准确捕捉这种节奏。美国开发商预计，在计划于2025年投产的64吉瓦发电装机容量中，太阳能将占到一半以上，其余大部分将由电池储能承担。这些电站通过电力电子设备并网，其控制响应速度远超相量模型所能表征的范围。

对于任何受变流器控制、保护措施或电网弱点条件影响的连接，应将EMT分析作为默认的验证方法。相量分析在全系统筛查中依然有其不可替代的作用。关键在于明确其可靠性在何处达到极限，然后选择与您需要观察的最快事件相匹配的时间步长、求解器以及实时仿真路径。

EMT仿真 在波形层面解决了哪些问题

EMT仿真 （即电磁暂态仿真 的缩写）能够以微秒为步长求解电网中各相的瞬时电压和电流。该软件完整保留了输电线路、变压器、电机及换流器 的微分方程，因此您可以观察到实际波形，包括谐波、不平衡、开关市场活动 以及塑造这些波形的快速控制响应。

设想一组接通电源的电容器组连接在230 kV母线上。电压并非简单地跃升至新水平，而是以几百赫兹的频率发生振荡，超过额定峰值，并在几个周期内逐渐衰减。EMT模型能够逐点再现这种振荡，因此您可以从波形中读取附近设备所承受的峰值应力。

这一细节会带来一定的代价。每个组件都需要物理参数，例如线路几何参数、变压器饱和曲线和换流器控制代码，而求解器每个周期需要执行数百个步骤。您是以计算时间为代价，换取在保护和逆变器控制响应的时间尺度上成立的结果。

在电网研究中，EMT（仿真 ）与相量（仿真 ）有何区别

EMT（仿真 ）与相量（仿真 ）之间的主要区别在于它们对波形的假设不同。相量工具将电压和电流表示为基频下的幅值和相角，时间步长以毫秒为单位。而EMT工具则不作此类假设，而是对每个瞬时点进行计算，从而能够捕捉到相量模型因求平均而忽略的亚周期现象市场活动 。

假设有一座太阳能电站位于一条长径向线路的后方。相量分析表明，该电站能够承受附近故障的影响，因为该模型仅考虑了正序电压骤降。针对同一故障的电磁暂态（EMT）分析则显示，在相位跳变期间，锁相环失去了参考信号，且逆变器因亚周期过电压而跳闸。上述结果中，只有一项描述了该电站的实际响应。

当瞬态研究需要EMT详细信息时

当结果取决于小于一个周期的市场活动 ，或者取决于变流器的内部控制时，就需要进行EMT分析。这涵盖了弱区的大多数逆变器连接、任何关于开关或雷电应力的分析，以及任何保护措施直接作用于波形本身的情况。

最明显的警示来自得克萨斯州。2022年6月，奥德萨附近发生的一起故障导致本应保持并网状态的太阳能光伏电站损失了1,711兆瓦的发电量。调查人员报告称，正序仿真模型无法在运行前确认系统抗故障能力，而且常见的建模做法忽略了交流过流保护和直流母线保护等保护措施。

在某些情况下，一项研究应被归入EMT类别，且无需过多争议。

• 连接点的短路比较低
• 串联补偿线路或高压直流输电线路在电气上相距很近
• 几座变电厂共用一个变电站
• 规定了电网形成控制或黑启动任务
• 保护功能依赖于亚周期或行波元件

这并不意味着要放弃相量分析。先用相量分析对整个系统进行排查，然后在《电气理论与测量》（EMT）中研究那些未能通过检查的区域，并将网络的其余部分简化为等效电路。

EMT仿真 需要多大的时间步长才能获得准确的结果

EMT（仿真 ）需要一个时间步长，其长度至少比要解析的最快现象的周期短10到20倍。传统的电网瞬态分析通常采用约50微秒的时间步长。换流器 中，当开关频率为千赫兹时，需要几微秒或更短的时间步长；而当开关频率达到数十千赫兹时，则需采用亚微秒级的时间步长。

您可以在自己的模型上快速验证一下这些计算结果。50微秒的采样步长在60 Hz的周期内可获得333个采样点，这对故障分析来说已经绰绰有余。若将该步长应用于开关频率为5 kHz的变流器，则每个200微秒的开关周期仅能获得4个采样点，这远不足以定位开关沿。 线路长度同样重要，因为行波在50微秒内可传播约15公里，而较短的架空线路无法将其传播延迟纳入建模考虑。

步骤越小并不一定越好。将步骤减半会使计算负载翻倍，而实时处理要求每个步骤都必须按时完成。选择能解析您关注的事件的最大步骤，然后以该步骤的一半进行一次运行以确认结果。如果两次跟踪结果一致，那么您就找到了合适的数值。

“如果这两条轨迹一致，你就找到了那个数字。”

CPU求解器在快速切换时何时停止工作换流器

CPU求解器能够很好地处理网格尺度的EMT模型，其时间步长为几十微秒；但当变流器开关频率要求实时时间步长接近或低于1微秒时，CPU求解器便不再实用。此时，模型中的开关部分将转移到FPGA上，而周围的网络仍保留在CPU上。

一项风电场研究揭示了这种分工。输电网络、集电系统和机组模型在HYPERSIM 中运行，采用EMT求解器，并分布在并行CPU核心上。对于该侧的所有计算，50微秒的步长已足够。

详细的变流器模型改变了这一局面。对于在Simulink中构建的模型，OPAL-RT使用ARTEMiS 进行CPU端的电气求解，这能在固定步长下保持开关电路的稳定性。一旦开关频率超过CPU单步长所能处理的范围，变流器便会切换到基于FPGA的求解器eHS，且两端会在每个CPU步长内交换信号。

两者之间的边界需要谨慎处理。应将其设置在存在自然解耦的点上，例如变压器或长电缆处，以确保单步延迟不会干扰结果。

如何比较适用于您学习的EMT仿真 软件

EMT仿真 软件主要分为两类：一类是离线工具，其运行速度取决于模型的性能；另一类是实时工具，其步长固定且受时间限制。在选择时，应比较各方案在转换器模型库深度、支持厂商控制代码的能力、大型网络上的并行性能，以及从桌面仿真到硬件测试的实施路径等方面。

一位正在编制并网研究报告的输电规划师，与一位正在对电站控制器进行验证的测试工程师，对这些标准的权重分配会有所不同。规划师最关注的是运行数百种故障工况，并从制造商处导入黑匣子式逆变器模型。而工程师则需要一款能够通过模拟和数字I/O与物理控制器闭环连接的EMT仿真器，因此同一网络模型必须能够实时运行。 请向各供应商询问，在迁移过程中模型能保留多少内容，因为在另一款工具中重建经过验证的网络正是错误滋生的源头。

当模型与电网相匹配时，瞬态研究才能赢得信任

瞬态分析的可靠性取决于其建模细节与电网中实际设备之间的匹配程度。围绕换流器 构建的电网响应时间以微秒和毫秒为单位，因此，凡是控制和保护系统决定结果的情况，该分析都必须在此时间尺度上进行。

这并不是说一切都应该在EMT中进行。而是主张要深思熟虑。先利用相量工具进行广泛筛选，标记出其假设失效的区域，然后将详细建模的时间花在这些区域上。根据物理规律选择时间步长，并验证一次即可。

采用这种工作方式的团队能在办公桌前发现问题，而不是等到调试阶段才发现。在OPAL-RT项目中，当研究模型转移到实时仿真器上并首次与实际控制器对接时，我们也会看到同样的模式。如果离线工作能如实反映其局限性，那么实际出现的问题就会更少。良好的暂态研究并不能消除不确定性，但能准确指出不确定性所在的位置。

“优质的瞬态研究并不能消除不确定性，但能准确指出不确定性所在。”