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电力系统实时数字仿真器RTDS简介

2022-01-23 来源:步旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com Equipment Manufactring Technology No.6,2008 电力系统实时数字仿真器RTDS简介 魏明,崔桂梅 (内蒙古科技大学,内蒙古包头014010) 摘要:KTDS(实时数字仿真器)是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置,利用先进的软硬件技术,可以对交直流系统进行实时准 确的仿真。其建模周期短、灵活性强、结果直观、频率特性范围大、计算精度和模型的合理性通过多年的国内外运行,实践证明是可以信 赖的。RTDS还可以对故障录波并可回放,现在正逐渐取代了基于模拟技术的暂态网络分析仪而成为新一代仿真器。详细介绍了实时数 字仿真器的功能应用及软硬件的结构。 关键词:实时数字仿真器;数字仿真器;实时仿真 中图分类号:TP399 文献标识码:B 文章编号:1672—545X(2008)06—0128—03 系统仿真是以系统理论、随机过程与统计学理论和优化理 仿真器,是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置,它 论为基础,以计算机和仿真系统软件为工具,对现实系统或未 是电力系统规模的不断扩大和计算机及数字技术飞速发展 来系统进行动态实验研究的理论和方法。它可以把复杂系统的 的产物。其算法与EMTP仿真程序的相同,但由于其采用多 运行放在实验室中进行,具有良好的可控性、无破坏性和经济 CPU并行处理的方法,其进行系统研究时速度要快得多,更 性,在辅助决策、计划优化、管理调度、方案比较及辅助设计等 能突出其实时性。而且RTDS仿真系统的频率特性范围很大 方面发挥着重要作用。 (从直流到4kHz),在此频率范围内,RTDS仿真系统可以全 其中电力系统的实时仿真一般又可分为物理仿真、数字物 面分析电力系统各种问题。此外,RTDS提供了几乎所有的传 理混合仿真和全数字仿真三大类。 统电力系统元件模型、控制器模型、传输线模型、FACTS和 物理仿真是将电力系统实际元件用参数成倍数缩小的真 HVDC装置模型,每片DSP均配有开关量和模拟量输入输出 实物理元件模拟。但其可扩展性和兼容性差,难以模拟大规模 通道,这些通道可供RTDS和外部物理设备连接,实现物理 电力系统。 和数字混合仿真,对控制设备和保护装置进行测试。因此, 数字物理混合仿真即数模混合模拟仿真,采用的是数字仿 RTDS仿真系统可应用于电力系统的规划及优化、可行性研 真元件和基于相似理论的物理模型。但其所模拟的电力系统的 究、测试保护系统的设计与测试、系统稳态及电磁暂态分析 规模仍受到仿真装置的制约,而且这种数字物理混合仿真装置 及其教育培训等诸多方面。 的可扩展性和兼容性也比较差。 电力系统全数字实时仿真装置基于现代计算机技术和信 1.1 1RTDS的硬件结构 息技术,计算速度快,可在一个时间步长里完成各种状态量的 RTDS的基本组成部分叫做RACK,每个RACK中有卡 求解计算,计算精度和模型的合理性亦已通过多年的国内外运 槽,用以安装不同功用的板卡。每个RACK主要有3种功能 行,实践证明是可以信赖的。其产品造价相对较低,且占地面积 卡组成:3PC卡(Triple Processor Card)或千兆处理器卡GPC 小,可扩展性好,是当前国际上实时仿真的主要发展方向。 (Giga Processor Card),工作站接口卡WIF(Workstation Inter- 现有的实时仿真装置大约有以下几种: Face Card),层间通讯卡IRC(Inter-Rack Communication (1)基于高速处理器的实时仿真装置——RTDS。此类产 Card)。RTDS的硬件结构见图1,每个RACK有一块工作站 品以加拿大RTDS公司产品为代表,一个CPU模拟一个电力 接口卡WIF,一块层问通讯卡IRC,若干块千兆处理器卡 系统元器件,CPU间的通讯,采用并行一串行一并行的方式。 GPC和3PC卡的组合(根据需要组合,卡槽最多只有20个)。 一RTDS具有仿真的实时性,主要用于电磁暂态仿真。 个柜子中可以装1-3个RACK,实验时可同时使用几个到 (2)基于HP并行计算机或HP工作站的实时仿真—— 几十个RACK,RACK的数量决定了可仿真系统的规模,目前 ARENE。 RTDS应用规模最大的是韩国电力公司(KEPCO)的装置,有 (3)基于集群计算机的实时仿真装置HYPERSIM。 32个RACK,可以模拟90台发电机,200个结点。多个RACK 本文着重介绍RTDS。 之间的数据通讯依靠层问通讯卡IRC和背板上的总线来完 成,总线并行工作,所以数据可并行通讯,以减少通讯瓶颈问 1实时仿真装置RTDS的简介 题。RTDS仿真器由工作站和一个或多个Rack组成,工作站 通过工作站接口卡WIF和以太网与Rack通信,并控制Rack RTDS(Real Time Diotla Simulators)l ̄p电力系统实时数字 的实时仿真运行。 收稿日期:2008一O3-24 作者简介:魏明(1979一),男.在读硕士,从事电力系统控制方面的研究;崔桂梅(1963一),女,博士,教授,从事控制理论与控制工程方面的研究。 128 维普资讯 http://www.cqvip.com 机柜 图1 RTDS的硬件结构 1.1.1 3PC卡(Triple Processor Card) 3PC卡是RTDS第三代产品的核心。3PC卡与GPC、TPC、 WIF、IRC及其接口完全兼容。一块3PC卡包含3块AD— SP-21064(Share)DSP芯片。DSP是一种基于并行处理技术的数 字信号处理器,速度快、精度高、接口方便、稳定性好。ADSP- 21064(Sharc)DSP时钟周期为25ns,40位精度,每块AD— SP-21064DSP的浮点运算速度为80MFLOPS(每秒百万次浮点 操作),即一块3PC卡的运算速度为240MFLOPS(每秒百万次 浮点操作)。 3PC卡有以下输入,输出通道: (1)24路峰值电压在正负10伏之间的模拟量输出通道; (2)2路16位的数字量输入(5v); (3)2路16位的数字量输出(5V); (4)供复杂模型处理的高速通讯口。 1.1.2千兆处理器卡GPC(Giga Processor Card) 千兆处理器卡CPC是RTDS推出的又一核心产品,它大 大增强了RTDS仿真器的运算能力。一块CPC可处理54个单 相节点,3PC则需要3块。CPC可与3PC卡一起使用。它与 3PC、TPC、WIF、IRC及其接口完全兼容。一块GPC卡包含2块 IBM PPC750GX RISC处理器芯片。RISC(精简指令集计算机), 其中心思想是简化硬件设计,大部分复杂的操作由简单指令合 成,以提高处理器的运算能力。IBM PPC750GX指令频率可达 1GHz,64位精度,每块IBM PPC750GX的浮点运算速度可高达 1000MFLOPS(每秒百万次浮点操作)。此外,千兆处理器卡 CPC还拥有24个12位的数模转换装置,两个连接外设I/O口 的光学收发器。 1.1.3工作站接口卡WIF(Workstation InterFace Card) 每个RACK都配有一块工作站接口卡WIF,其主要的功 能是处理RTDS仿真器与工作站之间的通讯。RTDS的工作站 由PC机组成,上面运行图形用户界面(RSCAD软件包)、电力 和控制系统部件模型库及编译器软件。每个WIF都有一个网 络收发装置,有独立的网址,这就使工作站可以通过网络调用 任何一个RACK。WIF可以为用户提供调用、起停和控制RTDS 仿真器的能力。WIF还可以对每个RACK进行诊断检测,并用 其前面板上的指示灯给出检测结果。此外,它还还可以记录数 据并使数据交换更加协调顺畅。 主要由以下几个部分组成: (1)背板接口及以太网口(10/100M): 《装备制造技术)2oos年第6期 (2)仿真时步时钟发生器; (3)MPC860T处理器: (4)RS一232C检测口; (5)状态指示。 1.1.4层间通讯卡IRC(Inter—Rack Communication Card) 各个Rack之间通过IRC(Inter-Rack Communication Card, 层间通信卡)直接交换数据,由此可以组成大规模的交直流混 合电力系统,并可维持RTDS的实时性。IRC利用屏闭双绞线 来完成各个RACK之间的数据通讯,其间数据以660兆波特 率、全双工方式串行通讯。IRC的通讯通道为其专有,不会被以 太网通讯所干扰。 IRC卡主要部件有: (1)背板接口; (2)状态指示; (3)层间通信接口; (4)数据收,发电路; (5)RJ45连接器(用来连接各个IRC卡)。 1.2 FlTDS的软件简介 图形用户界面(RSCAD软件包)、电力和控制系统部件模 型库及编译器是RTDS仿真器最主要的两个软件。RSCAD软 件包作为其图形用户界面,是用户与RTDS硬件联系的主要渠 道。它使用户可以搭建系统仿真模型,在仿真中设置或修改系 统参数,获取系统数据,对仿真结果进行分析。电力和控制系统 部件模型库中拥有大量的经过认证的系统元件模型,每个元件 模型都有它的图形标号,使用时用鼠标拖人模型界面中即可, 极为方便。 1.2.1图形用户界面RSCAD软件包 RSCAD软件包由以下几种软件模块组成:文件管理系统 (File Manager)、系统图形建立模块(Draft)、运行控制模块 (Runtime)、数据处理分析模块(Muhiplot),其中系统图形建立 模块(Draft)中又包含输电线及电缆模块(Tline及Cable)(软件 模块结构见图2)。 豳由豳 西萄 楱。块 } 图2软件模块图 1.2.1.1文件管理系统(File Manager) 文件管理系统(File Manager)模块是RSCAD的上层文件, 它可以使用户有效的进行文件管理和仿真中的数据维护,其他 所有RSCAD模块运行前均须从其中调用。 1.2.1.2系统图形建立模块(Draft) 系统图形建立模块(Draft)是用来编辑电力系统电路原理 图并设定与之相关的元件的参数的预处理模块。打开模块后, 屏幕右半边是电力和控制系统部件模型,用户只需用鼠标将所 选中的模型拖到屏幕左半边的图形建立区即可,模型参数可从 弹出的窗口中设置。软件中还提供组合,撤消组合命令,使用 129 维普资讯 http://www.cqvip.com

Equipment Manufactring Technology No.6,2008 户编辑系统原理图时更加方便。系统原理图建立完成后,必须 经过编译后才可使用,编译时,系统会对元件参数进行初步的 查错。系统图形建立模块(Draft)中所包括的输电线及电缆模块 (10)双绕组和三绕组变压器(带抽头,考虑饱和度和滞后 作用,可设置内部故障); (11)断路器; (12)CT、CVT、PT等; (Tline及Cable)可以设置交直流传输线的参数,如各种传输线 的类型、几何尺寸等相关技术参数。 1.2.1.3运行控制模块【Runtime) 运行控制模块(Runtime)可以把编译成功的任务从工作站 下载到RTDS上运行。模块可生成操作控制台,用户可以通过 (13)控制模块(微分、积分、延时、限幅、超前、滞后等); (14)UDC(用户还可以使用此模块自己定义所需模型)。 1.2.3编译器 编译器的作用是将系统图形建立模块(Draft)输人的系统 这些操作控制台来控制仿真运行过程。操作控制台上有测量表 图形及数据转化为DSP芯片所需要的并行处理代码,并确定 计、图表、刻度盘、开关、按钮、示波器等工具,用户可以利用这 些工具来监视仿真过程。其中非临界控制的值可以被无限逼 近,用户也可以在仿真结果中添加文本注释、时间标志以更加 清楚的对仿真结果进行分类。仿真结束后,仿真结果可以送到 数据处理分析模块(Multiplot)中进行数据分析。 1.2.1.4数据处理分析模块【Multiplot) 存储器的分配和数据通信约定。系统编译后,会生成一个用户 可读文件(map文件)。这个文件中包括了系统的映射配置,指 定了用户用来与实际测量电路、保护装置及控制设备相连接的 I/0口。编译器还可以自动给用户提供仿真时的最小仿真步长。 2结论 与传统的物理模拟方法相比,数字模拟方法具有建模周期 短,灵活性强,结果直观的特点,其计算精度和模型的合理性已 通过多年的国内外运行实践证明是可以信赖的。全数字RTDS 数据处理分析模块(Muhiplot)可将仿真结果生成仿真结果 曲线,以便于用户分析评价,其还可以将结果以报告的形式打 印输出。在数据处理分析模块中傅立叶分析和谐波计算是功能 较强的分析手段。 电力系统实时仿真步骤总结如下: (1)在文件管理系统(File Manager)中定义一个任务; (2)在系统图形建立模块(Draft)中建立一个电力系统模 实时仿真系统,具有模型构建方便、系统元件库全面且易维护、 同类故障工况可重复再现等诸多方面的优点,给保护装置的开 发研究提供了极其有利的手段,也从而确保了由此开发出的装 置性能更加可靠。 参考文献: 型,然后编译生成模型目标代码; (3)在运行控制模块(Runtime)中进行实时运行仿真; (4)用数据处理分析模块(Multiplot)进行仿真结果分析。 1.2.2电力和控制系统部件模型库 电力和控制系统部件模型库为用户提供了构成电力系统 【1】岳程燕.电力系统电磁暂态和机电暂态混合实时仿真的研究【D】. 北京:中园电力科学研究院,2004. 【2】郭丽娟,陈乃添,刘南平.实时数字仿真装置RTDS介绍[JJ.广 西电力,2004,(1):62—64. 的许多复杂元件的精确的元件模型,主要有以下几种: (1)无源RLC支路,滤波器和单相或三相电源; [31梁志成,马献东,王力科,Kuffel R,江晓.实时数字仿真器 RTDS及其应用【J】.电力系统自动化,1997,21(10):61—64. (2)单回架空线和同杆双回架空线及电缆; (3)同步电机及励磁机、调速器、汽机和多质体; (4)高压直流阀组; (5)静止同步补偿器STACOM; (6)统一潮流控制器UPFC; 【4j孙晓娟,高嵩,敬伟.STATCOM的系统仿真【Jj.微计算机信息(测 控自动化)2005,21(10):170—172. 【5】许汉平,黄涌,陈坚.电力系统实时数字仿真系统介绍 .华中 电力,2002,15(3):10—12. 【6】陈礼义,顾强.电力系统数字仿真及其发展【.『】.电力系统自动 化,1999,23(23):1—6. (7)可控串连补偿TCSC(可设置内部故障); (8)静止无功功率补偿svc(包括TCR、TSC); (9)串联补偿(带MOV和旁路刀闸); 【7j叶林,杨仁刚,杨明皓,RickKuffel,林华谘.电力系统实时数 字仿真器RTDSIJ].电力电气2004,(7):49—52. I ntroduction of Real Time Digital Simulator-RTDS in Power System WEI Ming,CUI Gui—mei (Inner Mongolia Univershy ofScience and Technology,Baotou Ner Mongol 014010,China) Abstract:RTDS eal Time Digital Simulator)is a fully diitgla electromagnetic trnsaient power system simulator which WaS created spec¥cal- ly for real time power system simulation,utilizing advanced custom computing h ̄dware nd asoftware.It provides power systems simulation tchnoleogy for ̄fast,r ̄able,and accurate study of power systems evell with complex Hi Voltage Alternating Current (HVAC)and High Voltage Dircte Current(HVDC)networks.It haS a short modeling cycle,high dependabiilty nd alfexibility,big scope of frequency characters, visual results,nd iats calculation accuracy and model rationality have been proved to be relible aafter years of running practice at home and braoad.RTDS technology has many advantages,such as being easy to ontcrol and fault process could reappear etc,so it replaces the previous generation of network naalyzers which were based on analogue technology.This article introduces the real—time diigt simulator。S function 印plicationsandthesoftwareandhardware’S structurein detail. Key words:Real itme diitalg simulator;Diitgal simulator;Real time simulation 13O 

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