一种电力系统实时数字仿真模拟装置的研发及其试验验证

2020-10-10王峥夏

机电信息 2020年27期

摘要：介绍了RTplus智能电网实时数字仿真系统的软硬件架构以及相关关键技术，采用试验验证的方法，记录RTplus智能电网实时数字仿真系统和RTDS实时数字仿真系统的故障电流值，将记录的10组故障电流数据进行比对，结果验证了RTplus智能电网实时数字仿真系统的准确性。

关键词：电力系统仿真;实时数字仿真;对比试验

0 引言

电力系统实时数字仿真技术作为电力系统仿真研究领域的主流方向，已经成为电力系统试验研究、规划设计和调度运行的重要工具。在电力系统继电保护原理及产品测试方面，对电力系统实时数字仿真的要求越来越高，本文研究的RTplus智能电网实时数字仿真系统，具有性价比高、模型成熟、操作简易等优点，对相关的继保企业、科研院所及培训机构来说是一个有力的工具。

1 RTplus智能电网实时数字仿真系统总体架构

1.1 系统总体结构

为达到闭环实时仿真的目的，RTplus智能电网实时数字仿真系统的总体结构应如图1所示。它由实时计算单元、I/O、功率放大、后台控制四部分组成，将离线生成的模型程序文件上传至实时计算单元进行仿真计算，并将待测保护装置试验所需的电压、电流等模拟量经功率放大器送入待测装置。同时，待测装置的响应信号再通过I/O单元实时反馈回计算单元进行闭环试验。

1.2 系统硬件结构

仿真装置由计算单元、I/O单元和后台终端组成。为满足实时性要求，计算单元应具有较强的计算能力，RTplus智能电网实时数字仿真系统采用研华micro ATX工业主板，配以Intel i5 CPU、1G DDR3 RAM，分别用于模型计算和数据存储;I/O单元包括1727U接口卡、两块Intel Pro 100网卡，接口卡用于和传统继电保护装置接口，而网卡一块用于和数字化继电保护装置接口，另一块用于和后台主机连接。

每块PCI-1727U接口卡具有12路模拟量输出（±10 V）、16路开关量输出（5 V）、16路开关量输入（5 V）。因此，外接继电保护装置时模拟量需要放大器放大到100 V/5 A（1 A），开关量输出需经过继电器扩展，开关量输入需经过光电隔离。

1.3 系统软件结构

整个系统的软件分为以下几个部分：仿真建模软件、实时操作系统、I/O驱动程序、IEC 61850规约、后台管理软件。其中前四个为内部开发使用，后台管理软件直接面向用户。

Matlab的动态仿真环境Simulink提供了图形化的编程环境，通过界面将诸多程序模块相互连接，即可构成一个完全的动态仿真环境。与传统的建模方式相比，这种编程方式更为直观、灵活，移植性更强。仿真模型通过Simulink图形化搭建，经过Real Time Workshop转换为C代码，通过Visual C++ 2005编译后，下载到计算单元运行。

2 试验方法及试验数据

2.1 试验方法

本文所研究技术是对电力系统的实时数字仿真模拟，因此采用的是电力系统研究及比对试验相结合的试验方法，即在对电力系统原型进行大量理论研究的基础上，与电力系统物理动态模拟以及RTDS实时数字仿真进行相应比对试验来相互验证仿真的真实性。

2.2 试验数据

分别利用RTplus智能电网实时数字仿真系统和RTDS实时数字仿真系统搭建110 kV双回线仿真模型。模型系统主接线如图2所示。

分别在RTplus智能电网实时数字仿真系统和RTDS实时数字仿真系统上模拟K1点金属性单相接地瞬时性短路故障，故障持續时间120 ms，重复10次，在A相一次侧电压u1的初相角α=0时刻触发，记录RTplus智能电网实时数字仿真系统和RTDS故障电流值（10组数据）进行比对，试验数据如表1所示。

采用同样的方法，再进行K2、K3、K4等故障点的故障数据比对，电力系统物理动态模拟以及RTDS实时数字仿真的相应比对试验数据都比较接近，相互验证了仿真的真实性。

3 RTplus智能电网实时数字仿真系统关键技术

3.1 计算模块实时性的实现

首先，对Linux核心进行改动。将其与中断控制器隔离，不再允许它任意关中断。此时中断控制器由实时核心来控制，所有的中断首先被实时核心所截获。核心首先进行相关的中断处理，然后再把中断“传”给Linux核心。这样Linux核心的一切活动都无法导致中断被关闭，也就无从影响实时核心的任务调度，从而保证了核心的硬实时性。同时，容易看出，这种方法依然维护了Linux核心中数据结构的完整性。

其次，改变时钟中断机制，RT-Linux需用粒度更细的时钟，Linux系统中一般的定时精度为10 ms，而RT-Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发状态，从理论上说，可以提供十几个微秒级的调度粒度。RT-Linux中实时进程是运行在核心空间，这样进程切换的开销远比常规的进程切换开销要小得多，所以，RT-Linux上有意义的最小实时进程周期可以达到100 μs以内。

3.2 模型封装及自动测试

为了达到通用、易用的目的，在多年动模仿真测试经验的基础上，依据《电力系统继电保护产品动模试验》（GB/T 26864—2011）的国家标准，新型仿真系统开发封装了一系列的模型，包括各个电压等级的线路、变压器、母线等。用户可以根据需求自行选择模型或在模型的基础上进行二次开发。

新型仿真系统的后台监控程序一方面实现对模型运行的监视控制，另一方面实现动模仿真的自动测试。后台程序通过易用的界面实现对测试项目的灵活配置，将具备相同触发条件的测试项目归为一个试验大组，所有的试验大组及试验项目都通过清单的形式呈现。用户选定试验项目，即可一键完成该项目的测试。

4 RTplus智能电网实时数字仿真系统应用效果

RTplus智能电网实时数字仿真系统的研制成功，为电力系统继电保护及自动化设备的仿真测试提供了新的解决方案，同时也为电网企业、培训机构的人员继电保护知识培训提供了新的思路。

（1）RTplus智能电网实时数字仿真系统已成功完成了包括南瑞集团、东方电子等多家继电保护厂家的母线、线路等智能化保护设备的动模试验。试验接线简单、操作过程简易、试验结果清晰、暂态特性理想，与常规测试手段相比较，RTplus智能电网实时数字仿真系统缩短了试验周期，降低了试验过程的误操作。

（2）RTplus智能电网实时数字仿真系统极大地优化了测试流程，一系列的模型封装、配置完整的测试项目、一键式的测试操作、动作时间自动读取将整个测试环节高度自动化地衔接在一起，使得测试过程能够方便、高效、准确地完成。

5 结语

RTplus智能电网实时数字仿真系统的研发，可以有力地促进实时数字仿真测试在继电保护企业中的应用，提升继电保护相关产品的测试水平，具有良好的应用前景。

[参考文献]

[1] 曾杰，冷凤，陈晓科，等.现代电力系统大功率数模混合实时仿真实现[J].电力系统自动化，2017，41（8）：166-171.

[2] 刘水，王海群，王致杰，等.电力系统全数字实时仿真技术[J].科技与创新，2017（18）：20-22.