CN204129734U - 一种数字动态实时仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种数字动态实时仿真系统，主要由计算机、高速信号通信系统、信号转换及输入输出系统和电压电流功率放大器组成。所述计算机对所模拟系统进行动态实时仿真，并将待测装置测试所需的电压、电流等信号经高速通信系统输出，通过信号转换及输入输出系统的D/A转换和电压、电流功率放大器送入待测装置以进行装置的实时测试，待测装置的响应信号通过信号转换及输入输出系统和高速信号通信系统实时反馈回计算机。利用仿真对系统进行优化，可极大地提高系统运行的经济性和可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种仿真系统，特别涉及到一种数字动态实时仿真系统。
背景技术
随着电力系统的不断发展，对电力系统的仿真分析、继电保护等安全自动装置的设计、测试和校验工作提出了更高的要求，用户迫切需要更准确、有效的分析、研究和测试手段。在这种情况下，传统的手工计算或简单的计算程序已不能满足各方面的要求，大型的全数字化实时仿真及测试系统是现代仿真技术发展的必然趋势，是目前国内外众多知名学者倡导的数字化电力系统的基础。仿真系统不仅是进行电力系统研究的有效工具，也是一个企业或部门技术水平的集中体现，更是电力系统安全稳定运行和技术发展不可或缺的重要环节。
目前系统用户主要有以下两个方面的要求：
一方面，电力系统的运行和调度人员非常关心整个管辖区域内电力系统的运行状况，特别是在操作、扰动和故障情况下系统的动态和暂态运行行为，因此现代大型电力系统迫切需要一种事故预想、分析以及追忆(事故再现)的手段。
另一方面，要保证系统内的继电保护装置既不拒动也不误动，就需要将其放置于系统中进行全面的分析和计算。对于电力系统中其它安全自动装置、测量及控制装置的运行效果及其在系统中各种运行方式下可靠性的评估，也需将其放置于尽可能真实的环境中进行验证。而继电保护等装置动作后，电力系统所受的影响也更加复杂，简单系统中采用的保护和控制手段有可能在复杂系统中引起意想不到的问题，装置整定、测试、校验的难度也随之加大。因此迫切需要功能强大、水平更高的调试设备。
目前主要利用动态模拟实验进行装置的实时测试，即采用按相似性理论建立的缩小的物理模型模拟实际电力系统，然后将实际装置接入此模拟系统中进行测试。动模在我国电力系统的发展中起着举足轻重的作用，但仍有其局限性：测试系统规模小、试验准备时间长、实验花费较高；筹建动模投资巨大，国内为数不多的动模实验室担负着电力系统众多的试验任务，很难满足大量实时测试工作的需要。
实用新型内容
本实用新型根据上述技术问题，提供一种数字动态实时仿真系统（DDRTS），数字仿真用于系统规划和分析时，不仅可以分析系统未来运行可能存在的瓶颈，对项目进行可行性分析，还能有效分析故障情况，进行事故追忆或再现，并针提出的解决方案加以分析和验证。利用仿真对系统进行优化，可极大地提高系统运行的经济性和可靠性。
本实用新型采用的技术方案为：一种数字动态实时仿真系统，其特征在于：所述硬件部分主要由计算机、高速信号通信系统、信号转换及输入输出系统和电压电流功率放大器组成，所述计算机对所模拟系统进行动态实时仿真，并将待测装置测试所需的电压、电流等信号经高速通信系统输出，通过信号转换及输入输出系统的D/A转换和电压、电流功率放大器送入待测装置以进行装置的实时测试，待测装置的响应信号通过信号转换及输入输出系统和高速信号通信系统实时反馈回计算机。
优选的，所述计算机采用高速微处理器，以提升仿真计算速度；所述高速信号通信系统的核心为基于数字信号处理器（DSP）和PCI总线技术的通讯卡，用于微机与信号转换及输入输出系统之间的数据通信。
优选的，所述信号转换及输入输出系统包括数字量与模拟量之间的转换以及开关量的输入输出，模拟、数字量的转换均采用高精度的16位芯片。
优选的，所述电压、电流功率放大器的幅值、相位和频率均连续可调，电压放大器有效幅值为0～100V/相，电流放大器分为三种类型：有效幅值为0～30A/相、有效幅值为0～60A/相、有效幅值为0～200A/相，用户可根据自身需要进行选择。
附图说明
图1为DDRTS系统进行实时闭环测试原理示意图；
图2 DDRTS系统的软件主界面图；
图3 系统潮流输出图；
图4 500kV/200km双回线系统图；
图5 A相接地故障时线路母线侧电压、电流曲线图；
图6实时闭环测试录波图－单相故障重合成功；
图7 实时闭环测试录波图－单相故障重合不成功；
图8 实时闭环测试录波图－转换性故障；
图9 电力电子系统仿真图；
图10 DDRTS创建的控制器界面图；
图11 信号发生与谐波测试模块界面图；
图12 交互控制监控图页界面图；
图13 测试系统原理框图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
DDRTS系统的核心是公司自主开发的大型电力系统暂态仿真软件，利用此软件可在微机上建立数字仿真系统，对所模拟系统进行动态实时仿真，并将待测装置测试所需的电压、电流等信号经高速通信系统输出，通过信号转换及输入输出系统的D/A转换和电压、电流功率放大器送入待测装置以进行装置的实时测试，如图1所示，同时，待测装置的响应信号可通过信号转换及输入输出系统实时反馈回微机形成闭环测试。这种实时闭环测试的动态交互效果是现有的各种开环测试装置（如传统继电保护测试仪等）所达不到的。
DDRTS是用于电力系统仿真计算的高级应用软件系统，如图2所示为DDRTS系统的软件主界面，具有全中文化友好图形界面，能够运行在Microsoft Windows 98和2000平台上。
图形化建模系统可以帮助用户方便迅速地建立数字仿真系统的拓扑连接关系和输入系统元件参数，进行系统的仿真计算，分析系统的稳态、暂态及动态行为。用户可从系统提供的电力系统元件库中选取所需元件建立单线图，对于三相不对称的情况可利用特殊的单线转三相元件分相输入。子图页（单线图的嵌套功能）有助于用户建立层次分明、简明易看的大型系统单线图。用户再通过元件的参数对话框定义元件的参数，存入后台数据库系统。
DDRTS系统的元件库中包含了所有常用的电力系统元件，如发电机、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器、串补元件以及饱和电抗器、电力电子元件等非线性元件。
DDRTS系统可以实现潮流计算、电磁暂态仿真、实时闭环测试、电力电子系统仿真、控制系统仿真、静态继电器测试、信号发生与谐波测试、实时回放测试、实时交互功能、基于IEC61850标准的数字化变电站装置的测试的功能，以下分别进行介绍。
1、 潮流计算
潮流计算是系统稳态分析的重要手段，利用DDRTS不仅可输出单线图的三相潮流，而且可通过电流相量的方式输出三相不对称时的分相潮流。图3是一个四机系统的潮流输出图。
2、 电磁暂态仿真
DDRTS是一个可完整模拟电机、网络以及控制系统的大型电力系统电磁暂态仿真程序。电磁暂态仿真采用瞬时值进行计算，电机用经典派克方程描述，网络用微分方程描述，可计算电力系统所有的机电和电磁暂态问题，包括不对称和非线性的情况。在电磁暂态仿真中，可模拟系统任意组合下的运行和干扰状况，包括各种短路故障和断线故障，以及多重故障等。
DDRTS提供了各种常用电力系统元件模型，包括发电机、变压器、输电线、电动机、电源、断路器、CT、PT、CVT等，以及与发电机控制相关的IEEE标准的励磁调节器、调速器和电力系统稳定器（PSS）。DDRTS还提供了电力电子元件、电压源、电流源、变导纳元件等控制元件，用户可以灵活地自定义控制器以实现控制系统的仿真。如图4所示为500kV/200km双回线系统图。
为准确模拟输电线的暂态过程，DDRTS采用基于行波原理的完全分布特性的线路模型以提高暂态仿真的准确度。DDRTS系统中的断路器元件可模拟断路器的三相和分相操作，并可灵活设定断路器的动作时间。断路器元件可有两种控制方式：一种是按照预先设定的时间进行动作；另一种是外部控制，通过开关量输入输出卡接收外部被测装置发出的动作信号以控制断路器的开合。在DDRTS系统中，可方便地实现各种故障设置，可任意指定故障发生的时刻、类型和位置，极大提高了系统仿真研究的效率。
利用DDRTS可对此系统进行电磁暂态仿真。图5为此系统在K0点发生A相接地故障时，线路两端断路器动作后非全相运行并重合成功的电压、电流曲线。
3、实时闭环测试
DDRTS系统通过高速通信系统与信号转换及输入输出系统同外部设备相连，可进行继电保护装置、安全自动装置以及测量与控制装置的实时测试。目前利用仿真软件将仿真结果事先存储下来，然后通过信号转换器和功率放大器将信号送入待测设备进行回放测试的做法比较常见。由于开环测试过程中被测装置的响应信号无法实时反馈回计算机，从而观察不到动态交互的效果，无法进行自动重合闸装置的测试，无法研究几个自动装置在系统中相互影响、共同作用于系统的情况。在DDRTS这个实时闭环测试系统中完全可以实现这些功能，其相对于开环测试系统的优势是显而易见的。
利用上述500kV/200km双回线系统对实际的线路距离保护装置联合进行了实时闭环测试。图6为系统一回线发生A相短路接地故障后，线路两端保护动作后非全相运行并重合成功的线路母线侧三相电压和3U0以及线路三相电流和3I0的录波图。图7为保护动作但重合不成功的录波图。图8为区外发生B相接地故障，经过60ms后转换到区内A相发生接地故障，区内保护动作的录波图。
从下面的录波图可以看出，DDRTS系统不仅可仿真简单的接地和相间故障时保护装置的动作行为，还能够准确模拟重合闸、转换性故障、跨线故障、系统振荡中再故障等比较复杂的情况下系统的行为特性，对保护装置进行全面测试，并为分析系统的稳定情况和运行方式提供有力依据。
4、电力电子系统仿真
如图9所示为电力电子系统仿真图，用户可以利用元件库提供的二极管、三极管、可控硅晶闸管、IGBT、GTO、IGCT等电力电子器件和控制模块构建整流器、逆变器、FACTS设备、直流输电等电力电子设备，实现电力电子装置、交直流混合系统以及分布发电系统的仿真。
5、控制系统仿真
用户可利用DDRTS系统控制模块库中丰富的控制模块创建各种开环和闭环控制器，进行控制系统的仿真研究。这些控制器包括发电机的励磁调节器、PSS和调速器、电压源、电流源、变阻抗以及变负荷控制器等。所有取自电网和电机的变量都可作为控制器的输入。另外，其它控制器的信号量也可作为控制器的输入。同时这些控制器的输出以电压、电流、阻抗和功率的形式作用于系统。所有控制模块的输入信号量及输出信号量都可绘制出来。图10为一个利用 DDRTS的控制模块创建的用户自定义励磁调节器的界面图。
6、静态继电器测试
静态继电器测试模块主要完成各类继电器及相关特性测试。本模块提供一个幅值、相位和频率均可调的三相电压源、电流源，用于各类继电器的静态测试。各种变化量的选择（电压、电流的幅值相位等）、变化方向（变大、变小）、变化大小（每步变化步长）均灵活可调。测试的继电器类型包括电压继电器、电流继电器、阻抗继电器、频率继电器、差动继电器等。测试方式可选择采用手动或自动两种方式。
7、信号发生与谐波测试
用户可应用DDRTS系统中的信号发生与谐波测试模块自定义各种波形的电压、电流信号。图11为DDRTS系统信号发生与谐波测试模块的界面图。
自定义的信号波形可以是含有谐波的，还可以是不对称的，可以有直流分量，并可以设置直流分量和各次谐波分量的衰减时间常数。这些电压、电流波形通过高速通信系统和信号转换及输入输出系统送至待测装置，可进行装置的谐波分析及测试。
8、实时回放测试
DDRTS的实时回放功能主要应用于以下两种情况：
一是对现场录波器保存的实际系统的录波文件（COMTRADE格式）进行分析和回放，通过系统的高速通信系统、信号转换及输入输出系统以及功率放大器送入待测装置进行开环测试，验证装置动作的情况，并可根据录波文件进行事故分析和重演。
二是计算机无法进行大系统的实时仿真时，可先利用DDRTS建立系统，进行离线仿真，并将装置测试所需的电压、电流等信号记录下来形成实时回放文件，通过系统的高速通信系统、信号转换及输入输出系统以及功率放大器送入待测装置进行开环测试。
9、 实时交互功能
为增强实验的效果，加深印象，系统采用双CPU仿真主机实现实时交互功能。如图12所示，系统界面的监控图页上，可摆放各种仪表和控制，用户可在任何时候改变图中的仪表和控制，无论是仿真前还是实时仿真过程中。仪表用于实时显示系统参量，包括电压、电流、支路开断状态和故障状态等。控制部分有以下几种类型：1）触发按钮—用来触发一个事件或是一个事件序列；2）状态按钮—切换开关或其它元件的状态；3）卷滚条—连续平滑的改变元件的参数。
下表为一个显示（包括仪表和曲线）和控制的功能描述列表。
10、基于IEC61850标准的数字化变电站装置的测试
测试系统由仿真计算、计算数据打包、采样值数据发送、GOOSE报文接收、GOOSE报文解析等多个环节构成，与被测装置一起构成完整的闭环系统，其测试原理如图13所示，测试系统的硬件平台组成由测试主机、PCI总线扩展器、IEC61850通信卡，信号扩展器等组成。
整个系统工作过程如下：
（1）测试主机产生测试需要的电压、电流采集信号等系统数据，其功能相当于变电站过程层中的ECT/EVT等；
（2）测试主机将计算出的电压、电流等数字量按照IEC61850协议打包；
（3）通过PCI总线扩展器将IEC61850协议送至通信卡；
（4）基于PCI总线的通信卡提供光纤以太网端口与保护装置及控制设备相连。一个光纤以太网端口能完成5个电压量，7个电流量的传输。其功能相当于变电站过程层中的合并单元（MU）。
（5）IEC61850通信卡与测试系统主机通信采用的是PCI总线接口。PCI总线具有良好的扩展性，通过PCI-PCI桥路，可允许扩展。在目前技术条件下，测试节点数目超过7个，就需要配置PCI总线扩展器。
（6）如果每个测试节点需要带多套二次设备，则需要配置信号扩展器，每个信号扩展器可以将一个合并单元的信息同步扩展到8个光口。
（7）保护装置产生的开关变位等信息通过GOOSE网、并经通信卡返回测试主机，由测试主机模拟智能断路器的动作情况。
Claims (4)
1.一种数字动态实时仿真系统，其特征在于：主要由计算机、高速信号通信系统、信号转换及输入输出系统和电压电流功率放大器组成，所述计算机对所模拟系统进行动态实时仿真，并将待测装置测试所需的电压、电流等信号经高速通信系统输出，通过信号转换及输入输出系统的D/A转换和电压、电流功率放大器送入待测装置以进行装置的实时测试，待测装置的响应信号通过信号转换及输入输出系统和高速信号通信系统实时反馈回计算机。
2.根据权利要求1所述的一种数字动态实时仿真系统，其特征在于： 所述计算机采用高速微处理器，所述高速信号通信系统采用数字信号处理器（DSP）和PCI总线技术的通讯卡。
3.根据权利要求1所述的一种数字动态实时仿真系统，其特征在于：所述信号转换及输入输出系统包括数字量与模拟量之间的转换以及开关量的输入输出，所述模拟量与数字量的转换均采用高精度的16位芯片。
4.根据权利要求1所述的一种数字动态实时仿真系统，其特征在于：所述电压、电流功率放大器的幅值、相位和频率均连续可调，电压放大器有效幅值为0～100V/相，电流放大器包括三种类型：有效幅值为0～30A/相、有效幅值为0～60A/相、有效幅值为0～200A/相。
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| CN106249188A (zh) * | 2016-10-09 | 2016-12-21 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种对在线接地故障报警装置的检测方法 |
| CN106771735A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-31 | 国网北京市电力公司 | 模拟故障的处理方法和装置 |
| CN112067984A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-11 | 国家电网有限公司 | 一种断路器非全相功能测试装置 |
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