【汉象解决方案】HX600智能配电网（微电网）实时仿真(Real-time Simulation)和硬件在环HIL系统

本文详细介绍了HX600智能配电网（微电网）实时仿真(Real-time Simulation)和硬件在环HIL系统解决方案，主要包括系统原理、系统组成、系统功能、功能演示等内容。该系统是上海汉象智能科技有限公司针对智能配电网（微电网）EMS测试系统设计的解决方案，可面向科研或者教学，开展分布式电源接入智能配电网（微电网）高精度仿真测试验证以及智能配电网（微电网）多元储能典型协同运行策略、EMS控制策略开发与测试以及顶层调度中心控制算法开发及验证。

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背景

微电网是由多种分布式电源、储能装置、负荷以及监控、保护装置等共同组成的中小型新型电力系统。微电网内部电源以清洁能源为主，主要由电力电子设备实现电能的变换，通过控制算法可以实现网络内部的电力电量平衡，灵活的并网或孤岛运行。

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为什么使用实时仿真技术

实时仿真技术对微电网仿真赋予了更高的真实性、可视化性和灵活性。通过实时仿真，研究人员和工程师可以更准确地评估微电网系统在不同工况下的运行特性，预测和验证系统的稳定性、可靠性和经济性。此外，实时仿真还可以用于测试和验证不同的控制策略，以优化微电网的能源管理、功率调度和需求侧平衡。

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系统原理简介

智能配电网（微电网）EMS测试系统结构图如图1所示，主要可分为虚拟层和设备层，其中虚拟层模拟智能配电网（微电网）系统模型；设备层主要包括三级控制体系，即分布式能源逆变器级硬件在环控制器（图形化可编程控制器）、可编程能量管理控制器（EMS）以及EMS调度中心系统级控制器。

图1 智能配电网（微电网）EMS测试系统结构图

可编程控制器：实现分布式新能源逆变器级控制，基于图形化可编程DSP控制器（核心芯片F28377D），控制周期微秒级，双闭环控制实现逆变器的PWM控制，功率指令跟踪。

可编程EMS控制器：实现智能配电网（微电网）能量管理控制，基于ARM可编程能量管理控制器，控制周期毫秒或者分钟级，实现微电网风电、光伏、储能以及负载的运行监控，尤其是储能的实时功率分配、削峰填谷等功能实现。

EMS调度中心控制器：实现智能配电网（微电网）调度控制，采用工控机，控制周期分钟级或者小时级别，参考风、光、负载的日常曲线，通过AI预测算法（可基于Python或者MATLAB的m语言使用神经网络等高级算法）实现微电网或智能配电网（微电网）功率调度。

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系统组成

智能配电网（微电网）EMS测试系统主要包括HIL606高精度实时仿真器1-2台、HX6022图形化可编程DSP控制器2-4台、可编程能量管理EMS控制器1台、EMS监控屏1块、EMS上位机1台以及相关配件。

图2 智能配电网（微电网）EMS测试系统

设备功能表：

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系统功能

智能配电网（微电网）EMS测试系统可面向科研或者教学，开展分布式电源接入智能配电网（微电网）高精度仿真测试验证以及智能配电网（微电网）多元储能典型协同运行策略、EMS控制策略开发与测试以及顶层调度中心控制算法开发及验证。系统主要功能可分为三个方向：

1.多分布式电源的HIL仿真测试及验证；

2.智能配电网（微电网）EMS能量管理控制算法开发、测试以及验证，包括各个分布式单元功率优化控制、功率平衡控制、削峰填谷等功能；

3.顶层调度中心控制算法开发、测试以及验证，包括智能配电网（微电网）的实时监测与控制、数据分析与优化、需求侧管理、神经网络或者人工智能调度控制。

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系统功能演示

6.1 系统演示平台

图3 智能配电网（微电网）EMS测试系统演示平台

智能配电网（微电网）EMS测试系统演示平台如下图所示，包含了完整的系统机柜以及55寸大屏显示器，配置了网络交互机可以方便地通过网络运行模型监控。

6.2 系统模型

图4 智能配电网（微电网）EMS测试系统虚拟层模型

基于Typhoon HIL平台搭建的智能配电网（微电网）EMS测试模型如下图所示，主要包括了风光储分布式电源、多类型负荷（含可调负荷）。另外，在HIL仿真模型中也配置了CAN模块，以便在SCADA界面中监控CAN总线数据。

可编程风机、光伏以及储能控制器算法均是基于Simulink搭建的图形化模型，基于自动代码生成技术实现。它们均具有类似的算法结构，包括16位16路AD采样（全部配置）、控制算法子系统、PWM生成模块以及CAN收发子系统。

图5 可编程控制器算法模型示意图

其中，CAN收发子系统分别见图5~图6所示。CAN接收子系统接收来自EMS的功率指令、开关机及并网指令，同时将部分数据打包发给HIL606实时仿真器。CAN发送子系统则主要给EMS反馈该分布式单元的电压、电流、功率以及运行状态。

图6 CAN接收子系统

图7 CAN发送子系统

针对智能配电网（微电网）EMS测试模型，配置了图形化、友好的人机交互SCADA界面，实现模型的运行监控、CAN总线通讯数据监视等。

图8 智能配电网（微电网）EMS测试模型SCADA界面

其中，风电、光伏、储能以及负载等各个子单元的监控界面分别见图8~图11所示。针对风电光伏波动性分布式能源，不仅仅可以接受EMS功率指令限制，还可以输入/导入风速或者光照强度改变该分布式能源的功率输出。当前已支持随机风速模拟以及24小时光照强度模拟。

图9 风力发电子监控界面

图10 光伏发电子监控界面

图11 储能子监控界面

图12 负载系统子监控界面

6.3 EMS监控功能介绍

图13 EMS监控屏主界面

EMS监控屏，可以方便地监控EMS控制器运行状态，配置储能控制模式，监控以及控制各个分布式单元的运行，开展功率平衡以及削峰填谷功能测试。

同样地，在EMS调度中心也可以方便地监控EMS控制器运行状态，配置储能控制模式，监控以及控制各个分布式单元的运行，开展功率平衡以及削峰填谷功能测试等，对微电网的运行进行长时间尺度监控。

图14 EMS调度中心主界面

图15 EMS调度中心系统流程图

更重要的是，EMS调度中心开放了数据库接口，可以基于m脚本、Python脚本、C语言等多种编程语言，开发和测试微电网AI智能调度算法。如下图展示的是通过简单的预测算法预测光伏的最大功率，调整储能的出力的示意图。

图16 EMS调度中心光伏子界面功率预测开启

除此之外，还可以将EMS调度中心的人机交互界面投影到大屏显示器，如电视、显示墙等，获得更好的显示效果。

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企业简介

上海汉象智能科技有限公司（汉象）致力于新能源电力系统、电力电子系统、电动汽车、储能系统、船舶电力系统和航空电力系统等领域的仿真测试及技术咨询。公司主营业务为系统建模开发、测试和实时仿真产品的销售，旨在为企业、研究机构和高校提供一站式的解决方案和技术服务。

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