电力系统实时数字仿真器RTDS

电力系统实时数字仿真器RTDS

叶　林1　杨仁刚1　杨明皓1　Rick K u ffel2　林华谘2

(11中国农业大学电力系　100083　21RT DS T echnologies Inc.)

摘　要　电力系统实时数字仿真器RT DS(Real T ime Digital Simulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置,采用与E MTP仿真程序相同的算法,但由于其具有很强的硬件计算能力,进行系统研究时速度要快得多。另外,RT DS仿真系统的频率特性包括了一个很大的频率范围(从直流到4kH z),在此频率范围内,RT DS仿真系统是全面分析电力系统各种问题的理想工具。RT DS仿真系统可以用于电力系统分析研究、测试保护系统、控制系统的测试及其教育培训。

关键词　电力系统　实时数字仿真　电磁暂态程序

1　引言

随着电力系统规模的不断扩大,电网的电气连接更加紧密,同时各种新型电力系统元件(如FACTS 装置)的不断出现,给电力系统的规划设计、运行及故障的分析处理等带来了新的挑战。通常,在电力系统的规划和设计阶段主要是依靠功能强大的非实时的离线(off—line)计算机仿真软件,如E MTP/ E MTPView、ATP/ATPDraw、E M

T DC/PSC AD等[1,2]。但是完整的项目实施还需要在投入运行之前对电网、电气设备及继电保护装置等进行实时测试,以验证设备、保护及其控制系统能否满足实际电网运行的要求。实时数字仿真器RT DS (Real T ime Digital Simulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置,它的出现为电力系统的设计、运行及研究提供了新的解决方案[3,4]。

经过多年的硬件和软件设计,1993年第一台商业化的RT DS装置在加拿大Manitoba高压直流研究中心(H VDC)开发成功。RT DS技术公司(RT DS T echnologies Inc.)随后于1994年2月在加拿大的Manitoba H VDC研究中心成立。公司的主要任务是制造、销售、技术服务和对实时数字模拟装置(RT DS)的开发。RT DS技术公司的成立极大地推进了电力系统实时仿真器这项新技术,并提供仿真的解决方法以及制造仿真系统。在公司成立的第一个五年内,就有超过130台RT DS仿真装置分别被安装在14个国家。许多世界上最著名的电力设备制造商(如GE、ABB)、电力公司、研究机构、大学和设计院都采用RT DS技术公司提供的高质量的电力系统实时仿真设备来完成其科研、生产和开发任务。

RT DS技术公司提供电力系统仿真技术用于复杂的高压交直流网络的快速、可靠、精确和经济的研究。实时数字仿真技术代替以模拟量仿真为基础的老一代网络分析系统。RT DS模拟装置的开发没有先例,运用的先进的硬件和软件技术是专门为电力系统的实时仿真所创造的。RT DS仿真装置使电力专家有可能确定网络的结构同时对运行年限的各个方面进行实时试验。系统的问题能更快地被发现,解决的办法也能立即进行设计和试验。使用RT DS 仿真装置,电力系统新设备和网络的设计或改进能够被评价和准确地试验。现在人们能用数字技术建立电力系统更详细和更广泛的模型。使用RT DS在实时的条件下,也就是如同在实际的网络运行状态下,设备能被试验、运转和优选;意外事故能被设计和模拟;元件间的互相影响能被更好地分析和理解。

2　RT DS仿真系统的特点

实时数字仿真器RT DS是一个全数字化的电力系统电磁暂态(E MTP)模拟装置。RT DS硬件基于DSP(数字信号处理器)和并行计算,计算速度可达到实时输出的目的。RT DS的基本组成部分分为RACK,多个RACK之间通过总线和工作站接口卡WIF(W orkstation Interface)相连,RACK的数量视仿真系统的规模而定。每个R ACK包括多个RPC(Risc

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・电力电气・《电工技术杂志》2004年第7期

Pr ocess or C ard )卡或3PC (T riple Pr ocess or C ard )卡,每个3PC 卡包括3个SH ARC A D21062数字信号处理器(Digital Signal Process or ,DSP ),速度更快,功能更强。

一个或多个DSP 可仿真一个电力系统的基本元件,如母线、线路、开关、电压互感器(PT )、电流互感器(CT )、发电机、励磁系统等。RT DS 通过这些基本元件构成系统。构成的系统运行于其上层工作站的PSC AD (电力系统计算机辅助设计)软件。PSC AD 是RT DS 专用的图形界面,可供用户完成构成系统、运行监控、分析结果等工作。RT DS 的核心软件为E MT DC 软件,该软件是可以进行直流研究的电磁暂

态计算程序。RT DS 通过以太网与工作站相连。在工作站上,可以通过PSC AD 对RT DS 完成各种操作。RT DS 最重要的特性是它能维持实时条件下的连续运行,也就是说,它能足够快地求解电力系统的方程并连续地产生输出,这些输出真实地代表了实际网络的状态。由于计算结果的实时性,仿真系统能直接连到电力系统控制和保护设备上进行闭环试验。这种试验方法可在多种故障条件下对设备进行测试,其中许多测试条件是无法用其他办法或不允许在实际系统中实现的。因此,RT DS 仿真系统可用来做保护系统的闭环试验并且大大优于其他试验方法,还能校验保护设备的性能及设置。放大器常被接入回路以使继电保护能用其在运行中所使用的工作电压和电流来测试。

RT DS 仿真系统是先进的计算机硬件和大量的

计算机软件的综合体。电力系统的模型是通过从任

意数目的用户自定义的电力系统元件库中取出元件模型构造而成,同时显示在计算机屏幕上。软件是与RT DS 仿真系统硬件联系的主要界面。它的设计允许用户完成所有必需的步骤,包括准备和进行仿真工作,分析输出结果等。硬件是完全模块化的,允许用户随时扩展设备以适应最复杂和详细的系统模型。

3　RT DS 仿真系统的应用

RT DS 仿真装置是一个全数字化的电力系统电磁暂态(E MTP )模拟装置。它用于进行控制和保护

设备的闭环试验,完成系统分析研究,培训运行人员、工程师和学生。它是一种取代暂态网络分析仪和模拟式或数模混合式模拟装置的经济而高效的方案。RT DS 仿真装置使用户有可能研究扰动对电力系统设备和网络的影响,以防止故障或停运,其应用

示意如图所示

。

图　RT DS 应用示意

311　电力系统分析研究

电力系统的仿真研究可以包括几乎所有的网络

结构,从单电源的负载这类非常小的研究直到能代表一个完整的电力公司网络的基本动态特性的研究。特别是RT DS 仿真系统提供的结果比传统的稳定和潮流程序深刻得多,这是因为RT DS 仿真系统代表的系统特性包含了一个很大的频率范围(直流到4kH z )。在这个频率范围内,RT DS 仿真系统是精确分析电力系统现象的理想工具。312　测试保护及控制设备

对于保护和控制系统的试验,RT DS 仿真系统逼真地模拟实际电力系统的状态。由于被试的设备直接连接到仿真系统,因而它将像在实际系统中运行一样。这种试验方法使设备能在大量系统可能发生的情况下进行试验,而这些试验是用别的方法不能做到或在实际的系统中不允许进行的。闭环试验提供了一种方法不仅能用来评价保护和控制设备的运行,而且也能用来评估网络对设备正常运行或误动作的反应。同时,由于RT DS 仿真系统中具有充足且易于使用的信号输入和输出通道,这使得测试复杂控制器所需要的大量信号传输变得更加容易。313　教学与培训中的仿真

RT DS 仿真系统是一个理想的演示和教育工具,用来详细说明仿真技术、电力系统动态特性及其运行的状态。一些大学和培训机构已将RT DS 仿真系统用于他们的教学研究与开发项目中。学生能够有效地亲身体验一个由仿真系统模拟的运行中的电力

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5—《电工技术杂志》2004年第7期电力系统实时数字仿真器RT DS