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附錄 A 實時數(shù)字仿真裝置在電力系統(tǒng)物理控制設備閉環(huán)測試中的應用 李華為 范宇 吳濤 王暫吉 （北京交通大學電力學院，中國北京， 100044） （北方電力研究院，中國北京， 100045） （清華大學，中國北京， 100083） 摘要 ：這篇文章主要是關于應用在實時數(shù)字仿真設備中的延時檢測，電壓自動調節(jié)器和自動保護設備等方面。這個系統(tǒng)是由北京北方電力研究院研究開發(fā)的。這次測試的焦點主要集中于查明控制器如何動作及電力系統(tǒng)對這些動作的反映。實時數(shù)字仿真裝置提供電力系統(tǒng)所有種類的運作模式和足 夠的模擬和數(shù)字接口，用于形成閉環(huán)控制和與外部設備的連接。這篇文章包括了關于實時數(shù)字仿真裝置的詳細討論和測試。 關鍵字：實時數(shù)字仿真 閉環(huán) 電源 1、 概述 電力系統(tǒng)由許多重要設備如同步電機，變壓器、導線和斷路器、及負載等組成。而一般的設備如保護繼電器，自動保護裝置和自動穩(wěn)壓器等等。次要設備的動態(tài)特性會影響電力系統(tǒng)的動態(tài)特性。然而，首先在模擬的環(huán)境里驗證它們的性能是必要的，它應先于在實際系統(tǒng)中進行實際測試之前進行。 迄今為止有兩種查明控制器的動作的方法：一是使用數(shù)字和模擬裝置。網絡實時分 析就是一種可以使用的分析模擬的仿真裝置，但是造價太高。實時數(shù)字仿真裝置是一種全數(shù)字化的電力系統(tǒng)模擬裝置，相對于模擬的仿真裝置，實時數(shù)字仿真裝置有能提供在數(shù)字環(huán)境中進行多樣的和便捷的操作、改進、 保存、運行、和分析結果。所以，實時數(shù)字仿真裝置可以應用于電力系統(tǒng)內的所有的研究領域中。 文章中的所有關于測試都是在北京北方電力研究院完成的。測試的目的是查明這些控制器的行為。查明的目的是更深層次的了解控制器的動態(tài)特征特別是應用在北京的電力輸送網中的控制器動態(tài)穩(wěn)定性 2、實時數(shù)字仿真測試裝置 實時數(shù)字仿 真裝置起先產生于瑪內特巴 究中心 （位于加拿大蒙特利爾） 并且在 1993 年開始商業(yè)運行。 實時數(shù)字仿真裝置是基于 50μs 脈沖觸發(fā)的快速操作裝置。實時數(shù)字仿真裝置是一個由不同的部分通過一塊底板組成的專用計算機和圖形用戶界面軟件兩者的組合體（見圖 1）。 實時操作意味著系統(tǒng)中發(fā)生的一個持續(xù)了一秒的事件，系統(tǒng)可以在一秒中把它模擬出來，這樣的實時精度來于物理控制器對執(zhí)行時間的要求，然而這個時間梯度必須控制在 50 毫秒以內。因為只有在這樣的情況下，傳統(tǒng)的數(shù)字仿真工具像 是 能在離 線狀態(tài)下進行操作。 2 實時數(shù)字仿真裝置的硬件 實時數(shù)字仿真裝置的硬件體系結構具有了實時操作的特征，因為它采用了它的并行化設計。 實時數(shù)字仿真裝置的硬件包括一個主機或是工作站和一些機架，主機或是工作站是用戶和仿真裝置之間交流的橋梁。這里機架意味著一個基于 術特殊設計的硬件。一般來說一個 實時數(shù)字仿真裝置通過一個局域網內的標準總線連接的機架有三個或四個。當對一個電力系統(tǒng)進行仿真時，用戶經常將電力系統(tǒng)分為不同的子系統(tǒng)。每一個子系統(tǒng)常常被 分派到單個機架上。如此，這樣的分支設計經常用于 并行化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 每個機架包含三個部分： 3 處理器卡（最大可擴展大 18 路），一個千兆以太網絡交換卡和一個工作站接口卡，如圖 1 所示。 圖 1 件系統(tǒng) 每個 3處理單元。包含兩個處理器。運行頻率是 44部集成了存儲器和數(shù)字、模擬輸入輸出口。在中機架 3仿真運算的核心。 責各個部件之間的交流。包括： 1、內嵌在機架中的 3間的通信；2、機架與機架之間的通信； 3、機架與主機之間的通信。 機架之間的通信是由 門控制的，每個 供機架之間交流的路徑。由于傳輸速率達到了 500個 以同時處理多通道并行傳輸，也就是幾個機架之間可以同時通信。所以，它可以保證并行處理的速度。 統(tǒng)的響應頻率是從直流到 4、 2 實時數(shù)字仿真裝置的軟件 實時數(shù)字仿真裝置之可以運行在反映時間為 50μS 的實時環(huán)境中，不僅是因為系統(tǒng)的硬件設計采用的并行技術，還有是就是并行處理的思想應用在了軟件中。同時，他友好的圖形界面是用戶很容易進行對電力系統(tǒng)的仿真、結果的分析 ，同時根據(jù)研究內容的不同快速的改變運行參數(shù)。 件系統(tǒng)包括三個不同等級：圖形用戶界面被置為最高等級；編譯程序和通信處在中間等級；被控部件處于最低等級。 作為最高等級， 供了十分友好的界面，方便用戶和仿真器之間的交流。如果需要仿真一個新的電力系統(tǒng)，用戶只要知道是在什么模式下，如何設計和設置運行參數(shù)。而不是考慮如何編制模式代碼。另外，圖形用戶界面還提供了繪圖結果通過儀表的繪圖圖標和繪圖工具。因此，用戶的任務變得簡單。這樣用戶可以把更多的精力投入到他的研究中。 編譯器通過 模式代碼寫入 統(tǒng)。一方面，編譯器能通過數(shù)字處理器產生所有的并行處理編碼命令，同時分配這些處理器；另一方面，他可以 產生一個用戶可讀的圖形文件，引導用戶詳細的了解各個處理器的功能。在圖形文件中，輸入輸出通道是直接接到物理設備上的。 電力系統(tǒng)的部件模式處在 統(tǒng)的最低等級上，它是用機器語言寫出的，就是為了實現(xiàn)實時仿真時更快的執(zhí)行（如果代碼長執(zhí)行時間就會變長）。應用在電力系統(tǒng)部件模式和所有的網絡設備都是基于同樣的數(shù)學基礎模式的的運算法則，同樣地被用于在 了在 時間分辨率 50μs 的實時環(huán)境下方針出一個系統(tǒng)，就要應用數(shù)據(jù)并行處理技術。應用導線傳播模式，一個復雜的系統(tǒng)被分為不同的分系統(tǒng)。把計算量分配到各個機架上以減輕處理器的負擔。如圖 3 所示。節(jié)點矩陣被斜線分為兩部分，然后分別交由不同的分系統(tǒng)進行并行處理。所以，減輕了數(shù)據(jù)處理負擔。 圖 3 分系統(tǒng)分派到機架 2、 應用 我 們看到反應時間長短取決與仿真系統(tǒng)的復雜程度，也就是說我們可以在一個具有復雜系統(tǒng)和繁多的數(shù)據(jù)處理的模擬 環(huán)境下得到實時仿真的結果。所有的這些都得益于并行處理技術在加上數(shù)字處理技術在 真裝置的硬件和軟件設計上的應用。所以由于 統(tǒng)的實時運行特征，使它可以運行在以下領域： — 電力系統(tǒng)的分析裝置 — 繼電器系統(tǒng)的測試 — 控制系統(tǒng)的檢測，包括同步機控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定器控制系統(tǒng)、半導體閘流管連續(xù)補償控制系統(tǒng)、 制系統(tǒng)、高壓支流輸電控制系統(tǒng)和 設備管理控制與時間調度程序 設備等等、 — 教育和培訓 以模擬瞬間電磁現(xiàn)象、瞬間機械和電的現(xiàn)象和中 — 長期的動態(tài)現(xiàn)象，可以實現(xiàn)更深層次的分析，相比 于模擬模擬裝置和傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析系統(tǒng)并且裝載流程，例如 3、繼電器系統(tǒng)測試 繼電器系統(tǒng)隨著電力系統(tǒng)變得越來越復雜，也變得更加精良。繼電器的執(zhí)行會直接影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。所以在它們實際安裝之前在真實的操作情況下查明它的延遲時間。閉環(huán)測試是最有可能應用在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的控制方法，也是最徹底的控制方式。 閉環(huán)測試的特點表現(xiàn)在從模擬提取輸出信號中，然后把它們作為輸入的一部分用于對設備的控制。測試狀態(tài)下設備的輸出反饋到模擬器就像在數(shù)字仿真裝置的電路斷路器模式下（斷路器是在真實的 系統(tǒng)中受控制的）。因此，影響仿真的結果，如圖 4 所示這種所謂的閉環(huán)測試方法不僅可以估算出保護延遲時間，而且能測試出系統(tǒng)對延遲動作的響應時間。 圖 4 一個物理設備的閉環(huán)測試 圖 4 用圖表的形式說明了測試物理控制設備的布局方式。如果物理設備需要一個延時，繼電器的執(zhí)行就能被檢測到。數(shù)字仿真裝置的用戶可以根據(jù)具體的情況選擇不同的模式對不同的系統(tǒng)進行測試。因為在模擬器的 3數(shù)字和模擬端口都是可用的，并且數(shù)字和模擬信號可以接入到延遲中。 模擬信號在接如之前必須經過放大。 圖 5 所示是一個電力系統(tǒng)圖，從 2002 年起， 16 路高壓傳輸線和 7 路延遲、7 路錯誤數(shù)據(jù)記錄器已經應用在了 統(tǒng)中。 圖 5 電力系統(tǒng) 1 4、同步機自動穩(wěn)壓器的測試 實時仿真僅僅是表示它可以測試控制設備而實時數(shù)字仿真則代表了執(zhí)行這種測試的最靈活和最有效率的解決放案。當系統(tǒng)正在測試復雜系統(tǒng)的時候，大量輸入輸出信號的組織結構適合于像 樣需要大量數(shù)據(jù)信號傳 輸?shù)南到y(tǒng)。同樣地，測試系統(tǒng)的硬件連接如圖 4 所示就是同步機的自動穩(wěn)壓器。像電流、電壓和狀態(tài)這樣的信號通過模擬裝置傳送到控制器，如圖 6 就是一個測試電力系統(tǒng)的圖。 這個系統(tǒng)包括一個通過 制的并且由變壓器和傳輸線連接到電力線上。同樣的， 主斷路器被模仿。電動機的定子電壓和電流信號、勵磁電流、斷路器的狀態(tài)被考進 時 5、總結 這篇論文略述了主要用于實時操作情況下的實時數(shù)字仿真裝置的專用硬件和軟件的設計。 實時數(shù)字仿真裝置提供電力系統(tǒng)所有種類的運作模式和足夠的模擬和數(shù)字接口。用于形成閉環(huán)控制和與外部設備的連接， 繼電器系統(tǒng)、 制系統(tǒng)的測試系統(tǒng)已經闡明了，這表明實時數(shù)字仿真裝置是一種用于閉環(huán)測試和研究電力系統(tǒng)中控制器的動態(tài)行為效果的理想工具。 附錄 B of i 100044 ( 00083 on of in on of os to of to of in to A of is in 1、 of a of as so of of it is to to in an Up to to of to be is is a of in a be in of in in by in he of to of as a of of on of of on in in 2、 at 993. is on 0μs is a of is to a is a an in be on in of 0 in is of of of is of or a A or is a SP or in a on a is is by is of 8 3PC(,1 a of 4or ,RC on it is C in a 0 is in to a do is in or is is in 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