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电力系统实时数字仿真系统介绍

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第3期 华中电力 第15卷 电力系统实时数字仿真系统介绍 许汉平,黄涌,陈 坚 430077) (国电华中公司技术中心,湖北武汉摘要:以RTDS为例对电力系统实时数字仿真器的历史、原理及功能做了较为全面的描述。列举当前几种较 为成熟的实时数字仿真器的特点,并对其中三种从技术上进行了比较,对电力工作者能够较为深入地了解 电力系统实时数字仿真技术有一定的帮助。 关键词:RrIDS;计算步长;电磁暂态;闲环测试 中圈分类号:TM743 文献标识码:A 文章编号:1006-6519(2002)03-0010-03 Real-Time Digita1 Simulator iI1 Power System XU Han—ping,HUANG Yong,CHEN Jian (Technology Center,Centrd ChinaPower Company,Wuhan 430077,hiCa)n Abstract:The history,theory and function ofRTDS are described generally in this paper The ̄amres ofseveral de— veloped real—time dil孚tal simulators are presented and the diferences between the three simulators are also provided, which will be helpful for engineers tO realize the technology ofreal—time姆tal simulation in power system. Key words:rea——time igdi ̄simulator;calculating step;electromagnetic transient;closed loop test 0 引 言 随着以三峡工程为代表的一批大型电力建设 项目的展开,我国电力系统的发展正面临着大容 1 RTDS介绍 1.1 R’I'DS的发展历程 RTDS(Real—Time Digitla Simulator)是由加拿 大马尼托巴高压直流中心研制的实时全数字化暂 量、大机组、高电压等级、远距离输电和大电网互联 技术等问题的挑战。随着大功率电力电子技术引入 输电系统,高压直流技术(HVDC)和柔性交流输电 (FACTS)概念、原理及设备的形成对电力系统的科 研、规划、设计和运行、培训也提出了更高的要求。 态模拟装置,主要功能是对电力系统电磁暂态过程 进行实时仿真。在RTDS的发展历程上,其第一代 产品完成于2O世纪8O年代后期,属于原型机性 质,每块仿真处理板上仅有一个NEC公司的微处 理器,电力系统元件模型也不够完善。其第二代产 电力系统实时仿真正是解决上述问题的一个强有 力的分析、研究工具,从某种意义上而言,电力系统 品完成于2O世纪9O年代初期,目前在使用中的 RrIDS装置多属这一代产品。其仿真板称为TPC,上 面有两个NEC公司的DSP IxNPD77240,DSP是 仿真的技术水平代表了电力系统的科学研究水平。 随着计算机软硬件技术的飞速发展,电力系统实时 仿真经历了交直流计算台、动态模拟、模拟式或混 合式实时仿真装置等不同阶段。现在全数字式仿真 装置由于体积小、功耗低、通用性好、价格较动态模 基于先进的并行处理技术的数字信号处理器。这一 代产品的常规电力系统元件和控制系统模型得到 了进一步的完善,人机界面更为友好(使用PSCAD 软件),增加了仿真过程的批处理功能。然而这一代 R1【'DS装置亦存在以下不足: ・由于原理上的制约,仿真计算的计算步长由 承担最复杂元件的DSP计算时间决定,而其它 拟和模拟式仿真装置低廉等优点,被许多电力生产 和科研部门所接受并应用于研究电力系统各种运 行方式和故障情况下的电磁现象及其对系统和自 动装置的影响。为使读者对于电力系统实时数字仿 真有一个全面、清晰的了解,下面以在我国电力系 DSP没有得到充分利用;同时受制于I ̄NPD77240 的性能,其最小仿真步长还不够理想。 ・受IxNPD77240的性能的,无法仿真一 些复杂的电力系统元件,如FAC 元件,已有的一 统应用较为广泛的RrIDS为例,介绍其历史、计算 原理及功能特点,并对几种主要仿真器的特点从技 术上做了一些比较。 收稿日期:2002—04—30 作者简介:许汉平(1969一)。男,工程师,从事电力系统仿真计算和继电保护工作 一10— 维普资讯 http://www.cqvip.com 第15卷 电力系统实时数字仿真系统介绍 2002年第3期 些元件和控制系统模型也较简单、标准。 ・电力系统元件库对用户不开放,用户难以对 其进行修改或自定义, ・用户在仿真过程中一旦改变系统结构、参 数,改变故障类型须重新编译及加载。 ・仿真程序以p ̄NPD77240的汇编语言编写, 可移植性不好。 为此,R I'DS公司对软硬件进行了改进,于20 世纪90年代中后期推出了第三代产品,部分解决 了上述问题。这一代产品的核心是仿真处理板 3PC,该板采用了三块美国ADI公司SHARC结构 的32位ASP21o62 DSP器件,大幅度提高了处理 能力,为缩小计算步长、开发复杂的元件和控制系 统模型创造了条件。具体而言,3PC板的突出功能 为: 图1 3个Rack的RTDS系统 ・网络导纳矩阵的实时求解(需两块3PC卡组 合)。 TPC卡可以模拟大多数常规的电力系统元件, 包括网络模型(发电机、架空线、电缆、变压器、负 荷、断路器、NOV、 CT、CVT等),控制模块(微分、 积分、延时、限幅、超前滞后、计算等环节),以及各 ・仿真步长25 s以下的直流脉冲点火过程。 ・复杂的电力系统元件,特别是FAC 元件 如S rATCOM,SVC,UPFC,TCSC,12脉冲HVDC变 种测量用的表计(电压、电流、功率、相位、频率等)。 3PC卡与TPC兼容但性能大幅度提高,可以实现 mS公司现在或将来推出的元件模型,并缩短运 换器,以及有载调压变压器,具有互感的多相输电 线、3 ̄4回同杆并架线路的仿真。 ・阀组内部故障仿真。 当前R11[1S正在开发产品,在硬件方 面,拟用100MHz主频的ADSP21o62或最新的 算时间。此外,3PC还提供24路模拟输出和32路 数字输入输出功能。3PC所能提供的元件模型有: @STACOM(1个3PC处理器);@UPFC(2个 3PC处理器);⑧SVC(3个3PC处理器);④有载调压 变(1/2个3PC处理器);⑤互感器(3个单相CT或 CVT)(1个3PC处理器);⑥同杆并架传输线(2个 21 160取代3PC板现有的21062。对于规模较大的 RTDS装置,拟将以太网传输速度提高到100Mb/s (将总线型改为星型);仿真软件拟移植到Linux环 境下;正在开发变压器内部匝间故障模型。 1.2 R1 的原理与主要模型 3PC处理器);(3TCSC(2个3PC处理器);⑧HVDC (2个3PC处理器); )三相固定串补(1个3PC处理器)。 1.3主要功能 RTDS模拟电磁暂态过程的原理与算法和著名 的EMTP(Electro—Magnetic Transient Programme)扩 充了直流功能的EMTDC相同,也就是EM I'DC的 R I'DS采用计算机进行数字仿真,因而具备一 切数字仿真的特点,如高精度、快速响应时间、修改 参数方便、建立模型简单、模拟事故不会引起设备 损坏等优点。除此之外,图形操作界面不仅可以直 观方便地建立模拟系统并分配给RTDS进行实时 计算,也可作为EMTDC等软件的用户界面。 RTDS主要有以下几个方面的功能: 实时化,是一套用来完成对电力系统电磁暂态过程 进行全数字模拟的计算机装置。它的硬件的基本单 元称为Rack,一套RTDS装置可以包括几个或几 十个Rack,Rack的数量决定仿真系统的规模。每个 Rack包括18块TPC卡,或者12块3PC卡,或者 两者的组合,总数不能超过18块。每块TPC卡包 括两个DSP,一个或多个DSP模拟一个电力系统 (1)大规模电力系统模拟 对各种复杂电力系统进行实时暂态分析和计 算,可研究暂态过程中各种稳定性问题及交直流互 联系统的相互影响。 元件,如一条线路需用一个DSP,一台三卷变需用 三个DSP等,它能达到较高的计算速度,使RTDS 能采用50 ̄100 Ixs的步长来实时模拟各种大型交 ・可研究暂态过程中,各种快速响应装置的相 互影响:如SVC、TCSC、高速继电保护装置、 . 一直流混合电力系统。 1 1— 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第3期 FACTS、HVDC等。 华中电力 (3)法国电力公司(EDF)的ARENE 第15卷 ・可研究暂态过程对电网本身的影响,如:发 电机轴系扭振问题,以及对电力系统稳定器,自动 调压器,保护系统的影响。 ・可研究电网互联问题。 实时闭环仿真采用多处理器HP向量并行机 SPP200处理,实时开环仿真采用工作站;非实时仿 真采用SUN、HP或DEC工作站及个人机。 (4)美国西部电力公司的DOE—WAPA 采用分布式结构,由IBM RS6000和DSP共同 组成。 (2)HVDC模拟 R11)S可模拟:HVDC的换流器、线路、电抗器 及控制系统,AC系统、线路、发电机等。还可与实际 HVDC控制系统相连组成实时闭环系统。 (3) I'NA功能 (5)加拿大不列颠哥伦比亚大学的OVNI 采用基于Pentium Pro高档工作站的微机局域 网进行分布计算。 以上仿真器仅前两者投入商业生产和运行。 能实现一般的交流暂态网络分析(rNA1的功 能,完成电力系统电磁暂态研究,可研究变压器饱 和效应及其它非线性影响,自动重合闸。观察受干 扰时,电网的振荡以及新型快速控制及开关设备的 相互影响。 3三种主要实时数字仿真器的特点比较 (1)硬件平台 RTDS采用DSP NEC77240 fTPC1和ADSP 21062(3PC); HYPERSIM采用Alpha21 164; (4)可用于测试各种保护装置 R1rI)S输出的模拟信号,通过功率放大器放大后, 输送给实际的保护装置。继电器触点信号可送给 R1rI)S中的同期合闸装置模型。因此可进行继电保 护装置的实时闭环测试。 (5)用于开发和研究新型励磁调节装置及各种控 制装置。 ARENE采用HP PA-7200和PA-8000(SPP2000); HYPERSIM计算能力性价比最高,ARENE最 差,R1 S居中。 (2)人机界面 HYPERSIM和ARENE的图形界面基于商用 软件并采用C语言开发以及面向对象技术,三者均 提供电力系统和控制系统的编辑环境。HYPERSIM 可以离线或在线接受用户通过Matlab定义的控制 系统,而RTDS只能离线进行。 (3)可移植性 HYPERSIM和ARENE中元件用C语言开发, 因而可移植性好。RTDS采用汇编语言开发,因而可 移植性较差,用户修改维护困难。但RTDS公司认 为可移植性不重要,因为RTDS实时与非实时仿真 (6)用于科研及调度部门进行事故分析和仿真计 算。 1.4应用实例 从国外的文献来看,随着RTDS的推广应用,其 应用于电力系统的各种仿真和测试也越来越多,主 要有:HVDC系统特性及其控制模型研究[11,TCSC 特性分析闭,VAR控制器闭环测试[31,同期装置[4]以 及各种继电保护装置闭环测试等。国内可参阅的文 献较少,笔者曾尝试利用其行波线路模型测试故障 测距装置嘲和LFP一902线路保护的闭环测试。 采用两套软件,而不像HYPERSIM和ARENE,采 用的是一套软件。 (4)对FACTS元件的支持 R11)S所支持的FAC 元件较多,具体见本文 第1部分,HYPERSIM目前仅支持SVC,下一个将 是UPFC,ARENE支持的也较少。 2电力系统数字仿真系统的主要型号及特点 (1)加拿大RTDS公司的RTDS 采用DPs的并行处理技术,是一个全数字化 电磁暂态模拟装置。 (2)加拿大TEQSIM公司的HYPERSIM 实时仿真采用基于Alpha单板机的并行处理 结构,非实时仿真采用UNIX工作站。支持SVC、 STATCON等FACTS的仿真。其数字式仿真装置是 EMTP的实时化,而HVDC部分仍然采用模拟装 置,以弥补数字式计算步长的不能达到5~10 s的 不足。 一(5)仿真步长 RTDS的步长为50-100 Ixs,而HYPERSIM的 HVDC部分仍然采用模拟装置,步长达到5~10 s。 (6)其它 RTDS的每块TPC、3PC板上的自带I/O,因此 不存在CPU与I/O的通讯问题。而HYPERSIM (下转第31页) 】2一 维普资讯 http://www.cqvip.com 第15卷 五强溪水电厂水涡 等纹 表5作用于转轮的激振频率 兰 ±箜 塑 2转轮改进处理 针对转轮裂纹产生的原因,除对转轮裂纹进行 修补处理外,还提出了在叶片出水边与上冠连接处 加装应力释放三角钢板(SRT)作为叶片的延伸部分 以减小裂纹部位的应力集中的改进措施。如图4所 示。据VOITH公司介绍,这种方法在德国的BWK 描述嘉 l相对下环扭 150 , 霎 9.7~11.2 蛊发 Toeging水电厂和中国的万家寨水电厂都取得了成 功应用,并再三保证五强溪的转轮加装应力释放三 叶片些水边与上 .2叶片出水边42~32.0 27.7 叶片些水边与上 角钢板后将彻底解决裂纹问题。以下是VOITH .7 27.73叶片出水边 59.3 38.5~44.5 叶片些水边与上 公司提供的BWK Toeging水电厂和万家寨水电厂 的有关数据。 4叶片出水边 704 45.8~52.8 叶片出水边与上 .呈 望盒 重整鲎丝 通过固有频率的分析,有以下几点小结。 (a)有很高的平均应力作用于裂纹发生部位, 即叶片出水边与上冠连接的过渡区域。 (b)分析结果表明,转轮在运行中有4种典型 情况,在叶片出水边与上冠连接处可能由于振动而 产生应力集中。 图4加装应力释放三角钢板 (c)水流通过导水叶后产生的激振频率非常接 ・万家寨水电厂(中国) 近第二种情况下的固有频率,即27.7 Hz。 裂纹处原应力水平 1o0% 1.3.4有限元分析计算结论 预期加装SRT减小至 8l% 通过有限元的计算分析,可得出以下结论: 加装SRT后实际减小至 54% ・在某些运行工况,存在较高频率的动荷载作用 ・BWK Toeging水电厂(德国) 于转轮裂纹发生部位,在该部位产生很高的应力集 裂纹处原应力水平 1o0% 中,这应是1号机转轮叶片产生疲劳裂纹的主要原因。 根据有限元计算加装SRT后可降至45% ・叶片在水流的激振下产生共振,该共振产生 加装SRT后实测减至46% 的应力集中正好位于裂纹发生部位,这也是1号机 五强溪水电厂已于2001年上半年分别对1 转轮叶片产生疲劳裂纹的又一重要原因。 号、2号机转轮进行了加装应力释放三角钢板(SRT) ・此外,不能完全排除在焊接过程中存在残余 的处理,4号、5号机的处理在2001年下半年进行。 应力。 实际效果有待验证。 (上接第l2页) Vo1.2,PP.751-759. 和ARENE的I/O需外置,CPU和I/O模块之间的 [2】K.Bergrnann.Advanced Fully Diigtal TCSC Real-Time 通讯会影响计算间隔。由于结构上的差异,随着被 Simulation in Comparison with Computer Studies and On-site Testing,Presentde at ICDS ,Vasteras,Sweden, 仿真系统规模变大,RTDS参与计算的DSP的数量 May 1999. 随之增加,因此不会影响计算间隔;而HYPERSIM [31 D.Bmdt.Closed Loop Tesitng of a Joint VAR Controller 和ARENE参与计算的CPU总数不变,因而受到影 Using a Diig ̄Real-Time Simulator,IEEE Transactions 响。 on Power System ̄,Aug 91,Vo1.6,No.3,ppl l40一l 146. 参考文献: [4】S.E.Santo.Using a Real-Time Diigtal Simultaor to Test [11 R.P.Wierckx.Validation of a FlllIy Digitla Real-Time a Circuit Breaker Synchronizer Device,Presented at Electromagnetic Transient Simulator For HVDC System ICDS99,Vasteras,Sweden,May 1999. &Controls Studies,Conference Proceedings of Athens [5]许汉平,等.利用RTDS测试输电线路行波故障定 Powertceh(APT'93),Athens Greece,September 1993, 位装置[M].电力系统自动化.2ooo(24). 一31— 

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