（电力系统及其自动化专业论文）基于ddrts的乌海电网电磁暂态仿真测试与分析.pdf

华北电力大学t 程硕士学位论文摘要 摘要 电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统的各类过程，并能接入实际物 理装置进行试验的电力系统仿真方式- o 现在，电力系统仿真技术已经发展到全 数字实时仿真阶段，而继电保护试验装置也朝着实时闭环的方向发展。d d r t s 具有优越的技术性能指标和更高的性价比，打破了国外产品在该领域的长期垄断 局面，为提高我国电力系统的技术水平和安全生产能力提供了更为有效的研究和 试验手段。本文首先对电力系统实时仿真技术进行了研究，针对电磁暂态实时数 字仿真中的速度瓶颈问题，重点分析了d d r t s 中采用的数据缓存方法。接着， 在对d d r t s 进行较为全面、深入学习和研究的基础上，利用该系统对实际乌海 电网的模型进行构建，在构建好的模型上进行典型的电磁暂态仿真试验，并对试 验结果进行分析和总结。 关键词；电力系统，电磁暂态，实时，仿真，测试 a b s t r a c t p o w e rs y s t e mr e a l t i m es i m u l a t i o ni st os i m u l a t ee v e r yt y p eo fp r o c e s si n p o w e rs y s t e m ，a n di ti so n em o d et h a tt h ep r a c t i c a la n dp h y s i c a le q u i p m e n tc a nb e i n s e r t e d a tp r e s e n t ，p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dt ob et h e p h a s eo fc o m p l e t e dd i g i t a lr e a l t i m es i m u l a t i o n ，a n dt h er e a l - t i m ea n dc l o s e dl o o p a r er e g a r d e da st h eo r i e n t a t i o no fp r o t e c t i v er e l a yt e s te q u i p m e n t d d r t sp o s s e s s e s s u p e r i o rt e c h n i c a lf u n c t i o ni n d e xa n d t h eh i g h e rc o s tp e r f o r m a n c e ，a n di tb r e a k st h e l o n g t i m em o n o p o l i z e da s p e c to fe x t e r n a lp r o d u c ti nt h i sf i e l d ，a n di tp r o v i d e st h e m o r ee f f e c t i v et e s tm e t h o df o rr a i s i n gt h et e c h n i c a ll e v e la n ds a f ep r o d u c i n ga b i l i t y o fp o w e rs y s t e mi no u rc o u n t r y t h er e s e a r c ho np o w e rs y s t e mr e a l t i m es i m u l a t i o n t e c h n i q u ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra tf i r s t ，a n dt h ed a t ad e la y i n gs t o r i n gm e t h o d w h i c hu s e di nd d r t si sa n a l y z e d o nt h eb a s i s ，u s et h es y s t e mc o n s t r u c tt h em o d e l o fp r a c t i c a lw uh a ie l e c t r i cn e t w o r ka n dd os e v e r a lt y p i c a le l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n tt e s ta n da n a l y z ea n ds u mu pt h et e s tr e s u l t y a n gx i b i n ( p o w e rs y s t e r na n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y a n gs h u y i n g k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t ，r e a l - t i m e ，s i m u l a t i o n , t e s t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d d r t s 的乌海电网电磁 暂态仿真测试与分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕十学位论文 1 1 概述 第一章引言 在电力系统发展历程中，仿真一直发挥着积极重要的作用。电力系统仿真是 根据原始电力系统建立模型，在模型上进行试验，研究电力系统在规定时间内的工 作行为和特征。 目前，电力系统仿真技术已经覆盖了电力系统规划、设计、测试及运行的全过 程。利用仿真可以对电力系统进行规划，分析系统未来的性能和可能存在的瓶颈， 这是对未来电力系统项目进行可行性分析的一个基本步骤；利用仿真可以进行新技 术的研发和新设备的和设计，这对发展新技术和实施重大的工程项目意义重大；利 用仿真能够有效地分析故障情况并针对存在的问题提出解决方案，进而对这些方案 和措施加以分析和验证；利用仿真能对系统进行优化，以提高系统运行的经济性和 可靠性。综上所述，利用仿真对电力系统进行分析、优化，有助于建造一个安全、 可靠、高质量的电力系统。 电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统各类过程，并能接入实际物理装置进 行试验的电力系统仿真方式。这种仿真方式必须要求仿真系统的时间比例尺完全等 于实际系统的时间比例尺心1 。如果仿真是实时的，则仿真系统通过接口与实际装置 相连后，装置就像置身于真实系统中一样，可以进行装置的闭环试验。 电力系统设备特别是继电保护装置在安装投运前的实时测试非常重要，已经作 为其使用中不可缺少的一环。随着电力系统的迅速发展，新型继电保护装置尤其是 微机保护得到了大面积的推广使用，对继电保护装置试验技术提出了更高的要求。 要保证电力系统内的继电保护装置既不能拒动也不能误动，就需要将其置于电力系 统中进行全面的分析和测试。而且，继电保护装置动作后，电力系统所受的影响也 更加复杂，简单系统中所采用的保护和控制手段有可能在复杂的系统中引起意想不 到的问题，装置整定、测试、校验的难度也随之加大。因此，迫切需要研究功能更 强大、水平更高的试验技术。另一方面，随着计算机、微电子技术、电力系统仿真 技术的飞速发展，继电保护装置试验由常规的稳态试验过渡到实时数字仿真试验。 实时数字仿真技术用于装置全面、完整、真正闭环的试验已成为一种趋势n 1 。 1 2 电力系统实时仿真技术的发展 电力系统实时仿真技术的发展大概经历了电力系统动态模拟仿真、数模混合式 实时仿真、全数字实时仿真三个阶段h 1 ，下面分别加以讨论。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 1 基于相似理论的电力系统动态模拟仿真系统 电力系统动模实验仿真系统，即基于物理仿真的动态模拟试验室，是最早出现 的进行电力系统研究的实时仿真工具，对电力系统发展起到了举足轻重的作用。 电力系统动模实验室的硬件通常由若干台按比例缩小的电机、一定数量的n 型 线路模型、电源、负荷、开关模型以及相应的监测、控制系统组成。通常用来进行 电力系统机电暂态以及动态过程的实时仿真研究。 动模实验室是按相似性原理建立的缩小的物理模型，保留了实际系统的所有物 理特征。其主要优点是： 1 、在元件模型中已经包含了许多复杂因素( 如非正弦、非线性、非工频等) 的 影响，因此可以非常有效地研究许多内在过程尚不清楚、难以或不能用数学方式描 述的现象，反映的物理过程是直观、真实的，可以直接可靠地检验理论分析和计算 结果的正确性； 2 、可在与实际系统很近似的条件下观察和研究电力系统的许多特性和过程，得 出用于指导实际电力系统安全运行的重要结论，动模对新技术、新装备实物的运行 试验非常方便。 但它也存在以下的局限性： 1 、模拟电机各种参数的变化范围有限，很难匹配各种不同厂家、容量、种类的 电机模拟的需要，参数的调整和匹配较为复杂； 2 、动模的n 型线路模型品质因数( q 值) 较低，进行长线路的电磁暂态过程研 究某些性能指标不太准确； 3 、试验准备时间较长、试验花费较高。 总之，电力系统动态模拟仿真系统设备昂贵、占地面积大、可模拟的电力系统 规模受制于装置自身的规模和元件的物理特性，装置的可扩展性和兼容性差，难以 大量推广。它们在电力系统的发展中曾发挥重要的作用，今后仍将发挥一定的作用。 1 2 2 数模混合式实时仿真系统 数模混合式实时仿真系统除了对电机、动态负荷等旋转元件用数字元件模拟之 外，其余元件基本上与动模试验采用的元件一致。其使用的灵活性和对电力系统的 研究范围都有了很大提高。对电力系统的实时仿真范围已经可以覆盖电力系统扰动 的全过程，即可仿真电磁暂态过程、机电暂态过程和动态过程的电力系统扰动全过 程。 数模混合式实时仿真系统的最大优点就是其数值稳定性好，仿真规模取决于硬 件规模。在数模混合式实时仿真系统中，由于线路、变压器等元件皆为模拟元件， 通过这些模拟元件，发电机等数字元件相互间完全解藕。因此，只要发电机等数字 2 华北电力大学 ：程硕士学位论文 元件本身不存在数值不稳定问题，则整个仿真系统就不会产生数值振荡问题。但是， 由于数模混合式实时仿真系统的主要部分仍是基于相似理论的物理模型，数模混合 式实时仿真装置也具有上述物理模型的缺点，即设备昂贵、占地面积大、可模拟的 电力系统规模受制于装置自身的规模和元件的物理特性，装置的可扩展性和兼容性 差，难以大量推广。 1 2 3 全数字实时仿真系统 尽管动模实验室和数模混合式实时仿真系统在电力系统的实时研究领域发挥 着重要的作用，但由于它们自身固有的缺点，人们一直没有放弃对全数字实时仿真 系统的探索工作。 在2 0 世纪9 0 年代初，随着商业化高速数字信号处理器( d s p ) 的问世，加拿大 m a n i t o b a 直流研究中心的r t d s 公司率先推出了国际上第一台电力系统全数字实时 仿真系统r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ，简称r t d s ) 。继r t d s 后，法国 电力公司( e d f ) 、加拿大魁北克水电研究所的t e q s i m 公司等也相继进行了全数字 实时仿真系统的开发和研制工作。 所有的全数字实时仿真系统，无论其采用什么样的硬件平台，其共同特点都是 基于多处理器的并行处理技术，由系统仿真时下载到该c p u 的软件来决定该c p u 模拟什么电力系统元件。因此，在时间步长和i o 设备的频宽满足要求的情况下， 系统的一次元件模型只取决于软件而与硬件无关。这个显著的特点为用户对未来新 元件的仿真提供了充分的发展空间。但也应该注意到，在全数字实时仿真系统中， 由于受到各并行处理器间的通信、数据交换及模型算法等各方面因素的影响，数值 不稳定问题成了限制仿真规模的瓶颈。另外，对于上面提到的已经推出的几种全数 字实时仿真系统，还存在费用高、升级和扩展困难等的问题。下面，以r t d s 为例 进行简要说明。 r t d s 是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统。r t d s 采用 并行处理的硬件结构和高速d s p 芯片，它利用数学上可分割子系统的概念，在各个 运算芯片或芯片组之间分配计算任务。各个子系统之间的联结使用传输线模型或换 流器模型。r t d s 的设计充分考虑了接口问题，提供了数字、模拟信号的输入输出 接口，增加了仿真系统在建立和使用上的灵活性。r t d s 基于多d s p 并行处理技术， 由系统仿真时分配到d s p 的代码来决定该d s p 模拟什么电力系统元件。由此可知， r t d s 系统是基于硬件扩展的，这也恰恰是它的局限性所在：l 、造价高，在普通用 户中难以推广，如r t d s 的一个运算单元( r a c k ) 的售价大概要数十万美元，投 资和维护费用都很高；2 、d s p 并不是标准的微处理器，无法充分利用微处理芯片 的最新成果，升级和扩展的难度和代价比较大。 3 华北电力人学- 1 ：程硕士学位论文 1 3 本文的选题背景及意义 现在，电力系统仿真技术已经发展到全数字实时仿真阶段，而继电保护试验装 置也朝着实时闭环的方向发展。动模实验室虽然能够满足实时闭环的要求，但由于 其存在一定的局限性( 上文中已经提到) 很难得到推广并发展。目前，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，很难满足电力系统内大量试验工 作的需要。而以r t d s 为代表的全数字实时仿真系统，虽然其性能上绝对能够满足 实时闭环的要求，计算结果准确可靠，功能足够强大，处于国际领先水平，但由于 需要从国外引进，购买和维护费用都太高，一般企业单位和科研机构都无法承担起 如此高额的费用，在国内很难推广普及。另外，其升级和扩展的难度和代价也都比 较大。 另一方面，随着电力系统“厂网分开 改革战略的逐步实施，了解电网运行特 性、保证电网安全运行成为电网公司头等重要的任务。而且，由于电力系统规模的 扩大和自动化程度的提高，采用更高精度仿真模型及算法的数字实时仿真技术将扮 演越来越重要的角色，并逐步成为电力系统安全运行和技术发展不可缺少的重要环 节。 综上所述，迫切需要研究和开发更为经济、准确的电力系统全数字实时仿真技 术，而同时该系统也能作为实时闭环的继电保护试验装置，提高试验效率，降低试 验成本。 2 0 0 1 年1 月，深圳市殷图科技发展有限公司、东北电力调度通信中心和清华大 学电机系决定共同研发我国完全自主知识产权的基于微机的电力系统数字动态实 时仿真系统d d r t s ，以填补该领域的国内空白，提高我国电力系统数字仿真和装置 测试的总体水平。d d r t s 系统于2 0 0 1 年1 2 月研制完成，经过6 个月的试运行，于 2 0 0 2 年6 月正式投入使用。 d d r t s 先后在东北、河南、四川、宁夏等地投入使用，结合当地电网的实际情 况，对系统中的各种故障进行实时模拟，对多种型号的微机型继电保护装置进行了 实时闭环测试，都取得了理想的试验结果。作为国内第一套自主研发的全数字电力 系统仿真与测试系统，d d r t s 具有优越的技术性能指标和更高的性价比，打破了国 外产品在该领域的长期垄断局面，为提高我国电力系统的技术水平和安全生产能力 提供了更为有效的研究和试验测试手段哺1 。 乌海电网位于内蒙古西部电网最西端，是内蒙古西部电网的重要组成部分。乌 海电网目前最高运行电压等级为5 0 0 k v ，经5 0 0 k v 和2 2 0 k v 两个电压等级与蒙西网 联网运行。乌海电网不仅承担着乌海地区的供电任务，而且还承担着周边阿盟地区、 鄂尔多斯棋盘井地区的供电任务，责任重大。长期以来，乌海电业局将电网的安全 运行视为乌海电网发展的首要任务，并致力于提高员工素质和新技术的引入，这也 4 华北电力人学：l 程硕士学位论文 是本文选题的重要依据。 1 4 本文的主要工作 本文在参考国内外相关文献的基础上，对电力系统实时仿真技术进行了研究。 为了解决电磁暂态实时数字仿真中的速度瓶颈问题，重点分析了d d r t s 中采用的 数据缓存方法。接着，本文对d d r t s 进行较为全面、深入的学习和研究，在此基 础上，利用该系统对实际乌海电网的模型进行构建，在构建好的模型上进行电磁暂 态仿真试验，并对试验结果进行分析和总结。本文的具体工作如下： 1 、通过对电力系统实时仿真技术进行的研究，分析了实时仿真中算法的选择 问题，并给出了电力系统实时仿真急需解决的问题。 2 、分析了电磁暂态实时数字仿真中的速度瓶颈所在，为解决这一问题，实现 微机继电保护装置真正的实时闭环测试，d d r t s 中采用了数据缓存的方法，本文重 点对这一方法进行了讨论。 3 、对d d r t s 的学习研究：对其总体结构，硬件构成、软件构成进行研究。同 时，结合电力系统的基础知识和相关实际电力设备的特性要求，对数字实时仿真系 统的主要元件，特别是与继电保护测试关系比较密切的元件进行了较为详细的理论 分析和研究，这些模型包括发电机、发电机的励磁调节器和调速器、p s s 、电动机、 变压器、输电线、互感器( c t ，p t ，c v t ) 、断路器、故障模型。 4 、乌海电网概况分析：分别介绍了乌海电网发电厂装机情况、变电站情况和 负荷情况，并结合潮流情况分析，给出了乌海电网存在的问题。 5 、实际电网模型构建：根据乌海电网的结构和一次设备参数在d d r t s 中构建 对应的实际模型，创建新工程。 6 、基于d d r t s 的乌海电网系统仿真试验，模拟了各种不同类型的电磁暂态试 验，并对试验结果进行了分析和总结。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电力系统实时仿真及数据缓存方法的应用 目前在p c 机上广泛使用的仿真软件，如e m t p 、n e t o m a c 、p s s e 哺1 等，都 属于非实时离线的。由于它们的仿真速度与实际系统的动态过程不同，所以不能与 实物相连进行继电保护装置和控制系统的闭环测试分析，而这类问题正是需要由电 力系统实时仿真技术解决的。 在我国，随着三峡电站的建设、西电东送工程的实施和全国联网工程的推进， 我国大陆部分在本世纪初叶将形成规模巨大的全国性的互联电网。而且，全国联网 系统中既有交流线路又有直流线路，还包括诸如无功静止补偿器之类的电力电子设 备和灵活交流输电( f a c t s ) 装置，从而使电网的安全稳定运行控制变得十分复杂。 为了提高电网安全稳定运行水平，对电力系统仿真技术提出了更高的要求。 2 1 我国电力系统实时仿真的应用与发展 我国电力系统实时仿真的发展历程基本上跟踪了国际上电力系统实时仿真发 展不同阶段的最新技术。从2 0 世纪5 0 、6 0 年代开始有电力系统动态模拟实验室， 到8 0 年代初，我国电力系统实时仿真基本是物理仿真。8 0 年代中期，从原瑞士b b c 公司( 现a b b ) 引进了早期的数模混合式高压直流模拟仿真设备；2 0 世纪9 0 年代 中期，一些科研单位和高校开始引进r t d s 装置；1 9 9 6 年，为了对我国正在建设的 三峡工程的输配电工程进行实时仿真研究，中国电力科学研究院从加拿大t e q s i m 公司引进了先进的数模混合式仿真系统。 目前，大部分高校企业及科研机构主要依靠动模实验室和基于并行数字处理器 ( d s p ) 的实时仿真器( r t d s ) 对装置进行测试。而且，r t d s 与其他非实时离线 仿真软件相结合还可以进行大规模电力系统动态行为模拟和分析。另外，国内一些 高校和科研机构正致力于基于微机的电力系统实时数字仿真系统的研究( 如 d d r t s ) ，并取得了很大成果h 1 。 2 2 关于电力系统实时仿真算法及其性能分析 仿真算法的选择是实时仿真首先碰到的问题，选择合适的仿真算法可以使实时 仿真以足够的精度顺利完成试验任务。在实时仿真中，要求采用尽量大的步长，但 这是以保证要求的计算精度和使系统稳定为前提的。而实时仿真除了必须是稳定的 和具有一定的精度外，还有自身的特殊要求。在步长要求一定时，为了提高仿真精 度，可以采用各种补偿以减少误差。例如：在实时仿真中，由于d a 转换器的引入， 会使输出产生延迟，为了提高仿真精度，有必要对它进行补偿。又因为在实时仿真 6 华北电力大学工程硕七学位论文 中，仿真时间应严格与实际系统运行时间相等，故对实时计算方法提出了特殊的要 求。 仿真算法、步长的一般选取原则：对于同样的步长，阶数较高的方法误差较小， 因此为了减少每一步的截断误差，可以提高方法的阶数；但另一方面，对于一些精 度要求比较低的问题，为了减少计算量，应选用阶数较低的方法。 因此，在实际计算过程中，为了满足精度要求，应该首先考虑步长，只有当达 到最小步长但还没有满足精度要求时，才考虑提高算法的阶数；并且，在用某个阶 数的算法减小连续几步步长的计算中均满足精度要求时，还要考虑降低算法的阶 数。 需要指出的是，因为各种数值积分法各有所长，没有一种方法能适应各种不同 的要求，所以如何选择仿真算法是一个十分复杂的问题，至今尚无一种确定的原则 e l 2 3 电力系统实时仿真急需解决的问题 数字仿真、物理仿真以及数模混合式仿真三者的区别在于物理部分多一点还是 数字部分多一点。鉴于这种现状，电力系统实时仿真急需解决的问题应包括： l 、电力系统实时仿真可信度( c r e d i b i l i t y ) 的研究四1 。再精确的模型与现实系 统总有差距，关键是如何限制差距使其在一个可以容许的范围内。这方面的研究主 要包括仿真模型的精确度研究和模型参数的精确确定等。 2 、大功率、快速响应、高精度的数模接口元件的进一步研制，如：d a 、刖d 转换器，i o 设备，功率放大器等n 们。 3 、除了完善现阶段提出的经典数值积分方法外，还应研究一些新算法，如： 现代数值仿真算法，主要是离散近似法、可调数值积分法、增广矩阵法、采样控制 系统仿真法和面向结构图仿真法等。 4 、对电力系统实时仿真的数字稳定性研究。 2 4 数据缓存方法及其应用 在电力系统发生故障或操作时，将产生复杂的电磁暂态过程和机电暂态过程。 电磁暂态过程是指电力系统各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过 程u ，电磁暂态过程仿真用数值计算方法对电力系统中从几微秒到几十毫秒的电磁 暂态过程进行仿真。常见的仿真软件有e m t p 、加拿大m a n i t o b a 直流研究中心开发 的p s c a d e m t d c n 引、德国西门子公司开发的n e t o m a c 以及由国内深圳殷图公 司和清华大学联合开发的d d r t s 等。机电暂态过程是指由于发电机和电动机电磁 转矩的变化所引起电机转子机械运动的变化过程。机电暂态过程仿真主要研究电力 7 华北电力大学工程硕士学位论文 系统受到大干扰后的暂态稳定性和小干扰后的静态稳定性。常见的仿真软件国际上 有美国p t i 公司的p s s e n3 1 、美国e r p i 公司的e t m s p 、瑞士a b b 公司s i m p o w 以及德国西门子公司的n e t o m a c n 劓；国内有中国电力科学研究院自主开发的 p s a s p 和由国外引进后消化改进的中国版b p a 程序。 因此，数字仿真在时域范围内根据所仿真的这两个物理过程分为两种不同的仿 真模式：电磁暂态模式和机电暂态模式。下面，将对电磁暂态仿真进行分析。 2 4 1 电磁暂态仿真分析 在电磁暂态模式下，电机、网络和控制系统都通过微分方程进行描述，系统采 用瞬时值方式进行计算。在计算机上进行电磁暂态仿真通常利用e m t p 类仿真程序。 这类仿真程序均基于h w d o m m e l 提出的算法，可以用于研究电力系统的各类暂 态现象。 e m t p 算法中将网络微分方程通过差分化得到暂态等值计算电路。 对于集中参数元件( 如电阻、电感、电容等) ，应用隐式梯形积分法将微分方程 化为离散化差分方程，并得到一个等值电阻和等值电流源并联的暂态等值计算模 型。 若描述元件的微分方程为： d y ：x ( t ) ( 2 1 ) = x il k = z - l 夕 班 应用隐式梯形积分法化为差分方程： j ，( t - a t ) ：j ，o ) 一等【x ( f ) + x o a f ) 】 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 可化为： y ( f ) ：y o 一f ) + a t ，z o 一f ) + 了a t 石( f ) ( 2 3 ) 对于最简单的情况，状态变量y ( t ) 代表电流，则： f ( f ) = y ( f ) m ) = j ，( 卜f ) + 了a t z ( f 一f ) ( 2 4 ) r ：三 a t 式( 2 3 ) 可表示为电流源和电阻并联的诺顿等值电路的形式，其中，( f ) 是根据 上一步长计算结果得到的电流值，即隐式积分中的历史项，尺为根据原微分方程关 系得到的网络电阻值，与元件参数和仿真步长有关。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 根据给定参数元件的微分方程，可以得到相应的电流源一电阻模型，其等值电 路如图2 1 所示： ，( f ) u 陆= x ( f ) 图2 - 1 等值电流源一电阻电路 对于输电线路这样的分布参数元件，采用无损线的贝瑞隆模型也可导出仅包含 电阻和电流源的线路暂态等值计算模型，其等值电路如图2 2 所示： i j k ( t ) i e ( t ) u j ( f ) i ll o f ) i i k ( t f ) i k u 女( f ) 图2 - 2 无损线的贝瑞隆模型等值电路 贝瑞隆模型将分布参数线路的波过程转化成仅含电阻和电流源的集中参数电 路，线路两端的电磁联系反映t f 时刻两端电压、电流的等值电流源来实现，两端 无直接的拓扑联系。考虑线路损耗时可采用贝瑞隆无损线路加纵向电阻的模型。 这样在任意t 时刻，这些集中参数和分布参数网络元件离散化之后得到的一系 列等值电阻和等值电流源构成了暂态等值计算电路，以此暂态等值计算电路为基础 得到节点导纳矩阵，形成节点方程，即： y u = i( 2 5 ) 其中： y ：暂态等值电路的纯电阻节点导纳矩阵； u ：t 时刻各节点电压组成的列向量； 9 华北电力大学：i ：程硕士学位论文 ，：各节点注入电流组成的列向量( 每一的注入电流为t 时刻暂态等值计算电路 中与该节点相连的等值电流源以及外施电流源的代数和) 。 根据网络节点方程，对对称的节点导纳矩阵进行三角分解，通过前代和回代运 算求解下一步长点t + a t 时刻的各节点电压。然后得到t + a t 时刻的各支路电流，重 新计算t + a t 时刻的暂态等值计算电路，如此反复以固定步长址向前在每一个步长 点对系统进行求解。在此过程中，节点导纳矩阵保持不变。但如果在仿真过程中系 统发生了故障或进行了操作，须修正节点导纳矩阵并重新进行三角分解。 需要注意的是，以上方法只能用于求解线性网络。对于非线性或时变的电力系 统元件，此类元件的参数与工作点相关，即随着其电压、电流和频率等运行参数的 变化而变化。此时通常采取分段线性化方法或补偿法进行处理n 朝。如果采用分段线 性化方法，元件从一个线性分段越过分界点到达另一个线性分段的时候，必须修正 节点导纳矩阵并重新进行三角分解。 我们将系统发生故障或进行操作时的步长点和非线性元件的线性分段越过分 界点时的步长点统称为变结构点。 e m t p 算法采用的隐式梯形积分法具有良好的数值稳定性，积分过程也比较简 单，因而在暂态仿真计算中得到广泛应用。可以证明对于线性网络而言，隐式梯形 积分法总是稳定的。但有时在变结构点处，特别是在开关操作时，非状态变量可能 产生不正常的摆动，即数值振荡现象。目前有几种方法可以消除数值振荡，最常用 的是采用阻尼法n 明和在发生数值振荡时在变结构点处采用其它数值积分方法( 如后 退欧拉法) 进行计算n 7 1 。 电磁暂态计算中电机采用经典派克方程描述的微分方程，其数值求解仍可采用 梯形法。由于电机在d q 旋转坐标系下进行计算，而网络则在a b c 三相静止坐标 系下进行计算，因此在电机和网络连接时要有“机网接口”，对相应的端口交换量 进行坐标系转换。 仿真中经常需要进行控制系统的动态仿真，如发电机的励磁调节系统。调速系 统、h v d c 和f a c t s 的控制和保护系统等。通常控制系统由不同的控制模块相互 连接构成，控制模块有可能是传递函数、f o r t r a n 函数、逻辑表达式等，这些都 可以转换为相应的控制系统方程，也可通过梯形法求解。在仿真中通常分开求解 网络方程和控制系统方程。先对网络方程进行求解，控制部分根据网络方程的计算 结果确定的边界条件进行求解，然后向网络部分返回控制反馈。 2 4 2 变结构点的速度瓶颈问题 设仿真步长为缸，仿真总时间为r ，而计算设备仿真花费的总时间为死。 如果死t ，即计算设备实际仿真花费的总时间小于仿真设定的总时间，称此 次仿真具有全局实时性。而如果计算设备在每一个仿真步长所花费的时间a t 。都不 1 0 华北电力人学j r ：程硕十学位论文 大于设定的仿真步长垃，则称此次仿真具有严格实时性。 如前所述，电力系统的数字仿真采用如下通用模型： 戈= ( 训) ( 2 - 6 ) 【g ( x ，y ) = 0 数字仿真需要在每一个离散的步长点联立求解上面的微分方程与代数方程。在 电磁暂态模式下，根据e m t p 算法，应用隐式梯形积分法将微分方程化为离散差分 方程，然后再得到暂态等值计算电路，形成节点方程求解节点电压，如此反复以固 定步长出对系统进行求解。 计算机技术的高速发展以及快速算法的提出，使得小规模电力系统的仿真完全 可以在适当的仿真步长下达到全局实时。此时当电力系统结构或参数不发生变化， 在每一个仿真步长所花费的时间比设定的仿真步长短或相等，即系统结构不发生任 何变化时在每一个仿真步长可以做到严格实时。但是一旦遇到变结构点，此时需修 正节点导纳矩阵并重新进行三角分解，所需时间将导致仿真时间明显变长，从而无 法达到仿真严格实时性的要求。而实际装置的实时试验要求仿真必须具有严格实时 性，即在每一离散时步点所对应的物理时刻必须送给被测装置此点的计算数据。 目前实时仿真遇到的主要问题就是在变结构点，需要修正节点导纳矩阵并重新 进行三角分解，导致在该变结构点的仿真计算比正常计算多花几倍的时间，难以做 到严格实时。而在其它时间点完全可以做到严格实时，在每一个步长点所花费的计 算时间比设定的仿真步长短或相等。因此对总的数字仿真过程来说只是几个局部的 变结构点无法做到严格实时。 由于目前微机的计算能力与并行处理系统存在差距，如何在仿真满足全局实时 性的条件下消除仿真过程中这些变结构点的不利影响，将仿真的全局实时性转换为 严格实时性，以满足实时试验的需要，将是微机能否顺利进行实时试验的关键所在。 否则微机的仿真步长将只能按照变结构点处计算达到严格实时要求的时间来选取， 比仅满足全局实时性要求的仿真步长要大好几倍，将造成计算能力的极大浪费。 文献1 1 8 3 提出仿真前预存节点导纳矩阵的方法。即在正式开始实时试验前预先 将可能出现的系统结构变化计算一遍，将每一个可能的故障过操作情况下的节点导 纳矩阵存储下来，以便消除实时试验过程中遇到故障或操作时修正节点导纳矩阵并 重新进行三角分解耗费过多时间的不利影响。但这种处理方法只限于处理故障过操 作时的情况。如果系统中存在非线性元件，计算过程中其参数和结构会随工作点不 同而产生变化，在仿真前以稳态工作点对非线性元件进行处理生成的节点导纳矩阵 在仿真过程中不一定准确。 2 4 3 数据缓存方法 华北电力大学j r ：释硕士学位论文 图2 3 为微机闭环试验保护装置的交互过程示意图。被测保护装置所控制的断 路器在微机中用数学模型表示。 图2 3 试验系统闭环交互过程 在任意t 时刻，微机进行电力系统仿真并输出信号工( f ) 到保护装置，保护装置产 生的控制信号“( f ) 反馈回数字系统作用于断路器模型，断路器向系统输出) ，( f ) ，对 系统产生作用。这样，三者之间就形成了闭环交互。 断路器从接到保护装置跳闸命令到断路器跳开的时间称为断路器分闸时间，该 时间一般为2 0 - - 6 0 m s 。可以利用断路器分闸时间，在正式闭环仿真前先进行丁时 间的仿真，将数据缓存下来，然后再进行实时闭环试验。引入数据缓存后不加处理 时的闭环交互过程如图2 4 所示： 图2 - 4 引入数据缓存后不加处理时的闭环交互过程 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 在正式闭环仿真前，先进入数据缓存阶段。数据缓存的时间为丁，将这段时 间的仿真数据存储在一个先进先出( f i f o ) 的数据缓冲区内。然后开始进入正式的 闭环交互仿真阶段。此时按照步长缸的时间间隔，定时通过输出接口将数据缓冲区 内的数据送往保护装置。微机的仿真时标在一开始比保护装置的实际物理时标领先 丁时间。如果统一到仿真时标上看，以数据缓存开始为时间零点，在任意t 时刻， 保护装置接收到的是微机在( t 一r ) 时刻的输出信号x ( t a t ) ，其产生的控制信号应 是u ( t a t ) 。u ( t a t ) 反馈回数字系统作用于断路器模型，断路器向系统的作用输 出应是y ( t a t ) 。而数字仿真t 时刻必须采用断路器t 时刻的输出量y ( f ) ，而不是 y ( t a t ) 。可见，引入数据缓存后如此不加处理的闭环仿真结果显然是错误的。 假定断路器在s 域传递函数为： 塑：，( j ) ( 2 7 ) u 0 ) 一 关键问题是将断路器从保护装置的输出u ( t a t ) 得到y ( f ) 。对u ( t 一刃作拉普 拉斯变换得到e 以乃u ( s ) ，进而有： y o ) = f o ) 木( 厂( s ) = f ( s ) e 西e a 乃u o ) = f ( s ) e a 盼【厂( s ) ( 2 8 ) 其中： ，7 0 ) = f ( s ) e 们。 ( 2 - 9 ) 可见，只要在仿真程序中将断路器的传递函数模型由f ( j ) 修正为f ( j ) ，则断路器 输入为u ( t a t ) ，其输出正好为y ( t ) ，如图2 5 所示： 图2 5 引入数据缓存后加以处理时的闭环交互过程 引入数据缓存之后，当系统遇到变结构点时，虽然无法做到严格实时，但由于 数据缓冲区内存储有r 时段长的数据，因此输往被测装置的数据不会受到影响。 1 3 华北电力人学：程硕+ 学位论文 只要该点的计算时间不超过数据缓存时间丁，被测装置接收到的数据将是完全实 时的，感受不到断点的影响。通过数据缓存可顺利实现仿真的全局实时性向严格实 时性的转换。即如果在某步长下仿真满足全局实时性要求，则仿真也可满足严格实 时性要求，可进行实时闭环试验，充分利用了微机的计算能力。 2 4 4d d r t s 数据缓存方法的应用 设断路器分闸时间为互，则： y ( f ) = u ( t 一互) 这相当于存在一个死区，其传递函数为： ( 2 1 0 ) f ( j ) = e - r 1 , ( 2 1 1 ) 因此： ，( s ) = f 0 碡曲= e 一( 7 i a r h ( 2 1 2 ) 如果r 互，则，( j ) 对应的装置模型是物理上可实现的。特别是当r = z 时， 构成一个增益为1 的比例环节，实现最为简单。相当于微机仿真中的数字断路器模 型一旦接到外部继电保护装置发出的动作信号就马上动作，而不再延时等待。 如果不采用数据缓存方法，微机的仿真时标和送出仿真数据试验继电保护装置 的试验时标完全同步，若在t 时刻被测的保护装置发出跳闸信号，但微机在互时间 后的t ，时刻才按照数字断路器跳开后的结构进行仿真。 如果采用数据缓存方法，先进行r = z 时间的数字仿真，将数据预先存储下来， 然后再进行实时闭环交互试验。让微机的仿真时标一开始比实际试验时标领先互时 间，相当于试验时标比仿真时标整体推后了互时间。在试验时标的t 时刻被测的继 电保护装置发出跳闸信号，此时微机对应的仿真时标为t ，时刻，数字断路器模型接 到继电保护装置发出的动作信号后马上动作，而不再等待z 延时。因此在仿真时标 上，数字仿真仍是按照数字断路器t ，时刻跳开后的结构进行仿真。可见，采用数据 缓存方法，无论是被测继电保护装置在试验时标上感受到的输出数据，还是微机数 字仿真在仿真时标上的整个过程，与正常不采用数据缓存方法时完全一致，是绝对 准确的。 如果r 互，则f ( 占) 为一个纯超前环节，其对应一个非因果系统，在物理上是 不可实现的。 2 4 5 数据缓存的实现过程 在数据缓存阶段采用先进先出数据缓冲区对数据进行存储。在正式闭环交互仿 真开始后，微机一边写，通讯卡一边同步往外送。 首先，在正常点仿真所花时间出一应小于或至少等于步长址。要真正完成闭环 试验，与接口通信要占用c p u 一点时间，因此垃一须小于。启动仿真后微机先 1 4 华北电力大学：i = 程硕士学位论文 仿真z 时间，将数据缓冲区填满( 认为存储丁时段数据为满) 。然后启动闭环试 验，开始与被测装置进行实时交互。通讯卡d s p 负责通信控制，其定时器时钟周期 设置为步长f ，在此时钟周期内完成一次输入输出。之后在每一步长中，微机向数 据缓冲区写一组当前时步的输出数据，但前提是通讯卡已送出一组数据，数据缓冲 区不满，否则微机需要等待。这样，仿真计算和通信送数实现了同步，周期都变为 f 。此时微机计算完一步，写一组数据，通讯卡送一组数据，缓冲区始终维持满的 水平，不会出现溢出的问题。 在t ，时刻遇到变结构点，计算时间变为f + ，比步长f 要长许多。而通讯卡却始 终保持间隔缸时间向外输出缓冲区中的数据。缓冲区的数据量开始下降。 变结构点过后，由于缓冲区为不满状态，微机每步计算时间又只需缸，小于 步长出，但此时不用等待，可直接向数据缓冲区写数。从t ，时刻开始一个追赶过程， 一直到厶时刻缓冲区再次为满。微机又开始等待通讯卡从数据缓冲区中送出一组数 之后再写入一组数，计算和通信送数又一次实现周期为f 的同步。 在t 。至t ，时间段，缓冲区的数据不满，所对应的实际数据缓存时间a t , 要小于 a t 。此时断路器对应的修正传递函数f 7 ( j ) 表达式中的丁要暂时改为a t , ，即每当 出现数据缓存时间变化时要修改，7 ( s ) ，以与当前的实际数据缓存时间相匹配。a t , 可 通过缓冲区当前数据数目乘以步长得到。t ，时刻之后，又恢复为a t 。一次仿真中， 在保证缓冲区不耗空情况下能连续承受的变结构点数目为： ： 垒! ( 2 1 3 ) f 一f 一 由于每次变结构点后的计算都存在一个追赶过程，因此仿真能实际抵御的系统 变结构点次数大于。 如果不采用数据缓存，为在变结构点做到严格实时，就必须将步长从缸增大到 a t + 。可见，采用数据缓存方法使得在仿真步长的选择上有了更大的空间。 2 5 本章小节 本章首先研究了电力系统实时仿真技术，对其算法及其性能进行了分析，给出 了电力系统实时仿真急需解决的问题。 另外，本章还分析了电磁暂态实时数字仿真中的速度瓶颈所在，介绍了微机继 电保护装置闭环试验的数据缓存方法，得到如下结论： l 、在仿真满足全局实时性的前提下，数字仿真用于实时试验遇到的主要困难 是：在系统变结构点需要修正节点导纳矩阵并重新进行三角分解，导致在该点的计 算时间变长，采用小步长的微机数字仿真在该点难以做到严格实时，而在其它步长 点完全可以做到严格实时。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、利用断路器的死区，提出了将仿真的全局实时性转化为严格实时性的数据 缓存方法。它采用满足全局实时性要求的较小步长就可进行实时试验，不必为达到 变结构点的严格实时性要求而采用大步长，扩展了实时数字试验的步长选择范围。 3 、数据缓存方法将被控装置的传递函数模型由f c s ) 修正为f ( s ) = e a t s f ( s ) ，从 理论上可以保证应用数据缓存后闭环交互的正确性。利用数据缓存方法，在某仿真 步长下仿真如果能够满足全局实时性要求，就可以进行实时试验，而不再需要增大 步长去适应变结构点的计算时间要求。 4 、闭环试验继电保护装置时，只要数据缓存时间丁不大于断路器分闸时间正， f ( s ) 在物理上就是可实现的。 1 6 华北电力人学j 明鼙硕士学位论文 第三章对数字动态实时仿真系统的研究 3 1 数字动态实时仿真系统概述 数字动态实时仿真系统( d i g i t a ld y n a m i cr e a lt i m es i m u l a t o r ，简称d d r t s ) 是基于微机的实时数字仿真系统。d d r t s 基于微机开放式的体系结构和自主开发的 全中文图形化电力系统仿真软件，用于模拟电力系统的电磁暂态和机