基于X86/X64平臺(tái)的智能變電站現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的研究與應(yīng)用*

汝雁飛，張振軍，孫軍

(1．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司， 南京 211000；2．智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211000)

0 引 言

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)智能變電站二次裝置的測(cè)試過程中往往發(fā)現(xiàn)，一些保護(hù)裝置能通過常規(guī)功能測(cè)試，但進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)數(shù)字仿真閉環(huán)測(cè)試(如RTDS(real-time digital simulator)，ADPSS(advanced digital power system simulator))時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)很多潛在問題。例如對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試而言，線路模型的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)試結(jié)果有直接影響。傳輸線模型分為分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型兩種，模擬短線路時(shí)，兩者結(jié)果比較接近，隨著線路長度增加，使用分布參數(shù)線路模型的仿真結(jié)果更加精確。這表明很多智能二次設(shè)備需要數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的全面考核，才能真正滿足變電站復(fù)雜狀態(tài)下動(dòng)作要求。因此研究適合現(xiàn)場的便攜式變電站仿真測(cè)試系統(tǒng)，真正考核IED裝置的動(dòng)作特性，很有必要。

在智能變電站中，動(dòng)模試驗(yàn)研究[1]、RTDS等仿真測(cè)試研究[2]進(jìn)行得很多。但這些測(cè)試裝置體積巨大，測(cè)試成本很高，不符合變電站現(xiàn)場實(shí)際要求；而小型化仿真測(cè)試裝置相對(duì)較弱的計(jì)算能力和仿真模型的復(fù)雜性就形成了一個(gè)矛盾。文中對(duì)此進(jìn)行了深入研究和分析，并提出了基于X86/X64平臺(tái)上的實(shí)時(shí)仿真及其算法，解決變電站現(xiàn)場仿真測(cè)試難題。

1 基于X86/X64平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真及其算法

1.1 實(shí)時(shí)仿真與算法

智能變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試實(shí)際上就是被測(cè)IED裝置與所模擬的智能變電站系統(tǒng)(仿真系統(tǒng))構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)模擬智能變電站運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障狀態(tài)使IED動(dòng)作來跳開或合上斷路器。仿真算法正是根據(jù)斷路器的狀態(tài)得到系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而進(jìn)行計(jì)算模型的實(shí)時(shí)解算工作。仿真過程邊算邊送數(shù)據(jù)，IED接收數(shù)據(jù)與時(shí)間T同步，這種快速實(shí)時(shí)解算及真正閉環(huán)的試驗(yàn)過程符合實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

仿真測(cè)試由仿真計(jì)算、計(jì)算數(shù)據(jù)打包、采樣值數(shù)據(jù)發(fā)送、GOOSE報(bào)文接收、GOOSE報(bào)文解析等多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，與被測(cè)裝置一起構(gòu)成完整閉環(huán)系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

圖1 仿真測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

智能變電站各種裝置和環(huán)境都可以建立各種數(shù)學(xué)模型，根據(jù)其對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的重要性或簡或繁，但最終都會(huì)生成描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的微分方程組和描述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的代數(shù)方程組。因此實(shí)時(shí)仿真過程就是在時(shí)間間隔Δt(仿真步長)內(nèi)，完成對(duì)所有微分方程和代數(shù)方程的解算[3]。

實(shí)時(shí)仿真算法的微分方程解法采用四階龍格-庫塔法[4- 5]，這種微分解法在以前常規(guī)的仿真測(cè)試系統(tǒng)中得到大量驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用，具有很好精度和穩(wěn)定性，能真實(shí)地反映實(shí)際變電站運(yùn)行時(shí)暫態(tài)特性[6]。具體分析計(jì)算如下：

一階微分方程式為:

y′=f(t,y)

(1)

四階龍格-庫塔法計(jì)算公式為：

其中：

K1=Δt×f(tn,yn)

K4=Δt×f(tn+1,yn+K3)

龍格-庫塔法是一種單步計(jì)算法，利用tn和tn+1作為插值節(jié)點(diǎn)，由tn的函數(shù)值計(jì)算tn+1的函數(shù)值，可以從突變點(diǎn)開始計(jì)算，具有自啟動(dòng)能力。

1.2 實(shí)時(shí)仿真算法的進(jìn)一步研究

由上面分析可以得知仿真計(jì)算實(shí)際上是由變量y當(dāng)前數(shù)據(jù)和時(shí)間t來計(jì)算下一步數(shù)據(jù)。具體如下：

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置形成全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣和微分方程組。先利用龍格-庫塔法把微分方程組用一組差分方程代替，成為代數(shù)方程。利用數(shù)值計(jì)算來計(jì)算下一步變量值。

這些代數(shù)方程往往可以組合成類似如下矩陣：

CXn=DVn+E(n-1)

(2)

Xn和Vn為tn時(shí)刻變量向量；C、D為系數(shù)矩陣；En-1為tn-1時(shí)刻變量組成的常數(shù)向量。當(dāng)然在這個(gè)基礎(chǔ)上還可繼續(xù)化簡，最終生成：

Yn=f(Yn-1)

(3)

式中Yn向量為Xn和Vn的綜合。

可以看出當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，矩陣參數(shù)C、D是定值，E也是一個(gè)固定的向量函數(shù)，由Yn-1推算出Yn的計(jì)算量并不大，但當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變時(shí)(如發(fā)生故障，斷路器動(dòng)作)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，必須修改其導(dǎo)納矩陣及微分方程，參數(shù)必須重新計(jì)算[7]，甚至?xí)龅骄仃嚽竽娴群臅r(shí)工作，計(jì)算量很大。在實(shí)際變電站中，發(fā)生故障或開關(guān)操作都會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而這些改變都在一瞬間發(fā)生，這就要求這些計(jì)算必須在一個(gè)Δt時(shí)間內(nèi)完成，從而對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算帶來很大問題，因此很多實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)不得不采用放大步長Δt或簡化計(jì)算模型的方式來解決問題，但這就減小了計(jì)算精度，特別是要求暫態(tài)特性的變電站仿真中，會(huì)失去很多動(dòng)態(tài)信息，使測(cè)試系統(tǒng)不能完全模擬實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這樣就失去了測(cè)試仿真的意義。

1.3 變電站實(shí)時(shí)算法問題與特點(diǎn)

在測(cè)試變電站實(shí)時(shí)仿真有兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)計(jì)算時(shí)間的分配。

在一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，數(shù)學(xué)模型代數(shù)化并解耦后，其計(jì)算量并不大，而且計(jì)算時(shí)間大體固定，也就是每一步計(jì)算中很多時(shí)間是處于空閑狀態(tài)；但當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，計(jì)算量會(huì)突然變大，又要求在一個(gè)Δt時(shí)間內(nèi)完成。這相當(dāng)于在一個(gè)n×Δt的時(shí)間段中，如果發(fā)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變，只要n數(shù)目符合要求，整個(gè)計(jì)算量能在這n×Δt時(shí)間內(nèi)完成，可以看成是時(shí)間分配問題。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變的時(shí)延。

在變電站仿真中，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，會(huì)有一定提前量。系統(tǒng)故障或狀態(tài)改變是用戶預(yù)先設(shè)置，因此何時(shí)何處發(fā)生何種故障是可知的，可以提前預(yù)判；斷路器的動(dòng)作則和被測(cè)IED動(dòng)作特性有關(guān)，具有不確定性，但斷路器動(dòng)作卻有一定延時(shí)性，即開關(guān)跳閘、合閘是有時(shí)間的，一般在10 ms左右，最快也不會(huì)低于1 ms。這表示當(dāng)仿真系統(tǒng)接收到斷路器改變到修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有1 ms以上的提前時(shí)間。相對(duì)于仿真中默認(rèn)步長20 μs,最少也有50個(gè)步長間隔。

基于以上兩個(gè)特點(diǎn)，因此可以采取在提前知道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將如何改變時(shí)，立即并行處理當(dāng)前輸出值和計(jì)算將要改變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣參數(shù)，也就是變步長時(shí)間計(jì)算方式。例如在tn時(shí)刻知道tn+50后發(fā)生某一線路將要跳A相斷路器，則在tn至tn+50這時(shí)間段中同時(shí)計(jì)算Yn、Yn+1、……、Yn+50和新系數(shù)矩陣C、D，在tn+50時(shí)刻使用新的代數(shù)方程組。這樣就把原先要在一個(gè)Δt時(shí)間段內(nèi)計(jì)算的新系數(shù)矩陣C、D分散到50個(gè)Δt時(shí)間段中，保證了實(shí)時(shí)仿真的運(yùn)行。即仿真算法不要求在Δt(仿真步長)內(nèi)，完成對(duì)所有微分方程和代數(shù)方程的解算，而是保證在具體的T時(shí)刻能準(zhǔn)時(shí)輸出正確反應(yīng)該時(shí)刻特性的數(shù)據(jù)。

2 基于X86/X64平臺(tái)仿真算法改進(jìn)

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模型復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)硬件要求高。例如長線路短路計(jì)算時(shí)(見圖2)，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)無窮級(jí)數(shù)的自由分量，實(shí)時(shí)計(jì)算量巨大。

圖2 長線路短路計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖

RTDS等仿真系統(tǒng)使用DSP或?qū)Ｓ眯酒B加方式，用高成本和大體積解決實(shí)時(shí)計(jì)算仿真模型。解決現(xiàn)場便攜式系統(tǒng)仿真測(cè)試問題，其實(shí)主要是解決小型化帶來的硬件計(jì)算能力降低、實(shí)時(shí)性要求帶來的高成本問題。而商用X86/X64平臺(tái)遠(yuǎn)比專用芯片復(fù)雜、性能高，但由于應(yīng)用面巨大，Windows系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價(jià)比高；其最大問題是實(shí)時(shí)處理，基于Windows系統(tǒng)的X86/X64平臺(tái)不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，必須改善仿真算法滿足仿真計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求。

基于Windows系統(tǒng)的X86/X64平臺(tái)其強(qiáng)大計(jì)算能力、海量內(nèi)存可以運(yùn)行非常復(fù)雜的仿真變電站模型。雖然是多任務(wù)系統(tǒng)，不能滿足苛刻的實(shí)時(shí)要求，但在實(shí)際測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行，可以滿足ms級(jí)的實(shí)時(shí)中斷請(qǐng)求。這也說明在Windows系統(tǒng)中，如果實(shí)時(shí)仿真計(jì)算步長Δt≥1 ms，X86/X64平臺(tái)也能滿足實(shí)時(shí)要求。但在智能變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試中，需要計(jì)算步長Δt往往是μs級(jí)，例如在文中為現(xiàn)場開發(fā)的便攜式測(cè)試平臺(tái)上，Δt設(shè)定為20 μs，每工頻輸出1 000點(diǎn)。

為解決X86/X64平臺(tái)和智能變電站實(shí)時(shí)仿真的矛盾要求，文中采用了仿真模型計(jì)算和數(shù)據(jù)通信完全獨(dú)立運(yùn)行的結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。

圖3 基于X86/X64智能變電站實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的仿真計(jì)算采用“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸出。系統(tǒng)主要分為兩部分：一是仿真計(jì)算部分，運(yùn)行在X86/X64平臺(tái)上；另一是通信部分，實(shí)時(shí)輸出SMV和GOOSE。兩個(gè)部分通過高速數(shù)據(jù)總線通信，采用1 ms一次中斷并交換數(shù)據(jù)；通信部分把仿真計(jì)算部分的SMV和GOOSE數(shù)據(jù)分批按μs級(jí)實(shí)時(shí)輸出。這充分利用X86/X64平臺(tái)無比強(qiáng)大的計(jì)算能力，同時(shí)又避免了實(shí)時(shí)性弱的問題。具體就是仿真計(jì)算部分在X86/X64平臺(tái)上通過復(fù)雜的模型計(jì)算生成一組模擬量、開關(guān)量，并打包生成符合IEC 61850協(xié)議[8-9]的通信數(shù)據(jù)；而實(shí)時(shí)仿真計(jì)算部分發(fā)送給各個(gè)通信部分的數(shù)據(jù)是打上時(shí)標(biāo)的一組數(shù)據(jù)流。通信部分根據(jù)其數(shù)據(jù)流的時(shí)標(biāo)來定時(shí)輸出數(shù)據(jù)，這樣實(shí)現(xiàn)了和被測(cè)智能變電站IED裝置的實(shí)時(shí)通信。仿真系統(tǒng)常規(guī)計(jì)算方式如圖4所示。

圖4 常規(guī)計(jì)算方式仿真程序輸出圖

常規(guī)計(jì)算方式仿真程序會(huì)定時(shí)發(fā)送這一時(shí)刻數(shù)據(jù)。Tn是具體時(shí)刻，Yn為數(shù)據(jù)，直接和物理時(shí)刻一致。在一般數(shù)字仿真中也采用這種方式，必須在同一個(gè)物理時(shí)間步長中實(shí)現(xiàn)全部計(jì)算，如并行處理時(shí)也要求每一個(gè)進(jìn)程必須同步，否則會(huì)發(fā)生計(jì)算超時(shí)現(xiàn)象，必須終止仿真計(jì)算[10]。在新計(jì)算方法中，采取以下方式(見圖5)。

圖5 新的計(jì)算方法仿真程序輸出圖

圖5中Tn是具體時(shí)刻，Yn為打上時(shí)標(biāo)(Tn)的數(shù)據(jù)流。其中時(shí)標(biāo)n是指要輸出的具體時(shí)刻。仿真計(jì)算部分先計(jì)算出Yn，并按5個(gè)一組送給通信部分。通信部分接收到數(shù)據(jù)，會(huì)按時(shí)標(biāo)定時(shí)輸出。因此X86/X64平臺(tái)計(jì)算的時(shí)間間隔是5個(gè)物理時(shí)間步長，即使仿真系統(tǒng)接收到跳合信號(hào)或系統(tǒng)將要到設(shè)置的故障狀態(tài)時(shí)，計(jì)算量突然改變時(shí)，系統(tǒng)可以在5個(gè)物理時(shí)間步長內(nèi)計(jì)算。當(dāng)然實(shí)際計(jì)算時(shí)根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)時(shí)延來設(shè)置幾個(gè)一組，例如開關(guān)時(shí)延是10 ms，SMV輸出是每秒4 000點(diǎn)，計(jì)算時(shí)可以采用每10 ms交換一次40組數(shù)據(jù)。

這樣就可以發(fā)現(xiàn)在一般仿真計(jì)算方式中，系統(tǒng)變化時(shí)的巨大計(jì)算量必須在一個(gè)仿真時(shí)間步長中完成；采用新的計(jì)算方式后，計(jì)算量相同，但可用的計(jì)算時(shí)間大大增加了，變?yōu)橐粋€(gè)仿真時(shí)間步長加n個(gè)計(jì)算空余時(shí)間。

根據(jù)以上獨(dú)立結(jié)構(gòu)方式，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于實(shí)際IED的采樣頻率也不完全一致。這樣就可以使仿真計(jì)算步長完全獨(dú)立于通信部分中SMV的采樣頻率，接口程序就非常靈活。仿真程序也能根據(jù)要求改變輸出精度。

3 基于IEC 61850協(xié)議測(cè)試仿真應(yīng)用

根據(jù)以上研究成果，文中研究和開發(fā)了基于IEC 61850[11]協(xié)議便攜式測(cè)試仿真系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)分為三大塊：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及被測(cè)試系統(tǒng)[12]。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要完成被模擬變電站的線路、母線、變壓器各支路在故障前、故障中和故障后的電壓、電流等參數(shù)變化，以及保護(hù)測(cè)控設(shè)備的動(dòng)作行為；

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)與被測(cè)裝置的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，包括生成MU(merging unit)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流SMV信息和解析被測(cè)裝置的GOOSE信息；

被測(cè)試系統(tǒng)主要指為該系統(tǒng)提供工程測(cè)試環(huán)境的對(duì)象，主要是變電站各種IED[13]。

在便攜式測(cè)試仿真系統(tǒng)平臺(tái)上，文中將原先實(shí)時(shí)算法和改進(jìn)的變步長時(shí)間進(jìn)行比較，其檢驗(yàn)原理見圖6。

圖6 仿真系統(tǒng)平臺(tái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

3.1 實(shí)時(shí)仿真對(duì)比測(cè)試

文中首先進(jìn)行兩組算法對(duì)比測(cè)試。便攜式測(cè)試系統(tǒng)接上被測(cè)保護(hù)裝置(PSL601U)，逐漸改變計(jì)算步長，對(duì)比其實(shí)時(shí)性。當(dāng)采用原先計(jì)算方式(即每組交換數(shù)據(jù)變?yōu)?)，運(yùn)行1 s就會(huì)發(fā)生丟數(shù)據(jù)(丟點(diǎn))現(xiàn)象，保護(hù)裝置液晶顯示發(fā)生劇烈跳變。而改善后的計(jì)算方式(即每組交換數(shù)據(jù)變?yōu)?0)，液晶顯示穩(wěn)定，連續(xù)測(cè)試4小時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)丟數(shù)據(jù)現(xiàn)象。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改善后的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試

文中以江西省泰和數(shù)字化變電站(見圖7)為例，變電站共有三個(gè)電壓等級(jí)： 220 kV、110 kV、10 kV。由于現(xiàn)場情況，主要對(duì)220 kV側(cè)保護(hù)進(jìn)行測(cè)試，因而220 kV側(cè)數(shù)據(jù)模型比較詳細(xì)。例如萬安、文山進(jìn)線根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)進(jìn)行配置，其線路也采用了同桿雙回線模型，主要考慮線路相互影響；變壓器是變電站主要設(shè)備，其模型比較重要，在測(cè)試中采用實(shí)際參數(shù)進(jìn)行配置；110 kV和10 kV由于不是測(cè)試重點(diǎn)，模型對(duì)其進(jìn)行了簡化，將110 kV和10 kV的進(jìn)線均作為負(fù)載，其負(fù)載參數(shù)為設(shè)計(jì)運(yùn)營數(shù)據(jù)。故障點(diǎn)設(shè)置為萬安-澄江線路同桿雙回線的II線，萬澄II線的保護(hù)裝置為某公司的PSL601U和某公司的CSC101B兩種套保護(hù)。

圖7 泰和變仿真模型圖

測(cè)試中建立各種故障狀態(tài)，測(cè)試保護(hù)動(dòng)作特性。其中故障設(shè)置在線路10%處，故障類型設(shè)置為瞬時(shí)，A相接地短路，測(cè)試保護(hù)PSL601U的動(dòng)作特性，錄波波形如圖8所示。從圖8中可以看出與一般測(cè)試儀相比，仿真系統(tǒng)輸出波形在故障發(fā)生后相對(duì)復(fù)雜，有一定諧波，符合現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，而PSL601U保護(hù)有分相出口，動(dòng)作正確，準(zhǔn)確判斷了A相故障。

這表明在X86/X64平臺(tái)上采用新計(jì)算方式完全能實(shí)現(xiàn)便攜式變電站仿真測(cè)試系統(tǒng)，而且測(cè)試波形更接近現(xiàn)場實(shí)際故障波形，相比常規(guī)測(cè)試儀器能更準(zhǔn)確檢驗(yàn)出智能裝備的特性。

圖8 萬澄II線 故障(10%-瞬時(shí)-A相接地)圖

4 結(jié)束語

文中研究了基于X86/X64平臺(tái)的智能變電站實(shí)時(shí)數(shù)字仿真測(cè)試系統(tǒng)，并利用其系統(tǒng)特性提出了新變輸出時(shí)間步長的實(shí)時(shí)計(jì)算算法，提高了測(cè)試仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性?？梢詫?shí)現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備整體測(cè)試，其效果是普通常規(guī)測(cè)試方式所達(dá)不到的，該智能變電站中便攜式數(shù)字仿真測(cè)試系統(tǒng)，在現(xiàn)場既能進(jìn)行常規(guī)性能檢測(cè)，也能提供實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，對(duì)智能變電站二次設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)態(tài)測(cè)試，為智能變電站自動(dòng)化設(shè)備研究、開發(fā)、測(cè)試和調(diào)試提供了新手段。