实时数字仿真器

实时数字仿真器(RTDS介绍

由于电力系统的特殊性，对很多故障处理方法不可能进行现场的实际模拟运行分析，只能借助于计算机仿真手段。数字仿真系统具有独特的灵活性、试验的可控制性和准确的可重复性及系统试验的安全性和经济性等诸多优点，使得数字仿真系统得到广泛的应用。数字仿真系统分为两种：非实时数字仿真软件和实时数字仿真器。

1.1非实时数字仿真软件

常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。下面介绍国内外应用最广泛的两

种软件。

1.1.1电磁暂态仿真程序/ 电磁暂态分析软件(ATP/EMTP)

EMTP(electromagnetic transients program)是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件,它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点,对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析。它的典型应用是预测电力系统在某个扰动 (如开关投切或故障)后一些特定变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统保护设备实验的有力工具。AT (P alternative transients program)是EMTP的免费独立版本。

1.1.2电力系统计算机辅助设计/ 直流电磁暂态程序( PSCAD/EMTDC Dennis Woodford

博士于1976 年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了

EMTDC(electromag netic tran sie nts in cludi ng DC的初版，这是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD(power system computer-aid desig是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分的可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。

1.2 实时数字仿真器( RTDS)

RTDS(real-timedigital simulator)是计算机并行处理技术和数字仿真技术发展的产物，是由加拿大Manitoba高压直流(HVDC研究中心开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统,该系统中的电力系统元件模型和仿真算法是建立在已获得行业认可，且已广泛应用的EMTDC基础上的，是EMTDC的实时化，仿真步长为50~100 2，频率响应精确到3000Hz。

与上述非实时仿真软件相比，RTDS勺主要特点有：

1、R TDS仿真速度快，可以实时输出仿真结果，而前述的非实时仿真软件，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，仿真速度无法满足实时性要求。

2、R TDS不但可以用于电力系统的仿真分析研究，还可以提供电力系统一次设备、各类控制系统及各种电力系统自动化设备实时数字仿真试验的闭环试验环境，是一套专门用来对电力系统电磁暂态过程进行全数字模拟的计算机装置，

具有带被测试设备闭环运行的能力。而非实时仿真软件则无法带被测设备进行调试。

3、R TDS勺仿真规模直接受其硬件配置影响，能够进行的仿真规模决定于该系统的硬件资源的多少，而非实时软件则不受此限制。

1.2.1 RTDS的硬件

RTDS硬件的基本单元称为Rack,每个Rack主要由3种功能卡组成，分别为：处理器卡TPC(Tandem Processor Ca或3PC(Triple Processor Card)工作站接口卡

WIC(Workstati on In terface Card)，层间通信卡IRC(I nte—Rack Com mun icatio n Card)。Rack的数量直接决定了仿真系统的规模。

1、处理器卡

处理器卡包括双处理器卡TPC和3处理器卡3PC

每块TPC卡由两片独立的NEC-77240 DS组成。DSP(Digital Signal Processor) 是基于先进的并行处理技术的数字信号处理器。NEC-77240DSP的时钟周期为

90ns。浮点运算速度约44M/s(每秒有几百万次的浮点操作)。DSP可以独立仿真电力系统的某个元件，也可以联合运行来实时仿真较复杂的电力系统元件。

3PC卡是RTDS第三代产品的核心。3PC卡与TPC WIC,IRC及其接口完全兼容。一块3PC卡包含3块ADSP21064 DSP其时钟周期为25ns。3PC元件库中的特殊元件模型在运行时将自动分配到3PC上的数字信号处理器。3PC卡的推出大幅度提高了处理能力，为缩小计算步长、开发复杂的元件和控制系统模型创造了条件。

2、工作站接口卡(WIC)

顾名思义，WIC卡的主要功能是提供主机工作站与RTDS硬件之间的接口。WIC为用户提供调用、起停和控制RTDS仿真的能力。WIC还对IRC和自身的在线硬件诊断结果做出响应。检测结果将通过信息报告显示在主机工作站上或者通过WIC前的诊断指示灯给出信号。

3、层间通信卡（IRC）

IRC卡用于每个Rack之间的数据通信。每块IRC卡都提供了到其关联的Rack 的通信通路。Rack之间用屏蔽双绞线连接［35］。

现阶段，本RTDS系统共有22个3PC卡与30个2PC卡，两台放大器，分为

4 个RACK 其中RACK1 RACK2为纯3PC卡。

1.2.2RTDS的计算原理及软件

RTDS在软件上是基于目前已得到普遍承认的电磁暂态仿真程序EMTDC，其

算法采用H.W.Dommel于1969年创建的经典电磁暂态计算理论昭。Dommel经典理论的主要思想是：对于任何复杂的电网，经过等值都可以变为只包含电流源和电阻性元件的等值计算网络。这样系统在电磁暂态模式下可通过代数节点方程进行完整的描述。所以对于研究的系统可以列出描述各元件和全系统暂态过程的微分方程，然后应用数值方法进行求解［37］o

1、电磁暂态数值计算基本思想昭

对于电力系统中的并联电抗器、并联和串联电容器等集中参数元件，或可以近似处理成集中参数的元件（如变压器、短线路等），总可列出描述其暂态过程中电流和电压间关系的微分方程（纯电阻参数元件则为代数方程），然后用数值

方法求解。在EMTDC中采用了隐式梯形积分法求解这些微分方程，在一个积分步长览内（设由t-.vt到t）将被转化为差分方程。它描述了t时刻的电压、电流与t-J：t 时刻的电压和电流值之间的关系，而t-J：t时刻的电压和电流是前一个步长的计算结果，对于本步长来说是已知量。进而，这些差分方程可以用一些由纯电阻和电流源构成的电路来代替，以反映t时刻未知电压和电流之间的关系，其中电阻值决定于元件参数和计算步长，而电流源决定于t-H时刻的电压和电流

值。这种电路称为暂态等值计算电路。

在暂态过程中，对于长线路等分布参数元件，其电压和电流之间的关系由偏微分方程来描述。在单根导线并且不计损耗的情况下，t时刻线路两端电压、电

流之间的关系，可以由偏微分方程的解析解转化成用纯电阻和电流源构成的暂态等值计算电路，其中的电阻决定于线路参数，电流源的取值则决定于t - •时刻（• 为线路上电磁波的传播时间）的电压、电流。对于有损线路，做适当近似处理后仍可沿用类似的暂态等值计算电路。

这样，根据各元件之间的实际接线方式，将它们的暂态等值计算电路进行相应的连接，便可组成一个带有已知电流源的纯电阻网络。对这一网络进行求解，即可得出t时刻各个元件的电压和电流。依次对各个步长进行递推计算，便可求得整个暂态过程的数值解。这便是电磁暂态过程数值计算的基本原理。

隐式梯形积分公式：