一種電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真模擬裝置的研發(fā)及其試驗驗證

摘要：介紹了RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，采用試驗驗證的方法，記錄RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的故障電流值，將記錄的10組故障電流數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果驗證了RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的準確性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)仿真;實時數(shù)字仿真;對比試驗

0 ? ?引言

電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真技術(shù)作為電力系統(tǒng)仿真研究領(lǐng)域的主流方向，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)試驗研究、規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行的重要工具。在電力系統(tǒng)繼電保護原理及產(chǎn)品測試方面，對電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真的要求越來越高，本文研究的RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，具有性價比高、模型成熟、操作簡易等優(yōu)點，對相關(guān)的繼保企業(yè)、科研院所及培訓(xùn)機構(gòu)來說是一個有力的工具。

1 ? ?RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 ? ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為達到閉環(huán)實時仿真的目的，RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1所示。它由實時計算單元、I/O、功率放大、后臺控制四部分組成，將離線生成的模型程序文件上傳至實時計算單元進行仿真計算，并將待測保護裝置試驗所需的電壓、電流等模擬量經(jīng)功率放大器送入待測裝置。同時，待測裝置的響應(yīng)信號再通過I/O單元實時反饋回計算單元進行閉環(huán)試驗。

1.2 ? ?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

仿真裝置由計算單元、I/O單元和后臺終端組成。為滿足實時性要求，計算單元應(yīng)具有較強的計算能力，RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)采用研華micro ATX工業(yè)主板，配以Intel i5 CPU、1G DDR3 RAM，分別用于模型計算和數(shù)據(jù)存儲;I/O單元包括1727U接口卡、兩塊Intel Pro 100網(wǎng)卡，接口卡用于和傳統(tǒng)繼電保護裝置接口，而網(wǎng)卡一塊用于和數(shù)字化繼電保護裝置接口，另一塊用于和后臺主機連接。

每塊PCI-1727U接口卡具有12路模擬量輸出（±10 V）、16路開關(guān)量輸出（5 V）、16路開關(guān)量輸入（5 V）。因此，外接繼電保護裝置時模擬量需要放大器放大到100 V/5 A（1 A），開關(guān)量輸出需經(jīng)過繼電器擴展，開關(guān)量輸入需經(jīng)過光電隔離。

1.3 ? ?系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的軟件分為以下幾個部分：仿真建模軟件、實時操作系統(tǒng)、I/O驅(qū)動程序、IEC 61850規(guī)約、后臺管理軟件。其中前四個為內(nèi)部開發(fā)使用，后臺管理軟件直接面向用戶。

Matlab的動態(tài)仿真環(huán)境Simulink提供了圖形化的編程環(huán)境，通過界面將諸多程序模塊相互連接，即可構(gòu)成一個完全的動態(tài)仿真環(huán)境。與傳統(tǒng)的建模方式相比，這種編程方式更為直觀、靈活，移植性更強。仿真模型通過Simulink圖形化搭建，經(jīng)過Real Time Workshop轉(zhuǎn)換為C代碼，通過Visual C++ 2005編譯后，下載到計算單元運行。

2 ? ?試驗方法及試驗數(shù)據(jù)

2.1 ? ?試驗方法

本文所研究技術(shù)是對電力系統(tǒng)的實時數(shù)字仿真模擬，因此采用的是電力系統(tǒng)研究及比對試驗相結(jié)合的試驗方法，即在對電力系統(tǒng)原型進行大量理論研究的基礎(chǔ)上，與電力系統(tǒng)物理動態(tài)模擬以及RTDS實時數(shù)字仿真進行相應(yīng)比對試驗來相互驗證仿真的真實性。

2.2 ? ?試驗數(shù)據(jù)

分別利用RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)搭建110 kV雙回線仿真模型。模型系統(tǒng)主接線如圖2所示。

分別在RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)上模擬K1點金屬性單相接地瞬時性短路故障，故障持續(xù)時間120 ms，重復(fù)10次，在A相一次側(cè)電壓u1的初相角α=0時刻觸發(fā)，記錄RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和RTDS故障電流值（10組數(shù)據(jù)）進行比對，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

采用同樣的方法，再進行K2、K3、K4等故障點的故障數(shù)據(jù)比對，電力系統(tǒng)物理動態(tài)模擬以及RTDS實時數(shù)字仿真的相應(yīng)比對試驗數(shù)據(jù)都比較接近，相互驗證了仿真的真實性。

3 ? ?RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ? ?計算模塊實時性的實現(xiàn)

首先，對Linux核心進行改動。將其與中斷控制器隔離，不再允許它任意關(guān)中斷。此時中斷控制器由實時核心來控制，所有的中斷首先被實時核心所截獲。核心首先進行相關(guān)的中斷處理，然后再把中斷“傳”給Linux核心。這樣Linux核心的一切活動都無法導(dǎo)致中斷被關(guān)閉，也就無從影響實時核心的任務(wù)調(diào)度，從而保證了核心的硬實時性。同時，容易看出，這種方法依然維護了Linux核心中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。

其次，改變時鐘中斷機制，RT-Linux需用粒度更細的時鐘，Linux系統(tǒng)中一般的定時精度為10 ms，而RT-Linux通過將系統(tǒng)的實時時鐘設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài)，從理論上說，可以提供十幾個微秒級的調(diào)度粒度。RT-Linux中實時進程是運行在核心空間，這樣進程切換的開銷遠比常規(guī)的進程切換開銷要小得多，所以，RT-Linux上有意義的最小實時進程周期可以達到100 μs以內(nèi)。

3.2 ? ?模型封裝及自動測試

為了達到通用、易用的目的，在多年動模仿真測試經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，依據(jù)《電力系統(tǒng)繼電保護產(chǎn)品動模試驗》（GB/T 26864—2011）的國家標準，新型仿真系統(tǒng)開發(fā)封裝了一系列的模型，包括各個電壓等級的線路、變壓器、母線等。用戶可以根據(jù)需求自行選擇模型或在模型的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

新型仿真系統(tǒng)的后臺監(jiān)控程序一方面實現(xiàn)對模型運行的監(jiān)視控制，另一方面實現(xiàn)動模仿真的自動測試。后臺程序通過易用的界面實現(xiàn)對測試項目的靈活配置，將具備相同觸發(fā)條件的測試項目歸為一個試驗大組，所有的試驗大組及試驗項目都通過清單的形式呈現(xiàn)。用戶選定試驗項目，即可一鍵完成該項目的測試。

4 ? ?RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)應(yīng)用效果

RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的研制成功，為電力系統(tǒng)繼電保護及自動化設(shè)備的仿真測試提供了新的解決方案，同時也為電網(wǎng)企業(yè)、培訓(xùn)機構(gòu)的人員繼電保護知識培訓(xùn)提供了新的思路。

（1）RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)已成功完成了包括南瑞集團、東方電子等多家繼電保護廠家的母線、線路等智能化保護設(shè)備的動模試驗。試驗接線簡單、操作過程簡易、試驗結(jié)果清晰、暫態(tài)特性理想，與常規(guī)測試手段相比較，RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)縮短了試驗周期，降低了試驗過程的誤操作。

（2）RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)極大地優(yōu)化了測試流程，一系列的模型封裝、配置完整的測試項目、一鍵式的測試操作、動作時間自動讀取將整個測試環(huán)節(jié)高度自動化地銜接在一起，使得測試過程能夠方便、高效、準確地完成。

5 ? ?結(jié)語

RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的研發(fā)，可以有力地促進實時數(shù)字仿真測試在繼電保護企業(yè)中的應(yīng)用，提升繼電保護相關(guān)產(chǎn)品的測試水平，具有良好的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-07-16

作者簡介：王崢夏（1986—），女，河南許昌人，工程師，從事仿真試驗研究工作。