[科普中国]-实时数字仿真系统

简介

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，数字仿真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。1

常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。对于这些运行在数字计算机上的仿真程序来说，其限制在于：为计算被仿真系统1s的响应大多要花费数分钟乃至几小时的时间。这种非实时的仿真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，人们借助于模拟仿真器(如物理动态模拟设备)或者某种专门设备将非实时的仿真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。1

模拟仿真器价格较贵，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，模拟仿真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仿真结果而且不能实现闭环试验。实时数字仿真器最主要的优势则是可以实时运行，并集中了数字仿真软件和模拟仿真器的优点。1

实时数字仿真系统( RTDS)的出现是计算机技术、并行处理技术和数字仿真技术发展的产物。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级的步长上实时仿真较大规模的电力系统；其次，RTDS用来仿真电力系统各元件的模型和仿真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。1

为了使用户集中精力进行仿真研究而不必多费心于如何操作仿真器，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仿真的电力系统,控制仿真运行及分析仿真结果。1

硬件结构RTDS实质上是为实现实时仿真电力系统暂态过程而专门设计的并行计算机系统。1

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实时仿真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,组成较大规模的仿真器。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。1

双处理器卡（TPC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，仅仅是在仿真运行时,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。1

每块T PC上的两片DSP可以独立运行仿真电力系统的某个元件，亦可联合运行来实时仿真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。1

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上被仿真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

（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。

在每一次仿真运行中，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。

工作站接口卡（WIC）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；仿真时步时钟发生器；以太网接口及其控制。1

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，它并不主动参与仿真运行，而仅仅在主工作站与各处理器之间传送数据。1

层间通信卡（IRC）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。1

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。1

应用领域RTDS作为实时数字仿真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。1

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：1

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仿真环境,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仿真试验; 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仿真研究。

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仿真的电压、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仿真试验中是必要的。曾经利用RTDS实时仿真了《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。在实时仿真中比较了考虑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仿真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。

RTDS也可用于高压直流系统的仿真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。