一種電力系統實時數字仿真模擬裝置的研發及其試驗驗證

摘要：介紹了RTplus智能電網實時數字仿真系統的軟硬件架構以及相關關鍵技術，采用試驗驗證的方法，記錄RTplus智能電網實時數字仿真系統和RTDS實時數字仿真系統的故障電流值，將記錄的10組故障電流數據進行比對，結果驗證了RTplus智能電網實時數字仿真系統的準確性。

關鍵詞：電力系統仿真;實時數字仿真;對比試驗

0 ? ?引言

電力系統實時數字仿真技術作為電力系統仿真研究領域的主流方向，已經成為電力系統試驗研究、規劃設計和調度運行的重要工具。在電力系統繼電保護原理及產品測試方面，對電力系統實時數字仿真的要求越來越高，本文研究的RTplus智能電網實時數字仿真系統，具有性價比高、模型成熟、操作簡易等優點，對相關的繼保企業、科研院所及培訓機構來說是一個有力的工具。

1 ? ?RTplus智能電網實時數字仿真系統總體架構

1.1 ? ?系統總體結構

為達到閉環實時仿真的目的，RTplus智能電網實時數字仿真系統的總體結構應如圖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、電流等模擬量經功率放大器送入待測裝置。同時，待測裝置的響應信號再通過I/O單元實時反饋回計算單元進行閉環試驗。

1.2 ? ?系統硬件結構

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，計算單元應具有較強的計算能力，RTplus智能電網實時數字仿真系統采用研華micro ATX工業主板，配以Intel i5 CPU、1G DDR3 RAM，分別用于模型計算和數據存儲;I/O單元包括1727U接口卡、兩塊Intel Pro 100網卡，接口卡用于和傳統繼電保護裝置接口，而網卡一塊用于和數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路開關量輸出（5 V）、16路開關量輸入（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），開關量輸出需經過繼電器擴展，開關量輸入需經過光電隔離。

1.3 ? ?系統軟件結構

整個系統的軟件分為以下幾個部分：仿真建模軟件、實時操作系統、I/O驅動程序、IEC 61850規約、后臺管理軟件。其中前四個為內部開發使用，后臺管理軟件直接面向用戶。

Matlab的動態仿真環境Simulink提供了圖形化的編程環境，通過界面將諸多程序模塊相互連接，即可構成一個完全的動態仿真環境。與傳統的建模方式相比，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，經過Real Time Workshop轉換為C代碼，通過Visual C++ 2005編譯后，下載到計算單元運行。

2 ? ?試驗方法及試驗數據

2.1 ? ?試驗方法

本文所研究技術是對電力系統的實時數字仿真模擬，因此采用的是電力系統研究及比對試驗相結合的試驗方法，即在對電力系統原型進行大量理論研究的基礎上，與電力系統物理動態模擬以及RTDS實時數字仿真進行相應比對試驗來相互驗證仿真的真實性。

2.2 ? ?試驗數據

分別利用RTplus智能電網實時數字仿真系統和RTDS實時數字仿真系統搭建110 kV雙回線仿真模型。模型系統主接線如圖2所示。

分別在RTplus智能電網實時數字仿真系統和RTDS實時數字仿真系統上模擬K1點金屬性單相接地瞬時性短路故障，故障持續時間120 ms，重復10次，在A相一次側電壓u1的初相角α=0時刻觸發，記錄RTplus智能電網實時數字仿真系統和RTDS故障電流值（10組數據）進行比對，試驗數據如表1所示。

采用同樣的方法，再進行K2、K3、K4等故障點的故障數據比對，電力系統物理動態模擬以及RTDS實時數字仿真的相應比對試驗數據都比較接近，相互驗證了仿真的真實性。

3 ? ?RTplus智能電網實時數字仿真系統關鍵技術

3.1 ? ?計算模塊實時性的實現

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致中斷被關閉，也就無從影響實時核心的任務調度，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核心中數據結構的完整性。

其次，改變時鐘中斷機制，RT-Linux需用粒度更細的時鐘，Linux系統中一般的定時精度為10 ms，而RT-Linux通過將系統的實時時鐘設置為單次觸發狀態，從理論上說，可以提供十幾個微秒級的調度粒度。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。

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驗的基礎上，依據《電力系統繼電保護產品動模試驗》（GB/T 26864—2011）的國家標準，新型仿真系統開發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。用戶可以根據需求自行選擇模型或在模型的基礎上進行二次開發。

新型仿真系統的后臺監控程序一方面實現對模型運行的監視控制，另一方面實現動模仿真的自動測試。后臺程序通過易用的界面實現對測試項目的靈活配置，將具備相同觸發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。用戶選定試驗項目，即可一鍵完成該項目的測試。

4 ? ?RTplus智能電網實時數字仿真系統應用效果

RTplus智能電網實時數字仿真系統的研制成功，為電力系統繼電保護及自動化設備的仿真測試提供了新的解決方案，同時也為電網企業、培訓機構的人員繼電保護知識培訓提供了新的思路。

（1）RTplus智能電網實時數字仿真系統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備的動模試驗。試驗接線簡單、操作過程簡易、試驗結果清晰、暫態特性理想，與常規測試手段相比較，RTplus智能電網實時數字仿真系統縮短了試驗周期，降低了試驗過程的誤操作。

（2）RTplus智能電網實時數字仿真系統極大地優化了測試流程，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節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 ? ?結語

RTplus智能電網實時數字仿真系統的研發，可以有力地促進實時數字仿真測試在繼電保護企業中的應用，提升繼電保護相關產品的測試水平，具有良好的應用前景。

[參考文獻]

[1] 曾杰，冷鳳，陳曉科，等.現代電力系統大功率數模混合實時仿真實現[J].電力系統自動化，2017，41（8）：166-171.

[2] 劉水，王海群，王致杰，等.電力系統全數字實時仿真技術[J].科技與創新，2017（18）：20-22.

[3] 楊杰，韋戈山.智能變電站二次設備仿真測試技術探討[J].電子世界，2019（22）：54-55.

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。