基于RTDS的交直互联大电网仿真研究

摘要
随着电力系统中大量先进的控制和测量装置（如FACTS控制装置、安稳监控装置等）以及多回直流输电工程的投入，交直流互联大电网规模越来越庞大，运行越来越复杂。

如何分析交直流之间、多回直流相互之间的影响以及全网协调的控制保护特性等问题，保证交直流电力系统的安全稳定运行，成为广大电力研究人员面临的重大课题之一。

基于电磁暂态实时仿真的RTDS具有连接实际直流控制保护装置的优势，是一种高效、强大的电力系统分析工具。

利用RTDS建立一个与多回直流系统实际控制保护装置连接成闭环系统的交直流互联大电网仿真试验平台，为开展交直流互联大系统生产运行与动态特性分析提供重要的支撑。

同时，利用该平台，为各种安全稳定与故障恢复控制策略研究以及STATCOM、SVC等新型电力电子无功补偿装置功能测试等技术研究的开展具有重大的意义。

本文主要研究工作包括：
结合电力系统动态仿真技术的特点，介绍RTDS的基本软硬件，对基于RTDS建立交直流互联大电网实时数字仿真模型的局限性进行简单叙述；同时，考虑RTDS仿真器硬件上与软件上的新技术，并对以建立大规模电力系统仿真模型为目的的RTDS新型技术——宽频等值进行了研究。

结合电网数据来源以及仿真精度的要求，介绍BPA仿真模型和RTDS仿真模型的电网主要元器件的模型种类、参数以及参数转换等。

介绍RTDS自定义建模功能——CBuilder，讨论了CBuilder在自定义建模上的一般原则与注意事项。

通过对新型励磁系统FV的自定义建模与控制特性的测试，验证了CBuilder对控制模块自定义建模的一般性步骤与正确性。

最后，对交直流互联大电网RTDS仿真模型进行稳态运行与典型故障实验，通过比对交直流互联大电网在RTDS与BPA两款仿真软件上的稳态潮流与暂态特性，初步验证所建模型的准确性；同时，应用该模型平台重演“11.7”事故，进行多直流换相失败等电网特性分析与测试实验。

关键词：大电网；RTDS；宽频等值；CBuilder；换相失败
Abstract
The size and complexity of AC/DC parallel Grid has been increasing during the past several years, with a lot amount of infiltration of HVDC, FACTS and etc. The research of influence between AC system and DC system is much more of a concern, in order to ensure the security and stability of AC/DC parallel Grid. Building an AC/DC parallel power system model with RTDS based on EMT contains much superiority such as connecting with control and protection equitment. It can be great support for the research of AC/DC parallel Grid operation and dynamic characteristics. Meanwhile, it’s great significant for technology research and function test such as strategy of grid security and stability, STATCOM, SVC and etc.
In this paper, research work includes:
Describe hardware and software of RTDS, and the limitations of AC/DC parallel grid simulation based on RTDS. Refer to the new techology of RTDS, study the Frequency Dependent Network Equivalent (FDNE) in order to building AC/DC parallel Grid based on RTDS.
Consider as the requirements of the grid data format and simulation percision, introduces the model types, parameters and parameter transformation of the main power system components both of BPA and RTDS.
Introduce the User-Defined model (UDC) of RTDS ——CBuilder.. Firstly, discuss general method and process of CBuilder,. Secondly, verify the accuracy of control model based on CBuilder by defining the FV excitation system and dynamic performance test.
Last, verify the accuracy of AC/DC parallel Grid RTDS model by comparing simulation results of steady-state power flow and transient characteristics in steady-state operation and failure condition with BPA and RTDS. Further, replay the “11.7” accident with the RTDS model and analyze the grid characters of commutation failure in multi-DC system.
Key Words: AC/DC parallel Grid；RTDS；FDNE；CBuilder；commutation failure
目 录
摘要 (II)
Abstract (III)
第一章绪论 (1)
1.1背景与意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1交直流电力系统仿真技术现状 (2)
1.2.2交直流电力系统运行特性现状 (4)
1.3本文工作安排 (5)
第二章 RTDS实时数字仿真技术 (6)
2.1实时数字仿真技术及其应用 (6)
2.2实时数字仿真器RTDS介绍 (7)
2.2.1 实时数字仿真器硬件板卡 (7)
2.2.2 实时数字仿真器软件RSCAD (8)
2.3 RTDS建模的制约因素分析 (8)
2.4 RTDS的最新技术 (9)
2.4.1 RTDS最新硬件板卡 (9)
2.4.2 RTDS最新软件技术——宽频等值 (10)
2.5本章小结 (18)
第三章交直流系统RTDS模型研究 (19)
3.1发电机及其控制系统模型 (19)
3.1.1 同步发电机模型 (19)
3.1.2 发电机控制系统模型 (20)
3.1.3 单机测试 (23)
3.2线路与高抗模型 (26)
3.2.1 线路模型 (26)
3.2.2 高抗模型 (27)
3.3变压器与负荷模型 (28)
3.3.1 变压器模型 (28)
3.3.2 负荷模型 (29)
3.4直流系统模型 (31)
3.4.1 直流一次系统建模 (31)
3.4.2 直流二次控制保护系统建模 (35)
3.5本章小结 (36)
第四章 RTDS自定义建模CBuilder研究 (38)
4.1 用户自定义建模UDM (38)
4.2 RTDS自定义建模功能CBuilder (38)
4.3自定义建模方法研究 (40)
4.3.1 CBuilder自定义建模的基本步骤 (40)
4.3.2模型外观设计 (41)
4.3.3参数设计 (42)
4.3.4代码设计 (42)
4.4 自定义模型测试 (43)
4.5本章小结 (45)
第五章大电网RTDS仿真模型的应用研究 (46)
5.1 RTDS稳态运行分析 (46)
5.1.1 发电机稳态出力对比 (46)
5.1.2 母线电压对比 (46)
5.1.3 线路潮流对比 (47)
5.1.4 短路电流对比 (47)
5.2 RTDS暂态特性对比 (48)
5.2.1 故障类型设置 (48)
5.2.2 施黎线施侧三相短路 (49)
5.2.3 穗增线穗侧三相短路 (50)
5.2.4 高肇直流单极闭锁 (51)
5.3交直流互联电网多直流换相失败试验 (52)
5.3.1 “11.7”事故分析与重演 (52)
5.3.2 交流侧故障引起的多直流换相失败试验 (55)
5.4本章小结 (58)
结论与展望 (59)
参考文献 (61)
附录 (65)
附录1 FV型励磁系统的CODE代码 (65)
附录2 发电机稳态出力对比 (67)
附录3 部分母线电压BPA与RTDS对比 (68)
附录4 部分线路BPA与RTDS的潮流对比 (69)
攻读硕士学位期间取得的研究成果 (71)
致谢 (72)
第一章绪论
第一章绪论
1.1背景与意义
在我国资源分布上，呈现东部经济较发达地区发电资源贫乏、西部发展相对落后地区水电资源丰富的局面。

实施“西电东送”是我国资源分布与生产力布局的客观要求，将西部丰富的电力资源送到东部地区，也是变西部地区资源优势为经济优势，促进东西部地区经济共同发展的重要措施，将改变东西部能源与经济不平衡的状况，对加快我国能源结构调整和东部地区经济发展、西部战略开发均发挥着重要作用。

在20世纪80年代后，我国国民经济快速发展，电力需求不断增加，电网容量剧增，系统日趋复杂；“西电东送”的输电容量日渐增大，交流远距离大容量送电的局限性越发突显，例如输电功率极限与低频振荡等引发的系统稳定性问题严重制约着我国电力行业的发展，而高压直流输电在限制短路容量、异步联网阻断交流故障传递与远距离大容量输电等方面有着突出的优势。

自从1954年，世界上第一条工业性质的直流输电工程在瑞典建成，连接哥特兰岛与瑞典电网，直流输电技术在电力上的发展一直稳步向前。

随着大功率晶闸管的研发及成功应用，高压直流输电技术开始广泛应用于电力系统的远距离、大容量输电。

我国在高压直流输电技术上起步较晚，1987年，我国自行研制的舟山直流输电试验工程投运，1989年，葛上±500kV、1200MW直流输电工程投运。

由于“西电东送”北、中、南三路送电通道和全国联网目标，进入21世纪以来，我国已有多个高压、特高压直流输电工程和直流背靠背联网工程陆续投运，逐渐形成了超高压、大容量、交直流并联输电的交直流互联大电网，其运行复杂性和难度在国际上十分罕见。

大量先进的测量、控制和保护装置（如FACTS控制装置、安稳监控装置等）以及多回直流输电工程电力系统中的投入，交直流互联大电网规模越来越庞大，运行越来越复杂，如何分析交直流之间、多回直流相互之间的影响以及全网协调的控制保护特性等问题，保证交直流电力系统的安全稳定运行，成为广大电力研究人员面临的重大课题之一，例如交流系统故障引发的多回直流换相失败及其恢复特性的研究。

换相失败对直流输电系统来讲是不可避免，关键问题是多回直流换相失败后其恢复过程对电网带来的冲击，有可能导致全网系统失稳。

这类问题与交直流系统的结构和具体运行工况等因素均有关系，凭经验的估计是不可靠的，需要采用仿真技术进行研究。

电力系统仿真作为一种分析研究电力系统的工具，一直在交直流电力系统的发展规
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划和实际运行中发挥着极其重要的作用。

根据不同的标准，电力系统仿真可分为不同的类型，如动模仿真与数字仿真、电磁暂态仿真与机电暂态仿真、实时与非实时仿真等等。

随着交直流电力系统的不断发展，对电力系统仿真也提出了更高的要求。

比如，机电暂态仿真虽然能够模拟较大规模的交直流电力系统，但对于HVDC和FACTS等电力电子装置的动态特性仿真精确度则不足，而电磁暂态仿真虽然能够较为真实地反映HVDC 和FACTS等的动态特性，但仿真规模受到较大的约束，而且，目前在中长期动态仿真和小扰动分析方面越来越受到关注。

对于建立大规模交直流电力系统仿真模型进行交直电网相互影响的特性研究，关键在于直流系统模型的精度。

对于一般机电暂态仿真，由于总体上直流输电控制系统没有标准化，不同的供应商所采用的控制系统是有差别的，而机电暂态程序提供的带有缺省的直流输电系统功能模块往往难以满足仿真要求；而且，机电暂态中直流系统模型普遍采用准稳态模型，不适用于交直流系统不对称故障分析[1]。

作为国际上研制和投入商业化应用最早的实时数学仿真装置，也是目前世界上被广泛采用的电力系统实时数学仿真装置，基于电磁暂态实时仿真的RTDS具有连接实际直流控制保护装置的优势，是一种高效、强大的电力系统分析工具。

利用RTDS实时数字仿真装置建立一个与多回直流系统实际控制保护装置连接成闭环系统的功能强大的交直流互联大电网试验平台，为开展交直流互联大电网运行分析与特性研究提供重要的技术支持；同时，利用该平台，对各种安全稳定和故障恢复控制策略研究以及STATCOM、SVC等新型电力电子无功补偿装置功能测试等技术研究的开展具有重大的意义。

1.2国内外研究现状
从21世纪以来，国内外许多电力企业、科研单位以及高校科研团队都投入了大量的人力物力，开展利用仿真技术对交直流互联大电网运行与稳定等特性进行分析研究的相关工作，主要包括以下两个方面。

1.2.1交直流电力系统仿真技术现状
随着经济发展和时代的进步，电网的发展速度也越来越快，电网运行的任务变得越来越复杂，区域互联越来越多，设备的复杂性增加，经济、环境和安全等很多方面的问题都必须引起相关的重视。

而在电力系统的设计、测试、运行与规划等方面的研究，由于电力系统的特殊性不允许在实际电网中进行，避免可能引发的电网安全与稳定问题，因此，电力系统仿真技术成为电力系统研究、规划和设计的重要手段，广泛应用于装置
第一章绪论
入网前的测试、稳定分析、安全评估以及事故反演、培训等领域。

电力系统仿真是指以统计学、系统理论和优化理论为基础，以探索电力系统在特定条件下的动态行为和运行特性为目的，利用仿真工具建立系统模型，并进行计算和实验研究的理论和方法[2]。

根据不同的标准，电力系统仿真可分为实时与非实时、机电暂态与电磁暂态等，目前被广泛应用的是离线仿真技术和实时仿真技术[3]，例如电磁暂态程序EMTP、EMTPE，机电暂态程序PSS/E、BPA，实时仿真器RTDS、HYPERSIM等。

RTDS作为目前使用最广泛的商业化实时仿真器，其仿真效率与精度均处于国际领先的水平，目前国内外利用RTDS对电网稳定、控制策略和规划等方面进行仿真的研究处于一个蓬勃发展的阶段。

在RTDS仿真技术上，针对普遍电磁仿真程序对大规模电力系统仿真计算前需要经过等值化简的局限性，RTDS公司利用多端口频率相关导纳矩阵和改进TSA算法来模拟部分电力系统的动态特性，以达到减小系统规模，实现在RTDS 中进行大规模电力系统仿真的可能性[4]~[5]。

在元件模型方面，广泛开展了基于RTDS的模型特性、参数辨识等的深入研究，比如：负荷模型验证及分类研究、同步电机特性研究、励磁系统的参数辨识、直流线路模型等[6]~[8]，[32]~[34]。

在应用方面，由于实时性与强大的接口通信，RTDS广泛应用于实际电力系统控制保护装置的功能测试与特性研究试验。

例如，楚雄静止无功补偿SVC具有快速调整无功补偿的优点，是云广特高压直流的配套工程，利用RTDS、云广直流实际控制保护装置、SVC控制保护屏柜和功放等搭建SVC的闭环测试系统，在云广直流联网、孤岛方式下测试SVC控制保护系统的功能、动态性能及与电网相互作用，发现并解决了两套SVC控制系统不协调工作、交流系统故障时SVC退出等多项缺陷[9]。

除了实时数字仿真，近年来，全过程动态仿真与混合仿真也是仿真技术发展的两大研究热点。

在电网容量不断增大、输电线路负载越来越逼近输电极限等问题日益突出的情况下，系统暂态稳定及暂态稳定后的中长期动态稳定逐渐成为重点关注的问题，早期忽略扰动开始阶段机电暂态的仿真软件已不满足研究的需要，开发实用的电力系统全过程序动态仿真软件成为电力系统仿真技术的发展趋势。

全过程动态仿真时间跨度大，从几秒到数十分钟甚至若干小时，需要使用自动变步长积分方法，在机电暂态阶段使用小步长，在中长期阶段使用大步长。

文献[10]综述了电力系统多时间尺度全过程仿真的特性与研究成果，讲解了机电暂态－中长期动态全过程程序PSD-FDS的组合数值积分算法、中长期动态元件模型与建模方法及全过程动态仿真的应用。

机电暂态仿真和电磁暂态仿真均存在着各自的局限性，单独使用机电暂态或电磁暂
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态程序进行大规模电力系统仿真均存在着一定的缺陷。

混合仿真的思想是由Haffernan 在1981年首次提出，最初的想法是利用机电暂态和电磁暂态两个不同的仿真程序分别对交流系统和直流系统进行建模仿真[11-13]。

在国内外，对混合仿真的等值模型，接口设计以及数据处理等方面的研究均有着不同程序的发展。

美国A&M大学Kasztenny教授深入研究了混合仿真中接口母线位置的选择、基于实时仿真的数据交换流程等问题，提出了采用不同模型进行接口的方法[14]。

清华大学柳勇军博士对混合仿真的几种不同接口时序进行详细对比分析，提出电磁侧求解等值复阻抗的新算法，改进机电侧戴维南等值方法引起的不对称阻抗矩阵问题以及并行与串行混合使用的新接口时序交互方式等[15]。

中国电科院提出一套机电-电磁混合仿真方案，采用基波负序补偿法解决负序参数不对称情况和和最小二乘法求取3序基波值，解决机电暂态网络发生不对称故障情况下的电磁暂态仿真问题[16]。

1.2.2交直流电力系统运行特性现状
由于西电东送和全国联网的宏大目标，进入21世纪以来，我国已有多个高压、特高压直流输电工程和直流背靠背联网工程陆续投运，逐渐形成了超高压、大容量、交直流并联输电的交直流互联大电网，其运行复杂性和难度在国际上十分罕见，对交直流互联电网特性的研究显得尤为重要。

中国电力科学研究院利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，建立包含南方电网5回直流输电线路的仿真模型，解决了大规模多馈入交直流系统电磁暂态仿真过程中系统等值、模型处理以及仿真步骤等问题，为大规模多馈入交直流系统的动态特性研究提供了一套可行的参考方法[17]。

南方电网仿真实验室拥有国际上最先进和最大规模的RTDS资源，开展了南方电网失步解列系统特性、云广直流安稳装置试验、孤岛方式安全稳定性分析与含特高压直流输电系统的南方电网交直流系统RTDS仿真等方面的专题性研究；综合分析RTDS的优点与局限性，对RTDS应用于南方电网运行分析的可行性及方式进行探讨，并在此基础上，提出RTDS在机电－电磁混合仿真、在线预决策系统、多直流馈入电网特性等专题RTDS仿真研究方面为南方电网运行分析提供支持的工作设想[18]-[20]。

中国电力科学研究院利用Hypersim建立2015年三华电网等值网络，针对4回直流馈入华北电网，重点分析受端交流系统故障下多直流输电系统的动态特性，为系统规划和运行提供技术参考[22]。

在电网运行支持上，RTDS也起着举足轻重的作用，例如云广直流孤岛运行方式。

云广直流国际上第一条特高压直流输电工程，在运行上具有一种特殊的运行方式——孤岛
第一章绪论
方式。

南方电网科学研究院通过建立南方电网RTDS模型，构造南方电网主网、云广直流孤岛系统和直流实际控制保护装置的孤岛运行方式RTDS试验平台，为孤岛运行方式的特性研究提供了重要的技术支持[35]~[37]。

综上所述，RTDS在应用于交直流系统的仿真研究上具有精度高、实时性好、连接实际装置等优点，是目前国内外被广泛应用的实时数字仿真工具。

本文针对基于RTDS 实时仿真器进行交直流互联大规模电力系统仿真建模进行研究，希望解决计算资源的优化配置、主要元件模型的选取与搭建以及仿真实验等技术要点，为基于RTDS的系统特性研究提供参考。

1.3本文工作安排
“西电东送”与全国联网是我国电力发展建设的两个重大战略目标，使我国的电力系统逐步形成大容量、结构复杂的交直流互联大电网，开展交直流互联大系统生产运行、动态特性及控制保护等方面的研究成为众多科研人员所关注的热点。

本文将基于实时数字仿真器RTDS，对交直流互联大电网进行建模仿真研究，主要工作如下：
1、结合电力系统实时数字仿真技术的特点，考虑RTDS仿真器硬件上与软件上的新技术，分析研究建立交直流互联大电网实时数字仿真模型的可行性。

2、根据仿真研究目的、电网数据来源以及仿真精度的要求，分析研究RTDS中主要元器件的数学模型、参数设置及其适应性。

3、研究和应用RTDS自定义建模功能——CBuilder，通过对新型励磁系统FV的自定义建模与控制特性的测试，讨论了CBuilder在自定义建模上的注意事项。

4、通过比对交直流互联大电网在RTDS与BPA两款仿真软件上的稳态潮流与暂态特性，初步验证所建模型的准确性；同时，应用该模型平台重演“11.7”事故，进行多直流换相失败等电网特性分析与测试实验。

5、最后总结所做工作，并得出结论和展望。

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第二章 RTDS实时数字仿真技术
2.1实时数字仿真技术及其应用
电力系统的实时数字仿真是基于现代计算机技术和信息技术、建立电力系统元器件
数学模型并进行仿真计算的一种电力系统仿真技术，其要求在一个仿真步长内完成实际
电力系统在这段时间内各状态量的求解并实现数据的转换。

目前的数字实时仿真系统，
均是基于多CPU并行处理技术，通过配套的软件分配各CPU模拟计算相应的电力系统
元件，即在满足仿真步长与计算资源的条件下，系统的一次元件模型只与软件有关，这
为用户对电力系统未来新元件的发展提供了足够的空间。

与各种实时、非实时的物理仿
真或数模混合仿真对比，实时数字仿真具有占地面积小、建设周期短、扩展性好、重复
实验方便等优点，是当前实时仿真技术的主要发展方向。

随着计算机技术和信息技术的飞速发展，复杂的电力系统元器件数学模型的模拟精
确度得到了极大的提高，同时仿真计算的速度也大大加快，在HVDC、FACTS等复杂
非线性电力电子元器件的仿真计算以及电网安稳、A VC、A VG等监控装置的闭环测试上
发挥着举足轻重的作用。

目前国内外常见的实时数字仿真系统主要有RTDS、HYPERSIM、ADPSS等，下表给出了这几种仿真系统在技术、经济上的比较。

表2-1 常用实时仿真系统比较
RTDS HYPERSIM
ADPSS ARENE DDRTS
开发商加拿大RTDS
技术公司
加拿大魁北克
TEQSIM
中国电力科学研
究院
法国电力公司
EDF
中国殷图科技
发展有限公司
硬件结构多CPU并行计
算
SGI服务器或PC集群计算机
HP服务器或
PC
单CPU或多
CPU微机服务
器
硬件扩展性购买新Rack，
费用较高，扩
展容易
更换高性能服务
器，费用较高，
扩展容易
添置机群服务器
和网卡，费用较
低，扩展容易
更换高性能服
务器，费用较
高，扩展容易
添置服务器和
网卡，费用较
低
元件模型
库
模型最全模型较全模型有待完善模型较全模型有待完善
经济性专用系统、DSP
芯片，价格较
高
价格较高价格相对较低价格较高价格相对较低
售后服务国外公司系
统，维护费用
较高
国外公司系统，
维护费用较高
国内公司支持，
维护方便
国外公司系
统，维护费用
较高
国内公司支
持，维护方便
国内外应用情况国内外应用最
广泛
国内外应用广泛
2005年验收，应
用尚未推展
应用情况一般
国内应用较为
广泛，国外应
用较少
第二章RTDS实时数字仿真技术
2.2实时数字仿真器RTDS介绍
RTDS是国际上研发和投入商业化最早，也是目前应用最广泛的实时数字仿真器。

RTDS软件部分（RSCAD）是指仿真工作站上的图形化用户软件，实现系统模型搭建、代码编译、静态潮流计算以及运行控制等功能；硬件部分（Rack）则包括计算处理板卡、数据接口等。

RTDS仿真步长一般为50μs~100μs，可应用于实时连续地模拟电力系统的电磁暂态现象、连接实际的控制保护设备进行闭环试验、继保或稳控装置动作特性分析以及大型交直流互联电力系统特性分析等研究工作。

2.2.1 实时数字仿真器硬件板卡
RTDS硬件主要由一个或多个Rack组成，每个Rack包括多块通信、处理和接口板卡。

通信板卡有GTWIF卡和IRC卡，WIF卡的功能是通过TCP/IP协议实现Rack与仿真工作站之间的通信；IRC卡则是实现各Rack之间数据交换的功能。

处理板卡是RTDS 硬件中最重要的板卡，其计算处理能力在一定程序上决定了RTDS能够模拟的电力系统规模。

在计算机技术飞速发展的背景下，RTDS的处理板卡已经研发到第五代PB5，表2-2简单列举了目前被广泛使用的GPC和PB5处理板卡的基本情况。

从下表可以看出，PB5比GPC板卡的最大优点是它可以利用两个处理器同时进行电力系统网络求解以及6个板卡通信接口（是GPC卡通信接口的3倍），前者大大增加了每个Rack容纳的节点数，后者则迎合各处理板卡间庞大的数据交换的要求，使大规模电力系统的仿真更容易实现，为大规模的交直流互联电网实时数字仿真提供了坚强的后盾。

表2-2 GPC卡和PB5卡性能比较
板卡投产年份处理器精度
处理器
数
通信接口
GPC 2005 IBM PPC750GX
1.0GHz
64
位
2
4（2个为I/O接口，2个为处理板卡间的
通信接口）
PB5 2011 Freescale MC7448
1.7GHz
64
位
2
8（2个为I/O接口，6个为处理板卡间的
通信接口）
表2-2 GPC卡和PB5卡性能比较（续）
板卡网络解发电机变压器线路动态负荷控制器元件GPC 66个单相节点10 20 20 20 根据仿真步长决定
PB5 144个单相节点
（双处理器）
12 24 24 24 根据仿真步长决定
GT I/O是GT系列的模拟量/数字量接口板卡，包括GTAO、GTAI、GTDO和GTDI 四种，主要用于RTDS与外部装置的数据交换，属于RTDS重要的硬件组成之一。