[科普中国]-实时数字模拟

实时数字控制、实时数字模拟与一般非实时数字模拟的要求是有差别的，后者不受时间的限制，允许在可能的范围内尽量减小步长，增加计算时间，以保证被模拟系统的稳定和达到较高的模拟精度；但是在实时控制或实时模拟中，由于时间上的限制以及数字机运算速度有限，要求在规定时间内完成全部运算，因此首先要着眼于模拟方法的快速性和稳定性。一些经典的数值方法往往不能满足这方面的要求，它们不仅计算的工作量大，而且步长加大到一定程度后就会出现不稳定，即使处于临界状态，系统可以稳定，其模拟精度也是很差的。

随着电力系统规模的不断扩大及电子计算机技术的飞速发展，数字模拟技术已成为电力系统领域里工程技术人员研究复杂电力系统现象的有效手段之一。

常用的模拟工具大多为非实时的模拟程序。对于这些运行在数字计算机上的模拟程序来说，其限制在于：为计算被模拟系统1s的响应大多要花费数分钟乃至几小时的时间。这种非实时的模拟速度不能满足与外部物理控制设备和保护装置进行实时交互试验的需要。通常，人们借助于模拟模拟器(如物理动态模拟设备)或者某种专门设备将非实时的模拟结果进行回放来进行外部物理控制设备和保护装置的测试。

模拟模拟器价格较贵，运行费用也较高，往往需要花费较长的时间对一个研究项目进行研究，因此，模拟模拟器在当今世界并未受到很大的青睐。若用回放原理的设备作为试验手段，由于其自身技术上的弱点，其应用上的局限性是显而易见的，它需要较长的时间去准备所需的模拟结果而且不能实现闭环试验。实时数字模拟器最主要的优势则是可以实时运行，并集中了数字模拟软件和模拟模拟器的优点。

实时数字模拟系统( RTDS)的出现是计算机技术、并行处理技术和数字模拟技术发展的产物。RTDS本身具有许多重要特点：首先，并行处理技术的采用和专门设计的硬件保证了RTDS运行的实时性，RTDS可以运行在50μs级的步长上实时模拟较大规模的电力系统；其次，RTDS用来模拟电力系统各元件的模型和模拟算法是建立在已获得公认的当代使用面较广的电磁暂态分析软件包的标准技术的基础上。

为了使用户集中精力进行模拟研究而不必多费心于如何操作模拟器，RTDS提供了运行在通用计算机工作站上的友好的图形化用户界面，称为PSCAD，它包含的主要功能模块有：允许用户方便地建立被模拟的电力系统,控制模拟运行及分析模拟结果。

数字模拟是指以离散量或数字计算机进行的数学模拟或物理模拟。采用渗流区已知参数或反求的参数,利用电子计算机进行模型调试，然后根据选用的数学模型进行渗流区内地下水位(水头)或流量或水质等的预测方法。

一个实时系统是指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间，如果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统出错。

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。

实时系统（Real-time system,RTS）的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。因此实时系统应该在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。

归纳几种可以用于实时控制或实时模拟的、快速而稳定的数字模拟方法，并通过实例对这些方法的频率特性作一比较。1

线性系统的传递函数可表示为:

替换法是用一个近似的Z函数代换传递函数中每一个积分运算S一1，进而获得脉冲传递函数G(Z)的方法.

代换S-1的最简单方法就是欧拉法:

但是这种方法在大步长时是不稳定的。z平面的稳定极限是以原点为圆心、的单位圆。根据(3)式，此单位圆在S平面上的映射如图1所示，阴影部分是稳定域，原来处于S左半平面的极点λ3，λ4是稳定的，但经过(3)式变换后就处于Z平面的单位圆之外，破坏了系统的稳定性，只有当T取得足够小，将λ3，λ4包入圆内后，以上的变换才能保证系统的稳定性。当T→0时，稳定域就是整个左半平面。由此可知，应用(3)式的替换法，只有当T取得比较小时才能保证系统的稳定，因此不宜用于实时模拟。

但是，如果将欧拉法改写成:

那么的圆就映射为图2上的图形，圆内部份变换成圆外部分，因此图2的整个阴影部分都是稳定的，无论步长了取多大，原来处于S左半平面稳定的极点经过上式变换后仍然是稳定的，所以上式可以用来进行实时模拟.当然为了提高模拟精度，T不能取得太大，否则极点的对应位置将有很大变化.当T→0时，Z平面上以原点为圆心的单位圆映射为S平面上的虚轴，圆内部分映射为整个左半平面。

这种模拟方法简单地在连续系统中擂人一个或多个采样器，而在每个采样器之后紧接以一个保持器从而获得一个离散系统以模拟原有的连续系统。如图3所示，输人信号经过采样、保持后，基本上复现了原有的输入形式。

因此我们可以用离散系统:来模拟连续系统，模拟的精度完全取决于U'(S)与U(S)之间的相似程度，也就是取决于输入信号经过采样、保持以后复现的好坏程度。

如果我们不在被模拟系统的内部而只是在总的系统的输入端加以采样一保持，那么它们只是对输人信号进行了处理，无论采样的步长多大，只会影响到输人信号的复原程度，而不会影响到系统的稳定性;但是输入信号经过零阶保持以后有一个T/2的延滞，当T增大时会引起严重的相移问题。

为了改进相位特性，可以在采样器之后改用“三角保持”，因为这是在采样值之间直接用线性插值来近似，所以不会引起严重的相移问题.

RTDS实质上是为实现实时模拟电力系统暂态过程而专门设计的并行计算机系统。2

RTDS的硬件主要由后台工作站和数层6 U机箱组成。后台工作站通常为通用的RISC工作站，主要运行图形用

户界面PSCAD，并与RTDS实时模拟机箱用以太网进行通信。每层机箱可以与其他4层机箱相连接,组成较大规模的模拟器。每层机箱物理上是独立的,主要由3类功能卡组成(硬件结构见图。WIC为工作站接口卡，IRC为层间通信卡，TPC为双处理器卡。

每块TPC卡由两片数字信号处理器DSP组成。每片DSP的浮点运算速度为44 M次/s。实际上，每块TPC卡物理结构相同，仅仅是在模拟运行时,其运行软件不同,所具有的功能也不同。该卡主要部件有：背板接口，开关量、模拟量的输入输出，DSP及其数据存储器，双端口存储器,控制与时序电路及状态指示等。

每块T PC上的两片DSP可以独立运行模拟电力系统的某个元件，亦可联合运行来实时模拟较复杂的电力系统元件(如同杆双回线)。TPC上的双端口存储器允许两片DSP之间进行高速数据通信而无需经过背板接口。

TPC上的每片DSP均配有开关量和模拟量输入输出通道。这些通道可以用来作为RTDS上被模拟的电力系统元件与外部物理设备的连接。每个DSP拥有以下通道：

（1）4路可分挡调节的模拟量输出通道；

（2）1路12位的模拟量输入通道；

（3）16位开关量输入通道；

（4）16位开关量输出通道。

在每一次模拟运行中，主机工作站与每片DSP的数据交换是通过TPC卡上的外部存储器进行的。

每层RTDS的机箱配有一块WIC卡。其主要功能是完成RTDS与主机工作站之间的数据通信，WIC卡也响应来自与每层机箱背板相连接的处理器的通信请求。它主要由以下几个部分组成：背板接口；状态指示；处理通信请求电路；M68020处理器；模拟时步时钟发生器；以太网接口及其控制。

WIC卡与主工作站之间的通信是基于局域网(LAN)的标准以太网完成的。每层机箱在局域网上具有唯一的网址。M68020处理器的任务之一就是将工作站的数据重新定向传送给某TPC卡的DSP，M68020也可执行对整层机箱的诊断测试，它并不主动参与模拟运行，而仅仅在主工作站与各处理器之间传送数据。

层间的数据通信都是由IRC卡处理的。每一IRC卡都提供了到其他与其关联的机箱的通信通路。IRC卡主要部件有：背板接口；状态指示；层间通信接口；数据收/发电路。

层间数据通信由屏蔽双绞线进行连接。32位完整的数据被转换成串行数据格式并以500 M Hz的速率传输。错误检测位由数据收/发电路自动加入数据流或从数据流中分离出来。具体层间的物理连接方式以文件形式存放在主工作站中。

RTDS作为实时数字模拟领域中的产品有以下主要应用领域：传统的TNA类型的研究；断路器重合序列试验研究;各类继电保护闭环测试；大扰动下的电力系统摇摆研究；交直流混合系统研究分析；直流系统控制研究; SV C应用及控制；地磁电流效应分析；操作员培训。

结合电力部电力自动化研究院的研究领域及产品特点，RTDS主要应用于以下几方面：

将RTDS用于新型继电保护产品的研究开发中,作为进行一些特殊试验的手段,提供继电保护装置在一次电力系统中实际运行的模拟环境,通过与RTDS的闭环测试,确保继电保护产品在设计开发中的先进性及在现场运行中的可靠性。已逐步开展的继电保护产品的主要试验内容有: 各类常规线路常见故障下继电保护装置的模拟试验; 高电压长距离输电线路串联补偿对保护的影响; 同杆双回线跨线故障情况下保护的动作行为; 变压器空投产生的励磁涌流现象对继电保护动作行为的影响; 并联电容、并联电抗器保护动作的正确性; 电动机保护测试;非常见性故障如间隙放电、断线又接地故障等的模拟研究。

一般说来, 用RTDS测试继电保护产品时, 应配有电压放大器和电流放大器,将RTDS模拟的电压、电流量的模拟量输出信号进行放大来代替实际电力系统中的PT和CT的二次侧输出。一些相应的接口电路或配套装置在具体模拟试验中是必要的。曾经利用RTDS实时模拟了《线路继电保护产品动模试验技术条件》中建议的中长距离线路接线方案之二的模拟系统,根据系统各元件的相关参数,在绘制模块中建立了这样一个系统。在实时模拟中比较了考虑PT，CT影响与忽略PT，CT影响等情况,均获得比较理想的结果。在实时运行模块中提供的电量监控手段非常有用。

RTDS用于AVR的测试也是应用目标之一。用RTDS模拟一次系统和励磁系统中的其他部件,与实际的AVR构成闭环测试环境。2

RTDS也可用于高压直流系统的模拟研究及直流控制装置性能分析及其它电力系统安全控制装置的测试与分析。