實時數字仿真系統

隨着電力系統規模的不斷擴大及電子計算機技術的飛速發展，數字仿真技術已成為電力系統領域裏工程技術人員研究複雜電力系統現象的有效手段之一。 ^[1] 

常用的仿真工具大多為非實時的仿真程序。對於這些運行在數字計算機上的仿真程序來説，其限制在於：為計算被仿真系統1s的響應大多要花費數分鐘乃至幾小時的時間。這種非實時的仿真速度不能滿足與外部物理控制設備和保護裝置進行實時交互試驗的需要。通常，人們藉助於模擬仿真器(如物理動態模擬設備)或者某種專門設備將非實時的仿真結果進行回放來進行外部物理控制設備和保護裝置的測試。 ^[1] 

模擬仿真器價格較貴，運行費用也較高，往往需要花費較長的時間對一個研究項目進行研究，因此，模擬仿真器在當今世界並未受到很大的青睞。若用回放原理的設備作為試驗手段，由於其自身技術上的弱點，其應用上的侷限性是顯而易見的，它需要較長的時間去準備所需的仿真結果而且不能實現閉環試驗。實時數字仿真器最主要的優勢則是可以實時運行，並集中了數字仿真軟件和模擬仿真器的優點。 ^[1] 

實時數字仿真系統( RTDS)的出現是計算機技術、並行處理技術和數字仿真技術發展的產物。RTDS本身具有許多重要特點：首先，並行處理技術的採用和專門設計的硬件保證了RTDS運行的實時性，RTDS可以運行在50μs級的步長上實時仿真較大規模的電力系統；其次，RTDS用來仿真電力系統各元件的模型和仿真算法是建立在已獲得公認的當代使用面較廣的電磁暫態分析軟件包的標準技術的基礎上。 ^[1] 

為了使用户集中精力進行仿真研究而不必多費心於如何操作仿真器，RTDS提供了運行在通用計算機工作站上的友好的圖形化用户界面，稱為PSCAD，它包含的主要功能模塊有：允許用户方便地建立被仿真的電力系統,控制仿真運行及分析仿真結果。 ^[1] 

RTDS實質上是為實現實時仿真電力系統暫態過程而專門設計的並行計算機系統。 ^[1] 

RTDS的硬件主要由後台工作站和數層6 U機箱組成。後台工作站通常為通用的RISC工作站，主要運行圖形用户界面PSCAD，並與RTDS實時仿真機箱用以太網進行通信。每層機箱可以與其他4層機箱相連接,組成較大規模的仿真器。每層機箱物理上是獨立的,主要由3類功能卡組成(硬件結構見圖。WIC為工作站接口卡，IRC為層間通信卡，TPC為雙處理器卡。 ^[1] 

每塊TPC卡由兩片數字信號處理器DSP組成。每片DSP的浮點運算速度為44 M次/s。實際上，每塊TPC卡物理結構相同，僅僅是在仿真運行時,其運行軟件不同,所具有的功能也不同。該卡主要部件有：背板接口，開關量、模擬量的輸入輸出，DSP及其數據存儲器，雙端口存儲器,控制與時序電路及狀態指示等。 ^[1] 

每塊T PC上的兩片DSP可以獨立運行仿真電力系統的某個元件，亦可聯合運行來實時仿真較複雜的電力系統元件(如同杆雙回線)。TPC上的雙端口存儲器允許兩片DSP之間進行高速數據通信而無需經過背板接口。 ^[1] 

TPC上的每片DSP均配有開關量和模擬量輸入輸出通道。這些通道可以用來作為RTDS上被仿真的電力系統元件與外部物理設備的連接。每個DSP擁有以下通道： ^[1] 

（1）4路可分擋調節的模擬量輸出通道；

（2）1路12位的模擬量輸入通道；

（3）16位開關量輸入通道；

（4）16位開關量輸出通道。

在每一次仿真運行中，主機工作站與每片DSP的數據交換是通過TPC卡上的外部存儲器進行的。

每層RTDS的機箱配有一塊WIC卡。其主要功能是完成RTDS與主機工作站之間的數據通信，WIC卡也響應來自與每層機箱背板相連接的處理器的通信請求。它主要由以下幾個部分組成：背板接口；狀態指示；處理通信請求電路；M68020處理器；仿真時步時鐘發生器；以太網接口及其控制。 ^[1] 

WIC卡與主工作站之間的通信是基於局域網(LAN)的標準以太網完成的。每層機箱在局域網上具有唯一的網址。M68020處理器的任務之一就是將工作站的數據重新定向傳送給某TPC卡的DSP，M68020也可執行對整層機箱的診斷測試，它並不主動參與仿真運行，而僅僅在主工作站與各處理器之間傳送數據。 ^[1] 

層間的數據通信都是由IRC卡處理的。每一IRC卡都提供了到其他與其關聯的機箱的通信通路。IRC卡主要部件有：背板接口；狀態指示；層間通信接口；數據收/發電路。 ^[1] 

層間數據通信由屏蔽雙絞線進行連接。32位完整的數據被轉換成串行數據格式並以500 M Hz的速率傳輸。錯誤檢測位由數據收/發電路自動加入數據流或從數據流中分離出來。具體層間的物理連接方式以文件形式存放在主工作站中。 ^[1] 

RTDS作為實時數字仿真領域中的產品有以下主要應用領域：傳統的TNA類型的研究；斷路器重合序列試驗研究;各類繼電保護閉環測試；大擾動下的電力系統搖擺研究；交直流混合系統研究分析；直流系統控制研究; SV C應用及控制；地磁電流效應分析；操作員培訓。 ^[1] 

結合電力部電力自動化研究院的研究領域及產品特點，RTDS主要應用於以下幾方面： ^[1] 

將RTDS用於新型繼電保護產品的研究開發中,作為進行一些特殊試驗的手段,提供繼電保護裝置在一次電力系統中實際運行的仿真環境,通過與RTDS的閉環測試,確保繼電保護產品在設計開發中的先進性及在現場運行中的可靠性。已逐步開展的繼電保護產品的主要試驗內容有: 各類常規線路常見故障下繼電保護裝置的仿真試驗; 高電壓長距離輸電線路串聯補償對保護的影響; 同杆雙回線跨線故障情況下保護的動作行為; 變壓器空投產生的勵磁湧流現象對繼電保護動作行為的影響; 並聯電容、並聯電抗器保護動作的正確性; 電動機保護測試;非常見性故障如間隙放電、斷線又接地故障等的仿真研究。

一般説來, 用RTDS測試繼電保護產品時, 應配有電壓放大器和電流放大器,將RTDS仿真的電壓、電流量的模擬量輸出信號進行放大來代替實際電力系統中的PT和CT的二次側輸出。一些相應的接口電路或配套裝置在具體仿真試驗中是必要的。曾經利用RTDS實時仿真了《線路繼電保護產品動模試驗技術條件》中建議的中長距離線路接線方案之二的模擬系統,根據系統各元件的相關參數,在繪製模塊中建立了這樣一個系統。在實時仿真中比較了考慮PT，CT影響與忽略PT，CT影響等情況,均獲得比較理想的結果。在實時運行模塊中提供的電量監控手段非常有用。

RTDS用於AVR的測試也是應用目標之一。用RTDS仿真一次系統和勵磁系統中的其他部件,與實際的AVR構成閉環測試環境。

RTDS也可用於高壓直流系統的仿真研究及直流控制裝置性能分析及其它電力系統安全控制裝置的測試與分析。