引言

隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備占比顯著提高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)出多時(shí)間尺度并存的特點(diǎn)。相較以同步機(jī)為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)包含快速控制、電磁暫態(tài)以及較慢的系統(tǒng)響應(yīng)過程，對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性和適用性提出了更高要求。

在實(shí)際工程中，不同研究目標(biāo)對(duì)應(yīng)不同仿真?zhèn)戎攸c(diǎn)[1]。電磁暫態(tài)仿真基于瞬時(shí)值建模，適用于電力電子控制及快速暫態(tài)問題分析，常用工具包括PSCAD/EMTDC、DIgSILENT、MATLAB/Simulink 等；機(jī)電暫態(tài)仿真基于基頻相量建模，更適合系統(tǒng)層面的動(dòng)態(tài)特性分析，典型軟件有PSASP、PSS/E；此外，數(shù)模混合仿真（硬件在環(huán)）廣泛應(yīng)用于控制與保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)驗(yàn)證，常見平臺(tái)包括ADPSS、RTDS、RT-LAB。

由于不同仿真方法在建模精度、計(jì)算效率和適用場(chǎng)景方面各有側(cè)重，單一仿真工具往往難以滿足工程分析的全部需求。如何在不同仿真工具間復(fù)用同一套控制與保護(hù)模型，保證模型行為一致并降低維護(hù)成本，成為電力系統(tǒng)仿真中的關(guān)鍵問題[2]。

關(guān)于 IEEE/CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)

跨仿真平臺(tái)應(yīng)用中，模型復(fù)用的核心挑戰(zhàn)在于算法一致性、接口統(tǒng)一性以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。相比直接移植源代碼，基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（ DLL） 的模型封裝方式在工程中更具可行性。

EEE/CIGRE 建模標(biāo)準(zhǔn)正是在這一背景下提出[3]。該標(biāo)準(zhǔn)通過定義統(tǒng)一的 DLL 接口，使控制與保護(hù)算法能夠被封裝為標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并在不同仿真工具和平臺(tái)中調(diào)用。仿真工具僅通過標(biāo)準(zhǔn)接口與 DLL 交互，而無需關(guān)心其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，從而顯著提升了模型的可移植性與復(fù)用性。下圖給出了 IEEE/CIGRE DLL 在仿真工具中的典型調(diào)用方式[4]。。

圖1：IEEE/CIGRE DLL 接口示意圖

在工程實(shí)踐中，常見做法是將現(xiàn)場(chǎng)控制與保護(hù)裝置的“真實(shí)代碼”封裝為符合 CIGRE 規(guī)范的 DLL，使仿真模型在算法邏輯、參數(shù)設(shè)置和保護(hù)策略等方面與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備保持一致。

需要指出的是，IEEE/CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)的工程價(jià)值不僅體現(xiàn)在接口統(tǒng)一，還體現(xiàn)在對(duì)復(fù)雜仿真需求的支持能力。例如，模型需支持狀態(tài)快照的保存與恢復(fù)，以適應(yīng)不同仿真運(yùn)行方式；同時(shí)還需支持多實(shí)例并行運(yùn)行，要求模型在參數(shù)與狀態(tài)管理上保持嚴(yán)格隔離，避免使用全局變量。這些能力在新能源場(chǎng)站和電力電子裝置等應(yīng)用場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵。

基于 Simulink 的 DLL 導(dǎo)出方案

針對(duì)上述需求，MathWorks 咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 Simulink 到 IEEE/CIGRE DLL 的導(dǎo)出工具。該工具支持按照 CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)，將 Simulink 算法模型自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)化 DLL。使得同一套算法模型可以在不同仿真環(huán)境中復(fù)用。

圖2：Simulink導(dǎo)出CIGRE工具箱

算法模型搭建

控制與保護(hù)邏輯首先在 Simulink 中完成建模。模型應(yīng)盡量模塊化，便于后續(xù)在不同仿真場(chǎng)景中復(fù)用，并避免與具體仿真平臺(tái)強(qiáng)耦合。

圖3：Simulink算法模型示意圖

參數(shù)定義

為支持 DLL 的多實(shí)例并行運(yùn)行，必須避免在生成的 C 代碼中使用全局變量。所有可調(diào)參數(shù)應(yīng)定義為 Simulink.Parameter 對(duì)象，并存儲(chǔ)在頂層模型的模型工作區(qū)中，存儲(chǔ)類別設(shè)置為“模型默認(rèn)”。下圖展示了參數(shù)在模型工作區(qū)的定義方式。

圖4：參數(shù)定義示意圖

在工程應(yīng)用中，參數(shù)通常采用結(jié)構(gòu)體形式進(jìn)行定義。結(jié)構(gòu)體中各成員可在 CIGRE DLL 中作為獨(dú)立參數(shù)訪問。在模型引用層級(jí)中，應(yīng)通過模型參數(shù)方式將參數(shù)逐級(jí)傳遞至下層模型。相關(guān)參數(shù)傳遞方式如下圖所示：

圖5：參數(shù)傳遞示意圖

頂層模型封裝

為生成符合 CIGRE 接口規(guī)范的代碼，需要構(gòu)建一個(gè)專用的頂層模型，用于包裹實(shí)際的算法模型。該頂層模型負(fù)責(zé)定義 DLL 的輸入輸出接口，并統(tǒng)一管理模型實(shí)例。下圖用于DLL導(dǎo)出的頂層模型封裝示例。

圖6：頂層模型示意圖

在模型配置中，需要啟用可重入函數(shù)和結(jié)構(gòu)化 I/O，并將“每個(gè)頂層模型允許的實(shí)例數(shù)”設(shè)置為 Multiple，以確保模型能夠支持多實(shí)例并行運(yùn)行。相關(guān)配置選項(xiàng)如下圖所示。

圖7：模型配置示意圖

DLL 生成

在完成模型封裝與配置后，即可進(jìn)入 DLL 生成階段。在頂層模型中，將系統(tǒng)目標(biāo)文件設(shè)置為 cigre.tlc，并選擇相應(yīng)的 CIGRE DLL 工具鏈，即可生成符合 IEEE/CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)的 DLL。生成結(jié)果通常包括 DLL 文件及對(duì)應(yīng)的接口頭文件。

圖8：DLL生成配置示意圖

驗(yàn)證與應(yīng)用

生成的 DLL 可導(dǎo)入 PSCAD 等電力系統(tǒng)仿真軟件中進(jìn)行功能與動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證。在PSCAD側(cè)，通常需要通過Fortran Wrapper 調(diào)用 DLL，實(shí)現(xiàn)模型與仿真系統(tǒng)的接口集成。通過對(duì)比仿真結(jié)果，可驗(yàn)證DLL模型在不同平臺(tái)下的功能一致性。

圖9：DLL驗(yàn)證示意圖

結(jié)論

MATLAB/Simulink 在算法開發(fā)與控制設(shè)計(jì)方面具有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)。通過將 Simulink 模型導(dǎo)出為符合 IEEE/CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)的 DLL，可有效實(shí)現(xiàn)模型在多種電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)之間的復(fù)用，顯著降低跨工具建模和維護(hù)成本。該方法為新能源并網(wǎng)、電力電子控制以及多時(shí)間尺度仿真提供了一種工程化、可擴(kuò)展的解決方案，有助于提升電力系統(tǒng)分析效率和模型一致性。

聯(lián)系我們

本文內(nèi)容主要基于實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)整理，圍繞 Simulink 模型跨平臺(tái)復(fù)用這一工程需求，總結(jié)了基于 IEEE/CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)的 DLL 建模思路與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。受限于篇幅，文中未對(duì)所有實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)展開說明，歡迎讀者結(jié)合自身應(yīng)用場(chǎng)景在評(píng)論區(qū)留言討論與交流。