（电力系统及其自动化专业论文）实时数字仿真系统api应用开发的研究.pdf

ab s t r a c t p o w e rs y s t e mr e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a r ls i m u l a t ev a r i o u s k i n d so fo p e r a t i n gm o d e so fp o w e rs y s t e m ，p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt e s i n g p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o nd e v i c e sf o ri t ss m a l l s i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n v e r s a t i l i t y ，s t r o n gr e p e a t a b i l i t y ，a n dl o wp r i c e a tp r e s e n t ，t h es c a l eo ft e s t e dd e v i c ei s l i m i t e db yt h en u m b e ro fp e r i p h e r a lh a r d w a r ee q u i p m e n t ss u c ha sp o w e r a m p l i f i e r s s w i t c hc o n v e r t o r sa n ds o o n c o n s i d e r i n gt h i sp r o b l e m ，c o l l e c t i n gd a t af r o m s i m u l a t i o nm o d e lb yu s i n ga p i ，a n d t r a n s m i t t i n gd a t av i ae t h e r n e ti nc l o s el o o p t e s t i n g ，h a sb e e np r e s e n t e da n dr e a l i z e di nt h i st h e s i s t h ep o w e rs y s t e mr e a lt i m es i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n da p ia r es t u d i e da tt h e v e r yb e g i n n i n g ，a n dt h e nt h et h e s i sf o c u s e so nt h eh y p e r s i ms i m u l a t i o ns y s t e ma n d h y p e r s i ma p i as i m u l a t i o nm o d e lo fp o w e rs y s t e mi se s t a b l i s h e do nh y p e r s i m w o r k s t a t i o n , i no r d e rt oa n a l y z et h ef u n c t i o no fh y p e r s i ma p i p r o g r a mi sc o m p i l e d b yu s i n gh y p e r s i ma p it oc o n t r o lh y p e r s i ms o f t w a r ea n dt r a n s m i td a t av i ae t h e m e t f i n a l l y ，t a k i n gm a s t e rs t a t i o no fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mf o rp o w e rs v s t e m a st h eo b j e c tt ob et e s t e d ，ac l o s el o o pt e s t i n gs y s t e mi s b u i l t t h et e s t i n gs y s t e m c o n s i s t so fh y p e r s i m ，c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tc o m p u t e ra n dm a s t e r s t a t i o no f d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e m h y p e r s i mi su s e dt os i m u l a t ep o w e rs y s t e m i nt h e m e a n w h i l e ，i ti su s e dt os e n dr e m o t em e a s u r i n ga n ds i g n a l l i n gd a t at oc o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n tc o m p u t e ra n di m p l e m e n tr e m o t ec o n t r o l l i n gc o m m a n d s c o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n tc o m p u t e ri su s e dt ot r a n s m i td a t a ，w h i c hi sr e c e i v e df r o mh y p e r s i m t o m a s t e r s t a t i o na c c o r d i n gt oc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 a t t h es a m e t i m e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t c o m p u t e ri s u s e dt ot r a n s m i tr e m o t e c o n t r o l l i n g c o m m a n d s ，w h i c hi sr e c e i v e df r o mm a s t e rs t a t i o n ，t oh y p e r s i mw o r k s t a t i o ni na c e r t a i nf o r m a t m a s t e rs t a t i o no fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mi s u s e dt or e c e i v e d a t at r a n s m i t t e d b yc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tc o m p u t e ra n ds e n dr e m o t e c o n t r o l l i n gc o m m a n d st oc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tc o m p u t e r t h et e s t i n gs y s t e m s i m u l a t e st h ew o r k i n g p r o c e s s e so fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mf o rp o w e r s y s t e m f r o mt h et e s t i n gr e s u l t sw ec a ns e et h et e s t i n gm e t h o dc o u l d b eu s e di nf u t u r e t h et e s t i n gm e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i sh a si m p o r t a n tv a l u ei nv e r i f y i n g f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fm a s t e rs t a t i o n ，e s p e c i a l l yi nr e s e a r c ho nt h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：h y p e r s i ma p i ，c l o s el o o pt e s t i n g ，s i m u l a t i o nm o d e l ，m a s t e rs t a t i o no f d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e m i i 国网电力科学研究院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得国网电力科学研究院或其它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。 研究生签名：日 期： 国网电力科学研究院学位论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 国网电力科学研究院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 电力系统中，为验证新的电力自动化设备的功能和性能，在这些设备投入实 际系统运行前都要进行测试。电力系统实时数字仿真系统可以实时模拟电力系统 各种运行工况，具有体积小、功耗低、通用性好、可重复性强、价格较动态模拟 和数模混合式仿真装置低廉等优点【l 】，因而在电力自动化设备的测试中获得了广泛 的应用。目前，电力系统实时数字仿真测试中仿真模型输出的模拟量信号经数模 转换及功率放大后输入被测设备，开关量信号经开关量转换装置转换后输入被测 设备。这种传统的测试方法在被测设备需要采集的模拟量及开关量信号较少时比 较适用，但如果被测设备需要采集的信号较多时，以当前这种信号输出方式构建 测试环境就需要大量的信号转换及功率放大设备，显然这是不经济的，而且接线 工作量大，增加了测试工作的难度，影响了测试效率。利用实时数字仿真系统的 应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 采集仿真模型的一次状态参数 ( 遥测和遥信数据) ，通过网络将采集的数据直接输出给被测设备，这样可以避免 冗杂的外围物理连接，节约了功率放大器等硬件开销，并且有利于进_ 步扩大系 统仿真规模，为系统类电力自动化设备提供实时闭环测试。 当前，国内外典型的电力系统数字实时仿真系统有r t d s ，h y p e r s i m ，d d r t s 等，其中只有h y p e r s i m 提供了应用程序接口( a p i ) ，本文对h y p e r s i ma p i 进行 了详细的研究。通过对h y p e r s i m a p i 的研究，可以为需要采集大量信号的系统提 供测试。本文提出的测试方法对于实现系统类电力自动化设备的功能、性能验证， 特别对于安全稳定控制策略研究具有重要的实用意义。 1 2h y p e r s i ma p i 简介 h y p e r s i m 是j j i 拿大魁北克水电公司下属f f j t r a n s e n e r g i e 科技公司研制的电力 系统全数字实时仿真软件，采用多c p u 并行处理技术，可以满足电力系统电磁暂 态和机电暂态实时仿真的要求，并且可以通过高速d a 、a d 与被试设备连接，实 现电力自动化设备的实时闭环测试【2 1 。 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序接口) 是一些预先定义的 国网电力科学研究院硕：l 二学位论文 函数，用户通过在程序中调用这些函数来使用它们所提供的功能，无需理解 编写函数的源码。h y p e r s i m a p i i 垂i 数是使用c 语言编写的，其实现包含在动态 链接库文件中，函数声明和结构体定义包含在头文件中，用户在编程时只要包 含相关的头文件并加载动态链接库文件就可以在程序中调用这些a p i 函数。利用 h y p e r s i m 提供的a p i 函数进行应用开发，可以实现下面的一些功能： 1 ) 获l 秋h y p e r s i m 仿真系统配置参数名称，参数描述，参数值类型及参数值； 修改h y p e r s i m 配置参数值。 2 ) 获取所建仿真模型的元件个数，元件名，元件所属i d ，元件种类，元件所 属网络及所属站，元件参数个数及元件参数属性，其中元件参数属性包括 了参数名，参数描述，参数类型，参数单位及参数值；修改元件参数值。 3 ) 获取h y p e r s i m 仿真软件命令的名称，描述等信息；通过程序来控制 h y p e r s i m 软件。 4 ) 获取设置s e n s o r 的信号的名称，类型，种类，描述，值及单位等。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要研究了h y p e r s i m 实时仿真系统提供的a p i 函数，利用a p i 函数编写 程序采集电力系统仿真模型的一次状态参数( 遥测和遥信数据) ，完成了电力系统 调度自动化主站系统的闭环测试。主要研究内容包括： 1 ) 在h y p e r s i m 实时数字仿真系统上，建立了电力系统仿真模型，用于 h y p e r s i ma p l 函数的研究和电力系统调度自动化主站系统的闭环测试。 2 ) 编写程序分析出h y p e r s i ma p i 函数的功能，以确认其能否满足测试要求。 3 ) 使用h y p e r s i ma p i 函数编写出数据采集程序采集电力系统仿真模型的一 次状态参数( 遥测和遥信数据) ，并使用s o c k e t 将采集到的数据以一定格 式发送给通信管理机。同时测试出数据采集和传输速度，为进一步研究提 供参考。 4 ) 构建电力系统调度自动化主站系统的闭环测试系统，测试系统由 h y p e r s i m 实时数字仿真系统、通信管理机和被测调度自动化主站系统组 成。 5 ) 在通信管理机上用c 语言编写程序接收h y p e r s i m 工作站发送的仿真模型 2 第一章绪论 的一次状态参数( 遥测和遥信数据) ，并按照i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的格式 转发给被测调度自动化主站系统，同时接收被测系统发送的遥控命令并按 照h y p e r s i m 工作站所需的格式转发给h y p e r s i m 工作站。 6 1 测试过程模拟实际调度自动化系统中主站与子站1 3 的工作过程，如：总召 唤过程、变位遥信变化遥测上送过程和遥控操作过程等，通过测试结果 来验证所构建的测试系统为电力系统调度自动化主站系统提供闭环测试 的可行性。 1 4 论文的结构 论文共分五章，各章的主要内容分别简述如下： 第一章阐明了研究实时数字仿真系统a p i 的意义，简要介绍了h y p e r s i m a p i 。 第二章介绍了电力系统实时仿真技术及实时数字仿真系统a p i 。 第三章介绍了h y p e r s i m 实时数字仿真系统的工作原理及软硬件组成，参考 实际一次系统接线，在h y p e r s i m 图形用户界面上建立了环网模型。 第四章分析了h y p e r s i m a p i 函数的功能，根据h y p e r s i m a p i 函数的功能，选 择合适的a p i 函数编写程序，用于仿真测试。 第五章建立电力系统调度自动化主站系统的闭环测试系统，实现了对电力系 统调度自动化主站系统的闭环测试。 第六章总结了本文的研究工作，提出了进一步的研究工作。 3 国网电力科学研究院硕：卜学位论文 第二章电力系统实时仿真及实时数字仿真系统a p i 2 1 电力系统实时仿真 电力自动化设备的可靠性直接影响到电网的安全稳定，其技术的发展与开发 手段的完善和测试环境的优劣密不可分。电力系统实时仿真的仿真速度与实际系 统动态过程相同，能在一个计算步长内计算完成实际电力系统在该段时间内的动 态过程响应情况并完成数据转换，为电力自动化设备提供了良好的测试环境。电 力系统实时仿真可分为物理模拟、数字物理混合仿真( 数模混合仿真) 和数字仿 真。 2 1 1 电力系统动态模拟 电力系统动态模拟( 简称动模) ，是最早出现的进行电力系统研究的实时仿真 方法，动模基于相似理论，将电力系统实际元件，如发电机、a v r ( 自动调压器) 、 调速器、电动机、变压器、输电线、换流阀等，用参数成倍数缩小的真实物理元 件模拟，属于物理模拟。动模试验研究的主要思路是通过建立电力系统的物理仿 真试验模型，对实际的继电保护、动态无功补偿控制保护装置、安全稳定装置、 直流控制保护系统等进行试验研究【4 】。 动模试验反映的物理过程是直观真实的，可对电力系统的许多特性和过程进 行定性、定量分析，具有实证性强、技术成熟、仿真结果准确可靠等技术特点， 是最接近于电力系统运行实际的试验研究手段。在理论研究和产品开发过程中， 当对于某些问题和物理现象由于认识上的限制，不能或不能完全用数学方程式表 示时，通过动模试验能够直接观察到各种现象的物理过程，探索现象本质及其变 化的基本规律。但动模试验不足之处也是显而易见的：试验的系统规模不大，电 力系统元件模型比较单一，可扩展性和兼容性差，参数调整范围有限；另外，建 立动模实验室的投资大，建设周期长，这些因素限制了动态模拟的迸一步发展和 推广【。 4 第二章电力系统实时仿真及实时数字仿真系统a p i 2 1 2 实时数字物理混合仿真 实时数字物理混合仿真( 又称数模混合仿真) ，采用的是数字仿真模型和基于 相似理论的物理模型。数模混合仿真中，除电机、动态负荷等旋转元件用数字元 件模拟外，其余元件基本上和动态模拟采用的元件一致。 实时数模混合仿真比起早期的物理实时仿真，灵活性和研究范围都得到较大 提高。数模混合仿真的最大优点就是其数值稳定性好，在数模混合仿真中，线路、 变压器等元件皆为物理模拟元件，模拟元件与数字元件相互间完全解耦，因此只 要发电机等数字元件本身无数值不稳定问题，则整个仿真系统就不会产生数值振 荡问题。 由于数模混合仿真主要部分仍是基于相似理论的物理模型，也具有了物理模 拟的缺点，如仿真规模取决于硬件规模，可模拟的电力系统规模受限制，参数难 以匹配。 2 1 3 实时数字仿真 尽管电力系统动态模拟和数模混合仿真系统在电力系统的实时研究领域发 挥着重要的作用，但由于其建模的周期长、重复性差、实验室占地面积大等原因， 人们一直没有放弃对实时数字仿真的探索工作。卢强院士在文献【5 】中强调了实时 数字仿真技术在未来电力系统发展中的重要性。加拿大m a n i t o b a 直流研究中心在r k u f f e l 博士的领导下，多年来一直致力于电力系统实时仿真系统研究，终于在2 0 世纪9 0 年代初开发出世界上第1 套商业化的实时数字仿真系统( r t d s ) ，大大推动了 电力系统实时数字仿真技术的发展【6 】。随着商用化计算机性能飞速提高和价格不断 下降，基于微机的电力系统实时数字仿真技术及其应用前景日益受到关注。实时 数字仿真系统的出现是计算机技术、并行计算技术、数字信号处理技术和现代控 制技术发展的产物。所有的实时数字仿真系统，无论其采用什么样的硬件平台， 其共同特点是采用多c p u 并行处理技术，由仿真软件决定c p u 模拟什么电力系统 元件i l 】。 2 1 3 1 国内外实时数字仿真系统简介 目前国内外典型的实时数字仿真系统有：加拿大r t d s 公司的r t d s 系统、加 拿大魁北克t r a n s e n e r g i e 科技公司的h y p e r s i m 系统【刀、法国e d f 公司的a r e n e 系 统、中国电力科学研究院的a d p s s 及深圳殷图公司的d d r t s 。表2 1 对国内外典型 5 国嘲电力科学研究院硕士学位论文 的实时数字仿真系统进行了技术、经济比较。总的来说，国外的r t d s 、h y p e r s i m 、 a r e n e 等实时数字仿真系统由于开发时间较长，在性能和模型等方面具有一定的 优势，但价格相对较高，国内的a d p s s 和d d r t s 等实时数字仿真系统具有自主知 识产权，价格相对较低，但开发时间较短，仿真模型和系统性能还有待进一步提 高1 4 】。 表2 1 国内外典型的实时数字仿真系统比较 i 淝s h y p e r s i m a r b n ea d p s sd d i r r s 硬件多个处理器并s g i n 艮务器或h p 服务器或集群计算机单c p u 或多 结构行计算 p cp c c p u 微机服务 器 元件开发时间长，开发时间较开发时间较开发时间较开发时间较 模型 模型最全长，模型较全长，模型较全短，模型有待短，模型有待 完善完善，尤其是 直流和f a c t s 模型 产品 价格较高价格较高价格较高价格相对较低价格相对较低 价格 国内 国内外应用最国内外应用较应用情况一般该装置于2 0 0 5国内应用较广 外应广泛广泛年l o , q 通过验泛，国外应片j 用情收，应用尚未较少 况推开 2 1 3 2 实时数字仿真系统测试方法 目前电力系统实时数字仿真系统主要用于电力自动化设备的闭环测试。测试 方法如下：首先建立电力系统仿真模型，然后运行实时仿真，将仿真模型中的电 压、电流信号经数模转换及功率放大后接入被测设备，在仿真模型上模拟设备测 试所需的各种运行工况，并将被测设备的动作结果反馈到实时仿真系统，考证被 测设备动作的正确性，实现闭环测试i s , 9 1 。主要被测设备有以下几类：继电保护类 产品、稳定控制类产品、综合自动化类产品及励磁调速类产品。实时数字仿真系 统与被测设备的连接关系如图2 1 所示。 6 第二章电力系统实时仿真及实时数字仿真系统a p l 模拟量输出 图2 1 实时数字仿真系统与被测设备接线示意图 2 2 实时数字仿真系统a p i 入 由图2 1 可看出，目前的测试方法使得被测设备的规模受到功率放大器、模 拟断路器、开关量转换装置数量的限制，对于装置类自动化设备的测试，所需的 量少，可以配置相应的功率放大器、模拟断路器、开关量转换装置数量来完成转 换，然而对于需要大量采集电力系统次状态参数( 遥测和遥信数据) 的电力自动 化设备( 如调度自动化系统、广域相量测量系统、配网自动化系统等) ，实验室 是没有办法、也不可能配置足够多的功率放大器、模拟断路器、开关量转换装置 来满足测试要求。针对这种情况，本文提出了以下的测试方法：利用实时数字仿 真系统的应用程序接口( a p i ) ，编写应用程序获取仿真模型的参数，通过网络将 参数输出给被测设备，被测设备通过网络向实时数字仿真系统发送动作命令，实时 数字仿真系统接收命令并执行命令，实现闭环测试。 利用实时数字仿真系统的应用程序接口( a p i ) 编写应用程序具有以下优点： 1 ) 无需理解编写仿真软件的程序源码。 2 1 无需理解编写a p i 函数的源码。 3 ) 提高程序的运行效率。 本文提出的测试方法，需要实时数字仿真系统提供的a p i 函数具备以下的功 能： 1 ) 采集仿真模型的一次状态参数( 遥测和遥信数据) 。传统的仿真测试中，仿 真模型输出的模拟量信号经数模转换及功率放大后输入被测设备，开关量 7 国嘲电力科学研究院硕：土= 学位论文 信号经开关量转换装置转换后输入被测设备。而本文提出的测试方法中， 仿真模型的一次状态参数( 遥测和遥信数据) 将通过网络直接发送给被测 设备，不再需要经数模转换、功率放大器，开关量转换装置等外围硬件设 备进行转换。通过网络将仿真模型的一次数据输出给被测设备，这就需要 实时数字仿真系统提供的a p i 函数具有采集仿真模型一次数据的功能。 利用具有数据采集功能的a p i 函数编写应用程序，在仿真系统运行仿真 模型的同时，运行应用程序，根据被测设备的需要采集仿真模型的一次数 据，并将采集的数据通过网络输出给被测设备。 2 ) 接收并执行被测设备发送的动作命令。要对被测设备进行闭环测试，仿真 系统需接收被测设备发送的动作命令，并执行此命令，如完成对断路器的 分闸或合闸操作、调整发电机参数等。传统的仿真测试中，如需对断路器 进行分闸或合闸操作，需将被测设备的动作信号经数字量输入通道接入仿 真系统，有时还需经模拟断路器进行转接，如果动作信号较多时接线较繁 琐；如需调整发电机参数，需在仿真软件的图形用户界面上对参数进行手 动修改，操作较繁琐，而且会造成一定的延时，。与实际电力系统中的工作 情况不相符。针对此情况，本文提出了利用实时数字仿真系统提供的a p i 函数，编写程序执行被测设备发送的动作命令。要实现此功能，需要实时 数字仿真系统提供的a p i 函数具有执行被测设备发送的动作命令的功能， 如，可以利用实时数字仿真系统提供的a p i 函数编写程序改变断路器分 合闸状态、调整仿真模型的元件参数等。 3 ) 控制仿真软件。传统的仿真测试中，对仿真软件的操作，如开始仿真、停 止仿真，设置故障等都通过仿真软件的图形用户界面进行。这种操作方法 比较直观，但如果试验过程较复杂，需重复性设置故障时，通过仿真软件 的图形用户界面进行操作则比较繁琐，如果实时数字仿真系统提供的a p i 函数具有控制仿真软件的功能，利用a p i 函数编写程序来控制仿真软件， 测试人员将不需要重复操作仿真软件，减轻了测试的工作量。 利用实时数字仿真系统的应用程序接口( a p i ) 对被测设备进行闭环测试的 工作原理图如图2 2 所示。仿真服务器对仿真模型进行计算，仿真工作站运行仿真 软件，对模型进行仿真，为仿真服务器分配任务，利用a p i 函数编写的应用程序 8 第二章电力系统实时仿真及实时数仿真系统a p i 也运行在仿真系统工作站上。仿真服务器与仿真工作站间的数据交换可通过远程 过程调用( i 冲c ) 来实现，被调用过程和调用过程处于不同的主机上，调用者为 客户，被调用的过程为服务器。 图2 - 2 利用a p i 进行闭环测试工作原理图 图2 2 中，仿真系统向被测设备输出一次数据，接收被测设备发送的动作命令 都通过网络进行，客户调用s o c k e t 、c o n n e c t 、s e n d 和r e c v ，服务器则调用s o c k e t 、 b i n d 、l i s t e n 、a c c e p t 、s e n d 和r e c v ，s o c k e t 用来创建套接1 2 1 ，c o n n e c t 用来连接服务 器，b i n d 用来绑定套接口，l i s t e n 用来监听连接，s e n d 和r e c v 用来发送和接收数据， 以这种方法传输数据，将使得被测设备的规模不再受到外围硬件设备如，功率放 大器、模拟断路器、开关量转换装置等的限制，对实时数字仿真系统a p i 进行应 用开发，并将其应用于电力自动化设备的闭环测试，可为需要大量采集电力系统 一次状态参数的电力自动化设备的测试提供很好的解决思路。 目前，国内外典型的实时数字仿真系统中只有h y p e r s i m 提供了a p i ，因此， 本文接下来将对h y p e r s i ma p i 进行研究。 9 国网电力科学研究院硕：卜学位论文 2 3 本章小结 本章首先介绍了电力系统实时仿真技术，包括电力系统动态模拟、实时数字 物理混合仿真和实时数字仿真，主要介绍了它们的优缺点，重点介绍了实时数字 仿真；然后介绍了目前实时数字仿真系统的测试方法，指出了目前测试方法的不 足之处，提出了利用实时数字仿真系统a p i ，通过网络传输数据，实现闭环测试， 改善目前测试方法的不足之处。 l o 第三章h y p e r s i m 实时数字仿真系统及电力系统仿真模型 第三章h y p e r s i m 实时数字仿真系统及电力系统仿真模型 3 1h y p e r s i m 实时数字仿真系统 h y p e r s i m 实时数字仿真系统采用多c p u 并行计算，将所仿真的电力系统模型 分解为多个并行子任务，并分配到可用的处理器中同时进行计算，在每一个仿真 时间步长中，首先分别计算各个子任务，然后各子任务相互交换信息，因此 h y p e r s i m 实时数字仿真系统可仿真大规模的电力系统。h y p e r s i m 实时数字仿真系 统采用固定步长隐式梯形法，将储能元件如电感器、电容器等值为电阻并联电流 源，建立节点导纳矩阵，采用节点导纳方程求解网络变量，当网络拓扑因开关动 作改变时，修改节点导纳矩阵，采用l u 分解法重新对节点导纳矩阵求逆1 4 1 。 本文所使用h y p e r s i m 实时数字仿真系统 h h y p e r s i m i 作站和s g io r i g i n 3 5 0 h 艮务器组成。h y p e r s i m t 作站为2 台p c 机，用于启动、关闭s g i 服务器和运行 h y p e r s i m 仿真软件；s g io r i g i n3 5 0 为共享存储器的多c p u 超级并行处理计算机， 包含7 个b r i c k ( 层) ，每个b r i c k 中配置4 颗c p u ，共有2 8 颗c p u0 0 , 1 。h y p e r s i m 实 时数字仿真系统的示意图如图3 1 所示。 图3 一lh y p e r s i m 实时数字仿真系统示意图 l l 国网电力科学研究院硕上学位论文 h y p e r s i m 仿真软件运行在h y p e r s i m i 作站上，h y p e r s i m 软件包由图形用户界 面模块h y p e r 、代码生成模块、波形显示及分析模块s p e c t r u m 和命令控制模块 c n t r 组成【1 2 】。 1 ) 图形用户界面模块h y p e r 该模块由工作空间、元件模板、画图模板等3 部分组成，可构建电力系统结构 图、控制系统模块图和设置元件参数等。图形用户界面有两种操作模式：编辑模 式和仿真控制模式。在编辑模式下，用户可利用元件库中的电力系统器件，如发 电机、变压器、线路和开关等构建电力系统网络拓扑；可利用元件库中控制元件 构建各种控制系统，如发电机励磁调节器、调速器、f a c t s 和h v d c 控制器；也可利 用画图模板中的工具添加文字说明或其他装饰性、解释性图画。 2 ) 代码生成模块 代码生成模块用来分析网络拓扑，分解线路、母线、控制元件及其子系统为 不同的任务，为每一任务生成c 代码。 3 ) 波形显示及分析模块s p e c t r u m 对电力系统仿真模型中的信号设置s e n s o r 后，可以使用s p e c t r u m 模块观察信 号波形，并对波形进行代数或频谱分析。 4 ) 命令控制模块c n t r 该模块是命令文本，执行与图形用户界面中的操作指令相同的操作。命令可 通过键盘或文件输入，因此，系列操作可在命令控制模块中编程后顺序执行， 无须用户干预。 3 2 仿真模型的建立 在研究h y p e r s i ma p i 之前，需要建立电力系统一次系统的仿真模型。 电力系统一般由发电厂、变电所、线路和用户组成【1 4 】，建立模型时在不影响 试验结果的前提下可以对系统进行适当的简化。本文在参考实际一次系统接线的 基础上，在h y p e r s i m 图形用户界面( g u i ) 上建立了一个较简单的环网模型如图 3 2 所示。模型中大容量的恒压源g e k b 经过5 0 0 k v 超高压输电线路送至枢纽变电 所，2 2 0 k v 的电力网络构成环形可提高供电可靠性，2 2 0 k v 电压经过降压后供给 用户使用。该模型将用于h y p e r s i ma p i 函数的研究和电力系统调度自动化主站系 1 2 第三章h y p e r s i m 实时数? 仿真系统及电力系统仿真模型 统的闭环测试。 图3 1 2 电力系统环网模型 3 3 仿真模型的运行 h y p e r s i m 仿真软件在进入仿真模式时会进行网络分析，在t e 硼i n a l 中可以看到 网络分析结果。图3 2 的网络分析结果如下所示： 国网电力科学研究院硕士学位论文 n u m b e ro fn e t w o r k s = 1 ，c o n t a i n i n gat o t a lo f4 6n o d e s ( 3 p ha n dlp h ) n e t w o r k 稃l l i n e ：l q 4s t a t i o n s ：b a s 4 - b a r r l i n e ：l a ks t a t i o n s ：b a 7 n b a f c l i n e ：l e xs t a t i o n s ：b a 7 n b a 5l051 l l i n e ：l x fs t a t i o n s ：b a y m b a 5lo5ll l i n e ：l x 4s t a t i o n s ：b a y m b a 5l0 5l1 l i n e ：l a os t a t i o n s ：b a 5l0 51 l 。b a r r l i n e ：l 3 9s t a t i o n s ：b a 7 n b a r r s t a t i o nb a s 4 ，1 瓠kb a s 4 ，e l e m e n t s ： t r l 9g e l e8 r q j s t a t i o nb a f c 亿璩kb a f c 。e l e m e n t s ： t r f ob r j yl d 7 gb r j jl d h o s t a t i o nb a y m 。1 瓠kb a y m e l e m e n t s ： g e k bt r a ob r x jb r x y s t a t i o nb a 5 l o5 1 1 t 缸kb a 5 1 05 1 1 e l e m e n t s ： b r 2 mb r 5 l lt 几d ( b r v ob r w 3b r 5 0 1b r 5 1 0b r 5 1 2b r 5 0 3b r w xb r w it r v 9b r 5 0 2p o w b r z xb r z ib r e hb r e w s t a t i o nb a 7 n ，1 瓠kb a 7 n ，e l e m e n t s ： b r b bb r b qb n ( jb r k yt r m tb r o hb r 0 2b r n nb 小4 81 r l 订hb r k 4b r j pb r 8 wb r 8 hb r 8 2 b m fb r j ) eb 疋zl d e c b r c kb 疋5 s t a t i o nb a r r t a s kb a r r , e l e m e n t s ： b r 5 ll d 3 d b r r db r q yb r b rb r c 6b r c lb r d 0b r i rb r j 61 屹xl d l 9b r 3 9b r l7t r j ib r i c b r h xb 订m 根据以上网络分析结果可得出仿真模型被分为多少个子任务进行仿真，本文 所建的仿真模型被分为1 3 个子任务进行仿真。在设置s e n s o r 对信号进行输出时，本 文经过测试并得至l j h y p e r s i m 公司的认可，得出每个子任务最多可以输出1 0 0 个模拟 量信号和1 0 0 个开关量信号。根据网络分析结果中子任务的个数可以确定仿真模型 最多可输出多少个信号，为仿真系统的测试能力提供参考依据。 仿真模型开始运行前用户必须在仿真模式下设置仿真参数，仿真参数包括仿 真方式、仿真平台和仿真步长【6 1 5 】： 1 ) 仿真方式包括实时和离线两种方式：实时仿真可以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；离线仿真是对电力系统的物理过 程建立数学模型，再根据所搭建的模型进行仿真计算，它与实际的电力系 统没有直接联系【9 1 。 1 4 至= = ! ! ! ：堕堕- 竺兰堕型! 竺墨堡竺丝- ! ! ! 垒堑塑墨堡里 2 ) 仿真、r 俞色括仿真l 柞站4 q l s g i ：仿真工作站可进行离线仿真；s g i 可进 行实h f 仿真。 3 ) h y p e r s i m 仿真步长最小可达i 5 0 u s 仿真步长的选取比较晕耍，一般仿真 少长l | 】【衙越小训算 l f 度越商，但实际仿真巾仿真步长订个f 限值。 h y p e r s i m 叶 每个儿什均有一个估计的计算时m ，辱个任务撒据其含有的 节点数目、元件种类和数h 可估算大概的执行时问，分配任务时要使 证个c p u 巾所分得的仟务估算h t 问之和加上通信时间小于仿真步k 。t 真步长”t 以川m a p t a s k s 来确定，稚：仿真模式下按住鼠杯右键将会弹出； 单，如图3 3 所斫，存弹出的菜单巾选抒m a p t a s k s ，如果所设的时问步b 小十f 限值，可肴到如罔3 4 所示的窗口弹出，返时就需要增大时间步长 如粜时间步长设置j t 确，将会在t e m i n a i l 扣看到m a p t a s k s 的结果。 、啦置好仿真参数后，就可以选择 始仿真束对电力系统进行仿真。 图3 3m a pl a s k s 日h u ，j 科学q f 究院目! i 学忙沧z u o 0 3 4 本章小结 捌3 4m a p t a s k s 2 本章首先介绍了h y p e r s i m 仿真系统的工作原理及软硬件组成：然后参考实际 一次系统接线，在h y p e r s i m 图形用，1 界而( g u i ) 上建立了个较简单的环州模 型，并测i 式出h y p e r s i m 软什川t 每个仿真模刑最多- 输j 多少个信号。 第四章h y p e r s i m a p i 的应用开发 第四章h y p e r s i ma p i 的应用开发 h y p e r s i m 提供了a p i ，本章首先编写程序分析出h y p e r s i ma p i 函数的功 能，然后根据h y p e r s i m a p i 函数的功能选择合适的a p i 函数编写程序，实现 在仿真测试中运行应用程序来控制h y p e r s i m 软件，并采集所建电力系统仿真模型 的一次状态参数( 遥测和遥信数据) 。 4 1h y p e r s i ma p i 函数的分类 在使用h y p e r s i ma p i 函数之前，先编写程序，通过程序运行结果分析出 h ) ，p e r s i ma p i 函数的功能。h y p e r s i ma p i 函数按功能分主要有以下几类【1 6 1 ： 1 ) h a n d l e ( 与h y p e r s i m 软件建立连接) 2 ) p r e f e r e n c e ( 获取及修改h y p e r s i m 黯参数) 3 ) c o m p o n e n t ( 获取所建仿真模型元件信息；修改所建仿真模型元件参数值) 4 ) c o m m a n d ( 获取h y p e r s i m 仿真软件的命令参数；通过程序向h y p e r s i m 仿 真软件发送命令) 5 ) s e n s o r ( 获取仿真模型中设置s e n s o r 的一次状态参数) 应用程序与h y p e r s i m 软件通信前必须先用h a n d l e 类的函数与h y p e r s i m 软件建 立连接。用p r e f e r e n c e 、c o m p o n e n t 及c o m m a n d 类的函数编写程序来控铝i h y p e r s i m 软件，不需再向传统测试中那样对图形用户界面进行操作，可减轻测试的工作量， 还可用于远程控锘i h y p e r s i m 软件。用s e n s o r 类的函数编写的程序可以用来采集所建 电力系统仿真模型的一次状态参数( 遥测和遥信数据) ，在仿真测试中，通过程 序采集的数据，一可以通过网络直接输出给被测设备，不需再经过输入输出设备、 功率放大器等硬件设备进行转换。 4 2h y p e r s i ma p i 函数的应用 在分析出h y p e r s i m a p i 函数的功能后，本文根据h y p e r s i m a p i 函数的功 能，选择合适的a p i 函数编写程序，用于仿真测试，对提高仿真测试手段具 有一定的参考意义。 1 7 幽m 屯力科学研究院颤l 论z 4 上1i l a n d l e 应用