电力系统实时仿真技术分析

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1、电力系统实时仿真技术分析王占领1，郑三立21.华北电力大学（保定）通信与电子工程学院，河北省保定市071003；2.北京交通大学电气学院，北京市100044摘要：阐述了电力系统实时仿真技术的应用情况和发展前景。对实时数字仿真系统采用的各种硬件平台进行了分析和比较。结合实际工程项目对实时仿真测试技术的应用情况进行了详细介绍，并阐述了数模混合实时仿真系统的原理、结构和应用情况。提出了先进的集成混合实时仿真系统的架构。该系统对扩大实时仿真系统的规模具有重要意义。关键词：实时测试；数字仿真；物理模拟仿真；数模混合仿真；电力系统实时仿真电力系统实时数字仿真器RTDS(RealTimeDigitalS

2、imulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置,采用与EMTP仿真程序相同的算法,但由于其具有很强的硬件计算能力,进行系统研究时速度要快得多.另外,RTDS仿真系统的频率特性包括了一个很大的频率范围(从直流到4kHz),在此频率范围内,RTDS仿真系统是全面分析电力系统各种问题的理想工具.RTDS仿真系统可以用于电力系统分析研究、测试保护系统、控制系统的测试及其教育培训.0　引言离线仿真程序和实时仿真系统结合运用，可全面经济地完成项目的仿真和测试工作［1］。如在HVDC和FACTS工程实施中，在项目规划和设计阶段，利用离线仿真确定设备的最优容量和最佳安装地点，设计和开发特殊电网结

3、构及运行要求下的适当控制和保护策略等。但完整实施项目还需在设备安装、投运之前利用实时仿真系统对所设计的控制与保护系统进行实时测试，以验证其性能是否满足设计要求。由于实时仿真的系统规模有限，在实时测试前需根据设计要求对相关电网进行简化等值处理。　　实时仿真测试的电力系统控制和保护装置可分为二大类：一是传统的控制和保护装置，如继电保护装置、安全自动装置和发电机的励磁和调速装置，通常此类装置的响应速度在几十ms；二是现代电力电子装置的控制和保护系统，如HVDC和FACTS装置的控制和保护系统，其响应速度要比传统装置快很多。这2类控制和保护系统的闭环测试对实时仿真系统的要求是不同的。本文将阐述各种

4、实时仿真测试技术，特别是实时数字仿真系统的结构、特点及应用。91　物理模拟仿真系统物理模拟仿真系统包括暂态网络分析仪（TNA）、动态模拟试验装置以及HVDC和FACTS模拟仿真器等。　　TNA主要用于电磁暂态过程的研究，动模主要用于机电暂态过程以及后续动态过程的研究。他们主要用于传统控制和保护装置的实时仿真测试。　　HVDC和FACTS模拟仿真器则是利用原型HVDC换流器以及FACTS的物理模拟装置进行HVDC和FACTS控制和保护系统的实时测试。HVDC和FACTS模拟仿真器建立了许多相关的物理模型。其中晶闸管和可关断晶闸管（GTO）模型是最重要的模型之一。以晶闸管为例，如图1所示，由于

5、晶闸管的压降，造成了与按相似理论建立的小容量模拟系统不成比例的高损耗，须采用补偿措施方能达到可接受的损耗水平。尽管这些补偿措施增加了仿真器在建立、调节和校验方面的难度，但在考虑晶闸管和GTO的高频暂态特性时，应用模拟仿真器是合适的。图1　模拟晶闸管元件模型2　实时数字仿真系统2.1　实时数字仿真系统的结构9　　实时数字仿真系统是大型软件系统与复杂硬件系统的结合体。硬件结构上，由于没有相关的国际标准可以遵循，各企业都在进行独立的开发和生产，选用的硬件平台各不相同。　　（1）基于高速数字信号处理器（DSP）并行的实时数字仿真器—RTDS。RTDS是国际上第一套商业化的全实时数字仿真装置，采用了

6、DSP芯片并行处理的硬件结构［2］。RTDS利用数学上可分割子系统的概念在各DSP芯片间分配计算任务，1个DSP通常模拟1个元件。各子系统之间的连接使用传输线模型或换流器模型。RTDS这种基于DSP硬件扩展的封闭结构，要进行升级和扩展较为困难。　　（2）基于微机的实时数字仿真系统。随着微处理器技术的迅速发展，微机的计算能力不断增强，基于微机的实时数字仿真系统以其成本低、升级容易、发展潜力大等特点引起了人们的广泛关注。目前普通微机已具备利用数字仿真程序对较小规模系统进行实时仿真的计算能力。微机通过输入输出接口与实际物理装置相连，完全可以进行传统保护与控制装置的实时闭环试验。　　(3)基于并行

7、计算机的实时数字仿真系统。目前微机只能进行小规模系统的实时仿真，要实现较大规模系统的实时仿真，需要采用并行计算机体系结构。　　目前用于实时数字仿真系统的并行计算机系统可分为4类：①基于共享存储器的对称多处理器（SMP）系统。在小规模并行实时数字仿真系统中应用较为广泛。②一致性高速缓存非均匀存储器访问（ccNUMA）系统，如SGIOrigin。加拿大魁北克水电局下属的TransEnergie公司研制的Hypersim就是基