RTDS的用戶自定義建模方法及其應(yīng)用

李佳曼

（廣東電網(wǎng)汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800）

RTDS的用戶自定義建模方法及其應(yīng)用

李佳曼

（廣東電網(wǎng)汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800）

基于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS提供的自定義建模環(huán)境CBuilder，本文提出了電力系統(tǒng)元件的自定義模型設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了C語言描述的算法、可視化的圖形外觀、組件化的功能的自定義元件模型，通過編譯和封裝，生成與RTDS自帶模型相同執(zhí)行效率的動(dòng)態(tài)鏈接庫。本文以IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)為例建立起自定義模型，并通過搭建特定的電網(wǎng)場景對(duì)自定義元件和RTDS自帶的模型分別進(jìn)行閉環(huán)測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)在初始化過程、機(jī)端電壓參考值階躍過程、系統(tǒng)在大擾動(dòng)情況等條件下兩者外特性基本一致，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)；自定義建模；控制元件；閉環(huán)測試

近年來，隨著我國電力系統(tǒng)迅速發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，新型元件及系統(tǒng)控制技術(shù)不斷在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。包括新型調(diào)節(jié)和保護(hù)裝置、新型高壓輸變電設(shè)備、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)等設(shè)備的不斷開發(fā)并投入運(yùn)行，要求電力系統(tǒng)仿真技術(shù)能夠靈活提供各種系統(tǒng)裝置的模型[1]。仿真軟件中的電力系統(tǒng)元件模型根據(jù)特定算法進(jìn)行代碼編寫并封裝起來，用戶無法對(duì)其改動(dòng)[2]。因此，當(dāng)軟件元件庫中現(xiàn)有元件無法滿足用戶對(duì)新型一次、二次設(shè)備以及調(diào)控策略的實(shí)際仿真需要時(shí)，仿真軟件有必要為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的元件自定義建模平臺(tái)，使其豐富仿真軟件的模型，提高仿真能力和效率。文獻(xiàn)[3]以某實(shí)際直流輸電工程的線路行波保護(hù)為原型，提出了基于EMTDC/PSCAD的自定義建模方法及其在直流線路保護(hù)仿真中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]針對(duì)大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真時(shí)采用程序缺省的直流輸電模型不能有效描述實(shí)際直流輸電特性的問題，提出了基于PSASP的直流系統(tǒng)用戶自定義建模。文獻(xiàn)[5]提出了PSS/E常規(guī)動(dòng)態(tài)仿真和擴(kuò)展動(dòng)態(tài)仿真兩種方式的用戶自定義建模的方法和步驟，并對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了自定義建模。

在各種電力系統(tǒng)仿真軟件中，RTDS是國際上研制和投入商業(yè)化應(yīng)用最早，使用最多、最廣泛、可信度最高的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置，其自定義建模功能模塊CBuilder實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)特定模型的需求。文獻(xiàn)[6-7]基于RTDS分別開發(fā)了機(jī)電暫態(tài)仿真模塊和空心線圈電子式電流互感器實(shí)時(shí)仿真模型。為更加高效、準(zhǔn)確地在RTDS中進(jìn)行自定義建模，本文對(duì)CBuilder的建模原理和過程進(jìn)行了分析和介紹，并以此為基礎(chǔ)建立自定義元件仿真模型。

1 RTDS-CBuilder自定義建模開發(fā)環(huán)境

CBuilder以類C語言為程序代碼實(shí)現(xiàn)自定義元件功能。CBuilder平臺(tái)自動(dòng)與RTDS仿真程序以及用戶模型庫接口，用戶自定義的類C代碼通過元件直接嵌入RTDS主程序之中，無需對(duì)外部子程序進(jìn)行編譯及頻繁的調(diào)用[8]。

CBuilder自定義建模平臺(tái)主要包括繪圖（Graphics）、參數(shù)（Parameters）、輸入輸出（IO Points）和代碼編輯（C File Associations）等編輯環(huán)境。這些環(huán)境對(duì)自定義元件的外觀、功能參數(shù)、輸入輸出和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定義。其中在C FILE Associations 編輯環(huán)境所編寫的model.c文件程序代碼是自定義元件的核心所在，文件中STATIC、RAM、CODE等區(qū)域的代碼定義并計(jì)算實(shí)現(xiàn)元件的相關(guān)計(jì)算。該文件編譯成功后會(huì)自動(dòng)生成執(zhí)行文件，供用戶調(diào)用。

2 RTDS-CBuilder自定義建模方法

根據(jù)CBuilder自定義建模平臺(tái)編輯環(huán)境的特點(diǎn)，為簡潔、規(guī)范地建立自定義元件，本文設(shè)計(jì)RTDSCBuilder的用戶自定義元件開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 基于RTDS-CBuilder自定義元件開發(fā)流程

CBuilder功能模塊可建立電力系統(tǒng)元件和控制元件兩類模型。在大部分仿真試驗(yàn)場景中，RTDS元件庫中現(xiàn)有的電力系統(tǒng)元件已基本可以滿足試驗(yàn)要求。而隨著新型控制設(shè)備的快速發(fā)展，在RTDS系統(tǒng)中對(duì)控制元件進(jìn)行自定義建模的需求也逐漸增加。較之電力系統(tǒng)元件，控制元件的程序代碼較為簡單，且無需參與網(wǎng)絡(luò)求解，對(duì)仿真的實(shí)時(shí)性影響較小。因此，本文以發(fā)電機(jī)控制元件IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)為例，介紹RTDS自定義建模的基本方法。

2.1 元件模型外觀設(shè)計(jì)

IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯框圖

由圖2可知，該勵(lì)磁系統(tǒng)有發(fā)電機(jī)母線電壓標(biāo)幺值Vpu、PSS輸入Vs、勵(lì)磁電流If等3個(gè)輸入變量，以及一個(gè)輸出變量勵(lì)磁電勢Ef。根據(jù)試驗(yàn)需要可以條件選擇是否需要PSS輸入變量。依據(jù)RTDS元件庫中勵(lì)磁系統(tǒng)的外觀樣式，在CBuilder的Graphics編輯環(huán)境中，本文設(shè)計(jì)IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的外觀如圖3所示。

圖3 IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)

2.2 元件參數(shù)設(shè)計(jì)

勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括電壓測量與調(diào)差單元、放大單元、幅值限制單元等組成部分。由圖2可知，IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部的主要參數(shù)包括：濾波器時(shí)間常數(shù)Tr；發(fā)電機(jī)機(jī)端參考運(yùn)行電壓Vref；系統(tǒng)內(nèi)部最大電壓Vimax；系統(tǒng)內(nèi)部最小電壓Vimin；系統(tǒng)增益倍數(shù)Ka；放大器時(shí)間常數(shù)Ta；穩(wěn)定回路時(shí)間常數(shù)Tb、Tc、Tf；穩(wěn)定回路增益倍數(shù)Kf；換相電抗整流器負(fù)載因子Kc；輸出最大限幅Vrmax輸出最小限幅Vrmin。

由于發(fā)電機(jī)機(jī)端參考電壓Vref為可調(diào)參量，需要根據(jù)電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式進(jìn)行改變，因此，需要在C File Associations編輯環(huán)境中設(shè)置一個(gè)滑塊控制變量Vref，使其可以在RTDS的用戶實(shí)時(shí)操作監(jiān)控界面RUNTIME中進(jìn)行調(diào)用和設(shè)置。同時(shí)，將上述除Vref之外的內(nèi)部參數(shù)在CBuilder的Parameters編輯環(huán)境中進(jìn)行設(shè)定。另外，根據(jù)試驗(yàn)需求有必要設(shè)置系統(tǒng)名稱、PSS選擇變量、監(jiān)視內(nèi)部變量、處理器板卡資源分配等參數(shù)，具體如圖4所示。

圖4 IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

在上述參數(shù)設(shè)計(jì)并保存完后，參數(shù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在該自定義元件的C File Associations編輯環(huán)境中，供model.c文件和model.h文件編輯和調(diào)用。

2.3 元件程序代碼設(shè)計(jì)

由圖2可知，IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部主要包括限幅單元、慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、實(shí)際微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)以及加減單元等。其中兩類傳遞函數(shù)在數(shù)學(xué)模型上表現(xiàn)為微分方程和代數(shù)方程的聯(lián)立，而微分方程的解法對(duì)于元件程序的執(zhí)行效率尤為重要。對(duì)于計(jì)算步長為微秒級(jí)的仿真來講，采用顯式求解方法既能保持?jǐn)?shù)值的穩(wěn)定性，也不必求解方程，減少計(jì)算量。因此，本文以慣性環(huán)節(jié)1/(1+sT)為例，分別利用歐拉法、改進(jìn)歐拉法和EMTDC的梯形解法等三種顯示求解方法對(duì)其進(jìn)行編程，三種微分方程解法見表1，其中R、C分別為函數(shù)的輸入與輸出，T為時(shí)間常數(shù)，Δt為仿真步長。

根據(jù)以上3種方法的求解公式，本節(jié)分別建立慣性環(huán)節(jié)1/(1+sT)的自定義元件模型，并在RTDS/ Draft文件中分別對(duì)RTDS元件庫自帶模型和3個(gè)自定義元件模型輸入頻率為50Hz，幅值為0.8p.u.的三角波，各元件模型的時(shí)間常數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為2s，仿真步長設(shè)為50μs，相對(duì)仿真時(shí)間為4s。對(duì)仿真時(shí)間在4s附近各模型的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。

表1 慣性環(huán)節(jié)1/(1+sT)的微分方程解法

表2 各慣性環(huán)節(jié)模型3.998～4s仿真結(jié)果

從表2中可以看出，在仿真步長設(shè)置為50μs，仿真時(shí)間為4s時(shí)，3種算法所得的仿真結(jié)果前4位有效數(shù)字相同，仿真結(jié)果較為接近。相對(duì)而言，基于EMTDC算法的自定義元件，相比于采用改進(jìn)歐拉法和歐拉法的自定義元件更接近于RTDS自帶的傳遞函數(shù)模塊的仿真結(jié)果。因此，本文采用EMTDC所提供的微分方程解法對(duì)IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)所包含的3類傳遞函數(shù)進(jìn)行求解，求解公式見表3，其中R、C分別為方程的輸入與輸出，T為時(shí)間常數(shù)，Δt為仿真步長。

另外，限幅單元和加減單元的編程方法較為簡單，不再贅述。依據(jù)model.c文件格式要求，分別在STATIC、RAM、CODE等區(qū)域編寫代碼。由于CODE中的代碼是在RTDS中實(shí)時(shí)執(zhí)行的，所編寫的程序語言應(yīng)盡可能高效。例如無需重復(fù)計(jì)算的參數(shù)可在RAM區(qū)進(jìn)行計(jì)算、CODE區(qū)應(yīng)盡量避免除法、僅在CODE區(qū)應(yīng)用的變量無需在STATIC區(qū)聲明等。元件通過編譯后即可在RTDS元件庫中調(diào)用。

表3 EMTDC采用的微分方程解法

3 RTDS-CBuilder自定義模型測試

RTDS中現(xiàn)有的IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)是已經(jīng)過工程校驗(yàn)，符合工程實(shí)際的應(yīng)用需求，用自定義模型與RTDS自帶的模型進(jìn)行對(duì)比測試，可驗(yàn)證本文自定義建模方法的正確性。而自定義元件和RTDS自帶的模型在微分方程算法選擇、各環(huán)節(jié)編程處理方式等方面存在差別。而從元件庫中現(xiàn)有元件的源代碼無法得知具體差別，因此本文主要從兩者外部性能的差異進(jìn)行比對(duì)。通過搭建特定的電網(wǎng)場景對(duì)自定義元件和RTDS的自帶模型進(jìn)行閉環(huán)測試，校驗(yàn)其外部特性是否一致。

本文利用DL/T 871—2004電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中500kV自耦變壓器典型接線方式電力系統(tǒng)作為閉環(huán)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括發(fā)電機(jī)MACH1、無窮大電源SCR1、無窮大電源SCR2、500kV機(jī)端母線BUS1、主變高壓側(cè)母線BUS2、主變中壓側(cè)母線BUS3、主變低壓側(cè)母線BUS4，500kV機(jī)端母線BUS1和主變高壓側(cè)母線BUS2通過200km單回線路TL1連接。閉環(huán)測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 500kV自耦變壓器典型接線方式

發(fā)電機(jī)MACH1的勵(lì)磁系統(tǒng)IEEE型EXST1的典型參數(shù)見表4。

表4 IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)典型參數(shù)(p.u.)

勵(lì)磁系統(tǒng)的主要功能是為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電源、穩(wěn)定機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時(shí)進(jìn)行減磁、系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)快速強(qiáng)行勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)自動(dòng)滅磁、發(fā)電機(jī)無功出力控制等?；诖吮疚膹碾妷撼跏蓟拖到y(tǒng)大擾動(dòng)兩種情況對(duì)自定義元件和Module進(jìn)行閉環(huán)測試，測試的主要參量包括發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Vpu、勵(lì)磁電壓Ef、發(fā)電機(jī)無功出力QMACH1等。

1）電壓初始化過程

發(fā)電機(jī)從初始化結(jié)束到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過程中，需要檢驗(yàn)勵(lì)磁電壓的建立、機(jī)端電壓的穩(wěn)定過程等。試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)圖6所示為勵(lì)磁電壓，圖7所示為機(jī)端電壓，錄波時(shí)間為20s。各圖中虛線曲線為對(duì)自定義元件進(jìn)行測試的結(jié)果，實(shí)線曲線為對(duì)Module組件進(jìn)行測試的結(jié)果。

圖6 初始化過程中勵(lì)磁電壓比較

圖7 初始化過程中機(jī)端電壓比較

如圖6、圖7所示，自定義元件和Module組件的勵(lì)磁電壓、機(jī)端電壓兩個(gè)參量的變化趨勢基本相同。

2）系統(tǒng)大擾動(dòng)

系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電壓受到?jīng)_擊，容易出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。在發(fā)電機(jī)附近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)端母線電壓也受到擾動(dòng)，該擾動(dòng)信號(hào)作為勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入量，使勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。

本文設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)場景：在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定后，使得線路TL1主變側(cè)的K1點(diǎn)發(fā)生故障持續(xù)時(shí)間為0.1s的三相故障，系統(tǒng)隨即產(chǎn)生大擾動(dòng)。試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)圖10為勵(lì)磁電壓、圖11為機(jī)端電壓，錄波時(shí)間為5s。各圖中虛線曲線為對(duì)自定義元件進(jìn)行測試的結(jié)果，實(shí)線曲線為對(duì)Module組件進(jìn)行測試的結(jié)果。

如圖8、圖9所示，自定義元件和Module組件的勵(lì)磁電壓、機(jī)端電壓兩個(gè)參量的變化趨勢基本相同。

圖8 大擾動(dòng)情況下勵(lì)磁電壓比較

圖9 大擾動(dòng)情況下機(jī)端電壓比較

3）仿真測試結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)自定義元件和Module組件分別進(jìn)行了外特性的閉環(huán)測試。在系統(tǒng)在初始化過程、機(jī)端電壓參考值階躍過程、系統(tǒng)在大擾動(dòng)情況等條件下兩者發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Vpu、勵(lì)磁電壓Ef、發(fā)電機(jī)無功出力QMACH1等參量的變化過程基本相同?？紤]到兩者的傳遞函數(shù)算法選擇、邏輯單元處理等差異，誤差應(yīng)在可接受范圍內(nèi)。因此，IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)自定義元件基本滿足勵(lì)磁控制系統(tǒng)的試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件RTDS的自定義建模模塊CBuilder的建模方法和應(yīng)用。依據(jù)電力系統(tǒng)控制元件的外觀、輸入輸出和元件參數(shù)對(duì)其進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)。同時(shí)按照系統(tǒng)邏輯框圖，對(duì)其內(nèi)部傳遞函數(shù)和邏輯單元等利用類C語言代碼進(jìn)行編輯，從而得到該元件的自定義模型，并以IEEE型EXST1靜止勵(lì)磁系統(tǒng)為例進(jìn)行了閉環(huán)仿真校驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于方法搭建的控制元件模型，能很好地實(shí)現(xiàn)模型的控制功能，滿足用戶對(duì)于特定模型的仿真需求。同時(shí)，該自定義建模模塊具有良好的人機(jī)交互界面，所搭建的自定義元件模型具有易擴(kuò)展、簡潔、高效等優(yōu)點(diǎn)。

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The User Define Component (UDC) Technology of RTDS and its Application

Li Jiaman
(Shantou Chenghai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Shantou, Guangdong 515800)

Based on the user define modeling environment CBuilder that power system real-time digital simulation system RTDS provides, this paper puts forward the method to design the user defined component. This paper develops the user defined component model which has the algorithm described by C language, visual graphics appearance, and the componential function, through the compilation and packaging, it generates the dynamic link library which has the same efficiency in the implementation of the own model of RTDS. This paper takes the IEEE type EXST1 static excitation system for example to build the User Define Component, and builds some specific grid scenes to test the user define component and the original component respectively. By comparison, the test results show that the external characteristics of the user define component and the original component are basically the same in the system initialization process, the terminal voltage reference value step process and in the conditions of the large disturbance. it verified the correctness of use defined control component based on CBuilder.

real time digital simulator; user define component; control componet; closed-loop test

李佳曼（1989-），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)保護(hù)、控制與自動(dòng)化研究工作。