技术方案

一、技术方案

1项目说明

本文是根据辽宁省电力有限公司所提供的“基于实时仿真系统RT-LAB的变电站整合型设备分析平台研制”的技术招标文件所作的仿真系统的投标技术方案。

2需求分析

2.1任务要求

实现智能变电站的仿真，及各类故障环境继保设备功能，主要任务至少包括：

1）变电站一体化系统和整合型设备仿真模型的搭建；

2）具备变电站各类设备模型，包括发电机模型、继电保护装置模型、交直流母线模型、变压器模型、电压/电流互感器模型等，及相应部分的控制模型。

2.2任务分析

完成变电站一体化系统和整合型设备仿真模型的搭建，需要“基于RT-LAB电力实时仿真系统的电站一体化仿真分析平台”硬件系统一套，支持Linux实时操作系统，满足处理器相关要求，满足数据通信量大及IO数量多的要求。

以及“基于RT-LAB电力实时仿真系统的电站一体化仿真分析平台”仿真软件一套，需要满足能够在较小定步长下精确实现实时仿真、监控和在线调参。

3系统方案

3.1系统总体构成

表3.1系统方案设计中组件构成

机柜

硬件部分

系统实时目标机

仿真主机

终端信号转接模块

模拟量输入调理板卡

数字量输入调理板卡

模拟量输出调理板卡

数字量输出调理板卡

软件部分HIBOX 实时仿真软件

电力仿真工具包（SimPowerSystem）

发电机模型、变压器、继保装置模型（Matlab 自带）

3.2软件构成

系统软件结构如图3.1所示

，上位机建模基于Matlab/Simulink 平台，支持SimpowerSystem 模型库，实现智能变电站模型的搭建，通过RT-LAB 自动生成代码下载到仿真器中，利用TCP/IP 协议与下位机仿真器实现通信。

图3.1系统软件结构

软件构成主要由Matlab 软件基于Matlab 的HILBOX 实时仿真软件和发电机、变压器、配电装置等仿真模型组成。

3.3硬件构成

系统的硬件体系架构如图3.2所示。

图3.2系统硬件结构

硬件系统主要包含仿真主机、实时目标机和外部设备。仿真主机主要就是一台满足要求的PC机。实时目标机为实时数字仿真机HILBOX和相应的调理板卡。

4软件系统响应

软件构成主要由基于Matlab的RT-LAB实时仿真软件和变电站设备仿真模型组成。

RT-LAB完全集成MATLAB/Simulink，并能将其实时化，能够提供基频解算器的算法保证稳定。RT-LAB提供的工具能够方便的把系统模型分割成子系统，使得在目标机上能够并行处理。

RT-LAB在实时仿真环境下自动生成代码，通过TCP/IP实现模型仿真控制，包括模型编译，下载，节点分配，仿真执行以及停止等操作。RT-LAB附带的ParameterControl软件模块可以实现模型中的各项参数（如调节器的增益系数，积分常数等）的在线调整，而不需要中断模型仿真的运行。参数调整后的结果立即可见。RT-LAB附带的ProbeControl软件模块可以对仿真数据的记录与在线显示进行管理。RT-LAB具备支持C/C++,VB,LabView,Python 的高级应用编程接口API。

本方案提供变电站、继电保护相关设备仿真模型（Matlab自带），并能够在实时环境下运行并达到相关技术要求。

5硬件系统响应

硬件构成主要分为仿真主机、实时目标机HILBOX和外部设备三个部分。

5.1仿真主机

仿真主机是运行Windows的PC。主要作用是进行模型开发，模型的实时化编译，仿真运行控制，以及模型运行的实时监控等。

仿真主机使用联想S20工作站计算机，如图5.1所示。

图5.1联想S20工作站

1)硬件配置：Intel Xeon W3520四核2.66GHz，4G内存，500GB硬盘，1000Mbps

以太网接口，22’LCD显示器。

2)环境配置：Windows XP操作系统；Matlab/Simulink/Syspowersystem，

用于模型开发。

5.2实时目标机

实时目标机由主要包含HILBOX及相应的调理板卡。

HILBOX通过TCP/IP与仿真主机进行通讯。作为仿真主机运行Windows操作系统，是开发平台、监控平台以及人机操作界面，工程师可以在主机平台操作完成全部的系统仿真开发、调试、试验、监控、测试等任务。

仿真主机HILBOX的作用如下：

1)模型开发：基于MATLAB/Simulink；

2)模型的离线仿真：开发好的模型可以直接在主机上的Simulink环境进行离线的非实时仿真运行；

3)代码自动生成与运行控制：主机软件MainControl，通过TCP/IP实现模型仿真的控制，包括模型编译、下载、节点分配、仿真执行以及停止等操作；

4)模型参数调整：软件模块可以实现模型中的各项参数（如调节器的增益系数，积分常数等）的在线调整，而不需要中断模型仿真的运行。参数调整后的结果立即可见。

本方案提供的HILBOX实时仿真器型号为HILBOX，该型号仿真器以Intel CPU为处理器属于RT-LAB系统产品硬件。多台HILBOX Rack之间通过PCI-E总线组成仿真器集群，仿真器与仿真主机通过TCP/IP进行通讯。

仿真目标机的机箱带有信号调理模块，可以进行A/D、D/A、信号电平转换、光电隔离等；信号调理直接在机箱前面板的屏蔽盒内进行。

图5.2仿真目标机外部视图

图5.2是仿真目标机的外部视图。其配置与组成如下：

HILBOX运算单元：19’4U ATX机箱，Intel i76核3.46GHz处理器，4GB内存，500GB 硬盘，Linux实时操作系统（内核由Opal-RT公司重新优化编译）。每个HILBOX机箱可以放置8块信号调理板卡，如图5.3所示。

HILBOX采用Xilinx Spartan3FPGA OP5142管理IO，支持256路数字信号或128路模拟信号，频率可达100MHz。